Perspectivas de Ensaios de
Compatibilidade Eletromagnética para a
Industria Automotiva
Marcus Barthus
EMCert Consultoria
www.emcert.com.br
II Seminário de compatibilidade eletromagnética e Avaliação da conformidade
Pág.
1
Desafios do Ambiente para Automóveis
 Os
O Veículos
V í l Automotores
A t
t
devem:
d
 Ser SEGUROS em qualquer situação
 Operar em quase qualquer ambiente:
o Condições climáticas (Temperatura, Umidade, Salinidade, etc.),
Terrenos, etc;
o Ambiente Eletromagnético – não há restrições para a livre circulação
de automóveis nos mais variados ambientes eletromagnéticos:
• Estações de Rádio de qualquer tipo (AM, FM, Celular, etc.)
• Subestações de Energia Elétrica e Linhas de Alta Tensão
• Descargas
D
At
Atmosféricas
fé i
e El
Eletrostáticas
t táti
• Radares de Aeroportos
• Etc....
Etc
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2
Normas Automotivas - Emissão
 Emissão
E i ã d
de P
Perturbações
t b õ El
Eletromagnéticas
t
éti
divididas
di idid em d
dois
i titipos
 Intraveicular - proteção dos receptores de rádio embarcados:
] CISPR 25 – Radio disturbance characteristics for the protection of
receivers used on board vehicles, boats, and on devices – Limits
and methods of measurement
] Ensaios em veículos e em sub-assemblies
 Extraveicular - proteção dos receptores de rádio externos:
] CISPR 12 – Vehicles, boats, and internal combustion engine driven
d i
devices
– Radio
R di di
disturbance
b
characteristics
h
i i – Limits
Li i and
d methods
h d
of measurement for the protection of receivers except those
installed in the vehicle/boat/device itself or in adjacent
vehicles/boats/devices
II Seminário de compatibilidade eletromagnética e Avaliação da conformidade
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3
CISPR 25 – Aplicação
A CISPR 25 estabelece preferência para os
ensaios realizados em um veículo completo
o Os ensaios em componentes diminuem os problemas
no conjunto e são o mínimo necessário para
componentes comercializados independentemente
o Os limites e métodos de medição
ç p
para equipamentos
q p
servem como método de validação e aceitação
intermediária e, neste caso:
É necessário medir as emissões radiadas e
conduzidas (no veículo, apenas emissão radiada)
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4
CISPR 25 – Medição de Radiointerferência no Veículo
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Measuring instrument
ALSE
Bulkhead connector
Antenna (see 5.1.1)
EUT
Typical absorber material
Antenna coaxial cable
High-quality double-shielded
coaxial cable (50 Ω)
Housing of on-board radio
Impedance
p
matching
g unit
(when required)
Modified coaxial "T"
connector
AM broadcast band ground
g
isolation network (when
required)
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5
Kriwan Automotive
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Hyundai Automotive
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CISPR 25 – Medição de Radiointerferência
Componentes Embarcados
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
11
12.
13.
14.
15
15.
EUT (grounded locally if req. in TP)
Test harness
Load simulator (6.4.2.5)
Power supply (location optional)
Artificial
f
network (AN)
( )
Ground plane (bonded to shielded
enclosure)
Low relative permittivity support (εr
≤ 1,4)
1 4)
Rod Antenna with counterpoise
(600 mm by 600 mm typical)
Grounding connection (full width
b db
bond
between
t
counterpoise
t
i and
d
ground plane)
High quality double-shielded coaxial
cable (50 Ω)
B lkh d connector
Bulkhead
t
Measuring instrument
RF absorber material
Antenna matching unit
Sti l ti and
Stimulation
d monitoring
it i system
t
Sales Training 2011
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8
Metal Strip
for Grounding
1m
1m
CISPR 25 – Medição de Radiointerferência
Componentes Embarcados
Test Table
conductive
Sales Training 2011
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Imunidade Radiada
Ensaios em Veículos e em componentes
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Imunidade a perturbações radiadas
Normas automotivas mais relevantes
 Veículo
V í l
 ISO 11451- Road vehicles -- Vehicle test methods for electrical
disturbances from narrowband radiated electromagnetic
g
energy
gy
 Part 1: General principles and terminology
 Part 2: IEEE standard for calibration of electromagnetic field sensors
and probes, excluding antennas, from 9 kHz to 40 GHz
 Part 3: On-board transmitter simulation
 Part 4: Bulk current injection (BCI)
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Imunidade a perturbações radiadas
Normas automotivas mais relevantes
1) Fonte: INPE/LIT
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Imunidade a perturbações radiadas
Normas automotivas mais relevantes
 Componentes Embarcados
 ISO 11452 - Road vehicles -- Component test methods for electrical
disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy
 Part 1: General principles and terminology
 Part 2: IEEE standard for calibration of electromagnetic field sensors and
probes, excluding antennas, from 9 kHz to 40 GHz
 Part 3: Transverse electromagnetic mode (TEM) cell
 Part 4: Harness excitation methods
 Part 5: Stripline
 Part 7: Direct radio frequency (RF) power injection
 Part 8: Immunity to magnetic fields
 Part 10: Immunity to conducted disturbances in the extended audio
frequency range
 Part
P t 11:
11 R
Reverberation
b ti chamber
