Elektromagnetická kompatibilita v automobilové technice

Rok / Year: 2012

Svazek / Volume: 14

Číslo / Issue: 3

Elektromagnetická kompatibilita v automobilové technice EMC in automotive technology Jiří Dřínovský, Jiří Svačina, Václav Růľek, Jiří Zachar [email protected], fxzacha00, [email protected] Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně.

Abstrakt: Článek přehledově seznamuje s některými pojmy, problémy a postupy ve velmi aktuální oblasti aplikací zásad elektromagnetické kompatibility (EMC) v automobilové technice. Je vysvětlena odlišnost zásad automobilové EMC od obecných principů a postupů zajišťování EMC "běžných"elektrotechnických produktů, o nichž jsme v tomto časopise zevrubně pojednali v sérii článků.

Abstract: The article introduces some concepts, issues and practices in the field principles of electromagnetic compatibility (EMC) in automotive technology. It is explained by differences in principles of automotive EMC from the general principles and procedures ensuring EMC "normal"electrical products, which we in this issue thoroughly discussed.

2012/40 – 22. 6. 2012

Elektromagnetická kompatibilita v automobilové technice Jiří Dřínovský, Jiří Svačina, Václav Růžek, Jiří Zachar Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Email: [email protected], {xzacha00, xruzek00}@stud.feec.vutbr.cz

Abstrakt – Článek přehledově seznamuje s některými pojmy, problémy a postupy ve velmi aktuální oblasti aplikací zásad elektromagnetické kompatibility (EMC) v automobilové technice. V článku je vysvětlena odlišnost zásad automobilové EMC od obecných principů a postupů zajišťování EMC “běžných” elektrotechnických produktů [1].

1

Úvod

V poslední čtvrtině 20. století nastává v Evropě, v USA, ale i v dalších částech světa obrovský nárůst počtu elektrických a elektronických komponent, subsystémů a bloků instalovaných v každém automobilu, vlaku, lodi a jiných dopravních prostředcích. Jde přitom nejen o elektrotechniku a elektroniku ve vlastním pohonném, ovládacím a řídicím systému dopravního prostředku, ale též o elektronické komunikační, navigační, informační, bezpečnostní a zábavní prostředky vestavěné např. v automobilu. V roce 2010 bylo odhadováno, že cena tohoto elektronického vybavení středního automobilu tvoří více než 30 % celkové ceny vozidla [2]. Elektrické a elektronické komponenty v dnešním moderním automobilu pracují v kmitočtovém rozsahu od nuly (ss. proudy a napětí) do několika desítek GHz s výkonovými úrovněmi od jednotek mW do několika desítek W. Délka elektrické kabeláže dnešního průměrného automobilu činí více než 2 500 m s váhou větší než 40 kg. Počet elektrických kontaktů dosahuje několika tisíc a celková délka kontaktních spojů činí více než 2,5 m. Díky instalovaným anténám je vozidlo podrobeno vlivu mnoha vnějších elektromagnetických signálů (včetně nežádoucích). Za této situace je pravděpodobnost vzájemného i vnějšího elektromagnetického ovlivňování těchto subsystémů velmi vysoká a do popředí tak vystupuje nutnost zajistit dostatečnou úroveň jejich elektromagnetické kompatibility i EMC vozidla jako celku. Tato potřeba je o to naléhavější, že narušení správné funkce elektrických či elektronických komponent automobilu může vést k jeho havárii, a tím k ohrožení lidských životů. Bezpečnost provozu vozidla (i z hlediska EMC) musí být přitom zajištěna ve všech lokalitách a situacích, do nichž se vozidlo při svém pohybu může dostat. Důležitosti této oblasti bezpečného provozu automobilové techniky proto musí odpovídat jak legislativní, tak i technické kroky k jejímu zajištění.

