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技术文章:电动自行车电源控制解决方案

2019-12-12 15:56 来源:电源网编译 编辑:咩咩

在世界范围内,环境问题变得越来越重要。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的敏感性提高的问题。在这种情况下,电动迁移率(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-bikes)代表了一种经济,多功能和敏捷的运输方式,为基于传统内燃机的车辆提供了绿色替代。尽管市场上出售的电动自行车具有完全不同的技术特征和使用方法,但每辆电动自行车中都有一些关键组件:电动机,电池,电源控制电路以及用于管理的一组传感器和致动器车辆操作。

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。它的主要功能包括在每种工作条件下对电动机的控制(道路坡度的变化,负载的重量,运动速度),过电压,欠电压和过电流条件的检测以及关键组件(例如电池和电源设备)。必须执行列出的所有功能,以确保最大程度的车辆安全。分析师同意预测未来几年电动自行车市场将出现大幅增长。效率将再次成为驱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,更长的行驶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。根据特定的电动自行车模型,可以使用直流(DC)或交流(AC)电动机。直流电动机使用脉冲宽度调制(PWM)技术进行控制,而交流电动机则需要可变频率。凭借其优势,电动自行车上最常用的电动机是无刷直流电动机(BLDC)。无刷直流电动机是同步电动机,其中由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电动机可立即提供高扭矩值,降低了功率损耗,并具有很高的空载速度。 BLDC电机可以配置为1相,2相或3相方案。对于电动自行车的应用,最常用的配置是三相。

技术文章:电动自行车电源控制解决方案

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。电机旋转是通过将根据适当顺序(波形)产生的电信号提供给定子绕组来实现的。必须始终知道Tt的位置以产生正确的激活顺序,为此目的,霍尔效应传感器(在三相配置的情况下为三个传感器)放置在定子上。近来,无传感器技术也正在普及,其中复杂性从硬件方面(可以使用更简单的电动机)转移到软件方面(需要更复杂的算法)。如图1所示,电动自行车的电源架构包括多个电源设备,例如用于电机控制的功率MOSFET和在电源和电源转换部分中使用的DC-DC降压转换器。

关于电池,从使用密封铅酸(SLA)电池的第一个电动自行车模型到基于锂离子(Li-ion)电池的最新版本,我们已经看到了较轻的电池,但需要改进。更复杂的电子电路。电池电压的升高(标称电压高达54V)也需要引入电子保护电路。最新版本的电动自行车动力控制单元实现了非常轻的重量和尺寸,甚至可以容纳在车架内或座椅下方。所有电子元件的选择或设计必须特别注重效率,空间和散热。例如,考虑将效率从80%提高到90%可以使自主性提高12.5%,并将散热量降低50%。

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,以向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的市场领导者,提供最广泛的选择,包括简单,紧凑的无电感器DC-DC转换器。通过消除电感器,该电荷泵系列可用于升压,降压或反相输入电压。 ADI的LTC7821基于专有架构,该架构将软开关电荷泵拓扑结构与同步降压型DC-DC转换器相结合,以提供卓越的效率。利用10V至72V的输入电压VIN和200kHz至1.5MHz的开关频率,LTC7821可以实现高于97%的效率。 Maxim Integrated还提供多种DC-DC转换器。

一个例子是Maxim MAX17503,它是一个4.5V至60V,2.5A,高效,同步整流的降压型DC-DC转换器。该电源解决方案以470 kHz的开关频率运行,可提供86.5%的电源转换效率(VIN = 36V,2A时VOUT = 5V)。德州仪器(TI)也提供各种电机驱动器。一些设备需要外部FET,而其他设备则具有内部功率晶体管。 DRV8350是一种9V至100V的三重半桥高度集成的栅极驱动器,可大大简化三相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电流分流放大器,以支持不同的电机控制方案,并提供降压调节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,可以有效地用于支持电动自行车,电动踏板车和电动汽车应用。

技术文章:电动自行车电源控制解决方案

图2:DRV8350框图

Power Integrations提供了电源转换IC,可以为高达600W的各种电源应用(包括电动自行车)提供高效,可靠和低成本的解决方案。 TOPSwitch-JX是PI的最新旗舰产品AC-DC转换器系列。 TOPSwitch-JX在单片器件上集成了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。该器件在整个负载范围内均具有能源效率,在265 VAC时的空载功耗低于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。

本文编译自powerelectronicsnews。

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