O que é compatibilidade eletromagnética?

Quinze anos neste negócio e a EMC ainda me morde na bunda pelo menos duas vezes por ano.

Na primavera passada, fui chamado para um projeto de uma empresa que fabricava vans de entrega. O BMS deles continuava gerando falhas de sobretensão nas células. Não é uma sobretensão real - as células estavam bem. O IC de monitoramento estava lendo lixo. Eles estavam perseguindo isso há três meses. Substituí os chips AFE duas vezes. Religei o chicote de detecção. Nada funcionou.

Levei dois dias para encontrá-lo. O controlador do motor ficava a dezoito centímetros da bateria. Nenhuma blindagem entre eles. O controlador estava comutando a 8 kHz e cada borda acoplada diretamente às linhas de detecção de tensão da célula. Os fios funcionavam como antenas. Vinte milivolts de ruído induzido em uma medição que precisa de precisão em milivolts. O BMS viu picos de tensão que não existiam e desligou tudo.

Isso é EMC. Compatibilidade eletromagnética. Suas coisas têm que contornar outras coisas sem que uma estrague a outra.

A EMC se divide em duas partes e você precisa lidar com ambas.

Emissões significa o ruído que seu dispositivo emite. Cada circuito de comutação irradia. Cada fio com corrente variável cria um campo magnético. Um conversor CC-CC funcionando a 200 kHz espalha energia de RF por todo o lugar. Se essa energia for forte o suficiente, ela trava o rádio na cabine ou corrompe as mensagens do barramento CAN ou faz o controlador do ABS pensar que as rodas estão travando.

A suscetibilidade é o outro lado. Quanta porcaria seu dispositivo pode suportar antes de parar de funcionar corretamente. Um BMS precisa ler as tensões das células com precisão enquanto está próximo a um inversor que está martelando o barramento CC com pulsos de 400 A a 10 kHz. Os circuitos sensores precisam ignorar tudo isso e ainda medir a tensão real da célula.

A maioria dos engenheiros que conheço pensa nas emissões porque é nisso que se concentram os testes regulamentares. Eles esquecem a suscetibilidade até que o produto falhe no campo. Então todos entram em pânico.

Baterias velhas de-chumbo-ácido ficaram ali. Você os parafusou e conectou dois cabos. Talvez você tenha um desvio para medição de corrente. Foi isso.

As embalagens de lítio têm eletrônicos em todos os lugares. O BMS monitora cada célula. Ele fala com sensores de temperatura espalhados pela embalagem. Ele se comunica com o veículo via CAN ou algum outro barramento. Ele controla contatores. Ele calcula o estado de carga e de saúde usando algoritmos que dependem de medições precisas.

Preciso é a palavra-chave. Uma medição de tensão de célula que varia em 50 milivolts prejudica seu cálculo de SOC. Faça isso em cem células e sua estimativa de alcance será inútil. Desvie-o em 100 milivolts e você poderá sobrecarregar uma célula ou perder uma condição de subtensão.

Os fios sensores são o ponto fraco. Eles vão de cada torneira da célula até a placa BMS. Em um pacote grande, isso significa fios passando dois metros ou mais por um ambiente cheio de ruído eletromagnético. Cada fio capta interferência. Quanto mais longo for o fio, pior será o problema.

Trabalhei em uma bateria de ônibus onde o chicote de detecção passava ao lado dos barramentos principais de CC. As barras carregavam 300 amperes durante a aceleração. O campo magnético dessa corrente induziu sinais de nível de milivolts-nos fios sensores. O BMS pensou que as células estavam saltando para cima e para baixo. Entrou em modo de proteção e matou o ônibus na rodovia.

Electromagnetic Compatibility

Os modos de falha são feios.

Falsos disparos por sobretensão são comuns. O ruído aumenta a tensão real da célula e o BMS pensa que a célula está em 4,3 V, quando na verdade está em 4,1 V. A proteção entra em ação e o sistema é desligado. O operador vê um código de falha que não faz sentido porque as células estão boas.

A falsa subtensão é pior. A BMS pensa que uma célula é mais baixa do que realmente é. Ele continua descarregando além do limite seguro. Danos reais acontecem.

Erros de comunicação atrapalham as coisas de maneira diferente. Uma bateria pode ter seis ou oito placas de monitoramento encadeadas-em um barramento isoSPI. Esse ônibus funciona a alguns megahertz. A EMI corrompe um pacote e, de repente, o controlador principal apresenta dados incorretos para dezesseis células. Ele desliga? Ele usa a última boa leitura? Ele interpola? Cada opção tem problemas.