h b
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Imunidade a perturbações radiadas
normas automotivas mais relevantes
 A série ISO 11452 descreve diversos métodos que se complementam:
O
Os métodos selecionados devem cobrir toda a faixa
f
de frequências
f
desejadas
 Típico: 10 kHz à 3 / 6 / 18 GHz
 Os limites são similares:
 BCI @ 200 mA
EMS @ 100 V/m
 Níveis de Imunidade e Critérios de avaliação vinculados à relevância do
equipamento na segurança e dirigibilidade do veículo
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Imunidade a perturbações radiadas
Normas automotivas mais relevantes
1m
1m
Metal Strip
for Grounding
Test Table
conductive
Floor Absorber
optional
1) Fonte: INPE/LIT
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Perturbações Conduzidas
Linhas de Alimentação e de Comunicação
Ensaios de Emissão e Imunidade
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Perturbações Conduzidas
In ISO 7637 and variants, we are
considering transients and voltage drops that
are coupled over battery lines and signal lines
Immunity Testing simulates ‘Conducted
EMC’ that occurs during normal or error
EMC
conditions in a motor vehicle.
Emissions testing ensures that the noise
created by a device is less than specified
levels.
Evaluates the performance of components
during simulated real-world EMC events
Causes:
Alternators, Converters, Switching Processes
Electric Motors, Fuel Pump, Fan Motors
Lights, Radio
Every kind of electronic device
Coupled on Power Lines and Wiring
H
Harnesses
Engine Start
These failure
Th
f il
conditions
diti
are documented
d
t d
and tests defined by International
organizations (ISO, SAE) and manufacturers
(Ford, VW)
II Seminário
Seminário
de compatibilidade
EMC & Antenas
eletromagnética
- INPE/LIT 212
e Avaliação da conformidade
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Emission Standard Introduction
ISO 7637-2 (2011)
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Emissão de Perturbações Conduzidas
Medição de ruído produzido
pelo chaveamento de cargas
indutivas
Application
Wiring Harness
Oscilloscope
Switch
Test Setup
Battery
Source
Artificial Network
Simulates Wiring Harness
Impedance
DUT
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Emissão de Perturbações Conduzidas
AN
DUT
Limits
AN
“Slow Pulse” Setup
DUT
Items to be Documented:
Peak Amplitude
Pulse Duration
Rise and Fall Times
Burst Duration (if Repetitive)
“Fast Pulse” Setup
Repetition and Cycle Times
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BMW GS 95002
BMW GS 95003-2
BMWN 600 13
13.0
0 Part 1
BMWN 600 13.0 Part 2
Daimler Chrysler DC-10615
Daimler Chrysler DC-10614
Daimler Chrysler PF-10540
D i l Chrysler
Daimler
Ch l PF-10541
PF 10541
Daimler Chrysler PF-9326-D
DaimlerChrysler MBN 10284-2
Honda
Hyundai ES-X82010
ISO 16750-2
ISO 7637-2:2004
ISO 7637-3
Jaso D 001-94
Mazda MES PW 67600
M
Mercedes
d 211 000 42 99
Mercedes AV EMV
PSA Peugeot B21 7110
Immunity Standard Introduction
ISO 7637-2 & ISO 16750-2
DaimlerChrysler MBN 200 100-2
100 2
Fiat 9.90110
Fiat 7-Z0441
Fiat 7-Z0445
Fiat 7-Z0890
F d ES-XW7T-1A278-AB
Ford
ES XW7T 1A278 AB
Ford ES-XW7T-1A278-AC
GM9113P
GM9117P
GM9123P
GMW3100GS (GMW3097)
GMW3097/3100
GMW 3172
PSA B21 7090 Rev E
Nissan 28401 NDS 02
Nissan 28400 NDS 03
Renault 36-00-808 / --G
SAE J1113-11
SAE J1113-12
J1113 12
SAE J1113/2
SAE J1113/22
SAE J1113/22
Toyota TSC 7548G
VW TL 820 66
VW 801 01
Etc.
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Pág. 21
ISO 7637-2:2011
ISO 16750-2
And other common pulses
Pulse 1 - A simulation of transients due to supply disconnection from inductive loads; it applies to a
DUT if as used in the vehicle,, it remains connected directlyy in parallel
p
with an inductive load
Pulse 2a - Simulates transients due to sudden interruption of currents in a device connected in
parallel with the DUT due to the inductances of the wiring harness
Pulse 2b - Simulates transients from dc motors acting as generators after the ignition is switched
off
Pulse 3a/3b - Occurs as the result of switching processes. The characteristics of this pulse are
influenced by distributed capacitance and inductance of the wiring harness
Pulse 4 - The voltage reduction caused by energizing the starter motor circuits of the internal
combustion engines
Pulse 4 Variants – Most manufacturer variations of pulse four are generally much more
complicated. For example Ford requires up to four arbitrary generators with four outputs to be
perfectly synchronized.
Pulse 5 – Simulation of a load dump
p transient occurring
g in the event of a discharged
g battery
y being
g
disconnected while the alternator is generating charging current with other loads remaining on
the alternator circuit at this moment
Magnetic Field Immunity – Simulates magnetic fields generated by electric motors, daytime running
lamps etc.
lamps,
etc for DUTs with magnetically sensitive devices
devices.
Transformer Coupled Sine Waves – Sinusoidal noise burst coupled on battery lines
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Conducted Automotive EMC Example
Pulse 1
DUT
Inductive Load
Other
Loads
U
Battery
t
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Conducted Automotive EMC Example
Pulse 1
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Conducted Automotive EMC Example
Pulse 2a
Switch off Lamp
DUT
Inductance of Wiring Harness
Load
