电动自行车充电器电磁兼容测试分析与研究

朱伟东

一、现状

目前，根据电池的种类，电动自行车充电器一般分为两种，一是铅酸电池充电器，充电方式主要有恒流充电法、恒压充电法、阶段等流充电法和浮充；二是锂电池充电器，其充电方式相对简单，采用限压限流法，即对电流和电压给定一个限制的阈值。电动自行车充电器的销售环节主要是线下实体店及线上各种电商平台，种类非常多，各式各样，五花八门。同一产品在不同平台价格差别较大，质量方面良莠不齐，“三无”产品也偶有发现。在我国消费领域，充电器的质量问题不可小觑，不能忽视。虽然与其对应的国家推荐性标准已经实施，但电动自行车充电器导致的安全事故还是时有发生。

据相关数据，大多数电瓶车起火时都是在充电过程中，其中的原因就是电动自行车充电器不合格。不合格充电器的配件质量通常不过关，使用了非防火的劣质材料，为了降低成本没有相应的保护功能，电源线也不符合国家安规要求。电气性能不良容易导致各种故障，如短路后过热产生大量热量，损坏绝缘，烧毁充电器，严重时还会引发火灾，造成不可挽回的损失。

二、测试项目

电动自行车充电器产品的标准见表1，GB/T 36944-2018引用GB 4343.1的标准，进行电磁兼容测试的项目有：骚扰电压（交流电源端和直流输出端子项目）、骚扰功率和谐波电流。[1]

表1 充电器产品标准对比

（一）骚扰电压

骚扰电压也叫传导发射、传导骚扰，是指被测产品在通电正常运行时产生的骚扰能量通过电源线、信号线或其他线缆向外辐射的一种电磁现象。骚扰电压测量主要由人工电源网络和EMI接收机组成，人工电源网络提供稳定的阻抗和纯净的电源。测量频率范围为150kHz至30MHz。

对某品牌的型号为48V8-14AH的电动自行车充电器按照GB 4343.1进行测试，测试结果如下：

图1中红色线为准峰值限值，紫色线为平均值限值，蓝色和绿色菱形小点为终测数据，分别代表准峰值和平均值。由图表信息可知，该电动自行车充电器的L、N极性准峰值和平均值都超过了标准中所要求的限值。

图1 L、N极性骚扰电压曲线图

（二）骚扰功率

被测产品在通电正常运行时，电源线、信号线或其他线缆通过空间向外辐射骚扰能量，而吸收钳正适用于这些骚扰能量的测量，即骚扰功率。骚扰功率测量主要由吸收钳、EMI接收机和滑轨组成。测量频率范围为30MHz至300MHz。[2]

对上述同一品牌和型号的电动自行车充电器的交流电源端按照GB 4343.1进行骚扰功率测试，测试结果如下：

图2中红色线为准峰值限值，紫色线为平均值限值，蓝色和绿色菱形小点为终测数据，分别代表准峰值和平均值。由图表信息可知，该电动自行车充电器的交流电源端准峰值和平均值都超过了标准中所要求的限值。

图2 交流电源端骚扰功率曲线图

图3 通电与整流电路图

图4 供电与保护电路图

（三）谐波电流

1.谐波电流产生的原因及危害

通常，发电机向电网提供50Hz的正弦波电压或电流波叫做基波。但对于非线性用电设备（如半导体整流器、逆变器、变频器、电焊机等），其输入电流波形出现畸变，即不再是规则的正弦波，这些设备工作时，就会产生谐波。[3]

由于电动自行车充电器中存在整流滤波电路、高压开关电路及电压转换，在这些电路中du/dt和di/dt不是常数，充电时220V的AC电压转换为300V左右的直流电压，进而产生充电所需的低压直流电压，因此会产生高次谐波，通过特定的仪器就能测量高次谐波含量。

谐波降低了发电、输电及用电设备的效率，大量非线性设备的应用，会造成电网电压波形畸变，使电网电能质量下降。当电网中存在过量的谐波电流，对电机产生附加损耗，不仅会使发电机的效率降低，加速线圈绝缘的老化，严重时还会造成发电机和电网设备的损坏，降低了电机的使用寿命，还会影响电网用户设备的正常工作，导致高灵敏度的电子设备信息丢失、数据出错；同时谐波会对邻近的通信及网络系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者造成控制失常、系统死机，使通信系统无法正常工作。

