Introducción a la Compatibilidad Electromagnética en el VE

26 Sep Introducción a la Compatibilidad Electromagnética en el VE

Posted at 18:34h in Noticias by

Seguro que en algún momento se habrá encontrado con la situación de que está viendo el televisor o escuchando música, y dicho televisor o reproductor de música se ven influenciados por interferencias que dan lugar a que el funcionamiento del aparato o dispositivo no sea del todo correcto, o incluso, en algunas circunstancias, a que se pierda por completo la señal o que deje de funcionar. Esto es debido, en la mayoría de las circunstancias, a interferencias que sufren los sistemas electrónicos.

Dichas interferencias se pueden dar por diversas razones, entre las cuales pueden ser por fenómenos atmosféricos, como pueden ser las tormentas o los rayos, o incluso las tormentas solares producidas por radicaciones del sol, o simplemente debido a sistemas eléctricos o de comunicaciones que pueden interferir en dichos aparatos como pueden ser sistemas de telefonía móvil, radares, o a nivel eléctrico, por las descargas electroestáticas o las líneas eléctricas de alta tensión.

Por tanto, es necesario recalcar que dichas interferencias, pueden afectar a los sistemas de control de los aparatos, procesos o incluso vehículos, siendo de vital importancia considerar su afección para evitar incidencias.

Cabe considerar que estas interferencias afectan a todo sistema eléctrico o electrónico, pero en especial cabe destacar la afección que puede disponer en sistemas móviles, puesto que, en una planta de producción, por ejemplo, siempre se podrá disponer de mayor libertad para establecer la ubicación de los sistemas eléctricos, electrónicos o de comunicaciones, de modo que la afección a las interferencias de tipo electromagnético en los sistemas de control, se puedan minimizar.

En lo que respecta a un Vehículo Eléctrico (VE), se puede deducir que existen mayores limitaciones a nivel de volumen, espacio y peso, por tanto, diseñar vehículos que no se vean influenciados por las interferencias o ruido eléctrico en su normal funcionamiento, no es tarea fácil. También considerar, que existen sistemas más críticos que otros en lo que a dichas influencias de las interferencias se refiere, por ejemplo, el sistema de seguridad del vehículo requiere mayor consideración comparado con el sistema de confort.

Como se ha comentado, estos fenómenos de interferencias electromagnéticas interfieren en el normal funcionamiento de los sistemas de control ubicados en todos los vehículos, también en los sistemas de control de los vehículos eléctricos. Es evidente que los sistemas electrónicos de los vehículos están formados por centralitas, también denominadas ECUs (en inglés Electronic Control Unit). Estas ECUS están conectadas entre si por medio de cables o sistemas inalámbricos, y que todas ellas, controlan, entre otros; el sistema de tracción, de ayuda a la conducción o sistemas autónomos de conducción, los sistemas auxiliares como la iluminación, el alumbrado y señalización del vehículo, el sistema de confort, etc., además del sistema de diagnóstico, y por supuesto del sistema infotainment

Del mismo modo, cabe reflexionar y llegar a la conclusión, que todos estos sistemas de control electrónicos, hacen a los vehículos un gran sistema de procesamiento de datos de tipo móvil, que opera con millones de datos por segundo. Todo ello, por medio de diversas capas físicas de comunicación; por ondas electromagnéticas para los sistemas inalámbricos, y por medios físicos por medio de cableados, todos ellos, aplicados por diversos protocolos de comunicación, que pueden ser internos a nivel de vehículo, como el CAN Bus y otros subsistemas multiplexados como el Flex Ray, VAN Bus o LIN Bus, o pueden incluso establecer comunicaciones con el exterior del vehículo por medio de 4G o 5G, Bluetooth, Wi-fi o simplemente la radio en AM o FM.

Figura 1_Visualización del cuadro de mandos de un vehículo con Sistemas Avanzados de Asistencia al Conductor (en inglés ADAS; Advance Driver-Assistance Systems). Este tipo de vehículo procesa una gran cantidad de información, por tanto, es crítico que no exista una afección de ciertas interferencias electromagnéticas en sus comunicaciones internas como hacia el exterior para su correcto funcionamiento.

