Sähköautojen EMC-hyväksynnät

"Pikku-e" ja muiden EMC-vaatimusten sisältö

EMC on sähkömagneettista yhteensopivuutta - laite ei saa häiritä muita eikä häiriintyä. Sähköauto ei saa häiritä myöskään omia järjestelmiään toimiakseen luotettavasti ja tarkoituksenmukaisesti. Pahimmillaan EMC:n kannalta heikko osa voi rikkoontua itse normaalissakin käytössä tai rikkoa toisia kohtuullisesti suojattuja osia.

Direktiivit ja standardit

Sähköajoneuvoja koskevat EMC-direktiivit: Lähinnä 2004/104/EC (ajoneuvojen EMC) ja 2004/108/EY ja 2014/30/EU (yleinen EMC), vanhoja autoja koskevat vanhemmat direktiivit (95/54/EY tai 72/245/ETY+89/491/ETY). Jos ajoneuvo sisältää esim. GSM-modulin tai WLAN-modulin, on sovellettava myös radio- ja telepäätelaitedirektiiviä 1999/5/EY (R&TTE) ja jatkossa radiolaitedirektiiviä 2014/53/EU (RED).

  • Vaatii joidenkin standardien mukaista testausta ja vaatimusten täyttämistä (sanktioidenkin uhalla). Direktiivit antavat rasitus- ja hyväksymistasoja.
  • Direktiivit on asetettu voimaan noudatettaviksi lainsäädännön kautta
  • Hyvin suunniteltu elektroniikka täyttää muitakin standardeja kuin pakolliset. Monia standardeja voi käyttää asettamaan kohtuullisia vaatimuksia tuotteelle. Standardit antavat toistettavia ja vertailtavissa olevia mittausmenettelyjä laitteen laadulle.
  • Ajoneuvo-EMC todistettava hyväksytyn (akkreditoidun) laboratorion mittauksin, yleinen EMC valmistajan vastuulla.

Katso vanhojen mallien EMC-vaatimuksista: Sähköautomuunnoksen viranomaisvaatimukset / Ajoneuvo-EMC-vaatimusten kehityskulku

EMC-vaatimukset ja standardien tekninen sisältö

EMC koostuu monista osa-alueista:

