電動自行車動力控制解決方案

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構(gòu)、制造公司和普通公民日益敏感的問題。在此背景下，電動汽車（e-mobility）代表了上述許多問題的有效解決方案。尤其是電動自行車（e-bike），代表了一種經(jīng)濟、通用和靈活的交通工具，為基于傳統(tǒng)內(nèi)燃機的車輛提供了一種綠色替代品。盡管市場上出售的電動自行車具有截然不同的技術(shù)特性和使用方法，但每輛電動自行車中都包含一些關(guān)鍵部件：電動機、電池、電源控制電路以及一組用于管理的傳感器和執(zhí)行器。車輛操作。

電源控制系統(tǒng)是整個系統(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。其主要功能包括在各種運行條件下（道路坡度變化、負載重量、運動速度）控制電機，檢測過壓、欠壓和過流情況以及關(guān)鍵部件（例如電池和電源設(shè)備）。必須實施列出的所有功能，以確保最大程度的車輛安全。分析師一致預測電動自行車市場在未來幾年將大幅增長。再一次，效率將成為推動電源控制系統(tǒng)發(fā)展的主要因素之一：高效率意味著更長的電池壽命、更長的里程和更低的運營成本。

電動自行車動力架構(gòu)

通用電動自行車電源架構(gòu)如圖 1 所示。根據(jù)具體的電動自行車型號，可以使用直流 (DC) 或交流 (AC) 電機。直流電機使用脈寬調(diào)制 (PWM) 技術(shù)進行控制，而交流電機需要可變頻率。憑借其優(yōu)勢，電動自行車上最常用的電機是無刷直流電機 (BLDC)。無刷直流電機是同步電機，其中定子和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場具有相同的頻率。這些電機特別堅固，無需維護，并保證高耐用性（顧名思義，它們沒有電刷）。此外，BLDC 電機可以立即提供高扭矩值、降低功率損耗和高空載速度。BLDC 電機可以配置為 1 相、2 相或 3 相方案。關(guān)于電動自行車的應用，最常用的配置是三相。

圖 1：電動自行車電源架構(gòu)

與直流有刷電機不同，BLDC 電機具有電子控制的優(yōu)勢。通過向定子繞組提供根據(jù)適當序列（波形）產(chǎn)生的電信號來獲得電機旋轉(zhuǎn)。必須始終知道轉(zhuǎn)子的位置以產(chǎn)生正確的激活順序，為此霍爾效應傳感器（三相配置中的三個傳感器）放置在定子上。最近，無傳感器技術(shù)也在普及，其中復雜性從硬件端（可以使用更簡單的電機）轉(zhuǎn)移到軟件端（需要更復雜的算法）。如圖 1 所示，電動自行車電源架構(gòu)包括多個功率器件，例如用于電機控制的功率 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) 電池的第一款電動自行車到基于鋰離子 (Li-ion) 電池的最新版本的顯著改進，更輕但需要更復雜的電子電路。電池電壓的增加（標稱高達 54V）也需要引入電子保護電路。最新版本的電動自行車電源控制單元的重量和尺寸都非常低，可以安裝在車架內(nèi)或座椅下。所有電子元件的選擇或設(shè)計都必須特別注重效率、空間和散熱。例如，考慮到效率從 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)換器是任何電動自行車控制系統(tǒng)的主要組件。它們的任務(wù)是轉(zhuǎn)換電池提供的能量，為電路的其余部分提供所需的電壓和電流。ADI公司是模擬、混合信號和 DSP 集成電路設(shè)計和制造領(lǐng)域的市場領(lǐng)導者，提供最廣泛的簡單緊湊的無電感 DC-DC 轉(zhuǎn)換器選擇。該系列電荷泵可用于通過消除電感器來升壓、降壓或反轉(zhuǎn)輸入電壓。ADI 的LTC7821基于專有架構(gòu)，該架構(gòu)將軟開關(guān)電荷泵拓撲與同步降壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，以提供卓越的效率。具有輸入電壓 V INLTC7821 在 10V 至 72V 的范圍內(nèi)和 200kHz 至 1.5MHz 的開關(guān)頻率范圍內(nèi)可實現(xiàn)大于 97% 的效率。Maxim Integrated還提供多種 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

一個例子是 Maxim MAX17503，這是一款 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 470 kHz 開關(guān)頻率下運行時提供 86.5% 的電源轉(zhuǎn)換效率（V IN = 36V，V OUT = 5V @ 2A）。德州儀器 (TI)也有多種電機驅(qū)動器。有些設(shè)備需要外部 FET，而其他設(shè)備則有內(nèi)部功率晶體管。DRV8350等設(shè)備，一種 9 至 100V 三重半橋高度集成的柵極驅(qū)動器，極大地簡化了三相 BLDC 電機應用的設(shè)計，包括磁場定向控制 (FOC)、正弦電流控制和梯形電流控制。器件變體提供可選的集成分流放大器以支持不同的電機控制方案和降壓穩(wěn)壓器來為柵極驅(qū)動器或外部控制器供電。該設(shè)備的簡化示意圖如圖 2 所示，可有效用于支持電動自行車、電動滑板車和電動移動應用。

圖 2：DRV8350 框圖

Power Integrations提供的電源轉(zhuǎn)換 IC 可為包括電動自行車在內(nèi)的各種高達 600W 的電源應用提供高效、可靠和低成本的解決方案。TOPSwitch-JX是PI最新一代的AC-DC轉(zhuǎn)換器旗艦系列。TOPSwitch-JX 將 725V 功率 MOSFET、高壓開關(guān)電流源、多模式 PWM 控制、振蕩器、熱關(guān)斷電路、故障保護和其他控制電路集成到一個單片器件上。該器件在整個負載范圍內(nèi)都具有高能效，在 265 V AC下的空載功耗低于 100mW ，是 10W 至 245W 應用的理想選擇，例如電動自行車電池充電器的電源。

審核編輯 黃昊宇

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