電動自行車電磁兼容性探討

萬宇明 朱應(yīng)陳

（國家輕型電動車及電池產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心, 江蘇 無錫 214000）

電動自行車電磁兼容性探討

萬宇明 朱應(yīng)陳

（國家輕型電動車及電池產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心, 江蘇 無錫 214000）

本文解釋了電磁兼容概念，較詳細(xì)分析了電動自行車的電磁兼容特性，介紹了國內(nèi)外相關(guān)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，并針對部分關(guān)鍵項(xiàng)目進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，探討了電動自行車電氣系統(tǒng)的電磁兼容性。

電動自行車；電磁兼容；控制器；充電器

1. 電磁兼容性（EMC）概念解析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4365-2003《電工術(shù)語 電磁兼容》中的定義，電磁兼容性是指設(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。即為了使在同一電磁環(huán)境下工作的各種電子電氣設(shè)備或系統(tǒng)，都能正常工作，互不干擾，達(dá)到兼容狀態(tài)，每個(gè)設(shè)備的電磁干擾特性（EMI）和電磁抗干擾特性（EMS）都應(yīng)符合要求。其中，EMI主要是指設(shè)備向外部發(fā)射電磁騷擾的特性，EMS主要是指設(shè)備抵抗外部入侵的電磁騷擾的能力。

電磁兼容的三個(gè)基本要素，騷擾源、傳輸途徑、敏感設(shè)備，如圖1所示。騷擾源產(chǎn)生的電磁騷擾，經(jīng)過空間輻射或?qū)Ь€傳導(dǎo)等傳輸途徑，傳播到敏感設(shè)備。任何電子電氣設(shè)備都可能是騷擾源，也可能是敏感設(shè)備。設(shè)備產(chǎn)生的電磁騷擾是客觀存在的，但只有在影響了敏感設(shè)備的正常工作時(shí)才構(gòu)成“干擾”，也就是電磁干擾。而設(shè)備越敏感，表明其抗擾度越差。

圖1 電磁兼容三要素

2．電動自行車的電磁兼容特性分析

電動自行車的電氣系統(tǒng)主要由以下三大模塊組成，充電器電路、控制器電路、其他附屬電路，如圖2所示。

其中，充電器電路主要由充電器和蓄電池組成，而目前大多采用了開關(guān)電源。在開關(guān)電源中，主功率開關(guān)管在很高的電壓下，以高頻開關(guān)方式工作，開關(guān)電壓及開關(guān)電流均接近方波，從頻譜分析可知，方波信號含有豐富的高次諧波。而高頻變壓器的漏感及分布電容，也會導(dǎo)致高頻尖峰諧波振蕩的產(chǎn)生。因此，在其工作過程中會產(chǎn)生大量電磁騷擾，一般會通過導(dǎo)線傳導(dǎo)的方式，將產(chǎn)生的電磁騷擾傳播到同一電網(wǎng)下的其他電子電氣設(shè)備。當(dāng)然，也會通過同樣的途徑，會遭受各種來自外界的電磁騷擾。

圖2 電動自行車的電氣系統(tǒng)

隨著無刷電機(jī)的問世，逐步替代了傳統(tǒng)的有刷電機(jī)。無刷電機(jī)控制電路，也是電動自行車電氣系統(tǒng)的核心電路，主要由控制器、電機(jī)、轉(zhuǎn)把、閘把等組成。其工作過程是，首先根據(jù)霍爾元件感應(yīng)到電動機(jī)轉(zhuǎn)子的目前所在位置，其次依照定子繞組決定開啟或關(guān)閉MOSFET的順序，通過控制上臂和下臂MOSFET使電流依序流經(jīng)電動機(jī)繞組，從而產(chǎn)生順時(shí)針或逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子的磁場相互作用，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動。而為了實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)動和平滑調(diào)速，需控制器連續(xù)開關(guān)不同的MOSFET組合并疊加PWM控制，脈寬調(diào)制PWM攜帶大量高頻信號，這是因?yàn)镸OSFET要不斷的高速開啟和關(guān)閉，因此，控制器電路工作過程中會產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁騷擾，一般會通過空間輻射的方式，將騷擾傳播到同一電磁環(huán)境下其他電子電氣設(shè)備。當(dāng)然，也會通過同樣的途徑，會遭受各種來自外界的電磁騷擾。

