電動(dòng)自行車（e-bike），尤其是那些配備鋰離子（Li-ion）電池的自行車，在世界各地越來(lái)越受歡迎。Statista預(yù)計(jì)，到2023年，全球電動(dòng)自行車銷量將增長(zhǎng)至4030萬(wàn)輛1.本應(yīng)用筆記討論了為什么在設(shè)計(jì)電動(dòng)自行車控制器的電源系統(tǒng)時(shí)，必須密切關(guān)注整體功率轉(zhuǎn)換效率和整體解決方案尺寸。它還介紹了為電動(dòng)自行車實(shí)現(xiàn)小型高效動(dòng)力子系統(tǒng)的方法。

介紹

中國(guó)目前在電動(dòng)自行車市場(chǎng)占有最大份額; 但是，這些自行車中的大多數(shù)都基于較舊的密封鉛酸 （SLA） 電池 科技。中國(guó)電動(dòng)自行車市場(chǎng)有兩個(gè)重要的市場(chǎng)趨勢(shì) 注意：

市場(chǎng)正在經(jīng)歷從SLA的轉(zhuǎn)變 電池到新的和更輕的鋰離子電池化學(xué)，這確實(shí)需要更多的 復(fù)雜的電子元件

為了增加電動(dòng)自行車的騎行范圍，我們是 看到更高的電池容量驅(qū)動(dòng)更高的電壓（標(biāo)稱高達(dá) 54V）

過(guò)渡到更高電壓的鋰離子化學(xué)涉及開發(fā) 一個(gè)小巧輕便的控制單元，可以提供足夠的范圍使自行車可行 在城市環(huán)境中。這涉及重大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)， 特別是在電源子系統(tǒng)方面。

電動(dòng)自行車控制器需要什么？

圖 1顯示了 電動(dòng)自行車控制器。

圖1.電動(dòng)自行車通用系統(tǒng)框圖 電子學(xué)。

鋰離子電池，36V 及以上（取決于 使用的電池單元），為系統(tǒng)提供電源。該電池為 電機(jī)、MOSFET 驅(qū)動(dòng)器、微控制器以及其他輔助功能 像主電機(jī)中的喇叭、燈和霍爾效應(yīng)傳感器（主要是 無(wú)刷直流電機(jī)）。在圖 2中，您可以看到一個(gè)通用電源 建筑。

圖2.通用電動(dòng)自行車電源架構(gòu)。

雖然現(xiàn)有的電動(dòng)自行車控制器又大又笨重，但它們 新的對(duì)應(yīng)物設(shè)計(jì)為適合框架和/或座椅下方 電動(dòng)自行車。這種放置意味著鋰離子電池控制器必須具有 非常小的解決方案尺寸和 也非常低的熱量產(chǎn)生，現(xiàn)在正在以更小的熱量消散 面積。

電源解決方案效率如何影響電動(dòng)自行車?yán)m(xù)航里程

電池組尺寸和功率轉(zhuǎn)換效率 使用的動(dòng)力子系統(tǒng)會(huì)影響電動(dòng)自行車的續(xù)航里程。假設(shè)你有一輛電動(dòng)自行車 配備 36V/10Ah 電池組。電池組中的能量為36V × 10Ah = 360瓦時(shí)（瓦特小時(shí)）。放電速率、環(huán)境溫度和其他因素 影響電池中的可用能量。為簡(jiǎn)單起見，讓我們假設(shè)所有這些 能量可用于駕駛自行車?，F(xiàn)在，假設(shè)每英里使用的能量為 14.4Wh（電動(dòng)自行車的一個(gè)非常典型的數(shù)字）。隨著電力系統(tǒng)效率的提高 向上，發(fā)生的情況如下：

效率為 80%時(shí)：
功率 用于驅(qū)動(dòng)電機(jī) = 360Wh × 80% = 288Wh
這款電動(dòng)自行車的范圍 = 288Wh/（14.4Wh/mi） = 20英里
功率 散熱 = 360Wh - 288Wh = 72Wh （或 259k焦耳）

效率為 90%時(shí)：
用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率 = 360Wh × 90% = 324Wh 這款電動(dòng)自行車的續(xù)航里程 = 324Wh/（14.4Wh/mi） = 22.5 英里
散熱功率 = 360Wh - 324Wh = 36Wh（或 130kJoules）