  • Johtuva ja säteilevä RF-emissio
    • Laite ei saa lähettää radioaaltoja johtoja pitkin "johtuvina" (josta ne edelleen pääsisivät ilmaankin etenemään) eikä "säteillen" ilmaan. Laite ei saa olla liian tehokas häiritsevä radiolähetin. Monet nykyaikaiset elektroniikkakytkennät toimivat korkeilla taajuuksilla ja ne ovat häiriölähettimiä ovat ilman erityistoimia (mm. kotelointeja ja suodatuksia).
    • Radiotaajuudet pitkistä aalloista radiopuhelintaajuuksiin tutkitaan
    • Tehokkaan sähkömoottorin hakkaava ohjaus tuottaa voimakkaita häiriöitä hakkaustaajuudella ja sen kerrannaistaajuuksilla
    • Suojaus monenlaisilla radioteknisillä ratkaisuilla:
      • koteloimalla
      • suodattamalla
      • valitsemalla vähemmän radiolähetteitä aiheuttavia ratkaisuja - moderni ohjaus- ja tehoelektroniikka on useinkin rajusti radiolähetteitä aiheuttavaa
  • RF-immuniteetti (sieto) ja RF-suojaus
    • Laitteet eivät saa häiriintyä vaimeista läheltäkään lähtevistä häiritsevistä radiolähetteistä (johtoja tai ilmaa pitkin tulevia).
    • Suojaus monenlaisilla radioteknisillä ratkaisuilla:
      • koteloimalla
      • suodattamalla
  • Pulssit ja transientit käyttöjännitteessä
    • Ajoneuvon sähköjärjestelmässä on luonnostaan häiriöpulsseja kuormien ja releiden mennessä päälle ja pois. Laitteet eivät saa häiriintyä.
    • Laitteet eivät myöskään saa tuottaa poikkeuksellisen voimakkaita häiriöpulsseja käyttöjännitteeseen.
    • Ajoakun häiriöihin ei voi suoraan soveltaa 12V tai 24V ajoneuvoakkujärjestelmän vaatimuksia ja standardeja
    • Suojaus yleensä erilaisin elektroniikan piirirakentein
      • transienttisuojat
      • suodatukset
  • Load dump
    • Tilanteet joissa akku tai suuret kuormat irtoavat eivät saisi rikkoa järjestelmää.
    • Perinteisesti rajuin tilanne, kun ladattava tyhjä akku irtoaa ja laturin magnetointia ei saada hetkessä lopetettua käämiin varastoituneen magneettisen energian takia
    • 12V järjestelmässä, mutta myös ajoakkujärjestelmässä.
    • Sähköautossa ei ole perinteistä pahaa load-dumppia, joka tulee laturista
    • Yleensä 12V load dumpissa voi olla joitakin kymmeniä millisekunteja noin 50V jännitettä, ajoakussa rajusti enemmän.
    • Suojaus eri periaattein:
      • käyttöjännitteen pompahtaminen voidaan sietää
      • käyttäjännitteen pompahtaminen voidaan estää (syödään energia)
  • ESD eli sähköstaattinen purkaus (kipinäpurkaus, Electrostatic discharge)
    • sähköstaattiset purkaukset voivat sekoittaa elektronisten laitteiden toimintaa ja helposti esim. resetoida prosessorin
    • sähköstaattiset purkaukset voivat myös rikkoa laitteita
    • kipinäpurkauksen jännite voi olla useita kilovoltteja, piikkivirta kymmeniä ampeereita ja kipinä lyödä useita millimetrejä
    • Suojaus erilaisilla tekniikoilla:
      • eristämällä (materiaalin läpilyöntilujuus kilovoltteja)
      • tekemällä ilmavälejä (millimetri tuottaa läpilyöntikestoa noin 2kV)
      • maadoittamalla jäykästi osat joihin kipinä lyö
      • suojaamalla signaalit (suojadiodit, transienttisuojat, RC-piirit)
  • Käyttöjännitteen laatu
    • 12V akku
    • Ajoakun jännitteen vaihtelut
    • Standardeja täytyy soveltaa erityisellä tavalla sähköautoihin, koska kuormitukset ovat eri laatuisia (ei esim. ole starttimoottoria)

Etenkin laturia koskee:

  • Sähköverkkoon aiheutetut harmoniset yliaallot
  • Sähköverkkoliityntään aiheutetut johtuvat RF-häiriöt
  • Sähköverkkoliitynnän laitetta häiritsevät johtuvat RF-häiriöt
  • Sähköverkkoliitynnän impulssien sieto

EMC käytännössä

Miksi EMC-hyväksyntä on tärkeää?

  • Koska sitä vaaditaan. Voi jäädä muuten vaikka leima saamatta…
  • Koska lainkuuliainen kansalainen tekee autonkin niin kuin käsketään.
  • Hyvillä EMC-periaatteilla tehty laite toimii kunnolla ja turvallisesti. Auto ei tee "satunnaisia ihmetemppuja", kun sähköissä tapahtuu jotakin mystistä…
  • Emme halua sähköautoille kummallisesti sekoilevan värkin mainetta.

Mitä vaaroja milläkin vaatimuksella ja testillä torjutaan?

  • RF
    • Heikosti tehty järjestelmä voi sekoittaa itsensä - esim. moottorinohjain saa joissakin tilanteissa eECU:n tekemään satunnaisia temppuja.
  • Pulssit
    • Toinen osa järjestelmä voi sekoittaa herkän modulin toiminnan. Jokin muu toiminta saa aikaan vaikkapa rajun yllättävän kiihdytyksen tai jarrutuksen.
  • ESD
    • Etenkin pakkasella tulee kipinäpurkauksia kuljettajan näpeistä. Elektroniikka voi mennä sekaisin tai jopa rikkoutua paukusta.
  • Käyttöjännitteen laatu
    • Esim. vajaalla vanhalla akulla alkaa tapahtua "kummia", kun akkua vähän kuormitetaan
  • Sähköverkkoon liittyvän laturin erityiset vaatimukset
    • Laturi ei esimerkiksi sekoa ja tärvää kallista akustoa. (Sulakesuojaukset suojaavat suoranaiselta palovaaralta.)

