EMC for Automotive – czyli jakie wymagania kompatybilności elektromagnetycznej dotyczą branży samochodowej – cz.1.

 

Branża samochodowa to ogromny przemysł. Nie tylko pod względem ilości produktów (samochodów), lecz także pod względem różnorodności systemów i podzespołów. Obecne pojazdy są naszpikowane elektroniką i chyba nikogo nie trzeba przekonywać, że ten trend się tylko pogłębia.

Druga strona mocy to koszty związane z wielkoseryjną produkcją. Bo jak można usłyszeć od doświadczonych elektroników: „nie sztuka zbudować urządzenie spełniające wymagania EMC, lecz sztuką jest to zrobić bardzo (bardzo) tanio”. Dlatego optymalizacja projektów, testy inżynierskie, weryfikacje są tak istotne. Do tego dochodzą restrykcje środowiskowe i pomiar zachowania systemów (obiektów) w różnych warunkach temperaturowych, wilgotności etc. Przecież ma to wpływ na właściwości obiektu, także pod kątem EMC.

O co chodzi w testach EMC?

W uproszczeniu, można powiedzieć, że zależy nam aby sprawdzić, czy urządzenie (system):

A: EMISJA: Nie emituje zbyt dużych poziomów zaburzeń, które mogą się przedostać do środowiska zewnętrznego (kompatybilność zewnętrzna), bądź zakłócić układy wewnątrz systemu (kompatybilność wewnętrzna).

B: ODPORNOŚĆ: Chcemy sprawdzić jak reaguje na pewne zaburzenia, które wiadomo (z jakimś prawdopodobieństwem), że wystąpią w docelowym środowisku pracy.

EMC w automotive, to doprecyzowanie warunków testów do tego specyficznego środowiska pracy.

Skąd wiemy na jakie narażenia testować nasze produkty? Trzeba zobaczyć jakie inne urządzenia, układy pracują w bezpośrednim otoczeniu i jakie mogą pojawić się po drodze – identyfikacja źródeł zaburzeń. Oczywiście, aby nie wykonywać tego za każdym razem powstają pewne normy, standardy testów. Jest to zbiór reguł, wniosków, pomiarów i dobrych praktyk dla pewnych środowisk.

Uwaga: pamiętajmy, że normy powstają z opóźnieniem w stosunku do postępu technicznego. Dlatego korzystanie z norm musi być świadome i podparte analizami aktualnej sytuacji, w realnej rzeczywistości.

Należy mieć na uwadze, że EMC to część związana z badaniami środowiskowymi (środowisko elektromagnetyczne), w odniesieniu do bezpieczeństwa. Jest chyba oczywistym, że testujemy urządzenie (szczególnie odporność) po to aby upewnić się, że będzie ono działało zgodnie z założeniami, a jeśli nawet pojawią się błędy, to nie spowodują one niebezpieczeńśtwa.

Popularne systemy komunikacyjne we współczesnych samochodach:

  • CAN (Controller Area Network)
  • Ethernet (AVB, TSN)
  • FlexRay
  • LIN (Local Interconnect Network)
  • MOST (Media Oriented Systems Transport)
  • OBDII (On-Board Diagnostics II)

W obecnych samochodach mamy kilometry wiązek kablowych. Dziesiątki mikrokontrolerów i wiele systemów komunikacji, wspomagania, zbierania danych czy bezpieczeństwa. Poniżej przykładowe źródła zaburzeń we współczesnych samochodach.

Źródła potencjalnych zaburzeń w samochodach:

  • Zapłon silnika – Engine ignition (spark, timing)
  • Systemy rozrywki – Entertainment systems
  • Wtryski paliwa – Fuel injection
  • Systemy hamulcowe – Braking (anti-lock brakes)
  • Kontrola emisji spalin – Emissions controls
  • Kontrola, sterowanie – Steering (steering assist, 4-wheel steering)
  • Systemy unikania kolizji – Collision avoidance systems
  • Pozycjonery – Seat & pedal positions
  • Grzanie, chłodzenie – Heating/air conditioning
  • Systemy komunikacyjne – Communication systems
  • Nawigacja – Navigation systems
  • Systemy bezpieczeństwa – Safety systems
  • Systemy zawieszenia – Suspension systems
  • Redukcja hałasu – Noise cancellation
  • Światła – light
  • Syganlizatory, rozmrażacze itd. – horn, wipers, defrosters
  • Systemy ładowania akumulatorów – charging systems
  • Wbudowane ładowarki samochodów elektrycznych

 

Problemy EMC w samochodach mogą objawiać się na różnych poziomach, o to one:

  1. Poziom układów scalonych (IC Level)
  2. Poziom modułów, komponentów (Module level)
  3. Poziom systemu (system level)
  4. Poziom pojazdu (vehicle level)

 

 Wujek dobra rada:

Likwiduj problemy u źródła. Rozwiązania EMC zastosowane przy źródle są najtańsze i najbardziej efektywne. Rozwiązania EMC stosowane na ścieżce sprzężenia (coupling path) czy przy obciążeniu, ofierze jest bardzo drogie a czasem niemożliwe do wykonania.

