探討電機(jī)電流和電池電流的關(guān)系.doc

探討電機(jī)電流和電池電流的關(guān)系兼論控制器限流過(guò)程探討電機(jī)電流和電池電流的關(guān)系兼論控制器限流過(guò)程 摘要：本文針對(duì)目前電動(dòng)車(chē)行業(yè)內(nèi)系統(tǒng)配置的一部分，只對(duì)電動(dòng)車(chē)控制器提出限流值控制要求，并且限流值只對(duì)電池放電電流而言的現(xiàn)狀，提出了不同的見(jiàn)解。筆者論述了使用斬波技術(shù)前后電機(jī)特性的變化，分析了電池電流和電機(jī)電流的一般關(guān)系，以及電機(jī)堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的控制器限流過(guò)程，并給出了堵轉(zhuǎn)電池電流、電機(jī)限流值和滿壓?jiǎn)?dòng)電流的關(guān)系表達(dá)式， 提出了依據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定電機(jī)限流值，以及根據(jù)堵轉(zhuǎn)電池電流值和電機(jī)限流值的比值，全面評(píng)價(jià)電控系統(tǒng)性能的觀點(diǎn)。關(guān)鍵詞：限流、限流值、限流點(diǎn)、限流過(guò)程、堵轉(zhuǎn)、電池堵轉(zhuǎn)電流、電機(jī)力矩、滿壓?jiǎn)?dòng)電流、電機(jī)效率一、 引言 目前，電動(dòng)車(chē)控制器的過(guò)流保護(hù)功能大多采用限流方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。限流就是在電機(jī)啟動(dòng)或堵轉(zhuǎn)時(shí)控制其電流不得超過(guò)某個(gè)最大值，這個(gè)最大值就是限流值。限流的目的保護(hù)電機(jī)，進(jìn)而保護(hù)電池和控制器。對(duì)電池而言，電機(jī)是主要的用電負(fù)載，只有利用控制器的限流功能將電機(jī)電流限住，電池電流和控制器功耗也就被相應(yīng)限制住了。所以，對(duì)電動(dòng)車(chē)系統(tǒng)講限流，應(yīng)當(dāng)指對(duì)電機(jī)最大電流的限制。但筆者發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在業(yè)內(nèi)沒(méi)有充分關(guān)注電機(jī)電流極其性質(zhì)。談到限流，都是指電池放電電流，檢測(cè)的也是電池放電電流，而且只說(shuō)控制器的限流值是多大，似乎限流結(jié)果與電機(jī)與工作電壓無(wú)關(guān)，是控制器獨(dú)立決定的。雖然，電機(jī)電流出自電池，但由于PWM（脈寬調(diào)制或斬波）技術(shù)在控制器中的運(yùn)用，電機(jī)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(jī)限流值，就不能正確理解一系列實(shí)際的現(xiàn)象。以下，筆者將就上述的觀點(diǎn)及其相關(guān)的問(wèn)題展開(kāi)論證，希望得到讀者的斧正。二、電機(jī)電流與電池電流 圖一表示一個(gè)使用PWM技術(shù)調(diào)速的有刷控制器的功率電路。要指出的是，無(wú)刷控制器在任一對(duì)上下功率管導(dǎo)通工作期間，也可得到一個(gè)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(jié)論也適用于無(wú)刷控制器。根據(jù)柵極輸入信號(hào)的不同，功率管T有三種工作狀態(tài)：1完全關(guān)閉。此時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)，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(jiàn)，這個(gè)假設(shè)貫穿全文），可認(rèn)為電機(jī)電流和電池電流同是0。2完全導(dǎo)通。則電池電流全流過(guò)電機(jī)、再流經(jīng)功率管入地。電池電流、電機(jī)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(dòng)車(chē)調(diào)速轉(zhuǎn)把電壓旋至最大時(shí)正常行駛，就是這種情況。忽略功率管導(dǎo)通壓降，相當(dāng)于將電機(jī)直接接到電池上。電動(dòng)車(chē)這時(shí)的特性完全由電機(jī)的特性決定，與控制器無(wú)關(guān)。3開(kāi)關(guān)（斬波）狀態(tài)。這時(shí)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(kāi)通與斷開(kāi)兩個(gè)狀態(tài)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。開(kāi)通期間，不考慮開(kāi)通時(shí)的過(guò)渡電流，電池電流、電機(jī)電流、功率管電流三者的瞬時(shí)值相等；斷開(kāi)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(jī)電流的情況是：功率管斷開(kāi)的瞬間，按法拉第電磁感應(yīng)定律，電機(jī)線圈會(huì)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，其方向?yàn)榭抗β使芤欢藶檎侩姵匾欢藶樨?fù)。