隨著石油供應的日趨緊缺和環境污染的日益加劇,電動車這種以電能為動力的交通工具憑借其節能、環保的優點日漸成為業界關注的焦點。20世紀80年代以來, 許多發達國家紛紛投入巨資研發電動汽車,我國的“863 計劃”也已明確將電動汽車作為重點攻關項目。目前,我國電動汽車的研發水平與發達國家基本上處在同一起跑線上,在某些方面甚至超過國外。2005年,我國第一代混合動力商品車通過論證和驗收。

與傳統汽車相比,純電動汽車最大的變革是取消了內燃機,改為電機,能量來源由燃油改為車載蓄電池。一部分車輛采用直流電動機,其DC-DC轉換器、換向裝置和晶閘管斬波調速裝置向外界發射騷擾;一部分車輛采用交流電動機,蓄電池的直流電經過DC-AC逆變器轉換為交流電給電機供電,通過電機驅動車輛行進。如果抑制措施不夠,逆變后的交流電中將含有豐富的諧波成分,經裝置的輸入輸出線向空間發射較強的電場和磁場。其頻譜范圍較廣,從幾十千赫到幾十、幾百兆赫茲甚至覆蓋射頻段,會對調幅廣播頻段以及汽車本身電子管理系統的時鐘頻率產生嚴重干擾。另一方面,許多汽車廠家為提高汽車的經濟性、安全性和舒適性,在汽車上裝置了較多的電子設備,如汽車制動防抱死裝置(ABS)、電子控制制動系統(EDS)及安全氣囊。如果這些系統的電子控制裝置受到干擾,將導致汽車管理系統失調,造成嚴重的交通事故。因此出于安全角度,電動車的研發階段應專門進行電磁兼容(EMC)測試,保證整車以及零部件滿足電磁兼容的標準要求。

 

電動車的發展方向是真正“零排放、無污染、不消耗燃油”。但是最近來自北美混合動力車車主的投訴,使混合動力車等電動汽車遭遇一場電磁危機。其原因在于電動車的電磁輻射對人體以及生態環境的危害,目前國內尚沒有開始這方面的研究,國外有相關研究。雖然這一問題目前尚未有定論,但消費者的擔憂不無道理。電磁輻射已被世界衛生組織列為繼水源、大氣、噪聲之后的第四大環境污染源。

另外電動汽車配套產品中的一個非常重要的組成部分是充電系統。根據電動車本身的設計,可以在家里充電,也可以在專業的充電站進行充電。國家發改委在《產業結構調整指導目錄(2005年本)》實施兩年之后,在舊版目錄鼓勵建設汽車加氣站工程的基礎上,《新指導目錄》首次提出,鼓勵建設新能源汽車充電站工程。目前國內的比亞迪公司正在著力研發自帶充電器的電動車,實現在家充電。要實現電動車的產業化,就必須解決電池充電問題,大量布置充電站并增加充電站的功率以提高充電速度,但是電動車充電站作為一個接在城市電網和電動車汽車之間的電工電子設備,必須對充電站的電磁兼容性有嚴格的要求,這樣才能保證充電站在電網中安全穩定的運行并不對其他設備產生干擾。目前國內有相關法規,都很少強制執行,本文對相關法規進行剖析和總結,為電動車以及充電系統的開發工作做鋪墊。

 

 

 二、電動車EMC標準以及測試項目 

 

 

國家標準中與電動車輛有關的電磁兼容標準有四個,分別是GB/T17619-1998《機動車電子電器組件的電磁輻射抗干擾限值和測量方法》、GB18655-2002《用于保護車載接收機的無線電騷擾特性的限值和測量方法》、GB14023-2006《車輛、船和由內燃機驅動的裝置無線電騷擾特性限值和測量方法》和GB/T18387-2008《電動車輛的電磁場輻射強度的限值和測量方法寬帶9kHz~30MHz》,其中前面三個標準與傳統車輛通用,本文不在詳述。

國家標準GB/T18387-2008等同采用美國機動汽車工程師協會標準SAEJ 551-5:2004《電動車輛的磁場和電場強度的測量方法及執行電平》。

目前國內電動車輛還處于研制樣車階段,電動車輛電磁場輻射強度的測量少有實施。本文根據標準總結相關試驗要求。

 

(1)GB18387中規定限值所用帶寬為1kHz,而規定的測量儀器帶寬如表1,因此在測試之前要先進行帶寬轉換。0.009MHz~0.15MHz的轉換系數為20lg0.2=-13.98dB,0.15MHz~30MHz的轉換系數為20lg9=19.08dB。這些系數可以在軟件設置測試模板時進行,加上修正系數即可。標準規定的電場和磁場限值見圖1和圖2。