Para poder mostrar de forma más sencilla el concepto, se puede utilizar el ejemplo de los sistemas de comunicación del vehículo (ej.: CAN Bus), los cuales trabajan con señales pulsatorias (trenes de pulsos) a tensiones entre 1.5 V y 3.5 V. Pues bien, cuando en un vehículo se dispone de dicho sistema electrónico para establecer sus comunicaciones, y por tanto, establecer el control del conjunto de todos los sistemas, debe considerarse de forma crítica el que se establezca un sistema de tracción (powertrain; battery pack, inversor y motor-generador) ubicado en el mismo vehículo, de hecho, a pocos centímetros de dichos sistemas de control, que como se ha comentado, trabajan a tensiones entre 1.5 y 3.5 V.

Cual es el inconveniente a nivel de interferencias de lo expuesto, muy sencillo, el powertrain, compuesto por la batería de tracción o battery pack, el motor-generador, o motor que puede trabajar en los 4 cuadrantes, y el inversor, genera interferencias. Estas interferencias, son debidas a que el conjunto de dicho powertrain, puede trabajar a tensiones mínimas de 350 – 400 V, pudiendo llegar incluso a niveles de 800 V, según el tipo de VE. Estas tensiones de trabajo, como se puede deducir, están muy por encima de la tensión de referencia que utilizan los sistemas de comunicaciones en el vehículo, que como se ha comentado, a tensiones de 1.5 y 3.5 V. Este hecho, establece que dichos equipos, dispositivos o sistemas de comunicación o control, puedan verse influenciados de forma crítica por las tensiones de trabajo del powertrain.

Para ser más precisos, cabe indicar que la mayor afección en términos de emisión de interferencias se debe al inversor, al sistema de electrónica de potencia, debido a que la batería funciona a corriente continua, y dicha corriente continua no genera inducción electromagnética, por no generar campos electromagnéticos de tipo variable En consecuencia, dicho battery pack, no genera inducción electromagnética, que es la fuente de las perturbaciones.

Dicho inversor, el cual establece el control del par y la velocidad del motor, el control de la recuperación de la energía en los procesos de regeneración (frenado del VE), además de la alimentación del compresor del sistema de climatización y la carga de la batería del sistema auxiliar. En lo que respecta concretamente al control del par y de la velocidad del motor, este inversor trabaja a frecuencias de conmutación en torno a kHz o incluso a MHz, todo ello, por medio de dispositivos semiconductores de potencia como pueden ser MOSFETs o IGBTs, aunque cabe indicar que los IGBTs están siendo reemplazados por SiC MOSFETS (en inglés: Silicon Carbide MOSFET), los cuales ofrecen mejoras respecto a aumento en las frecuencias de conmutación y mejoras en lo que se refiere a características térmicas. Todo este sistema de electrónica de potencia, genera campos electromagnéticos inducidos de altas frecuencias que se pueden propagar por el vacío e inducir corrientes en cableados o equipos, dispositivos o sistemas electrónicos, pudiendo afectar a los procesadores de los sistemas de control ubicados en el propio vehículo, a muy pocos centímetros del punto de emisión de dichas interferencias originadas por el inversor del powertrain del VE.

Powertrain y sistema de alimentación del inversor

Figura 2_Ilustración del conjunto del powertrain y los sistemas que alimenta el inversor de dicho powertrain de un VE. Se puede observar en la parte superior, el battery pack con las asociaciones de celdas y módulos en la parte izquierda, y los contactores de alta en la parte derecha. A partir de lo indicado, se puede atender como los cables de alta en la salida del battery pack, tanto de positivo (HV+) como negativo (HV-) se conectan a la alimentación del inversor (parte derecha de la ilustración). Dichos cables se disponen en color gris para simular su desenergización. Seguidamente, obsérvese como el inversor (en inglés: inverter) alimenta al motor de tracción (en inglés: traction motor-generator), al compresor del sistema de aire acondicionado (en inglés: compressor air conditioning), y la batería del sistema auxiliar (en inglés: battery ancillary systems).

A partir de lo indicado, es necesario establecer las designaciones correctas para no inducir a errores. Siguiendo la normalización y estándares a nivel nacional, en la compatibilidad electromagnética, según define la Comisión Electrotécnica Internacional (en inglés: IEC: International Electrotechnical Commission) en transposición por medio del Real Decreto 1580/2006 del 22 de diciembre de 2006, se deben definir los conceptos claves respecto a las emisiones y susceptibilidad de las interferencias electromagnéticas.