(Lamp)
U
Battery
Battery Voltage
t
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Conducted Automotive EMC Example
Pulse 2a
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Conducted Automotive EMC Example
Pulse 2b
DC Motor
Ignition Switch
Motor
DUT
U
Battery Voltage
Batteryy
t
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Conducted Automotive EMC Example
Pulse 2b
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Conducted Automotive EMC Example
Pulse 3a/3b
U
DUT
3a
Battery Voltage
0
3b
Stray Inductance and Capacitance of Wiring Harness
t
Batteryy
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Conducted Automotive EMC Example
Pulse 3a/3b
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Conducted Automotive EMC Example
Pulse 4
M
DUT
U
Battery
t
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Pulse 4 Block Diagram
g
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Conducted Automotive EMC Example
Load Dump
p (Formerly
(
y Pulse 5))
U
Battery Voltage
t
Disconnect
Battery Lead
Battery
Motor
Alternator
Generating Charging Current
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Conducted Automotive EMC Example
Load Dump
p (Pulse
(
5/5b))
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Standards Around the World that Refer to ISO 7637
Standards based on ISO 7637
Different automotive standards require different transient pulses. The requirements
are different in:
 Amplitude
 Impulse
 Frequency
 Pulse energy
p
 Test method,, test setup
Where do these differences come from?
 Wiring harness
 Components
 Generator
 etc.
The experience of the standard writer, theoretical evaluations, empirical
measurementt values
l
and
d different
diff
t test
t t conditions
diti
do
d have
h
a strong
t
impact on the parameterization of the pulses!
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35
Traditional Pulses Migrated
g
to ISO 16750
In Summary:
Several pulses that were traditionally part of the EMC (ISO 7637) are being
moved to the ‘power quality’ standard (ISO 16750).
These include:
 ISO 7637-2:2004 Pulse 4 -> ISO 16750-2 “Starting Profile”
 ISO 7637-2:2004 Pulse 5a and 5b -> ISO 16750-2
“Load
Load Dump A and B”
B
This is logical because these are not traditional EMC events, but instead an
issue of power quality. Curiously, Pulse 2b will likely remain in ISO 7637
even though it could also be classified as a power quality problem in the
opinion of many experts.
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Understanding
g Test Levels and
Functional Performance Status Classifications
FPSC
D
IV
C
III
B
II
A
I
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About Functional Status Performance
Classifications
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About Functional Performance Status Classifications (FPSC)
How does this relate to test levels? Who decides?
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FPSC and Test Levels
What do I do if there is no OEM?
UN ECE R10 Rev.03
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About Functional Status Performance Classifications
How does this relate to test levels? Who decides?
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Tendências para Veículos Elétricos e Híbridos
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42
Veículo Atual
~
BAT
Mechanical Link
E1
12 V Battery
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ICE – Internal
Combustion
Engine
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Esquema simplificado do
Veículo Hibrido ‘Atual’
M
~
Mechanical Link
12 V Battery
E1
High Voltage
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Veículo Hibrido Atual
Features:
 Electric Motor adds Power on Demand
 Modest Fuel Efficiencyy Improvements
p
 (Sometimes) Low-speed Travel on Battery Power
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45
Esquema simplificado do
Veículo Elétrico a Bateria
Technical Overview
Battery Electric Vehicle
M
C
Mechanical Link
Plug & Charging
12 V System
High Voltage
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46
Esquema simplificado do
Veículo Elétrico a Bateria
Features
 Vehicle Runs Only on Electricity
 No Gasoline Ever
 Full
Full-speed
speed Travel on Battery Power (Sometimes High Performance)
 Sufficient Range to Fulfill Day-to-Day Cultural Needs
 Sufficient Range to Fulfill Most Special Long Range Needs
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47
Technical Overview
Plugin Hybrid – Trending Technologies
Charging System
Regenerative
Braking
Electronics
HV Battery
Generator
Electric “Traction”
Motor
+
M
~
-
ICE
C
Inverter
In erter
(or Motor Controller)
DC/DC Converter
Mechanical Link
Plug & Charging
12 V System
12 V Network
High Voltage
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48
Veículo Hibrido “Plug-in”
Plug in
Features:
 Vehicle Runs Primarily on Electricity
 Gasoline Motor adds Range (sometimes power) on Demand
 Fuel Efficiencyy
 Full-speed Travel on Battery Power
 Sufficient Range
g to Fulfill Day-to-Day
y
y Cultural Requirements
q
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49
Desafios Adicionais no
Veículo Hibrido
Three Operating Modes = Three Tests Needed
Internal
Combustion Engine
Starter/Alternator/
Electric Motor
Transmission
Electrical Drive
“Power Assist”
Recuperation
Think of the vehicle as a DUT: it should be tested in all operating modes.
