电动车及其充电系统的电磁兼容标准研究

电动车及其充电系统的电磁兼容标准研究 摘要：基于电动车的发展趋势以及在其产业化进程中面临的挑战，全面介绍了电动车及其充电系统的电磁兼容问题，重点阐述了电动车的电磁场发射要求及其充电系统的电磁干扰和抗干扰性能要求。关键词: 电动车 电场 磁场 充电系统 骚扰 抗干扰一、 电动车及其充电系统的发展现状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 9kHz30MHz，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。0.009MHz0.15MHz 的转换系数为 20lg0.2=-13.98dB，0.15MHz30MHz 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0.009MHz0.15MHz 200Hz0.15MHz30MHz 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3m0.1m；环天线中心置于地面以上 1m0.05m，距车辆的最近部分为 3m0.2m。（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 dBV 平均值 dBV 准峰值 dBV 平均值 dBV0.150.5 66 随频率对数减少到 5656 随频率对数减少到 4679 660.55.0 56 46 73 605.O30.0 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限值频率 MHz准峰值 dBV 平均值 dBV0.150.5 66 随频率对数减少到5656 随频率对数减少到460.55.0 56 465.O30.0 60 50GB/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 限值频率 MHz准峰值 dBV 平均值 dBV0.150.5 40 随频率对数减少到3030 随频率对数减少到200.530.0 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 30MHz1000MHz 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 dBV/m30230 302301000 373.2 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 Hz2000 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