Problematiche di Compatibilità Elettromagnetica nei Veicoli

Problematiche di Compatibilità
Elettromagnetica nei Veicoli
Ing. Giovanni Tinè
Istituto di Studi sui Sistemi Intelligenti per l'Automazione
Unità Operativa di Supporto di Palermo
Via Dante Alighieri 12 – 90141 Palermo (Italy)
1
SOMMARIO
 Alcuni concetti di compatibilità elettromagnetica
 Perché studiare la EMC nei veicoli
 Vecchi problemi e nuovi problemi
 L‟esigenza di una normativa internazionale
 Fenomeni EMC e normativa di riferimento
 Alcuni esempi di disturbi elettromagnetici
prodotti in un veicolo
 Esempio di riduzione di disturbi EM radiati
Seminario:
elettricaand
veicolare:
stato (VPP)
dell’arteConference
e prospettive
future”
2005 IEEE“Trazione
Vehicle Power
Propulsion
- Chicago,
Illinois, September 7-9, 2005
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Ing. Giovanni Tinè (ISSIA-CNR)
DIRETTIVA 2004/108/EC
Compatibilità Elettromagnetica: la capacità di un apparecchio
di funzionare in maniera soddisfacente nel proprio ambiente
elettromagnetico senza introdurre disturbi elettromagnetici
intollerabili per altri apparecchi che si trovano nello stesso
ambiente.
Disturbo elettromagnetico: ogni fenomeno elettromagnetico
che può degradare le prestazioni di un apparecchio. Un
disturbo elettromagnetico può essere un rumore
elettromagnetico, un segnale indesiderato o un cambiamento
del mezzo di propagazione.
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COMPATIBILITA’ ELETTROMAGNETICA (EMC)
PERCORSO DI
ACCOPPIAMENTO
SORGENTE
RICEVITORE
(vittima)
(emettitore)
CIRCUITO 1
CIRCUITO 2
interferenza
CIRCUITO 1
CIRCUITO 2
interferenza
Accoppiamento condotto
Accoppiamento irradiato
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COMPATIBILITA’ ELETTROMAGNETICA (EMC)
EMC
Problematiche di
compatibilità
elettromagnetica
EMI
Emissione
CE
Emissione
condotta
EMS
Suscettività
RE
Emissione
irradiata
CS
Suscettività
condotta
RS
Suscettività
irradiata
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COMPATIBILITA’ ELETTROMAGNETICA (EMC)
Gradi di libertà
delle soluzioni
EMC
Costo delle
soluzioni EMC
PROGETTO
PROTOTIPO
PRODOTTO
Ciclo di sviluppo di un prodotto
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Perché studiare la EMC nei veicoli
Alcuni esempi di interferenza elettromagnetica…
 Uno dei primi problemi segnalati, all‟inizio degli anni 80, ha interessato alcuni
veicoli su una autostrada tedesca che si arrestavano vicino ad una emittente di
radiodiffusione a causa delle interferenze sul sistema di controllo motore.
 Nel Regno Unito, nello stesso periodo di tempo, molti radioamatori notarono come
attivando i loro sistemi di trasmissione installati a bordo vettura, la frequenza degli
indicatori di direzione raddoppiava.
 Molti utenti di telefoni cellulari notarono che i loro apparecchi erano in grado di
bloccare o sbloccare le porte oppure di inserire/disinserire l‟impianto antifurto.
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Vecchi problemi e nuovi problemi
 Nel 1952 fu promulgata nel Regno Unito una Normativa per limitare le interferenze
tra i sistemi di accensione e le radio domestiche e la ricezione televisiva.
 Negli anni „50 e ‟60 a causa del crescente numero di autoradio installate sulle
vetture è stato necessario migliorare i metodi di soppressione delle interferenze
prodotte dal sistema di accensione a causa della vicinanza dell'antenna di bordo
con la sorgente di interferenza.
 Nel 1972, la Comunità Economica Europea ha emanato la prima Direttiva
72/245/EEC relativa alle emissioni prodotte dai sistemi di accensione nei veicoli.
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Vecchi problemi e nuovi problemi
Sistemi elettrici sempre più complessi e più soggetti
alle problematiche EMC
 Negli anni successivi agli anni „80 sono stati introdotti nei veicoli sistemi elettronici
per la gestione di funzioni di controllo originalmente basate su dispositivi
puramente meccanici, quali:
a) il sistema ad iniezione elettronico che ha sostituito il carburatore;
b) l'ABS e gli air-bag;
c) il cruise control.
