电动两轮车电磁兼容性问题分析及解决方案

文/黄晓东 王斌

电磁兼容性（EMC, Electromagnetic Compatibility）是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。电磁兼容性包含电磁干扰（EMI, Electromagnetic Interference）和电磁抗扰度（EMS,Electromagnetic Susceptibility）两个方面内容。电磁兼容性作为一项重要的环境安全指标，已日益受到关注，我国早已对信息电子、音视频等电子电气产品的电磁兼容性进行CCC强制认证。

文章所称电动两轮车一般包括电动自行车和电动摩托车，两者电气结构和工作原理类似，是拥有典型电子电气产品属性的交通工具。目前，我国已经出台了针对电动摩托车的电磁骚扰标准，主要参照标准GB 14023-2011 《车辆、船和内燃机无线电骚扰特性 用于保护车外接收机的限值和测量方法》和GB/T 18387-2008 《电动车辆的电磁场发射强度的限值和测量方法，宽带，9kHz～30MHz》的要求，并进行CCC强制认证。我国现行电动自行车标准GB 17761-1999《电动自行车通用技术条件》中暂无电磁兼容性相关要求。但欧盟对电动助力自行车（EPAC）和电动摩托车有比我国现行电动摩托车CCC认证更为严格的要求，除有电磁骚扰（采用CISPR 12，同GB 14023）要求外，对整车和零部件还有电磁抗扰度（EPAC参照标准EN 15194，电动摩托车参照97/24/EC指令）的要求。

电动两轮车电子电气系统的原理如图1所示，主要由蓄电池、控制器、驱动电机、DC-DC转换器、电缆等电子电气部件组成。

从目前已经开展的测试情况来看，电动两轮车产品电磁骚扰按照GB 14023-2011（CISPR 12: 2009）标准要求进行辐射发射测试通过率较高，但按照GB/T 18387-2008标准要求进行辐射发射测试，特别是电场辐射发射测试（9kHz～30MHz），通过率较低。电磁抗扰度测试，在20MHz～1000MHz频段辐射抗扰度测试通过率也较低。

下面分别按照测试项目对测试中存在的问题进行分析。

一、GB 14023-2011辐射发射（30MHz～1000MHz）测试分析

电动两轮车控制器基本都采用单片机进行控制，单片机振荡电路可在其工作频率及各次谐波上产生窄带辐射发射，可能会造成在“上电且电动机不运转”测试中超过标准中的平均值限值；驱动电机在进行换向时，由于电机中的感性元件（定子或转子绕组）电流突变，会短时产生一个很大的电压变化，峰值电压可能会达到上百伏，其中包含丰富的谐波分量，这个周期性出现的电压变化会向外产生宽带辐射发射，可能会造成“发动机运转”测试中超过标准中的峰值和准峰值限值。此外，DC-DC转换器的开关电源和转向灯的闪烁电路的宽带辐射也可能超出峰值和准峰值限值。控制器通过电源线缆、驱动线缆和信号线缆与其他电子电气部件连接，线缆之间相互捆扎，导致辐射信号通过线缆耦合发射。由于潜在的骚扰源较多，在按照GB 14023-2011标准进行测试中，应采用排除法进行辐射源的定位。

图1 典型电动两轮车电子电气系统示意图

二、GB/T 18387-2008辐射发射（9kHz～30MHz）测试分析

大部分电动两轮车在目前测试中会表现出电场测试结果超标的问题，从测试经验来看，车辆驱动系统和DC-DC转换器的电场辐射影响最大。

目前电动两轮车控制器普遍采用脉冲宽度调制（PWM）技术对驱动电机的输出功率和转速进行控制。PWM的基本原理是控制器产生周期性的方波控制电源到驱动电机的输出，在每个方波周期内，控制器通过调节方波的宽度调节驱动电机的驱动电流，实现对驱动电机的输出功率和转速控制。按照电磁场理论，变化的电压和电流会产生电磁波，电压和电流变化越快，产生的电磁场强度越大。电动两轮车的驱动电流一般从十几安培到上百安培，PWM控制的驱动电流在电源、控制器和驱动电机之间的线缆间传输，从而导致严重的电磁场发射。对于一个采用PWM方波频率为15.75kHz控制器的电动两轮车，按照GB/T 18387标准测试的电场辐射发射结果如图2所示。从测试结果来看，在9kHz～150kHz频段，骚扰分别对应控制器方波频率15.75kHz及其各次谐波分量31.5kHz、47.25kHz、63kHz……。

