探討電機電流和電池電流的關系.doc

探討電機電流和電池電流的關系兼論控制器限流過程探討電機電流和電池電流的關系兼論控制器限流過程 摘要：本文針對目前電動車行業(yè)內(nèi)系統(tǒng)配置的一部分，只對電動車控制器提出限流值控制要求，并且限流值只對電池放電電流而言的現(xiàn)狀，提出了不同的見解。筆者論述了使用斬波技術前后電機特性的變化，分析了電池電流和電機電流的一般關系，以及電機堵轉實驗的控制器限流過程，并給出了堵轉電池電流、電機限流值和滿壓啟動電流的關系表達式， 提出了依據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設定電機限流值，以及根據(jù)堵轉電池電流值和電機限流值的比值，全面評價電控系統(tǒng)性能的觀點。關鍵詞：限流、限流值、限流點、限流過程、堵轉、電池堵轉電流、電機力矩、滿壓啟動電流、電機效率一、 引言 目前，電動車控制器的過流保護功能大多采用限流方式來實現(xiàn)的。限流就是在電機啟動或堵轉時控制其電流不得超過某個最大值，這個最大值就是限流值。限流的目的保護電機，進而保護電池和控制器。對電池而言，電機是主要的用電負載，只有利用控制器的限流功能將電機電流限住，電池電流和控制器功耗也就被相應限制住了。所以，對電動車系統(tǒng)講限流，應當指對電機最大電流的限制。但筆者發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在業(yè)內(nèi)沒有充分關注電機電流極其性質。談到限流，都是指電池放電電流，檢測的也是電池放電電流，而且只說控制器的限流值是多大，似乎限流結果與電機與工作電壓無關，是控制器獨立決定的。雖然，電機電流出自電池，但由于PWM（脈寬調(diào)制或斬波）技術在控制器中的運用，電機電流與電池電流不再完全是一回事了，尤其在限流以后，二者的均值有一至幾倍的差距。更重要的事情是，如果不講電機限流值，就不能正確理解一系列實際的現(xiàn)象。以下，筆者將就上述的觀點及其相關的問題展開論證，希望得到讀者的斧正。二、電機電流與電池電流 圖一表示一個使用PWM技術調(diào)速的有刷控制器的功率電路。要指出的是，無刷控制器在任一對上下功率管導通工作期間，也可得到一個形式上同于圖一的功率電路 。所以，下面的討論雖基于圖一，但所得結論也適用于無刷控制器。根據(jù)柵極輸入信號的不同，功率管T有三種工作狀態(tài)：1完全關閉。此時電機不轉，電池電流值很小，供給控制器弱電電路。若忽略弱電電路用電（為方便起見，這個假設貫穿全文），可認為電機電流和電池電流同是0。2完全導通。則電池電流全流過電機、再流經(jīng)功率管入地。電池電流、電機電流和功率管電流都相等，是平滑連續(xù)的直流電流。一般地，將電動車調(diào)速轉把電壓旋至最大時正常行駛，就是這種情況。忽略功率管導通壓降，相當于將電機直接接到電池上。電動車這時的特性完全由電機的特性決定，與控制器無關。3開關（斬波）狀態(tài)。這時功率管柵極輸入的是周期不變，占空比可變的控制脈沖，因此功率管就持續(xù)在開通與斷開兩個狀態(tài)間進行轉換。開通期間，不考慮開通時的過渡電流，電池電流、電機電流、功率管電流三者的瞬時值相等；斷開后，功率管電流和電池電流都為0。所以，電池電流是脈沖狀的電流。而電機電流的情況是：功率管斷開的瞬間，按法拉第電磁感應定律，電機線圈會產(chǎn)生自感電動勢，其方向為靠功率管一端為正，靠電池一端為負。