 Successivamente, negli anni ‟90, sono state progettate architetture con 15-20
centraline elettroniche (small e medium) e quelle con 40 ECU (large).
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Vecchi problemi e nuovi problemi
Sistemi elettrici sempre più complessi: „More Electric
Vehicle (MEV)‟
 Nell‟ultimo decennio si è assistito ad una invasione dell‟elettronica di potenza nel
settore automobilistico seguendo il concetto definito „MEV‟, che enfatizza l‟impiego di
sistemi elettrici di potenza al posto di sistemi meccanici e idraulici nel campo
automobilistico.
 Secondo tale concetto l‟uso di grossi carichi di potenza viene semplificato attraverso
l‟introduzione dell‟elettronica di potenza che consente sia di ottimizzare il risparmio
di combustibile e la riduzione delle emissioni ambientali, sia di migliorare le
prestazioni e l‟affidabilità del veicolo.
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Vecchi problemi e nuovi problemi
Sistemi elettrici sempre più complessi: Architettura
del sistema elettrico a doppia tensione
 Per incontrare la nuova richiesta di
potenza elettrica, i costruttori di
automobili stanno sviluppando sistemi
di distribuzione elettrica a 42 V
alimentati da batterie a 36 V.
 E‟ largamente condiviso che un sistema
a doppia tensione sia la soluzione più
percorribile per soddisfare le attuali
necessità del settore automobilistico.
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Vecchi problemi e nuovi problemi
Sistemi elettrici sempre più complessi: Architettura
del sistema elettrico a doppia tensione
Esempio di architettura
distribuita a doppia tensione
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Sono presenti tre tipi di carichi:
1 carichi convenzionali a 14 V alimentati
a 14V;
2 carichi alimentati direttamente a 42 V;
3 carichi convenzionali a 14 V alimentati
a 42 V attraverso convertitori DC/DC.
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L’esigenza di una normativa internazionale
La Direttiva Europea “automotive”
 Fra il 1989 ed il 1991, un comitato di circa 15 rappresentanti dei principali
costruttori europei si è riunito per scrivere la prima bozza di direttiva
“automotive”.
 Dopo l'approvazione da parte dei governi nazionali, la Direttiva automobilistica EMC
fu pubblicata verso la fine del 1995 e successivamente modificata nel 2004
(Direttiva 2004/104/CEE).
 Essa prescrive i requisiti minimi richiesti al veicolo ed ai componenti su di esso
installati (ESA) e fornisce i rispettivi limiti di emissione e immunità. Per quanto
riguarda le metodologie di prova la direttiva rimanda alle norme specifiche di
prodotto. La conformità a tali requisiti consente la loro commercializzazione sul
mercato europeo.
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Ing. Giovanni Tinè (ISSIA-CNR)
Fenomeni EMC e normativa di riferimento
I fenomeni EMC che
automobilistico sono:
interessano
l‟ambiente
Emissioni irradiate a banda larga e banda
stretta
Emissioni di transitori condotti
Immunità ai transitori condotti
Immunità irradiata
Immunità alle scariche elettrostatiche (ESD)
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Ing. Giovanni Tinè (ISSIA-CNR)
Fenomeni EMC e normativa di riferimento
Emissioni Irradiate
Le principali norme settoriali di riferimento sono:
 CISPR(*) 12 relativa alla protezione della ricezione domestica di radio/TV.
La legislazione automobilistica usa questo standard come riferimento per
i relativi requisiti delle emissioni irradiate.
 CISPR 25 relativa alla protezione dei ricevitori installati a bordo del
veicolo ospite o di un veicolo adiacente. Il livello di protezione richiesto
(cioè il valore di soglia) è selezionato dal costruttore del veicolo
(*) CISPR – Comité International Special des Perturbations Radioelectriques.
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Fenomeni EMC e normativa di riferimento
Emissioni Irradiate
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Ing. Giovanni Tinè (ISSIA-CNR)
Fenomeni EMC e normativa di riferimento
Emissioni ed Immunità ai transitori condotti
 Le normative di riferimento sono l‟ISO(*) 7637-1, -2 e -3 dove si
definiscono sette tipologie di disturbi transitori in funzione delle diverse
tipologie di sorgente presenti sul veicolo ed i metodi di iniezione sul
cablaggio (diretto o capacitivo/induttivo)
 In tali normative si definiscono i livelli di severità e spetta al
costruttore del veicolo scegliere l‟opportuno livello di severità.
