Een borstelloze gelijkstroommotor (BLDC-motor) kan probleemloos op de testbank draaien, maar uitvalt zodra een machine op batterijen onder belasting accelereert. De motor draait, de controller schakelt in en het accupakket heeft in ruststand een goede spanning. Toch gaat er ergens iets mis, en het is niet duidelijk of de batterij, de controller of de motor de schuldige is.
In de meeste gevallen is het antwoord dat geen enkel onderdeel defect is. De componenten zijn geselecteerd op basis van specificaties op het typeplaatje, die niet beschrijven hoe ze samenwerken. Deze handleiding behandelt de belangrijkste selectiestappen, van de maximale output van de batterij en de eisen van de motor tot compatibiliteit met de controller, thermisch beheer en praktijktesten.
Begin met wat de batterij daadwerkelijk kan leveren.
De nominale spanning is een label, geen bedrijfsspanning. Een accupakket met een aanduiding van 48 V werkt gedurende zijn levensduur binnen een bepaald bereik, van de volledig opgeladen spanning tot het punt waarop het BMS (Battery Management System) of de controller de stroomtoevoer onderbreekt. De spanning daalt verder wanneer er stroom wordt afgenomen. Het ingangsbereik van de controller moet dit hele bereik bestrijken, inclusief de tijdelijke spanningsdalingen tijdens acceleratie, niet alleen de nominale waarde.
Neem bijvoorbeeld een lithium-ion-accupakket met 13 cellen. Volledig opgeladen ligt de spanning rond de 54.6 V (13 cellen van 4.2 V). Aan de onderkant van het laadbereik, afhankelijk van de celchemie en de uitschakeldrempel van het batterijbeheersysteem (BMS), kan de spanning dichter bij de 39-42 V liggen. Bij een zware belasting zal de spanning nog verder dalen. Een controller die is ontworpen voor een smaller spanningsbereik kan uitschakelen bij onderspanning, ruim voordat het accupakket volledig leeg is. Het werkelijke werkingsbereik is afhankelijk van de cellen en de instellingen van het BMS.
De huidige capaciteit vereist dezelfde nauwkeurigheid en wordt door meer dan alleen de cellen beperkt. De accucellen, het batterijbeheersysteem (BMS), de connectoren en de bedrading beperken allemaal hoeveel stroom het systeem veilig kan afnemen. De laagste limiet bepaalt de maximaal beschikbare stroom. Een accupakket dat de normale bedrijfsstroom aankan, kan nog steeds zijn beveiliging activeren wanneer de motor tijdens het accelereren een korte stroompiek trekt. Vergelijk daarom de limieten van het BMS en de cellen met de verwachte vraag tijdens het accelereren, niet alleen tijdens constant rijden, en controleer of de connectoren en kabeldikte voldoende spanningsval veroorzaken om de controller richting de onderspanningsdrempel te duwen.
Bepaal wat de belasting van de motor is.
Bij de keuze voor een borstelloze DC-motor begint het met de belasting, niet zozeer met het vermogen. Het koppel bij de vereiste snelheid, het koppel dat nodig is om de belasting in beweging te krijgen, de acceleratiesnelheid en de herhaling van de belasting gedurende een werkcyclus bepalen samen of een motor geschikt is. Het nominale vermogen alleen verhult veel van deze aspecten: een motor die de belasting bij constante snelheid probleemloos aankan, heeft mogelijk weinig marge om een zwaar apparaat in beweging te brengen of een helling op te rijden.
Het helpt om drie vragen te onderscheiden. Welk continu koppel heeft de toepassing nodig bij de normale snelheid? Welk piekkoppel is nodig en hoe lang? En is de wikkeling van de motor geschikt voor de accuspanning?
De snelheidsconstante van een motor geeft aan hoe de onbelaste snelheid zich verhoudt tot de aangelegde spanning, terwijl het benodigde koppel voor de toepassing grotendeels de stroomsterkte bepaalt die nodig is om dat koppel te leveren. Controleer de snelheids-koppelgegevens van de fabrikant bij de beoogde voedingsspanning in plaats van alleen de snelheidsconstante te gebruiken om te beoordelen of een motor aan de eisen van de toepassing voldoet.
