Qu’est-ce que la compatibilité électromagnétique ?

Quinze ans dans ce métier et EMC me mord encore au cul au moins deux fois par an.

Au printemps dernier, j'ai été sollicité pour un projet d'entreprise fabriquant des camionnettes de livraison. Leur BMS n'arrêtait pas de générer des défauts de surtension des cellules. Pas de vraie surtension - les cellules allaient bien. Le circuit intégré de surveillance lisait des ordures. Ils couraient après cela depuis trois mois. Remplacement des puces AFE deux fois. Recâblé le harnais de détection. Rien n'a fonctionné.

Il m'a fallu deux jours pour le trouver. Leur contrôleur de moteur se trouvait à dix-huit pouces de la batterie. Aucun blindage entre eux. Le contrôleur commutait à 8 kHz et chaque front était couplé directement aux lignes de détection de tension de la cellule. Les fils faisaient office d'antennes. Vingt millivolts de bruit induit sur une mesure qui nécessite une précision au millivolt. Le BMS a constaté des pics de tension qui n'existaient pas et a tout arrêté.

C'est CEM. Compatibilité électromagnétique. Vos trucs doivent fonctionner autour d’autres trucs sans que l’un ne gâche l’autre.

EMC se divise en deux morceaux et vous devez gérer les deux.

Les émissions désignent le bruit émis par votre appareil. Chaque circuit de commutation rayonne. Chaque fil dont le courant varie crée un champ magnétique. Un convertisseur DC-DC fonctionnant à 200 kHz pulvérise de l'énergie RF partout. Si cette énergie est suffisamment forte, elle brouille la radio dans la cabine, corrompt les messages du bus CAN ou fait croire au contrôleur ABS que les roues se bloquent.

La susceptibilité est l’autre côté. Combien de conneries votre appareil peut-il supporter avant de cesser de fonctionner correctement. Un BMS doit lire avec précision les tensions des cellules tout en étant assis à côté d'un onduleur qui martèle le bus CC avec des impulsions de 400 ampères à 10 kHz. Les circuits de détection doivent ignorer tout cela et continuer à mesurer la tension réelle de la cellule.

La plupart des ingénieurs que je rencontre pensent aux émissions, car c'est sur cela que se concentrent les tests réglementaires. Ils oublient la sensibilité jusqu'à ce que le produit échoue sur le terrain. Alors tout le monde panique.

Les vieilles batteries au plomb-acide restaient là. Vous les avez boulonnés et connecté deux câbles. Peut-être que vous aviez un shunt pour la mesure du courant. C'était tout.

Les packs de lithium contiennent de l'électronique partout. Le BMS surveille chaque cellule. Il communique avec des capteurs de température dispersés dans le pack. Il communique avec le véhicule via CAN ou un autre bus. Il contrôle les contacteurs. Il calcule l'état de charge et l'état de santé à l'aide d'algorithmes qui dépendent de mesures précises.

Précision est le maître mot. Une mesure de tension de cellule qui dérive de 50 millivolts perturbe votre calcul SOC. Faites cela sur une centaine de cellules et votre estimation de plage est inutile. Dérivez-le de 100 millivolts et vous pourriez surcharger une cellule ou manquer une condition de sous-tension.

Les fils de détection sont le point faible. Ils vont de chaque prise de cellule à la carte BMS. Dans un gros paquet, cela signifie des fils parcourant deux mètres ou plus dans un environnement plein de bruit électromagnétique. Chaque fil capte les interférences. Plus le fil est long, plus le problème est grave.

J'ai travaillé sur une batterie de bus où le faisceau de détection passait juste à côté des principales barres omnibus CC. Les barres transportaient 300 ampères lors de l'accélération. Le champ magnétique de ce courant a induit des signaux de niveau millivolt- dans les fils de détection. Le BMS pensait que les cellules rebondissaient de haut en bas. Il est passé en mode protection et a tué le bus sur l'autoroute.

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Les modes de défaillance sont laids.

Les faux déclenchements en cas de surtension sont fréquents. Le bruit s'ajoute à la tension réelle de la cellule et le BMS pense que la cellule est à 4,3 V alors qu'elle est en réalité à 4,1 V. La protection entre en jeu et le système s'arrête. L'opérateur voit un code défaut qui n'a aucun sens car les cellules fonctionnent bien.

Une fausse sous-tension est pire. Le BMS pense qu'une cellule est plus basse qu'elle ne l'est réellement. Il continue de se décharger au-delà de la limite de sécurité. De vrais dégâts se produisent.

Les erreurs de communication gâchent les choses différemment. Une batterie peut avoir six ou huit cartes de surveillance connectées en série-sur un bus isoSPI. Ce bus circule à quelques mégahertz. EMI corrompt un paquet et soudain, le contrôleur principal a des données incorrectes pour seize cellules. Est-ce qu'il s'éteint ? Utilise-t-il la dernière bonne lecture ? Est-ce que ça interpole ? Chaque option pose des problèmes.

