電動(dòng)自行車解決方案：車輛的綠色替代品

電動(dòng)自行車代表了一種經(jīng)濟(jì)、多功能和靈活的交通工具，為基于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的車輛提供了一種綠色替代方案。

環(huán)境問題在世界范圍內(nèi)變得越來越重要。全球變暖、自然資源稀缺和污染是機(jī)構(gòu)、制造公司和普通公民日益敏感的問題。在這種情況下，電動(dòng)汽車（e-mobility）代表了上述許多問題的有效解決方案。尤其是電動(dòng)自行車（電動(dòng)自行車），代表了一種經(jīng)濟(jì)、多功能和靈活的交通工具，為基于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的車輛提供了一種綠色替代方案。盡管市場(chǎng)上的電動(dòng)自行車具有完全不同的技術(shù)特性和使用方法，但每輛電動(dòng)自行車都存在一些關(guān)鍵部件：電動(dòng)機(jī)、電池、電源控制電路、

電源控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)中最重要和最具挑戰(zhàn)性的組件之一，因此需要精確的設(shè)計(jì)。其主要功能包括在每種操作條件下控制電機(jī)（道路坡度的變化、負(fù)載的重量、移動(dòng)速度）；檢測(cè)過壓、欠壓和過流情況；以及關(guān)鍵部件（如電池和電源設(shè)備）的溫度監(jiān)測(cè)。必須實(shí)施所有這些功能以確保最大程度的車輛安全。分析師同意預(yù)測(cè)未來幾年電動(dòng)自行車市場(chǎng)將大幅增長(zhǎng)。再一次，效率將成為推動(dòng)動(dòng)力控制系統(tǒng)發(fā)展的主要因素之一：高效率意味著更長(zhǎng)的電池壽命、更長(zhǎng)的行駛里程和更低的運(yùn)營(yíng)成本。

電動(dòng)自行車動(dòng)力架構(gòu)
圖 1 顯示了一個(gè)通用的電動(dòng)自行車動(dòng)力架構(gòu)。根據(jù)具體的電動(dòng)自行車型號(hào)，可以使用直流 (DC) 或交流 (AC) 電機(jī)。直流電機(jī)使用脈寬調(diào)制 (PWM) 技術(shù)進(jìn)行控制，而交流電機(jī)需要可變頻率。憑借其優(yōu)勢(shì)，電動(dòng)自行車上最常用的電機(jī)是無刷直流電機(jī) (BLDC)。無刷直流電動(dòng)機(jī)是同步電動(dòng)機(jī)，其中定子和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)具有相同的頻率。這些電機(jī)特別堅(jiān)固，無需維護(hù)，并保證高耐用性（顧名思義，它們沒有刷子）。此外，BLDC 電機(jī)可以立即提供高扭矩值，并降低功率損耗和高空載速度。BLDC 電機(jī)可配置為單相、兩相、或三相方案。關(guān)于電動(dòng)自行車應(yīng)用，最常用的配置是三相。

圖 1：電動(dòng)自行車動(dòng)力架構(gòu)

與直流有刷電機(jī)不同，BLDC 電機(jī)具有電子控制的優(yōu)勢(shì)。通過向定子繞組提供根據(jù)適當(dāng)順序（波形）產(chǎn)生的電信號(hào)來獲得電機(jī)旋轉(zhuǎn)。必須始終知道轉(zhuǎn)子的位置以產(chǎn)生正確的激活順序，為此，霍爾效應(yīng)傳感器（三個(gè)傳感器，在三相配置的情況下）放置在定子上。最近，無傳感器技術(shù)也在傳播，其中復(fù)雜性從硬件方面（可以使用更簡(jiǎn)單的電機(jī)）轉(zhuǎn)移到軟件方面（需要更復(fù)雜的算法）。如圖 1 所示，電動(dòng)自行車電源架構(gòu)包括多個(gè)功率器件，例如用于電機(jī)控制的功率 MOSFET 和用于電源和電源轉(zhuǎn)換部分的 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器。

