電動兩輪車電磁兼容性問題分析及解決方案

文/黃曉東 王斌

電磁兼容性（EMC, Electromagnetic Compatibility）是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。電磁兼容性包含電磁干擾（EMI, Electromagnetic Interference）和電磁抗擾度（EMS,Electromagnetic Susceptibility）兩個方面內(nèi)容。電磁兼容性作為一項重要的環(huán)境安全指標，已日益受到關(guān)注，我國早已對信息電子、音視頻等電子電氣產(chǎn)品的電磁兼容性進行CCC強制認證。

文章所稱電動兩輪車一般包括電動自行車和電動摩托車，兩者電氣結(jié)構(gòu)和工作原理類似，是擁有典型電子電氣產(chǎn)品屬性的交通工具。目前，我國已經(jīng)出臺了針對電動摩托車的電磁騷擾標準，主要參照標準GB 14023-2011 《車輛、船和內(nèi)燃機無線電騷擾特性 用于保護車外接收機的限值和測量方法》和GB/T 18387-2008 《電動車輛的電磁場發(fā)射強度的限值和測量方法，寬帶，9kHz～30MHz》的要求，并進行CCC強制認證。我國現(xiàn)行電動自行車標準GB 17761-1999《電動自行車通用技術(shù)條件》中暫無電磁兼容性相關(guān)要求。但歐盟對電動助力自行車（EPAC）和電動摩托車有比我國現(xiàn)行電動摩托車CCC認證更為嚴格的要求，除有電磁騷擾（采用CISPR 12，同GB 14023）要求外，對整車和零部件還有電磁抗擾度（EPAC參照標準EN 15194，電動摩托車參照97/24/EC指令）的要求。

電動兩輪車電子電氣系統(tǒng)的原理如圖1所示，主要由蓄電池、控制器、驅(qū)動電機、DC-DC轉(zhuǎn)換器、電纜等電子電氣部件組成。

從目前已經(jīng)開展的測試情況來看，電動兩輪車產(chǎn)品電磁騷擾按照GB 14023-2011（CISPR 12: 2009）標準要求進行輻射發(fā)射測試通過率較高，但按照GB/T 18387-2008標準要求進行輻射發(fā)射測試，特別是電場輻射發(fā)射測試（9kHz～30MHz），通過率較低。電磁抗擾度測試，在20MHz～1000MHz頻段輻射抗擾度測試通過率也較低。

下面分別按照測試項目對測試中存在的問題進行分析。

一、GB 14023-2011輻射發(fā)射（30MHz～1000MHz）測試分析

電動兩輪車控制器基本都采用單片機進行控制，單片機振蕩電路可在其工作頻率及各次諧波上產(chǎn)生窄帶輻射發(fā)射，可能會造成在“上電且電動機不運轉(zhuǎn)”測試中超過標準中的平均值限值；驅(qū)動電機在進行換向時，由于電機中的感性元件（定子或轉(zhuǎn)子繞組）電流突變，會短時產(chǎn)生一個很大的電壓變化，峰值電壓可能會達到上百伏，其中包含豐富的諧波分量，這個周期性出現(xiàn)的電壓變化會向外產(chǎn)生寬帶輻射發(fā)射，可能會造成“發(fā)動機運轉(zhuǎn)”測試中超過標準中的峰值和準峰值限值。此外，DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電源和轉(zhuǎn)向燈的閃爍電路的寬帶輻射也可能超出峰值和準峰值限值?？刂破魍ㄟ^電源線纜、驅(qū)動線纜和信號線纜與其他電子電氣部件連接，線纜之間相互捆扎，導(dǎo)致輻射信號通過線纜耦合發(fā)射。由于潛在的騷擾源較多，在按照GB 14023-2011標準進行測試中，應(yīng)采用排除法進行輻射源的定位。

圖1 典型電動兩輪車電子電氣系統(tǒng)示意圖

二、GB/T 18387-2008輻射發(fā)射（9kHz～30MHz）測試分析

大部分電動兩輪車在目前測試中會表現(xiàn)出電場測試結(jié)果超標的問題，從測試經(jīng)驗來看，車輛驅(qū)動系統(tǒng)和DC-DC轉(zhuǎn)換器的電場輻射影響最大。

目前電動兩輪車控制器普遍采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)對驅(qū)動電機的輸出功率和轉(zhuǎn)速進行控制。PWM的基本原理是控制器產(chǎn)生周期性的方波控制電源到驅(qū)動電機的輸出，在每個方波周期內(nèi)，控制器通過調(diào)節(jié)方波的寬度調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的驅(qū)動電流，實現(xiàn)對驅(qū)動電機的輸出功率和轉(zhuǎn)速控制。按照電磁場理論，變化的電壓和電流會產(chǎn)生電磁波，電壓和電流變化越快，產(chǎn)生的電磁場強度越大。電動兩輪車的驅(qū)動電流一般從十幾安培到上百安培，PWM控制的驅(qū)動電流在電源、控制器和驅(qū)動電機之間的線纜間傳輸，從而導(dǎo)致嚴重的電磁場發(fā)射。對于一個采用PWM方波頻率為15.75kHz控制器的電動兩輪車，按照GB/T 18387標準測試的電場輻射發(fā)射結(jié)果如圖2所示。從測試結(jié)果來看，在9kHz～150kHz頻段，騷擾分別對應(yīng)控制器方波頻率15.75kHz及其各次諧波分量31.5kHz、47.25kHz、63kHz……。

