Im Inneren eines Motorcontrollers befinden sich: ein Dreiphasen-Brückenschalter, Transistoren und eine Strommessung
Von außen betrachtet ist ein Controller ein Gehäuse mit dicken Kabeln auf der einen Seite, dünnen auf der anderen und einem Kühlkörper. Im Inneren findet man zwei Welten: einen Leistungsbereich, der Hunderte von Ampere verarbeitet, und einen Steuerbereich, der berechnet, was die Leistung tun soll. Dieser Leitfaden öffnet das Gehäuse, ohne dabei ein bestimmtes Produkt zu erwähnen.
Das Wichtigste
- Das Herzstück eines Controllers ist eine Schaltung mit sechs elektronischen Schaltern, jeweils zwei pro Phase des Motors.
- Diese Schalter, in der Regel MOSFET-Transistoren, öffnen und schließen sich zehntausende Male pro Sekunde.
- Der Controller misst kontinuierlich Ströme, Spannungen und Temperaturen, um sich selbst zu steuern und sich zu schützen.
- Seine tatsächliche Leistungsgrenze wird fast immer durch die Wärme bestimmt, also durch die Menge an Wärme, die er abführen kann.
Die Dreiphasenbrücke
Jede Phase des Motors ist mit zwei Schaltern verbunden: einer zum Pluspol der Batterie (der "obere" Schalter) und der andere zum Minuspol (der "untere" Schalter). Drei Phasen, also sechs Schalter: das ist der dreiphasige Brückenschalter, oder Wechselrichter.
Durch das Schließen des oberen Teils einer Phase wird diese mit dem Plus verbunden; durch das Schließen des unteren Teils mit dem Minus. Durch schnelles Wechseln zwischen den beiden Zuständen, mit einem variablen Zeitanteil, erhält man im Durchschnitt jede beliebige Spannung zwischen Null und der Batteriespannung. Diese Technik wird als Pulsweitenmodulation (PWM) bezeichnet. Die Wicklungen des Motors glätten diese Impulse, und der daraus resultierende Strom wird nahezu sinusförmig.
Es dürfen niemals gleichzeitig beide Schalter einer Phase betätigt werden, da dies zu einem direkten Kurzschluss der Batterie führen würde.
Die Leistungstransistoren
Bei Controllern für Roller, Fahrräder oder leichte Motorräder sind die Schalter in der Regel MOSFET-Transistoren. Im geschlossenen Zustand verhalten sie sich wie ein sehr geringer Widerstand; im geöffneten Zustand blockieren sie die Batteriespannung. Bei den höheren Spannungen von Elektroautos werden eher IGBTs oder Siliziumkarbid-Transistoren eingesetzt.
Um einen höheren Stromfluss zu ermöglichen, werden oft mehrere Transistoren parallel geschaltet, jeweils an einer Position. Ihre maximale Spannung muss deutlich höher sein als die Spannung einer voll aufgeladenen Batterie, um Spannungsspitzen bei jedem Schaltvorgang und beim Bremsen zu bewältigen.
Woher kommt die Wärme?
Ein Transistor erwärmt sich auf zwei Arten:
- im Durchgangszustand: Der Strom fließt durch ihren geringen Widerstand. Dieser Verlust nimmt mit dem Quadrat des Stroms zu: Verdoppelt man den Strom, vervierfacht sich die Wärme
- `bei der Schaltvorgang: Während des kurzen Moments, in dem der Schalter von geöffnet zu geschlossen wechselt, werden gleichzeitig Spannung und Strom übertragen. Je häufiger der Schaltvorgang stattfindet, desto größer ist dieser Verlust. `
Deshalb hält ein Controller, der für einen sehr hohen Strom angegeben ist, diesen nur für wenige Sekunden, wenn er nicht ausreichend gekühlt wird.
Die Anfahrzeiten und die Ausfallzeiten
Ein MOSFET wird über seine Gate-Elektrode gesteuert, die sehr schnell geladen und entladen werden muss, damit er sauber schaltet. Der Mikrocontroller hat nicht die nötige Leistung, um dies direkt zu tun: dafür sind spezielle Schaltungen, die Gate-Treiber, zuständig. Sie steuern auch den oberen Schalter, dessen Referenzspannung sich mit der Phase ändert.
Zwischen dem Öffnen eines Schalters und dem Schließen des anderen in derselben Phase, lässt man eine kurze Verzögerung, in der beide geöffnet sind: die Totzeit. Ist sie zu kurz, besteht die Gefahr eines Kurzschlusses während des Übergangs; ist sie zu lang, verzerrt sie die Spannung und verursacht Verluste. Ihre Einstellung hängt von den Transistoren und ihren Treibern ab.
