Inde i en motorstyreenhed: trefaset bro, transistorer, strømmåling

Set ud fra omverdenen er en controller en kasse med tykke ledninger på den ene side, tyndere på den anden, og en køleplade. Indeni finder man to forskellige dele: en strømforsyning, der håndterer hundredvis af ampere, og en styreenhed, der beregner, hvad strømmen skal gøre. Denne guide åbner kassen, uden at nævne specifikke produkter.

Den tre-fasede bro

Hver fase af motoren er forbundet til to kontakter: den ene til pluspolen på batteriet (den "øvre" kontakt), og den anden til minuspolen (den "nedre" kontakt). Tre faser, og dermed seks kontakter: det er trefasebroen, også kendt som en inverter.

Ved at lukke den øverste kontakt i en fase, forbindes den med den positive pol; ved at lukke den nederste kontakt, forbindes den med den negative pol. Ved hurtigt at skifte mellem de to, med en varierende tidsandel, opnås i gennemsnit enhver spænding mellem nul og batterispændingen. Denne teknik kaldes pulsbreddemodulation (MLI, eller PWM på engelsk). Motorviklingerne udglatter disse pulser, og strømmen, der løber igennem dem, bliver næsten sinusformet.

Man skal aldrig lukke begge afbrydere på samme fase samtidig, da det ville forårsage et direkte kortslutning af batteriet.

Effekttransistorer

På controllere til scootere, cykler eller lette motorcykler er afbryderne typisk MOSFET-transistorer. Når de er lukkede, fungerer de som en meget lav modstand; når de er åbne, blokerer de batterispændingen. For de højere spændinger i elbilen anvendes der oftere IGBT'er eller siliciumkarbidtransistorer.

For at kunne håndtere et højere strømforbrug, placeres der ofte flere transistorer parallelt på hver position. Deres maksimale spænding skal være væsentligt højere end batteriets maksimale spænding, for at kunne modstå spændingsspidser under hver omskiftning og ved bremsning.

Hvor kommer varmen fra?

En transistor kan blive varm af to årsager:

• i ledningstilstand : strømmen passerer gennem en lille modstand. Dette tab vokser med kvadratet af strømmen: at fordoble strømmen firedobler varmen;
• Ved omkobling: I det korte øjeblik, hvor den skifter fra åben til lukket, udsættes den for både spænding og strøm. Jo oftere der sker omkobling, desto større er dette tab.

Det er derfor, at en controller, der er annonceret med en meget høj strømstyrke, kun kan levere den i få sekunder, hvis den ikke er tilstrækkeligt afkølet.

Grænseflader og ventetid

En MOSFET styres af sin gate, som skal oplades og aflades meget hurtigt for at skifte tilstand effektivt. Mikrocontrolleren har ikke tilstrækkelig kraft til at gøre dette direkte: specialiserede kredsløb, kaldet gate-drivere, varetager denne opgave. De styrer også den øverste switch, hvis spændingsreference "flyder" med fasen.

Mellem åbningen af en kontakt og lukningen af en anden på samme fase, er der en kort periode, hvor begge er åbne: det kaldes "dødtid". Hvis den er for kort, risikerer man et kortslutning under overgangen; hvis den er for lang, forvrænges spændingen og der tilføjes tab. Indstillingen afhænger af transistorerne og deres drivere.

Måling af strøm

For vektorstyring, ligesom for beskyttelsen, skal controlleren præcist kende strømmen i faserne. To metoder dominerer:

• Shunts: Meget små, præcise modstande, placeret i strømvejen, hvorpå der måles en lav spænding;
• `Hall-effektstrømsensorer`, som måler det magnetiske felt, der skabes af strømmen, uden at være i strømmens vej, er mere almindelige ved høje strømme. `

Målingen skal foretages på det rette tidspunkt i cyklussen, væk fra de øjeblikke, hvor der sker skift, da disse kan forstyrre målingen.

Kondensatorerne på bussystemet

Broen trækker en pulserende strøm fra batteriet, med en frekvens bestemt af switch-hastigheden. Batterikablerne, som er for lange og har for høj induktans, kan ikke levere disse pulser. Kondensatorer, placeret så tæt som muligt på broen, fungerer som en buffer: de leverer de spidser, der er nødvendige, og udglatter strømmen, som batteriet oplever. De bliver også varme, og deres valg er afgørende for controllerens levetid.

Det er også derfor, at en højvoltscontroller har brug for et forladningskredsløb eller en gnistfri forbindelse: når der tilsluttes, trækker tomme kondensatorer et stort strømforbrug med det samme.

Styringen

En mikrokontroller udfører styringen af motoren i hver enkelt arbejds cyklus: den aflæser strømme, beregner rotorpositionen, regulerer og genererer kommandoer til broen. Omkring den findes følgende:

• inputtene for acceleratoren, bremsen og motorens sensorer;
• Forbindelserne til displayet, en anden controller eller en justeringscomputer;
• Målinger af batterispænding og temperaturer (transistorer og ofte motor)
• En lavspændingsforsyning, trukket fra batteriet, bruges til elektronikken og nogle gange til tilbehør.

Beskyttelserne

Køling er en afgørende faktor, der begrænser ydeevnen af en controller

Transistorerne er monteret på en overflade, der leder varmen væk fra dem og hen til kabinettet, og derfra til luften eller chassiset. Kvaliteten af denne varmeledningsevne bestemmer den strøm, som en controller kan håndtere over tid. To controllere med de samme transistorer kan have meget forskellige ydelser afhængigt af deres termiske design og hvordan de er fastgjort i maskinen.