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Nota del editor: Los lectores también pueden estar interesados ​​en otros artículos de Zhang en la revista In Compliance que abordan problemas de EMC con vehículos eléctricos, "Técnicas de diseño de EMC para módulos de tren motriz de vehículos eléctricos" (febrero de 2021) y "Técnicas de diseño de EMC para convertidores CC-CC de vehículos eléctricos". (diciembre de 2021).

La mayoría de las interferencias electromagnéticas (EMI) en el campo son emisiones/inmunidades conducidas, emisiones/inmunidades radiadas, transitorios eléctricos rápidos (EFT) y descargas electrostáticas (ESD). Sin embargo, existen otros tipos de perturbaciones relacionadas con los EM, incluidos los campos magnéticos de baja frecuencia, el tema de este artículo.

El campo magnético de frecuencia industrial (50-60 Hz) es el resultado directo de las corrientes que fluyen en las redes eléctricas. Cuando las corrientes de baja frecuencia fluyen por toda la red eléctrica, dependiendo del tamaño del bucle de circulación de corriente, el impacto en los equipos/productos del medio ambiente puede ser significativo. Un caso típico es el de un equipo con pantalla de tubo de rayos catódicos (CRT). La visualización en una pantalla CRT parecería tambalearse debido a la presencia de un campo de baja frecuencia cercano1. Los equipos de audio profesionales, como guitarras eléctricas, grabadoras y altavoces, también son sensibles a los campos magnéticos externos. EN 61000-4-8 define el método de prueba para campos magnéticos básicos de frecuencia industrial2.

En los últimos años, se han identificado muchos problemas de campos magnéticos de baja frecuencia en aplicaciones de nuevos productos, como productos que utilizan tecnología de haz de electrones y vehículos eléctricos (EV). Productos como los equipos de fabricación aditiva que utilizan tecnología de haz de electrones también son sensibles a los campos magnéticos de frecuencia industrial y una inmunidad deficiente podría provocar imprecisiones en el proceso de fabricación. En el caso de los vehículos eléctricos, los motores de tracción generan corrientes fluctuantes de hasta 2 a 3 kHz, y los sistemas de transferencia inalámbrica de energía (WPT) para cargar baterías funcionan a aproximadamente 85 kHz3.

En este caso, el problema con los campos magnéticos de baja frecuencia suele estar relacionado con la salud y la seguridad. Las Directrices 20204 de la Comisión Internacional de Protección contra Radiaciones No Ionizantes (ICNIRP) describen los posibles impactos en la salud y la seguridad de la exposición humana a campos electromagnéticos. Según las Directrices, los principales efectos fisiológicos de la exposición a campos electromagnéticos incluyen la electroestimulación del sistema nervioso, resultante de la inducción de campos eléctricos en tejidos biológicos expuestos a campos magnéticos variables en el tiempo con frecuencias de hasta 10 MHz.

Los campos magnéticos de baja frecuencia no sólo pueden suponer riesgos para la salud de los seres humanos, sino que también pueden afectar a algunas unidades de control eléctrico (ECU) de un vehículo. Una ECU que consta de sensores de efecto Hall ubicados cerca del paquete de baterías o de los módulos del tren motriz podría verse afectada por el campo magnético de baja frecuencia si no se proporciona suficiente protección.

En este artículo, la discusión sobre los campos magnéticos de baja frecuencia se basa en aplicaciones donde el rango de frecuencia está por debajo de 500 kHz. Se analizan los desafíos del campo magnético de baja frecuencia en las aplicaciones de vehículos eléctricos. Los campos eléctricos de baja frecuencia y las ondas planas están fuera del alcance de este artículo, al igual que los campos magnéticos de baja frecuencia producidos durante el proceso de carga del vehículo eléctrico.

Primero, es necesaria alguna teoría básica sobre los campos magnéticos de baja frecuencia.