在電池方面，我們已經(jīng)看到從使用密封鉛酸 (SLA) 電池的第一款電動(dòng)自行車型號(hào)到基于鋰離子 (Li-ion) 電池的最新版本，更輕但需要更復(fù)雜的電子電路。電池電壓的增加（標(biāo)稱高達(dá) 54 V）也需要引入電子保護(hù)電路。最新版本的電動(dòng)自行車動(dòng)力控制單元重量和尺寸都非常輕，可以安裝在車架內(nèi)或座椅下方。所有電子元件的選擇或設(shè)計(jì)都必須特別強(qiáng)調(diào)效率、空間和散熱。例如，考慮將效率從 80% 提高到 90% 可以產(chǎn)生 12.5% 的自主性增加和 50% 的散熱減少。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器
DC/DC 轉(zhuǎn)換器是任何電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)的主要組件。它們的任務(wù)是將電池提供的能量轉(zhuǎn)換為電路的其余部分提供所需的電壓和電流。Analog Devices是模擬、混合信號(hào)和 DSP 集成電路設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者，提供最廣泛的簡(jiǎn)單和緊湊型無電感器 DC/DC 轉(zhuǎn)換器選擇。該系列電荷泵可用于通過消除電感來升壓、降壓或反相輸入電壓。ADI 的LTC7821基于專有架構(gòu)，該架構(gòu)將軟開關(guān)電荷泵拓?fù)渑c同步降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，以提供卓越的效率。輸入電壓 V INLTC7821 的電壓范圍為 10V 至 72V，開關(guān)頻率范圍為 200kHz 至 1.5MHz，因此可以實(shí)現(xiàn)超過 97% 的效率。Maxim Integrated還提供多種 DC/DC 轉(zhuǎn)換器選擇。

例如，Maxim MAX17503是一款 4.5V 至 60V、2.5A、高效、同步整流降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。該電源解決方案在 470kHz 開關(guān)頻率下運(yùn)行時(shí)可提供 86.5% 的電源轉(zhuǎn)換效率（V IN = 36 V，V OUT = 5 V，2 A）。德州儀器(TI ) 也有廣泛的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。一些設(shè)備需要外部 FET，而其他設(shè)備具有內(nèi)部功率晶體管。DRV8350等設(shè)備是一款 9V 至 100V 三重半橋高度集成的柵極驅(qū)動(dòng)器，極大地簡(jiǎn)化了三相 BLDC 電機(jī)應(yīng)用的設(shè)計(jì)，包括磁場(chǎng)定向控制 (FOC)、正弦電流控制和梯形電流控制。這些器件變體提供可選的集成分流放大器以支持不同的電機(jī)控制方案，并提供降壓穩(wěn)壓器為柵極驅(qū)動(dòng)器或外部控制器供電。該設(shè)備的簡(jiǎn)化示意圖如圖 2 所示，可有效用于支持電動(dòng)自行車、電動(dòng)滑板車和電動(dòng)交通應(yīng)用。

圖 2：DRV8350 框圖

功率集成提供功率轉(zhuǎn)換集成電路，可為高達(dá)600W的各種功率應(yīng)用（包括電動(dòng)自行車）提供高效、可靠和低成本的解決方案。TOPSwitch JX是PI的最新一代旗艦系列交直流變換器。TOPSwitch JX將725V功率MOSFET、高壓開關(guān)電流源、多模PWM控制、振蕩器、熱關(guān)斷電路、故障保護(hù)和其他控制電路整合到單片設(shè)備上。該設(shè)備在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都是節(jié)能的，在265 VAC時(shí)空載功耗低于100 mW，非常適合10 W到245 W的應(yīng)用，例如電動(dòng)自行車電池充電器的電源。

審核編輯 黃昊宇