此外，在10MHz～30MHz频段内也经常出现不合格情况，在“上电且电动机不运转”情况下即出现，经大量试验经验分析，干扰可能来自于DC-DC转换器的开关电路。

图2 典型电动两轮车电场测试（9kHz～30MHz）结果

三、辐射抗扰度（20MHz～2000（1000）MHz）测试分析

在近年来EPAC和电动摩托车的出口认证试验中，我们发现辐射抗扰度测试项目的不合格情况非常严重，主要出现在20MHz～1000MHz频段内。辐射抗扰度测试是欧盟对EPAC和电动摩托车提出的要求。标准和指令要求在频段内，场强参考水平应为24V/m，实际场强为（1+25%）×24V/m=30V/m。这个测试等级是非常严苛的。因为EPAC和电动摩托车的使用环境与汽车等其他机动车辆相同，欧盟因此规定测试等级与其他机动车辆测试等级相同。

在实际测试中我们发现，车辆基本都会出现驱动电机转速大幅变化直至停转现象，并无法自行恢复。与其他机动车相比，EPAC和电动摩托车没有汽车那样的金属壳体作为屏蔽，更易受到干扰信号的影响。虽然控制器和驱动电机一般为金属壳体，但信号可以通过线缆耦合进入控制器内部，而目前大多数电动两轮车厂商未考虑外来信号的去耦处理或控制电路纠错处理。

从上述测试分析来看，电动两轮车电磁兼容性现状令人堪忧，主要体现在以下几个方面：

⑴电动两轮车存在大量的电磁骚扰源，如低电压大电流高功率的PWM驱动系统和DC-DC转换器。

⑵由于成本、技术和安全等因素，电动两轮车普遍采用低驱动电压（36～72V），而汽车通常在百伏级，这就造成驱动电流过大（可达百安培级）。

⑶电动两轮车没有汽车那样的金属壳体作为天然屏蔽，因此对外辐射更加直接，也更易受到外界干扰的影响。

⑷由于受到成本及技术的限制，加之对电磁兼容性问题认识不足，电动两轮车制造企业普遍未对产品的电磁兼容性予以足够的重视，解决措施有限。

四、电动两轮车电磁兼容性问题的解决方案

在开发阶段就应考虑产品的电磁兼容性设计，就可以提高通过率，大大降低试验阶段的整改难度，这是电磁兼容业内的共识。解决产品电磁兼容性问题，最有效的措施是抑制骚扰源，在无法处理骚扰源的情况下可以采取屏蔽、滤波、接地等措施，此外，在设计中考虑产品的合理布线也是非常重要的。

⑴布线。良好的布线能以最低的成本有效地减小电磁骚扰的发射。布线的原则：a） 应尽量减小发射源引出线缆的长度，如电源电缆和驱动电缆；b） 应尽量减小发射源引出线缆形成的回路面积，如电源电缆和驱动电缆应尽量靠近或采用铰接方式；c）应避免小信号电缆与发射源引出的电源电缆和驱动电缆平行接近布置，避免产生骚扰信号的线缆间耦合；d）应避免发射源引出的电源电缆和驱动电缆与车身金属杆件的平行接近布置，避免产生骚扰信号通过车架杆件耦合。

⑵屏蔽。首先，对骚扰源的屏蔽，如控制器和DC-DC转换器。虽然控制器和DC-DC控制器通常为金属壳体，但厂商为了防水处理通常导致壳体并未形成一个完整良好的电气连接。其次，对线缆进行屏蔽，特别是发射源引出的线缆。尽量使用屏蔽电缆，并将屏蔽层与控制器和DC-DC壳体360度搭接。在整改过程中，也可使用铝箔纸、锡箔纸或铜编织带进行临时处理，但在实际生产过程中无法采用。

⑶滤波。对控制器和DC-DC转换器进行滤波设计，可以从根本上减小骚扰源的发射。针对超标的频段，选择合适的滤波电容可以获得良好的抑制效果。

⑷控制器的设计。因PWM驱动方式是导致电动两轮车辐射发射超标的罪魁祸首。可考虑增加PWM系统驱动方波的上升沿和下降沿时间。但是这种方法会导致控制器大功率MOSFET发热量增加，增加功耗并降低MOSFET的寿命。此外，选用随机脉宽调制（RPWM）或正弦波调制技术，也可以降低骚扰发射。

⑸去耦。加装匹配的去耦磁环可以有效的避免辐射干扰信号的影响。