Metafory: Jak masz potwora to lepiej zamknąć go w klatce, niże budować forty, schronienia dla ludności. Wynajęcie jednego wiedźmina do ubicia potwora jest tańsze, niż utrzymywanie armii strażników, chroniących ludność

Proces projektowania pojazdu – cały system.

W automotive będziemy mieli zawsze doczynienia z podejściem przynajmniej dwojakim: do całego systemu (pojazdu) oraz poszczególnych komponentów (składowych systemu). Aby dobrze wdrożyć system posługujemy się tzw. Modelem dużego „V”. Czyli procesem, kt®óy najpierw dekomponuje cały system, gdzie dopracowujemy projekty, plany i wymagania dla coraz mniejszych komponentów, modółów. W drugiej kolejności zaczynamy testować zbudowane urządzenia, od poszczególnych modółów, do ich połączeń, aż dochodzimy do całego systemu – czyli pojazdu.

Większość wymagań EMC jest bardzo podobna jeśli chodzi o cały pojazd i komponenty. To znaczy zakres jest mniej więcej ten same. Te same zagadnienia naelży sprawdzić. Jednak to podejście, poszczególne metody, stanowiska, czy sposoby podłączęń będą różniły się na poczególnych etapach.

Na szczęście dość precyzyjnie określają to odpowiednie normy. A jest ich wiele, ale o tym za chwilę.

Typy testów EMC w Automotive

Emisja

  • Emisja przewodzona od komponentów, modułów:
    • Częstotliwość: 150kHz-108 MHz
    • Napięcie – pomiar na sieci sztucznej (AN-Test)
    • Napięcie – klamra pojemnościowa (CV-Test)
    • Prąd – sonda prądowa (CP-Test)
  • Emisja promieniowana
    • Częstotliwość: 20MHz-1GHz (2 lub 3 GHz(
    • ALSE , (Absorber Lined Shielded Enclosure)
    • TEM CELL (TEM-Test, optional)
    • Stripline (SL-Test, optional).

Typy zaburzeń w automotive:

  • Szerokopasmowe – zwykle pochodzi od przełączeń „iskrzenia”, łuki, silniki elektryczne.
  • Wąskopasmowe – wszystkie zegary, nadajniki, sygnały, komunikacja

Szerokopasmowe – gdy mierzone sygnały mają charakter szumowy, a odległość między potencjalnymi prążkami jest mniejsza niż szerokość pasma odpbiorniak (zwykle RBW).

Wąskopasmowe – prążki zaburzenia są węższe niż szerokość pasma odpbiornika (RBW) i można odebrać pojedyncze częstotliwości zaburzenia.

 

Odporność

  • Odporność na pole radiowe promieniowane – Radiated Immunity
    • Częśtotliwość: 20 MHz – 1 GHz, with limit levels (EC); 10 KHz – 18 MHz, multi-class of limit levels (ISO)
  • Odporność przewodzona – Conducted Immunity
    • ISO 7637: Part 1 – 12V power, Part 2 – 24V power, Part 3 – signal/control lines;
    • Transient immunity: power line transient and signal/control line transients
  • ESD – wyładowanie elektrostatyczne – Immunity to Electrostatic Discharge (ESD)
    • Poziomy:+/- 2 KV – +/- 25 KV

Normy w automotive:

(Będzie to kolejny wpis, niejako kontynuacje tego zagadnienia.

Tutaj podam uproszczoną tabelkę, wymagania w Automotive to temat złożony, aczkolwiek dobrze opisany. Przynajmniej mamy konkretne i dość jednoznaczne wymagania, dobre opisy i precyzyjne rysunki. Bywa, że jest to określone kontraktami pomiędzy dostawcą (podwyknawcą), a odbiorcą (producentem aut), aniżeli jest to tylko wynikiem wymagań prawnych, gdyż te mogą być niższe. Dzieje się tak gdy koncern chce zwiększyć marginesy bezpieczeństwa i obniżyć ryzyka. Każdy koncern dostosowuje też swoje wymagania negocjując z dostawcami, przy czym zwykle dostarcza bardzo szczegółowych wymagań, a nawet własne wsparcie pomiarowe.

 Normy EMC w Automotive – będzie osobny wpis. Tutaj tylko podaję przykłady koncernów, które mają swoje standardy EMC.

Wymagania wewnętrzne mają m.in. takie koncerny jak:

  • Jaguar Land Rover
  • Daimler-Chrysler
  • FORD Motor Company
  • General Motors – GM
  • Lotus
  • PSA
  • Renault
  • MG-Rover
  • Volkswagen
  • Porsche
  • BMW
  • Nissan

 +SAE – Sociaty of Automotive Engineers

Typowe metody badań w automotive

Tabela z wykazem norm dotyczących metod badań, dla różnych aspektów EMC, aby już zaznaczyć z czym wiąże się spełnienie wymagań. Powołanie się na poniższe metody może odbywać się z różnorodnych standardów. Pomiędzy standardami mogą występować różnice w poziomach emisji czy narażeni.