由于續(xù)流管D的存在，就形成了閉合回路，產(chǎn)生了感生電流。這個過程是線圈中原來儲存能量的釋放過程，感生電流將隨時間而減小，直至功率管的下一開通時刻。換言之，關斷期間，電機中的電流就是感生電流，它流過續(xù)流管D，能量消耗在電機線圈電阻和續(xù)流管上。通常電機的電磁時間常數(shù)通常遠大于控制脈沖的周期，所以關斷期間的電機電流不會減少至0?？偨Y起來說，電池電流與功率管電流總是相等的，而電池電流與電機電流只在功率管完全導通的情況下才相等，在斬波狀態(tài)時是不相等的。斬波期間，電池電流是脈沖狀的，而電機電流則是連續(xù)的，前者均值小于后者均值，其大小與控制脈沖的導通率和系統(tǒng)參數(shù)有關。下一節(jié)將給出它們之間的關系式。三、PWM技術對電機特性的影響上節(jié)說明了斬波后電池電流與電機電流不再相同的物理過程，以下用數(shù)學表達式說明PWM技術對電機特性的影響。電機的PWM控制理論中有一個為人熟知的公式（將功率管當成理想開關器件，這不會引起明顯誤差），即 VD =VB (1)式中，VD 電機端電壓平均值VB電池電壓。只要濾波電容足夠大，電池內(nèi)阻足夠小，VB可認為是穩(wěn)定的。控制脈沖的占空比（ 01）。斬波狀態(tài)時為一正小數(shù)。（1）式表明，有斬波的情況下，電機端電壓被減小了，這正是調(diào)速的原理 。斬波狀態(tài)穩(wěn)定后，電機電流波形是周期性的近似三角波，可以用數(shù)學方法證明，此時電機電流平均值ID（如果為無刷電機，ID應理解為導通相內(nèi)的平均電流）。ID =IB/ 或 IB=ID （2） 式中IB電池電流的平均值即電機電流被放大到電池電流IB的1/倍。用小的電池電流，變換出大的電機電流或大的電機力矩，這是控制器的重要作用之一，所以，控制器有時也稱為變流器。這時，電機的電勢平衡方程為 VD= ED + ID* R0 （3）式中 R0 電機線圈電阻ED電機中的反電動勢。ED正比于電機轉速堵轉時ED為0，假如控制器的限流是以穩(wěn)定的斬波技術實現(xiàn)的，則上面各式依然成立。由（3）式可求得電機的堵轉電流IDmax，再利用（1）式得到IDmax = VD/ R0 =t VB/ R0 = tIB0max (4) 式中，IB0max= VB/ R0不加控制器的電機堵轉電流，又稱滿壓啟動電流t設計決定的控制脈沖占空比。這表明電機中的最大電流是不限流時的t倍，被減小了，這正是我們所期望的限流。利用（2）式和(4)式，可得出堵轉后電池電流穩(wěn)定值（不叫最大值的原因下文予以敘述）、電機電流最大值與滿壓啟動電流三者間的關系式IBfinal =t IDmax =2t IB0max （5） 這三者的值都是可以測量的，以上的關系也可以加以驗證。當=1，相當于將電機直接接上電池，故（4）式變?yōu)閂B= EB0+ IB0 * R0 （6）（3）式和（6）分別描述了電機有斬波與無斬波這兩種狀態(tài)的電勢平衡方程。（6）式中的電機電流和反電動勢都帶有下標0，以示與有斬波狀態(tài)的電機電流和反電動勢數(shù)值不相同。四 限流過程 通常做電機堵轉或限流實驗，是讓功率管完全導通，然后逐步加大負載直至電機減速為零的。假設控制器能做到電流一達到某控制點就斬波，則實驗過程發(fā)生的情況是：一開始，負載較輕，電池電流與電機電流是等值的連續(xù)電流，隨負載的加重，二者同時增加直至控制點。