電池驅動(dòng)電機

電池驅動(dòng)電機是一種由電池供電的電動(dòng)機，與依賴(lài)直接連接電源的電機不同，電池驅動(dòng)電機具有便攜性、靈活性和易于集成到緊湊系統中的優(yōu)勢。

電池驅動(dòng)電機如何推動(dòng)未來(lái)

電池驅動(dòng)電機，顧名思義，是一種使用“直流”或基本恒定的終端電壓和電流運行的電機，例如由蓄電池提供的電壓和電流。

直流電機將電池中存儲的電能轉換為機械能，以執行某種形式的工作。與交流電機不同，電池驅動(dòng)的電機具有便攜性、靈活性和能源效率的優(yōu)勢。

盡管幾乎所有國家電網(wǎng)中生成和分配的電能都是使用交流（AC）系統完成的，但很大一部分電能是以直流（DC）形式消耗的。直流電機通常用于需要精確控制速度、扭矩或位置的電子控制過(guò)程中。

電池驅動(dòng)電機的應用非常廣泛。從振動(dòng)手機或可穿戴技術(shù)的小型直流電機，到用于玩具、無(wú)人機和DIY項目的小型電池驅動(dòng)電機，再到用于機器人和便攜式電動(dòng)工具的工業(yè)高功率直流電機，甚至到航空航天和可再生能源系統。

對于電子愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，使用直流電機的電子電路和Arduino類(lèi)型微控制器的輸出接口允許他們通過(guò)使物體移動(dòng)來(lái)控制現實(shí)世界的應用。但無(wú)論應用如何，所有電池驅動(dòng)的電機都是直流（DC）電機。

電池驅動(dòng)直流電機

基本上，直流電機利用磁場(chǎng)的強度將電能轉換為機械能，具有相對較高的效率。內部磁場(chǎng)可以通過(guò)繞制的電磁線(xiàn)圈（稱(chēng)為“勵磁線(xiàn)圈”）或通過(guò)電機體內的固定永磁體產(chǎn)生。

無(wú)刷直流（BLDC）電機以相反的方式運行，使用永磁轉子和電磁場(chǎng)繞組。電動(dòng)汽車(chē)（EV）通常使用無(wú)刷直流電機，因為它們結構簡(jiǎn)單、性能可靠且效率高。

由于電池價(jià)格便宜、相對安全、體積小且易于使用，因此使用它們通過(guò)多種方法為直流電機供電是有意義的。我們記得，電池是由兩個(gè)或更多連接的伏打電池組成的，每個(gè)伏打電池由放置在電解質(zhì)溶液中的兩個(gè)金屬電極組成。

然后，電池單元使用化學(xué)反應產(chǎn)生電能，根據電池使用的材料產(chǎn)生這些反應，將產(chǎn)生不同的電壓和/或安培小時(shí)（Ah）額定功率。

直流電機以多種形式構建，適用于各種不同的應用。它們從僅消耗幾毫安（mA）的小型無(wú)刷直流電機，到在400至600伏范圍內運行的100兆瓦（MW）或更大的電動(dòng)汽車(chē)電機。它們還用于許多電子和控制應用中作為執行器，或用于速度控制和位置應用。直流電機是一種高度多功能和靈活的機器。

然后，電池驅動(dòng)電機是跨多個(gè)行業(yè)向無(wú)線(xiàn)、便攜和環(huán)保解決方案發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。它們對于開(kāi)發(fā)節能系統和可持續的電池供電設備至關(guān)重要，對于消費電子產(chǎn)品，重量或尺寸通常是最重要的考慮因素。

電池驅動(dòng)電機的關(guān)鍵特性

電池驅動(dòng)電機的電壓范圍可以因電機的類(lèi)型、尺寸和應用而有很大差異。以下是常見(jiàn)電壓范圍的一般分類(lèi)：

■ 低壓電機（1.5V – 12V）

應用：小型玩具、業(yè)余電子產(chǎn)品、低功率手持設備、可穿戴設備和簡(jiǎn)單機器人。

典型電機：微型直流電機、小型齒輪電機。

示例：用于遙控車(chē)、電池供電風(fēng)扇和小型機器人的電機。

■ 中壓電機（12V – 48V）

應用：便攜式電動(dòng)工具、電動(dòng)滑板車(chē)、無(wú)人機、電動(dòng)自行車(chē)和一些汽車(chē)應用。

典型電機：較大的直流電機、無(wú)刷電機（BLDC）。

示例：電動(dòng)自行車(chē)、無(wú)人機、無(wú)繩電鉆和家庭自動(dòng)化設備中的電機。

■ 高壓電機（48V – 400V+）

應用：電動(dòng)汽車(chē)（EV）、工業(yè)機械、機器人和大型電器。

典型電機：高功率無(wú)刷電機、步進(jìn)電機和永磁同步電機（PMSM）。

示例：用于電動(dòng)汽車(chē)、工業(yè)機器人、電動(dòng)叉車(chē)和可再生能源系統（例如，太陽(yáng)能和風(fēng)能存儲系統）的電機。