En primer lugar, y respecto a las interferencias que pueden sufrir los sistemas electrónicos, las denominadas interferencias electromagnéticas (en inglés EMI: Electromagnetic Interference). Estas interferencias electromagnéticas, o también denominadas de forma coloquial entre los eléctricos y electrónicos como “ruido eléctrico», se disponen como campos eléctricos y/o magnéticos de tipo variable y estático. Dichas EMIs, puede afectar, como se ha comentado, a los equipos o sistemas electrónicos haciendo que estos no funcionen de forma correcta, o incluso que dejen de funcionar. A partir de lo indicado, es necesario añadir, que la normativa establece que un equipo, dispositivo o sistema eléctrico en su normal funcionamiento, únicamente puede emitir un determinado nivel de emisiones o perturbaciones al medio.

A partir de la mención de las interferencias, para que un determinado sistema electrónico, ya sea de control o de comunicaciones, no se vea influenciado por dichas interferencias electromagnéticas, debe presentar una determinada inmunidad o Susceptibilidad Electromagnética (en inglés EMS: Electromagnétic Susceptibility). Esta EMS, debe entenderse como la capacidad que presenta un determinado sistema electrónico, para no verse influenciado por las interferencias (EMI) a las que se puede ver influenciado en su normal funcionamiento.

Por último, se establece la Compatibilidad Electromagnética. Dicha compatibilidad electromagnética (en inglés EMC: Electromagnetic Compatibility), es la capacidad que presenta un equipo o sistema electrónico en su conjunto, para llevar a cabo su correcto funcionamiento sin verse influenciado por las perturbaciones que se pueden generar en su entorno próximo, y que den lugar al no correcto funcionamiento de dicho equipo o sistema electrónico. Del mismo modo, se debe considerar, que si es necesario que dicho equipo o sistema electrónico no se vea influenciado por las interferencias en su correcto funcionamiento, igualmente, debe disponer de la capacidad de no emitir interferencias o “ruido eléctrico” en su normal funcionamiento, de modo que dicho factor, pueda afectar al resto de dispositivos o sistemas eléctricos cercanos ubicados en el mismo emplazamiento, en este caso, en el VE.

Figura 3_Ilustración que muestra la emisión y recepción de señales inalámbricas con las que opera un VE, y su posible vulnerabilidad frente a las emisiones emitidas por el VE, principalmente por el inversor del powertrain.

Una vez introducido las definiciones, es necesario entender como es el proceso de generación, acoplamiento y recepción de las perturbaciones electromagnéticas.

En primera instancia, se requiere determinar las posibles emisiones que pueda generar o emitir un determinado sistema electrónico, puesto que estás emisiones, serán las que podrán llegar a acoplarse a los receptores por diferentes medios. Estos medios pueden ser la radiación de las interferencias por el aire, o directamente por conducción, bien sea haciendo contacto con conductores entre si, o por acción de campos eléctricos o electromagnéticos cercanos a los dispositivos de control. Para ello, habrá que estudiar como reducir las emisiones, el camino que pueden seguir dichas perturbaciones, el diseño de los receptores, así como cableados y dispositivos (el diseño de las propias placas electrónicas) para que sean menos sensibles a las EMI.

Tal y como muestra la figura 4, para que los equipos, dispositivos o sistemas eléctricos o electrónicos se puedan ver afectados por EMI, evidentemente, es necesario disponer de una fuente, un emisor o un generador que genere dichas EMI al medio. Este medio, ya sea por contacto o radiación, es el entorno por el cual se pueden transmitir las perturbaciones y en consecuencia, se pueden producir los acoplamientos de dichas perturbaciones a un receptor, el cual, deberá disponer de la suficiente inmunidad para no verse afectado por las emisiones generadas.

Proceso de generación, acoplamiento y recepción de las interferencias electromagnéticas

Figura 4_Ilustración de la representación del proceso de emisión, acoplamiento y recepción de las interferencias electromagnéticas en los sistemas eléctricos, electrónicos y de comunicaciones.

En principio, y respecto a la emisión o generación de perturbaciones, cabe indicar que se clasifican en dos tipos básicos; las perturbaciones de tipo natural y de tipo artificial.

La generación de interferencias electromagnéticas de tipo natural, hace referencia a las descargas eléctricas de tipo intempestivo, como los rayos o incluso las tormentas solares, aunque estas perturbaciones de tipo natural, presentan una incidencia reducida en los VE.