2

Normy a testy EMC pro automobilový průmysl

První evropská směrnice 70/156/EEC týkající se motorových vozidel a jejich přívěsů vznikla již v roce 1970, nezahrnovala však ještě problematiku EMC. V roce 1972 vzniká první evropská směrnice pro potlačování elektromagnetického rušení od zážehových motorů ve vozidlech 72/245/EEC a v roce 1995 nová evropská směrnice 95/54/EC pokrývající problematiku EMC pro většinu elektrického vozidlového příslušenství a samozřejmě vozidel jako celku. Tato směrnice tak poprvé začlenila problematiku automobilové EMC do legislativy Evropské unie (EU) a dalších evropských (nečlenských) zemí. V roce 2004 byla přijata nejnovější evropská směrnice 2004/104/EC pro EMC vozidel a jejich elektrotechnického/elektronického vybavení. Směrnice byla v dalších letech několikrát doplněna a rozšířena (2005/49/EC, 2005/83/EC) až do své nynější podoby 2006/28/EC [3]. Od 1. 7. 2006 tak nelze pro testy nových “automobilových výrobků” používat starou směrnici 95/54/EC a od 1. 1. 2009 musí Směrnici 2006/28/EC splňovat všechny (tedy i staré, dříve vyrobené) ”automobilové výrobky”. Při posuzování elektromagnetické kompatibility vozidla musíme vždy uvážit jak EMC vozidla jako celku včetně nutných pevně zabudovaných elektrických pohonných, ovládacích, příp. řídicích komponent, tak i EMC komponent a subsystémů určených pro volitelné zabudování do vozidla. Pro první kategorii se v odborné literatuře vžila zkratka WV (Whole Vehicle), pro druhou kategorii ESA (Electronic Sub-Assembly). Různé druhy mezinárodních technických norem se pak týkají buď pouze jedné z těchto oblastí, nebo obou. Všechny dnes realizované testy EMC jak celých vozidel, tak elektronických komponent a subsystémů určených pro použití ve vozidlech (ESA) lze rozdělit do následujících skupin1 : • testy rušivého vyzařování (radiated emissions), • testy rušivých signálů na vedení (conducted emissions), • testy odolnosti vůči elektromagnetickým polím (radiated immunity), • testy odolnosti vůči rušivým signálům na vedení – vůči elektrickým transientům (conducted immunity), 1 V dalších částech článku bude užíváno jak české, tak i kratší anglické označování testů EMC.

40 – 1

VOL.14, NO.3, JUN 2012

2012/40 – 22. 6. 2012

• testy odolnosti vůči elektrostatickým výbojům ESD (ESD immunity). Tyto testy se v různých světových regionech uskutečňují podle různých norem a standardů. Dle tab. 1 je základní evropskou normou pro testování EMC vozidel Směrnice 2006/28/EC, resp. její výchozí podoba 2004/104/EC. Tato Směrnice se v oblasti testů rušivého vyzařování (radiated emissions) velmi úzce odvolává na normy Mezinárodní elektrotechnické komise (IEC) CISPR 25 [4] a CISPR 12 [5] a v oblastech testování elektromagnetické odolnosti (conducted a radiated immunity) na normy Mezinárodní organizace pro normalizaci ISO 7637 [6], ISO 11451 [7] a ISO 11452 [8]. Tab. 1: Normy pro testování EMC vozidel a jejich komponent užívané v Evropě testy emissions

immunity

conducted

použití pro

2006/28/EC

ESA/WV

2006/28/EC

ESA/WV

ISO 7637

ESA

ESD

radiated 2006/28/EC CISPR 12 CISPR 25 2006/28/EC ISO 11451 ISO 11452

ISO 10605

použití pro

společnost BMW používá své normy EMC řady GS, společnost Daimler-Chrysler své normy řady DC, společnost Volkswagen (včetně svých dceřiných poboček) své normy řady TL, společnost Ford své normy řady ARL a podobně další výrobci a společnosti. Poznamenejme, že tyto normy jsou použitelné jak pro testy celých vozidel (WV), tak i jejich komponent (ESA). Většina těchto “firemních” norem však podléhá obchodnímu tajemství a nejsou veřejně přístupné (a to často ani vlastním subdodavatelům). Současně již na tomto místě poznamenejme, že většina požadavků a mezí EMC předepsaných těmito normami výrobců je přísnější, než odpovídající meze stanovené v oficiálních normách EU, SAE, IEC či ISO (viz dále).

3

Základní odlišnosti certifikace EMC pro automobilové a “běžné” elektrické produkty

V postupech certifikace “běžných” elektrotechnických či elektronických produktů a produktů automobilového průmyslu (vozidel) existují významné legislativní, deklarační a technické rozdíly. Při jejich výkladu se v dalším zaměříme jen na evropskou legislativu a evropské automobilové normy EMC. Hlavní rozdíly certifikace a způsobu jejího dosažení jsou následující:

ESA/WV ESA/WV WV ESA ESA/WV

V USA a v celém regionu Severní Ameriky je uznávanou autoritou v oblasti testů a norem pro automobilový průmysl americká společnost SAE (Society of Automotive Engineers). Hlavní automobilové normy EMC užívané v tomto regionu jsou shrnuty v tab. 2. Uvedené normy SAE nejsou sice závazné, jsou však dobře ověřeny dlouholetou praxí, běžně se užívají a jsou oficiálně využívány všemi velkými výrobci automobilů v USA, včetně např. společností Ford, Chrysler a (donedávna) General Motors. Kromě těchto norem jsou však na severoamerickém trhu plně uznávány též mezinárodní normy s globální celosvětovou platností (CISPR 12, CISPR 25, ISO 7637, ISO 11451, ISO 11452 a ISO 10605), neboť jsou obsahově ekvivalentní odpovídajícím normám SAE.

