Inuti en motorstyrenhet: trefasbrygga, transistorer, strömmätning

Utifrån sett är en styrenhet en låda med tjocka kablar på ena sidan, tunnare på den andra, och en kylfläns. Inuti finns två olika delar: en kraftdel som hanterar hundratals ampere, och en styrsdel som beräknar vad kraften ska göra. Denna guide öppnar lådan, utan att nämna någon specifik produkt.

Den trefasiga bryggan

Varje fas i motorn är ansluten till två brytare: en till pluspolen på batteriet (brytaren "hög"), och en till minuspolen (brytaren "låg"). Tre faser, alltså sex brytare: det är en trefasbrygga, eller en omvandlare.

Genom att stänga den övre kontakten i en fas kopplas den till pluspolen; genom att stänga den nedre kontakten kopplas den till minuspolen. Genom att snabbt växla mellan de två, med en varierande tidsfördelning, kan man i genomsnitt uppnå vilken spänning som helst mellan noll och batterispänningen. Denna teknik kallas pulsbreddsmodulering (PWM, eller MLI på franska). Motorlindningarna jämnar ut dessa pulser, och strömmen som flödar genom dem blir nästan sinusformad.

Man får aldrig stänga av båda strömbrytarna för samma fas samtidigt: det skulle orsaka ett direkt kortslutning av batteriet.

Krafttransistorer

På styrenheterna för elscootrar, elcyklar eller lätta elmotorcyklar är omkopplarna vanligtvis MOSFET-transistorer. När de är stängda fungerar de som ett mycket lågt motstånd; när de är öppna blockerar de batterispänningen. För de högre spänningarna som används i elfordon används oftare IGBT-transistorer eller transistorer av kiselkarbid.

För att tillåta en högre strömstyrka placerar man ofta flera transistorer parallellt på varje position. Deras maximala spänning måste vara betydligt högre än batteriets fulla spänning, för att klara de spänningsspikar som uppstår vid varje omkoppling och vid bromsning.

Var kommer värmen ifrån?

En transistor kan bli varm på två sätt:

• genom ledning : strömmen passerar genom dess lilla resistans. Denna förlust ökar med kvadraten av strömmen: att fördubbla strömmen multiplicerar värmen med fyra;
• vid omkoppling: under den korta tid då den går från öppen till stängd position, utsätts den för både spänning och ström. Ju oftare omkoppling sker, desto större blir denna förlust.

Det är därför som en styrenhet som annonseras för att klara av en mycket hög ström bara fungerar under några sekunder om den inte är ordentligt kylt.

Gränssnittsdrivrutiner och vilotider

En MOSFET styrs av sin gate, som måste laddas och urladdas mycket snabbt för att den ska växla effektivt. Mikrokontrollern har inte tillräckligt med kraft för att göra detta direkt: specialiserade kretsar, så kallade gate-drivare, sköter detta. De hanterar också den övre brytaren, vars referensspänning "flyter" med fasen.

Mellan ögonblicket då en brytare öppnas och ögonblicket då en annan stängs på samma fas, finns en kort tidsperiod där båda är öppna: död tid. Om den är för kort riskerar man kortslutning under övergången; om den är för lång förvränger den spänningen och ökar förlusterna. Dess inställning beror på transistorerna och deras drivkretsar.

Mätning av ström

För vektorstyrningen, precis som för skyddsanordningarna, måste styrenheten exakt veta strömmen i faserna. Två metoder dominerar:

• `shunt-motstånd`: Mycket små, precisionsresistanser som placeras i strömkretsen, och vars låga spänning mäts;
• `Hall-effektströmsensorer`, som mäter det magnetfält som skapas av strömmen utan att vara i strömmens väg, är vanligare vid höga strömmar. `

Mätningen måste utföras vid rätt tidpunkt i omkopplingscykeln, och undvika de ögonblick då omkoppling sker, eftersom dessa kan störa mätningen.

Kondensatorerna i bussystemet

Bryggan drar ström från batteriet i form av pulser, med en frekvens som bestäms av bryggans drift. Batterikablarna, som är för långa och har för hög induktans, kan inte leverera dessa pulser. Kondensatorer som placeras så nära bryggan som möjligt fungerar som en energilagring: de levererar de snabba strömtopparna och jämnar ut strömmen som batteriet ser. De genererar också värme, och deras val påverkar styrenhetens livslängd.

Det är också därför en högspänningskontroller behöver ett förladdningskrets eller en gnistfri kontakt: när den ansluts, drar tomma kondensatorer till sig en stor ström på en gång.

Styrningen

En mikrokontroller utför motorstyrningen i varje cykel: den läser strömmarna, beräknar rotorns position, reglerar systemet och genererar styrkommandon för bryggkretsen. Runt omkring den finns:

• ingångarna för gaspedalen, bromsen och motorstyrningen;
• Anslutningarna för kommunikation med displayen, en annan styrenhet eller en inställningsdator;
• Mätningar av batterispänning och temperaturer (transistorer och ofta motor)
• En lågspänningsförsörjning som hämtar ström från batteriet, för elektroniken och ibland för tillbehör.

Skydden

Kylningen är en verklig begränsning för en styrenhet

Transistorerna är monterade på en yta som leder bort värmen till höljet och sedan till luften eller chassit. Kvaliteten på denna värmeavledningsväg avgör vilken ström en styrenhet kan hantera under en längre tid. Två styrenheter med samma transistorer kan ha mycket olika prestanda beroende på deras termiska design och hur de är fästa i maskinen.