Por lo que respecta a la generación de interferencias de tipo artificial, se debe considerar las descargas electroestáticas, los cortocircuitos, emisiones de radio, televisión o telefonía móvil, los radares, ciertos accionamientos eléctricos como grandes interruptores, fuentes de alimentación conmutada, etc..

En lo que respecta a las fuentes de generación o emisión de las EMI en los sistemas artificiales, creados estos, por otros sistemas eléctricos, electrónicos o de comunicaciones, el tipo más común y de mayor afección de generación o emisión de interferencias en un VE, como se ha comentado previamente, son los generados por la conmutación de los semiconductores de potencia de los inversores. Los inversores, en su primera etapa, utilizan bobinas que son conmutadas a altas frecuencias para generar corrientes de inducción y poder elevar o reducir la tensión de alimentación, además de generar corrientes de tipo pulsante para las tres bobinas del motor en una segunda etapa. Todo ello, para poder alimentar al motor-generador de tracción del VE. Dicha corriente de autoinducción generada con frecuencias de conmutación de kHz o incluso MHz, genera altos niveles de EMI al resto de sistemas electrónicos del propio VE.

El segundo fenómeno de tipo artificial a considerar como relevante en lo que respecta a la generación de interferencias de tipo electromagnético, son los generados por los campos magnéticos de radiofrecuencias. Estos son generados principalmente por sistemas de telefonía móvil y radares. Cabe puntualizar, que en este caso, las EMI no son generadas por el propio VE, sino que son externas al propio VE.

Otra perturbación que puede generar interferencias en los sistemas electrónicos, y de forma preocupante, son las descargas electroestáticas, puesto que pueden provocar daños en ciertos componentes electrónicos. Estos daños son debidos a circunstancias en las cuales se sobrepasan las máximas tensiones de ruptura de determinados componentes electrónicos, dando lugar a la destrucción de dicho componente, y en consecuencia, a la posibilidad de no disponer de un correcto funcionamiento del conjunto del sistema electrónico. Dichas descargas electroestáticas, se pueden producir por la acumulación de cargas eléctricas en materiales con propiedades aislantes a nivel eléctrico, es decir, que dificulten la conducción de la electricidad. Esta acumulación de cargas electroestáticas, se pueden descargar en materiales conductores o aislantes, generalmente por contacto físico. Indicar, que la peor de las situaciones, hace referencia a la descarga electroestática entre materiales aislantes, puesto que dicho material aislante no deja conducir a los electrones. En consecuencia, los electrones se acumulan como cargas eléctricas de cierto nivel en dichos materiales aislantes, pudiéndose producir, descargas que posibilitan afecciones a ciertos componentes electrónicos, así como la descarga en los usuarios de los vehículos. Puntualizar, que los fabricantes de vehículos trabajan en nuevos materiales que sean conductores a modo de minimizar las cargas electroestáticas. Este fenómeno es similar al que sucede en la aviación comercial, al utilizar materiales derivados de los plásticos, como los composites, para la reducción de peso en la aeronave, al mismo tiempo, esto hace que se produzcan grandes acumulaciones de cargas eléctricas, incluso pudiendo ser críticas, en momentos de impactos de descargas de tipo transitorio como pueden ser los rayos en pleno vuelo.

Figura 5_Interior de un VE, donde se puede apreciar la cercanía de las conexiones de los sistemas de control, finos cables de colores, situados en la parte posterior del cuadro de mandos del conductor, y la parte de potencia, en color naranja, justo en el cableado de la salida del battery pack. Aunque los cableados de color naranja sean de alta tensión, en corriente continua no se producen inducciones electromagnéticas. Además, se puede visualizar, como todo el interior del VE es de materiales no conductores, para proteger al usuario de descargas y electrocuciones, pero esto hace que se acumulen cargas en dichos materiales debidas a vibraciones y campos electromagnéticos inducidos. El resto del VE es de materiales metálicos conductores, que sirven de masa para derivar las posibles descargas eléctricas y las perturbaciones por inducción electromagnética, en este caso, en el chasis del VE.

Hasta ahora se han comentado las fuentes de generación de las interferencias electromagnéticas. Del mismo modo, es necesario conocer los procesos por los cuales las interferencias se acoplan a los sistemas eléctricos. Estos acoplamientos pueden ser en modo continuo o radiado.

