Как можно повредить регулятор электронным тормозом

Автор статьи: Григорий Дворский, инженер MGM Compro.
Автор перевода: Владислав Ярополов.

Торможение может быть одной из причин повреждения или разрушения электронного регулятора скорости. Этот тип повреждения регулятора не так очевиден, как например обратная полярность батареи, поэтому это требует более детального объяснения. Если вы будете понимать механизм торможения, тогда вам будет легче предупреждать проблемы. "Выживание" регулятора в режиме торможения зависит от множества факторов. Для начала, это используемый мотор, обороты мотора, модель (ее масса), передаточное отношение, качество и состояние силовой батареи, а также проводка и разъемы. Интенсивность торможения также оказывает значительное влияние.

Батареи, которые были использованы в тестах:
a) Kokam K5000/30C/6s
b) K4800/20C/6s
c) другая батарея 5000 mAh, не очень качественная

Моторы, которые были использованы в тестах:
a) ACS 18/20-100 MP JET
b) NEU 1521/1D/F

Регулятор, использованный для тестов - старый тип TMM12032-3 (120A, 45V). Упрощенная схема подключения регулятора приведена на двух последующих рисунках. Для чистоты, приведены конкретные значения напряжений, токов, и сопротивлений (короткие проводники, внутреннее сопротивление батареи, средние токи торможения).

На Рисунке 1, показана ситуация во время работы, когда мотор потребляет ток от батареи. В этой ситуации, ток потребляется от батареи с напряжением (Uinner) в направлении регулятора. Ток течет через внутреннее сопротивление батареи и другие сопротивления (Rbattery + Rconductor) в устройстве (проводка, разъемы), что вызывает потери напряжения на этих сопротивлениях, таким образом снижая напряжение на входе регулятора. Чем больше ток (I) и чем выше эти сопротивления, тем большее напряжение падает на этих сопротивлениях, и тем меньше будет напряжение на входе регулятора (Ucontroller). Напряжение Uapplied может быть измерено на контактах батареи.

Если ток слишком велик, или сопротивления слишком высокие, тогда напряжение на входе регулятора может стать настолько низким, что регулятор может перестать нормально работать, и эта ситуация в свою очередь может повредить регулятор.

Рисунок 1 - ситуация во время работы (регулятор с мотором, потребляющие энергию от батареи).

Совершенно другая ситуация имеет место во время торможения (Рисунок 2). В этом случае, мотор вместе с регулятором работают, как генератор, и ток течет к батарее. И снова, нужно учесть сопротивления устройства (внутреннее сопротивление батареи, сопротивление проводников, разъемов и т.п.). Так как направление тока теперь противоположное, падения напряжений на сопротивлениях устройства теперь имеют противоположную полярность, и они прибавляются к напряжению батареи. Это вызывает увеличение напряжения на входе регулятора во время торможения. Если это напряжение значительно больше, чем максимальное значение для использованных компонентов регулятора, регулятор может быть легко поврежден - на вид совершенно без каких либо причин.

Рисунок 2 - ситуация во время торможения (регулятор с мотором, поставляющие энергию к батарее).

Li-Po батарея изготовлена из двух батарей 3S среднего качества (таким образом получается батарея 6S), проводник между батареями 32 см (12,6 дюйма) , проводник от батареи также 32 см (12,6 дюйма), проводники к регулятору 12+12 см (4,7 + 4,7 дюйма), поперечное сечение 2,5 и 4 мм2 (~13 AWG и ~11 AWG), сопротивление проводников составляет 4 мОм. 4 разъема имеют общее сопротивление 1 мОм. Эта батарея с проводниками и разъемами имеет общее сопротивление 170 мОм. Ситуация в устройстве показана на Рисунке 3.

Ситуация критическая, вы можете видеть, что пик напряжения на входе регулятора во время торможения достигает 42V. Если регулятор предназначен для батареи Li-Po 6S, и может выдерживать до 30V, он может быть полностью выведен из строя даже при самом первом торможении. Увеличение напряжения составляет 17,5V!!! при относительно небольшом токе торможения, который составляет только 80А.

Если использована батарея более высокого качества (с общим внутренним сопротивлением 80 мОм), с более короткими проводниками, ситуация станет лучше, однако все равно неудовлетворительной. Напряжение при торможении увеличится "только" на 12,5V, до 37V, с почти удвоенным током (140A). Эту ситуацию, регулятор для батареи Li-Po 6S, обычно не переживет. Ситуация показана на Рисунке 4.

Излишне говорить, если вы не будете тормозить или будете тормозить мягче, все будет работать без проблем.

В обоих случаях, достаточно резко затормозить только один раз и регулятор будет легко и быстро поврежден, как правило после нескольких метров езды.