Taulukko EMC:n osa-alueista sekä näihin liittyvistä määräyksistä ja standardeista

Häiriö Direktiivit Standardit Vaatimukset Kommentti
AUTON ELEKTRONIIKKA 2004/104/EC
Johtuva RF-emissio
- transientit 2004/104/EC ISO 7637-2 +75V, -100V
- RF-jännitemittaus - CISPR 25 Valmistajat voivat vaatia.
Säteilevä RF-emissio 2004/104/EC, 95/54/EY ja 72/245/ETY+89/491/ETY CISPR 25 30-1000MHz
RF-immuniteetti, ajoneuvo 2004/104/EC ja 95/54/EY ISO 11451 20–2 000 MHz Valmistajat voivat vaatia alhaisilta taajuuksilta lähtien.
RF-immuniteetti, komponentti 2004/104/EC ja 95/54/EY ISO 11452 20-2000MHz, 30V/m Valmistajat voivat vaatia alhaisilta taajuuksilta lähtien. Direktiivi: "Häiriönsietoon liittyvät toiminnot"
Eri transientit (maa ja +) 2004/104/EC ISO 7637-2
- pulssi 1 -100V, 10Ω, 1μs/2ms pulssi, 0,5s välein
- pulssi 2a 12V+50V, 2Ω, 1μs/50μs pulssi, 0,2s välein
- pulssi 2b 10V, 0Ω, 1ms päästä, 1ms/2s pulssi Jännitteen katkeamisen jälkeen
- pulssi 3a 12V-150V, 50Ω, 5ns/0,1μs pulssi, 100μs välein, purske 10ms/90ms
- pulssi 3b 12V-100V, 50Ω, 5ns/0,1μs pulssi, 100μs välein, purske 10ms/90ms
- pulssi 4 5V 40ms ajan, 6V 20s ajan Alijännite startissa. SELVITETTÄVÄ: miten määritellään, kun startti puuttuu!
Transientit muissa signaalilinjoissa - ISO 7637-3 Fast transien a) Vs = -60 V, Imax = 1.2 A; Test time = 10 minutes, Ri = 50 Ω, tr = 5 ns, td_10% = 100 ns, t1 = 100 μs, t2 = 10 ms, t3 = 90 ms Ei maa ja +, kapas. kytk.
- ISO 7637-3 Fast transient b) Vs = +40 V, Imax = 0.8 A; Test time = 10 minutes, Ri = 50 Ω, tr = 5 ns, td_10% = 100 ns, t1 = 100 μs, t2 = 10 ms, t3 = 90 ms
- ISO 7637-3 Slow transient a) Ei maa ja +. Lähes ISO 7637-2 pulssi 2a, mutta kapas. kytk.
- ISO 7637-3 Slow transient b)
Load dump - ISO 7637-2, pulssit 5a ja 5b SELVITETTÄVÄ: miten määritellään, kun laturi puuttuu!
ESD - ISO 10605
- käytön aikainen -
- asennusaikainen - Jotta laitteet eivät rikkoutuisi kovin helposti myynnin, asennuksen ja huollon aikana
Käyttöjännitteen laatu - ISO 16750-1 ja -2 12V akkujännitteen häiriöiden vaikutukset (erityistilanteet)
SÄHKÖVERKKOLIITYNNÄT 2004/108/EY SFS-EN 61000-6-1 ja -3/A11 Laturi. Direktiivi vaatii yhdenmukaistetun standardin noudattamista, mikä vaatii seuraavien standardien mukaan testaamista.
Johtuva RF-emissio 2004/108/EY
Säteilevä RF-emissio 2004/108/EY CISPR 11?
Johtuva RF-immuniteetti 2004/108/EY IEC 61000-4-6
Säteilevä RF-immuniteetti 2004/108/EY IEC 61000-4-3
Transientit / immuniteetti 2004/108/EY IEC 61000-4-4
Surge / immuniteetti 2004/108/EY IEC 61000-4-5 Suurienergiset verkon transientit (esim. ukkonen), vaikuttaa myös sähköturvaan
ESD / immuniteetti
- käytön aikainen 2004/108/EY IEC 61000-4-2
- asennusaikainen - Jotta laitteet eivät rikkoutuisi kovin helposti myynnin, asennuksen ja huollon aikana
Harmoniset virran yliaallot 2004/108/EY EN 61000-3-2 (Viittaus standardiin EU tiedotteen 2009/C 126/01 välityksellä)
Verkon jännitevaihtelu ja välkyntä 2004/108/EY EN 61000-3-3 (Viittaus standardiin EU tiedotteen 2009/C 126/01 välityksellä)