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(gè)過(guò)程是線圈中原來(lái)儲(chǔ)存能量的釋放過(guò)程，感生電流將隨時(shí)間而減小，直至功率管的下一開(kāi)通時(shí)刻。換言之，關(guān)斷期間，電機(jī)中的電流就是感生電流，它流過(guò)續(xù)流管D，能量消耗在電機(jī)線圈電阻和續(xù)流管上。通常電機(jī)的電磁時(shí)間常數(shù)通常遠(yuǎn)大于控制脈沖的周期，所以關(guān)斷期間的電機(jī)電流不會(huì)減少至0?？偨Y(jié)起來(lái)說(shuō)，電池電流與功率管電流總是相等的，而電池電流與電機(jī)電流只在功率管完全導(dǎo)通的情況下才相等，在斬波狀態(tài)時(shí)是不相等的。斬波期間，電池電流是脈沖狀的，而電機(jī)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(dǎo)通率和系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)。下一節(jié)將給出它們之間的關(guān)系式。三、PWM技術(shù)對(duì)電機(jī)特性的影響上節(jié)說(shuō)明了斬波后電池電流與電機(jī)電流不再相同的物理過(guò)程，以下用數(shù)學(xué)表達(dá)式說(shuō)明PWM技術(shù)對(duì)電機(jī)特性的影響。電機(jī)的PWM控制理論中有一個(gè)為人熟知的公式（將功率管當(dāng)成理想開(kāi)關(guān)器件，這不會(huì)引起明顯誤差），即 VD =VB (1)式中，VD 電機(jī)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(rèn)為是穩(wěn)定的?？刂泼}沖的占空比（ 01）。斬波狀態(tài)時(shí)為一正小數(shù)。（1）式表明，有斬波的情況下，電機(jī)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(jī)電流波形是周期性的近似三角波，可以用數(shù)學(xué)方法證明，此時(shí)電機(jī)電流平均值ID（如果為無(wú)刷電機(jī)，ID應(yīng)理解為導(dǎo)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(jī)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(jī)電流或大的電機(jī)力矩，這是控制器的重要作用之一，所以，控制器有時(shí)也稱為變流器。這時(shí)，電機(jī)的電勢(shì)平衡方程為 VD= ED + ID* R0 （3）式中 R0 電機(jī)線圈電阻ED電機(jī)中的反電動(dòng)勢(shì)。ED正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速堵轉(zhuǎn)時(shí)ED為0，假如控制器的限流是以穩(wěn)定的斬波技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，則上面各式依然成立。由（3）式可求得電機(jī)的堵轉(zhuǎn)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(jī)堵轉(zhuǎn)電流，又稱滿壓?jiǎn)?dòng)電流t設(shè)計(jì)決定的控制脈沖占空比。這表明電機(jī)中的最大電流是不限流時(shí)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(zhuǎn)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(jī)電流最大值與滿壓?jiǎn)?dòng)電流三者間的關(guān)系式IBfinal =t IDmax =2t IB0max （5） 這三者的值都是可以測(cè)量的，以上的關(guān)系也可以加以驗(yàn)證。當(dāng)=1，相當(dāng)于將電機(jī)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(jī)有斬波與無(wú)斬波這兩種狀態(tài)的電勢(shì)平衡方程。（6）式中的電機(jī)電流和反電動(dòng)勢(shì)都帶有下標(biāo)0，以示與有斬波狀態(tài)的電機(jī)電流和反電動(dòng)勢(shì)數(shù)值不相同。四 限流過(guò)程 通常做電機(jī)堵轉(zhuǎn)或限流實(shí)驗(yàn)，是讓功率管完全導(dǎo)通，然后逐步加大負(fù)載直至電機(jī)減速為零的。假設(shè)控制器能做到電流一達(dá)到某控制點(diǎn)就斬波，則實(shí)驗(yàn)過(guò)程發(fā)生的情況是：一開(kāi)始，負(fù)載較輕，電池電流與電機(jī)電流是等值的連續(xù)電流，隨負(fù)載的加重，二者同時(shí)增加直至控制點(diǎn)。