Las técnicas de protección, que se utilizan ampliamente para las emisiones radiadas, son efectivas porque funcionan en el campo lejano. Dado que la longitud de onda es físicamente pequeña, la atenuación de un material de protección combina tanto la pérdida por absorción como la pérdida por reflexión5.

Como se muestra en la Figura 1, las leyes de la física dictan que la longitud de onda es grande cuando la frecuencia es baja (900 kHz), por lo tanto, la misma distancia se convierte en campo cercano para ruido de frecuencia más baja. En este caso, el blindaje no puede proporcionar suficiente pérdida de reflexión. La pérdida de absorción también se reduce y es de baja frecuencia. Como resultado, el blindaje del campo magnético de baja frecuencia sólo puede lograrse mediante las siguientes técnicas:

Figura 1: En campo cercano, el ruido de baja frecuencia solo se puede absorber, pero también se reduce la pérdida de absorción.

Los cuatro módulos principales de alto voltaje de un vehículo eléctrico suelen generar campos magnéticos de baja frecuencia, a saber, el módulo del tren motriz, el cargador a bordo (OBC), el paquete de baterías y el módulo CC-CC.

En la Figura 2 se muestra un diagrama del sistema simplificado. A menudo hay una caja de conexiones de alto voltaje (HV) entre el paquete de baterías de HV y otras cargas de HV. Para fines de demostración, no se muestran la caja de conexiones ni otras cargas de alto voltaje.

Figura 2: Diagrama de sistema simplificado de un paquete de baterías que suministra energía a un motor de tracción

Cuando el motor de tracción está en modo motor (es decir, cuando el motor está en modo crucero), se extraen corrientes del paquete de baterías. Las corrientes pueden alcanzar un nivel mucho más alto cuando el vehículo acelera ya que el motor exige más potencia. Cuando un vehículo eléctrico está en modo de frenado, el motor inicia la regeneración y grandes cantidades de corriente se devuelven al paquete de baterías. En este caso, el cableado y el arnés de alta tensión determinan el área del circuito de circulación de corriente. Por lo tanto, el campo magnético de baja frecuencia depende de la velocidad del motor, la frecuencia de conmutación del variador del motor, su modo de funcionamiento y la impedancia de los cables.

Las corrientes de la barra colectora de alta tensión constan de muchos contenidos de frecuencia. Aquí está el desglose del contenido de frecuencia:

En términos generales, al ingeniero de diseño le interesa acortar la longitud del cable entre el paquete de baterías y la unidad de accionamiento del motor. Cualquier longitud adicional de una conexión de cable de alta tensión significa un aumento de la pérdida (i2R) y, por lo tanto, no es deseable. Pero el diseño del vehículo suele decidir la disposición de los subsistemas de alta tensión. Cuando se trata del diseño general de un vehículo, es seguro decir que es necesario hacer concesiones entre el diseño del vehículo y la seguridad, la eficiencia y los efectos térmicos.

Como se indicó anteriormente, las corrientes de tracción que varían en el tiempo y que dependen de los modos de operación conducen a campos magnéticos que cambian rápidamente y que potencialmente pueden alterar los sensores de efecto Hall y presentar riesgos de electroestimulación para los tejidos humanos.

Se están desarrollando estándares de prueba para realizar pruebas contra campos magnéticos de baja frecuencia. El objetivo de estas pruebas es establecer un límite en la magnitud de los campos electromagnéticos generados por una unidad para garantizar que se pueda lograr el cumplimiento de los límites de referencia de exposición humana detallados en las Directrices ICNIRP durante las pruebas a nivel de vehículo. A menos que se especifique en el plan de prueba aprobado, las pruebas a menudo se realizan en el rango de frecuencia de 1 Hz a 500 kHz utilizando un sensor de tres ejes de 100 cm2, aunque puede haber errores de proximidad en la configuración de la prueba7.

