电动车控制器的工作原理是什么

[color=#9932CC][/color]车用电机控制器近年来的发展速度之快,使人难以想象, *** 作上越来越“傻瓜”化,而显示则越来越复杂化比如,车速的控制已经发展到“巡航锁定”;驱动方面,有的同时具有电动性能和助力功能,如果转换到助力状态,借助链条张力测力器,或中轴扭力传感器,只要用脚踏动脚蹬,便可执行助力或确定助力的大小这期本刊开始给您讲述控制器的知识,让您对控制器有一个更全面的了解

一、控制器与保护功能

(一)控制器简介

简略地讲控制器是由周边器件和主芯片(或单片机)组成周边器件是一些功能器件,如执行、采样等,它们是电阻、传感器、桥式开关电路,以及辅助单片机或专用集成电路完成控制过程的器件;单片机也称微控制器,是在一块集成片上把存贮器、有变换信号语言的译码器、锯齿波发生器和脉宽调制功能电路以及能使开关电路功率管导通或截止、通过方波控制功率管的的导通时间以控制电机转速的驱动电路、输入输出端口等集成在一起,而构成的计算机片这就是电动自行车的智能控制器它是以“傻瓜”面目出现的高技术产品

控制器的设计品质、特性、所采用的微处理器的功能、功率开关器件电路及周边器件布局等,直接关系到整车的性能和运行状态,也影响控制器本身性能和效率不同品质的控制器,用在同一辆车上,配用同一组相同充放电状态的电池,有时也会在续驶能力上显示出较大差别

(二)控制器的型式

目前,电动自行车所采用的控制器电路原理基本相同或接近

有刷和无刷直流电机大都采用脉宽调制的PWM控制方法调速,只是选用驱动电路、集成电路、开关电路功率晶体管和某些相关功能上的差别元器件和电路上的差异,构成了控制器性能上的不大相同控制器从结构上分两种,我们把它称为分离式和整体式

1、分离式 所谓分离,是指控制器主体和显示部分分离(图4-22、图4-23)后者安装在车把上,控制器主体则隐藏在车体包厢或电动箱内,不露在外面这种方式使控制器与电源、电机间连线距离缩短,车体外观显得简洁

2、一体式 控制部分与显示部分合为一体,装在一个精致的专用塑料盒子里盒子安装在车把的正中,盒子的面板上开有数量不等的小孔,孔径4~5mm,外敷透明防水膜孔内相应位置设有发光二极管以指示车速、电源和电池剩余电量

(三)控制器的保护功能

保护功能是对控制器中换相功率管、电源免过放电,以及电动机在运行中,因某种故障或误 *** 作而导致的可能引起的损伤等故障出现时,电路根据反馈信号采取的保护措施电动自行车基本的保护功能和扩展功能如下:

1、制动断电 电动自行车车把上两个钳形制动手把均安装有接点开关当制动时,开关被推押闭合或被断开,而改变了原来的开关状态这个变化形成信号传送到控制电路中,电路根据预设程序发出指令,立即切断基极驱动电流,使功率截止,停止供电因而,既保护了功率管本身,又保护了电动机,也防止了电源的浪费

2、欠压保护 这里指的是电源的电压当放电最后阶段,在负载状态下,电源电压已经接近“放电终止电压”,控制器面板(或仪表显示盘)即显示电量不足,引起骑行者的注意,计划自己的行程当电源电压已经达到放终时,电压取样电阻将分流信息馈入比较器,保护电路即按预先设定的程序发出指令,切断电流以保护电子器件和电源

3、过流保护 电流超限对电机和电路一系列元器件都可能造成损伤,甚至烧毁,这是绝对应当避免的控制电路中,必须具备这种过电流的保护功能,在过流时经过一定的延时即切断电流

