电动自行车解决方案：车辆的绿色替代品

电动自行车代表了一种经济、多功能和灵活的交通工具，为基于传统内燃机的车辆提供了一种绿色替代方案。

环境问题在世界范围内变得越来越重要。全球变暖、自然资源稀缺和污染是机构、制造公司和普通公民日益敏感的问题。在这种情况下，电动汽车（e-mobility）代表了上述许多问题的有效解决方案。尤其是电动自行车（电动自行车），代表了一种经济、多功能和灵活的交通工具，为基于传统内燃机的车辆提供了一种绿色替代方案。尽管市场上的电动自行车具有完全不同的技术特性和使用方法，但每辆电动自行车都存在一些关键部件：电动机、电池、电源控制电路、

电源控制系统是整个系统中最重要和最具挑战性的组件之一，因此需要精确的设计。其主要功能包括在每种操作条件下控制电机（道路坡度的变化、负载的重量、移动速度）；检测过压、欠压和过流情况；以及关键部件（如电池和电源设备）的温度监测。必须实施所有这些功能以确保最大程度的车辆安全。分析师同意预测未来几年电动自行车市场将大幅增长。再一次，效率将成为推动动力控制系统发展的主要因素之一：高效率意味着更长的电池寿命、更长的行驶里程和更低的运营成本。

电动自行车动力架构
图 1 显示了一个通用的电动自行车动力架构。根据具体的电动自行车型号，可以使用直流 (DC) 或交流 (AC) 电机。直流电机使用脉宽调制 (PWM) 技术进行控制，而交流电机需要可变频率。凭借其优势，电动自行车上最常用的电机是无刷直流电机 (BLDC)。无刷直流电动机是同步电动机，其中定子和转子产生的磁场具有相同的频率。这些电机特别坚固，无需维护，并保证高耐用性（顾名思义，它们没有刷子）。此外，BLDC 电机可以立即提供高扭矩值，并降低功率损耗和高空载速度。BLDC 电机可配置为单相、两相、或三相方案。关于电动自行车应用，最常用的配置是三相。

图 1：电动自行车动力架构

与直流有刷电机不同，BLDC 电机具有电子控制的优势。通过向定子绕组提供根据适当顺序（波形）产生的电信号来获得电机旋转。必须始终知道转子的位置以产生正确的激活顺序，为此，霍尔效应传感器（三个传感器，在三相配置的情况下）放置在定子上。最近，无传感器技术也在传播，其中复杂性从硬件方面（可以使用更简单的电机）转移到软件方面（需要更复杂的算法）。如图 1 所示，电动自行车电源架构包括多个功率器件，例如用于电机控制的功率 MOSFET 和用于电源和电源转换部分的 DC/DC 降压转换器。

在电池方面，我们已经看到从使用密封铅酸 (SLA) 电池的第一款电动自行车型号到基于锂离子 (Li-ion) 电池的最新版本，更轻但需要更复杂的电子电路。电池电压的增加（标称高达 54 V）也需要引入电子保护电路。最新版本的电动自行车动力控制单元重量和尺寸都非常轻，可以安装在车架内或座椅下方。所有电子元件的选择或设计都必须特别强调效率、空间和散热。例如，考虑将效率从 80% 提高到 90% 可以产生 12.5% 的自主性增加和 50% 的散热减少。

DC/DC 转换器
DC/DC 转换器是任何电动自行车控制系统的主要组件。它们的任务是将电池提供的能量转换为电路的其余部分提供所需的电压和电流。Analog Devices是模拟、混合信号和 DSP 集成电路设计和制造领域的市场领导者，提供最广泛的简单和紧凑型无电感器 DC/DC 转换器选择。该系列电荷泵可用于通过消除电感来升压、降压或反相输入电压。ADI 的LTC7821基于专有架构，该架构将软开关电荷泵拓扑与同步降压 DC/DC 转换器相结合，以提供卓越的效率。输入电压 V INLTC7821 的电压范围为 10V 至 72V，开关频率范围为 200kHz 至 1.5MHz，因此可以实现超过 97% 的效率。Maxim Integrated还提供多种 DC/DC 转换器选择。

例如，Maxim MAX17503是一款 4.5V 至 60V、2.5A、高效、同步整流降压 DC/DC 转换器。该电源解决方案在 470kHz 开关频率下运行时可提供 86.5% 的电源转换效率（V IN = 36 V，V OUT = 5 V，2 A）。德州仪器(TI ) 也有广泛的电机驱动器。一些设备需要外部 FET，而其他设备具有内部功率晶体管。DRV8350等设备是一款 9V 至 100V 三重半桥高度集成的栅极驱动器，极大地简化了三相 BLDC 电机应用的设计，包括磁场定向控制 (FOC)、正弦电流控制和梯形电流控制。这些器件变体提供可选的集成分流放大器以支持不同的电机控制方案，并提供降压稳压器为栅极驱动器或外部控制器供电。该设备的简化示意图如图 2 所示，可有效用于支持电动自行车、电动滑板车和电动交通应用。

图 2：DRV8350 框图

功率集成提供功率转换集成电路，可为高达600W的各种功率应用（包括电动自行车）提供高效、可靠和低成本的解决方案。TOPSwitch JX是PI的最新一代旗舰系列交直流变换器。TOPSwitch JX将725V功率MOSFET、高压开关电流源、多模PWM控制、振荡器、热关断电路、故障保护和其他控制电路整合到单片设备上。该设备在整个负载范围内都是节能的，在265 VAC时空载功耗低于100 mW，非常适合10 W到245 W的应用，例如电动自行车电池充电器的电源。

审核编辑 黄昊宇