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。在此背景下，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（e-bike），代表了一種經(jīng)濟(jì)、通用和靈活的交通工具，為基于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的車輛提供了一種綠色替代品。盡管市場(chǎng)上出售的電動(dòng)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(dòng)自行車中都包含一些關(guān)鍵部件：電動(dòng)機(jī)、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(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)。其主要功能包括在各種運(yùn)行條件下（道路坡度變化、負(fù)載重量、運(yùn)動(dòng)速度）控制電機(jī)，檢測(cè)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(shí)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(yù)測(cè)電動(dòng)自行車市場(chǎng)在未來幾年將大幅增長(zhǎng)。再一次，效率將成為推動(dòng)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(zhǎng)的電池壽命、更長(zhǎng)的里程和更低的運(yùn)營(yíng)成本。

電動(dòng)自行車動(dòng)力架構(gòu)

通用電動(dòng)自行車電源架構(gòu)如圖 1 所示。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)。無刷直流電機(jī)是同步電機(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，它們沒有電刷）。此外，BLDC 電機(jī)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(jī)可以配置為 1 相、2 相或 3 相方案。關(guān)于電動(dòng)自行車的應(yīng)用，最常用的配置是三相。

圖 1：電動(dòng)自行車電源架構(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)序列（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（三相配置中的三個(gè)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(fù)雜性從硬件端（可以使用更簡(jiǎn)單的電機(jī)）轉(zhuǎn)移到軟件端（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)自行車到基于鋰離子 (Li-ion) 電池的最新版本的顯著改進(jìn)，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) 54V）也需要引入電子保護(hù)電路。最新版本的電動(dòng)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(jì)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(dòng)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(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?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。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(shí)現(xiàn)大于 97% 的效率。Maxim Integrated還提供多種 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

一個(gè)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(yùn)行時(shí)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(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。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)控制方案和降壓穩(wěn)壓器來為柵極驅(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)移動(dòng)應(yīng)用。

圖 2：DRV8350 框圖

Power Integrations提供的電源轉(zhuǎn)換 IC 可為包括電動(dòng)自行車在內(nèi)的各種高達(dá) 600W 的電源應(yīng)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(hù)和其他控制電路集成到一個(gè)單片器件上。該器件在整個(gè)負(fù)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(yīng)用的理想選擇，例如電動(dòng)自行車電池充電器的電源。

審核編輯 黃昊宇

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