随着石油供应的日趋紧缺和环境污染的日益加剧,电动车这种以电能为动力的交通工具凭借其节能、环保的优点日渐成为业界关注的焦点。20世纪80年代以来, 许多发达国家纷纷投入巨资研发电动汽车,我国的“863 计划”也已明确将电动汽车作为重点攻关项目。目前,我国电动汽车的研发水平与发达国家基本上处在同一起跑线上,在某些方面甚至超过国外。2005年,我国第一代混合动力商品车通过论证和验收。

与传统汽车相比,纯电动汽车最大的变革是取消了内燃机,改为电机,能量来源由燃油改为车载蓄电池。一部分车辆采用直流电动机,其DC-DC转换器、换向装置和晶闸管斩波调速装置向外界发射骚扰;一部分车辆采用交流电动机,蓄电池的直流电经过DC-AC逆变器转换为交流电给电机供电,通过电机驱动车辆行进。如果抑制措施不够,逆变后的交流电中将含有丰富的谐波成分,经装置的输入输出线向空间发射较强的电场和磁场。其频谱范围较广,从几十千赫到几十、几百兆赫兹甚至覆盖射频段,会对调幅广播频段以及汽车本身电子管理系统的时钟频率产生严重干扰。另一方面,许多汽车厂家为提高汽车的经济性、安全性和舒适性,在汽车上装置了较多的电子设备,如汽车制动防抱死装置(ABS)、电子控制制动系统(EDS)及安全气囊。如果这些系统的电子控制装置受到干扰,将导致汽车管理系统失调,造成严重的交通事故。因此出于安全角度,电动车的研发阶段应专门进行电磁兼容(EMC)测试,保证整车以及零部件满足电磁兼容的标准要求。

 

电动车的发展方向是真正“零排放、无污染、不消耗燃油”。但是最近来自北美混合动力车车主的投诉,使混合动力车等电动汽车遭遇一场电磁危机。其原因在于电动车的电磁辐射对人体以及生态环境的危害,目前国内尚没有开始这方面的研究,国外有相关研究。虽然这一问题目前尚未有定论,但消费者的担忧不无道理。电磁辐射已被世界卫生组织列为继水源、大气、噪声之后的第四大环境污染源。

另外电动汽车配套产品中的一个非常重要的组成部分是充电系统。根据电动车本身的设计,可以在家里充电,也可以在专业的充电站进行充电。国家发改委在《产业结构调整指导目录(2005年本)》实施两年之后,在旧版目录鼓励建设汽车加气站工程的基础上,《新指导目录》首次提出,鼓励建设新能源汽车充电站工程。目前国内的比亚迪公司正在着力研发自带充电器的电动车,实现在家充电。要实现电动车的产业化,就必须解决电池充电问题,大量布置充电站并增加充电站的功率以提高充电速度,但是电动车充电站作为一个接在城市电网和电动车汽车之间的电工电子设备,必须对充电站的电磁兼容性有严格的要求,这样才能保证充电站在电网中安全稳定的运行并不对其他设备产生干扰。目前国内有相关法规,都很少强制执行,本文对相关法规进行剖析和总结,为电动车以及充电系统的开发工作做铺垫。

 

 

 二、电动车EMC标准以及测试项目 

 

 

国家标准中与电动车辆有关的电磁兼容标准有四个,分别是GB/T17619-1998《机动车电子电器组件的电磁辐射抗干扰限值和测量方法》、GB18655-2002《用于保护车载接收机的无线电骚扰特性的限值和测量方法》、GB14023-2006《车辆、船和由内燃机驱动的装置无线电骚扰特性限值和测量方法》和GB/T18387-2008《电动车辆的电磁场辐射强度的限值和测量方法宽带9kHz~30MHz》,其中前面三个标准与传统车辆通用,本文不在详述。

国家标准GB/T18387-2008等同采用美国机动汽车工程师协会标准SAEJ 551-5:2004《电动车辆的磁场和电场强度的测量方法及执行电平》。

目前国内电动车辆还处于研制样车阶段,电动车辆电磁场辐射强度的测量少有实施。本文根据标准总结相关试验要求。

 

(1)GB18387中规定限值所用带宽为1kHz,而规定的测量仪器带宽如表1,因此在测试之前要先进行带宽转换。0.009MHz~0.15MHz的转换系数为20lg0.2=-13.98dB,0.15MHz~30MHz的转换系数为20lg9=19.08dB。这些系数可以在软件设置测试模板时进行,加上修正系数即可。标准规定的电场和磁场限值见图1和图2。