Een ruwe schatting van de stroomsterkte aan de batterijzijde kan worden gemaakt op basis van het mechanisch vermogen, het algehele systeemrendement en de batterijspanning. Als een motor bijvoorbeeld 1 kW mechanisch vermogen levert bij een verondersteld algeheel rendement van 90%, moet de batterij ongeveer 1.11 kW leveren. Dat komt overeen met ongeveer 28 A bij 40 V of 21 A bij 54 V, voordat rekening wordt gehouden met transiënte effecten en spanningsdalingen. Als de acceleratie het benodigde vermogen kortstondig verdubbelt, verdubbelt de stroomsterkte ook ongeveer, en dat gebeurt bij de laagste spanning, de spanningsdaling. Dit is de spanning die het accupakket, het batterijbeheersysteem (BMS) en de bedrading moeten kunnen weerstaan.
Wat is het verschil tussen gelijkstroom van een batterij en fasestroom van een motor?
Een controller voor borstelloze DC-motoren bevindt zich tussen een DC-bron en een driefasenmotor, en de stroombegrenzingen gelden voor twee verschillende situaties. De stroom aan de batterijzijde (DC-ingang) en de fasestroom van de motor zijn niet gelijk, en een directe vergelijking is een veelvoorkomende bron van fouten. Bij lage snelheden kan een controller een hoge fasestroom aan de motor leveren terwijl er aanzienlijk minder stroom van de batterij wordt afgenomen, omdat de duty cycle klein is. Bij hoge snelheden en een hoge duty cycle komen de twee waarden veel dichter bij elkaar. De controller continue en piekbeoordelingen Voor elk onderdeel moet de bijbehorende documentatie worden geraadpleegd en vergeleken met wat de motor en de accu aankunnen.
Controleer naast de stroomsterkte ook de praktische compatibiliteit: het ondersteunde spanningsbereik ten opzichte van het werkbereik van de accu, het type sensor dat de motor gebruikt (Hall-sensoren, encoder of sensorloze werking), de commutatiemethode en de interface voor snelheids- of koppelcommando's die de rest van uw systeem gebruikt. Een mismatch in de sensorbekabeling of commutatie-instellingen uit zich vaak in een onregelmatige start, trillingen of een motor die niet soepel op gang komt, in plaats van een duidelijke storing.
Zodra het spanningsbereik, de koppelvereisten en de stroomlimieten duidelijk zijn, wordt het eenvoudiger om een motor en controller te selecteren die over het volledige werkingsbereik functioneren. Brushless.com biedt borstelloze gelijkstroommotoren en compatibele controllers voor toepassingen met verschillende spannings-, koppel- en stroomvereisten.
Houd rekening met warmteontwikkeling en de inschakelduur.
Een systeem dat dertig seconden werkt, blijkt niet ook dertig minuten te werken. Koperverliezen in de motorwikkelingen nemen toe met het kwadraat van de stroomsterkte wanneer de wikkelweerstand constant wordt gehouden, en de vermogensfase van de controller voegt geleidings- en schakelverliezen toe, waardoor de temperatuur van het systeem ook afhangt van de koeling. Langdurige belasting, frequente start-stopcycli, een hoge omgevingstemperatuur en een krappe behuizing kunnen elk een ontwerp in een thermische beveiligingstoestand brengen die tijdens een korte test niet is opgetreden.
Begin met een eerlijke beschrijving van de werkcyclus. Een motor die het grootste deel van de tijd dicht bij zijn nominale vermogen draait, heeft weinig thermische reserve; een motor die korte pieken afwisselt met lange rustperiodes, kan vaak zijn korte-termijnvermogen benutten. De installatie is net zo belangrijk als het nominale vermogen: het monteren van een controller op een metalen frame, het toestaan van luchtstroom of het plaatsen ervan in een afgesloten kleine behuizing kan het duurzame vermogen aanzienlijk beïnvloeden. Ook de batterijtemperatuur speelt een rol, aangezien de toegestane laad- en ontlaadstroom kan veranderen met de celtemperatuur.