En modo continuo, se hace referencia a la existencia de un contacto físico en la propagación de las corrientes inducidas entre los sistemas eléctricos. En el VE, el contacto que hace referencia al modo continuo, se debe principalmente al contacto entre conductores de las líneas de alimentación de los sistemas auxiliares. Es necesario considerar que un VE, presenta una cantidad elevada de conductores debido principalmente a la alimentación de dichos dispositivos de los sistemas auxiliares. Además, es necesario considerar que los conductores no presentan la misma impedancia, y que esta impedancia varia en función de ciertos parámetros. Por ejemplo, el componente de resistencia en un conductor varía con la longitud y la impedancia en función del tipo de tensión y corriente que circule además de la separación con otros medios respecto a dicho conductor. Dichos cableados se requieren por una simple razón, es necesario alimentar todos los sistemas que componen el conjunto de los sistemas auxiliares del vehículo; como ejemplos, desde el motor del elevalunas eléctrico, motores del limpiaparabrisas, sistemas de iluminación, pantallas, sensores, cámaras, etc., los cuales, al ser alimentados por medio de cables, tanto del polo positivo como negativo, dichos conductores, se exponen a grandes distancias por el conjunto del vehículo, quedando expuestos a contactos o radiación de otros conductores, y en consecuencia, quedando expuestos a recibir las perturbaciones que se puedan generar en el interior del VE. En este proceso de cerrar el circuito a masa de los dispositivos de los sistemas auxiliares, se pueden utilizar cables que unan los negativos y se conectan a masa en un punto o nodo común, disponiendo de un único punto a masa. O simplemente colocar un cable de cada sistema eléctrico a alimentar a masa. Evidentemente esta última opción acarrea más metros de cable, y en consecuencia mayor coste, y mayor posibilidad de que dichos cables sean “antenas” de acoplamiento de las posibles interferencias generadas. Por ello, es necesario agrupar los cierres de los circuitos de modo que se reduzcan las distancias.

En lo que respecta al modo de acoplamiento de las interferencias en modo radiado, en este caso, las EMI se irradian por proximidad de la fuente de generación a los posibles receptores. Estos posibles receptores en el VE, son los propios conductores o cableados distribuidos por el conjunto del vehículo para alimentar a los dispositivos eléctricos de los sistemas auxiliares, que básicamente, dichos conductores o cableados, como se ha comentado, se comportan a efectos prácticos, como una “antena” de recepción de señales, en este caso, de recepción de perturbaciones. Por tanto, dichos cableados del sistema auxiliar están expuestos a perturbaciones por radiación y por conducción, siendo de gran relevancia su diseño en el conjunto del VE.

Por último, se hacer hincapié en el inversor, puesto que es el sistema más relevante en términos de generación de interferencias de tipo electromagnético en el VE, además por diversos motivos.

En primer lugar, es requerido hacer mención a la denominada intensidad de modo común. Cuando se alimentan los motores eléctricos por medio de inversores con conmutaciones de alta frecuencia, es decir, con señales referenciadas en pulsos o señales pulsantes, no por señales sinusoidales alternas, como podría ser la propia tensión de alimentación de la red eléctrica a 50 Hz. Estas señales, basadas en pulsos de altas frecuencias de kHz o incluso MHz, producen un efecto capacitivo en el motor, en concreto entre el bastidor y el estator, y entre el rotor y el estator. Dichas capacitancias o efecto capacitivo en el motor, generan unas corrientes, por el hecho de cargarse y descargarse dichas capacitancias a gran velocidad por la alimentación del inversor a altas frecuencias, por la simple razón del principio de carga y descarga de un condensador. Esta corriente originada, al ser alimentada mediante pulsos por el inversor, necesita volver a la fuente de generación, en este caso el inversor, de modo, que dicha corriente acaba circulando por las partes metálicas del motor, incluido el eje del propio motor, y de aquí, a los cojinetes, y en consecuencia a la carcasa y al bastidor del motor, que recordemos, en el caso del VE, están conectados en su conjunto a la masa del VE, que en este caso, es el chasis de propio VE.