A medição de temperatura também fica corrompida. Os termistores NTC produzem sinais minúsculos. Alguns milivolts de ruído parecem uma variação de temperatura de vinte graus. O BMS pode ativar o resfriamento desnecessário ou perder uma fuga térmica que está iniciando.

Existem padrões regulatórios, mas são uma confusão de requisitos sobrepostos.

A Parte 15 da FCC cobre as emissões na América do Norte. Ele estabelece limites para a quantidade de energia de RF que seu produto pode pulverizar no ar. Os limites dependem se você está vendendo para consumidores ou usuários industriais. Industrial fica mais frouxo.

Para veículos, você também lida com CISPR 25 e CISPR 12. Esses são padrões internacionais que a maioria dos países adota com pequenos ajustes. Eles especificam métodos de teste e limites para emissões conduzidas e irradiadas de veículos e componentes de veículos.

A marca CE europeia exige conformidade com a Diretiva EMC. Isso normalmente significa cumprir a EN 55032 para emissões e a EN 55035 para imunidade. Para itens automotivos, consulte EN 50498.

Então, cada OEM de carro tem suas próprias especificações em camadas. A Ford tem o que eles querem. GM tem outro. A VW tem um livro inteiro. Geralmente são mais rigorosos do que os mínimos regulamentares e incluem testes de imunidade que os regulamentos quase não abordam.

Passar por todos esses testes custa dinheiro e tempo. Uma qualificação EMC completa para um BMS automotivo custa de US$ 30.000 a US$ 50.000 e leva de três a quatro semanas de tempo de câmara. Se você falhar, volte e conserte as coisas e teste novamente. Já vi programas queimarem seis meses e US$ 200.000 em testes de EMC antes de serem aprovados.

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A blindagem é o instrumento contundente. Coloque uma caixa de metal ao redor do material sensível e a maior parte da interferência não poderá entrar. A caixa deve ser contínua. As costuras vazam. Furos para vazamento dos conectores. As ranhuras de ventilação são basicamente janelas para energia de RF.

A blindagem real significa juntas condutoras em cada costura. Significa conectores filtrados ou capacitores de passagem em cada ponto de entrada do fio. Isso significa que não há slots maiores que um décimo de comprimento de onda na frequência mais alta de sua preocupação. Esse último confunde as pessoas. Se você se preocupa com a interferência de 1 GHz, seus slots precisam ter menos de 30 milímetros. Boa sorte para conseguir ar refrescante através disso.

A filtragem lida com interferência conduzida. Você coloca indutores e capacitores nos lugares certos para bloquear ruídos de alta frequência enquanto transmite os sinais ou a energia que você realmente deseja. Um filtro de modo diferencial lida com o ruído que desce por um fio e volta pelo outro. Um indutor de modo comum lida com ruídos que viajam na mesma direção em ambos os fios.

O design do filtro é complicado. A impedância da fonte e da carga é importante. Um filtro que funciona bem na bancada pode não fazer nada no sistema real porque as impedâncias são diferentes. Já vi engenheiros me mostrarem orgulhosamente seus esquemas de filtros e depois me perguntarem por que as medições de ruído não mudaram. Eles projetaram um sistema de 50 ohms e o conectaram a algo que parecia 5 ohms nas frequências que lhes interessavam.

A estratégia de aterramento é onde mora o verdadeiro vodu. A bateria possui seções de alta e baixa tensão. O lado HV inclui as células e os contatores principais e o circuito de pré-carga. O lado LV tem a interface BMS e CAN e, às vezes, conversores CC-CC isolados. Esses dois sistemas de aterramento devem se conectar exatamente em um ponto. Mais conexões criam loops. Loops captam interferência.

Encontrar o ponto único certo é uma arte. Depende de onde a corrente flui e onde ocorrem as medições sensíveis e onde residem as fontes de ruído. Cada layout é diferente. Eu gostaria de poder lhe dar uma fórmula, mas não existe uma.

Dentro do BMS, o layout da PCB melhora ou prejudica o desempenho da EMC.

Mantenha materiais digitais de alta velocidade longe de circuitos de medição analógicos. O processador e o transceptor CAN e quaisquer reguladores de comutação emitem ruído. As entradas de tensão das células e os circuitos de medição de temperatura são sensíveis. A distância física ajuda. As quebras do plano terrestre entre as seções ajudam mais.

