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台湾电动脚踏车解决方案的城市化之路


作者:Nicholas Tan    时间:2013/6/14 17:53:21  来源:   

    过去一个世纪以来,脚踏车是亚洲通勤者最常见有效的一种交通工具。全球电动脚踏车市场正急速成长。依据市场资料,2011 年中国制造的电动脚踏车已经超过 2 千万台,高居全球市占率第一名。其中大部份电动脚踏车采用传统铅酸电池,主要集中于中国国内市场。由于中国本地市场制定新法使用锂电池,并放眼出口市场,面对尝试跟上这股热潮的其他区域制造商,中国制造商如何因应本地及出口市场需求,成为令人关注的问题。
本文将探讨电动脚踏车在高阶功能及成本与高度稳定性之间维持平衡所面临的挑战。
前言
    四轮电动车的基础设施多半是政府基于政治因素决定;相较于此,电动脚踏车充电解决方案就简单的多了。因此在其他新兴国家,可预期出现非常成功的案例。目前中国制造的电动脚踏车,采用传统铅酸电池,通常于超级市场及百货公司贩售。其中许多电动脚踏车配备踏板,并以链条连接至后轮,成为实际上的机器脚踏车(虽然款式及承诺完全相反)。另一方面其他 OEM 也将目标锁定中国或其他地区的高阶市场(包括欧洲市场),满足对更高品质、创新及实用设计的需求。
目前电动脚踏车多半仍采用 36v 及 48v 电池解决方案,且大多使用酸性电池。不过也有使用锂电池的产品,其中电池不但体积精巧,也可能在家进行充电,并搭载电池管理解决方案。因此这成为整体系统成本差异的主要因素。以下图 1 显示电动脚踏车的基本流程图:
电动脚踏车的基本流程图:



图 1:电动脚踏车系统概要
下节内容将著重于马达控制单元及电池管理系统。

马达控制单元的功能方块图
马达 ECU 系统需要的功能如图 2 所示。


图 2:马达控制流程图

    马达控制系统包含三个主要区块:
    • 微控制器依据讯号计算协助力,例如速度资讯、电流感应器及刹车机制等等;
    • 控制器单元的供电装置,包括过电压及欠压侦测;
    • 与马达连接的驱动器单元,依据 ECU 输出产生转动力。

    驱动马达时也需部分额外资讯,例如马达的转子位置(由转子感应器提供)及相位电流(由电流感应器提供)。以上所有感应器及 µC 都必须使用适当的供电装置加以供电。马达是由 MOSFET 所控制。由于 µC 无法直接驱动 MOSFET 的大型闸极电容,因此需要使用驱动器 IC 作为额外介面。因为价格竞争激烈(特别是中国市场),开发独立解决方案取代驱动器 IC。
供電裝置
    英飞凌可供应 60V 输入的供电装置,搭配 DCDC 切换解决方案 (IFX80471SKV) 或双输出 LDO (IFX21003N)。以上两种选项均可使用 36V 或 48V 电池系统。一般来说微控制器需要 5V 电源,驱动器 IC 需要 12V 电源。另一项令人担忧的影响,就是转子定位感应时可能发生短路。英飞凌提供电压追踪器解决方案 (IFX24401),降低短路时微控制器受损的风险。此外若选择使用双输出 LDO 解决方案,也能提供更优异的散热通道。以下图 3 显示电压追踪器如何协助设计人员解决可能面临的上述两项因素。

图 3:显示使用电压追踪器进行短路保护。

    µC 的 PWM 输出埠提供的驱动电流及电压位准过低,无法直接连接至 MOSFET 闸极。驱动器 IC 的角色是提供足够电流,让 MOSFET 闸极能够充电及放电(一般于 20kHz 切换),并确保高闸极 - 源极电压 Vgs 至高侧及低侧 MPSFET,保证维持低 Rds(on)。
    MOSFET 是造成控制单元总 BOM(物料清单)高成本的因素。一般至少需要使用 6 个 MOSFET。在 48V 系统中,MOSFET Vds 至少需要 75V,而汲极电流也必须高到足以啟动马达电流。不过在成本及 Rdson 之间有一项平衡因素,与功率消耗有关。MOSFET 的 Rdson 是马达驱动效率最重要的参数之一。英飞凌 Optimos 技术在各式各样的封装选择中,提供最低的 Rdson 值。使用 Optimos 可将状态损失降到最低。

    影响 MOSFET 散热的因素包括:
    I. 充电及放电 MOSFET 的闸极电容
    II. MOSFET 驱动器静态电流汲取造成的功率消耗
    III. 驱动器 IC 跨导电流造成的功率消耗。

