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。電磁兼容性包含電磁干擾（EMI, Electromagnetic Interference）和電磁抗擾度（EMS,Electromagnetic Susceptibility）兩個方面內容。電磁兼容性作為一項重要的環境安全指標，已日益受到關注，我國早已對信息電子、音視頻等電子電氣產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，兩者電氣結構和工作原理類似，是擁有典型電子電氣產品屬性的交通工具。目前，我國已經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。我國現行電動自行車標準GB 17761-1999《電動自行車通用技術條件》中暫無電磁兼容性相關要求。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的原理如圖1所示，主要由蓄電池、控制器、驅動電機、DC-DC轉換器、電纜等電子電氣部件組成。

從目前已經開展的測試情況來看，電動兩輪車產品電磁騷擾按照GB 14023-2011（CISPR 12: 2009）標準要求進行輻射發射測試通過率較高，但按照GB/T 18387-2008標準要求進行輻射發射測試，特別是電場輻射發射測試（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生窄帶輻射發射，可能會造成在“上電且電動機不運轉”測試中超過標準中的平均值限值；驅動電機在進行換向時，由于電機中的感性元件（定子或轉子繞組）電流突變，會短時產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，這個周期性出現的電壓變化會向外產生寬帶輻射發射，可能會造成“發動機運轉”測試中超過標準中的峰值和準峰值限值。此外，DC-DC轉換器的開關電源和轉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。控制器通過電源線纜、驅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，導致輻射信號通過線纜耦合發射。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示意圖

二、GB/T 18387-2008輻射發射（9kHz～30MHz）測試分析

大部分電動兩輪車在目前測試中會表現出電場測試結果超標的問題，從測試經驗來看，車輛驅動系統和DC-DC轉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制（PWM）技術對驅動電機的輸出功率和轉速進行控制。PWM的基本原理是控制器產生周期性的方波控制電源到驅動電機的輸出，在每個方波周期內，控制器通過調節方波的寬度調節驅動電機的驅動電流，實現對驅動電機的輸出功率和轉速控制。按照電磁場理論，變化的電壓和電流會產生電磁波，電壓和電流變化越快，產生的電磁場強度越大。電動兩輪車的驅動電流一般從十幾安培到上百安培，PWM控制的驅動電流在電源、控制器和驅動電機之間的線纜間傳輸，從而導致嚴重的電磁場發射。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射結果如圖2所示。從測試結果來看，在9kHz～150kHz頻段，騷擾分別對應控制器方波頻率15.75kHz及其各次諧波分量31.5kHz、47.25kHz、63kHz……。

此外，在10MHz～30MHz頻段內也經常出現不合格情況，在“上電且電動機不運轉”情況下即出現，經大量試驗經驗分析，干擾可能來自于DC-DC轉換器的開關電路。

圖2 典型電動兩輪車電場測試（9kHz～30MHz）結果

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，我們發現輻射抗擾度測試項目的不合格情況非常嚴重，主要出現在20MHz～1000MHz頻段內。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，場強參考水平應為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境與汽車等其他機動車輛相同，歐盟因此規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現，車輛基本都會出現驅動電機轉速大幅變化直至停轉現象，并無法自行恢復。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部，而目前大多數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狀令人堪憂，主要體現在以下幾個方面：

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驅動系統和DC-DC轉換器。

⑵由于成本、技術和安全等因素，電動兩輪車普遍采用低驅動電壓（36～72V），而汽車通常在百伏級，這就造成驅動電流過大（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普遍未對產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

在開發階段就應考慮產品的電磁兼容性設計，就可以提高通過率，大大降低試驗階段的整改難度，這是電磁兼容業內的共識。解決產品電磁兼容性問題，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，在設計中考慮產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射。布線的原則：a） 應盡量減小發射源引出線纜的長度，如電源電纜和驅動電纜；b） 應盡量減小發射源引出線纜形成的回路面積，如電源電纜和驅動電纜應盡量靠近或采用鉸接方式；c）應避免小信號電纜與發射源引出的電源電纜和驅動電纜平行接近布置，避免產生騷擾信號的線纜間耦合；d）應避免發射源引出的電源電纜和驅動電纜與車身金屬桿件的平行接近布置，避免產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，但在實際生產過程中無法采用。

⑶濾波。對控制器和DC-DC轉換器進行濾波設計，可以從根本上減小騷擾源的發射。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控制器的設計。因PWM驅動方式是導致電動兩輪車輻射發射超標的罪魁禍首。可考慮增加PWM系統驅動方波的上升沿和下降沿時間。但是這種方法會導致控制器大功率MOSFET發熱量增加，增加功耗并降低MOSFET的壽命。此外，選用隨機脈寬調制（RPWM）或正弦波調制技術，也可以降低騷擾發射。

⑸去耦。加裝匹配的去耦磁環可以有效的避免輻射干擾信號的影響。