表1 測量儀器帶寬(6dB)

頻率范圍儀器帶寬

0.009MHz~0.15MHz 200Hz

0.15MHz~30MHz 9kHz

圖1 標準峰值脈沖的電場強度發射限值圖2 標準峰值脈沖的磁場強度發射限值

(2)測試場地為開闊試驗場地(OATS),應符合GB14023中規定,目前這個信息時代,很難找到一個符合要求的開闊場。現在大多都使用電波暗室(ALSE),ALSE具有很多優點:穩定的電特性,全天候試驗,可控制的電磁環境,測量重復性強。

(3)分別用1m垂直單極子天線和60cm靜電屏蔽環天線測量電場和磁場,測量時,單極子天線置于地面上,距車輛的最近部分為

3m±0.1m;環天線中心置于地面以上1m±0.05m,距車輛的最近部分為3m±0.2m。

(4)被測車輛應運行在穩定車速40km/h下,對車輛的每一個側面進行測量,以獲得最大輻射方向和最大輻射電平值。在最大輻射方向分別測量車速為16km/h和64km/h的最大輻射電平值。

 

三、電動車充電系統EMC標準以及測試項目

 

3.1 電動車充電系統的電磁騷擾

GB/T 18487.2-2001《電動車輛傳導充電系統電動車輛與交流/直流電源的連接要求》和GB/T 18487.3-2001《電動車輛傳導充電系統電動車輛交流/直流充電機(站)》的電磁環境測試部分分別對電動車充電設備和電動車充電站接交流電網時產生的諧波電流、傳導騷擾和輻射騷擾作了詳細規定。

 

▲ 諧波電流

充電系統連接到交流電源時,所引起的交流輸入電流失真不應該超過有關規定。額定電流小于16A的充電系統依據GB/T 17625.1測試符合性,額定電流大于16A小于75A的充電系統依據IEC61000-3-12測試符合性。

 

▲ 高頻傳導騷擾

GB/T 18487.2-2001中規定了電動車輛在交流輸入連接端的傳導騷擾限值,見表2。根據GB4343、GB 6113.1和GB 6113.2來檢驗其符合性。把電動車輛的電源電纜連到人工設置的電源網絡上,測量電動車輛充電設備的高頻電壓騷擾,然后確定產生最大電壓騷擾的工作點。

表2 電動車車載充電系統的交流輸入端的傳導發射限值

位置非限定區域(包括民用環

境)限定區域的(僅限于工業環

境)

頻段MHz 準峰值dBμV 平均值dBμV 準峰值dBμV 平均值dBμV

0.15~0.5 66隨頻率對

數減少到56 56隨頻率對

數減少到46

79 66

0.5~5.0 56 46 73 60

5.O~30.0 60 50 73 60

注:表中平均值測量用限值是暫定的,通過一段時間實踐后可能會修改。

GB/T 18487.3-2001規定了電動車輛充電站接電阻性負載和額定輸出功率下,交流輸入端對外發射的傳導騷擾限值,見表3。根據GB 9254、GB 6113.1和GB 6113.2檢驗其符合性。

表3 電動車充電站的交流輸入端的傳導發射限值

頻率MHz 限值

準峰值dBμV 平均值dBμV

0.15~0.5 66隨頻率對數減少到

56 56隨頻率對數減少到

46

0.5~5.0 56 46

5.O~30.0 60 50

GB/T 18487.3-2001還規定了電動車充電站的信號線和控制線的傳導發射騷擾限值,見表4。根據GB 9254、GB 6113.1和GB 6113.2檢驗其符合性。

表4 電動車充電站的信號線和控制線的傳導發射限值

頻率MHz 限值

準峰值dBμV 平均值dBμV

0.15~0.5 40隨頻率對數減少到

30 30隨頻率對數減少到

20

0.5~30.0 30 20

 

▲ 高頻輻射騷擾

GB/T 18487.2對電動車車載充電系統沒有作高頻輻射騷擾限制,然而GB/T18387-2008規定如下:如果車載充電系統的數字控制電路或開關電路使用的頻率超出1.705MHz,應對車載充電系統進行輻射發射測試,根據GB14023進行測量,在頻率范圍30MHz~1000MHz執行窄帶輻射發射限值。GB/T 18487.3對電動車充電站的高頻輻射干擾作了規定,10米處的強度限值見表5。

表5 電動車充電站的輻射發射限值

頻率MHz 準峰值限值dBμV/m

30~230 30

230~1000 37

 