- Erityisesti laturilla muita vaatimuksia, koska liitetään sähköverkkoon: Yleinen EMC-direktiivi 2004/108/EY
- esimerkki autovalmistajan EMC-vaatimuksista: Valmistajan EMC-standardi, hae 515-0003 HUOM! Valmistajan vaatimukset ovat kovempia ja laajempia kuin direktiivin asettama minimi.

EMC-määräysten vaikutus eri moduleihin

Tärkeimmät EMC-asiat eri modulien kohdalla ja käytännön vaaroja

JÄRJESTELMÄN OSA
HÄIRIÖ eECU järjestelmänohjaus e(G)UI käyttöliittymä BMS akunvalvonta Moottorinohjain DC/DC-muunnin Laturi Muut elektronisen ohjauslaitteet
Yleistä Yllättävä vasten kuljettajan tahtoa tapahtuva kiihdytys tai jarrutus on vaarallista. Pahimmillaan auto voi lähteä liikkeelle "itsestään". Tämäkin voi sotkea CAN-väylän ja toimintoja sitä kautta. Kuten eECU Ajoakusta 12V jännitteen tuottaminen (12V järjestelmälle ilman akkua tai sen kanssa) (esim. lämmitys)
Johtuva RF-emissio Hakkurit ja prosessorit, CAN-väylä Hakkurit ja prosessorit, CAN-väylä BMS:ssä usein häiriöitä tuottavia hakkureita. Virtalähdehakkurit ja prosessorit, CAN-väylä. Hakkaava isotehoinen ohjain tuottaa hakkaustaajuudella ja sen kerrannaisilla rajusti häiriöitä. Hakkurit ja prosessorit, CAN-väylä. Virtalähde tuottaa häiriöitä hakkaustaajuudella ja sen kerrannaisilla. Mahdollisesti prosessori. Hakkaava isotehoinen laturi tuottaa hakkaustaajuudella ja sen kerrannaisilla rajusti häiriöitä. Hakkurit ja prosessorit, CAN-väylä. Hakkurit ja prosessorit, CAN-väylä
Säteilevä RF-emissio Hakkurit ja prosessorit, CAN-väylä Hakkurit ja prosessorit, CAN-väylä Hakkurit ja prosessorit, CAN-väylä Hakkurit ja prosessorit, CAN-väylä Hakkurit ja prosessorit Hakkurit ja prosessorit, CAN-väylä Hakkurit ja prosessorit, CAN-väylä
RF-immuniteetti RF-kenttä voi sotkea ohjauksen RF-kenttä voi sotkea akkujen mittaukset ja aiheuttaa siten jonkin kennon tärvääntymisen RF-kenttä voi sotkea ohjauksen
Eri transientit Pulssit ympäristössä voivat sotkea ohjauksen Pulssit ympäristössä voivat sotkea ohjauksen
Surge (suurienerginen transientti) Sähköverkosta voi tulla auton sähköjärjestestelmän rikkova piikki esim. ukkosella
Load dump / 12V X X X X X X X
Load dump / ajoakku - - X X X X -
ESD / käyttöaikainen X X X jos käyttäjän ulottuvilla
ESD / asennusaikainen X X X X X X X
Käyttöjännitteen laatu / 12V X X X X X X X
Käyttöjännitteen laatu / ajoakku - - X X X X -
Sähköverkkoliityntä, vaatimukset poiketen muista - - - - - X (vain jos kytkettävissä joskus sähköverkkoon)
Harmoniset yliaallot sähköverkkoon - - - - - X

Käytännön mittaustapoja

Suomessa laitteet hyväksyy Ajoneuvohallintokeskus AKE hyväksyttyjen mittausten perusteella - nykyään virasto on Liikenteen turvallisuusvirasto Trafi. Hyväksyttyjä mittauspaikkoja ovat Nemko ja Intertek ETL Semko.