到控制點(diǎn)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(fù)載相適應(yīng)的數(shù)值上，相當(dāng)于立即將（6）式化為（3）式來(lái)表述電機(jī)特性，這是控制電路的自適應(yīng)期。控制點(diǎn)后，電池電流與電機(jī)電流（指均值，下同）不再相等，隨負(fù)載增大，轉(zhuǎn)速越來(lái)越小，反電動(dòng)勢(shì)越來(lái)越小，電機(jī)電流越來(lái)越大，控制脈沖占空比越來(lái)越小，到堵轉(zhuǎn)時(shí)反電動(dòng)勢(shì)ED為0，控制脈沖占空比逐步穩(wěn)定在設(shè)計(jì)值，再經(jīng)過(guò)少許過(guò)渡時(shí)間，電機(jī)電流達(dá)到最大值IDmax時(shí)，限流功能實(shí)現(xiàn)。由此而知，上述的控制點(diǎn)就是限流的開(kāi)始點(diǎn)，簡(jiǎn)稱限流點(diǎn)。要補(bǔ)充說(shuō)明幾點(diǎn)：1. 電機(jī)堵快與堵慢是可控的, 所以限流過(guò)程的長(zhǎng)短也是可控的。 2.限流實(shí)現(xiàn)中電機(jī)電流只能單調(diào)上升，最大值是IDmax。因此，限流是真正對(duì)它而言的。3.限流開(kāi)始后電池電流不是單調(diào)上升，而是單調(diào)下降，所以電機(jī)堵轉(zhuǎn)慢了會(huì)在測(cè)量?jī)x表上看到它突然往下掉的回差現(xiàn)象。堵快了反而看不見(jiàn),這是儀表響應(yīng)速度慢造成的。圖二 說(shuō)明了這種現(xiàn)象。它的道理很簡(jiǎn)單,一個(gè)連續(xù)的電流經(jīng)過(guò)周期性斬波后,除非它的瞬時(shí)值在導(dǎo)通期間內(nèi)隨時(shí)間急劇增加, 其平均值一定小于斬波前的連續(xù)值。但導(dǎo)通期間，電機(jī)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(diǎn)的電池電流，一定大于限流后的電池電流均值。有誤解認(rèn)為這是 “限不住”，恰恰相反，這正是“限住了”的標(biāo)志。 真正的限不住現(xiàn)象是過(guò)了限流點(diǎn)之后電池電流會(huì)上升，并且電機(jī)堵轉(zhuǎn)越快，上升值越大。所以，現(xiàn)在人們常說(shuō)的限流值,實(shí)際是對(duì)電機(jī)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(zhuǎn)電池電流比稱它電池限流值似乎更為合理。至于圖中電機(jī)完全停轉(zhuǎn)以后電機(jī)電流還有一定上升, 那是因?yàn)樵谙蘖鏖_(kāi)始時(shí)電機(jī)線圈中儲(chǔ)存有一定能量,需要一定時(shí)間釋放的緣故。電機(jī)瞬時(shí)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(gè)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(chǎng)上現(xiàn)有不少控制器有著與以上所述特點(diǎn)不同的特性，這只是說(shuō)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(cè)工儀測(cè)量連接了控制器的電機(jī)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(diǎn)呢？我們知道，電機(jī)的原I-T圖形是一條直線，所以，現(xiàn)有I-T圖形上電流開(kāi)始偏離直線的點(diǎn)就是限流點(diǎn)。過(guò)了此點(diǎn)后，現(xiàn)有I-T圖形不再能表達(dá)電機(jī)電流與其輸出力矩的關(guān)系了?？梢宰C明，限流后電機(jī)電流將沿著原來(lái)的電流直線增大至其限流值。現(xiàn)有測(cè)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(guò)程中電機(jī)電流的變化，這是一個(gè)很大的不足，它在一定程度上混淆了電機(jī)電流與電池電流的差別，妨礙了人們深入了解電機(jī)電流的實(shí)質(zhì)與意義。五電機(jī)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(diǎn)處電池電流值最大,但好在那時(shí)還沒(méi)有斬波，功率管功耗很低，電池功率幾乎全供給電機(jī)，所以，除非電池電流很大，且限流點(diǎn)的電機(jī)效率已經(jīng)低到無(wú)法接受，否則沒(méi)有問(wèn)題。但我們常做堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，以此考驗(yàn)控制器的耐受大電流的能力，因此電池堵轉(zhuǎn)電流就多了一個(gè)意義。電機(jī)完全堵轉(zhuǎn)后，盡管在限流過(guò)程中它的平均值最小，但它的峰值是最大的，可能超過(guò)平均值數(shù)倍，因此功率管的負(fù)擔(dān)最重。這使開(kāi)關(guān)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(yīng)當(dāng)盡量減小電池堵轉(zhuǎn)電流。另一方面，電池堵轉(zhuǎn)電流與電機(jī)電流限流值有（5）式所列的比例關(guān)系。