电动自行车动力控制解决方案

环境问题在世界范围内变得越来越重要。全球变暖、自然资源稀缺和污染是机构、制造公司和普通公民日益敏感的问题。在此背景下，电动汽车（e-mobility）代表了上述许多问题的有效解决方案。尤其是电动自行车（e-bike），代表了一种经济、通用和灵活的交通工具，为基于传统内燃机的车辆提供了一种绿色替代品。尽管市场上出售的电动自行车具有截然不同的技术特性和使用方法，但每辆电动自行车中都包含一些关键部件：电动机、电池、电源控制电路以及一组用于管理的传感器和执行器。车辆操作。

电源控制系统是整个系统中最重要和最具挑战性的组件之一，因此需要精确的设计。其主要功能包括在各种运行条件下（道路坡度变化、负载重量、运动速度）控制电机，检测过压、欠压和过流情况以及关键部件（例如电池和电源设备）。必须实施列出的所有功能，以确保最大程度的车辆安全。分析师一致预测电动自行车市场在未来几年将大幅增长。再一次，效率将成为推动电源控制系统发展的主要因素之一：高效率意味着更长的电池寿命、更长的里程和更低的运营成本。

电动自行车动力架构

通用电动自行车电源架构如图 1 所示。根据具体的电动自行车型号，可以使用直流 (DC) 或交流 (AC) 电机。直流电机使用脉宽调制 (PWM) 技术进行控制，而交流电机需要可变频率。凭借其优势，电动自行车上最常用的电机是无刷直流电机 (BLDC)。无刷直流电机是同步电机，其中定子和转子产生的磁场具有相同的频率。这些电机特别坚固，无需维护，并保证高耐用性（顾名思义，它们没有电刷）。此外，BLDC 电机可以立即提供高扭矩值、降低功率损耗和高空载速度。BLDC 电机可以配置为 1 相、2 相或 3 相方案。关于电动自行车的应用，最常用的配置是三相。

图 1：电动自行车电源架构

与直流有刷电机不同，BLDC 电机具有电子控制的优势。通过向定子绕组提供根据适当序列（波形）产生的电信号来获得电机旋转。必须始终知道转子的位置以产生正确的激活顺序，为此霍尔效应传感器（三相配置中的三个传感器）放置在定子上。最近，无传感器技术也在普及，其中复杂性从硬件端（可以使用更简单的电机）转移到软件端（需要更复杂的算法）。如图 1 所示，电动自行车电源架构包括多个功率器件，例如用于电机控制的功率 MOSFET 和用于电源和电源转换部分的 DC-DC 降压转换器。

在电池方面，我们已经看到从使用密封铅酸 (SLA) 电池的第一款电动自行车到基于锂离子 (Li-ion) 电池的最新版本的显着改进，更轻但需要更复杂的电子电路。电池电压的增加（标称高达 54V）也需要引入电子保护电路。最新版本的电动自行车电源控制单元的重量和尺寸都非常低，可以安装在车架内或座椅下。所有电子元件的选择或设计都必须特别注重效率、空间和散热。例如，考虑到效率从 80% 提高到 90% 可以产生 12.5% 的自主性增加和 50% 的散热减少。

DC-DC转换器

DC-DC 转换器是任何电动自行车控制系统的主要组件。它们的任务是转换电池提供的能量，为电路的其余部分提供所需的电压和电流。ADI公司是模拟、混合信号和 DSP 集成电路设计和制造领域的市场领导者，提供最广泛的简单紧凑的无电感 DC-DC 转换器选择。该系列电荷泵可用于通过消除电感器来升压、降压或反转输入电压。ADI 的LTC7821基于专有架构，该架构将软开关电荷泵拓扑与同步降压 DC-DC 转换器相结合，以提供卓越的效率。具有输入电压 V INLTC7821 在 10V 至 72V 的范围内和 200kHz 至 1.5MHz 的开关频率范围内可实现大于 97% 的效率。Maxim Integrated还提供多种 DC-DC 转换器。

一个例子是 Maxim MAX17503，这是一款 4.5V 至 60V、2.5A、高效、同步整流降压 DC-DC 转换器。该电源解决方案在 470 kHz 开关频率下运行时提供 86.5% 的电源转换效率（V IN = 36V，V OUT = 5V @ 2A）。德州仪器 (TI)也有多种电机驱动器。有些设备需要外部 FET，而其他设备则有内部功率晶体管。DRV8350等设备，一种 9 至 100V 三重半桥高度集成的栅极驱动器，极大地简化了三相 BLDC 电机应用的设计，包括磁场定向控制 (FOC)、正弦电流控制和梯形电流控制。器件变体提供可选的集成分流放大器以支持不同的电机控制方案和降压稳压器来为栅极驱动器或外部控制器供电。该设备的简化示意图如图 2 所示，可有效用于支持电动自行车、电动滑板车和电动移动应用。

图 2：DRV8350 框图

Power Integrations提供的电源转换 IC 可为包括电动自行车在内的各种高达 600W 的电源应用提供高效、可靠和低成本的解决方案。TOPSwitch-JX是PI最新一代的AC-DC转换器旗舰系列。TOPSwitch-JX 将 725V 功率 MOSFET、高压开关电流源、多模式 PWM 控制、振荡器、热关断电路、故障保护和其他控制电路集成到一个单片器件上。该器件在整个负载范围内都具有高能效，在 265 V AC下的空载功耗低于 100mW ，是 10W 至 245W 应用的理想选择，例如电动自行车电池充电器的电源。

审核编辑 黄昊宇