 Inoltre è descritto un metodo di misura dei livelli transitori emessi ma
non è suggerito alcun limite massimo.
(*) ISO – International Standardization Organization
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Fenomeni EMC e normativa di riferimento
Immunità irradiata (1)
 Dalla metà degli anni „80, la maggior parte dei costruttori ha iniziato
ad eseguire prove di immunità irradiata su veicoli, usando tipicamente
valori di campo fino a 50 V/m o 100 V/m.
 L'ISO ha prodotto due norme per prove di immunità irradiata sia su
veicoli che su componenti che sono rispettivamente la ISO 11451 e la
ISO 11452.
 Ciascuna normativa definisce diversi metodi per effettuare la prova.
 Il livello di severità è determinato dal costruttore del veicolo.
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Fenomeni EMC e normativa di riferimento
Immunità irradiata (2)
Ambienti di prova
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Fenomeni EMC e normativa di riferimento
Immunità irradiata (3)
 I campi EM generati dai trasmettitori fissi sono limitati dalla normativa
civile a 40 V/m (20V/m in prossimità di scuole ed ospedali). Di contro,
i veicoli possono essere esposti a campi dell'ordine di 200 V/m emessi
dai trasmettitori mobili.
 L‟architettura del veicolo rende particolarmente complessa la
progettazione delle protezioni EMC (sensori/attuatori e centraline
collocati in zone molto diverse del veicolo, più di 1000 cavi la cui
schermatura è particolarmente costosa)
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Fenomeni EMC e normativa di riferimento
Immunità scariche elettrostatiche (ESD)-1
 L'impatto dell‟ESD sulla sicurezza dei veicoli è da tenere in
considerazione in quanto una scarica elettrostatica può verificarsi sia
durante il normale funzionamento della vettura sia a veicolo fermo ma
anche durante la manipolazione del componente (montaggio o
manutenzione).
 Il danno permanente provocato dall‟ESD può restare latente e
manifestarsi con conseguenze imprevedibili mentre il veicolo è in
movimento.
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Fenomeni EMC e normativa di riferimento
Immunità scariche elettrostatiche (ESD)-2
La norma ISO appropriata per
le prove su componente e
veicolo è la ISO 10605 e
prescrive test finalizzati alla
simulazione di ogni situazione
che possa generare ESD sul
veicolo/componente.
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Esempio (1) – Emissioni condotte
1 00
Current [A]
80
60
40
20
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
-20
Time[s]
Ventola di raffreddamento a
42 V
Corrente assorbita
all’accensione della ventola
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Esempio (2.1) – Emissioni radiate e condotte
Pompa di aspirazione della
benzina
Convertitore dc/dc step-down
per alimentare la pompa
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Esempio (2.2)
Banco di misura di
disturbi condotti
Banco di misura di
disturbi irradiati
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Esempio (2.3)
100
Voltage [dBµV]
classe1 limits
classe2 limits
classe3 limits
classe4 limits
classe5 limits
90
Voltage [dBuV]
80
70
60
50
40
30
20
10
0,1
1
10
100
frequency [MHz]
Misure di disturbi
condotti
Misure di disturbi
irradiati
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Esempio (3.1) – Immunità a ESD
Azionamento elettrico
con convertitore PWM
e motore asincrono.
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Esempio (3.2)
Andamento della
frequenza del
fenomeno di arresto
del motore in funzione
della tensione di
scarica applicata
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Esempio (4.1) –
Emissioni radiate
Accoppiamento per cross-talk
Accoppiamento irradiato
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Esempio (4.2)
Prototipo di azionamento
elettrico con motore
brushless di propulsione
per trazione di veicolo
elettrico
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Esempio (4.3)
60
50
40
E [dBV/m
Prototipo di azionamento
elettrico con motore
brushless di propulsione
per trazione di veicolo
elettrico
30
20
10
0
30
100
1000
Frequenza [MHz]
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Esempio (5.1) – Riduzione disturbi radiati
Tecniche di riduzione di
disturbi elettromagnetici
radiati da un prototipo di
azionamento elettrico con
motore brushless
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Esempio (5.2)
60
50
40
E [dBV/m]
Tecniche di riduzione di
disturbi elettromagnetici
radiati da un prototipo di
azionamento elettrico con
motore brushless
30
20
10
0
30
100
1000
Frequenza [MHz]
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