到控制點處，控制器立即斬波，并迅速將控制脈沖的占空比穩(wěn)定在與負載相適應的數(shù)值上，相當于立即將（6）式化為（3）式來表述電機特性，這是控制電路的自適應期。控制點后，電池電流與電機電流（指均值，下同）不再相等，隨負載增大，轉速越來越小，反電動勢越來越小，電機電流越來越大，控制脈沖占空比越來越小，到堵轉時反電動勢ED為0，控制脈沖占空比逐步穩(wěn)定在設計值，再經(jīng)過少許過渡時間，電機電流達到最大值IDmax時，限流功能實現(xiàn)。由此而知，上述的控制點就是限流的開始點，簡稱限流點。要補充說明幾點：1. 電機堵快與堵慢是可控的, 所以限流過程的長短也是可控的。 2.限流實現(xiàn)中電機電流只能單調(diào)上升，最大值是IDmax。因此，限流是真正對它而言的。3.限流開始后電池電流不是單調(diào)上升，而是單調(diào)下降，所以電機堵轉慢了會在測量儀表上看到它突然往下掉的回差現(xiàn)象。堵快了反而看不見,這是儀表響應速度慢造成的。圖二 說明了這種現(xiàn)象。它的道理很簡單,一個連續(xù)的電流經(jīng)過周期性斬波后,除非它的瞬時值在導通期間內(nèi)隨時間急劇增加, 其平均值一定小于斬波前的連續(xù)值。但導通期間，電機電感是串接在回路中的，它限制了電流的快速增加，所以，限流點的電池電流，一定大于限流后的電池電流均值。有誤解認為這是 “限不住”，恰恰相反，這正是“限住了”的標志。 真正的限不住現(xiàn)象是過了限流點之后電池電流會上升，并且電機堵轉越快，上升值越大。所以，現(xiàn)在人們常說的限流值,實際是對電機限流后電池電流的穩(wěn)定值, 它不是最大值,而是最小值，稱它為堵轉電池電流比稱它電池限流值似乎更為合理。至于圖中電機完全停轉以后電機電流還有一定上升, 那是因為在限流開始時電機線圈中儲存有一定能量,需要一定時間釋放的緣故。電機瞬時電流的波形所以能最后穩(wěn)定為周期三角狀波形, 條件就是在一個周期內(nèi)電感存貯的能量等于放出的能量。就此提及一下，市場上現(xiàn)有不少控制器有著與以上所述特點不同的特性，這只是說明它們所用的限流方法與上述的方法不同。孰優(yōu)孰劣，要做具體分析?，F(xiàn)在，有很多廠家使用測工儀測量連接了控制器的電機的特性曲線。那么，如何按上述理論在現(xiàn)有I-T（電流-輸出力矩）圖形上尋找限流點呢？我們知道，電機的原I-T圖形是一條直線，所以，現(xiàn)有I-T圖形上電流開始偏離直線的點就是限流點。過了此點后，現(xiàn)有I-T圖形不再能表達電機電流與其輸出力矩的關系了?？梢宰C明，限流后電機電流將沿著原來的電流直線增大至其限流值?，F(xiàn)有測功儀能夠記錄限流后電池電流的變化，但不能反映出限流過程中電機電流的變化，這是一個很大的不足，它在一定程度上混淆了電機電流與電池電流的差別，妨礙了人們深入了解電機電流的實質與意義。五電機電流和電池電流的物理意義 眾所周知，電池的輸出功率是電池電流的平均值IB與電池電壓VB的乘積。VB可做到基本不變，所以，電池電流越大，電池輸出功率或能量消耗也越大。按前所述，限流點處電池電流值最大,但好在那時還沒有斬波，功率管功耗很低，電池功率幾乎全供給電機，所以，除非電池電流很大，且限流點的電機效率已經(jīng)低到無法接受，否則沒有問題。但我們常做堵轉實驗，以此考驗控制器的耐受大電流的能力，因此電池堵轉電流就多了一個意義。電機完全堵轉后，盡管在限流過程中它的平均值最小，但它的峰值是最大的，可能超過平均值數(shù)倍，因此功率管的負擔最重。