Selectiefouten die vaak pas later aan het licht komen
Enkele fouten keren steeds terug omdat ze niet op een specificatieblad staan vermeld en pas in de praktijk aan het licht komen.
Een controller met een ruime piekstroomwaarde is een veelvoorkomende valkuil wanneer de accu of het batterijmanagementsysteem (BMS) die piek niet kan leveren. Het accupakket wordt dan de beperkende factor en de beveiliging wordt uitgeschakeld op het moment van de krachtigste acceleratie. Het dimensioneren van de motor voor kruissnelheid is een andere valkuil: het start- of klimkoppel duwt het systeem dan tegen de stroomlimiet aan, met een trage respons of herhaalde beveiligingsmeldingen tot gevolg. Spanningsverlies in connectoren en kabels veroorzaakt een derde soort verrassing, omdat een connector die niet optimaal functioneert in stationaire stand, onder belasting voldoende spanning kan verliezen om een onderspanningsfout te veroorzaken die gemakkelijk kan worden aangezien voor een defecte accu.
Geen van deze argumenten pleit ervoor om simpelweg de grootste motor of de controller met de hoogste stroomsterkte te kopen. Overdimensionering kan de kosten en het gewicht verhogen, het werkingspunt naar een minder efficiënt gebied verschuiven en de batterij nog steeds als knelpunt laten fungeren.
Valideer het complete systeem onder reële omstandigheden.
Testbankspecificaties kunnen testen onder echte belasting niet vervangen. Laat het volledige systeem zijn werkelijke gebruiksomstandigheden doorlopen: starten vanuit stilstand onder belasting, accelereren, draaien onder constante belasting, werken met een lage laadstatus en, indien van toepassing, draaien in de beoogde behuizing bij een realistische omgevingstemperatuur. Registreer daarbij de accuspanning bij de accuklemmen en bij de ingang van de controller, de gelijkstroomingang, eventuele foutcodes van de controller, de status van het batterijmanagementsysteem (BMS) en de temperaturen van de motor, controller en accu.
Als het systeem tijdens het accelereren stopt, is de relevante vraag welke limiet het eerst werd bereikt: een spanningsdip in het accupakket, een ontladingslimiet van het BMS, een stroominstelling van de controller of een mechanische belasting die hoger is dan verwacht. Gebruik de onderstaande symptomen om het onderzoek te verfijnen en bevestig vervolgens de oorzaak met behulp van spannings-, stroom-, temperatuur- en foutcodegegevens.
| Symptoom | Eerste controles |
|---|---|
| Het systeem wordt gereset wanneer de motor start. | Batterijspanningsval, BMS-beveiliging, bedrading en connectorspanningsval |
| Plotseling stoppen tijdens acceleratie | Piekstroomvraag, stroomlimiet van de regelaar, ontladingslimiet van het batterijbeheersysteem |
| Stopt na een tijdje rennen. | Temperatuur van de motor en de regelaar, continue belasting, koeling en behuizing |
| De motor hapert of start niet soepel. | Sensorbekabeling, commutatieconfiguratie, compatibiliteit van controller en motor |
| Uitvoeringstijd korter dan verwacht | Werkelijke belasting en inschakelduur, motorrendement, mechanische weerstand, bruikbare batterijcapaciteit |
Door deze stappen in de juiste volgorde te controleren, wordt de kostbare gewoonte vermeden om de motor of controller te vervangen voordat de werkelijke oorzaak van de beperking is vastgesteld.
De volgorde samenstellen
Een betrouwbare combinatie wordt verkregen door de accu, motor en controller als één systeem te controleren. Begin met de bruikbare spanning en ontladingslimieten van het accupakket, controleer of de motor aan de koppel- en snelheidseisen van de toepassing kan voldoen en verifieer of de controller zowel de accu als de motor ondersteunt. Test vervolgens onder realistische belastingen en temperaturen. Als een systeem nog steeds uitvalt, kunnen geregistreerde spannings-, stroom-, temperatuur- en foutgegevens helpen om te bepalen welke limiet wordt bereikt, in plaats van te vertrouwen op giswerk of onnodig onderdelen te vervangen.
