電動自行車充電器電磁兼容測試分析與研究

朱偉東

一、現狀

目前，根據電池的種類，電動自行車充電器一般分為兩種，一是鉛酸電池充電器，充電方式主要有恒流充電法、恒壓充電法、階段等流充電法和浮充；二是鋰電池充電器，其充電方式相對簡單，采用限壓限流法，即對電流和電壓給定一個限制的閾值。電動自行車充電器的銷售環節主要是線下實體店及線上各種電商平臺，種類非常多，各式各樣，五花八門。同一產品在不同平臺價格差別較大，質量方面良莠不齊，“三無”產品也偶有發現。在我國消費領域，充電器的質量問題不可小覷，不能忽視。雖然與其對應的國家推薦性標準已經實施，但電動自行車充電器導致的安全事故還是時有發生。

據相關數據，大多數電瓶車起火時都是在充電過程中，其中的原因就是電動自行車充電器不合格。不合格充電器的配件質量通常不過關，使用了非防火的劣質材料，為了降低成本沒有相應的保護功能，電源線也不符合國家安規要求。電氣性能不良容易導致各種故障，如短路后過熱產生大量熱量，損壞絕緣，燒毀充電器，嚴重時還會引發火災，造成不可挽回的損失。

二、測試項目

電動自行車充電器產品的標準見表1，GB/T 36944-2018引用GB 4343.1的標準，進行電磁兼容測試的項目有：騷擾電壓（交流電源端和直流輸出端子項目）、騷擾功率和諧波電流。[1]

表1 充電器產品標準對比

（一）騷擾電壓

騷擾電壓也叫傳導發射、傳導騷擾，是指被測產品在通電正常運行時產生的騷擾能量通過電源線、信號線或其他線纜向外輻射的一種電磁現象。騷擾電壓測量主要由人工電源網絡和EMI接收機組成，人工電源網絡提供穩定的阻抗和純凈的電源。測量頻率范圍為150kHz至30MHz。

對某品牌的型號為48V8-14AH的電動自行車充電器按照GB 4343.1進行測試，測試結果如下：

圖1中紅色線為準峰值限值，紫色線為平均值限值，藍色和綠色菱形小點為終測數據，分別代表準峰值和平均值。由圖表信息可知，該電動自行車充電器的L、N極性準峰值和平均值都超過了標準中所要求的限值。

圖1 L、N極性騷擾電壓曲線圖

（二）騷擾功率

被測產品在通電正常運行時，電源線、信號線或其他線纜通過空間向外輻射騷擾能量，而吸收鉗正適用于這些騷擾能量的測量，即騷擾功率。騷擾功率測量主要由吸收鉗、EMI接收機和滑軌組成。測量頻率范圍為30MHz至300MHz。[2]

對上述同一品牌和型號的電動自行車充電器的交流電源端按照GB 4343.1進行騷擾功率測試，測試結果如下：

圖2中紅色線為準峰值限值，紫色線為平均值限值，藍色和綠色菱形小點為終測數據，分別代表準峰值和平均值。由圖表信息可知，該電動自行車充電器的交流電源端準峰值和平均值都超過了標準中所要求的限值。

圖2 交流電源端騷擾功率曲線圖

圖3 通電與整流電路圖

圖4 供電與保護電路圖

（三）諧波電流

1.諧波電流產生的原因及危害

通常，發電機向電網提供50Hz的正弦波電壓或電流波叫做基波。但對于非線性用電設備（如半導體整流器、逆變器、變頻器、電焊機等），其輸入電流波形出現畸變，即不再是規則的正弦波，這些設備工作時，就會產生諧波。[3]

由于電動自行車充電器中存在整流濾波電路、高壓開關電路及電壓轉換，在這些電路中du/dt和di/dt不是常數，充電時220V的AC電壓轉換為300V左右的直流電壓，進而產生充電所需的低壓直流電壓，因此會產生高次諧波，通過特定的儀器就能測量高次諧波含量。

諧波降低了發電、輸電及用電設備的效率，大量非線性設備的應用，會造成電網電壓波形畸變，使電網電能質量下降。當電網中存在過量的諧波電流，對電機產生附加損耗，不僅會使發電機的效率降低，加速線圈絕緣的老化，嚴重時還會造成發電機和電網設備的損壞，降低了電機的使用壽命，還會影響電網用戶設備的正常工作，導致高靈敏度的電子設備信息丟失、數據出錯；同時諧波會對鄰近的通信及網絡系統產生干擾，輕者產生噪聲，降低通信質量，重者造成控制失常、系統死機，使通信系統無法正常工作。

