電動自行車解決方案：車輛的綠色替代品

電動自行車代表了一種經(jīng)濟、多功能和靈活的交通工具，為基于傳統(tǒng)內(nèi)燃機的車輛提供了一種綠色替代方案。

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構(gòu)、制造公司和普通公民日益敏感的問題。在這種情況下，電動汽車（e-mobility）代表了上述許多問題的有效解決方案。尤其是電動自行車（電動自行車），代表了一種經(jīng)濟、多功能和靈活的交通工具，為基于傳統(tǒng)內(nèi)燃機的車輛提供了一種綠色替代方案。盡管市場上的電動自行車具有完全不同的技術(shù)特性和使用方法，但每輛電動自行車都存在一些關(guān)鍵部件：電動機、電池、電源控制電路、

電源控制系統(tǒng)是整個系統(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。其主要功能包括在每種操作條件下控制電機（道路坡度的變化、負載的重量、移動速度）；檢測過壓、欠壓和過流情況；以及關(guān)鍵部件（如電池和電源設(shè)備）的溫度監(jiān)測。必須實施所有這些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大幅增長。再一次，效率將成為推動動力控制系統(tǒng)發(fā)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(gòu)
圖 1 顯示了一個通用的電動自行車動力架構(gòu)。根據(jù)具體的電動自行車型號，可以使用直流 (DC) 或交流 (AC) 電機。直流電機使用脈寬調(diào)制 (PWM) 技術(shù)進行控制，而交流電機需要可變頻率。憑借其優(yōu)勢，電動自行車上最常用的電機是無刷直流電機 (BLDC)。無刷直流電動機是同步電動機，其中定子和轉(zhuǎn)子產(chǎn)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，它們沒有刷子）。此外，BLDC 電機可以立即提供高扭矩值，并降低功率損耗和高空載速度。BLDC 電機可配置為單相、兩相、或三相方案。關(guān)于電動自行車應用，最常用的配置是三相。

圖 1：電動自行車動力架構(gòu)

與直流有刷電機不同，BLDC 電機具有電子控制的優(yōu)勢。通過向定子繞組提供根據(jù)適當順序（波形）產(chǎn)生的電信號來獲得電機旋轉(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，霍爾效應傳感器（三個傳感器，在三相配置的情況下）放置在定子上。最近，無傳感器技術(shù)也在傳播，其中復雜性從硬件方面（可以使用更簡單的電機）轉(zhuǎn)移到軟件方面（需要更復雜的算法）。如圖 1 所示，電動自行車電源架構(gòu)包括多個功率器件，例如用于電機控制的功率 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) 電池的第一款電動自行車型號到基于鋰離子 (Li-ion) 電池的最新版本，更輕但需要更復雜的電子電路。電池電壓的增加（標稱高達 54 V）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重量和尺寸都非常輕，可以安裝在車架內(nèi)或座椅下方。所有電子元件的選擇或設(shè)計都必須特別強調(diào)效率、空間和散熱。例如，考慮將效率從 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)換器是任何電動自行車控制系統(tǒng)的主要組件。它們的任務是將電池提供的能量轉(zhuǎn)換為電路的其余部分提供所需的電壓和電流。Analog Devices是模擬、混合信號和 DSP 集成電路設(shè)計和制造領(lǐng)域的市場領(lǐng)導者，提供最廣泛的簡單和緊湊型無電感器 DC/DC 轉(zhuǎn)換器選擇。該系列電荷泵可用于通過消除電感來升壓、降壓或反相輸入電壓。ADI 的LTC7821基于專有架構(gòu)，該架構(gòu)將軟開關(guān)電荷泵拓撲與同步降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，以提供卓越的效率。輸入電壓 V INLTC7821 的電壓范圍為 10V 至 72V，開關(guān)頻率范圍為 200kHz 至 1.5MHz，因此可以實現(xiàn)超過 97% 的效率。Maxim Integrated還提供多種 DC/DC 轉(zhuǎn)換器選擇。

例如，Maxim MAX17503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 470kHz 開關(guān)頻率下運行時可提供 86.5% 的電源轉(zhuǎn)換效率（V IN = 36 V，V OUT = 5 V，2 A）。德州儀器(TI ) 也有廣泛的電機驅(qū)動器。一些設(shè)備需要外部 FET，而其他設(shè)備具有內(nèi)部功率晶體管。DRV8350等設(shè)備是一款 9V 至 100V 三重半橋高度集成的柵極驅(qū)動器，極大地簡化了三相 BLDC 電機應用的設(shè)計，包括磁場定向控制 (FOC)、正弦電流控制和梯形電流控制。這些器件變體提供可選的集成分流放大器以支持不同的電機控制方案，并提供降壓穩(wěn)壓器為柵極驅(qū)動器或外部控制器供電。該設(shè)備的簡化示意圖如圖 2 所示，可有效用于支持電動自行車、電動滑板車和電動交通應用。

圖 2：DRV8350 框圖

功率集成提供功率轉(zhuǎn)換集成電路，可為高達600W的各種功率應用（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的最新一代旗艦系列交直流變換器。TOPSwitch JX將725V功率MOSFET、高壓開關(guān)電流源、多模PWM控制、振蕩器、熱關(guān)斷電路、故障保護和其他控制電路整合到單片設(shè)備上。該設(shè)備在整個負載范圍內(nèi)都是節(jié)能的，在265 VAC時空載功耗低于100 mW，非常適合10 W到245 W的應用，例如電動自行車電池充電器的電源。

審核編輯 黃昊宇