• Výrobce, dovozce či prodejce běžného elektrotechnického či elektronického produktu musí prokázat jeho shodu se Směrnicí 2004/108/EC, tedy se základní evropskou směrnicí EMC [1]. Výrobce, dovozce či prodejce vozidel či jeho komponent (ESA) musí prokázat jeho shodu s evropskou “automobilovou” směrnicí 2006/28/EC.

Tab. 2: Normy pro testování EMC vozidel a jejich komponent užívané v USA

• Obvyklým postupem certifikace “běžného” produktu dle Směrnice 2004/108/EC je vlastní posouzení jeho výrobcem (tzv. interní řízení výroby), příp. dovozcem. Alternativně lze zvolit certifikaci tzv. cestou technické dokumentace a požádat kompetentní orgán o posouzení shody (tj. o certifikaci) “běžného” produktu [1].

testy emissions

immunity ESD

conducted SAE J1113-41 SAE J1113-42 SAE J551-1 SAE J1113-11 SAE J1113-12 SAE J551-13

použití pro

radiated

použití pro

ESA

SAE J1113-41

ESA

WV

SAE J551-2,4 SAE J1113 ISO 11452 SAE J551-12

WV

ESA WV SAE J1113-13 SAE J551-15

ESA WV ESA WV

Kromě uvedených evropských, amerických a globálních světových automobilových standardů EMC si své vlastní normy vytváří prakticky každý větší výrobce. Existují tak normy EMC výrobců vozidel (VM – Vehicle Manufacturers) a rovněž normy EMC výrobců subsystémů vozidel (OEM – Original Equipment Manufacturers). Tak např. 40 – 2

• Zatímco výrobce či dovozce “běžného” elektrotechnického produktu si musí sám zvolit potřebná kritéria, testy a příslušné harmonizované evropské normy EMC pro daný produkt a zvolit postup dosažení jeho certifikace, jsou všechny přípustné meze a předepsané testovací metody pro testy EMC vozidel závazně určeny ve Směrnici 2006/28/EC.

• Výrobce vozidel či ESA musí vždy poskytnout výsledky vlastních testů EMC (pokud existují) tzv. schvalovacímu orgánu, jehož technická služba zkoušky zkontroluje, příp. znovu provede. Je-li zkušebna výrobce či dovozce autorizována dle ISO 17025, může technická služba ověřovací testy zjednodušit. V České republice je schvalovacím orgánem Ministerstvo dopravy ČR, jeho technickými službami jsou Elektrotechnický zkušební ústav (EZÚ) Praha a TÜV SÜD Auto CZ s.r.o. Praha (pro EMC automobilů). VOL.14, NO.3, JUN 2012

2012/40 – 22. 6. 2012

• Po úspěšné certifikaci “běžného” produktu jej výrobce (dovozce) opatří značkou CE, jakožto dokladem o jeho shodě se Směrnicí 2004/108/EC [1]. V případě vozidla či jeho komponent (ESA) musí výrobce (dovozce) po schválení schvalovacím orgánem opatřit vozidlo či ESA tzv. e - značkou, jakožto dokladem Evropské unie pro tzv. schválení typu. 3.1

Značka EU pro schválení typu (e - značka)

Touto značkou, jejíž základní grafická podoba je naznačena na obr. 1, musí být vybavena všechna vozidla jako celek a všechny ESA určené pro provoz ve vozidlech určených pro trhy Evropské unie.

norem CISPR 12, CISPR 25, ISO 7637, ISO 11451, ISO 11452, příp. ISO 10605. Tyto normy se přitom v mnoha oblastech významně odchylují od běžně užívaných norem pro “jiné” elektrické či elektronické produkty, např. EN 55022, EN 55024 či EN 61000 [1]. 3.2.1

Tyto testy se významným způsobem liší od “běžných” testů EMC např. informační techniky dle EN 55022, příp. CISPR 22. Základní odchylky vůči “automobilové” Směrnici 2006/28/EC jsou specifikovány v tab. 3. Tab. 3: Základní technické odchylky běžných testů rušivého vyzařování (dle EN 55022) od testů dle 2006/28/EC testy dle EN 55022 (CISPR 22) Měřicí anténa je 10 m od testovaného objektu (příp. 3 m a výsledky se přepočtou), výška se mění od 1 m do 4 m. Testovaný objekt je umístěn na dřevěném otáčivém stole 80 cm nad zemní referenční rovinou.