提高電力系統(tǒng)效率 80% 到 90% 可以使您增加 12.5% 的續(xù)航里程并減少 50% 的熱量 必須消散的一代。鋰離子電池和電子產(chǎn)品生命周期 兩者都會(huì)隨著溫度而退化——這是一個(gè)關(guān)鍵的決定。

表1總結(jié)了產(chǎn)生的范圍和熱量 不同的功率轉(zhuǎn)換效率。

表 1.不同時(shí)產(chǎn)生的范圍和熱量 效率

現(xiàn)在，讓我們來(lái)看看一些最新的同步 市場(chǎng)上的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，并了解其規(guī)格如何實(shí)現(xiàn) 電動(dòng)自行車控制器的最佳動(dòng)力子系統(tǒng)。

電源設(shè)計(jì)示例

以下是一些電源設(shè)計(jì)示例，使用 當(dāng)今市場(chǎng)上流行的IC。

設(shè)計(jì)要求：
V在范圍：27V 直流至 42V 直流
V外： 5V 在 2A
T磁力軸承: +30oC

讓我們從Maxim的MAX17503開始，一個(gè)4.5V至60V， 2.5A、高效率、同步降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。使用EE-Sim 直流-直流轉(zhuǎn)換器工具?選擇效率和尺寸之間的平衡設(shè)計(jì)，整個(gè)電源系統(tǒng)如圖3a和圖3b所示。

圖 3a 和 3b。完成 來(lái)自 EE-Sim 直流-直流轉(zhuǎn)換器工具的電源系統(tǒng)讀數(shù)。

數(shù)字 3c. MAX17503原理框圖

這種電源解決方案的特點(diǎn)是相對(duì)較小 電感 （10mH）， 提供 86.5% 的功率轉(zhuǎn)換效率 — V在= 36V， V外= 5V/2A，工作在470kHz開關(guān)頻率。其整體解決方案足跡 是 156mm2，如表2所示。外部電感器 IC本身的規(guī)格和小封裝有助于超小型 解決方案大小。圖4顯示了IC的效率圖。

圖4.MAX17503的效率曲線圖

模擬輸入和ADC的測(cè)試條件

表1和表2顯示了測(cè)試設(shè)計(jì)中的電源和基準(zhǔn)電壓源。

表 2.MAX17503平衡設(shè)計(jì)元件尺寸

在中國(guó)銷售的舊電動(dòng)自行車中，3.5V至60V輸入，2.5A降壓 已使用轉(zhuǎn)換器。我們可以稱這個(gè)轉(zhuǎn)換器為設(shè)備 T。 在線使用設(shè)備 T。 模擬和選型軟件，我們可以估計(jì)尺寸和效率 使用此組件設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)（圖 5a）。對(duì)于我們的 檢查時(shí)，我們選擇了三個(gè)設(shè)計(jì)選項(xiàng)：一個(gè)尋求平衡 效率和尺寸，第二個(gè)針對(duì)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，第三個(gè)側(cè)重于 實(shí)現(xiàn)最高效率。

圖 5a.設(shè)備 T 的仿真工具。

圖 5b. 示例設(shè)備 T。
擴(kuò)大

這種平衡設(shè)計(jì)以295kHz運(yùn)行，產(chǎn)生85%的效率，占位面積為407mm2.尺寸是MAX17503設(shè)計(jì)的2.5倍以上，功耗轉(zhuǎn)換效率降低1.5%。此外，由于該器件T設(shè)計(jì)以較低的開關(guān)頻率運(yùn)行，因此需要更大的電感器。異步整流二極管也占用一些額外的空間。

讓我們重新設(shè)計(jì)這個(gè)電路，優(yōu)化尺寸，如圖6所示。

圖6.重新設(shè)計(jì)的電路，針對(duì)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。

在這種緊湊的設(shè)計(jì)中，電路的工作頻率為489kHz，并具有 占地面積217mm2效率進(jìn)一步下降 (83.3%).

當(dāng)我們重做設(shè)計(jì)并將其優(yōu)化為最高 效率，這種方法產(chǎn)生89%，轉(zhuǎn)換器以100kHz運(yùn)行，并且具有 總組件占地面積為1315mm2.

