Problematiche di Compatibilità Elettromagnetica nei Veicoli

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1 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 Palermo (Italy) 1

2 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 2005 IEEE Vehicle Power and Propulsion (VPP) Conference - Chicago, Illinois, September 7-9,

3 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 IEEE Vehicle Power and Propulsion (VPP) Conference - Chicago, Illinois, September 7-9,

4 COMPATIBILITA ELETTROMAGNETICA (EMC) SORGENTE (emettitore) PERCORSO DI ACCOPPIAMENTO RICEVITORE (vittima) CIRCUITO 1 CIRCUITO 2 interferenza CIRCUITO 1 CIRCUITO 2 interferenza Accoppiamento condotto Accoppiamento irradiato 2005 IEEE Vehicle Power and Propulsion (VPP) Conference - Chicago, Illinois, September 7-9,

5 COMPATIBILITA ELETTROMAGNETICA (EMC) EMC Problematiche di compatibilità elettromagnetica EMI Emissione EMS Suscettività CE Emissione condotta RE Emissione irradiata CS Suscettività condotta RS Suscettività irradiata 2005 IEEE Vehicle Power and Propulsion (VPP) Conference - Chicago, Illinois, September 7-9,

6 COMPATIBILITA ELETTROMAGNETICA (EMC) Gradi di libertà delle soluzioni EMC Costo delle soluzioni EMC PROGETTO PROTOTIPO PRODOTTO Ciclo di sviluppo di un prodotto 2005 IEEE Vehicle Power and Propulsion (VPP) Conference - Chicago, Illinois, September 7-9,

7 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 IEEE Vehicle Power and Propulsion (VPP) Conference - Chicago, Illinois, September 7-9,

8 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 IEEE Vehicle Power and Propulsion (VPP) Conference - Chicago, Illinois, September 7-9,

9 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 centraline elettroniche (small e medium) e quelle con 40 ECU (large) IEEE Vehicle Power and Propulsion (VPP) Conference - Chicago, Illinois, September 7-9,

10 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 IEEE Vehicle Power and Propulsion (VPP) Conference - Chicago, Illinois, September 7-9,

11 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 IEEE Vehicle Power and Propulsion (VPP) Conference - Chicago, Illinois, September 7-9,

12 Vecchi problemi e nuovi problemi Sistemi elettrici sempre più complessi: Architettura del sistema elettrico a doppia tensione Esempio di architettura distribuita a doppia tensione 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. Seminario: 2005 IEEE Trazione Vehicle Power elettrica and veicolare: Propulsion stato (VPP) dell arte Conference e prospettive - Chicago, future Illinois, September 7-9,

13 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 IEEE Vehicle Power and Propulsion (VPP) Conference - Chicago, Illinois, September 7-9,

14 Fenomeni EMC e normativa di riferimento I fenomeni EMC che interessano l ambiente automobilistico sono: Emissioni irradiate a banda larga e banda stretta Emissioni di transitori condotti Immunità ai transitori condotti Immunità irradiata Immunità alle scariche elettrostatiche (ESD) 2005 IEEE Vehicle Power and Propulsion (VPP) Conference - Chicago, Illinois, September 7-9,

15 Fenomeni EMC e normativa di riferimento Emissioni Irradiate Le principali norme settoriali di riferimento sono: CISPR (*) 12 relativa alla protezione della ricezione domestica 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 IEEE Vehicle Power and Propulsion (VPP) Conference - Chicago, Illinois, September 7-9,

16 Fenomeni EMC e normativa di riferimento Emissioni Irradiate 2005 IEEE Vehicle Power and Propulsion (VPP) Conference - Chicago, Illinois, September 7-9,

17 Fenomeni EMC e normativa di riferimento Emissioni ed Immunità ai transitori condotti Le normative di riferimento sono l ISO (*) , -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 2005 IEEE Vehicle Power and Propulsion (VPP) Conference - Chicago, Illinois, September 7-9,

18 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 e la ISO Ciascuna normativa definisce diversi metodi per effettuare la prova. Il livello di severità è determinato dal costruttore del veicolo IEEE Vehicle Power and Propulsion (VPP) Conference - Chicago, Illinois, September 7-9,

19 Fenomeni EMC e normativa di riferimento Immunità irradiata (2) Ambienti di prova 2005 IEEE Vehicle Power and Propulsion (VPP) Conference - Chicago, Illinois, September 7-9,

20 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) 2005 IEEE Vehicle Power and Propulsion (VPP) Conference - Chicago, Illinois, September 7-9,