2.測試數據及結果

諧波電流測試數據如下表所示，由表2數據我們可以看到13次、15次、17次、19次和25次諧波電流測試的平均值均超過了標準對A類設備的限值要求。

表2 諧波電流測試數據

三、分析與建議

本次對電動自行車充電器進行電磁兼容三個項目的測試，結果都是不合格。由于充電器內部電路有整流電路和電壓轉換電路，會造成高次諧波干擾和峰值電壓，其產生的電磁干擾會對同一電網中的其他電子設備造成不良影響。同時，近年來充電器安全事故頻發，其中一個重要原因便是沒有在電路中設計短路和過熱保護，因此根據測試數據提出以下建議。

（一）通電與整流電路改進

在電路中加入了保險絲和熱敏電阻。保險絲也叫熔斷器，它的作用主要是電路發生短路或故障時保險絲會被燒斷而阻斷電路的運行，保護了電路安全；而熱敏電阻的作用是在充電器通電的瞬間電壓達到220V，浪涌電流較大，一般會加一個普通的電阻去減小浪涌電流，但這種情況下該電阻會浪費電能，而熱敏電阻的作用是代替普通電阻，在通電瞬間，電阻值較大，此時的浪涌電流會變小，電路穩定后，電阻值變小，減少了不必要的電能浪費。能夠消除高頻脈沖并且起到穩壓作用的濾波電路由互感線圈B1和電容C14組成。四個晶閘管（VD4～VD7）構成橋式整流電路，能夠起到將交流電轉化為直流電的作用。

（二）供電、保護電路改進

此充電器是根據電阻限流啟動的自激式開關電源設計的，該電路特點是電阻電流過大時過流保護電路起作用，開關電源進入非工作狀態。作為感性元件的開關變壓器，為防止尖峰電壓損壞開關管，在電路中設置了尖峰脈沖吸收回路，基本原理是開關管截止的瞬間，c極上會產生反向脈沖，尖峰脈沖經過二極管到C10處，使其充電吸收尖峰脈沖，并且C10的放電能通過R11進行，R11的阻值比較大，這樣不僅能使開關管的損耗減少，尖峰脈沖也被吸收，有效減少了電磁騷擾。

（三）其他優化建議

對于常見的電磁兼容不合格，通常采取的措施有：一是抑制騷擾源，二是切斷騷擾源的耦合途徑，具體建議如下：

1.安裝電源線濾波器，濾波器的作用是抑制電源線對地的共模噪聲和電源線之間的差模噪聲。在選擇濾波器時主要考慮插入損耗，一般安裝在線路進入屏蔽的位置，靠近接口處，需要有干凈地、并排安裝、在接口處設置擋板，隔斷騷擾信號的傳導路徑；

2.在PCB板設計過程中，合理安排線路和空間，遵守EMC設計規范，盡量采用小面積的環路設計，且不要留有太長的走線。盡量降低地線的阻抗，外拖電源線盡量布置在線路板的同一側；

3.對于金屬端子，應注意良好的接地，以盡量減少接地阻抗；

4.為了避免串擾，需合理調整電路板之間的互連線，特別是端子板的連接。若騷擾功率超過限值，為消除高頻干擾，可以將鐵氧體磁環或者共模扼流圈加到端口內部電路上。已經設計好的充電器，建議加裝金屬屏蔽箱，不僅隔離了內部與外部空間的電磁耦合，還能為電源濾波器提供接地和隔離界面。如果考慮成本無法安裝屏蔽機箱，則可以在充電器的內部鋪設一塊金屬箔，金屬箔的表面可以做絕緣處理，作為射頻干擾地。

結束語

由電動自行車引發的火災并不少見，其原因有多種。根據調查，大部分是在充電過程中發生的。不合格充電器存在很大的安全隱患，由此可見電動自行車充電器質量的重要性。然而，電動自行車充電器并不在我國CCC強制性產品認證目錄中，出現嚴重不合格的主要原因是該產品市場準入門檻低，部分生產者為節約成本，存在偷工減料選取了質量較差的元器件，導致了產品存在安全隱患。隨著新國標GB 42296-2022《電動自行車用充電器安全技術要求》的正式發布，電動自行車標準中充電方面的漏洞與不足將進一步得到補充和完善。同時，規范市場準入制度，推動企業轉型升級，增強產品品質，改善充電過程中的各種安全隱患，為消費者合法權益提供強有力的保障。