Debido a que las aplicaciones automotrices son un negocio de fabricación en volumen, el costo suele estar en la parte superior de la lista durante la etapa de diseño. Se utiliza acero de alta resistencia para proteger el ruido de cientos de kHz generado por el motor de tracción en el ejemplo que se muestra en la Figura 3. Considerado como una solución rentable, este enfoque también tiene la ventaja de ser mecánicamente fuerte, lo cual es excelente desde el punto de vista Punto de vista de la seguridad del paquete de baterías. Sin embargo, tiene la desventaja de ser pesado, lo que podría ser un gran inconveniente para una aplicación de vehículos eléctricos. Uno de los puntos débiles de los vehículos eléctricos modernos es su kilometraje limitado, que podría ampliarse significativamente cuando se reduce el peso del vehículo.

Figura 3: Los escudos de campo magnético de baja frecuencia desarrollados por Fujifilm mostraron excelentes propiedades de blindaje entre 100 kHz y 10 MHz. (Gráfico cortesía de Fujifilm)

Una aplicación similar son los aviones eléctricos, donde el peso es aún más importante. Actualmente, la solución es utilizar material de aluminio para la batería. Pero incluso el material de aluminio se considera pesado, por lo que se prefiere el material compuesto de fibra de carbono. Es necesario agregar capas de láminas de cobre como blindaje y protección contra rayos.

Existe una fuerte demanda de mejores materiales de blindaje magnético de baja frecuencia que tengan mayores propiedades de blindaje, que sean livianos y que potencialmente puedan moldearse mediante procesos de fabricación aditiva. Como se muestra en la Figura 3, algunos materiales nuevos han mostrado un gran potencial en este sentido. Cabe señalar aquí que la referencia es una lámina de cobre de 115 µm, en lugar de acero de alta resistencia. Generalmente, por debajo de 100 kHz, el acero logra una atenuación mucho mayor que el cobre. Desde 100 kHz hasta 10 MHz, el cobre se convierte en un mejor blindaje que el acero. Por lo tanto, se puede esperar que este material funcione bien para proteger motores y convertidores CC-CC. En términos del rendimiento de frecuencias más bajas (1 Hz a 100 kHz), como las corrientes de tracción discutidas anteriormente, todavía hay un signo de interrogación. Además de eso, el costo también es un factor importante a considerar.

Debido a las limitadas opciones para proteger eficazmente los campos magnéticos de baja frecuencia, un mejor enfoque es controlar los campos magnéticos en su origen y evitar o minimizar su generación8.

Los campos magnéticos dependen del tamaño del bucle y del nivel de corriente. Dado que el nivel actual no se puede reducir, se deben hacer esfuerzos para reducir el tamaño del circuito. La reducción del tamaño del bucle para campos magnéticos de baja frecuencia implica principalmente:

Figura 4: Una caja de conexiones HV desarrollada por Tesla (que se muestra en la Figura 4a) demuestra el pequeño bucle de corriente (Figura 4b). Otra caja de conexiones de alta tensión tiene un bucle de corriente más grande debido al diseño del contratista de alta tensión.

En este artículo, se analizan los campos magnéticos de baja frecuencia por debajo de 500 kHz en aplicaciones de vehículos eléctricos. La capacidad de protección de los campos magnéticos de baja frecuencia está limitada por las leyes de la física. Como resultado, los ingenieros de diseño se quedan con opciones limitadas.

En la etapa de diseño del vehículo se debe considerar la reducción del tamaño del bucle del campo magnético y el uso de materiales avanzados. Debido a su atenuación superior a frecuencias muy bajas (<10 kHz), el acero podría seguir siendo la opción preferida por los fabricantes de vehículos. La integración de módulos de potencia también debería reducir el riesgo de emisión de campos magnéticos de baja frecuencia. Se puede utilizar blindaje activo para tales aplicaciones, pero requiere más estudios.

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El Dr. Min Zhang es el fundador y consultor principal de EMC de Mach One Design Ltd, una empresa de ingeniería con sede en el Reino Unido que se especializa en consultoría, resolución de problemas y capacitación de EMC. Su profundo conocimiento en electrónica de potencia, electrónica digital, máquinas eléctricas y diseño de productos ha beneficiado a empresas de todo el mundo.

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