为电动自行车设计高效的动力系统

星星科技指导员 2023-01-03 1656

描述

电动自行车（e-bike），尤其是那些配备锂离子（Li-ion）电池的自行车，在世界各地越来越受欢迎。Statista预计，到2023年，全球电动自行车销量将增长至4030万辆1.本应用笔记讨论了为什么在设计电动自行车控制器的电源系统时，必须密切关注整体功率转换效率和整体解决方案尺寸。它还介绍了为电动自行车实现小型高效动力子系统的方法。

介绍

中国目前在电动自行车市场占有最大份额; 但是，这些自行车中的大多数都基于较旧的密封铅酸（SLA）电池科技。中国电动自行车市场有两个重要的市场趋势注意：

市场正在经历从SLA的转变电池到新的和更轻的锂离子电池化学，这确实需要更多的复杂的电子元件

为了增加电动自行车的骑行范围，我们是看到更高的电池容量驱动更高的电压（标称高达 54V）

过渡到更高电压的锂离子化学涉及开发一个小巧轻便的控制单元，可以提供足够的范围使自行车可行在城市环境中。这涉及重大的系统设计挑战，特别是在电源子系统方面。

电动自行车控制器需要什么？

图 1显示了电动自行车控制器。

锂离子电池

图1.电动自行车通用系统框图电子学。

锂离子电池，36V 及以上（取决于使用的电池单元），为系统提供电源。该电池为电机、MOSFET 驱动器、微控制器以及其他辅助功能像主电机中的喇叭、灯和霍尔效应传感器（主要是无刷直流电机）。在图 2中，您可以看到一个通用电源建筑。

锂离子电池

图2.通用电动自行车电源架构。

虽然现有的电动自行车控制器又大又笨重，但它们新的对应物设计为适合框架和/或座椅下方电动自行车。这种放置意味着锂离子电池控制器必须具有非常小的解决方案尺寸和也非常低的热量产生，现在正在以更小的热量消散面积。

电源解决方案效率如何影响电动自行车续航里程

电池组尺寸和功率转换效率使用的动力子系统会影响电动自行车的续航里程。假设你有一辆电动自行车配备 36V/10Ah 电池组。电池组中的能量为36V × 10Ah = 360瓦时（瓦特小时）。放电速率、环境温度和其他因素影响电池中的可用能量。为简单起见，让我们假设所有这些能量可用于驾驶自行车。现在，假设每英里使用的能量为 14.4Wh（电动自行车的一个非常典型的数字）。随着电力系统效率的提高向上，发生的情况如下：

效率为 80%时：
功率用于驱动电机 = 360Wh × 80% = 288Wh
这款电动自行车的范围 = 288Wh/（14.4Wh/mi） = 20英里
功率散热 = 360Wh - 288Wh = 72Wh （或 259k焦耳）

效率为 90%时：
用于驱动电机的功率 = 360Wh × 90% = 324Wh 这款电动自行车的续航里程 = 324Wh/（14.4Wh/mi） = 22.5 英里
散热功率 = 360Wh - 324Wh = 36Wh（或 130kJoules）

提高电力系统效率 80% 到 90% 可以使您增加 12.5% 的续航里程并减少 50% 的热量必须消散的一代。锂离子电池和电子产品生命周期两者都会随着温度而退化——这是一个关键的决定。

表1总结了产生的范围和热量不同的功率转换效率。

表 1.不同时产生的范围和热量效率

	效率在 80%	效率达到 90%
范围	20英里	22.5英里
产生的热量	72瓦时（259千焦）	36瓦时（130千焦）

现在，让我们来看看一些最新的同步市场上的 DC-DC 转换器，并了解其规格如何实现电动自行车控制器的最佳动力子系统。

电源设计示例

以下是一些电源设计示例，使用当今市场上流行的IC。

设计要求：
V在范围：27V 直流至 42V 直流
V外： 5V 在 2A
T磁力轴承: +30oC

让我们从Maxim的MAX17503开始，一个4.5V至60V， 2.5A、高效率、同步降压型DC-DC转换器。使用EE-Sim 直流-直流转换器工具®选择效率和尺寸之间的平衡设计，整个电源系统如图3a和图3b所示。

锂离子电池

图 3a 和 3b。完成来自 EE-Sim 直流-直流转换器工具的电源系统读数。

锂离子电池

数字 3c. MAX17503原理框图

这种电源解决方案的特点是相对较小电感（10mH），提供 86.5% 的功率转换效率 — V在= 36V， V外= 5V/2A，工作在470kHz开关频率。其整体解决方案足迹是 156mm2，如表2所示。外部电感器 IC本身的规格和小封装有助于超小型解决方案大小。图4显示了IC的效率图。

