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焉知汽车科技|电动车控制器与电机匹配性分析

来源 | 国家轻型电动车及电池产品质量监督检验中心
来源 | 电动学堂
1.控制系统现状及问题
目前 ， 一般国内控制器生产厂家对于各种电机都是按照统一的插件图去生产控制器 ， 而不会根据不同电机去改变主板上的元器件的值 ， 也就是说 ， 没有很好的将控制器和电机匹配 。控制器与电机不匹配会造成下列影响 。
（1）电机系统效率降低
在控制器各项功能都能满足的条件下 ， 电机与控制器匹配达到最理想的效果为系统效率最高、消耗电流最小 。控制器与电机测定的综合效率和数据 ， 应当符合该电机出厂时的特性曲线或接近电机原有的特性曲线 。与特性曲线相比较差别较小的 ， 说明控制器与电机只是配合不理想；若与特性曲线比较出入较大时 ， 说明两者不匹配 ， 但也可能是电机出现问题 ， 应当查找清楚 。控制器效率、控制器与电机配合后的综合效率 ， 是电动自行车一项重要指标 ， 不管哪一个效率低 ， 都会将有用电能变成无用电能造成浪费 ， 并影响续驶能力 。控制器自身效率应当不小于95% ， 电机和控制器的综合效率应不小于81% 。
（2）车辆行驶无力常常会出现同一批的控制器在这家车子上有力 ， 而在另一家却无力 。这是因为不同电机厂生产出的电机的磁阻、电气和机械时间常数有较大差异 ， 这些参数对电机的启动性能有很大影响 。并且电动车启动有、无力与控制器程序设计时启动电流、堵转电流以及电机本身有直接关系 。
（3）控制器易损坏这主要是在市场上选择控制器时 ， 没有选择参数与电机相匹配的控制器 。控制器额定功率过小 ， 其功率管的承受电流电压能力有限 ， 大功率电机的尖峰电流电压值比小功率电机高 ， 容易造成功率管击穿损坏 。此外 ， 大功率控制器外壳一般较大 ， 散热效果也会更好 。控制器电压高于电机 ， 虽然可使车速提高 ， 但是运行电流也会更大 ， 对控制器损害大 ， 而对电机而言 ， 耐热和耐压能力较控制器强 ， 但是电机容易发热 ， 久而久之会造成电机退磁 ， 缩短电机使用寿命 。
2.控制器与电机匹配数据分析
关于控制器与电机匹配的效率比对 。
（1） 试验流程
①将系统连线依次接好 ， 将功率分析仪连至控制器的输入电压、输入电流、输出电压、输出电流 ， 将示波器连至控制器输出端 。
②调节稳压电源电压到被测控制器额定工作电压 。
③转动转把将电机速度调至最大转速 ， 记录空载下控制器的输入电压U1、输入电流I1、输出电压U2、输出电流I2、测功机输入功率P1、输出功率P2、效率值η 。
④改变负载 ， 记录电机20% ， 60% ， 100% ， 130% ， 200%额定输出功率时 ， 控制器的输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、测功机输入功率、输出功率、效率值 ， 同时用功率分析仪计算电机相电流波形畸变率（失真度） 。
⑤计算控制器效率=（U2*I2）/(U1*I1)
⑥通过以上五步可判断出匹配后的系统效率情况 。
（2）试验结果
在控制器各项功能都能满足的条件下 ， 电机与控制器匹配达到最理想的效果为系统效率最高、消耗电流最小 。控制器自身效率应当不小于95% ， 电机和控制器的综合效率应不小于81% 。试验中 ， 我们选择相同类型（6管、电压48V、功率350W、限流17A）不同品牌控制器 ， 通过功率分析仪计算控制器效率 ， 再连接同一台无刷电机（48V350W） ， 在测功机上进行加载试验 ， 记录电机20% ， 60% ， 100% ， 130% ， 200%额定输出功率时 ， 控制器的输入电压、输入电流、转矩、转速、输出功率、输入功率、效率值 ， 比较各电机及控制器系统整体效率、控制器效率 。
试验数据图如下：
图1是正弦波控制器中效率最高的一组数据 ， 其中控制器效率达到98% ， 失真度最小 。匹配性最好的一组数据 。
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图2是方波控制器中效率最高的一组数据 ， 其中控制器效率也达到98% ， 失真度最小 。
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图3~5是一级市场正弦波控制器的三组数据 ， 控制器的效率都在95%~97%之间 。
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图6~7是一级市场方波控制器的三组数据 ， 控制器的效率都在95%~97%之间 。
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图8~9分别是二级市场上正弦波和方波控制器效率最低的一组数据 ， 控制器效率不到95% ， 失真度较高 ， 匹配性也是比较差的 。
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图10是脉冲控制器的一组数据 ， 控制器效率是不到95% ， 失真度也较高 。
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通过数据显示 ， 可以看出控制器的重要性 ， 它的好坏与匹配直接影响了电机效率 。进一步体现了控制器在整车上的重要性 。
3.改良控制器与电机匹配性的措施
为了进一步提高控制器与电机的匹配性 ， 笔者建议以下措施 。
（1）对于控制器生产商 ， 在设计控制器时 ， 用一种控制器匹配所有电机是不现实的 ， 应根据不同电机的特性 ， 来设定堵转电流 ， 并通过调整控制器主板上的功率管、电子元件的参数值 ， 将控制器和电机匹配 。
（2）对于整车厂 ， 选配控制器和电机时 ， 要从以下几方面考虑 。
①功率：只要电机功率在控制器的控制范围内 ， 就可以安全、可靠的运行 。也就是说 ， 控制器的额定功率应大于、等于电机的额定功率 ， 否则要么控制器过载 ， 要么电机无法达到其允许的最大功率输出 。一般情况 ， 电气系统负载功率一般定为控制部分功率的75% ， 留一定裕量 ， 对延长控制器的使用寿命会有一定的帮助 ， 这样的配置可确保车辆的损坏率很低 。控制器额定功率过大 ， 说明控制裕量很大 ， 使用寿命较长 ， 但经济性较差 ， 并且限流是在控制器里设置的 ， 大功率控制器的限流值会大 ， 配小电机会显得保护的反应速度慢或者没保护 。
②电流：MOS管的数量决定了控制器所能通过电流的大小 。6管控制器一般配180~350W电机；9管控制器一般配350~450W电机；12管控制器一般配500~800W电机；15管控制器一般配800~1500W电机 。所谓9管、12管是代表控制器的MOS管的数量 ， 数量的决定是和额定电压、限流值、电机功率来进行开发的 ， 个数多了功率就大 ， 爬坡能力强 。
③加强对控制器企业的监管 ， 通过整车企业、控制器企业和市场上监督抽查 。从选样过程中了解到 ， 做二级市场的企业比一级市场的企业多 ， 而且做二级市场的企业自身的检测比较薄弱 ， 甚至有的控制器还是回收再利用的 。
④组织整车企业、控制器电机企业的相关技术人员的陪训 。通过培训提高他们自身的质量 ， 加强他们对电机与控制器匹配性的意识 ， 增加电机与控制器企业之间的联系 。目前大多是由整车企业直接来选购配件 ， 缺少了配件企业之间的沟通 。
【焉知汽车科技|电动车控制器与电机匹配性分析】⑤制定完善的标准体系 ， 制定相关控制器、电机的国家标准 。目前控制器只有QB/T29462008、QC/T792-2007两个 ， 由于标准制定的年数较长 ， 所以其中个别项目制定有点不合理 。例如QC/T792-2007中的耐压指标为1500V ， 而控制器一般能承受的耐压值最高1150V左右 。


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