21 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 IEEE Vehicle Power and Propulsion (VPP) Conference - Chicago, Illinois, September 7-9,

22 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 e prescrive test finalizzati alla simulazione di ogni situazione che possa generare ESD sul veicolo/componente IEEE Vehicle Power and Propulsion (VPP) Conference - Chicago, Illinois, September 7-9,

23 Current [A] Problematiche EMC nei veicoli Esempio (1) Emissioni condotte ,2 0,4 0,6 0,8 Time[s] Ventola di raffreddamento a 42 V Corrente assorbita all accensione della ventola Seminario: 2005 IEEE Trazione Vehicle Power elettrica and veicolare: Propulsion stato (VPP) dell arte Conference e prospettive - Chicago, future Illinois, September 7-9,

24 Problematiche EMC nei veicoli Esempio (2.1) Emissioni radiate e condotte Pompa di aspirazione della benzina Convertitore dc/dc step-down per alimentare la pompa Seminario: 2005 IEEE Trazione Vehicle Power elettrica and veicolare: Propulsion stato (VPP) dell arte Conference e prospettive - Chicago, future Illinois, September 7-9,

25 Problematiche EMC nei veicoli Esempio (2.2) Banco di misura di disturbi condotti Banco di misura di disturbi irradiati Seminario: 2005 IEEE Trazione Vehicle Power elettrica and veicolare: Propulsion stato (VPP) dell arte Conference e prospettive - Chicago, future Illinois, September 7-9,

26 Voltage [dbuv] Problematiche EMC nei veicoli Esempio (2.3) Voltage [dbµv] classe1 limits classe2 limits classe3 limits classe4 limits classe5 limits , frequency [MHz] Misure di disturbi condotti Misure di disturbi irradiati Seminario: 2005 IEEE Trazione Vehicle Power elettrica and veicolare: Propulsion stato (VPP) dell arte Conference e prospettive - Chicago, future Illinois, September 7-9,

27 Problematiche EMC nei veicoli Esempio (3.1) Immunità a ESD Azionamento elettrico con convertitore PWM e motore asincrono. Seminario: 2005 IEEE Trazione Vehicle Power elettrica and veicolare: Propulsion stato (VPP) dell arte Conference e prospettive - Chicago, future Illinois, September 7-9,

28 Problematiche EMC nei veicoli Esempio (3.2) Andamento della frequenza del fenomeno di arresto del motore in funzione della tensione di scarica applicata Seminario: 2005 IEEE Trazione Vehicle Power elettrica and veicolare: Propulsion stato (VPP) dell arte Conference e prospettive - Chicago, future Illinois, September 7-9,

29 Problematiche EMC nei veicoli Esempio (4.1) Emissioni radiate Accoppiamento per cross-talk Accoppiamento irradiato 2005 IEEE Vehicle Power and Propulsion (VPP) Conference - Chicago, Illinois, September 7-9,

30 Problematiche EMC nei veicoli Esempio (4.2) Prototipo di azionamento elettrico con motore brushless di propulsione per trazione di veicolo elettrico Seminario: 2005 IEEE Trazione Vehicle Power elettrica and veicolare: Propulsion stato (VPP) dell arte Conference e prospettive - Chicago, future Illinois, September 7-9,

31 E [db V/m Problematiche EMC nei veicoli Esempio (4.3) Prototipo di azionamento elettrico con motore brushless di propulsione per trazione di veicolo elettrico Frequenza [MHz] Seminario: 2005 IEEE Trazione Vehicle Power elettrica and veicolare: Propulsion stato (VPP) dell arte Conference e prospettive - Chicago, future Illinois, September 7-9,

32 Problematiche EMC nei veicoli Esempio (5.1) Riduzione disturbi radiati Tecniche di riduzione di disturbi elettromagnetici radiati da un prototipo di azionamento elettrico con motore brushless Seminario: 2005 IEEE Trazione Vehicle Power elettrica and veicolare: Propulsion stato (VPP) dell arte Conference e prospettive - Chicago, future Illinois, September 7-9,

33 E [db V/m] Problematiche EMC nei veicoli Esempio (5.2) Tecniche di riduzione di disturbi elettromagnetici radiati da un prototipo di azionamento elettrico con motore brushless Frequenza [MHz] Seminario: 2005 IEEE Trazione Vehicle Power elettrica and veicolare: Propulsion stato (VPP) dell arte Conference e prospettive - Chicago, future Illinois, September 7-9,