Obr. 1: Značka schválení typu (e - značka) Číslo za malým písmenem e v pravoúhlém čtyřúhelníku značí kódové označení země EU, která vystavila dané schválení typu (pro ČR = 8). V těsné blízkosti čtyřúhelníka je umístěno šestimístné číslo: první dvě číslice vyjadřují pořadové číslo přidělené poslední významnější technické novelizaci výchozí směrnice 72/245/EEC (např. 02 pro 95/54/EC, 03 pro 2004/104/EC, příp. též 2006/28/EC). Za jednomístnou mezerou následuje tzv. základní registrační číslo schváleného produktu (vozidla či ESA) přidělené příslušným schvalovacím orgánem. Značka schválení typu (e - značka) musí být připevněna k hlavní části ESA (např. elektronické řídicí jednotce) takovým způsobem, aby byla zřetelně čitelná a nesmazatelná. Značka schválení na ESA nemusí být viditelná jen tehdy, pokud je ESA již instalováno ve vozidle. Pro elektrické či elektronické systémy pevně zabudované ve vozidlech s uděleným schválením typu podle směrnice 2004/104/EC (2006/28/EC) není požadována žádná značka. Žádná značka není požadována ani pro náhradní díly, pokud jsou řádně označeny jako náhradní díl identifikačním číslem a pokud jsou identické a od stejného výrobce jako je výrobce příslušného originálu pro vozidlo již typově schválené. Zdůrazněme ještě jednou, že základním rozdílem mezi e – značkou schválení typu a značkou CE (Certified European) pro “běžné” elektrotechnické produkty je postup jejího získání (postup certifikace) popsaný výše. 3.2

Testy rušivého vyzařování (radiated emmisions)

Některé technické zvláštnosti testů EMC vozidel a ESA podle směrnice 2006/28/EC

Jak jsme již uvedli, většina testů EMC jak celých vozidel, tak elektrických komponent a subsystémů určených pro použití ve vozidlech (ESA) je odvozena od celosvětových

Testované objekty jsou členěny do dvou tříd A, B dle prostředí použití s různými mezemi rušení [1]. Existují jediné (stejné) meze rušení pro širokopásmové i úzkopásmové měření. Používá se pouze kvazi-špičková (QP) detekce.

testy dle 2006/28/EC (vozidla a ESA) Pro celá vozidla zůstává, pro ESA je anténa ve vzdálenosti 1 m od objektu (ESA). Výška antény je konstantní. ESA je umístěno 5 cm nad pevným stolem s vodivým povrchem, 1 m nad zemní referenční rovinou. Není zavedeno žádné třídění testovaných objektů (vozidel ani ESA) dle prostředí použití. Jsou zavedeny dva druhy měření (širokopásmové a úzkopásmové) s odlišnými mezemi rušení. Používá se QP detekce pro širokopásmové rušení a detekce střední hodnoty (AV) pro úzkopásmové rušení.

Směrnice 2006/28/EC v oblasti testů rušivého vyzařování je založena na normě CISPR 12 pro vyzařování celých vozidel (WV) v pásmu 30 MHz až 1 GHz a na normě CISPR 25 pro vyzařování komponent ESA v pásmu 150 kHz až 960 MHz. Pro WV a ESA platí přitom v těchto normách různé meze povoleného vyzařování navíc pro dva typy rušení – širokopásmové a úzkopásmové. Typickým zdrojem širokopásmového rušení ve vozidle je zážehový systém motoru, úzkopásmové rušení vzniká např. v mikroprocesorových řídicích systémech vozidla. Jak plyne z obr. 2, jsou meze vyzařování pro úzkopásmová měření stanoveny 10 dB pod mezemi pro širokopásmová měření. Již jsme uvedli, že řada velkých výrobců vozidel vytváří své vlastní firemní standardy pro testy EMC svých produktů, jak celých vozidel, tak i ESA. Požadavky a mezní hodnoty těchto norem se v mnoha případech značně odlišují od požadavků Směrnice 2006/28/EC, příp. norem CISPR 12 a CISPR 25. To je názorně dokumentováno mezními úrovněmi několika výrobců vozidel na obr. 3. Je především zřejmé, že prakticky všichni výrobci automobilů, příp. výrobci ESA rozšiřují kmitočtové pásmo měření až do 2 GHz (pro pokrytí pásem GSM 1,8 a 1,9 GHz), příp. do 2,5 GHz či 5 GHz (pro zahrnutí technologií Bluetooth). Současně je vidět, že mezi jednotlivými normami výrobců automobilů existují velmi značné rozdíly ve stanovených mezích vyzařování. Některé rozdíly lze vysvětlit růz-

40 – 3

VOL.14, NO.3, JUN 2012

2012/40 – 22. 6. 2012

až 200 MHz). Meze rušivých signálů na vedení jsou zobrazeny v obr. 5.