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50
Electrical Drive
Basic Model
High‐voltage battery or fuel cell
with complementary DC/DC converter
Auxiliary Power Train
Low‐voltage vehicle
electronics
Os requisitos essenciais de EMC para ‚Power-Train‘ elétricos e hibridos são muito
similares
Sales Training 2011
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2011-01-25
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Pág. 51
Electrical Drive
Coupling between HV and LV
Trending UP:
High Power Accessories:
Heating/Air Conditioning
Power Steering
Battery Climate Control
Other Pumps & Motors
Auxiliary devices
Signals
Data buses
Data buses
Vehicle
electronics
Sales Training 2011
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2011-01-25
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Pág. 52
Electrical Drive
Typical EUT-Testsetup
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CISPR 25 / ISO 11452
11452- …
Grounding Concept for Table
Testbench grounded to the floor
Sales Training 2011
Testbench grounded to the back wall
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Pág. 54
Load
eCHAMBER
Principle Layout
Load
Motor / Brake for M2 =
Motor
/ Brake for M2 =
Hybrid variable speed
Load
Load
Heat drain
CAN or FlexRay
Controller
Anechoic Chamber with Hybrid EUT
M1: Motor / Brake for Hybrid
WR1: Power Inverter with recovery feed 100kW
WR2: Power Inverter with recovery feed / Power source 0 ‐ 1000V, 100kW, ± 300A ‐ ‐ ‐ ‐ Signal Bus
Sales Training 2011
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Pág. 55
eCHAMBER
Energy Recycling
Sales Training 2011
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Pág. 56
Solid CDM foundation
for vibration free operation
The solid test bed is designed to
perform the force transmission at
lowest rate of distortion. A strong
foundation is a major precondition
for vibration free operation.
[ Optimized force transmission
[ Vibration free operation
Sales Training 2011
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Pág. 57
CISPR 25 / ISO 11452
11452- …
Absorber Reflection Loss Requirements
[ eCHAMBER
CHAMBER iis lilined
d with
ith h
hybrid
b id absorbers
b b
(f
(ferrites
it & ffoams))
at ceiling and walls
[ The correct integration
g
of the motor chassis is a major
j task
of the chamber design
Sales Training 2011
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In-Axis
In
Axis Installation
for vibration free operation
flexible element
Sales Training 2011
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Pág. 59
Current Decoupling
for controlled shaft current
Inducted shaft
current
EM field driven
by motor
Non conductive
high torque element
Sales Training 2011
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Pág. 60
Transmission Ratio = 1 : 1
A transmission ratio of 1 between
inside and outside motor must be the
target. Then the results are free of time
delay and slippage. What you measure
is nothing but the motor.
OK
[ Low translatory inertia
[ Direct torque response 1 : 1
[ No ESD from transmission belt
Sales Training 2011
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Pág. 61
Cooling Interface
for DUT
Outside Terminals
Inside Terminals
To minimize water loss during
setup, the hoses are terminated by
water-stop valves. The red water
basin will capture
p
the remaining
g
leakage.
Sales Training 2011
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Pág. 62
Advanced filter
with high voltage capability
[ Operation voltage up to 1000 V DC
[ 100 dB insertion loss @ 14 kHz – 40 GHz
Sales Training 2011
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Pág. 63
CISPR 25 / ISO 11452
11452- …
Seamless shielding concept for peripheral device
cable
F
FILTER
shielding
Harness
Periphery
DUT
M
Consequent / Uninterrupted Shielding for entire Periphery
Sales Training 2011
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Pág. 64
CISPR 25 / ISO 11452
11452- …
LISN box
The LISN forms an integral
part of the shielded test
setup.
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Safety at work
Shaft burst protection (SBP)
The various dynamic forces
are extremlyy challenging
g g for
the stability of the shaft.
SBP ensures labor safety
throughout
all
testing
situations.
[ Strong metal shield
[ Modular construction for easy access
[ Access hatch for maintenance
Sales Training 2011
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To ensure the operators safety, the
setup is designed according to the
protection guidelines for personnel
safety.
FILTER
Safety at work
High voltage protection (HVP)
Power
Inverter
1000V DC
[ HVP floor hatch
[ HVP feed cable
[ HVP insulated floor area
Sales Training 2011
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Conectar o veículo na tomada muda tudo…
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Ensaios de Emissão e Imunidade antes aplicáveis a equipamentos
não embarcados passam a ser aplicáveis a veículos
RF Emissions & Immunity
Harmonics & Flicker
Burst, Surge, PQT
~
M
C
Mechanical Link
Plug & Charging
12 V System
High Voltage
As soon as you add a plug to a vehicle, with a charger or direct to mains, Burst,
Surge and PQT testing are required.
Wherever the charger is - in the vehicle or external - it must be tested.
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Lots of Proposals
Working Groups - Working Hard
Some Proprietary Issues Holding Back Work