A la corriente indicada, recuérdese, denominada como intensidad de modo común (en inglés: CMC: Common Mode Current), cabe añadirse una corriente originada por ciertos motivos. El primero de los motivos se debe a la no exactitud en la generación de sistemas pulsantes por parte del inversor, puesto que estos pulsos no son totalmente simétricos en las tres fases. Al disponerse de una alimentación en los sistemas de disparo de los semiconductores de potencia, por medio de un sistema basado en PWM (en inglés: Pulse Width Modulation), modulación del ancho del pulso. Esta modulación, no es completamente perfecta. Como consecuencia, no se genera un sistema totalmente equilibrado, por tanto, existe una diferencia de tensión entre las tres fases de salida del inversor que origina una corriente, aunque no sea muy elevada, si que ha de considerarse a efectos EMC. Además, cabe añadir otros factores a dicha corriente originada que elevarían dicha corriente, como son los propios desequilibrios originados por las variaciones de flujo magnético en las diferentes bobinas, debidas a la composición, nunca idéntica, de los materiales ferromagnéticos, los cuales, igual que se dispone en la fabricación de celdas de ion-litio, no se pueden producir exactamente iguales. A esto, se suman, las posibles variaciones en los arrollamientos, y a la propia geometría del motor, dando lugar a la producción de una corriente que también circulará por la carcasa y bastidor del motor, dirigiéndose hacía la masa del VE.

A partir de lo indicado, debe considerarse que todas las corrientes originadas en el conjunto del inversor y motor-generador, van a derivarse en el chasis del VE.

Por último, y continuándose con el inversor, debe advertirse que este trabaja con sistemas de amplificación a frecuencias elevadas, por tanto, las interferencias, no sólo se generan por las conmutaciones a altas frecuencias, dando lugar a la generación de las corrientes indicadas en el motor, si no que, además, estás interferencias, creadas por las conmutaciones de los semiconductores de potencia, que realizan la función de conmutación y amplificación, son amplificadas propiamente por el inversor, debido a que el inversor y el motor están conectados al chasis del VE. En consecuencia, dichas corrientes que van a derivarse a la masa del VE, vuelven a ser realimentadas a la entrada del inversor. De modo que, dichas corrientes parásitas realimentadas, son amplificadas por el propio inversor. Dando lugar, a que el inversor, además de generar unas corrientes parásitas, las amplifica.

Figura 6_Izquierda: Ilustración que muestra el recorrido de la intensidad o corriente en modo común (CMC) generada entre el bastidor y el estator y entre el estator y el rotor del motor de tracción y que circula por el chasis del VE retornando al inversor, donde es amplificada y enviada de nuevo al motor de tracción. Derecha: Ilustración donde se muestra a modo de ejemplo el recorrido de la intensidad o corriente en modo común (CMC) en el conjunto del VE.

Una vez se han introducido cuales son las fuentes de generación y sus posibles receptores, se debe conocer las medidas a acometer para reducir las EMI.

Como primera medida, se hace mención, al proceso de apantallamiento de los cables. Este proceso reduce las perturbaciones o corrientes parásitas, al colocar a tierra o a masa, en el caso del VE a masa, los dos extremos de la pantalla del cableado, haciendo el efecto de un condensador con dicha malla, que absorbe y deriva las perturbaciones acopladas por la inducción electromagnética a la masa o chasis del VE. Esta técnica es extensamente utilizada en los sistemas eléctricos, electrónicos y de comunicaciones, tanto móviles como estacionarios, aunque dicha medida supone un coste importante en un VE. Cabe puntualizar que en el caso de sistemas eléctricos estacionarios, como pueden ser los cargadores de VE, la derivación se efectúa en la toma de tierra