用電池為電機供電

電池的物理尺寸與其能量存儲容量直接相關(guān)。因此，用于為直流電機供電的所選電池不僅要在充滿(mǎn)電時(shí)滿(mǎn)足電機的電壓和電流要求，而且還要在接近完全放電時(shí)繼續滿(mǎn)足這些要求。

電機的額定功率，以馬力或瓦特為單位，是根據速度、扭矩和占空比的組合計算的。這反過(guò)來(lái)確定了特定電池的電壓、電流和容量要求。

電池終端電壓

不幸的是，并非所有電池都是相同的。因此，電池的終端電壓必須達到所需的值。例如，雖然單個(gè)1.5伏紐扣電池很可能會(huì )運行一個(gè)3伏電機。但如果連接到3V電源（兩個(gè)紐扣電池串聯(lián)），電機的性能會(huì )更好。

相反，如果由3伏電池供電，額定電壓為1.5伏的直流電機有過(guò)熱和損壞的風(fēng)險。此外，降低電壓會(huì )導致電機旋轉速度變慢，降低其驅動(dòng)特定負載的扭矩處理能力。扭矩是產(chǎn)生和維持旋轉的力。

電池的能量存儲容量

由于電池的主要功能是存儲電能而不是電荷，因此電池的能量存儲容量是一個(gè)重要參數。所有電池的能量存儲容量都以瓦時(shí)（Wh）、安培小時(shí)（Ah）或毫安小時(shí)（mAh）為單位，具體取決于尺寸。

這個(gè)安培小時(shí)（Ah）值表示電池內部存儲了多少能量，因此電池可以持續提供固定電流直到完全放電的時(shí)間。顯然，容量越大，單次充電可以供電的時(shí)間越長(cháng)。

例如，額定容量為2500 mAh的1.5V電池將連續提供1 mA的電流近2500小時(shí)。然而，它不會(huì )提供2.5安培的電流整整一小時(shí)。確定電池能量存儲容量的一種簡(jiǎn)單方法是將安培小時(shí)容量額定值乘以其標稱(chēng)終端電壓：

能量容量 – 安培小時(shí) x 電池電壓 = Ah x V

因此，對于我們之前的1.5V電池示例。其能量容量為：

能量容量 – 2500 mAh x 12V = 3.75瓦時(shí)

為了在供電電池驅動(dòng)電機時(shí)增加電流容量，考慮并聯(lián)第二個(gè)電池。這將保持相同的供電電壓但增加容量。換句話(huà)說(shuō)，并聯(lián)連接的電池增加了容量。

電池終端電壓降低

由于電池的終端電壓是電池的基本特性，由電池內部發(fā)生的化學(xué)反應決定。隨著(zhù)蓄電池的放電，其開(kāi)路終端電壓降低。這是電池的一個(gè)負面方面，因為它降低了它們的效率。

因此，對于連續旋轉的電池驅動(dòng)電機，電池電壓調節很重要。因此，對于直流電機和齒輪電機，終端電壓的降低會(huì )導致電池提供的輸出功率減少，從而影響電機的扭矩。

此外，直流電機在啟動(dòng)時(shí)消耗的電流可能超過(guò)其正常連續運行電流的2.5倍。這種電流的增加是為了克服靜止連接負載的慣性和/或任何連接齒輪的摩擦等。

啟動(dòng)電流的大幅增加會(huì )比正常連續操作更減少電池壽命。這是因為在電機啟動(dòng)的瞬間，電樞是靜止的，因此沒(méi)有反電動(dòng)勢電壓產(chǎn)生（VB-EMF = 0）。因此，限制啟動(dòng)電流的唯一組件是電樞電阻，在大多數電池驅動(dòng)的直流電機中，電樞電阻小于1歐姆（1Ω）。

電池驅動(dòng)電機示例1

例如，假設我們有一個(gè)100瓦的直流電機，由12伏電池供電，電樞電阻為0.4歐姆。產(chǎn)生的啟動(dòng)電流為：

電池驅動(dòng)電機示例

顯然，30安培的大啟動(dòng)電流遠大于電機的實(shí)際滿(mǎn)載電流。這種高電流很可能會(huì )對電池、換向器、電刷或線(xiàn)圈繞組造成嚴重損壞。通常使用電阻器將初始啟動(dòng)電流限制在滿(mǎn)載電流的125%到200%之間。

例如，如果之前電機的啟動(dòng)電流必須限制在10安培，那么串聯(lián)電阻的值為：

電機啟動(dòng)電流電阻

控制電池驅動(dòng)電機

在許多應用中，直流電機只需要停止、啟動(dòng)并僅在一個(gè)方向上以固定速度運行。這可以很容易地通過(guò)使用簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)和電池電源實(shí)現，如下所示：