4、过载保护 过载保护和过电流保护是相同的,载重超限必然引起电流超限电动自行车说明书上都特别注明载重能力,但有的骑行者或未注意这一点,或抱着试一下的心理故意超载如果没有这种保护功能,不一定在哪个环节上引起损伤,但首当其冲的就是开关功率管,只要无刷控制器功率管烧毁一只,变成两相供电后电动机运转即变得无力,骑行者立即可以感觉到脉动异常;若继续骑行,接着就烧毁第2个、第3个功率管有两相功率管不工作,电动机即停止运行,有刷电机则失去控制功能因此,由过载引起的过电流是很危险的但只要有过电流保护,载重超限后电路自动切断电源,因超载而引起的一系列后果都可以避免

5、欠速保护 仍然属于过流保护范畴,是为不具备0速起步功能的无刷控制系统而设置,

6、限速保护 是助力型电动自行车独有的设计控制程序车速超过某一预定值时,电路停止供电不予助力对电动型电动自行车而言,统一规定车速为20km/h,车用电动机在设计时,额定转速就已经设定好了,控制电路也已经设好电动自行车只能在不超过这个速度状态下运行

控制器的位置不会影响到性能,主要视设计者的意图但有几项原则:(1)在运行 *** 作允许时;(2)在整体布置允许时;(3)在线路布设要求时;(4)在配套设施要求时

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锂电池有锂金属电池、锂离子电池和锂聚合物电池之分；其中锂金属电池通常作为一次电池， 也就是不可充电电池，其放电电流不大，应用也不是很广泛；目前我们常说的锂电池实际上是锂离 子电池，也是目前应用最广泛的锂电池，锂聚合物电池是第三代锂电池，它的安全性能、能量密度、最大放电电流、对环境的污染等参数是目前三种锂电池中最优秀的，日后的发展趋势当是最好的， 而且它的充电管理和保护部分几乎与现有的锂离子电池兼容应用起来很方便。在以下文字中以锂离 子电池为例说明保护线路的设计，文字中锂电池指锂离子电池。常规的锂电池标称电压为36V或37V，充满电后为41V或42V。下面我就介绍单节锂电池保护电路的设计原理。保护电路的功能: 过充电保护：对锂电池来说，其充电后最高电压不得超过42V，否则电池内的电解质 会被分解,使得温度上升并产生气体,降低电池的使用寿命，严重时甚至会引起爆炸，所以锂电池保护电 路一定要保证锂电池绝对不可过度充电。锂离子电池保护板的一些特点及应注意的地方： A：特点：（1）主要技术参数： a过充保护电压 b过充实际电池电压 c过流保护电压 d过放保护电压。e过放恢复电压f正常工作时自耗 g待机状态自耗电流（静态工作电流）h短路保护时间（2）电池保护板所用锂电池保护板一般都出厂时设置好参数了，我没接触过可编程锂保护，应该有吧，但是一般都会在电源管理芯片上下功夫，没人愿意在保护板上面搞这个。

开关电源是一种电压转换电路，主要的工作内容是升压和降压，广泛应用于现代电子产品。因为开关三极管总是工作在 “开” 和“关” 的状态，所以叫开关电源。开关电源实质就是一个振荡电路，这种转换电能的方式，不仅应用在电源电路，在其它的电路应用也很普遍，如液晶显示器的背光电路、日光灯等。开关电源与变压器相比具有效率高、稳性好、体积小等优点，缺点是功率相对较小，而且会对电路产生高频干扰,变压器反馈式振荡电路，能产生有规律的脉冲电流或电压的电路叫振荡电路，变压器反馈式振荡电路就是能满足这种条件的电路。

1 防浪涌软启动电路

开关电源的输入电路大都采用电容滤波型整流电路，在进线电源合闸瞬间，由于电容器上的初始电压为零，电容器充电瞬间会形成很大的浪涌电流，特别是大功率开关电源，采用容量较大的滤波电容器，使浪涌电流达100A以上。在电源接通瞬间如此大的浪涌电流，重者往往会导致输入熔断器烧断或合闸开关的触点烧坏，整流桥过流损坏;轻者也会使空气开关合不上闸。这种现象均会造成开关电源无法正常工作，为此几乎所有的开关电源都设置了防止流涌电流的软启动电路，以保证电源正常而可靠运行。

