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        電動(dòng)自行車電磁兼容性探討

        2016-12-22 09:06:06萬(wàn)宇明朱應(yīng)陳
        新能源科技 2016年11期
        關(guān)鍵詞:設(shè)備

        萬(wàn)宇明 朱應(yīng)陳

        (國(guó)家輕型電動(dòng)車及電池產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心, 江蘇 無(wú)錫 214000)

        電動(dòng)自行車電磁兼容性探討

        萬(wàn)宇明 朱應(yīng)陳

        (國(guó)家輕型電動(dòng)車及電池產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心, 江蘇 無(wú)錫 214000)

        本文解釋了電磁兼容概念,較詳細(xì)分析了電動(dòng)自行車的電磁兼容特性,介紹了國(guó)內(nèi)外相關(guān)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn),并針對(duì)部分關(guān)鍵項(xiàng)目進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),探討了電動(dòng)自行車電氣系統(tǒng)的電磁兼容性。

        電動(dòng)自行車;電磁兼容;控制器;充電器

        1. 電磁兼容性(EMC)概念解析

        根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4365-2003《電工術(shù)語(yǔ) 電磁兼容》中的定義,電磁兼容性是指設(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。即為了使在同一電磁環(huán)境下工作的各種電子電氣設(shè)備或系統(tǒng),都能正常工作,互不干擾,達(dá)到兼容狀態(tài),每個(gè)設(shè)備的電磁干擾特性(EMI)和電磁抗干擾特性(EMS)都應(yīng)符合要求。其中,EMI主要是指設(shè)備向外部發(fā)射電磁騷擾的特性,EMS主要是指設(shè)備抵抗外部入侵的電磁騷擾的能力。

        電磁兼容的三個(gè)基本要素,騷擾源、傳輸途徑、敏感設(shè)備,如圖1所示。騷擾源產(chǎn)生的電磁騷擾,經(jīng)過(guò)空間輻射或?qū)Ь€傳導(dǎo)等傳輸途徑,傳播到敏感設(shè)備。任何電子電氣設(shè)備都可能是騷擾源,也可能是敏感設(shè)備。設(shè)備產(chǎn)生的電磁騷擾是客觀存在的,但只有在影響了敏感設(shè)備的正常工作時(shí)才構(gòu)成“干擾”,也就是電磁干擾。而設(shè)備越敏感,表明其抗擾度越差。

        圖1 電磁兼容三要素

        2.電動(dòng)自行車的電磁兼容特性分析

        電動(dòng)自行車的電氣系統(tǒng)主要由以下三大模塊組成,充電器電路、控制器電路、其他附屬電路,如圖2所示。

        其中,充電器電路主要由充電器和蓄電池組成,而目前大多采用了開關(guān)電源。在開關(guān)電源中,主功率開關(guān)管在很高的電壓下,以高頻開關(guān)方式工作,開關(guān)電壓及開關(guān)電流均接近方波,從頻譜分析可知,方波信號(hào)含有豐富的高次諧波。而高頻變壓器的漏感及分布電容,也會(huì)導(dǎo)致高頻尖峰諧波振蕩的產(chǎn)生。因此,在其工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量電磁騷擾,一般會(huì)通過(guò)導(dǎo)線傳導(dǎo)的方式,將產(chǎn)生的電磁騷擾傳播到同一電網(wǎng)下的其他電子電氣設(shè)備。當(dāng)然,也會(huì)通過(guò)同樣的途徑,會(huì)遭受各種來(lái)自外界的電磁騷擾。

        圖2 電動(dòng)自行車的電氣系統(tǒng)

        隨著無(wú)刷電機(jī)的問(wèn)世,逐步替代了傳統(tǒng)的有刷電機(jī)。無(wú)刷電機(jī)控制電路,也是電動(dòng)自行車電氣系統(tǒng)的核心電路,主要由控制器、電機(jī)、轉(zhuǎn)把、閘把等組成。其工作過(guò)程是,首先根據(jù)霍爾元件感應(yīng)到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的目前所在位置,其次依照定子繞組決定開啟或關(guān)閉MOSFET的順序,通過(guò)控制上臂和下臂MOSFET使電流依序流經(jīng)電動(dòng)機(jī)繞組,從而產(chǎn)生順時(shí)針或逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),并與轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)相互作用,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。而為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)和平滑調(diào)速,需控制器連續(xù)開關(guān)不同的MOSFET組合并疊加PWM控制,脈寬調(diào)制PWM攜帶大量高頻信號(hào),這是因?yàn)镸OSFET要不斷的高速開啟和關(guān)閉,因此,控制器電路工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁騷擾,一般會(huì)通過(guò)空間輻射的方式,將騷擾傳播到同一電磁環(huán)境下其他電子電氣設(shè)備。當(dāng)然,也會(huì)通過(guò)同樣的途徑,會(huì)遭受各種來(lái)自外界的電磁騷擾。