La mesure de la température est également corrompue. Les thermistances NTC produisent de minuscules signaux. Quelques millivolts de bruit ressemblent à une variation de température de vingt degrés. Le BMS peut activer un refroidissement qui n'est pas nécessaire ou manquer un emballement thermique qui démarre.

Des normes réglementaires existent, mais elles constituent un fouillis d’exigences qui se chevauchent.

La partie 15 de la FCC couvre les émissions en Amérique du Nord. Il fixe les limites de la quantité d'énergie RF que votre produit peut pulvériser dans l'air. Les limites varient selon que vous vendez à des consommateurs ou à des utilisateurs industriels. L’industrie est de plus en plus relâchée.

Pour les véhicules, vous traitez également les normes CISPR 25 et CISPR 12. Il s'agit de normes internationales que la plupart des pays adoptent avec des modifications mineures. Ils précisent les méthodes d'essai et les limites pour les émissions conduites et rayonnées des véhicules et de leurs composants.

Le marquage européen CE exige le respect de la directive CEM. Cela signifie généralement respecter la norme EN 55032 pour les émissions et la norme EN 55035 pour l'immunité. Pour les produits automobiles, vous faites plutôt référence à la norme EN 50498.

Ensuite, chaque constructeur automobile a ses propres spécifications superposées. Ford a son truc. GM en a un autre. VW a tout un livre. Ceux-ci sont généralement plus stricts que les minimums réglementaires et incluent des tests d’immunité que la réglementation touche à peine.

Passer à travers tous ces tests coûte du temps et de l’argent. Une qualification CEM complète pour un BMS automobile coûte entre 30 000 et 50 000 $ et prend trois à quatre semaines de temps en chambre. Si vous échouez, vous revenez en arrière, corrigez les choses et testez à nouveau. J'ai vu des programmes dépenser six mois et 200 000 $ en tests CEM avant d'obtenir un laissez-passer.

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Le blindage est l’instrument contondant. Placez une boîte métallique autour des éléments sensibles et la plupart des interférences ne pourront pas pénétrer. La boîte doit cependant être continue. Les coutures fuient. Les trous pour les connecteurs fuient. Les fentes de ventilation sont essentiellement des fenêtres pour l'énergie RF.

Un véritable blindage signifie des joints conducteurs à chaque couture. Cela signifie des connecteurs filtrés ou des condensateurs de traversée à chaque point d'entrée de fil. Cela signifie qu'aucun créneau ne dépasse un dixième de longueur d'onde à votre fréquence la plus préoccupante. Ce dernier fait trébucher les gens. Si vous vous souciez des interférences de 1 GHz, vos emplacements doivent être inférieurs à 30 millimètres. Bonne chance pour avoir de l'air frais à travers ça.

Le filtrage gère les interférences conduites. Vous placez les inductances et les condensateurs aux bons endroits pour bloquer le bruit haute fréquence tout en transmettant les signaux ou la puissance que vous souhaitez réellement. Un filtre en mode différentiel gère le bruit qui se propage sur un fil et remonte sur l'autre. Une self de mode commun gère le bruit qui se propage dans la même direction sur les deux fils.

La conception des filtres est délicate. L'impédance de la source et de la charge est importante. Un filtre qui teste bien sur le banc pourrait ne rien faire dans le système réel car les impédances sont différentes. J'ai vu des ingénieurs me montrer fièrement leurs schémas de filtres et se demander ensuite pourquoi les mesures de bruit n'avaient pas changé. Ils ont conçu un système de 50 ohms et l'ont branché sur quelque chose qui ressemblait à 5 ohms aux fréquences qui les intéressaient.

La stratégie d’ancrage est le lieu où vit le vrai vaudou. La batterie comporte des sections haute tension et basse tension. Le côté HT comprend les cellules, les contacteurs principaux et le circuit de précharge. Le côté BT dispose de l'interface BMS et CAN et parfois de convertisseurs DC-DC isolés. Ces deux systèmes au sol doivent se connecter en exactement un point. Plus de connexions créent des boucles. Les boucles captent les interférences.

Trouver le bon point est tout un art. Cela dépend de l'endroit où circule le courant, de l'endroit où les mesures sensibles ont lieu et de l'endroit où se trouvent les sources de bruit. Chaque mise en page est différente. J'aimerais pouvoir vous donner une formule mais il n'y en a pas.

À l'intérieur du BMS, la disposition du PCB fait ou défait les performances CEM.

Gardez les éléments numériques à grande vitesse à l'écart des circuits de mesure analogiques. Le processeur, l'émetteur-récepteur CAN et tous les régulateurs à découpage génèrent du bruit. Les entrées de tension des cellules et les circuits de mesure de température sont sensibles. La distance physique aide. Les ruptures de plan de masse entre les sections aident davantage.