锂离子电池

图4.MAX17503的效率曲线图

模拟输入和ADC的测试条件

表1和表2显示了测试设计中的电源和基准电压源。

表 2.MAX17503平衡设计元件尺寸

元件	尺寸（毫米2)
输入、输出电容	26
输出电感器	108
集成电路	16
别人	6
总	156

在中国销售的旧电动自行车中，3.5V至60V输入，2.5A降压已使用转换器。我们可以称这个转换器为设备 T。在线使用设备 T。模拟和选型软件，我们可以估计尺寸和效率使用此组件设计的电源系统（图 5a）。对于我们的检查时，我们选择了三个设计选项：一个寻求平衡效率和尺寸，第二个针对尺寸进行优化，第三个侧重于实现最高效率。

锂离子电池

图 5a.设备 T 的仿真工具。

锂离子电池

图 5b. 示例设备 T。
扩大

这种平衡设计以295kHz运行，产生85%的效率，占位面积为407mm2.尺寸是MAX17503设计的2.5倍以上，功耗转换效率降低1.5%。此外，由于该器件T设计以较低的开关频率运行，因此需要更大的电感器。异步整流二极管也占用一些额外的空间。

让我们重新设计这个电路，优化尺寸，如图6所示。

锂离子电池

图6.重新设计的电路，针对尺寸进行了优化。

在这种紧凑的设计中，电路的工作频率为489kHz，并具有占地面积217mm2效率进一步下降 (83.3%).

当我们重做设计并将其优化为最高效率，这种方法产生89%，转换器以100kHz运行，并且具有总组件占地面积为1315mm2.

为了进行比较，让我们再创建两个设计 MAX17503：一个针对小尺寸优化，另一个针对高效率进行优化。

图7a和图7b显示了MAX17503 针对小尺寸解决方案进行了优化。

锂离子电池

图7a和7b。 MAX17503针对小型方案进行了优化大小。

图8a和图8b显示了MAX17503针对最高效率进行了优化。

锂离子电池

图8a和8b，MAX17503针对效率进行了优化。

以下是三个不同设计的总结针对 V 的设计优化在= 27V 直流至 42V 直流，VO= 5V 在 2A， T一个= +30°C。

表 3.电源设计比较

开关频率	470千赫	295千赫	高 60%
效率	86.5%	85%	多 1.5%
总组件占用空间	156毫米2	407毫米2	小 60%
功耗	1.35瓦	1.5瓦	减少 10%
最小尺寸	MAX17503	设备 T	MAX17503的区别
开关频率	800千赫	489千赫	高 64%
效率	81.8%	83.3%	减少 1.5%
总组件占用空间	84毫米2	217毫米2	小 61%
功耗	1.926	1.67瓦	多 9%
最高效率	MAX17503	设备 T	MAX17503的区别
开关频率	100千赫	100千赫	—
效率	92.7%	89%	多 3.7%
总组件占用空间	515毫米2	1315毫米2	小 61%
功耗	0.73瓦	1.1瓦	减少 34%
效率和尺寸	MAX17503	设备 T	MAX17503的区别

锂离子电池

电动自行车的续航里程直接受到功率转换效率的影响。即使是几个百分点的差异也是至关重要的。此外，因为这个电源子系统需要安装在狭小的空间内（在管道中或座椅），必须尽量减少功率/散热，以避免过热和冲击关于长期可靠性。

静态电流和关断电流的影响

当电动自行车在城市环境中使用时，会有可能是很多空闲时间。与此相关，在电源转换IC的静态电流对行驶里程的影响有多大。运行我们发现，即使假设空闲时间过多，可归因于静态的电池电量百分比电源IC的电流几乎可以忽略不计。

首先，让我们了解IC制造商如何指定空载静态电流：

器件 T 将其指定为“工作非开关电源电流”（典型值为 138uA）

MAX17503将其指定为“PFM模式下的输入静态电流，IQ_PFM“ 的可比值为 162uA 典型值

现在，让我们用360Wh电池乘坐同一辆自行车（20英里范围）沿着北京王府井大街，那里有一个大约每 0.2 英里交叉路口。假设我们将达到一站。每两个十字路口，平均等待时间为两分钟。在 20 英里的骑行过程中，我们会停下来 50 次，总空闲时间为 100 纪要。使用MAX17503 IQ_PFM160uA，在空闲时间仅为 0.01Wh，占电池总能量的 0.003%。

如果我们把自行车带到另一条街上，那里有两倍的交叉路口，我们将消耗总电池能量的 0.006% 同样的 20 英里旅行。这仍然是一个微不足道的数额。

关于总关断电流，MAX17503 IIN_SH是最大 4.5uA，而设备 T “关断电源电流”的可比值为4uA（最大值）。在4.5uA关断电流下，MAX17503 一个月后将耗散电池总能量的0.12Wh或0.032% 在存储中。同样，这不是一个很大的数字。客户一般面临由于散热和尺寸引起的更多问题。

结论

在为电动自行车控制器设计电源系统时，它是密切关注整体功率转换效率和整体解决方案的尺寸，包括建议的无源尺寸电感器和电容器等组件。这些选择有直接对电动自行车的续航里程及其系统控制器箱尺寸的影响。

审核编辑：郭婷

打开APP阅读更多精彩内容