2.测试数据及结果

谐波电流测试数据如下表所示，由表2数据我们可以看到13次、15次、17次、19次和25次谐波电流测试的平均值均超过了标准对A类设备的限值要求。

表2 谐波电流测试数据

三、分析与建议

本次对电动自行车充电器进行电磁兼容三个项目的测试，结果都是不合格。由于充电器内部电路有整流电路和电压转换电路，会造成高次谐波干扰和峰值电压，其产生的电磁干扰会对同一电网中的其他电子设备造成不良影响。同时，近年来充电器安全事故频发，其中一个重要原因便是没有在电路中设计短路和过热保护，因此根据测试数据提出以下建议。

（一）通电与整流电路改进

在电路中加入了保险丝和热敏电阻。保险丝也叫熔断器，它的作用主要是电路发生短路或故障时保险丝会被烧断而阻断电路的运行，保护了电路安全；而热敏电阻的作用是在充电器通电的瞬间电压达到220V，浪涌电流较大，一般会加一个普通的电阻去减小浪涌电流，但这种情况下该电阻会浪费电能，而热敏电阻的作用是代替普通电阻，在通电瞬间，电阻值较大，此时的浪涌电流会变小，电路稳定后，电阻值变小，减少了不必要的电能浪费。能够消除高频脉冲并且起到稳压作用的滤波电路由互感线圈B1和电容C14组成。四个晶闸管（VD4～VD7）构成桥式整流电路，能够起到将交流电转化为直流电的作用。

（二）供电、保护电路改进

此充电器是根据电阻限流启动的自激式开关电源设计的，该电路特点是电阻电流过大时过流保护电路起作用，开关电源进入非工作状态。作为感性元件的开关变压器，为防止尖峰电压损坏开关管，在电路中设置了尖峰脉冲吸收回路，基本原理是开关管截止的瞬间，c极上会产生反向脉冲，尖峰脉冲经过二极管到C10处，使其充电吸收尖峰脉冲，并且C10的放电能通过R11进行，R11的阻值比较大，这样不仅能使开关管的损耗减少，尖峰脉冲也被吸收，有效减少了电磁骚扰。

（三）其他优化建议

对于常见的电磁兼容不合格，通常采取的措施有：一是抑制骚扰源，二是切断骚扰源的耦合途径，具体建议如下：

1.安装电源线滤波器，滤波器的作用是抑制电源线对地的共模噪声和电源线之间的差模噪声。在选择滤波器时主要考虑插入损耗，一般安装在线路进入屏蔽的位置，靠近接口处，需要有干净地、并排安装、在接口处设置挡板，隔断骚扰信号的传导路径；

2.在PCB板设计过程中，合理安排线路和空间，遵守EMC设计规范，尽量采用小面积的环路设计，且不要留有太长的走线。尽量降低地线的阻抗，外拖电源线尽量布置在线路板的同一侧；

3.对于金属端子，应注意良好的接地，以尽量减少接地阻抗；

4.为了避免串扰，需合理调整电路板之间的互连线，特别是端子板的连接。若骚扰功率超过限值，为消除高频干扰，可以将铁氧体磁环或者共模扼流圈加到端口内部电路上。已经设计好的充电器，建议加装金属屏蔽箱，不仅隔离了内部与外部空间的电磁耦合，还能为电源滤波器提供接地和隔离界面。如果考虑成本无法安装屏蔽机箱，则可以在充电器的内部铺设一块金属箔，金属箔的表面可以做绝缘处理，作为射频干扰地。

结束语

由电动自行车引发的火灾并不少见，其原因有多种。根据调查，大部分是在充电过程中发生的。不合格充电器存在很大的安全隐患，由此可见电动自行车充电器质量的重要性。然而，电动自行车充电器并不在我国CCC强制性产品认证目录中，出现严重不合格的主要原因是该产品市场准入门槛低，部分生产者为节约成本，存在偷工减料选取了质量较差的元器件，导致了产品存在安全隐患。随着新国标GB 42296-2022《电动自行车用充电器安全技术要求》的正式发布，电动自行车标准中充电方面的漏洞与不足将进一步得到补充和完善。同时，规范市场准入制度，推动企业转型升级，增强产品品质，改善充电过程中的各种安全隐患，为消费者合法权益提供强有力的保障。