Obr. 2: Meze širokopásmového a úzkopásmového rušivého vyzařování ESA dle 2006/28/EC

nými předepsanými šířkami kmitočtového pásma měření, všechny však ne. Z obr. 3 např. vidíme, že emisní meze v normách společnosti BMW se významně liší od všech ostatních výrobců a evidentně nejsou založeny na metodice CISPR 25. Normy některých jiných výrobců (např. PSA – Peugeot – Citroen) naopak prakticky zcela přebírají požadavky a meze normy CISPR 25.

Obr. 3: Meze rušivého vyzařování vozidel užívané různými výrobci (VM a OEM)

3.2.2

Testy rušivých signálů na vedení (conducted emmisions)

Tyto testy mají zajistit, aby působením ESA nevznikaly nežádoucí interference s jinými elektrickými či elektronickými celky uvnitř vozidla, např. přes jeho kabeláž. Výchozí normou je zde opět CISPR 25 popisující testy a emisní meze jak pro napájecí, tak pro signálová vedení vozidel. Norma pro tyto testy specifikuje dvě metody měření: měření pomocí umělé sítě LISN (50 Ω/5 µH) [1] na napájecích vedeních (obr. 4a) a měření pomocí proudové sondy [1] na signálových a řídicích vedeních (obr. 4b). Stejně jako při měření rušivého vyzařování (část 3.2.1) zde existují různé meze pro úzko-pásmové rušení (kvazi-špičková detekce) a širokopásmové rušení (špičková detekce). Měří se v kmitočtovém rozsahu 150 kHz až 108 MHz (obvykle však

Obr. 4: Měření rušivých signálů na vedení dle CISPR 25: a) zapojení umělé sítě LISN; b) měření s proudovou sondou

Obr. 5: Meze rušivých signálů na vedení vozidel dle CISPR 25 Kromě normy CISPR 25 používá Směrnice 2006/28/EC ještě “odolnostní” normu ISO 7637 jako standard pro meze rušivých signálů na přívodních vedeních a dalších spojích ESA připojených k napájecí kabeláži vozidla. Rušivé napěťové impulzy (tzv. transienty s dobou trvání od ns do ms) se měří na spojích ESA dle metodiky ISO 7637-2 pomocí osciloskopu, mezní hodnoty rušení (velikosti impulzů) se nevyjadřují v [dBµV], ale absolutně ve [V]. Přípustné velikosti těchto impulzů pro 12 V a 24 V napájecí systém automobilu shrnuje tab. 4. Tab. 4: Maximální přípustná velikost rušivých impulzů na napájecí kabeláži vozidla dle ISO 7637-2

40 – 4

Polarita rušivého napětí (rušivých impulzů) kladná záporná

Maximální přípustná velikost rušivých impulzů 12 V napájecí 24 V napájecí systém systém + 75 V + 150 V - 100 V - 450 V