Ocena zgodności całego pojazdu
Emisja (emission) CISPR 12 (EN 55012), CISPR 25 (EN 55025)
Odporność (Immunity) ISO11451-2 – Odporność promieniowana
ISO11451-3-8 – Odporność promieniowana (sys. Bezprzewodowe)
ISO11451-4 – Metoda wstrzykiwania RF w.cz., BCI
ISO10605 – ESD
ISO 7637-1 – Odporność impulsowa
ISO 7637-2
Ocena zgodności komponentów
Emisja (emission) CISPR 25 (EN 55025)
Odporność ISO 11452-1 – Metody badań na wąskopasmowe zaburzenia
ISO 11452-2 – Odporność na pole promieniowane
ISO 11452-3 – Komora TEM
ISO 11452-4 – BCI – Bulk current injection – kalmra prądowa
ISO 11452-5 – Stripline
ISO 11452-7 – DPI
ISO 10605 – ESD
IEC 61000-4-21 – Komora rewerberayjna
ISO 7637-1 – Odporność impulsowa
ISO 7637-2 – Odporność impulsowa
ISO 7637-3 – Odporność impulsowa

 

 Przykładowy wykres z róznymi wymaganiami EMC dla emisji przewodzonej. 

Rysunek, wykres: Emisja przewodzona – limity z różnych standardów. Źródło: Automotive EMC – IEEE EMC Society – Eastern North Carolina Section, February 9, 2010, Mark Steffka, IEEE EMCS Distinguished Lecturer

Międzynarodowe standardy i organizacje

  • EN – norma europejska (w Polsce PN-EN), np. EN55032, EN61000-4-x itd.• ISO – International Standard Organization np. podstawowe w automotive ISO7637, ISO10605, ISO16750, ISO11452 itd.
  • ETSI – European Telecomunications Standards Institute – urządzenia z nadajnikiem i/lub dbiornikiem (np. ETSI 300 328 – BT, WLAN)
  • GOST – Standardy rosyjskie, np. GOST 28751-90 (odpowiednik ISO7637-2)
  • JASO – Japanese Automotive Standard Organisation – standardy japońskie
  • SAE – Society of Automotive Engineers – standardy USA, np. SAE J 1113-11 (odpowiednik ISO7637-2)
  • CISPR 12 (EN 55012) – Vehicles, boats and internal combustion engines – Radio disturbance characteristics – Limits and methods of measurement for the protection of off-board receivers
  • CISPR 25 (EN 55025) – Vehicles, boats and internal combustion engines – Radio disturbance characteristics – Limits and methods of measurement for the protection of on-board receivers
  • ISO 7637 (all parts), Road vehicles — Electrical disturbances from conduction and coupling
  • ISO 8854, Road vehicles — Alternators with regulators — Test methods and general requirements
  • ISO/TR 10305 (all parts), Road vehicles — Calibration of electromagnetic field strength measuring devices
  • ISO 10605, Road vehicles — Test methods for electrical disturbances from electrostatic discharge
  • ISO 11451 (all parts), Road vehicles — Vehicle test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy
  • ISO 11452 (all parts), Road vehicles — Component test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy
  • UL94, Tests for Flammability of Plastic Materials for Parts in Devices and Appliances
  • 16750 – Road vehicles — Environmental conditions and testing for electrical and electronic equipment Part 2: Loads
  • ISO 7637-1 Road vehicles — Electrical disturbances from conduction and coupling — Part 1: Definitions and general considerations 

 

Ostatnio szkoliliśmy dla jednej z dużych firm branży automotive, projektantów elektroniki (Hardware Design Engineers).

Ponieżej kilka najważniejszych wniosków specyfiki sektora elektroniki samochodowej:

  • branża samochodowa to duży wolumen (duże serie), więc koszty bardzo mocno ograniczają fantazję konstruktorów,
  • wymagania (m.in. EMC) bardzo mocno zależą od klienta, czyli danego producenta samochodów,
  • wymagania mogą być dużo wyższe niż w normach domowych, czy przemysłowych (zależy od testu),
  • bardzo duże znaczenie ma niezawodność układów, bo wpływają na bezpieczeństwo,
  • coraz częściej widzimy bardzo szybkie magistrale komunikacyjne, co wiąże się z koniecznością szkolenia pod HIGH SPEEED DESIGN,
  • elektronika bardzo różni się od przeznaczenia i miejsca zastosowania w samochodzie,
  • wyzwaniem są wiązki kablowe i kompatybilność systemu,
  • kryteria oceny są trudne do przygotowania i weryfikacji podczas testów. 

SZKOLENIE EMC FOR AUTOMOTIVE – DESIGN, TEST AND COMPLIANCE

EMC DLA SAMOCHODÓWKI – PROJEKTOWANIE, TESTY I WYMAGANIA 

WYMAGANIA, ZJAWISKA, TESTY, PROJEKTOWANIE UKŁADÓW POD KĄTEM KOMPATYBILNOŚCI ELEKTROMAGNETYCZEJ (EMC) W ŚRODOWISKU AUTOMOTIVE.

Ciekawe linki:

Autor: Tomek Utkowski, Inżynier EMC, Konsultant, Trener (akt. 03.2019)