2 过压、欠压及过热保护电路

进线电源过压及欠压对开关电源造成的危害，主要表现在器件因承受的电压及电流应力超出正常使用的范围而损坏，同时因电气性能指标被破坏而不能满足要求。因此对输入电源的上限和下限要有所限制，为此采用过压、欠压保护以提高电源的可靠性和安全性。温度是影响电源设备可靠性的最重要因素。根据有关资料分析表明，电子元器件温度每升高2℃，可靠性下降10%，温升50℃时的工作寿命只有温升25℃时的1/6，为了避免功率器件过热造成损坏，在开关电源中亦需要设置过热保护电路。

3 缺相保护电路

由于电网自身原因或电源输入接线不可靠，开关电源有时会出现缺相运行的情况，且掉相运行不易被及时发现。当电源处于缺相运行时，整流桥某一臂无电流，而其它臂会严重过流造成损坏，同时使逆变器工作出现异常，因此必须对缺相进行保护。检测电网缺相通常采用电流互感器或电子缺相检测电路。由于电流互感器检测成本高、体积大，故开关电源中一般采用电子缺相保护电路。三相平衡时，R1～R3结点H电位很低，光耦合输出近似为零电平。当缺相时，H点电位抬高，光耦输出高电平，经比较器进行比较，输出低电平，封锁驱动信号。比较器的基准可调，以便调节缺相动作阈值。该缺相保护适用于三相四线制，而不适用于三相三线制。电路稍加变动，亦可用高电平封锁PWM信号。

4 短路保护

开关电源同其它电子装置一样，短路是最严重的故障，短路保护是否可靠，是影响开关电源可靠性的重要因素。IGBT(绝缘栅双极型晶体管)兼有场效应晶体管输入阻抗高、驱动功率小和双极型晶体管电压、电流容量大及管压降低的特点，是目前中、大功率开关电源最普遍使用的电力电子开关器件。IGBT能够承受的短路时间取决于它的饱和压降和短路电流的大小，一般仅为几μs至几十μs。短路电流过大不仅使短路承受时间缩短，而且使关断时电流下降率di/dt过大，由于漏感及引线电感的存在，导致IGBT集电极过电压，该过电压可在器件内部产生擎住效应使IGBT锁定失效，同时高的过电压会使IGBT击穿。因此，当出现短路过流时，必须采取有效的保护措施。为了实现IGBT的短路保护，则必须进行过流检测。适用IGBT过流检测的方法，通常是采用霍尔电流传感器直接检测IGBT的电流Ic，然后与设定的阈值比较，用比较器的输出去控制驱动信号的关断;或者采用间接电压法，检测过流时IGBT的电压降Vce，因为管压降含有短路电流信息，过流时Vce增大，且基本上为线性关系，检测过流时的Vce并与设定的阈值进行比较，比较器的输出控制驱动电路的关断。在短路电流出现时，为了避免关断电流的di/dt过大形成过电压，导致IGBT锁定无效和损坏，以及为了降低电磁干扰，通常采用软降栅压和软关断综合保护技术。在检测到过流信号后首先是进入降栅保护程序，以降低故障电流的幅值，延长IGBT的短路承受时间。在降栅动作后，设定一个固定延迟时间用以判断故障电流的真实性，如在延迟时间内故障消失则栅压自动恢复，如故障仍然存在则进行软关断程序，使栅压降至0V以下，关断IGBT的驱动信号。由于在降压程序阶段集电极电流已减小，故软关断时不会出现过大的短路电流下降率和过高的过电压。采用软降栅压及软关断栅极驱动保护，使故障电流的幅值和下降率都能受到限制，过电压降低，IGBT的电流、电压运行轨迹能保证在安全区内。在设计降栅压保护电路时，要正确选择降栅压幅度和速度，如果降栅压幅度大(比如75V)，降栅压速度不要太快，一般可采用2μs下降时间的软降栅压，由于降栅压幅度大，集电极电流已经较小，在故障状态封锁栅极可快些，不必采用软关断;如果降栅压幅度较小(比如5V以下)，降栅速度可快些，而封锁栅压的速度必须慢，即采用软关断，以避免过电压发生。

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