電動自行車電磁兼容性探討

萬宇明 朱應陳

（國家輕型電動車及電池產品質量監督檢驗中心, 江蘇 無錫 214000）

電動自行車電磁兼容性探討

萬宇明 朱應陳

（國家輕型電動車及電池產品質量監督檢驗中心, 江蘇 無錫 214000）

本文解釋了電磁兼容概念，較詳細分析了電動自行車的電磁兼容特性，介紹了國內外相關電磁兼容標準，并針對部分關鍵項目進行了驗證實驗，探討了電動自行車電氣系統的電磁兼容性。

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

根據標準GB/T 4365-2003《電工術語 電磁兼容》中的定義，電磁兼容性是指設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。即為了使在同一電磁環境下工作的各種電子電氣設備或系統，都能正常工作，互不干擾，達到兼容狀態，每個設備的電磁干擾特性（EMI）和電磁抗干擾特性（EMS）都應符合要求。其中，EMI主要是指設備向外部發射電磁騷擾的特性，EMS主要是指設備抵抗外部入侵的電磁騷擾的能力。

電磁兼容的三個基本要素，騷擾源、傳輸途徑、敏感設備，如圖1所示。騷擾源產生的電磁騷擾，經過空間輻射或導線傳導等傳輸途徑，傳播到敏感設備。任何電子電氣設備都可能是騷擾源，也可能是敏感設備。設備產生的電磁騷擾是客觀存在的，但只有在影響了敏感設備的正常工作時才構成“干擾”，也就是電磁干擾。而設備越敏感，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電源。在開關電源中，主功率開關管在很高的電壓下，以高頻開關方式工作，開關電壓及開關電流均接近方波，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，也會導致高頻尖峰諧波振蕩的產生。因此，在其工作過程中會產生大量電磁騷擾，一般會通過導線傳導的方式，將產生的電磁騷擾傳播到同一電網下的其他電子電氣設備。當然，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

隨著無刷電機的問世，逐步替代了傳統的有刷電機。無刷電機控制電路，也是電動自行車電氣系統的核心電路，主要由控制器、電機、轉把、閘把等組成。其工作過程是，首先根據霍爾元件感應到電動機轉子的目前所在位置，其次依照定子繞組決定開啟或關閉MOSFET的順序，通過控制上臂和下臂MOSFET使電流依序流經電動機繞組，從而產生順時針或逆時針方向旋轉磁場，并與轉子的磁場相互作用，實現電動機的順時針或逆時針轉動。而為了實現電動機的連續轉動和平滑調速，需控制器連續開關不同的MOSFET組合并疊加PWM控制，脈寬調制PWM攜帶大量高頻信號，這是因為MOSFET要不斷的高速開啟和關閉，因此，控制器電路工作過程中會產生較強的電磁騷擾，一般會通過空間輻射的方式，將騷擾傳播到同一電磁環境下其他電子電氣設備。當然，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、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。該部分系統涉及到DC-DC轉換器、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EMC標準現狀

國內來說，2010年1月1日起實施的標準GB/T 24158-2010《電動摩托車和電動輕便摩托車通用技術條件》中規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射強度的限值和測量方法,寬帶,9kHz～30MHz》、GB 14023《車輛、船和內燃機 無線電騷擾特性 用于保護車外接收機的限值和測量方法》的規定。而國內的GB 17761-1999《電動自行車通用技術條件》中，暫無相關標準要求。

國外來說，歐盟于2009年發布的電動助力自行車（EPAC）產品標準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布，自2016年1月1日起實施的E-mark認證新法規——168/2013號法規適用于所有的L1e～L7e類車輛（兩輪、三輪和四輪）。其補充條款44/2014號法規中，明確指出ECE R10電磁兼容法規應為強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電磁兼容要求，同樣包括EMI和EMS兩部分。

4．實驗數據

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行了9kHz～30MHz的輻射發射電場試驗、30MHz～1000MHz輻射發射試驗、以及1GHz以下輻射抗擾度試驗。

圖3 9kHz～30MHz的輻射發射電場

圖3是根據GB/T 18387進行的9kHz～30MHz的輻射發射電場試驗測試數據，其中測試時車輛運轉速度是16km/h。可以看出，9kHz～200kHz頻率范圍，存在多個以16kHz為基頻的尖脈沖，部分頻率點其幅值超出了對應限值。這些主要來自控制器的主頻（16kHz左右）及其諧波。

圖4 30MHz～1000MHz輻射發射——水平極化

圖5 30MHz～1000MHz輻射發射——垂直極化

圖4、圖5是根據GB 14023進行的30MHz～1000MHz輻射發射試驗測試數據，可以看出30MHz～100MHz頻率范圍內產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和控制器。

另外，根據EN 15194:2009+A1:2011進行的1GHz以下輻射抗擾度試驗中，電動自行車在30V/m的場強干擾下，出現了多種運行不正常現象，如電機轉速變化，甚至有時會停轉，燈光閃爍，喇叭叫等。

5．結語

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，且進行了相關驗證實驗。電動自行車，既作為騷擾源對外界產生電磁干擾，又作為敏感設備遭受來自外界的電磁干擾。因此，為了在其電磁環境下，能夠保持正常工作，同時又不影響同一環境中的其他設備或系統，電動自行車也需滿足電磁兼容要求。即電動自行車產生的電磁騷擾不應該超過一定限值，且同時具有一定的抗干擾能力。因此，隨著行業的發展，有必要考慮相關標準的更新迭代中，逐步提出電磁兼容方面的要求。

編輯：傅金睿