為了進(jìn)行比較，讓我們?cè)賱?chuàng)建兩個(gè)設(shè)計(jì) MAX17503：一個(gè)針對(duì)小尺寸優(yōu)化，另一個(gè)針對(duì)高效率進(jìn)行優(yōu)化。

圖7a和圖7b顯示了MAX17503 針對(duì)小尺寸解決方案進(jìn)行了優(yōu)化。

圖7a和7b。 MAX17503針對(duì)小型方案進(jìn)行了優(yōu)化 大小。

圖8a和圖8b顯示了MAX17503針對(duì)最高效率進(jìn)行了優(yōu)化。

圖8a和8b，MAX17503針對(duì)效率進(jìn)行了優(yōu)化。

以下是三個(gè)不同設(shè)計(jì)的總結(jié) 針對(duì) V 的設(shè)計(jì)優(yōu)化在= 27V 直流至 42V 直流，VO= 5V 在 2A， T一個(gè)= +30°C。

表 3.電源設(shè)計(jì)比較

電動(dòng)自行車的續(xù)航里程直接受到功率轉(zhuǎn)換效率的影響。 即使是幾個(gè)百分點(diǎn)的差異也是至關(guān)重要的。此外，因?yàn)檫@個(gè) 電源子系統(tǒng)需要安裝在狹小的空間內(nèi)（在管道中或 座椅），必須盡量減少功率/散熱，以避免過(guò)熱和沖擊 關(guān)于長(zhǎng)期可靠性。

靜態(tài)電流和關(guān)斷電流的影響

當(dāng)電動(dòng)自行車在城市環(huán)境中使用時(shí)，會(huì)有 可能是很多空閑時(shí)間。與此相關(guān)，在 電源轉(zhuǎn)換IC的靜態(tài)電流對(duì)行駛里程的影響有多大。運(yùn)行 我們發(fā)現(xiàn)，即使假設(shè)空閑時(shí)間過(guò)多， 可歸因于靜態(tài)的電池電量百分比 電源IC的電流幾乎可以忽略不計(jì)。

首先，讓我們了解IC制造商如何指定空載靜態(tài)電流：

器件 T 將其指定為“工作非開關(guān)電源電流”（典型值為 138uA）

MAX17503將其指定為“PFM模式下的輸入靜態(tài)電流，IQ_PFM“ 的可比值為 162uA 典型值

現(xiàn)在，讓我們用360Wh電池乘坐同一輛自行車 （20英里范圍）沿著北京王府井大街，那里有一個(gè) 大約每 0.2 英里交叉路口。假設(shè)我們將達(dá)到一站。 每?jī)蓚€(gè)十字路口，平均等待時(shí)間為兩分鐘。 在 20 英里的騎行過(guò)程中，我們會(huì)停下來(lái) 50 次，總空閑時(shí)間為 100 紀(jì)要。使用MAX17503 IQ_PFM160uA，在 空閑時(shí)間僅為 0.01Wh，占電池總能量的 0.003%。

如果我們把自行車帶到另一條街上，那里有 兩倍的交叉路口，我們將消耗總電池能量的 0.006% 同樣的 20 英里旅行。這仍然是一個(gè)微不足道的數(shù)額。

關(guān)于總關(guān)斷電流，MAX17503 IIN_SH是 最大 4.5uA，而設(shè)備 T “關(guān)斷電源電流”的可比值為4uA（最大值）。在4.5uA關(guān)斷電流下，MAX17503 一個(gè)月后將耗散電池總能量的0.12Wh或0.032% 在存儲(chǔ)中。同樣，這不是一個(gè)很大的數(shù)字?？蛻粢话忝媾R 由于散熱和尺寸引起的更多問(wèn)題。

結(jié)論

在為電動(dòng)自行車控制器設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)時(shí)，它是 密切關(guān)注整體功率轉(zhuǎn)換效率和 整體解決方案的尺寸，包括建議的無(wú)源尺寸 電感器和電容器等組件。這些選擇有直接 對(duì)電動(dòng)自行車的續(xù)航里程及其系統(tǒng)控制器箱尺寸的影響。

審核編輯：郭婷