文/黃曉東 王斌

電磁兼容性（EMC, Electromagnetic Compatibility）是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)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(gè)方面內(nèi)容。電磁兼容性作為一項(xiàng)重要的環(huán)境安全指標(biāo)，已日益受到關(guān)注，我國(guó)早已對(duì)信息電子、音視頻等電子電氣產(chǎn)品的電磁兼容性進(jìn)行CCC強(qiáng)制認(rèn)證。

文章所稱電動(dòng)兩輪車一般包括電動(dòng)自行車和電動(dòng)摩托車，兩者電氣結(jié)構(gòu)和工作原理類似，是擁有典型電子電氣產(chǎn)品屬性的交通工具。目前，我國(guó)已經(jīng)出臺(tái)了針對(duì)電動(dòng)摩托車的電磁騷擾標(biāo)準(zhǔn)，主要參照標(biāo)準(zhǔn)GB 14023-2011 《車輛、船和內(nèi)燃機(jī)無(wú)線電騷擾特性 用于保護(hù)車外接收機(jī)的限值和測(cè)量方法》和GB/T 18387-2008 《電動(dòng)車輛的電磁場(chǎng)發(fā)射強(qiáng)度的限值和測(cè)量方法，寬帶，9kHz～30MHz》的要求，并進(jìn)行CCC強(qiáng)制認(rèn)證。我國(guó)現(xiàn)行電動(dòng)自行車標(biāo)準(zhǔn)GB 17761-1999《電動(dòng)自行車通用技術(shù)條件》中暫無(wú)電磁兼容性相關(guān)要求。但歐盟對(duì)電動(dòng)助力自行車（EPAC）和電動(dòng)摩托車有比我國(guó)現(xiàn)行電動(dòng)摩托車CCC認(rèn)證更為嚴(yán)格的要求，除有電磁騷擾（采用CISPR 12，同GB 14023）要求外，對(duì)整車和零部件還有電磁抗擾度（EPAC參照標(biāo)準(zhǔn)EN 15194，電動(dòng)摩托車參照97/24/EC指令）的要求。

電動(dòng)兩輪車電子電氣系統(tǒng)的原理如圖1所示，主要由蓄電池、控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC-DC轉(zhuǎn)換器、電纜等電子電氣部件組成。

從目前已經(jīng)開展的測(cè)試情況來看，電動(dòng)兩輪車產(chǎn)品電磁騷擾按照GB 14023-2011（CISPR 12: 2009）標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)試通過率較高，但按照GB/T 18387-2008標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)試，特別是電場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試（9kHz～30MHz），通過率較低。電磁抗擾度測(cè)試，在20MHz～1000MHz頻段輻射抗擾度測(cè)試通過率也較低。

下面分別按照測(cè)試項(xiàng)目對(duì)測(cè)試中存在的問題進(jìn)行分析。

一、GB 14023-2011輻射發(fā)射（30MHz～1000MHz）測(cè)試分析

電動(dòng)兩輪車控制器基本都采用單片機(jī)進(jìn)行控制，單片機(jī)振蕩電路可在其工作頻率及各次諧波上產(chǎn)生窄帶輻射發(fā)射，可能會(huì)造成在“上電且電動(dòng)機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)”測(cè)試中超過標(biāo)準(zhǔn)中的平均值限值；驅(qū)動(dòng)電機(jī)在進(jìn)行換向時(shí)，由于電機(jī)中的感性元件（定子或轉(zhuǎn)子繞組）電流突變，會(huì)短時(shí)產(chǎn)生一個(gè)很大的電壓變化，峰值電壓可能會(huì)達(dá)到上百伏，其中包含豐富的諧波分量，這個(gè)周期性出現(xiàn)的電壓變化會(huì)向外產(chǎn)生寬帶輻射發(fā)射，可能會(huì)造成“發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)”測(cè)試中超過標(biāo)準(zhǔn)中的峰值和準(zhǔn)峰值限值。此外，DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電源和轉(zhuǎn)向燈的閃爍電路的寬帶輻射也可能超出峰值和準(zhǔn)峰值限值。控制器通過電源線纜、驅(qū)動(dòng)線纜和信號(hào)線纜與其他電子電氣部件連接，線纜之間相互捆扎，導(dǎo)致輻射信號(hào)通過線纜耦合發(fā)射。由于潛在的騷擾源較多，在按照GB 14023-2011標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試中，應(yīng)采用排除法進(jìn)行輻射源的定位。

圖1 典型電動(dòng)兩輪車電子電氣系統(tǒng)示意圖

二、GB/T 18387-2008輻射發(fā)射（9kHz～30MHz）測(cè)試分析

大部分電動(dòng)兩輪車在目前測(cè)試中會(huì)表現(xiàn)出電場(chǎng)測(cè)試結(jié)果超標(biāo)的問題，從測(cè)試經(jīng)驗(yàn)來看，車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和DC-DC轉(zhuǎn)換器的電場(chǎng)輻射影響最大。

目前電動(dòng)兩輪車控制器普遍采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。PWM的基本原理是控制器產(chǎn)生周期性的方波控制電源到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出，在每個(gè)方波周期內(nèi)，控制器通過調(diào)節(jié)方波的寬度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)速控制。按照電磁場(chǎng)理論，變化的電壓和電流會(huì)產(chǎn)生電磁波，電壓和電流變化越快，產(chǎn)生的電磁場(chǎng)強(qiáng)度越大。電動(dòng)兩輪車的驅(qū)動(dòng)電流一般從十幾安培到上百安培，PWM控制的驅(qū)動(dòng)電流在電源、控制器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的線纜間傳輸，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的電磁場(chǎng)發(fā)射。對(duì)于一個(gè)采用PWM方波頻率為15.75kHz控制器的電動(dòng)兩輪車，按照GB/T 18387標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的電場(chǎng)輻射發(fā)射結(jié)果如圖2所示。從測(cè)試結(jié)果來看，在9kHz～150kHz頻段，騷擾分別對(duì)應(yīng)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(nèi)也經(jīng)常出現(xiàn)不合格情況，在“上電且電動(dòng)機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)”情況下即出現(xiàn)，經(jīng)大量試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)分析，干擾可能來自于DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電路。

