探讨电机电流和电池电流的关系.docx

探讨电机电流和电池电流的关系探讨电机电流和电池电流的关系兼论控制器限流过程 摘要：本文针对目前电动车行业内系统配置的一部分，只对电动车控制器提出限流值控制要求，并且限流值只对电池放电电流而言的现状，提出了不同的见解。笔者论述了使用斩波技术前后电机特性的变化，分析了电池电流和电机电流的一般关系，以及电机堵转实验的控制器限流过程，并给出了堵转电池电流、电机限流值和满压启动电流的关系表达式， 提出了依据系统参数设定电机限流值，以及根据堵转电池电流值和电机限流值的比值，全面评价电控系统性能的观点。 关键词：限流、限流值、限流点、限流过程、堵转、电池堵转电流、电机力矩、满压启动电流、电机效率 一、 引言 目前，电动车控制器的过流保护功能大多采用限流方式来实现的。限流就是在电机启动或堵转时控制其电流不得超过某个最大值，这个最大值就是限流值。限流的目的保护电机，进而保护电池和控制器。对电池而言，电机是主要的用电负载，只有利用控制器的限流功能将电机电流限住，电池电流和控制器功耗也就被相应限制住了。所以，对电动车系统讲限流，应当指对电机最大电流的限制。但笔者发现，现在业内没有充分关注电机电流极其性质。谈到限流，都是指电池放电电流，检测的也是电池放电电流，而且只说控制器的限流值是多大，似乎限流结果与电机与工作电压无关，是控制器独立决定的。虽然，电机电流出自电池，但由于PWM技术在控制器中的运用，电机电流与电池电流不再完全是一回事了，尤其在限流以后，二者的均值有一至几倍的差距。更重要的事情是，如果不讲电机限流值，就不能正确理解一系列实际的现象。以下，笔者将就上述的观点及其相关的问题展开论证，希望得到读者的斧正。 二、电机电流与电池电流 图一表示一个使用PWM技术调速的有刷控制器的功率电路。要指出的是，无刷控制器在任一对上下功率管导通工作期间，也可得到一个形式上同于图一的功率电路 。所以，下面的讨论虽基于图一，但所得结论也适用于无刷控制器。 根据栅极输入信号的不同，功率管T有三种工作状态： 1完全关闭。此时电机不转，电池电流值很小，供给控制器弱电电路。若忽略弱电电路用电，可认为电机电流和电池电流同是0。 2完全导通。则电池电流全流过电机、再流经功率管入地。电池电流、电机电流和功率管电流都相等，是平滑连续的直流电流。一般地，将电动车调速转把电压旋至最大时正常行驶，就是这种情况。 忽略功率管导通压降，相当于将电机直接接到电池上。电动车这时的特性完全由电机的特性决定，与控制器无关。 3开关状态。这时功率管栅极输入的是周期不变，占空比可变的控制脉冲，因此功率管就持续在开通与断开两个状态间进行转换。 开通期间，不考虑开通时的过渡电流，电池电流、电机电流、功率管电流三者的瞬时值相等；断开后，功率管电流和电池电流都为0。所以，电池电流是脉冲状的电流。而电机电流的情况是：功率管断开的瞬间，按法拉第电磁感应定律，电机线圈会产生自感电动势，其方向为靠功率管一端为正，靠电池一端为负。由于续流管D的存在，就形成了闭合回路，产生了感生电流。这个过程是线圈中原来储存能量的释放过程，感生电流将随时间而减小，直至功率管的下一开通时刻。换言之，关断期间，电机中的电流就是感生电流，它流过续流管D，能量消耗在电机线圈电阻和续流管上。通常电机的电磁时间常数通常远大于控制脉冲的周期，所以关断期间的电机电流不会减少至0。 总结起来说，电池电流与功率管电流总是相等的，而电池电流与电机电流只在功率管完全导通的情况下才相等，在斩波状态时是不相等的。斩波期间，电池电流是脉冲状的，而电机电流则是连续的，前者均值小于后者均值，其大小与控制脉冲的导通率和系统参数有关。下一节将给出它们之间的关系式。 三、PWM技术对电机特性的影响 上节说明了斩波后电池电流与电机电流不再相同的物理过程，以下用数学表达式说明PWM技术对电机特性的影响。 电机的PWM控制理论中有一个为人熟知的公式，即 VD =VB (1) 式中，VD 电机端电压平均值 VB电池电压。只要滤波电容足够大，电池内阻足够小，VB可认为是稳定的。 控制脉冲的占空比。斩波状态时为一正小数。 式表明，有斩波的情况下，电机端电压被减小了，这正是调速的原理 。 斩波状态稳定后，电机电流波形是周期性的近似三角波，可以用数学方法证明，此时电机电流平均值ID。 ID =IB/ 或 IB=ID 式中IB电池电流的平均值 即电机电流被放大到电池电流IB的1/倍。用小的电池电流，变换出大的电机电流或大的电机力矩，这是控制器的重要作用之一，所以，控制器有时也称为变流器。这时，电机的电势平衡方程为 VD= ED + ID* R0 式中 R0 电机线圈电阻 ED电机中的反电动势。