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技術文章:電動自行車電源控制解決方案

2019-12-12 15:56 來源:電源網編譯 編輯:咩咩

在世界范圍內,環境問題變得越來越重要。全球變暖,自然資源稀缺和污染是機構,制造公司和普通公民的敏感性提高的問題。在這種情況下,電動遷移率(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-bikes)代表了一種經濟,多功能和敏捷的運輸方式,為基于傳統內燃機的車輛提供了綠色替代。盡管市場上出售的電動自行車具有完全不同的技術特征和使用方法,但每輛電動自行車中都有一些關鍵組件:電動機,電池,電源控制電路以及用于管理的一組傳感器和致動器車輛操作。

電源控制系統是整個系統中最重要和最具挑戰性的組件之一,因此需要精確的設計。它的主要功能包括在每種工作條件下對電動機的控制(道路坡度的變化,負載的重量,運動速度),過電壓,欠電壓和過電流條件的檢測以及關鍵組件(例如電池和電源設備)。必須執行列出的所有功能,以確保最大程度的車輛安全。分析師同意預測未來幾年電動自行車市場將出現大幅增長。效率將再次成為驅動電源控制系統發展的主要因素之一:高效率意味著更長的電池壽命,更長的行駛里程和更低的運營成本。

電動自行車動力架構

通用電動自行車電源架構如圖1所示。根據特定的電動自行車模型,可以使用直流(DC)或交流(AC)電動機。直流電動機使用脈沖寬度調制(PWM)技術進行控制,而交流電動機則需要可變頻率。憑借其優勢,電動自行車上最常用的電動機是無刷直流電動機(BLDC)。無刷直流電動機是同步電動機,其中由定子和轉子產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電動機可立即提供高扭矩值,降低了功率損耗,并具有很高的空載速度。 BLDC電機可以配置為1相,2相或3相方案。對于電動自行車的應用,最常用的配置是三相。

技術文章:電動自行車電源控制解決方案

圖1:電動自行車電源架構

與直流有刷電機不同,BLDC電機具有電子控制的優勢。電機旋轉是通過將根據適當順序(波形)產生的電信號提供給定子繞組來實現的。必須始終知道Tt的位置以產生正確的激活順序,為此目的,霍爾效應傳感器(在三相配置的情況下為三個傳感器)放置在定子上。近來,無傳感器技術也正在普及,其中復雜性從硬件方面(可以使用更簡單的電動機)轉移到軟件方面(需要更復雜的算法)。如圖1所示,電動自行車的電源架構包括多個電源設備,例如用于電機控制的功率MOSFET和在電源和電源轉換部分中使用的DC-DC降壓轉換器。

關于電池,從使用密封鉛酸(SLA)電池的第一個電動自行車模型到基于鋰離子(Li-ion)電池的最新版本,我們已經看到了較輕的電池,但需要改進。更復雜的電子電路。電池電壓的升高(標稱電壓高達54V)也需要引入電子保護電路。最新版本的電動自行車動力控制單元實現了非常輕的重量和尺寸,甚至可以容納在車架內或座椅下方。所有電子元件的選擇或設計必須特別注重效率,空間和散熱。例如,考慮將效率從80%提高到90%可以使自主性提高12.5%,并將散熱量降低50%。

DC-DC轉換器

DC-DC轉換器是任何電動自行車控制系統的主要組件。它們的任務是轉換電池提供的能量,以向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集成電路設計和制造的市場領導者,提供最廣泛的選擇,包括簡單,緊湊的無電感器DC-DC轉換器。通過消除電感器,該電荷泵系列可用于升壓,降壓或反相輸入電壓。 ADI的LTC7821基于專有架構,該架構將軟開關電荷泵拓撲結構與同步降壓型DC-DC轉換器相結合,以提供卓越的效率。利用10V至72V的輸入電壓VIN和200kHz至1.5MHz的開關頻率,LTC7821可以實現高于97%的效率。 Maxim Integrated還提供多種DC-DC轉換器。

一個例子是Maxim MAX17503,它是一個4.5V至60V,2.5A,高效,同步整流的降壓型DC-DC轉換器。該電源解決方案以470 kHz的開關頻率運行,可提供86.5%的電源轉換效率(VIN = 36V,2A時VOUT = 5V)。德州儀器(TI)也提供各種電機驅動器。一些設備需要外部FET,而其他設備則具有內部功率晶體管。 DRV8350是一種9V至100V的三重半橋高度集成的柵極驅動器,可大大簡化三相BLDC電機應用的設計,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電流分流放大器,以支持不同的電機控制方案,并提供降壓調節器來為柵極驅動器或外部控制器供電。該設備的簡化示意圖如圖2所示,可以有效地用于支持電動自行車,電動踏板車和電動汽車應用。

技術文章:電動自行車電源控制解決方案

圖2:DRV8350框圖

Power Integrations提供了電源轉換IC,可以為高達600W的各種電源應用(包括電動自行車)提供高效,可靠和低成本的解決方案。 TOPSwitch-JX是PI的最新旗艦產品AC-DC轉換器系列。 TOPSwitch-JX在單片器件上集成了725V功率MOSFET,高壓開關電流源,多模式PWM控制,振蕩器,熱關斷電路,故障保護和其他控制電路。該器件在整個負載范圍內均具有能源效率,在265 VAC時的空載功耗低于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。

本文編譯自powerelectronicsnews。

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