Hyväksyntämittaukset

  • Osa pakko tehdä hyväksytyissä (akkreditoiduissa) laboratorioissa, "valmistajan vakuutus" ei riitä kuten CE-hyväksynnässä
  • Kustannukset luokkaa 5000€ / komponentti
  • Ajoneuvo-RF-mittaukset ovat ongelmallisia ja kalliita auton koon takia - autoa on myös pystyttävä ajamaan rullilla. Usein päästään muunnoksissa kuitenkin komponenttimittauksilla, mutta esim. moottoriohjainta on kuormitettava.

Tuotekehitysaikaiset mittaukset

  • Oikeat testilaitteet maksavat tuhansia ja jopa kymmeniä tuhansia
  • Radiosuojatut mittahuoneet ovat harvinaisia ja kalliita (kymmeniä tuhansia)
  • Oppilaitoksilla on halvempia mittauspaikkoja

Johtuva RF-emissio

  • Isossa suojatussa RF-mittahallissa testipenkissä (moottorin kuormitus)
  • Virran ja jännitteen spektrianalyysi, hetkellinen muutaman sekunnin kuormitus moottorille

Säteilevä RF-emissio

  • Isossa suojatussa RF-mittahallissa
  • Avoimessa tilassa spektrianalysaattorilla ja erilaisilla antenneilla ilman moottorin kuormitusta

Testihintoja

Testihinnat aggreditoudussa EMC-laboratorissa

Kohde Hinta alv 0 Kommentti
Komponenttihyväksyntä, uusin ajoneuvo-EMC-direktiivi 2004/104/EY
Vain 12V. Hallintaan liittyvä, kentän sieto, vilkut, matkamittari,… 2 700 €
12V ja 24V 4 000 € ~1,5x yhden jännitteen testihinta
Vain 12V, Muu 2 000 € Ei immuniteetti pakollinen
12V ja 24V , Muu 3 300 €
Henkilöautohyväksyntä
Ajoneuvo-EMC-direktiivi 72/245/ETY: 01.01.1996 (tai sen jälkeen) tyyppikatsastettu tai uudelle tyypille tyyppihyväksytty, 01.01.1998 käyttöön otettu (Katsastajan käsikirja) ~2 000€
Ajoneuvo-EMC-direktiivi 95/54/EY: 01.01.1998 EY- tyyppihyväksytty ja 1.1.1996 tyyppikatsastettu UUSI TYYPPI, 01.10.2002 käyttöönotettu 3 000 €
Ajoneuvo-EMC-direktiivi 2004/104/EY: 01.07.2006 tyyppihyväksytty, 01.01.2009 käyttöönotettu 4 200 €

Suomessa on mahdollisuus:

  • rakentaa muunnosajoneuvo EMC-hyväksytyistä osista
  • testata ja hyväksyttää EU:ssa valmistettuja osia komponenttityyppeinä, kun tuotannonvalvonta on kunnossa
  • testata ja hyväksyttää valmiita autoyksilöitä, kun autossa on EU:n ulkopuolisia hyväksymättömiä komponentteja
  • testata ja tyyppihyväksyttää ajoneuvotyyppejä, kun sarjatuotanto tehdään EU:ssa ja tuotannonvalvonta on kunnossa

Trafin kautta hyväksyntöjä hoitavia mittauslaitoksia ovat:

  • Nemko
  • Intertek Semko
  • SGS Fimko

Ehdotuksia muunnostoiminnan EMC-määräystenmukaisuuden hoitamiseksi…

Tuotekehitysaikaiset mittaukset ja hyväksynnät

Maahantuotujen ja valmistettujen komponenttien mittaus

Joidenkin hyvin vakioitujen muunnosten mittaus kerran kokonaisuutena ja valmistus samanlaisina

Katso myös: Sähköautojen standardointi

Ellei toisin mainittu, tämän sivun sisällön lisenssi on Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 License