前者小，后者也小，這會(huì)造成別的問(wèn)題。下文接著分析。關(guān)于電機(jī)電流的平均值ID的物理意義，按照電機(jī)學(xué)理論，它是一個(gè)正比于電機(jī)電磁力矩MD的量，即MD=Km ID。式中，Km為力矩系數(shù)，對(duì)成品電機(jī)它是個(gè)常數(shù)。而電磁力矩又正比于電機(jī)的輸出力矩，所以，ID也正比于電機(jī)的輸出力矩。電機(jī)啟動(dòng)或堵轉(zhuǎn)時(shí)，ID最大，所以這時(shí)的電機(jī)輸出力矩是能夠得到的最大力矩。要讓電機(jī)啟動(dòng)有力，應(yīng)使電機(jī)電流的限流值增大。但對(duì)于工作電壓與其線圈電阻比值較低的電機(jī)，電機(jī)限流值的過(guò)大會(huì)導(dǎo)致限流點(diǎn)處電機(jī)效率過(guò)低，并使電池堵轉(zhuǎn)電流過(guò)大。電機(jī)限流值不能過(guò)大的要求還來(lái)自電機(jī)和續(xù)流二極管。堵轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)線圈電阻消耗的功率為I2Dmax R0。對(duì)一只直槽無(wú)刷電機(jī)，此值在300-400W之間，堵轉(zhuǎn)時(shí)間一長(zhǎng)，可使電機(jī)線圈發(fā)熱嚴(yán)重，絕緣性變差，還可能使永久磁鋼電機(jī)退磁。另外，電機(jī)瞬時(shí)電流在功率管斷開(kāi)時(shí)，是流過(guò)續(xù)流二極管的。過(guò)大的限流值，有時(shí)會(huì)使續(xù)流二極管比功率管的功耗大，散熱不良時(shí)就會(huì)損壞，必須注意避免。在無(wú)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(dǎo)通相的上管流過(guò)電機(jī)電流，它們多在堵轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生熱損壞，也是ID的限流值過(guò)大造成的。從目前的250W以下的小功率無(wú)刷電機(jī)及其控制器的用材來(lái)看，ID的限流值以3038A為宜，再大時(shí)應(yīng)考慮采取別的保護(hù)措施。否則不宜做較長(zhǎng)時(shí)間的堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，一般不超過(guò)30秒。30秒的考驗(yàn)時(shí)間是否太短呢？我們知道，除非堵轉(zhuǎn)或啟動(dòng)的瞬間，電動(dòng)車(chē)只要在行進(jìn)中，反電動(dòng)勢(shì)就永不為零，ID也就永遠(yuǎn)不能達(dá)到而只能逼近其最大值、或限流值。所以，30秒的考驗(yàn)時(shí)間已經(jīng)是足夠長(zhǎng)了。六. 若干現(xiàn)實(shí)問(wèn)題1. 單獨(dú)考察堵轉(zhuǎn)電池電流大小的意義有限按前所述，堵轉(zhuǎn)電池電流只反映堵轉(zhuǎn)時(shí)電池輸出功率的大小，以及流過(guò)功率管的平均電流的大小，除此之外，再無(wú)提供別的信息。要知道電池堵轉(zhuǎn)電流能產(chǎn)生多大的電機(jī)堵轉(zhuǎn)力矩，要了解續(xù)流二極管的功耗和電機(jī)的銅損，甚至要知道流過(guò)功率管峰值電流的大小，都必須測(cè)量電機(jī)限流值。2. 控制器與電機(jī)的匹配。根據(jù)本文的中的（4）式，電機(jī)限流值與三個(gè)變量有關(guān)，即IDmax =t VB/ R0。等式右邊有一個(gè)量改變，即控制器或電機(jī)的改變，都可能使電機(jī)限流值改變。根據(jù)（5）式，電池堵轉(zhuǎn)電流也改變。所以，生產(chǎn)好一個(gè)控制器后，使用在不同的電機(jī)上，電機(jī)限流值會(huì)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(wú)刷）的限流值，無(wú)論使用電機(jī)限流值的概念還是使用電池堵轉(zhuǎn)電流的概念，都是對(duì)指定電機(jī)而言的，都有所謂匹配問(wèn)題。3.如何設(shè)置電機(jī)限流值這里有四個(gè)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(fù)擔(dān)，二是電機(jī)能在短時(shí)間（比如30秒或一分鐘）內(nèi)能承受多大的電流，三是限流點(diǎn)的電機(jī)效率，四是電池最大的輸出電流，必須綜合加以考慮。實(shí)踐中一般要遵守的的原則是，假如功率器件、電池和電機(jī)都無(wú)問(wèn)題，則所選擇的電機(jī)限流值不可使限流點(diǎn)的電機(jī)效率低于65%75%。滿壓?jiǎn)?dòng)電流小的電機(jī)如低速無(wú)齒電機(jī)取前值，滿壓?jiǎn)?dòng)電流大的電機(jī)如直槽無(wú)刷電機(jī)或高速有齒電機(jī)取后值。在此原則下，使電機(jī)限流值越大越好。限流點(diǎn)的電機(jī)效率越高，越有利于電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)行里程的延長(zhǎng)；反之，可使啟動(dòng)力矩增加，但使電機(jī)在限流前效率降低。這里，只有“較好”，