為電動自行車設計高效的動力系統

電動自行車（e-bike），尤其是那些配備鋰離子（Li-ion）電池的自行車，在世界各地越來越受歡迎。Statista預計，到2023年，全球電動自行車銷量將增長至4030萬輛1.本應用筆記討論了為什么在設計電動自行車控制器的電源系統時，必須密切關注整體功率轉換效率和整體解決方案尺寸。它還介紹了為電動自行車實現小型高效動力子系統的方法。

介紹

中國目前在電動自行車市場占有最大份額; 但是，這些自行車中的大多數都基于較舊的密封鉛酸 （SLA） 電池 科技。中國電動自行車市場有兩個重要的市場趨勢 注意：

市場正在經歷從SLA的轉變 電池到新的和更輕的鋰離子電池化學，這確實需要更多的 復雜的電子元件

為了增加電動自行車的騎行范圍，我們是 看到更高的電池容量驅動更高的電壓（標稱高達 54V）

過渡到更高電壓的鋰離子化學涉及開發 一個小巧輕便的控制單元，可以提供足夠的范圍使自行車可行 在城市環境中。這涉及重大的系統設計挑戰， 特別是在電源子系統方面。

電動自行車控制器需要什么？

圖 1顯示了 電動自行車控制器。

圖1.電動自行車通用系統框圖 電子學。

鋰離子電池，36V 及以上（取決于 使用的電池單元），為系統提供電源。該電池為 電機、MOSFET 驅動器、微控制器以及其他輔助功能 像主電機中的喇叭、燈和霍爾效應傳感器（主要是 無刷直流電機）。在圖 2中，您可以看到一個通用電源 建筑。

圖2.通用電動自行車電源架構。

雖然現有的電動自行車控制器又大又笨重，但它們 新的對應物設計為適合框架和/或座椅下方 電動自行車。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 也非常低的熱量產生，現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自行車續航里程

電池組尺寸和功率轉換效率 使用的動力子系統會影響電動自行車的續航里程。假設你有一輛電動自行車 配備 36V/10Ah 電池組。電池組中的能量為36V × 10Ah = 360瓦時（瓦特小時）。放電速率、環境溫度和其他因素 影響電池中的可用能量。為簡單起見，讓我們假設所有這些 能量可用于駕駛自行車?，F在，假設每英里使用的能量為 14.4Wh（電動自行車的一個非常典型的數字）。隨著電力系統效率的提高 向上，發生的情況如下：

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

效率為 90%時：
用于驅動電機的功率 = 360Wh × 90% = 324Wh 這款電動自行車的續航里程 = 324Wh/（14.4Wh/mi） = 22.5 英里
散熱功率 = 360Wh - 324Wh = 36Wh（或 130kJoules）

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

表1總結了產生的范圍和熱量 不同的功率轉換效率。

表 1.不同時產生的范圍和熱量 效率

現在，讓我們來看看一些最新的同步 市場上的 DC-DC 轉換器，并了解其規格如何實現 電動自行車控制器的最佳動力子系統。

電源設計示例

以下是一些電源設計示例，使用 當今市場上流行的IC。

設計要求：
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4.5V至60V， 2.5A、高效率、同步降壓型DC-DC轉換器。使用EE-Sim 直流-直流轉換器工具?選擇效率和尺寸之間的平衡設計，整個電源系統如圖3a和圖3b所示。

圖 3a 和 3b。完成 來自 EE-Sim 直流-直流轉換器工具的電源系統讀數。

數字 3c. MAX17503原理框圖

這種電源解決方案的特點是相對較小 電感 （10mH）， 提供 86.5% 的功率轉換效率 — V在= 36V， V外= 5V/2A，工作在470kHz開關頻率。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的測試條件

表1和表2顯示了測試設計中的電源和基準電壓源。

表 2.MAX17503平衡設計元件尺寸

在中國銷售的舊電動自行車中，3.5V至60V輸入，2.5A降壓 已使用轉換器。我們可以稱這個轉換器為設備 T。 在線使用設備 T。 模擬和選型軟件，我們可以估計尺寸和效率 使用此組件設計的電源系統（圖 5a）。對于我們的 檢查時，我們選擇了三個設計選項：一個尋求平衡 效率和尺寸，第二個針對尺寸進行優化，第三個側重于 實現最高效率。

圖 5a.設備 T 的仿真工具。

圖 5b. 示例設備 T。
擴大

這種平衡設計以295kHz運行，產生85%的效率，占位面積為407mm2.尺寸是MAX17503設計的2.5倍以上，功耗轉換效率降低1.5%。此外，由于該器件T設計以較低的開關頻率運行，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。

讓我們重新設計這個電路，優化尺寸，如圖6所示。

圖6.重新設計的電路，針對尺寸進行了優化。

在這種緊湊的設計中，電路的工作頻率為489kHz，并具有 占地面積217mm2效率進一步下降 (83.3%).

當我們重做設計并將其優化為最高 效率，這種方法產生89%，轉換器以100kHz運行，并且具有 總組件占地面積為1315mm2.

為了進行比較，讓我們再創建兩個設計 MAX17503：一個針對小尺寸優化，另一個針對高效率進行優化。

圖7a和圖7b顯示了MAX17503 針對小尺寸解決方案進行了優化。

圖7a和7b。 MAX17503針對小型方案進行了優化 大小。

圖8a和圖8b顯示了MAX17503針對最高效率進行了優化。

圖8a和8b，MAX17503針對效率進行了優化。

以下是三個不同設計的總結 針對 V 的設計優化在= 27V 直流至 42V 直流，VO= 5V 在 2A， T一個= +30°C。

表 3.電源設計比較

電動自行車的續航里程直接受到功率轉換效率的影響。 即使是幾個百分點的差異也是至關重要的。此外，因為這個 電源子系統需要安裝在狹小的空間內（在管道中或 座椅），必須盡量減少功率/散熱，以避免過熱和沖擊 關于長期可靠性。

靜態電流和關斷電流的影響

當電動自行車在城市環境中使用時，會有 可能是很多空閑時間。與此相關，在 電源轉換IC的靜態電流對行駛里程的影響有多大。運行 我們發現，即使假設空閑時間過多， 可歸因于靜態的電池電量百分比 電源IC的電流幾乎可以忽略不計。

首先，讓我們了解IC制造商如何指定空載靜態電流：

器件 T 將其指定為“工作非開關電源電流”（典型值為 138uA）

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

現在，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 大約每 0.2 英里交叉路口。假設我們將達到一站。 每兩個十字路口，平均等待時間為兩分鐘。 在 20 英里的騎行過程中，我們會停下來 50 次，總空閑時間為 100 紀要。使用MAX17503 IQ_PFM160uA，在 空閑時間僅為 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。這仍然是一個微不足道的數額。

關于總關斷電流，MAX17503 IIN_SH是 最大 4.5uA，而設備 T “關斷電源電流”的可比值為4uA（最大值）。在4.5uA關斷電流下，MAX17503 一個月后將耗散電池總能量的0.12Wh或0.032% 在存儲中。同樣，這不是一個很大的數字?？蛻粢话忝媾R 由于散熱和尺寸引起的更多問題。

結論

在為電動自行車控制器設計電源系統時，它是 密切關注整體功率轉換效率和 整體解決方案的尺寸，包括建議的無源尺寸 電感器和電容器等組件。這些選擇有直接 對電動自行車的續航里程及其系統控制器箱尺寸的影響。

審核編輯：郭婷