簡(jiǎn)單的電池驅動(dòng)直流電機控制

電池驅動(dòng)電機控制

在這里，電機通過(guò)單刀單擲（SPST）開(kāi)關(guān)“打開(kāi)”或“關(guān)閉”。當開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電池向電機供電，當開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，電池斷開(kāi)連接。電池將持續供電直到放電的時(shí)間取決于電池的安培小時(shí)容量以及電機消耗的電流量。

如果我們假設我們的簡(jiǎn)單電池驅動(dòng)電機電路由12V、7Ah鉛酸電池供電，并且電機在旋轉時(shí)消耗3.5安培。那么電池在耗盡之前只能持續2小時(shí)。然而，實(shí)際上，還有其他幾個(gè)因素會(huì )影響該電路的運行壽命，包括上述電池終端電壓的降低。

我們可以通過(guò)使用半導體晶體管作為固態(tài)開(kāi)關(guān)設備來(lái)代替SPST開(kāi)關(guān)，進(jìn)一步擴展這個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)電池驅動(dòng)電機控制電路的想法。固態(tài)雙極或FET晶體管開(kāi)關(guān)非常常見(jiàn)且非常有用于切換直流電機負載?？紤]以下電路。

晶體管開(kāi)關(guān)電機控制

晶體管開(kāi)關(guān)電機控制

當NPN雙極晶體管完全關(guān)閉（截止）時(shí)，它充當開(kāi)路開(kāi)關(guān)（與之前相同），因此集電極和發(fā)射極端子之間沒(méi)有電流流動(dòng)，直流電機停止。

將晶體管完全打開(kāi)（飽和），晶體管開(kāi)關(guān)有效地充當閉合開(kāi)關(guān)，導致電機旋轉。

請注意，作為固態(tài)開(kāi)關(guān)設備，即使在飽和時(shí)，晶體管的端子之間也總是有一個(gè)小的電壓降，稱(chēng)為VCE(SAT)。這個(gè)電壓范圍從大約0.1到0.5伏，取決于晶體管類(lèi)型。

此外，與上面的SPST開(kāi)關(guān)電路不同，直流電機的速度取決于通過(guò)它的電流的平均值。如果電壓脈沖以可調時(shí)間施加到晶體管的基極端子，則可以控制電機的速度。

雖然用單個(gè)開(kāi)關(guān)、晶體管（或MOSFET）控制直流電機有許多優(yōu)點(diǎn)，允許我們啟動(dòng)和停止它們。它也有一個(gè)主要缺點(diǎn)，旋轉方向總是相同的。換句話(huà)說(shuō)，它是一個(gè)“單向”電路。

在許多應用中，我們可能需要將電池驅動(dòng)電機在兩個(gè)方向上旋轉，前進(jìn)和后退。然后可以使用兩個(gè)繼電器和一對SPDT繼電器觸點(diǎn)在電機和電源之間控制電機，如下所示。

可逆直流電機控制

可逆電池驅動(dòng)電機控制

在這里，電池驅動(dòng)電機的旋轉方向通過(guò)手動(dòng)或通過(guò)開(kāi)關(guān)或脈沖邏輯信號控制到每個(gè)NPN雙極晶體管的基極。其中：F = 前進(jìn)，R = 后退。

請注意，任何這些晶體管開(kāi)關(guān)電路都可以通過(guò)簡(jiǎn)單地翻轉電路來(lái)實(shí)現使用PNP晶體管。此外，任何為雙極結型晶體管（BJT）提供的電池驅動(dòng)電機電路都可以使用MOSFET開(kāi)關(guān)實(shí)現，因為它們的操作與BJT開(kāi)關(guān)操作非常相似。

電池驅動(dòng)電機總結

我們已經(jīng)看到，電池驅動(dòng)電機基本上是由電池供電的直流電機，可以由小型低壓紐扣電池驅動(dòng)，也可以由重型高壓鋰電池組驅動(dòng)。

由于直流電機和電池技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)線(xiàn)設備可以快速充電，取代了從電動(dòng)自行車(chē)、無(wú)人機和電動(dòng)工具到電動(dòng)汽車(chē)和可再生能源系統的整個(gè)范圍的市電供電消費設備。電池驅動(dòng)電機現在在我們的現代生活中無(wú)處不在。

電池驅動(dòng)電機的主要優(yōu)勢在于其便攜性、便利性以及在沒(méi)有市電的情況下在任何地方運行的能力。隨著(zhù)電池技術(shù)的不斷改進(jìn)，我們看到電池驅動(dòng)的電機變得更加強大和高效，從而在我們的日常生活中帶來(lái)更多的應用。