为电动自行车设计高效的动力系统

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。

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。

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

 

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）
	效率在 80%	效率达到 90%

 

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。

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。

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。

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

 

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

 

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。

图 5a.设备 T 的仿真工具。

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。

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。

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。

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

 

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