Progettazione di Filtri EMI nei Caricabatterie Integrati per Veicoli Elettrici: Modellazione, Simulazione e Conformità agli Standard Automotive

Effective management of Electromagnetic Interference (EMI) is crucial in Electric Vehicle (EV) charging systems, particularly for On-Board Chargers (OBCs) interfacing with high-voltage lithium-ion (Li-ion) batteries and the grid. EMI filters play an essential role in suppressing electromagnetic noise generated by switching-mode power supplies (SMPS). Key components of these filters include resistors, common mode chokes (CMCs) and film capacitors, which contribute to achieving low pass filtering behaviour. Compliance with original equipment manufacturer (OEM) standards is of paramount importance, as stricter OEM requirements often impose more challenging limits than international norms such as CISPR25 and CISPR16. This necessitates a robust approach during the design and testing phases to ensure effective electromagnetic noise mitigation. This study presents an overview of a typical OBC structure, detailing the regulations and standards that must be complied with. The focus then shifts to CMC, where a complex broadband model of this component has been developed. This model integrates various impedances: common mode impedance (ZCM), differential mode impedance (ZDM), inter-winding impedance (ZIW), and phase impedance (ZPH). Data obtained from Vector Network Analyzer (VNA) and impedance analyzer measurements enable a comprehensive evaluation of CMC behavior and their models. The performance of an HVDC filter designed for a 22kW/800V OBC mounted in a high-end vehicle is investigated using 3D simulation tools Ansys HFSS. The study emphasizes the necessity of full 3D simulation over SPICE, proposing a step-by-step approach to component modeling. Additionally, the influence of the chassis enclosure on filter performance is highlighted, addressing challenges related to electromagnetic shielding and thermal management. Ultimately, the study demonstrates applicability as a predictive tool for engineers, improving high-quality simulations of EMI filter insertion losses. This research aims to enhance reliability and performance in EV sub-systems while ensuring compliance with imposed standards.

La gestione efficace delle interferenze elettromagnetiche è fondamentale nei sistemi di ricarica dei veicoli elettrici, in particolare per gli On-Board Chargers (OBC) che si interfacciano con le batterie ad alta tensione agli ioni di litio e con la rete. I filtri EMI svolgono un ruolo essenziale nella soppressione del rumore generato dagli alimentatori switching. I componenti chiave di questi filtri includono resistenze, induttanze di modo comune e condensatori a film, che contribuiscono a ottenere un comportamento di filtraggio di tipo passa-basso. La conformità agli standard dei costruttori di veicoli è di fondamentale importanza, poiché i requisiti spesso impongono limiti più impegnativi rispetto alle norme internazionali come la CISPR25 e la CISPR16. Ciò richiede un approccio robusto durante le fasi di progettazione e test per garantire un'efficace mitigazione del rumore. Questo studio presenta una panoramica sulla struttura tipica di un OBC, illustrando nel dettaglio le normative e gli standard che devono essere rispettati. In seguito, la seguente tesi si concentra sulle induttanze di modo comune, di cui è stato sviluppato un modello circuitale a banda larga. Questo modello integra varie impedenze: impedenza di modo comune (ZCM), impedenza di modo differenziale (ZDM), impedenza tra gli avvolgimenti (ZIW) e impedenza di fase (ZPH). I dati ottenuti dalle misure attraverso l’uso dell'analizzatore di rete vettoriale (VNA) e dell'analizzatore di impedenza consentono una valutazione esaustiva del comportamento del CMC e dei loro modelli. Le prestazioni di un filtro HVDC, progettato per un OBC da 22kW/800V montato su un veicolo di fascia alta, sono state analizzate utilizzando uno strumento di simulazione 3D, Ansys HFSS. Lo studio sottolinea la necessità di una simulazione 3D rispetto ad una simulazione circuitale, proponendo un approccio graduale alla modellazione dei componenti. Inoltre, viene evidenziata l'influenza dell'involucro metallico sulle prestazioni del filtro, affrontando le sfide legate alla schermatura elettromagnetica e alla gestione termica. In definitiva, lo studio dimostra l'applicabilità come strumento predittivo per gli ingegneri, garantendo una ottima qualità nella valutazione della perdita di inserzione dei filtri EMI. Questa ricerca mira a migliorare l'affidabilità e le prestazioni dei sottosistemi dei veicoli elettrici, garantendo al contempo la conformità rispetto agli standard imposti.