ED正比于电机转速 堵转时ED为0，假如控制器的限流是以稳定的斩波技术实现的，则上面各式依然成立。由式可求得电机的堵转电流IDmax，再利用式得到 IDmax = VD/ R0 =t VB/ R0 = tIB0max (4) 式中，IB0max= VB/ R0不加控制器的电机堵转电流，又称满压启动电流 t设计决定的控制脉冲占空比。 这表明电机中的最大电流是不限流时的t倍，被减小了，这正是我们所期望的限流。利用式和(4)式，可得出堵转后电池电流稳定值、电机电流最大值与满压启动电流三者间的关系式 IBfinal =t IDmax =2t IB0max 这三者的值都是可以测量的，以上的关系也可以加以验证。 当=1，相当于将电机直接接上电池，故式变为 VB= EB0+ IB0 * R0 式和分别描述了电机有斩波与无斩波这两种状态的电势平衡方程。式中的电机电流和反电动势都带有下标0，以示与有斩波状态的电机电流和反电动势数值不相同。 四 限流过程 通常做电机堵转或限流实验，是让功率管完全导通，然后逐步加大负载直至电机减速为零的。假设控制器能做到电流一达到某控制点就斩波，则实验过程发生的情况是：一开始，负载较轻，电池电流与电机电流是等值的连续电流，随负载的加重，二者同时增加直至控制点。到控制点处，控制器立即斩波，并迅速将控制脉冲的占空比稳定在与负载相适应的数值上，相当于立即将式化为式来表述电机特性，这是控制电路的自适应期。控制点后，电池电流与电机电流不再相等，随负载增大，转速越来越小，反电动势越来越小，电机电流越来越大，控制脉冲占空比越来越小，到堵转时反电动势ED为0，控制脉冲占空比逐步稳定在设计值，再经过少许过渡时间，电机电流达到最大值IDmax时，限流功能实现。由此而知，上述的控制点就是限流的开始点，简称限流点。 要补充说明几点： 1. 电机堵快与堵慢是可控的, 所以限流过程的长短也是可控的。 2.限流实现中电机电流只能单调上升，最大值是IDmax。因此，限流是真正对它而言的。 3.限流开始后电池电流不是单调上升，而是单调下降，所以电机堵转慢了会在测量仪表上看到它突然往下掉的回差现象。堵快了反而看不见,这是仪表响应速度慢造成的。 图二 说明了这种现象。它的道理很简单,一个连续的电流经过周期性斩波后,除非它的瞬时值在导通期间内随时间急剧增加, 其平均值一定小于斩波前的连续值。但导通期间，电机电感是串接在回路中的，它限制了电流的快速增加，所以，限流点的电池电流，一定大于限流后的电池电流均值。有误解认为这是 “限不住”，恰恰相反，这正是“限住了”的标志。 真正的限不住现象是过了限流点之后电池电流会上升，并且电机堵转越快，上升值越大。所以，现在人们常说的限流值,实际是对电机限流后电池电流的稳定值, 它不是最大值,而是最小值，称它为堵转电池电流比称它电池限流值似乎更为合理。至于图中电机完全停转以后电机电流还有一定上升, 那是因为在限流开始时电机线圈中储存有一定能量,需要一定时间释放的缘故。电机瞬时电流的波形所以能最后稳定为周期三角状波形, 条件就是在一个周期内电感存贮的能量等于放出的能量。 就此提及一下，市场上现有不少控制器有着与以上所述特点不同的特性，这只是说明它们所用的限流方法与上述的方法不同。孰优孰劣，要做具体分析。 现在，有很多厂家使用测工仪测量连接了控制器的电机的特性曲线。那么，如何按上述理论在现有I-T图形上寻找限流点呢？我们知道，电机的原I-T图形是一条直线，所以，现有I-T图形上电流开始偏离直线的点就是限流点。过了此点后，现有I-T图形不再能表达电机电流与其输出力矩的关系了。可以证明，限流后电机电流将沿着原来的电流直线增大至其限流值。现有测功仪能够记录限流后电池电流的变化，但不能反映出限流过程中电机电流的变化，这是一个很大的不足，它在一定程度上混淆了电机电流与电池电流的差别，妨碍了人们深入了解电机电流的实质与意义。 五电机电流和电池电流的物理意义 众所周知，电池的输出功率是电池电流的平均值IB与电池电压VB的乘积。VB可做到基本不变，所以，电池电流越大，电池输出功率或能量消耗也越大。 按前所述，限流点处电池电流值最大,但好在那时还没有斩波，功率管功耗很低，电池功率几乎全供给电机，所以，除非电池电流很大，且限流点的电机效率已经低到无法接受，否则没有问题。但我们常做堵转实验，以此考验控制器的耐受大电流的能力，因此电池堵转电流就多了一个意义。电机完全堵转后，尽管在限流过程中它的平均值最小，但它的峰值是最大的，可能超过平均值数倍，因此功率管的负担最重。这使开关损耗急剧增加，并容易使功率管工作在安全工作区的边缘，损坏的几率大大增加。为提高控制器功率管的可靠性，应当尽量减小电池堵转电流。