Die Messung des Stroms
Für die vektorielle Ansteuerung, wie auch für die Schutzfunktionen, muss der Controller den Strom in den Phasen genau kennen. Zwei Methoden dominieren:
- `Shunts: Präzisionswiderstände, die in den Stromkreis eingebaut werden, wobei die geringe Spannung gemessen wird;`
- `Hall-Effekt-Stromsensoren, die das Magnetfeld messen, das durch den Strom erzeugt wird, ohne sich im Stromkreis zu befinden. Sie werden häufig bei höheren Strömen eingesetzt.`
Die Messung muss zum richtigen Zeitpunkt im Schaltzyklus durchgeführt werden, und zwar in einem Bereich, der nicht von den Schaltvorgängen beeinflusst wird.
Die Kondensatoren des Bussystems
Die Brücke zieht einen gepulsten Strom von der Batterie, und zwar mit der Schaltfrequenz. Die Batteriekabel, die zu lang und zu induktiv sind, können diese Impulse nicht liefern. Kondensatoren, die so nah wie möglich an der Brücke platziert sind, fungieren als Energiespeicher: Sie liefern die Stromspitzen und glätten den Strom, den die Batterie sieht. Auch sie erwärmen sich, und ihre Auswahl beeinflusst die Lebensdauer des Controllers.
Auch für sie ist es notwendig, dass ein Hochspannungs-Controller über eine Vorlade-Schaltung oder einen Funkenunterdrückungs-Anschluss verfügt: Beim Anschließen ziehen leere Kondensatoren plötzlich einen hohen Strom.
Der Steuerungsbereich
Ein Mikrocontroller steuert den Motor in jedem Taktzyklus: Er liest die Ströme, berechnet die Rotorposition, regelt den Betrieb und generiert die Steuersignale für den Leistungselektronik-Baustein. Um ihn herum befinden sich:
- die Eingänge für den Gashebel, die Bremse und die Motoren-Sensoren;
- die Kommunikationsverbindungen zum Display, zu einem anderen Controller oder zu einem Einstellungscomputer;
- die Messwerte für die Batteriespannung und die Temperaturen (Transistoren und oft auch Motor);
- Eine Niederspannungsversorgung, die vom Akku gespeist wird, dient der Elektronik und manchmal auch für Zubehör.
Die Schutzvorrichtungen
| Schutz | Was sie überwacht | Was sie tut |
|---|---|---|
| Überstrom | Stromstärke pro Phase oder pro Batterie, die einen absoluten Grenzwert überschreitet | Die Verbindung wird in wenigen Mikrosekunden unterbrochen |
| Temperatur | Transistoren und Motor | Reduziert den Strom allmählich und schaltet dann ab |
| Unter Spannung | Batterie zu schwach | Reduziert die Leistung, um die Batterie zu schützen |
| Überspannung | Die Spannung steigt, insbesondere beim elektrischen Bremsen | Begrenzt die Bremsleistung und schaltet dann ab |
| Fehler bei den Fahrern | Spannung der Steuerung, Kurzschluss eines Transistors | Stoppen Sie die Verbindung und melden Sie den Fehler |
Die Kühlung ist eine entscheidende Einschränkung für einen Controller
Die Transistoren werden auf einer Oberfläche montiert, die ihre Wärme zum Gehäuse und von dort in die Luft oder das Chassis leitet. Die Qualität dieses Wärmeableitungswegs bestimmt den Strom, den ein Controller dauerhaft verarbeiten kann. Zwei Controller mit den gleichen Transistoren können sehr unterschiedliche Leistungsfähigkeiten aufweisen, abhängig von ihrem thermischen Design und ihrer Befestigung im Gerät.
Werkstatt-Tipp.
Befestigen Sie den Controller immer auf einer metallischen Oberfläche, die Wärme ableitet und einen guten Kontakt gewährleistet. Ein Controller, der in Schaumstoff oder einem Plastikbeutel eingeschlossen ist, erreicht niemals die korrekten Werte.
Häufig gestellte Fragen
Warum pfeift ein Controller?
Das Pulsweitenmodulationsverfahren (PWM) führt zu leichten Vibrationen in den Motorwicklungen und einigen Komponenten. Wenn die Frequenz der Pulsweitenmodulation in den hörbaren Bereich fällt, kann ein Pfeifen wahrgenommen werden. Das ist normal, solange es nicht zu laut ist.
Ist ein defekter Controller reparierbar?
Manchmal, wenn nur wenige Transistoren ausgefallen sind. Ein Stromausfall beschädigt jedoch oft die Ansteuerschaltungen oder die Leiterbahnen; eine Reparatur ist nur dann sicher, wenn man weiß, warum der Transistor ausgefallen ist.
Warum spricht man von "Spitzenstrom" und "Gleichstrom"?
Da die tatsächliche Grenze thermisch bedingt ist. Ein Controller kann einen hohen Strom für einige Sekunden aushalten, solange seine Komponenten noch nicht zu heiß werden, während er einen geringeren Strom unbegrenzt liefern kann. Beide Werte sind nützlich, vorausgesetzt, man weiß, welchen Wert man gerade betrachtet.