电动自行车电磁兼容性探讨

万宇明 朱应陈

（国家轻型电动车及电池产品质量监督检验中心, 江苏 无锡 214000）

电动自行车电磁兼容性探讨

万宇明 朱应陈

（国家轻型电动车及电池产品质量监督检验中心, 江苏 无锡 214000）

本文解释了电磁兼容概念，较详细分析了电动自行车的电磁兼容特性，介绍了国内外相关电磁兼容标准，并针对部分关键项目进行了验证实验，探讨了电动自行车电气系统的电磁兼容性。

电动自行车；电磁兼容；控制器；充电器

1. 电磁兼容性（EMC）概念解析

根据标准GB/T 4365-2003《电工术语 电磁兼容》中的定义，电磁兼容性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。即为了使在同一电磁环境下工作的各种电子电气设备或系统，都能正常工作，互不干扰，达到兼容状态，每个设备的电磁干扰特性（EMI）和电磁抗干扰特性（EMS）都应符合要求。其中，EMI主要是指设备向外部发射电磁骚扰的特性，EMS主要是指设备抵抗外部入侵的电磁骚扰的能力。

电磁兼容的三个基本要素，骚扰源、传输途径、敏感设备，如图1所示。骚扰源产生的电磁骚扰，经过空间辐射或导线传导等传输途径，传播到敏感设备。任何电子电气设备都可能是骚扰源，也可能是敏感设备。设备产生的电磁骚扰是客观存在的，但只有在影响了敏感设备的正常工作时才构成“干扰”，也就是电磁干扰。而设备越敏感，表明其抗扰度越差。

图1 电磁兼容三要素

2．电动自行车的电磁兼容特性分析

电动自行车的电气系统主要由以下三大模块组成，充电器电路、控制器电路、其他附属电路，如图2所示。

其中，充电器电路主要由充电器和蓄电池组成，而目前大多采用了开关电源。在开关电源中，主功率开关管在很高的电压下，以高频开关方式工作，开关电压及开关电流均接近方波，从频谱分析可知，方波信号含有丰富的高次谐波。而高频变压器的漏感及分布电容，也会导致高频尖峰谐波振荡的产生。因此，在其工作过程中会产生大量电磁骚扰，一般会通过导线传导的方式，将产生的电磁骚扰传播到同一电网下的其他电子电气设备。当然，也会通过同样的途径，会遭受各种来自外界的电磁骚扰。

图2 电动自行车的电气系统

随着无刷电机的问世，逐步替代了传统的有刷电机。无刷电机控制电路，也是电动自行车电气系统的核心电路，主要由控制器、电机、转把、闸把等组成。其工作过程是，首先根据霍尔元件感应到电动机转子的目前所在位置，其次依照定子绕组决定开启或关闭MOSFET的顺序，通过控制上臂和下臂MOSFET使电流依序流经电动机绕组，从而产生顺时针或逆时针方向旋转磁场，并与转子的磁场相互作用，实现电动机的顺时针或逆时针转动。而为了实现电动机的连续转动和平滑调速，需控制器连续开关不同的MOSFET组合并叠加PWM控制，脉宽调制PWM携带大量高频信号，这是因为MOSFET要不断的高速开启和关闭，因此，控制器电路工作过程中会产生较强的电磁骚扰，一般会通过空间辐射的方式，将骚扰传播到同一电磁环境下其他电子电气设备。当然，也会通过同样的途径，会遭受各种来自外界的电磁骚扰。

附属电路，主要含照明系统、喇叭、仪表等。该部分的电磁兼容特性也不容忽视，比如，液晶仪表对静电的抗扰特性。该部分系统涉及到DC-DC转换器、闪光器等，这些都一定程度上影响了整车的电磁兼容性。

3．相关EMC标准现状

国内来说，2010年1月1日起实施的标准GB/T 24158-2010《电动摩托车和电动轻便摩托车通用技术条件》中规定了整车无线电骚扰特性，要求符合GB/ T 18387《电动车辆的电磁场发射强度的限值和测量方法,宽带,9kHz～30MHz》、GB 14023《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》的规定。而国内的GB 17761-1999《电动自行车通用技术条件》中，暂无相关标准要求。

国外来说，欧盟于2009年发布的电动助力自行车（EPAC）产品标准EN 15194:2009+A1:2011《Cycles -Electrically power assisted cycles - EPAC Bicycles》中，针对EPAC整车、电子电气组件及电池充电器，提出了相关电磁兼容要求，包括EMI和EMS两部分。而欧洲议会及欧盟理事会发布，自2016年1月1日起实施的E-mark认证新法规——168/2013号法规适用于所有的L1e～L7e类车辆（两轮、三轮和四轮）。其补充条款44/2014号法规中，明确指出ECE R10电磁兼容法规应为强制要求并替代欧洲议会及理事会1997年6月17日指令97/24/EC第8章两轮或三轮摩托车电磁兼容性。ECE R10中，对整车、电子电气组件，分别在充电模式和非充电模式下提出了相关电磁兼容要求，同样包括EMI和EMS两部分。

4．实验数据

为了了解电动自行车的电磁兼容性，本文中按照GB/T 18387、GB 14023、EN 15194:2009+A1:2011，对某制造商的某款电动自行车进行了9kHz～30MHz的辐射发射电场试验、30MHz～1000MHz辐射发射试验、以及1GHz以下辐射抗扰度试验。

图3 9kHz～30MHz的辐射发射电场

图3是根据GB/T 18387进行的9kHz～30MHz的辐射发射电场试验测试数据，其中测试时车辆运转速度是16km/h。可以看出，9kHz～200kHz频率范围，存在多个以16kHz为基频的尖脉冲，部分频率点其幅值超出了对应限值。这些主要来自控制器的主频（16kHz左右）及其谐波。

图4 30MHz～1000MHz辐射发射——水平极化

图5 30MHz～1000MHz辐射发射——垂直极化

图4、图5是根据GB 14023进行的30MHz～1000MHz辐射发射试验测试数据，可以看出30MHz～100MHz频率范围内产生的电磁辐射骚扰较大，尤其天线在垂直极化方向下，该部分电磁骚扰主要来自电动机和控制器。

另外，根据EN 15194:2009+A1:2011进行的1GHz以下辐射抗扰度试验中，电动自行车在30V/m的场强干扰下，出现了多种运行不正常现象，如电机转速变化，甚至有时会停转，灯光闪烁，喇叭叫等。

5．结语

本文介绍了电磁兼容概念，分析了电动自行车的电磁兼容特性，且进行了相关验证实验。电动自行车，既作为骚扰源对外界产生电磁干扰，又作为敏感设备遭受来自外界的电磁干扰。因此，为了在其电磁环境下，能够保持正常工作，同时又不影响同一环境中的其他设备或系统，电动自行车也需满足电磁兼容要求。即电动自行车产生的电磁骚扰不应该超过一定限值，且同时具有一定的抗干扰能力。因此，随着行业的发展，有必要考虑相关标准的更新迭代中，逐步提出电磁兼容方面的要求。

编辑：傅金睿