這使開關損耗急劇增加，并容易使功率管工作在安全工作區(qū)的邊緣，損壞的幾率大大增加。為提高控制器功率管的可靠性，應當盡量減小電池堵轉電流。另一方面，電池堵轉電流與電機電流限流值有（5）式所列的比例關系。前者小，后者也小，這會造成別的問題。下文接著分析。關于電機電流的平均值ID的物理意義，按照電機學理論，它是一個正比于電機電磁力矩MD的量，即MD=Km ID。式中，Km為力矩系數(shù)，對成品電機它是個常數(shù)。而電磁力矩又正比于電機的輸出力矩，所以，ID也正比于電機的輸出力矩。電機啟動或堵轉時，ID最大，所以這時的電機輸出力矩是能夠得到的最大力矩。要讓電機啟動有力，應使電機電流的限流值增大。但對于工作電壓與其線圈電阻比值較低的電機，電機限流值的過大會導致限流點處電機效率過低，并使電池堵轉電流過大。電機限流值不能過大的要求還來自電機和續(xù)流二極管。堵轉時電機線圈電阻消耗的功率為I2Dmax R0。對一只直槽無刷電機，此值在300-400W之間，堵轉時間一長，可使電機線圈發(fā)熱嚴重，絕緣性變差，還可能使永久磁鋼電機退磁。另外，電機瞬時電流在功率管斷開時，是流過續(xù)流二極管的。過大的限流值，有時會使續(xù)流二極管比功率管的功耗大，散熱不良時就會損壞，必須注意避免。在無刷控制器中，橋式電路的上管輪流充任續(xù)流管的作用，另一只導通相的上管流過電機電流，它們多在堵轉時發(fā)生熱損壞，也是ID的限流值過大造成的。從目前的250W以下的小功率無刷電機及其控制器的用材來看，ID的限流值以3038A為宜，再大時應考慮采取別的保護措施。否則不宜做較長時間的堵轉實驗，一般不超過30秒。30秒的考驗時間是否太短呢？我們知道，除非堵轉或啟動的瞬間，電動車只要在行進中，反電動勢就永不為零，ID也就永遠不能達到而只能逼近其最大值、或限流值。所以，30秒的考驗時間已經(jīng)是足夠長了。六. 若干現(xiàn)實問題1. 單獨考察堵轉電池電流大小的意義有限按前所述，堵轉電池電流只反映堵轉時電池輸出功率的大小，以及流過功率管的平均電流的大小，除此之外，再無提供別的信息。要知道電池堵轉電流能產(chǎn)生多大的電機堵轉力矩，要了解續(xù)流二極管的功耗和電機的銅損，甚至要知道流過功率管峰值電流的大小，都必須測量電機限流值。2. 控制器與電機的匹配。根據(jù)本文的中的（4）式，電機限流值與三個變量有關，即IDmax =t VB/ R0。等式右邊有一個量改變，即控制器或電機的改變，都可能使電機限流值改變。根據(jù)（5）式，電池堵轉電流也改變。所以，生產(chǎn)好一個控制器后，使用在不同的電機上，電機限流值會不同，即單純講控制器的限流值是不正確的?？刂破鳎ㄓ兴⒒驘o刷）的限流值，無論使用電機限流值的概念還是使用電池堵轉電流的概念，都是對指定電機而言的，都有所謂匹配問題。3.如何設置電機限流值這里有四個因素要考慮：一是功率器件能承受多大的功率消耗和峰值負擔，二是電機能在短時間（比如30秒或一分鐘）內(nèi)能承受多大的電流，三是限流點的電機效率，四是電池最大的輸出電流，必須綜合加以考慮。實踐中一般要遵守的的原則是，假如功率器件、電池和電機都無問題，則所選擇的電機限流值不可使限流點的電機效率低于65%75%。滿壓啟動電流小的電機如低速無齒電機取前值，滿壓啟動電流大的電機如直槽無刷電機或高速有齒電機取后值。在此原則下，使電機限流值越大越好。限流點的電機效率越高，越有利于電動車續(xù)行里程的延長；反之，可使啟動力矩增加，但使電機在限流前效率降低。這里，只有“較好”，