Парадокс состоит в том, что чем лучше регулятор (более высокое качество транзисторов и печатных плат, больше транзисторов и толще слои меди, меньше сопротивление транзисторов и проводников), тем хуже ситуация. Мотор, работая как генератор во время торможения, отправляет больше энергии (токи) к батарее. Таким образом, все большие напряжения создаются на сопротивлениях проводников (Rconductor) и на внутреннем сопротивлении батареи (Rbattery), следовательно, все более высокое напряжение будет прикладываться к входным контактам регулятора (Ucontroller). Это означает более вероятное повреждение регулятора, если у него нет достаточного резерва по напряжению питания.

Как разрешить эту ситуацию? Здесь есть три ответа, четыре способа.

a) Используйте батареи, которые имеют действительно очень низкое внутреннее сопротивление (такие как Kokam 30C с подходящей емкостью). Недостаточно, чтобы продавец декларировал "высокий C" для батареи, и что она может обеспечивать высокие токи!!! Примером таких батарей являются батареи изготовленные из элементов A123, которые могут обеспечивать высокие токи без повреждений, но имеют высокое внутреннее сопротивление. В то же время, необходимо убедиться, что проводники между батареей и регулятором являются максимально короткими и используют высококачественные разъемы, не такие как 4 мм "бананы" или разъемы Ultra и т.п., как минимум, такие как MP JET 3,5 мм или еще лучше 5,5 или 6,0 мм. Также является необходимым использование проводов с поперечным сечением как минимум 4 мм2 (11 AWG) и качественную пайку (наша забота не модели 1/18 масштаба, а конечно более крупные). Тем не менее, даже батарей с очень небольшим внутренним сопротивлением может быть недостаточно - в некоторых комбинациях с очень мощными моторами и большими моделями, даже с очень хорошими батареями, может быть сгенерировано напряжение более высокое, чем может выдержать регулятор.

b) Используйте регулятор для более высокого напряжения питания, чем это кажется необходимым с точки зрения напряжения на выводах батареи (например, для Li-Po батареи 6S используйте регулятор, рассчитанный минимум на Li-Po батареи 8S).

c) Используйте управляемый нагрузочный шунт для частичного ответвления тока торможения.

d) Тормозите мягко - однако, это достаточно сложно корректно осуществить на практике.

Наиболее вероятно, что метод b) является наиболее безопасным, но метод a) также является достаточным во многих случаях. Измерение реальной ситуации в модели может быть достаточно сложным в домашних условиях. Поэтому, если вы используете ограниченное количество банок (5 или 6 банок для регулятора на 6S Li-Po), будет безопаснее комбинировать подходы a) и b), т.е. одновременно использовать регулятор на более высокое напряжение и наилучшие батареи. Если вас не беспокоят размеры и вес (дополнительный модуль), тогда комбинацию a) и c).

Примечания по проводке:
Имейте в виду, что для проводки с поперечным сечением 4 мм2 и общей длиной 20 см (7,9 дюйма), что составляет 5 + 5 см (1,96 дюйма) для батареи и 5 + 5 см для регулятора, с сопротивлением 1 мОм и током 140A, имеют место потери мощности в 19 ватт. Если вы не позаботитесь о длине проводки и позволите ей быть длиной примерно 60 см (23,6 дюйма) (например, 10 + 10 см (3,9 +3,9 дюйма) для регулятора и 30+10 см для батареи (11,8 + 3,9 дюйма)), потери в такой проводке при таком же токе составят 57 ватт. Эти потери вызовут нагревание проводки. Это сходно с подключением лампочки 60 ватт.
Еще большая проблема, чем сопротивление проводки, может быть вызвана индуктивностью длинных проводников, что увеличит сопротивление проводки для переменного тока и сделает всю ситуацию еще хуже. Именно поэтому рекомендуется включение дополнительных фильтрующих конденсаторов (с очень низким эквивалентным последовательным сопротивлением, "very low ESR", 105°C) между регулятором и батареей (как можно ближе к регулятору), когда используется длинная проводка.

Другие примеры торможения:

Мотор Neu 1521/1D, батарея K5000/30C, 6s

Ток торможения в пиках - подробно:

Средний ток торможения:

Напряжение во время торможения - подробно:

Очевидно, что когда мощный мотор используется вместе с жестким торможением, регулятор на 6S Li-Po будет в значительной степени под угрозой, даже с очень хорошими батареями (напряжение в пиках 34,4V). Одним из способов решения будет использование батареи 6S/2P для снижения внутреннего сопротивления, или еще лучше использовать регулятор на более высокое напряжение (для 8S Li-Po), или комбинация обоих способов.

Мотор Neu 1521/1D, Li-Po батарея "noname" 5000 mAh, 6s (не самая лучшая)

Ток торможения в пиках - подробно:

Напряжение во время торможения - подробно:

Эта батарея не может быть использована с данным мотором.
Во время торможения напряжение на регуляторе возрастает на 15V (до 39V). Это определенно приведет к повреждению регулятора на 6S Li-Po (vмаксимальное питающее напряжение 25,5V, максимальное входное напряжение 30V), регулятор на 8S Li-Po останется в безопасных пределах.