另一方面，电池堵转电流与电机电流限流值有式所列的比例关系。前者小，后者也小，这会造成别的问题。下文接着分析。 关于电机电流的平均值ID的物理意义，按照电机学理论，它是一个正比于电机电磁力矩MD的量，即MD=Km ID。式中，Km为力矩系数，对成品电机它是个常数。而电磁力矩又正比于电机的输出力矩，所以，ID也正比于电机的输出力矩。电机启动或堵转时，ID最大，所以这时的电机输出力矩是能够得到的最大力矩。要让电机启动有力，应使电机电流的限流值增大。但对于工作电压与其线圈电阻比值较低的电机，电机限流值的过大会导致限流点处电机效率过低，并使电池堵转电流过大。 电机限流值不能过大的要求还来自电机和续流二极管。堵转时电机线圈电阻消耗的功率为I2Dmax R0。对一只直槽无刷电机，此值在300-400W之间，堵转时间一长，可使电机线圈发热严重，绝缘性变差，还可能使永久磁钢电机退磁。另外，电机瞬时电流在功率管断开时，是流过续流二极管的。过大的限流值，有时会使续流二极管比功率管的功耗大，散热不良时就会损坏，必须注意避免。 在无刷控制器中，桥式电路的上管轮流充任续流管的作用，另一只导通相的上管流过电机电流，它们多在堵转时发生热损坏，也是ID的限流值过大造成的。从目前的250W以下的小功率无刷电机及其控制器的用材来看，ID的限流值以3038A为宜，再大时应考虑采取别的保护措施。否则不宜做较长时间的堵转实验，一般不超过30秒。30秒的考验时间是否太短呢？我们知道，除非堵转或启动的瞬间，电动车只要在行进中，反电动势就永不为零，ID也就永远不能达到而只能逼近其最大值、或限流值。所以，30秒的考验时间已经是足够长了。 六. 若干现实问题 1. 单独考察堵转电池电流大小的意义有限 按前所述，堵转电池电流只反映堵转时电池输出功率的大小，以及流过功率管的平均电流的大小，除此之外，再无提供别的信息。要知道电池堵转电流能产生多大的电机堵转力矩，要了解续流二极管的功耗和电机的铜损，甚至要知道流过功率管峰值电流的大小，都必须测量电机限流值。 2. 控制器与电机的匹配。根据本文的中的式，电机限流值与三个变量有关，即IDmax =t VB/ R0。等式右边有一个量改变，即控制器或电机的改变，都可能使电机限流值改变。根据式，电池堵转电流也改变。所以，生产好一个控制器后，使用在不同的电机上，电机限流值会不同，即单纯讲控制器的限流值是不正确的。控制器的限流值，无论使用电机限流值的概念还是使用电池堵转电流的概念，都是对指定电机而言的，都有所谓匹配问题。 3.如何设置电机限流值 这里有四个因素要考虑： 一是功率器件能承受多大的功率消耗和峰值负担， 二是电机能在短时间内能承受多大的电流， 三是限流点的电机效率， 四是电池最大的输出电流，必须综合加以考虑。 实践中一般要遵守的的原则是，假如功率器件、电池和电机都无问题，则所选择的电机限流值不可使限流点的电机效率低于65%75%。满压启动电流小的电机如低速无齿电机取前值，满压启动电流大的电机如直槽无刷电机或高速有齿电机取后值。在此原则下，使电机限流值越大越好。限流点的电机效率越高，越有利于电动车续行里程的延长；反之，可使启动力矩增加，但使电机在限流前效率降低。这里，只有“较好”，没有“最好”。 4同一电机的电机限流值与电池堵转电流不能反方向调节 既然电池电流决定电池的输出功率，电机电流决定电机的力矩，有人设想，对同一电机，在减小电池电流的同时，同时增加电机电流。通过第三节的讨论，我们知道这是不可能的，它违反了能量守衡的定律。但是，对不同电机，这是可能实现的。换言之，对某个电动车，它的电池堵转电流为15A；只换了一个电机，调节控制器电路，可使电池堵转电流只有12A，但电动车爬坡力气却大了很多。 七结语 1. 在斩波之前，电池电流与电机电流是等值的连续电流；斩波过程中，电机电流与电池电流不再相同，前者为连续脉动波，后者是脉冲波，二者流经的器件不同，对系统特性的影响不同，不能混为一谈，但二者的平均值之间存在可调节的比例关系。 2. 如果电流一达到限流点就开始稳定地斩波限流，电机平均电流最后有稳定的最大值，电池平均电流有稳定的最小值。限流点是电机电流与电池电流由相等变为不相等的分界点。限流只能是对电机电流而言。我们平时所言的限流值，应当称为堵转电池电流，它是限流后电池平均电流的最小值。 3. 了解了限流点、限流过程、电机限流值、堵转电池电流的意义，有助于我们更好地结合整个系统配置的特性进行电机限流值的选择；同时测量电池堵转电流和电机限流值，计算二者的比值，有助于我们对控制器和电机性能的评价，如果我们把系统配置得恰到好处，会大大降低整车电性故障，有助于我们电动车健康有续发展。