Draft ECE R10 4 Ed.
and IEC 61851-21

Emissions to CISPR 16 and CISPR 22
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Emissions to CISPR 16 and CISPR 22 ?
10.0 ± 0.2 m
(3.0 ± 0.05 m)
Ch i C
Charging
Connector
t
Power Mains
Artificial Network
> 12 cm
AN
PM
> 10 cm from car body
80 (+20/-0) cm
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Ensaios de Imunidade
CDN
NSG 3040
Charging Connector
C = 18 µF
L
N
PE
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Summary
Electric Vehicles Testing
Overview of Common Testing Requirements
Standard 12/24V Vehicle

BCI

Stripline

Conducted /RF Immunity

Conducted /RF Emissions

ESD

Transient Emissions

Transient Immunity
Whole Vehicle




Electronic
Subassembly







Additional for Plugin Vehicles

Harmonics & Flicker

Conducted RF (Mains)

Burst, Surge, PQT



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Conectar o veículo na tomada muda tudo…
Emissions
 Harmonics & Flicker
 Conducted RF
Immunity
 Conducted
C d t d RF
 Burst, Surge, PQT
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The Charging Station
The Charging Station Must Also be Tested
EFT/Burst, Surge, PQT, etc.
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Special Challenges
Soon A Huge Rush of Plug-in Vehicles
In the Next 2 Years Alone!
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A EMCert representa a Teseq …
Te s e q p r o v i d e s t h e w o r l d ’ss m o s t
comprehensive range of EMC systems for
immunity and emissions testing. Our
network of agents and distributors offers
market leading EMC expertise tailored to
market-leading
local needs in more than 30 different
countries.
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a EMCert Representa a
Albatross Projects GmbH
Continuing the tradition of EMC Excellence
Albatross Projects
j
GmbH
CP
2
CP
3
former
CP
4
CP1
DISC
DIA 3.0
Siemens Matsushita Components GmbH, EMC-Systems
Continuing the tradition of EMC Excellence
50 years
of EMC history!
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Desafios
www.teseq.com
 Qual a posição do Brasil?
www albatross-projects
www.albatross
projects.de/
de/
 Participar do desenvolvimento ou aceitar
pronto?
 E quanto aos equipamentos instalados no
veículo?
Marcus Barthus
EMCert Consultoria
[email protected]
+19 3243-9371
19 9214-3354
9214 3354
+19
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