После подключения двух ограничителей напряжения BZW50-22 (TRANSIL) параллельно регулятору (что составляет 2x5000W и ток в импульсах 2x127A, в пиках до 1177A) и торможения, оба ограничителя сгорели (один буквально взорвался). Оба ограничителя напряжения замкнули, что вызвало отпаивание провода от батареи из-за большого тока и перегрева (к счастью батарея уцелела), регулятор выжил, благодаря короткому замыканию в ограничителях напряжения.

Очевидно, что подобные защитные устройства не могут быть использованы для подавления пиков напряжения во время торможения.

Анализ ситуации:
Когда используются неподходящие батареи, невозможно использовать детали подобные ограничителям напряжения для ограничения пиков напряжения при торможении, так как выделяющаяся энергия слишком велика.

Таким образом, необходимо использовать батареи с очень низким внутренним сопротивлением, самые короткие и толстые провода, высококачественные и толстые разъемы, а также запас по входному напряжению для регулятора. Особенно, когда ожидается работа регулятора на грани его пределов по входному напряжению (например, при использовании Li-Po батарей 5S или 6S для регулятора на 6S Li-Po).

Объясненные феномены во время торможения основаны на физических принципах и регулятор не может повлиять на это в значительной степени (может быть за исключением интенсивности торможения). Следовательно, нужно это учитывать и обращать внимание на все внешние детали.

Следующей возможностью является использование управляемого нагрузочного шунта (controlled shunt load) - смотрите пункт c).

Мотор Neu 1521/1D, батарея K5000/30C, 6s, регулятор с дополнительным модулем управляемого нагрузочного шунта.

Подробно:

Это та же ситуация, как на рисунках 5 и 6.

Ток торможения снизился с 425A (Рисунок 5 и 6) до 320A. Увеличение напряжения снизилось с 10,3V до 7.2V. Дополнительный модуль рассчитан на 30V макс., ток через модуль 100A.

Приложение:
Для получения минимального представления о возможностях вашей батареи, вы можете произвести простое измерение внутреннего сопротивления в домашних условиях (даже если вы получите немного другое значение, чем предоставлено производителем, если такое значение предоставлено). Сопротивление проводов и разъемов игнорируется.

1) Измерьте напряжение на выводах батареи без нагрузки - вы измерите Uinner.

2) Подключите мощное сопротивление к выводам батареи и снова измерьте напряжение на выводах батареи (Uapplied) и в то же самое время измерьте ток через батарею и сопротивление. Делаейте все быстро, сопротивление будет быстро нагреваться - оно сильно перегружено. Обычно для проведения измерений достаточно несколько секунд.

3) Вычислите внутреннее сопротивление батареи: Rbat. = (Uinnner - Uapplied) / I

Например, когда использовано сопротивление 100 мОм (0,1 Ом), ток будет составлять (в зависимости от внутреннего сопротивления батареи) от 80 до 150A для батареи 6S Li-Po. Этого достаточно для большинства измерений. Такое сопротивление может быть легко изготовлено из 10 шт. сопротивлений 1Ом/10Вт, соединенных параллельно.

Лучше измерять ток с помощью токовых клещей, напряжение можно измерить с помощью любого вольтметра.

Внутреннее сопротивление батареи не описывает полностью поведение батареи, но может служить хорошей мерой для сравнения различных батарей. Наиболее вероятно, что химические реакции в банках могут играть роль во время микросекундных импульсов заряда. Другим искажающим компонентом являются конденсаторы на входных клеммах регулятора, которые поглощают часть энергии во время импульсов тока торможения.

Rbat. = внутреннее сопротивление батареи

Вы можете видеть на следующих рисунках измерение внутреннего сопротивления батареи с помощью этого метода. Для большей ясности здесь был использован осциллограф.

Примеры с батареями, имеющими разное внутреннее сопротивление:

Батарея A123, 2.3Ah, 7s, т.е. батарея на 23V (3.3V/cell), общее внутреннее сопротивление Rinner = 90  мОм, (т.е. 13  мОм/банка).

Батарея Kokam 5000 mAh/30C, 6s, т.е. батарея на 22V (3.7V/cell), общее внутреннее сопротивление Rinner =34  мОм, (т.е. 5.7  мОм/банка).

Батарея Kokam 4800 mAh/20C, 6s, т.е батарея на 22V (3.7V/cell), общее внутреннее сопротивление Rinner =56  мОм, (т.е. 9.3  мОм/банка).

Батарея "noname" Li-Po 5000 mAh, 6s, т.е. батарея на 22V (3.7V/cell), общее внутреннее сопротивление Rinner =156  мОм, (т.е. 26  мОм/банка).

Вернуться к списку   Обсудить на форуме