    為了让反流器发挥最高效能,MOSFET 必须能够驱动高电流,并应具有低热阻 (Rth) 提供最佳的冷却效果,以便协助您设计体积精巧,功率密度高的反流器。
    尽管需要慎重考量润湿 (wetting) 问题,未来设计人员仍将考虑在马达整合裸晶 FET,同时解决热问题。
微控制器 (μC)
    µC 可用于执行无刷直流马达系统。首先说明控制器需执行的关键需求:
    电动脚踏车控制器必须具备三项功能:速度调整、过电流控制及欠压保护;欠压保护的下限;过电流保护及电流限制具有双重功能:一方面可以限制电动轮轂的最高功率输入,避免马达意外烧毁;另一方面则可限制最高功率输出。
为了有效执行本项控制,µC 应具备以下功能:
    乘除单元 (MDU) 提供快速的 16 位元乘法、16 及 32 位元除法,以及移位与标准化功能。对于需要快速数学运算的即时控制应用而言,本功能一般整合于微控制器之中。
    高效能 10 位元类比数位转换器 (ADC),配备 8 个多工类比输入通道。ADC 使用连续渐进技术,可由最高 8 个不同来源转换类比电压位准。这些通道可用于测量扭矩。
    四个 16 位元计时器,例如计时器 0、计时器 1、计时器 2 及计时器 3。计时器用於计时应用,例如测量事件之间的时间间隔、计算事件数量,以及於固定间隔产生讯号。前述计时器可用于产生 PWM 进行马达控制。
    微控制器一般平均採用 24 个 I/O 针脚。每个针脚都有一对内部的提升 (pull-up) 及降低 (pull-down) 装置,可个别啟用或停用。这些连接埠可作为继电器驱动器、灯泡驱动器、马达驱动器及系统诊断,例如反馈电流侦测器。

    其中必须拥有高效能的工具链,保证提供体积精巧,效率优异的程式产生及除错选项。
以下图 4 显示 MCU 与驱动器 IC 及电池充电器之间的一般介面。

图 4:MCU 与驱动器 IC 及电池充电器之间的一般介面

电池管理系统
    由于法规及环保因素,锂电池的应用情形日渐普遍,这将增加电动脚踏车的开发成本。研究显示目前锂电池成本是酸性电池的两倍,因此必须使用电池管理系统延长电池寿命,借此降低电动脚踏车使用寿命期间的成本。在传统方法中,若其中一个电池达到 100% 充电电量,充电就会停止。电池管理系统 (BMS) 控制电池的充电及放电。系统持续控制电池的功能及充电。个别电池可储存的电量,可能会随使用寿命週期而逐渐退化,因此挑战在於最佳化电池使用率。为了让电池享有最大容量,BMS 扮演重要角色,平衡组成电池的所有电池,使其维持在相同的充电状态,避免超越充电限制区,也就是充电不足或过度充电。
    目前市场供应两种主要的 BMS 解决方案,分别是:
    • 被动式解决方案,也就是将电池连接至电阻负载,由充电最多的电池消耗能源。
    • 主动式解决方案达成平衡的方式,是利用电容及电感法,由充电最多的电池将能源配置至充电最少的电池。

以下表 1 比较被动式及主动式的 BMS 解决方案。

表 1:比较被动式及主动式的 BMS 解决方案

    从上表资料来看,可以证实电感 BMS 法具有高效率,并能因应顶部及底部平衡需求。此外由于被动法具有热问题,因此充电电流低,必须将充电时间纳入考量。
    电动脚踏车解决方案 BMS 功能的基本需求为:
    过电压及欠压保护;
    电池平衡;
    过电流保护;
    温度测量;
    记录个别电池电压,侦测损坏电池;
    精密的电池平衡;
    预估电池状态。
    由于电动脚踏车的空间限制,目前设计最常使用的解决方案,是可携式或外接介面的充电装置,并建立与至少一个充电装置、负载、热管理,以及紧急关闭子系统的通讯通道,其中将使用 RS 485 或是高阶解决方案使用的 CAN(考量耐用程度)。

结论
    简单来说,就马达控制器单元而言,我们能够发现设计人员需要考量各种不同方法(即使是电源供应区段),在成本及稳定性之间取得平衡。除了各国规范以外,这对控制器单元造成影响,当然也影响使用的电池类型。例如在中国等新兴国家,电动脚踏车成为许多中低收入阶层的标准通勤设备,因此目前将铅酸电池改为锂电池可能是一项挑战。此外由于新订规范及社会意识的压力,不能忽视锂电池的未来潜力;这可能间接影响电池管理系统的使用情形。

关键词:电动脚踏车
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