Otro método utilizado para la protección de los EMI es el blindaje de las ECU o etapas de potencia. Este blindaje se dispone para limitar la emisión de perturbaciones al medio y aumentar la susceptibilidad de dicha ECU blindada. En este caso, esta protección se logra mediante cajas metálicas donde se ubican las ECUs. Cabe reseñar que la efectividad del blindaje depende del material y juntas utilizadas, de la frecuencia de la fuente de emisión, y de la geometría del espacio donde se ubique la fuente y el receptor o receptores. En el caso de disponer de una fuente de emisión de interferencias cercana a un receptor, la transmisión de las perturbaciones, vendrán por conducción de la propia fuente al receptor, normalmente por cables o incluso por las pistas de las placas electrónicas, pero si la fuente y el receptor están a una larga distancia, las interferencias dependen del medio de propagación, el aire. En lo que respecta al propio proceso de blindaje, al incidir una onda electromagnética en una superficie blindada, esta onda electromagnética es, por una parte, parcialmente reflejada y por otra atenuada. En lo que respecta a la reflexión, esta se debe a la imposibilidad de la onda en su totalidad a atravesar el grosor de la caja metálica. En lo que respecta a la atenuación, esta se debe a la circunstancia de entrarse la onda a un con diferente impedancia. El material seleccionado para el blindaje de las unidades de control depende de la frecuencia de conmutación del sistema que genere la fuente a proteger, como se ha comentado, en el caso del VE, el inversor. Los materiales que se deben incluir en dichas cajas metálicas para su blindaje son el acero, aluminio o incluso cobre. Además, es necesario considerar las posibles aperturas de dichas cajas metálicas para la entrada/salida de cables etc., pudiendo ser esto un factor determinante para la fuga de emisiones de perturbaciones.

Para poder reducir las interferencias generadas por parte del inversor en el conjunto de los sistemas del VE que se pueden ver más afectados, es necesario introducir ciertas medidas. Entre ellas, se destaca, la reducción del cable que se utiliza como masa común, puesto que su función es la de cerrar todas las partes de los circuitos para ser alimentados, esto supone una elevada longitud de dicho cableado que acaba realizando las funciones de “antena” de recepción de interferencias al recorrer todo el vehículo. Para reducir las interferencias se debe repartir los puntos de conexión de las tomas de tierra, en este caso, de conexión a masa. La segunda de las posibles soluciones recae en la posibilidad de realizar el diseño de los cableados del vehículo dejando dichos cables lo más separados posibles, es decir, no utilizar mazos de cables, donde se apilen un gran número de cables que dan lugar a interferencias de unos cables con otros, aunque esto es fácil en la teoría. La tercera de las soluciones se basa en realizar los cruces de cableados a 90, minimizando los recorridos en que los cables se disponen en paralelo unos con otros, puesto que dicha disposición en paralelo, incrementa las interferencias por conducción. En caso, que no haya ninguna posibilidad de evitar los tramos en que los cables deban circular en paralelo, dichos cableados se apantallaran conectando los extremos de las mallas a la masa del vehículo, y además se intentaran que dichos cableados vayan trenzados.

Figura 7_Superior: Muestra de cable con malla de cobre en la parte exterior, y el filamento conductor de cobre en la parte interna separada entre ellos por un material aislante y una pequeña capa fina de papel de cobre. Este tipo de cableado se utiliza para apantallar los cables, conectando la malla en los dos puntos del cableado a la masa del VE, en este caso al chasis. Inferior: Ilustración de un mazo de cables trenzados utilizados para reducir el impacto de las interferencias inducidas. Además, se puede observar un toroide de ferrita, construido con material férrico y cerámica, donde se hace circular al conjunto del cableado para retener las interferencias electromagnéticas y no conducirlas a los cableados, es decir, actúa como filtro de retención de interferencias.

Como contrapartida a los efectos de las interferencias electromagnéticas, puesto que ya es una realidad en los vehículos en general, es la disposición de fibra óptica para los sistemas de infotainment, para el protocolo de comunicación denominado MOST Bus. Cabe indicar que los sistemas de comunicación en el VE, se realizan por los propios cables por donde circulan las corrientes. Es decir, no existen cables propiamente para los sistemas de comunicación, puesto que esto daría lugar a incrementos de coste, y a un elevado número de cableados en el VE que haría impracticables su diseño. Este principio de comunicación, denominado PLC (en inglés: Power Line Communication), es un sistema de comunicación que envía las tramas de datos por los propios cables del sistema eléctrico del propio VE. Este sistema ya es utilizado en los sistemas eléctricos de potencia en baja tensión, puesto que todos los contadores eléctricos digitales ya usan este sistema en corrientes alterna, conduciendo los datos de las lecturas del contador por medio de los propios cables eléctricos. Pues bien, para poder lograr sistemas de comunicaciones sin interferencias y a velocidades realmente apropiadas para poder disponer del gran flujo de información requerida por los sistemas de infoentretenimiento, los VE disponen de sistemas de comunicación por fibra óptica. Este sistema está basado en la emisión de luz, por tanto, no sufre ninguna influencia de las interferencias de tipo electromagnético. En consecuencia, es la mejor opción para poder disponer de un gran número de datos, los que requieren dichos sistemas, sin ningún tipo de perturbación, aunque cabe considerar si el sistema necesita repetidores de la señal óptica, en este caso, pueden estar expuestos a dichas perturbaciones.

