E-bikes design – fra vægstikket til batteriet

E-cykler og e-scootere ændrer bymiljøet med et renere og mere praktisk alternativ til traditionelle transportmetoder. Nøglen til succes for disse elektriske køretøjer ligger i delkomponenterne som lader, batteri-management, motordrev og styringssystemer. Vi skal se nærmere på de designovervejelser, der indgår i det komplette design, samt de kritiske funktioner halvlederne udfører

Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 12 – 2024 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)

Af Marco Ruggeri, systemarkitekt, Power Solutions Team,
og Andrew Wu, forretningsudvikling, Products Group,
begge fra Renesas Electronics

Batteri-Management Systemet (BMS) er en af de vigtigste komponenter i e-cykler og e-scootere til sikker og effektiv drift af batteriet. De tre primære funktioner i BMS’en er monitering, beskyttelse og cellebalancering af batteriet. BMS’en moniterer kontinuert status for batteriets individuelle celler for spænding, temperatur og ladningstilstand. BMS’en forhindrer ydermere over- og underafladningstilstande, kortslutning og termisk runaway. Endelig sikrer BMS’en en uniform ladningsfordeling mellem cellerne for at maksimere batterilevetid og -ydelse. Disse funktioner kan realiseres med diskrete komponenter eller en BMIC (Battery Management Integrated Circuit). MOSFET-transistorer switcher oplade- og afladeprocesserne. De sikrer en præcis styring af strømmen, hvilket er afgørende for beskyttelsen og effektiviteten af battericellerne. Næste led i kæden er metoden til at opnå og behandle præcise data for spænding, strøm og temperatur, hvilket kræver A/D-konvertere. Endelig er en stabil strømforsyning kritisk for BMS’ens funktion samt en pålidelig og præcis monitering og styring.
Renesas’ FGIC, RAJ240100, har alle de nævnte blokke integreret, hvilket er en pris- og pladsmæssig optimal løsning. Kredsen inkluderer også en MCU til den såkaldte ”fuel-gauging” (energireserve). Kredsen supporterer batteripakker mellem seks og 10 celler, som man typisk ser i 36V e-cykeldesigns (blokdiagram i figur 2). Større batteripakker med op til 14 celler giver 48V til e-mobilitetsplatforme, og en kreds som Renesas’ BMIC, RAA48920, giver et skalérbart og modulært design med virksomhedens egen robuste daisy chain konfigurerbare to-wire kommunikation. En fuel-gauge kan tilføjes med brug af en Renesas-mikrocontroller fra RL78Gxx-familien.

Motorstyring
Design og implementering af en børsteløs DC-motor (BLDC) med driver til e-cykler/-scootere involverer en avanceret integration af hardware og software for at sikre en effektiv og pålidelig motorstyring. BLDC-motordriveren består som regel af flere nøglekomponenter. En MCU er valgt på baggrund af regnekraft samt evnen til at håndtere real-time kontrolalgoritmer og andre hjælpefunktioner. Motordriver-kredsløbet inkluderer gate driver til switching af effekttransistorerne (som regel MOSFETs) med hensyn til præcis timing og kommutering af motorfaserne. MCU’en koordinerer sammen med motordriveren kommuteringen af motorviklingerne for en jævn og effektiv drift af BLDC-motoren over en bred række af hastigheder og belastninger. MCU’en kan også detektere rotorpositionen baseret på feedback fra positionssensorer som Hall-effekt-sensorer eller sensorløse algoritmer leveret som mod-EMK-signaler.
Styringsalgoritmer som feltorienteret kontrol (FOC) eller trapezoid styring sikrer en optimal generering af moment, hastighedsregulering og effektivitet over køretøjets samlede driftsområde. Sikkerhedsfunktioner som beskyttelse mod overstrøm, overspænding og overtemperatur er også integreret i firmwaren for at sikre motor og elektronik mod skader under drift.
Renesas tilbyder adskillige motorstyringsløsninger, der sikrer korte udviklingstider gennem integrerede hardware- og firmware-udviklingsplatforme. Såvel RA6Tx (ARM-Cortex M33) som MX23x (Renesas’ egen kerne) garanterer nok regnekraft, og den trefasede gate driver, RAA227603, kombineret med Renesas’ egne lavvolt MOSFETs (40V-200V nominelt), er en vinderkombination for alle e-cykel-/-scooter-motordrev (blokdiagram i figur 3).

AC/DC-konvertering
Ladesystemer til e-cykler og e-scootere kræver en effektiv AC/DC-konvertering, der omfatter flere nøglekomponenter. Et PFC-kredsløb (Power Factor Correction) sikrer, at strømmen fra elnettet bliver anvendt så effektivt som muligt. Det mindsker den reaktive effekt og øger generelt effektiviteten. En sekundær DC/DC-regulator konverterer effektivt højvolt-output fra PFC’en (typisk mellem 360V og 400V) til et 36V- eller 48V-niveau, der egner sig til e-cykler og e-scooteres batteripakker.
AC/DC-løsninger fra Renesas, som vist i diagrammet i figur 4, sikrer hurtige ladetider og en effektiv konvertering med digital styring i kombination med GaN HEMT-switche. iW9801 flyback-konverteren kan sammen med TP65H150G4PS, en GaN-HEMT med 150mΩ on-modstand, forsyne sekundærside-controlleren, iW780, hvilket leverer et 48V/5ADC-output.