此外，在10MHz～30MHz頻段內(nèi)也經(jīng)常出現(xiàn)不合格情況，在“上電且電動機不運轉(zhuǎn)”情況下即出現(xiàn)，經(jīng)大量試驗經(jīng)驗分析，干擾可能來自于DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電路。

圖2 典型電動兩輪車電場測試（9kHz～30MHz）結(jié)果

三、輻射抗擾度（20MHz～2000（1000）MHz）測試分析

在近年來EPAC和電動摩托車的出口認證試驗中，我們發(fā)現(xiàn)輻射抗擾度測試項目的不合格情況非常嚴重，主要出現(xiàn)在20MHz～1000MHz頻段內(nèi)。輻射抗擾度測試是歐盟對EPAC和電動摩托車提出的要求。標準和指令要求在頻段內(nèi)，場強參考水平應(yīng)為24V/m，實際場強為（1+25%）×24V/m=30V/m。這個測試等級是非常嚴苛的。因為EPAC和電動摩托車的使用環(huán)境與汽車等其他機動車輛相同，歐盟因此規(guī)定測試等級與其他機動車輛測試等級相同。

在實際測試中我們發(fā)現(xiàn)，車輛基本都會出現(xiàn)驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速大幅變化直至停轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并無法自行恢復(fù)。與其他機動車相比，EPAC和電動摩托車沒有汽車那樣的金屬殼體作為屏蔽，更易受到干擾信號的影響。雖然控制器和驅(qū)動電機一般為金屬殼體，但信號可以通過線纜耦合進入控制器內(nèi)部，而目前大多數(shù)電動兩輪車廠商未考慮外來信號的去耦處理或控制電路糾錯處理。

從上述測試分析來看，電動兩輪車電磁兼容性現(xiàn)狀令人堪憂，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

⑴電動兩輪車存在大量的電磁騷擾源，如低電壓大電流高功率的PWM驅(qū)動系統(tǒng)和DC-DC轉(zhuǎn)換器。

⑵由于成本、技術(shù)和安全等因素，電動兩輪車普遍采用低驅(qū)動電壓（36～72V），而汽車通常在百伏級，這就造成驅(qū)動電流過大（可達百安培級）。

⑶電動兩輪車沒有汽車那樣的金屬殼體作為天然屏蔽，因此對外輻射更加直接，也更易受到外界干擾的影響。

⑷由于受到成本及技術(shù)的限制，加之對電磁兼容性問題認識不足，電動兩輪車制造企業(yè)普遍未對產(chǎn)品的電磁兼容性予以足夠的重視，解決措施有限。

四、電動兩輪車電磁兼容性問題的解決方案

在開發(fā)階段就應(yīng)考慮產(chǎn)品的電磁兼容性設(shè)計，就可以提高通過率，大大降低試驗階段的整改難度，這是電磁兼容業(yè)內(nèi)的共識。解決產(chǎn)品電磁兼容性問題，最有效的措施是抑制騷擾源，在無法處理騷擾源的情況下可以采取屏蔽、濾波、接地等措施，此外，在設(shè)計中考慮產(chǎn)品的合理布線也是非常重要的。

⑴布線。良好的布線能以最低的成本有效地減小電磁騷擾的發(fā)射。布線的原則：a） 應(yīng)盡量減小發(fā)射源引出線纜的長度，如電源電纜和驅(qū)動電纜；b） 應(yīng)盡量減小發(fā)射源引出線纜形成的回路面積，如電源電纜和驅(qū)動電纜應(yīng)盡量靠近或采用鉸接方式；c）應(yīng)避免小信號電纜與發(fā)射源引出的電源電纜和驅(qū)動電纜平行接近布置，避免產(chǎn)生騷擾信號的線纜間耦合；d）應(yīng)避免發(fā)射源引出的電源電纜和驅(qū)動電纜與車身金屬桿件的平行接近布置，避免產(chǎn)生騷擾信號通過車架桿件耦合。

⑵屏蔽。首先，對騷擾源的屏蔽，如控制器和DC-DC轉(zhuǎn)換器。雖然控制器和DC-DC控制器通常為金屬殼體，但廠商為了防水處理通常導(dǎo)致殼體并未形成一個完整良好的電氣連接。其次，對線纜進行屏蔽，特別是發(fā)射源引出的線纜。盡量使用屏蔽電纜，并將屏蔽層與控制器和DC-DC殼體360度搭接。在整改過程中，也可使用鋁箔紙、錫箔紙或銅編織帶進行臨時處理，但在實際生產(chǎn)過程中無法采用。

⑶濾波。對控制器和DC-DC轉(zhuǎn)換器進行濾波設(shè)計，可以從根本上減小騷擾源的發(fā)射。針對超標的頻段，選擇合適的濾波電容可以獲得良好的抑制效果。

⑷控制器的設(shè)計。因PWM驅(qū)動方式是導(dǎo)致電動兩輪車輻射發(fā)射超標的罪魁禍首?？煽紤]增加PWM系統(tǒng)驅(qū)動方波的上升沿和下降沿時間。但是這種方法會導(dǎo)致控制器大功率MOSFET發(fā)熱量增加，增加功耗并降低MOSFET的壽命。此外，選用隨機脈寬調(diào)制（RPWM）或正弦波調(diào)制技術(shù)，也可以降低騷擾發(fā)射。

⑸去耦。加裝匹配的去耦磁環(huán)可以有效的避免輻射干擾信號的影響。