VOL.14, NO.3, JUN 2012

2012/40 – 22. 6. 2012

3.3

Testy elektromagnetické odolnosti vozidel a ESA

Testy odolnosti celých vozidel a elektrických komponent a subsystémů určených pro použití ve vozidlech (ESA) patří dnes k vůbec nejdůležitějším testům EMC v automobilovém průmyslu. Neustále narůstající počet zejména vnějších zdrojů elektromagnetického rušení vyžaduje zvyšovat a testy garantovat dostatečnou elektromagnetickou odolnost automobilu i jeho komponent, a tím zajistit bezpečnost jeho provozu za (téměř) všech vnějších elektromagnetických podmínek. Testy odolnosti vozidel a ESA vycházejí z příslušných norem ISO, z nichž se však v automobilovém průmyslu užívají jen některá funkční kritéria odolnosti a třídy odolnosti podle tzv. aplikační skupiny zařízení: • Aplikační skupina I zahrnuje ty komponenty a části vozidla, které z hlediska jeho bezpečnosti musí vykazovat správnou činnost při “jakémkoli” druhu a úrovni elektromagnetického rušení. Patří sem např. řídicí pohonná jednotka, systém ABS, imobilizér, chladicí systém vozidla, vnější osvětlení, centrální zavírání, ovládání stěračů apod. • Aplikační skupina II bývá často označována jako “komfort a pohodlí”. Zahrnuje zařízení, jejichž případná chybná činnost nenaruší základní bezpečný chod vozidla. Patří sem např. zábavní elektronika zabudovaná v automobilu, klimatizace, topení, navigace, telefon, vnitřní osvětlení, iluminace přístrojů apod. Z obvyklých pěti tříd (kategorií) odolnosti A až E specifikovaných v normách ISO (např. ISO 10605 a jiných) pro “běžné” elektrotechnické produkty se v oblasti automobilové EMC užívají jen dvě – třída A a třída C (příp. D), a to právě dle aplikační skupiny daného zařízení ve vozidle. Všechna zařízení a systémy vozidel z aplikační skupiny I musí splňovat nejvyšší třídu odolnosti A, kdy všechny jejich funkce jsou vykonávány správně dle specifikace jak během, tak i po ukončení působení rušivého signálu. Jinými slovy – na správný chod zařízení či systému aplikační skupiny I nesmí mít elektromagnetické rušení žádný vliv. Zařízení z aplikační skupiny II mohou vykazovat nižší úroveň odolnosti dle třídy C, příp. D. Zde jedna nebo více funkcí zařízení či systému během působení rušivého signálu není plněna vůbec či správně dle specifikace, po skončení rušení se však všechny funkce zařízení automaticky (třída odolnosti C), příp. jednoduchým zásahem uživatele (třída odolnosti D) obnoví v původním rozsahu a kvalitě. Jinými slovy – chod zařízení aplikační skupiny II může být během působení elektromagnetického rušení narušen, po odeznění se jeho plná funkčnost obnoví automaticky či jednoduchým zásahem obsluhy. 3.3.1

Testy odolnosti vůči elektromagnetickým polím (radiated immunity)

Požadavky na tento typ odolnosti jsou jak u celých vozidel (WV), tak i u ESA mnohem vyšší než u běžných elektrických (elektronických) produktů, např. u produktů IT.

Základními normami jsou zde ISO 11451 pro testy celých vozidel a ISO 11452 pro testy ESA, z nichž vychází i Směrnice 2006/28/EC. Hlavní odchylky proti běžným normám (např. EN 55024) jsou tyto: • Zvýšení horního kmitočtu měření z 1 GHz na 2 GHz (celkové měřicí pásmo 20 MHz až 2 GHz). Většina výrobců automobilů však používá ještě širší kmitočtový rozsah testů odolnosti, např. až k 10 GHz (obr. 6). • Testovací úroveň pro testy celých vozidel 30 V/m v 90 % kmitočtového pásma (minimální úroveň 25 V/m). Pro testy ESA však norma ISO 11452 a rovněž většina výrobců automobilů užívá mnohem vyšší testovací úrovně 200 V/m a vyšší dle použité metody testů (obr. 6 a tab. 5). • Pro testy vozidel i ESA se používá dvojí modulace zkušebního harmonického signálu: amplitudová (AM) s modulací 1 kHz a hloubkou modulace 80 % v rozsahu kmitočtu 20 – 800 MHz a pulzní šířková modulace (PWM) s šířkou pulzu 577 µs a periodou 4,6 ms v kmitočtovém rozsahu 800 MHz – 2 GHz. • Pro testování celých vozidel se používá jen vertikální polarizace testovacího pole, pro testování ESA obě polarizace.

Obr. 6: Úrovně testovacích elektromagnetických polí pro testy ESA užívané některými výrobci automobilů Pro testování odolnosti ESA vůči elektromagnetickým polím (radiated immunity) upřednostňuje ISO 11452 dvě základní metody: metodu proudové injektáže (BCI - Bulk Current Injection) pomocí kapacitní kleštiny, kapacitního vazebního obvodu či proudového transformátoru v pásmu 1 až 400 MHz a metodu “přímého” ozařování v bezodrazové hale (ALSE – Absorber-Lined Shielded Enclosure), příp. na volném měřicím prostranství (OATS – Open Area Test Site) v pásmu 20 MHz až 2 GHz, příp. výše. Požadované meze odolnosti dle ISO 11452 při těchto testovacích metodách jsou uvedeny v tab. 5. Kromě uvedených dvou metod (BCI a ALSE) připouští však ISO 11452 pro testy ESA též další metody: testy v páskových vedeních (parallel plate antennas, striplines) a testy v komorách TEM, příp. GTEM [1]. Pro testy celých vozidel navíc doporučuje norma ISO 11451 tzv. metodu TLS (Transmission Line System) s vertikální polarizací testovacího elektrického pole (obr. 7) [7].

