探讨电机电流和电池电流的关系

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1、探讨电机电流和电池电流的关系——兼论控制器限流过程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

2、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

3、PWM（脉宽调制或斩波）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

4、器弱电电路。若忽略弱电电路用电（为方便起见，这个假设贯穿全文），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（斩波）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

5、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

6、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（将功率管当成理想开关器件，这不会引起明显误差），即VD=ρVB(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。ρ——控制脉冲的占空比（0≦ρ≦1）。斩波状态时ρ为一正小数。

7、（1）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（如果为无刷电机，ID应理解为导通相内的平均电流）。ID=IB/ρ或IB=ρID（2）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/ρ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+