表1 测量仪器带宽(6dB)

频率范围仪器带宽

0.009MHz~0.15MHz 200Hz

0.15MHz~30MHz 9kHz

图1 标准峰值脉冲的电场强度发射限值图2 标准峰值脉冲的磁场强度发射限值

(2)测试场地为开阔试验场地(OATS),应符合GB14023中规定,目前这个信息时代,很难找到一个符合要求的开阔场。现在大多都使用电波暗室(ALSE),ALSE具有很多优点:稳定的电特性,全天候试验,可控制的电磁环境,测量重复性强。

(3)分别用1m垂直单极子天线和60cm静电屏蔽环天线测量电场和磁场,测量时,单极子天线置于地面上,距车辆的最近部分为

3m±0.1m;环天线中心置于地面以上1m±0.05m,距车辆的最近部分为3m±0.2m。

(4)被测车辆应运行在稳定车速40km/h下,对车辆的每一个侧面进行测量,以获得最大辐射方向和最大辐射电平值。在最大辐射方向分别测量车速为16km/h和64km/h的最大辐射电平值。

 

三、电动车充电系统EMC标准以及测试项目

 

3.1 电动车充电系统的电磁骚扰

GB/T 18487.2-2001《电动车辆传导充电系统电动车辆与交流/直流电源的连接要求》和GB/T 18487.3-2001《电动车辆传导充电系统电动车辆交流/直流充电机(站)》的电磁环境测试部分分别对电动车充电设备和电动车充电站接交流电网时产生的谐波电流、传导骚扰和辐射骚扰作了详细规定。

 

▲ 谐波电流

充电系统连接到交流电源时,所引起的交流输入电流失真不应该超过有关规定。额定电流小于16A的充电系统依据GB/T 17625.1测试符合性,额定电流大于16A小于75A的充电系统依据IEC61000-3-12测试符合性。

 

▲ 高频传导骚扰

GB/T 18487.2-2001中规定了电动车辆在交流输入连接端的传导骚扰限值,见表2。根据GB4343、GB 6113.1和GB 6113.2来检验其符合性。把电动车辆的电源电缆连到人工设置的电源网络上,测量电动车辆充电设备的高频电压骚扰,然后确定产生最大电压骚扰的工作点。

表2 电动车车载充电系统的交流输入端的传导发射限值

位置非限定区域(包括民用环

境)限定区域的(仅限于工业环

境)

频段MHz 准峰值dBμV 平均值dBμV 准峰值dBμV 平均值dBμV

0.15~0.5 66随频率对

数减少到56 56随频率对

数减少到46

79 66

0.5~5.0 56 46 73 60

5.O~30.0 60 50 73 60

注:表中平均值测量用限值是暂定的,通过一段时间实践后可能会修改。

GB/T 18487.3-2001规定了电动车辆充电站接电阻性负载和额定输出功率下,交流输入端对外发射的传导骚扰限值,见表3。根据GB 9254、GB 6113.1和GB 6113.2检验其符合性。

表3 电动车充电站的交流输入端的传导发射限值

频率MHz 限值

准峰值dBμV 平均值dBμV

0.15~0.5 66随频率对数减少到

56 56随频率对数减少到

46

0.5~5.0 56 46

5.O~30.0 60 50

GB/T 18487.3-2001还规定了电动车充电站的信号线和控制线的传导发射骚扰限值,见表4。根据GB 9254、GB 6113.1和GB 6113.2检验其符合性。

表4 电动车充电站的信号线和控制线的传导发射限值

频率MHz 限值

准峰值dBμV 平均值dBμV

0.15~0.5 40随频率对数减少到

30 30随频率对数减少到

20

0.5~30.0 30 20

 

▲ 高频辐射骚扰

GB/T 18487.2对电动车车载充电系统没有作高频辐射骚扰限制,然而GB/T18387-2008规定如下:如果车载充电系统的数字控制电路或开关电路使用的频率超出1.705MHz,应对车载充电系统进行辐射发射测试,根据GB14023进行测量,在频率范围30MHz~1000MHz执行窄带辐射发射限值。GB/T 18487.3对电动车充电站的高频辐射干扰作了规定,10米处的强度限值见表5。