        附屬電路,主要含照明系統(tǒng)、喇叭、儀表等。該部分的電磁兼容特性也不容忽視,比如,液晶儀表對(duì)靜電的抗擾特性。該部分系統(tǒng)涉及到DC-DC轉(zhuǎn)換器、閃光器等,這些都一定程度上影響了整車的電磁兼容性。

        3.相關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

        國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō),2010年1月1日起實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24158-2010《電動(dòng)摩托車和電動(dòng)輕便摩托車通用技術(shù)條件》中規(guī)定了整車無(wú)線電騷擾特性,要求符合GB/ T 18387《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》、GB 14023《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》的規(guī)定。而國(guó)內(nèi)的GB 17761-1999《電動(dòng)自行車通用技術(shù)條件》中,暫無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

        國(guó)外來(lái)說(shuō),歐盟于2009年發(fā)布的電動(dòng)助力自行車(EPAC)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)EN 15194:2009+A1:2011《Cycles -Electrically power assisted cycles - EPAC Bicycles》中,針對(duì)EPAC整車、電子電氣組件及電池充電器,提出了相關(guān)電磁兼容要求,包括EMI和EMS兩部分。而歐洲議會(huì)及歐盟理事會(huì)發(fā)布,自2016年1月1日起實(shí)施的E-mark認(rèn)證新法規(guī)——168/2013號(hào)法規(guī)適用于所有的L1e~L7e類車輛(兩輪、三輪和四輪)。其補(bǔ)充條款44/2014號(hào)法規(guī)中,明確指出ECE R10電磁兼容法規(guī)應(yīng)為強(qiáng)制要求并替代歐洲議會(huì)及理事會(huì)1997年6月17日指令97/24/EC第8章兩輪或三輪摩托車電磁兼容性。ECE R10中,對(duì)整車、電子電氣組件,分別在充電模式和非充電模式下提出了相關(guān)電磁兼容要求,同樣包括EMI和EMS兩部分。

        4.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

        為了了解電動(dòng)自行車的電磁兼容性,本文中按照GB/T 18387、GB 14023、EN 15194:2009+A1:2011,對(duì)某制造商的某款電動(dòng)自行車進(jìn)行了9kHz~30MHz的輻射發(fā)射電場(chǎng)試驗(yàn)、30MHz~1000MHz輻射發(fā)射試驗(yàn)、以及1GHz以下輻射抗擾度試驗(yàn)。

        圖3 9kHz~30MHz的輻射發(fā)射電場(chǎng)

        圖3是根據(jù)GB/T 18387進(jìn)行的9kHz~30MHz的輻射發(fā)射電場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù),其中測(cè)試時(shí)車輛運(yùn)轉(zhuǎn)速度是16km/h??梢钥闯?,9kHz~200kHz頻率范圍,存在多個(gè)以16kHz為基頻的尖脈沖,部分頻率點(diǎn)其幅值超出了對(duì)應(yīng)限值。這些主要來(lái)自控制器的主頻(16kHz左右)及其諧波。

        圖4 30MHz~1000MHz輻射發(fā)射——水平極化

        圖5 30MHz~1000MHz輻射發(fā)射——垂直極化

        圖4、圖5是根據(jù)GB 14023進(jìn)行的30MHz~1000MHz輻射發(fā)射試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù),可以看出30MHz~100MHz頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生的電磁輻射騷擾較大,尤其天線在垂直極化方向下,該部分電磁騷擾主要來(lái)自電動(dòng)機(jī)和控制器。

        另外,根據(jù)EN 15194:2009+A1:2011進(jìn)行的1GHz以下輻射抗擾度試驗(yàn)中,電動(dòng)自行車在30V/m的場(chǎng)強(qiáng)干擾下,出現(xiàn)了多種運(yùn)行不正常現(xiàn)象,如電機(jī)轉(zhuǎn)速變化,甚至有時(shí)會(huì)停轉(zhuǎn),燈光閃爍,喇叭叫等。

        5.結(jié)語(yǔ)

        本文介紹了電磁兼容概念,分析了電動(dòng)自行車的電磁兼容特性,且進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。電動(dòng)自行車,既作為騷擾源對(duì)外界產(chǎn)生電磁干擾,又作為敏感設(shè)備遭受來(lái)自外界的電磁干擾。因此,為了在其電磁環(huán)境下,能夠保持正常工作,同時(shí)又不影響同一環(huán)境中的其他設(shè)備或系統(tǒng),電動(dòng)自行車也需滿足電磁兼容要求。即電動(dòng)自行車產(chǎn)生的電磁騷擾不應(yīng)該超過(guò)一定限值,且同時(shí)具有一定的抗干擾能力。因此,隨著行業(yè)的發(fā)展,有必要考慮相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的更新迭代中,逐步提出電磁兼容方面的要求。

        編輯:傅金睿

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