Encaminhe pares diferenciais juntos e mantenha-os curtos. As linhas de detecção das derivações das células devem entrar na placa o mais próximo possível do chip AFE. Traços mais longos captam mais interferência.

Observe seus caminhos de retorno. A corrente deve fluir em loop. O sinal sai em um traço e volta em outro. Se o caminho de retorno não for óbvio, a corrente encontra seu próprio caminho e esse caminho pode ser um grande loop que irradia como uma antena.

Despeje o cobre. Grandes planos de aterramento reduzem a impedância e proporcionam às correntes de retorno um caminho de baixa indutância. As vias de costura unem os planos e reduzem as ressonâncias.

Há alguns anos, fui consultor de uma startup que fabricava baterias para empilhadeiras. O BMS deles funcionou muito bem no banco. Na empilhadeira foi uma loucura. As leituras de tensão saltaram. O cálculo do SOC vagou por toda parte.

A empilhadeira tinha um grande motor DC com acionamento de helicóptero. Cada vez que o chopper era ligado, a corrente nos cabos principais mudava em algumas centenas de amperes em poucos microssegundos. O campo magnético daquele dI/dt acoplado a tudo.

A tentativa de correção foi adicionar esferas de ferrite nas linhas sensoras. Não fiz nada. A interferência estava acoplada magneticamente aos laços formados pelos fios sensores. As ferritas bloqueiam o ruído conduzido, não o acoplamento do campo magnético.

Acabamos passando o chicote de detecção por um conduíte flexível e direcionando-o para longe dos cabos principais. Em seguida, adicionamos um par trançado de cada torneira da célula, em vez de fios simples. A torção reduz a área do loop na qual o campo magnético pode se acoplar. Finalmente, desaceleramos a amostragem no chip AFE para que ele seja integrado em mais ciclos de interferência. O ruído foi médio.

O conserto total custou cerca de três dólares por pacote em fio e conduíte extras. Não teria custado nada se eles tivessem pensado nisso durante o projeto original.

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Se você estiver comprando baterias ou placas BMS, pergunte sobre a EMC antes de comprar.

Quais padrões eles testaram? Peça os relatórios de teste reais, não apenas um certificado. Os relatórios mostram a configuração do teste e a margem até o limite. Um produto que mal foi aprovado está a uma mudança de design do fracasso.

Para qual ambiente eletromagnético eles projetaram? Um BMS destinado a um carrinho de golfe pode não sobreviver em um ônibus com três inversores de tração.

Testaram o pack completo ou apenas a prancha? A caixa, a fiação e os conectores alteram o comportamento da EMC. Testar uma placa vazia não diz quase nada sobre o produto acabado.

Que tipo de filtragem e blindagem está incorporada? Se a resposta for “contamos com o integrador de sistemas para lidar com isso”, você tem um problema. Agora você é responsável pela conformidade com a EMC e talvez não tenha as habilidades ou o orçamento para fazer isso da maneira certa.

O BMS sem fio está chegando. Em vez de conectar fios de detecção a cada célula, você coloca um pequeno módulo sem fio em cada grupo de células e ele transmite os dados de volta ao controlador principal. Menos fiação. Mais fácil de atender.

Mas agora os seus dados de medição estão voando pelo ar em um sinal de rádio. Esse sinal tem que competir com todo o ruído eletromagnético da eletrônica de potência. As bandas wireless já estão lotadas. Já vi protótipos em que o BMS sem fio perdia a comunicação durante fortes acelerações porque o ruído do inversor obstruía o receptor.

Tensões mais altas tornam tudo mais difícil. A indústria está migrando para 800 V e além para carregamento mais rápido e cabos menores. Mais tensão significa mais energia de comutação e mais EMI. As mesmas técnicas ainda funcionam, mas você precisa executá-las melhor.

A integração continua aumentando. O BMS, o carregador integrado e o conversor CC-CC, todos amontoados em uma caixa. Menos peso e custo, mas mais oportunidades de interferência entre funções. A detecção analógica da célula deve sobreviver no mesmo invólucro que um carregador chaveado de 10 kW.

A EMC não vai desaparecer. A situação piora a cada ano à medida que os eletrônicos ficam mais rápidos e densos e pedimos que trabalhem em ambientes mais hostis. A bateria é o coração do veículo elétrico e mantê-la precisa e confiável, apesar da tempestade eletromagnética ao seu redor, é o objetivo do trabalho da EMC.