40 – 5

VOL.14, NO.3, JUN 2012

2012/40 – 22. 6. 2012

Tab. 5: Meze odolnosti zařízení aplikačních skupin I a II vůči elektromagnetickým polím dle ISO 11452 rozsah kmitočtů [MHz]

testovací metoda

1 - 400 2 - 2000

BCI ALSE

aplikační skupina I mez pro třídu odolnosti odolnosti

aplikační skupina II mez pro třídu odolnosti odolnosti

200 mA 200 V/m

100 mA 100 V/m

A A

C C

Obr. 7: Testování odolnosti automobilu vůči elektromagnetickému poli v systému TLS (fotografie společnosti ETSLindgren)

3.3.2

Testy odolnosti vůči elektrickým transientům (conducted immunity)

Základním úkolem těchto testů je zajistit, aby subsystémy a komponenty zabudované ve vozidle (ESA) byly schopné vykonávat správnou činnost uvnitř elektrického prostředí automobilu při jeho běžném provozu. Jde tedy zejména o odolnost vůči různým elektrickým impulzům, které vznikají při chodu motoru a vozidla jako celku. Testovací impulzy (elektrické transienty) dle normy ISO 7637 jsou proto odvozeny od průběhů reálně vznikajících v napájecí kabeláži vozidla (poruchy indukované z motoru, výpadky při spouštění motoru, při odpojení baterie a trvajícím běhu alternátoru, parazitní přenosy ve svazku kabelů apod.). Testy jsou přitom prováděny jak do vedení připojených k napájecímu systému vozidla, tak i do jeho signálových kabelů. Norma ISO 7637 definuje kvalitativně i kvantitativně celkem pět druhů zkušebních impulzů (některé z nich rozdělené do více skupin). Jejich časové průběhy jsou naznačené na obr. 8, testovací úrovně (tj. velikost impulzů) jsou uvedeny v tab. 6 pro (ve vozidlech obvykle uvažovanou) úroveň odolnosti 4 (prostředí s velmi vysokou úrovní předpokládaného rušení [1]). Závěrem poznamenejme, že na časovém průběhu a velikostech jednotlivých testovacích impulzů se norma ISO 7637 shoduje s většinou firemních norem předních výrobců vozidel a výrobců ESA, a to pouze s několika nepříliš zásadními odchylkami.

Obr. 8: Časové průběhy testovacích impulzů (elektrických transientů) dle ISO 7637

3.3.3

Testy odolnosti vůči elektrostatickým výbojům (ESD immunity)

Protože automobil (včetně v něm umístěných komponent a subsystémů ESA) je produkt, který je de facto izolován od (referenční) země, byly pro testy ESD vyvinuty jiné modely vybíjení elektrostatických nábojů než obvykle užívaný “lidský” model při běžných testech ESD “obyčejných” elektrických či elektronických produktů. Vybíjení zde totiž probíhá nikoli způsobem z nabitého kapacitoru (z člověka) do země, ale z nabitého kapacitoru (z člověka) do jiného kapacitoru, tj. do vozidla, příp. ESA. Místo obvyklé normy EN 61000-4-2 se proto v automobilovém průmyslu užívá odlišná norma ISO 10605. Tato norma specifikuje dva modely ESD, tj. dva typy zapojení simulátorů ESD [1] naznačených v obr. 9. Zapojení a) se užívá k simulaci vybití náboje z člověka sedícího uvnitř automobilu, zapojení b) simuluje výboj mezi vně stojícím člověkem při jeho přiblížení se vozidlu.

40 – 6

VOL.14, NO.3, JUN 2012

2012/40 – 22. 6. 2012

Tab. 6: Mezní velikosti testovacích impulzů dle ISO 7637; údaje platí pro zařízení aplikační skupiny I (třída odolnosti A) a II (třída odolnosti C) na napájecích a signálových vedeních (jen zkouška impulzy 3a, 3b) vozidla pro úroveň odolnosti 4 testovací impulzy č. 1 2a 2b 3a 3b 4 5

velikost impulzů [V] - 100 100 10 - 150 100 7 87

td

tr

2 ms 0,5 ms 0,2 – 2 ms 0,1 ns 0,1 ns není definován 40 - 400 ms

1 µs 1 µs 1 ± 0,5 ms 5 ns ± 1,5 ns 5 ns ± 1,5 ns není definován 10 ms

4

Závěr

Řešení elektromagnetické kompatibility v automobilové technice a v dopravních prostředcích obecně je velmi dynamicky se rozvíjející disciplina, a to jak z hlediska technických postupů při jejím zajišťování, testování a ověřování, tak i v oblasti příslušných legislativních norem. Úspěšné řešení EMC vozidel dnes přímo ovlivňuje mnoho dalších aspektů jejich výroby. Náš článek se pokusil přinést zájemci výchozí informace o těchto tématech.