Por último, en lo que respecta a los cables de Alta Tensión (AT) del VE, no es necesario realizar grandes cambios en lo que respecta a las interferencias electromagnéticas que puedan inducir, puesto que los cables que transportan corrientes en corriente continua, en el caso del VE, no generan corrientes inducidas al no generar flujos magnéticos variables.

En esta indicación, cabe puntualizar a los cables que conectan el inversor con el motor eléctrico, puesto que en este tramo ya son cables que transportan señales no continuas, sino de tipos pulsante, y por consiguiente, estás señales de tipo pulsante, pueden generar inducción electromagnética. Mencionar, que las distancias entre el inversor o inversores y el motor o motores, se deben reducir al máximo para evitar propagar las posibles interferencias generadas en este tramo de cables específico.

Figura 8_Imagen que muestra el conjunto del power train en un eje de tracción de un autobús eléctrico, donde se puede apreciar la distancia del inversor en la parte superior y el motor en la parte derecha, unidos estos por los tres cables del sistema trifásico y situado en el mismo eje de tracción. Igualmente, se puede apreciar la caja de blindaje del inversor, y como además en este caso el inversor se blinda con una caja exclusiva y aparte del motor, al estar dicho conjunto inversor y motor generalmente situado en la parte trasera del autobús, y por tanto, alejado de zonas donde pueden disponerse ECUs, a las que pueda afectar la radiación de interferencias emitidas por dicho inversor y motor en su conjunto.

Añadir a lo comentado anteriormente, que existen fabricantes que integran el inversor y motor en una caja blindada, generalmente en VE de tipo turismo. En cambio, en VE de tipo industrial, como puede ser un bus eléctrico, generalmente las ECUs se ubican en las cercanías de la cabina, quedando alejados de los inversores y motores que suelen estar en la parte trasera, por tanto, en estos casos, tanto inversor como motor no se insertan en cajas metálicas.

Otra solución implementada para la reducción de las interferencias electromagnéticas hace mención a los sistemas de filtrado. Los filtros son circuitos, generalmente formados por bobinas, condensadores y resistencias en asociaciones mixtas; serie y paralelo, que permiten el paso de ciertas frecuencias, y bloquean el paso de otras. Generalmente se disponen de filtros pasa altos y pasa bajos, es decir, filtros diseñados para permitir el paso de altas o bajas frecuencias. Dichos filtros son más eficaces instalarlos en las propias fuentes de generación de perturbaciones. Como ejemplo claro es el propio inversor, el cual presenta un filtro justo en la entrada del sistema de conmutación y amplificación. Esta disposición obedece a una reducción de las corrientes en modo común que se inyectan desde el motor a través del chasis y son amplificadas por los semiconductores de potencia.

Otro método de filtrado para reducir la incidencia de las interferencias, son las denominadas ferritas. Estas ferritas se instalan en el interior de los cableados, suelen ser de tipo cilíndrico y actúan de filtros pasa bajos, aunque dicha efectividad como filtro pasa bajos, depende de la longitud de la ferrita.

Como última indicación, indicar que las EMI representan un punto crítico en el diseño de un VE, y que para poder homologar un vehículo, debe pasar un número importante de pruebas, tanto en campo, como en cámaras semianecoicas para evaluar las emisiones de interferencias electromagnéticas generadas como la susceptibilidad del VE a dichas interferencias de otras fuentes propias y ajenas al VE. Más aún, ante la tendencia de los sistemas de conducción autónoma, los denominados Sistemas Avanzados de Asistencia a la Conducción (en inglés ADAS: Advanced Driver Assistance System), que están en pleno desarrollo, los cuales procesan un elevado número de datos críticos para la seguridad de todos los usuarios de la vía pública.

Figura 9_Imagen que muestra el conjunto del powertrain de un VE, en el cual se puede observar como el inversor y el motor se ubican en la misma caja metálica de blindaje para EMC.

Referencias

JSR – Consulting ofrece formación en movilidad eléctrica, en lo respectivo al power train; battery pack, inversor y motor eléctrico, además de los sistemas de carga de VE