表5 电动车充电站的辐射发射限值

频率MHz 准峰值限值dBμV/m

30~230 30

230~1000 37

 

     3.2 电动车充电系统的电磁抗扰度

 电动车的充电系统,在充电过程中属于电力网络中的一个高功耗设备,其电磁兼容抗扰度试验除了应该考虑静电放电、射频辐射、射频传导、浪涌以及电快速脉冲群等抗扰度试验项目外,还应通过更加严酷的电源相关的电磁兼容抗扰度试验,如电压中断、跌落以及变化抗扰度,工频电压中的谐波抗扰度,电压波动抗扰度、三相电压不平衡抗扰度以及工频电网中的频率变化抗扰度试验。

相关要求可以参考 GB/T 18487.2-2001和GB/T 18487.3-2001

的电磁环境测试部分。

 

▲电源电压暂降和中断抗扰度

直接用交流电网供电的电动车充电设备或者电动车辆充电站(交流)都应能承受电网故障导致电源电压跳变和中断,依据GB/T 17626.11测试符合性。其最低测试等级是电压下降到标称电压的70%,持续时间达10 ms,性能判据为B;电压下降到标称电压的50%,持续时间达100 ms,性能判据为B;电压下降到标称电压的95%,持续时间达5 s,性能判据为B。

 

▲电源电压谐波抗扰度

直接用交流电网供电的电动车充电设备或者电动车辆充电站(交流)都能承受电网中50 Hz~2000 Hz范围内电压谐波,通常该谐波是由电网中接入的其他非线性负载引起的,其电平的最低要求是IEC 61000-2-2中电源电压谐波限值乘上系数1.7,性能判据为A。根据IEC最新标准的趋势,将来应该采用IEC61000-4-13。

 

▲ 静电放电抗扰度

直接用交流电网供电的电动车充电设备或者电动车辆充电站(交流)都应该能够抗静电放电,依据GB/T 17626.2测试符合性,推荐的最低要求是:8kV(空气放电)或者4kV(接触放电),性能判据为B。

 

▲快速脉冲群抗扰度

直接用交流电网供电的电动车充电设备或者电动车辆充电站(交流)应能承受快速脉冲群的共模骚扰,共模干扰通常由电感性负载切换、继电接触器抖动、高压开关装置切换引起,依据GB/T 17626.4测试符合性,测试等级为电压2 kV,5 kHz脉冲重复率,持续1 min 以上,性能判据为B。对所有电源电缆、输入/输出信号线和控制电缆(如果有的话)应进行测试,在充电期间把它们接到电动车辆充电机(站),对输入/输出信号和控制电缆的电平级别应减半。

 

▲浪涌电压抗扰度

直接用交流电网供电的电动车充电设备或者电动车辆充电站(交流)应能承受电压冲击,浪涌电压通常由电网换接的转换、故障或闪电(间接电击)引起的。依据GB/T 17626.5测试符合性,测试等级最低要求为1.2/50μs冲击,共模状态下2 kV,差模状态下为1 kV,性能判据为C。

 

▲辐射电磁场抗扰度

直接用交流电网供电的电动车充电设备或者电动车辆充电站(交流)都应能承受射频电磁干扰,依据GB/T 17626.3测试符合性。其最低要求为场强3 V/m,频率80 MHz~1000 MHz;性能判据为A;场强10 V/m,频率80 MHz~1000 MHz,性能判据为B。

 

▲ 电压不平衡和直流分量抗扰度

直接用交流电网供电的电动车充电设备或者电动车辆充电站(交流)都应能承受电网电压的不平衡度和由不平衡负载引起的直流分量,但其具体测试要求还在考虑中。

 

 四、结语

 

 电动车在其研制过程中必须充分考虑电磁兼容问题,特别针对电源控制系统以及其他功能和娱乐控制系统,必须做好滤波、屏蔽等抑制措施,使其自身发射的骚扰足够小,减少对人体的伤害和环境的污染,同时提高自身的抗干扰能力。本文重点阐述了电动车的低频段(9kHz~30MHz)的电场和磁场发射要求。

电动车车载充电器的电磁兼容问题也是电动车产业化进程中的关键问题,另外专业的电动汽车充电站的电磁兼容性问题更加复杂,本文仅对其充电系统的电磁兼容性测试进行了介绍,除充电系统外,电动车充电站还具有计量系统、收费系统,要保证充电站的正常运行,对计量系统和收费系统的电磁兼容性也应充分考虑。