附屬電路，主要含照明系統(tǒng)、喇叭、儀表等。該部分的電磁兼容特性也不容忽視，比如，液晶儀表對靜電的抗擾特性。該部分系統(tǒng)涉及到DC-DC轉(zhuǎn)換器、閃光器等，這些都一定程度上影響了整車的電磁兼容性。

3．相關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

國內(nèi)來說，2010年1月1日起實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24158-2010《電動摩托車和電動輕便摩托車通用技術(shù)條件》中規(guī)定了整車無線電騷擾特性，要求符合GB/ T 18387《電動車輛的電磁場發(fā)射強(qiáng)度的限值和測量方法,寬帶,9kHz～30MHz》、GB 14023《車輛、船和內(nèi)燃機(jī) 無線電騷擾特性 用于保護(hù)車外接收機(jī)的限值和測量方法》的規(guī)定。而國內(nèi)的GB 17761-1999《電動自行車通用技術(shù)條件》中，暫無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

國外來說，歐盟于2009年發(fā)布的電動助力自行車（EPAC）產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)EN 15194:2009+A1:2011《Cycles -Electrically power assisted cycles - EPAC Bicycles》中，針對EPAC整車、電子電氣組件及電池充電器，提出了相關(guān)電磁兼容要求，包括EMI和EMS兩部分。而歐洲議會及歐盟理事會發(fā)布，自2016年1月1日起實(shí)施的E-mark認(rèn)證新法規(guī)——168/2013號法規(guī)適用于所有的L1e～L7e類車輛（兩輪、三輪和四輪）。其補(bǔ)充條款44/2014號法規(guī)中，明確指出ECE R10電磁兼容法規(guī)應(yīng)為強(qiáng)制要求并替代歐洲議會及理事會1997年6月17日指令97/24/EC第8章兩輪或三輪摩托車電磁兼容性。ECE R10中，對整車、電子電氣組件，分別在充電模式和非充電模式下提出了相關(guān)電磁兼容要求，同樣包括EMI和EMS兩部分。

4．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了了解電動自行車的電磁兼容性，本文中按照GB/T 18387、GB 14023、EN 15194:2009+A1:2011，對某制造商的某款電動自行車進(jìn)行了9kHz～30MHz的輻射發(fā)射電場試驗(yàn)、30MHz～1000MHz輻射發(fā)射試驗(yàn)、以及1GHz以下輻射抗擾度試驗(yàn)。

圖3 9kHz～30MHz的輻射發(fā)射電場

圖3是根據(jù)GB/T 18387進(jìn)行的9kHz～30MHz的輻射發(fā)射電場試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，其中測試時(shí)車輛運(yùn)轉(zhuǎn)速度是16km/h?？梢钥闯觯?kHz～200kHz頻率范圍，存在多個(gè)以16kHz為基頻的尖脈沖，部分頻率點(diǎn)其幅值超出了對應(yīng)限值。這些主要來自控制器的主頻（16kHz左右）及其諧波。

圖4 30MHz～1000MHz輻射發(fā)射——水平極化

圖5 30MHz～1000MHz輻射發(fā)射——垂直極化

圖4、圖5是根據(jù)GB 14023進(jìn)行的30MHz～1000MHz輻射發(fā)射試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，可以看出30MHz～100MHz頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生的電磁輻射騷擾較大，尤其天線在垂直極化方向下，該部分電磁騷擾主要來自電動機(jī)和控制器。

另外，根據(jù)EN 15194:2009+A1:2011進(jìn)行的1GHz以下輻射抗擾度試驗(yàn)中，電動自行車在30V/m的場強(qiáng)干擾下，出現(xiàn)了多種運(yùn)行不正?，F(xiàn)象，如電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，甚至有時(shí)會停轉(zhuǎn)，燈光閃爍，喇叭叫等。

5．結(jié)語

本文介紹了電磁兼容概念，分析了電動自行車的電磁兼容特性，且進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。電動自行車，既作為騷擾源對外界產(chǎn)生電磁干擾，又作為敏感設(shè)備遭受來自外界的電磁干擾。因此，為了在其電磁環(huán)境下，能夠保持正常工作，同時(shí)又不影響同一環(huán)境中的其他設(shè)備或系統(tǒng)，電動自行車也需滿足電磁兼容要求。即電動自行車產(chǎn)生的電磁騷擾不應(yīng)該超過一定限值，且同時(shí)具有一定的抗干擾能力。因此，隨著行業(yè)的發(fā)展，有必要考慮相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的更新迭代中，逐步提出電磁兼容方面的要求。

編輯：傅金睿