Acheminez les paires différentielles ensemble et gardez-les courtes. Les lignes de détection provenant des prises des cellules doivent pénétrer dans la carte aussi près que possible de la puce AFE. Des traces plus longues captent plus d’interférences.

Surveillez vos chemins de retour. Le courant doit circuler en boucle. Le signal sort sur une trace et revient sur une autre. Si le chemin de retour n'est pas évident, le courant trouve son propre chemin et ce chemin peut former une grande boucle qui rayonne comme une antenne.

Versez du cuivre. Les grands plans de masse réduisent l'impédance et donnent aux courants de retour un chemin d'inductance faible. Des vias de couture relient les avions ensemble et réduisent les résonances.

Il y a quelques années, j'ai consulté une startup fabriquant des batteries pour chariots élévateurs. Leur BMS a très bien fonctionné sur le banc. Dans le chariot élévateur, c'est devenu fou. Les lectures de tension ont sauté. Le calcul du SOC errait partout.

Le chariot élévateur était équipé d'un gros moteur à courant continu avec un entraînement par hachoir. Chaque fois que le hacheur commutait, le courant dans les câbles principaux changeait de quelques centaines d'ampères en quelques microsecondes. Le champ magnétique de ce dI/dt s'est couplé à tout.

Leur tentative consistait à ajouter des billes de ferrite sur les lignes de détection. N'a rien fait. L'interférence se couplait magnétiquement dans les boucles formées par les fils de détection. Le bloc de ferrites conduit le bruit et non le couplage de champ magnétique.

Nous avons fini par faire passer le faisceau de détection dans un conduit flexible et l'éloigner des câbles principaux. Ensuite, nous avons ajouté une paire torsadée de chaque prise de cellule au lieu de fils simples. La torsion réduit la zone de boucle dans laquelle le champ magnétique peut se coupler. Enfin, nous avons ralenti l'échantillonnage sur la puce AFE afin qu'elle intègre davantage de cycles d'interférence. Le bruit s'est équilibré.

Le coût total de la réparation est d'environ trois dollars par paquet de fils et de conduits supplémentaires. Cela n'aurait rien coûté s'ils y avaient pensé lors de la conception originale.

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Si vous achetez des batteries ou des cartes BMS, renseignez-vous sur EMC avant d'acheter.

Selon quelles normes ont-ils testé ? Demandez les rapports de test réels et pas seulement un certificat. Les rapports montrent la configuration du test et la marge par rapport à la limite. Un produit qui a à peine réussi est à un changement de conception de l'échec.

Pour quel environnement électromagnétique ont-ils été conçus ? Un BMS destiné à une voiturette de golf ne survivra peut-être pas dans un bus de transport en commun équipé de trois onduleurs de traction.

Ont-ils testé le pack complet ou juste la planche ? Le boîtier, le câblage et les connecteurs modifient le comportement CEM. Tester une carte nue ne vous dit presque rien sur le produit fini.

Quel type de filtrage et de blindage est intégré ? Si la réponse est « nous comptons sur l’intégrateur système pour gérer cela », vous avez un problème. Vous êtes désormais responsable de la conformité EMC et vous n’avez peut-être pas les compétences ou le budget pour le faire correctement.

Le BMS sans fil arrive. Au lieu d'acheminer des fils de détection vers chaque cellule, vous placez un petit module sans fil sur chaque groupe de cellules et il transmet les données au contrôleur principal. Moins de câblage. Plus facile à entretenir.

Mais maintenant, vos données de mesure sont transmises dans les airs par un signal radio. Ce signal doit rivaliser avec tout le bruit électromagnétique provenant de l’électronique de puissance. Les bandes sans fil sont déjà saturées. J'ai vu des prototypes dans lesquels le BMS sans fil perdait la communication lors d'une forte accélération parce que le bruit de l'onduleur bloquait le récepteur.

Des tensions plus élevées rendent tout plus difficile. L'industrie évolue vers 800 V et au-delà pour une charge plus rapide et des câbles plus petits. Plus de tension signifie plus d'énergie de commutation et plus d'interférences électromagnétiques. Les mêmes techniques fonctionnent toujours mais il faut mieux les exécuter.

L’intégration ne cesse de croître. Le BMS, le chargeur intégré et le convertisseur DC-DC sont tous regroupés dans un seul boîtier. Moins de poids et de coût mais plus de possibilités d'interférence entre les fonctions. La détection de cellule analogique doit survivre dans le même boîtier qu'un chargeur à découpage de 10 kW.

EMC ne va pas disparaître. La situation empire chaque année à mesure que l’électronique devient plus rapide et plus dense et que nous leur demandons de travailler dans des environnements plus difficiles. La batterie est le cœur du véhicule électrique et le maintien de sa précision et de sa fiabilité malgré la tempête électromagnétique qui l'entoure est l'objectif du travail EMC.