Poděkování Článek vznikl za finanční podpory programu Komunikační systémy pro perspektivní kmitočtová pásma (KOSY) CZ.1.07/2.3.00/09.0092 a výzkumného záměru MSM 0021630513 “Elektronické komunikační systémy a technologie nových generací” MŠMT ČR v Praze.

Literatura Obr. 9: Modely elektrostatických simulátorů pro automobilové testy ESD dle ISO 10605; a) pro zkoušky uvnitř vozidla a pro ESA, b) pro zkoušky vně vozidla

[1] DŘÍNOVSKÝ, J., FRÝZA, T., SVAČINA, J., KEJÍK, Z. RŮŽEK, V., Růžek. Elektromagnetická kompatibilita (encyklopedie) [online]. 2010 [cit. 1. 1. 2011]. Dostupné na WWW: .

Testy komponent a subsystémů ESA se realizují přímým vybitím jak vzduchovým výbojem (zakulacený hrot simulátoru), tak kontaktním výbojem (ostrý vybíjecí hrot) [1]. Subsystémy ESA se obvykle podrobují testům ESD jak v laboratoři svého výrobce, tak ve zkušebně výrobce automobilů (VM) přímo ve vozidle, a to často při vyšších testovacích úrovních [9] (např. ± 8 kV v laboratoři ESD a ± 15 kV ve zkušebně VM). Při těchto testech musí být zkušební zařízení (simulátor ESD) vodivě spojeno (uzemněno) s kovovou karosérií vozidla. U subsystémů ESA, které nevyžadují samostatné napájení (a nejsou tedy spojeny s referenční zemí) je nutno zajistit vybití akumulovaného náboje (přes vybíjecí odpor 1 MΩ) mezi jednotlivými testovacími výboji. Výboje se realizují do všech míst uvnitř vozidla, které jsou přístupné obsluze (posádce) během provozu (a to i z venku otevřenými okny či dveřmi), tedy např. všech ovládacích prvků, přepínačů a tlačítek na ovládacím panelu vozidla, ovládacích prvků oken a dveří, pedálů, světel apod., u nákladních vozidel i do obdobných míst nákladového prostoru. Testy ESD celého vozidla (WV) se realizují jen vzduchovým výbojem (zakulacený zkušební hrot). Přitom je nutno zajistit vodivé spojení vozidla s referenční zemí. Zkušební úrovně vybíjecího napětí (zkušebních impulzů ESD) jsou u automobilových testů podstatně vyšší než u běžných “neautomobilových” testů. Nastavují se od 2 kV až do 25 kV v obou polaritách, přičemž vyšším napěťovým úrovním musí vyhovět zejména výbušné či hořlavé komponenty a systémy ve vozidle (airbagy, palivové systémy apod.). Minimální počet výbojů do každého místa zkoušky je pět výbojů pro každou polaritu s přestávkami alespoň 5 až 10 s mezi jednotlivými výboji.

[2] QUINNELL, R., A. Automotive EMC: A moving target, Test & Measurement World, 2004, 4/1. [3] Commission Directive 2006/28/EC. Official Journal of the European Union, Brussels, March 2006. Dostupný z WWW: . [4] CISPR 25: Limits and methods of measurement of radio disturbance characteristics for the protection of receivers used on board vehicles. IEC Standard, second edition 2002-2008. [5] CISPR 12: Vehicles, motorboats and spark-ignited engine-driven devices - Radio disturbance characteristics. IEC Standard, second edition 2007. [6] ISO 7637: Road vehicles - Electrical disturbances from conduction and coupling. ISO Standard, parts 0 to 3, 1990 - 2007. [7] ISO 11451: Road vehicles - Vehicle test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy. ISO Standard, parts 1 to 4, 2005 – 2007. [8] ISO 11452: Road vehicles - Component test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy. ISO Standard, parts 1 to 8, 1997 – 2007. [9] O’HARA, Martin. Electrostatic Discharge Testing for Automotive Applications, Conformity, 2007, 12 – 20.

40 – 7

VOL.14, NO.3, JUN 2012