     3.2 電動車充電系統的電磁抗擾度

 電動車的充電系統,在充電過程中屬于電力網絡中的一個高功耗設備,其電磁兼容抗擾度試驗除了應該考慮靜電放電、射頻輻射、射頻傳導、浪涌以及電快速脈沖群等抗擾度試驗項目外,還應通過更加嚴酷的電源相關的電磁兼容抗擾度試驗,如電壓中斷、跌落以及變化抗擾度,工頻電壓中的諧波抗擾度,電壓波動抗擾度、三相電壓不平衡抗擾度以及工頻電網中的頻率變化抗擾度試驗。

相關要求可以參考 GB/T 18487.2-2001和GB/T 18487.3-2001

的電磁環境測試部分。

 

▲電源電壓暫降和中斷抗擾度

直接用交流電網供電的電動車充電設備或者電動車輛充電站(交流)都應能承受電網故障導致電源電壓跳變和中斷,依據GB/T 17626.11測試符合性。其最低測試等級是電壓下降到標稱電壓的70%,持續時間達10 ms,性能判據為B;電壓下降到標稱電壓的50%,持續時間達100 ms,性能判據為B;電壓下降到標稱電壓的95%,持續時間達5 s,性能判據為B。

 

▲電源電壓諧波抗擾度

直接用交流電網供電的電動車充電設備或者電動車輛充電站(交流)都能承受電網中50 Hz~2000 Hz范圍內電壓諧波,通常該諧波是由電網中接入的其他非線性負載引起的,其電平的最低要求是IEC 61000-2-2中電源電壓諧波限值乘上系數1.7,性能判據為A。根據IEC最新標準的趨勢,將來應該采用IEC61000-4-13。

 

▲ 靜電放電抗擾度

直接用交流電網供電的電動車充電設備或者電動車輛充電站(交流)都應該能夠抗靜電放電,依據GB/T 17626.2測試符合性,推薦的最低要求是:8kV(空氣放電)或者4kV(接觸放電),性能判據為B。

 

▲快速脈沖群抗擾度

直接用交流電網供電的電動車充電設備或者電動車輛充電站(交流)應能承受快速脈沖群的共模騷擾,共模干擾通常由電感性負載切換、繼電接觸器抖動、高壓開關裝置切換引起,依據GB/T 17626.4測試符合性,測試等級為電壓2 kV,5 kHz脈沖重復率,持續1 min 以上,性能判據為B。對所有電源電纜、輸入/輸出信號線和控制電纜(如果有的話)應進行測試,在充電期間把它們接到電動車輛充電機(站),對輸入/輸出信號和控制電纜的電平級別應減半。

 

▲浪涌電壓抗擾度

直接用交流電網供電的電動車充電設備或者電動車輛充電站(交流)應能承受電壓沖擊,浪涌電壓通常由電網換接的轉換、故障或閃電(間接電擊)引起的。依據GB/T 17626.5測試符合性,測試等級最低要求為1.2/50μs沖擊,共模狀態下2 kV,差模狀態下為1 kV,性能判據為C。

 

▲輻射電磁場抗擾度

直接用交流電網供電的電動車充電設備或者電動車輛充電站(交流)都應能承受射頻電磁干擾,依據GB/T 17626.3測試符合性。其最低要求為場強3 V/m,頻率80 MHz~1000 MHz;性能判據為A;場強10 V/m,頻率80 MHz~1000 MHz,性能判據為B。

 

▲ 電壓不平衡和直流分量抗擾度

直接用交流電網供電的電動車充電設備或者電動車輛充電站(交流)都應能承受電網電壓的不平衡度和由不平衡負載引起的直流分量,但其具體測試要求還在考慮中。

 

 四、結語

 

 電動車在其研制過程中必須充分考慮電磁兼容問題,特別針對電源控制系統以及其他功能和娛樂控制系統,必須做好濾波、屏蔽等抑制措施,使其自身發射的騷擾足夠小,減少對人體的傷害和環境的污染,同時提高自身的抗干擾能力。本文重點闡述了電動車的低頻段(9kHz~30MHz)的電場和磁場發射要求。

電動車車載充電器的電磁兼容問題也是電動車產業化進程中的關鍵問題,另外專業的電動汽車充電站的電磁兼容性問題更加復雜,本文僅對其充電系統的電磁兼容性測試進行了介紹,除充電系統外,電動車充電站還具有計量系統、收費系統,要保證充電站的正常運行,對計量系統和收費系統的電磁兼容性也應充分考慮。