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锂离子电池供电的无刷直流电机设计方案

2015-05-05 11:17
九一隐士
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  消费者希望电池供电产品具有优异的可靠性并延长电池使用寿命,如手持电动工具、便携式医疗设备或家庭自动化产品。随着这些产品的市场迅速增长,制造商们开始采用新一代锂离子电池(Li-ion)供电的无刷直流(BLDC)电机。

  无刷直流电机非常适合于需要高可靠性、高效率和高功率密度的应用。由于没有电刷磨损和更换,无刷直流电机的可靠性非常高。因此,其预期寿命显著高于有刷电机,从而大大延长产品的使用寿命。

  从另一方面看,锂电池已广泛应用于各种消费电子产品,如智能手机和平板电脑等。锂电池以其优异的能量密度和静态电荷损失缓慢的特点,成为用途最广的电池之一。锂电池不仅用于消费电子产品,而且正在越来越多的应用于过去采用铅酸蓄电池的产品,如高尔夫球车、 电动割草机等。

  新型锂电池供电的无刷电机工作时间长,产品可靠性更高,从而促进了电池供电的电动产品市场的发展。许多产品正在进行这种新电池的升级,包括手钻、链锯、鼓风机等电池供电工具,以及小型电动车辆(电动自行车和轮椅)和不间断电源等。

  这些新产品还需要更新驱动MOSFET的桥式驱动器,以利用各种功能,同时减少其配合集成式的BLDC电动机与锂电池产生的问题。特别是,新型桥式驱动器提供的创新安全功能,可防止电机负载再生减速期间电池充电失控导致锂离子电池损伤和损坏,进一步延长电池以及多节锂电池供电产品的使用寿命。

  升级到锂离子电池和无刷直流电机

  锂离子电池的高能量密度是优于其他电池技术(如镉镍、镍氢或铅酸电池)的一个主要优势。通常情况下,锂电池能量密度是其它电池技术的两到三倍。能量密度高可以减小电池组尺寸,减轻手持电动工具的重量并进一步小型化。此外,在不增加原有电池组尺寸或重量的情况下,可以延长电动自行车或轮椅等的工作时间。

  不过,高能量密度的锂电池并非没有应用方面的问题。锂电池不是我们通常对电池理解意义上的电压源。锂电池内部电感相当高(100-500nH),导致采用PWM技术驱动电机时产生明显的纹波电压。简单的解决办法是在MOSFET桥间增加足够电容,但由于受到空间、成本的限制,无法采用这种方法。

  除空间有限外,PCB结构约束也是许多使用电池供电的手持电动工具的主要问题。在一些应用中,桥臂间跨接很小的电容也会使桥路产生严重的电压纹波。以18-20V的锂电池为例,大负载条件下,采用最小限度容量桥接电容的锂电池谷值电压可能低至5V,峰值电压则高达36V。另一个考虑因素是过载期间的工作条件,如转子停转,这种情况下,电池电压会下降到非常低的值。这些例子中,要求控制器(而不是驱动器)能够决定如何对这些极端工作条件做出反应。

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