圖2 典型電動(dòng)兩輪車電場(chǎng)測(cè)試（9kHz～30MHz）結(jié)果

三、輻射抗擾度（20MHz～2000（1000）MHz）測(cè)試分析

在近年來EPAC和電動(dòng)摩托車的出口認(rèn)證試驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)輻射抗擾度測(cè)試項(xiàng)目的不合格情況非常嚴(yán)重，主要出現(xiàn)在20MHz～1000MHz頻段內(nèi)。輻射抗擾度測(cè)試是歐盟對(duì)EPAC和電動(dòng)摩托車提出的要求。標(biāo)準(zhǔn)和指令要求在頻段內(nèi)，場(chǎng)強(qiáng)參考水平應(yīng)為24V/m，實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)為（1+25%）×24V/m=30V/m。這個(gè)測(cè)試等級(jí)是非常嚴(yán)苛的。因?yàn)镋PAC和電動(dòng)摩托車的使用環(huán)境與汽車等其他機(jī)動(dòng)車輛相同，歐盟因此規(guī)定測(cè)試等級(jí)與其他機(jī)動(dòng)車輛測(cè)試等級(jí)相同。

在實(shí)際測(cè)試中我們發(fā)現(xiàn)，車輛基本都會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大幅變化直至停轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并無(wú)法自行恢復(fù)。與其他機(jī)動(dòng)車相比，EPAC和電動(dòng)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(hào)的影響。雖然控制器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般為金屬殼體，但信號(hào)可以通過線纜耦合進(jìn)入控制器內(nèi)部，而目前大多數(shù)電動(dòng)兩輪車廠商未考慮外來信號(hào)的去耦處理或控制電路糾錯(cuò)處理。

從上述測(cè)試分析來看，電動(dòng)兩輪車電磁兼容性現(xiàn)狀令人堪憂，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

⑴電動(dòng)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)和DC-DC轉(zhuǎn)換器。

⑵由于成本、技術(shù)和安全等因素，電動(dòng)兩輪車普遍采用低驅(qū)動(dòng)電壓（36～72V），而汽車通常在百伏級(jí)，這就造成驅(qū)動(dòng)電流過大（可達(dá)百安培級(jí)）。

⑶電動(dòng)兩輪車沒有汽車那樣的金屬殼體作為天然屏蔽，因此對(duì)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(shù)的限制，加之對(duì)電磁兼容性問題認(rèn)識(shí)不足，電動(dòng)兩輪車制造企業(yè)普遍未對(duì)產(chǎn)品的電磁兼容性予以足夠的重視，解決措施有限。

四、電動(dòng)兩輪車電磁兼容性問題的解決方案

在開發(fā)階段就應(yīng)考慮產(chǎn)品的電磁兼容性設(shè)計(jì)，就可以提高通過率，大大降低試驗(yàn)階段的整改難度，這是電磁兼容業(yè)內(nèi)的共識(shí)。解決產(chǎn)品電磁兼容性問題，最有效的措施是抑制騷擾源，在無(wú)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(shè)計(jì)中考慮產(chǎn)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(fā)射。布線的原則：a） 應(yīng)盡量減小發(fā)射源引出線纜的長(zhǎng)度，如電源電纜和驅(qū)動(dòng)電纜；b） 應(yīng)盡量減小發(fā)射源引出線纜形成的回路面積，如電源電纜和驅(qū)動(dòng)電纜應(yīng)盡量靠近或采用鉸接方式；c）應(yīng)避免小信號(hào)電纜與發(fā)射源引出的電源電纜和驅(qū)動(dòng)電纜平行接近布置，避免產(chǎn)生騷擾信號(hào)的線纜間耦合；d）應(yīng)避免發(fā)射源引出的電源電纜和驅(qū)動(dòng)電纜與車身金屬桿件的平行接近布置，避免產(chǎn)生騷擾信號(hào)通過車架桿件耦合。

⑵屏蔽。首先，對(duì)騷擾源的屏蔽，如控制器和DC-DC轉(zhuǎn)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(dǎo)致殼體并未形成一個(gè)完整良好的電氣連接。其次，對(duì)線纜進(jìn)行屏蔽，特別是發(fā)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(jìn)行臨時(shí)處理，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中無(wú)法采用。

⑶濾波。對(duì)控制器和DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行濾波設(shè)計(jì)，可以從根本上減小騷擾源的發(fā)射。針對(duì)超標(biāo)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(shè)計(jì)。因PWM驅(qū)動(dòng)方式是導(dǎo)致電動(dòng)兩輪車輻射發(fā)射超標(biāo)的罪魁禍?zhǔn)?。可考慮增加PWM系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方波的上升沿和下降沿時(shí)間。但是這種方法會(huì)導(dǎo)致控制器大功率MOSFET發(fā)熱量增加，增加功耗并降低MOSFET的壽命。此外，選用隨機(jī)脈寬調(diào)制（RPWM）或正弦波調(diào)制技術(shù)，也可以降低騷擾發(fā)射。

⑸去耦。加裝匹配的去耦磁環(huán)可以有效的避免輻射干擾信號(hào)的影響。