USB-C EPR til gængs konnektorkonfiguration
USB-C 3.1 Extended Power Range (EPR) er en teknologi, som er ved at revolutionere ladeegenskaberne i e-cykler og e-scootere ved at løfte effektoverførslen til nye højder – nu med op til 240W. Det gør USB-C EPR perfekt egnet til hurtig og effektiv opladning. Den øgede effekt sikrer en hurtig opladning af batterier med selv ret høj kapacitet, som man typisk ser dem i e-cykler og -scootere, så standtiden minimeres, og brugeroplevelsen forøges. Renesas tilbyder en række produkter, som alle er USB-C-certificerede, så de opfylder de strengeste industristandarder for sikkerhed, indbyrdes kompatibilitet og ydelse.
Ved at bruge iW780, sekundærside-controlleren, kan man implementere USB-C PD 3.1 EPR-protokollen, der gør løsningen velegnet til både enkelt- og multiport AC/DC-adaptere som vist i figur 4’s diagram. Disse certificerede løsninger kan let integreres i e-cykel- og e-scooter-designs, så producenter har adgang til pålidelige og effektive ladeløsninger, der overholder de nyeste USB-C-specifikationer og europæiske standarder for en fælles konnektor til alle applikationer.

UI-display, display-drivere og kontrolkredsløb
Displayet på en e-cykel eller e-scooter har flere funktioner, der viser ladningsstatus, hastighed, kørt afstand, men som også indeholder protokoller mod tyveri. En Bluetooth IC med en embedded processor har nok regnekraft og kommunikationsegenskaber til at integrere disse funktioner i én prisoptimal og kompakt løsning. Et eksempel er vist i diagrammet i figur 5.
En embedded processor styrer e-cyklens eller -scooterens display, typisk i form af en LCD-skærm monteret på styret. Herfra får køreren oplysninger om hastighed, batteriniveau og indstillinger fra de forskellige sensorer eller systemer som motorstyringen, BMS’en, positionssensorer, accelerometre eller lignende. Af hensyn til nem integration kan Bluetooth LE i en embedded MCU behandle data og styre displayet i real-time med de relevante informationer til brugeren. Det er også muligt at udveksle data med brugerens mobiltelefon for aktivering af cyklen via en app.

Sikker aktivering
Aktiveringsprotokoller er vitale for at sikre, at kun autoriserede brugere kan køre afsted på cykel eller scooter. Man aktiverer typisk køretøjet med en app på mobilen, hvor NFC og BLE IC’er giver den sikre adgang samt mobil switch-off support. Kombinationen af NFC og BLE giver en mulig to-fold autentificering, som øger sikkerheden. En konnektivitetschip modtager en request om at låse cyklen op og videregiver informationen til processoren, der så initierer autentificeringsprocessen med verificering af en PIN, et password eller en unik digital nøgle lagret i mobilens app. Med autentificering sender processoren signaler, der låser e-cyklens eller -scooterens elektroniske systemer op, så motoren kan starte, og køretøjet bliver operationelt – og altså beskyttet mod uautoriseret brug.
I tilfælde af tyveri kan man fjernlåse en cykel eller scooter via en mobil-app. Processorens firmware inkluderer secure-boot mekanismer, der forhindrer pilfingeri og tillader OTA-opdatering (Over-the-Air) af hensyn til vedligehold og forbedringer af sikkerheden. Disse funktioner øger køretøjets sikkerhed og giver brugerne mere ro i sjælen.
Renesas tilbyder en omfattende række løsninger på de udfordringer, der ligger i designet af e-cykler og -scootere. Med sine brancheførende System-on-Chips (SoC’er) og moduler for Wi-Fi, Bluetooth og NFC leverer Renesas robuste og pålidelige produkter, der er afgørende for sømløs kommunikation mellem de konnekterede komponenter.

Wide-Bandgap halvledere
Fremskridt inden for halvledermaterialer – især SiC (siliciumkarbid) og GaN (galliumnitrid) har i høj grad øget ydelsen i elektriske effektsystemer – blandt andet i e-cykler og e-scootere. Disse materialer har en række fordele sammenlignet med gængse siliciumbaserede halvledere. SiC og GaN har begge en lavere on-modstand og hurtigere switching-egenskaber, som minimerer energitab i drift. Resultatet er en højere overordnet effektivitet med mindre og lettere løsninger, der igen øger batterilevetiden og rækkevidden for elektriske køretøjer.
Renesas kan ses som en ideel designpartner, der støtter med omfattende ekspertise inden for power management, embedded regnekraft, konnektivitet, analoge kredsløb og sensorintegration, foruden en årelang historik inden for kvalitetskomponenter med dyb teknisk support.

Billedtekster:
Figur 1: E-cykel grundelementer.
Figur 2: Blokdiagram for BMS’en.
Figur 3: Motorstyringsblokdiagram.
Figur 4: Blokdiagram for AC/DC- og USB-C vægstik-til-batteriløsninger.
Figur 5: Blokdiagram for UI/display/konnektivitetskredsløb.