Renesas Electronics Corporation
Avtorja: Marco Ruggeri, sistemski inženir za ekipo energetskih rešitev, Renesas Electronics in
Andrew Wu, poslovni razvoj za skupino izdelkov za napajanje, Renesas Electronics
Celovit pregled zahtev za načrtovanje polprevodniških sistemov za e-kolesa ali e-skuterje.
Razvoj e-koles in e-skuterjev spreminja mobilnost v mestih in ponuja čistejšo in priročnejšo alternativo tradicionalnim načinom prevoza. Za uspeh in učinkovitost teh električnih vozil so ključnega pomena sistemi za polnjenje, upravljanje baterij, krmilnik motorja in nadzor, kot je prikazano na sliki 1. V tem članku so obravnavani vidiki zasnove navedenih sistemov, pri čemer so poudarjene kritične funkcije močnostnih polprevodnikov.
Upravljanje baterij
Sistem za upravljanje baterij (BMS) je ključni sestavni del e-koles in e-skuterjev, ki zagotavlja varno in učinkovito delovanje baterijskega sklopa. Tri glavne funkcije sistema BMS so spremljanje, zaščita in uravnoteženje celic. Sistem BMS nenehno spremlja stanje posameznih celic v baterijskem paketu glede napetosti, temperature in stanja napolnjenosti. Prav tako preprečuje stanja, kot so prekomerno polnjenje/praznjenje, kratki stiki in toplotni pobeg.
Poleg tega zagotavlja enakomerno porazdelitev polnjenja med celicami, da bi povečali življenjsko dobo in zmogljivost baterije. Te funkcije se lahko izvajajo z diskretnimi napravami ali integriranim vezjem za upravljanje baterije (BMIC). Stikala, kot so MOSFET tranzistorji, nadzorujejo procese polnjenja in praznjenja. Omogočajo natančen nadzor nad pretokom toka, kar je bistveno za zaščito baterijskih celic in ohranjanje učinkovitosti. Nato je z analogno-digitalnimi pretvorniki izvedena metoda za pridobivanje in obdelavo natančnih podatkov za meritve napetosti, toka in temperature. Nazadnje je stabilno napajanje BMS in njegovih komponent ključnega pomena za ohranjanje zanesljivosti in natančnosti pri spremljanju in nadzoru.
Renesasov FGIC, RAJ240100, združuje vse zgoraj omenjene bloke, kar zmanjšuje velikost in stroške. Vključuje tudi MCU za merjenje porabe goriva v hibridnih sistemih. Podpira 6- do 10-celične akumulatorske baterije, ki se pogosto uporabljajo v 36-voltnih e-kolesih. Blok shema je prikazana na sliki 2. Za večje baterijske pakete, ki oskrbujejo 48V platforme za e-mobilnost (do 14 celic), Renesasov BMIC, RAA48920, omogoča skalabilno in modularno zasnovo s pomočjo robustne, lastne, zaporedne dvožične komunikacije. Merilnik goriva je mogoče vključiti z dodatkom Renesasovega mikrokontrolerja iz družine RL78Gxx.
Krmiljenje motorja
Načrtovanje in izvajanje brezkrtačnega enosmernega motorja (BLDC) in gonilnika za e-kolesa/skuterje vključuje napredno integracijo strojne in programske opreme, da se zagotovi učinkovit in zanesljiv nadzor motorja. Gonilnik BLDC motorja je običajno sestavljen iz več ključnih sestavnih delov. Mikrokontrolerska enota (MCU) je izbrana zaradi svoje procesorske moči, zmožnosti upravljanja krmilnih algoritmov v realnem času in drugih pomožnih funkcij. Vezje krmilnika motorja vključuje krmilnike vrat za krmiljenje delovanja močnostnih tranzistorjev, kot so MOSFET-i, ki zagotavljajo natančen časovni potek in komutacijo faz motorja. MCU se usklajuje s krmilnikom motorja za komutacijo navitij motorja, kar omogoča nemoteno in učinkovito delovanje BLDC motorja pri širokem razponu hitrosti in obremenitev. Zaznava lahko tudi položaj rotorja na podlagi povratnih informacij iz senzorjev položaja, kot je Hallov senzor, ali algoritmov brez senzorjev prek povratnih EMF signalov.
Algoritmi krmiljenja, kot sta krmiljenje, usmerjeno v polje (FOC), ali trapezno krmiljenje, zagotavljajo optimalno ustvarjanje navora, uravnavanje hitrosti in učinkovitost v celotnem območju delovanja vozila. Poleg tega so v ugnezdeno programsko opremo vgrajene varnostne funkcije, kot so zaščita pred previsokim tokom, prenapetostna in toplotna zaščita, ki varujejo motor in elektroniko pred poškodbami med delovanjem.
Renesas ponuja celovite rešitve za krmiljenje motorjev, ki omogočajo kratke cikle načrtovanja z zagotavljanjem integriranih platform za razvoj strojne in ugnezdene programske opreme. Tako RA6Tx (ARM-Cortex M33) kot MX23x (lastniško jedro) zagotavljata ustrezno računsko moč, trifazni krmilnik RAA227603 v kombinaciji z našimi nizkonapetostnimi (40V – 200V) MOSFET-i pa je zmagovalna kombinacija za pogon motorjev e-koles/skuterjev, kot je prikazano na sliki 3.
AC-DC pretvorba
Polnilni sistemi za e-kolesa/skuterje zahtevajo učinkovito AC-DC pretvorbo in vključujejo več ključnih komponent. Vezje za korekcijo faktorja moči (PFC) zagotavlja, da se energija, ki se črpa iz omrežja, učinkovito uporablja. Zmanjšuje jalovo moč in s tem izboljšuje splošno učinkovitost napajanja. Sekundarni DC-DC regulator učinkovito pretvori visokonapetostni PFC izhod (običajno od 360 do 400 V) v 36- ali 48-voltno raven, ki je primerna za akumulatorje e-koles in e-skuterjev.
AC-DC rešitve podjetja Renesas, kot je prikazano na sliki 4, omogočajo hiter čas polnjenja in učinkovito pretvorbo z uporabo digitalnega nadzora v kombinaciji s HEMT stikali iz galijevega nitrida (GaN). Pretvornik iW9801 Flyback poleg TP65H150G4PS, 150 mΩ ON-resistance GaN HEMT, omogoča potrebno moč za napajanje krmilnika na sekundarni strani, iW780, ki proizvaja do 48 V/5 A DC.
Uporaba USB-C EPR za skupno konfiguracijo priključka
Tehnologija USB-C 3.1 Extended Power Range (EPR) revolucionarno spreminja možnosti polnjenja e-koles/skuterjev, saj povečuje moč polnjenja do 240 W. Zaradi tega napredka je USB-C EPR popolnoma primeren za zahteve po hitrem in učinkovitem polnjenju. Povečana zmogljivost omogoča hitro polnjenje visokozmogljivih baterij, ki jih najdemo v e-kolesih/skuterjih, kar znatno skrajša čas izpada in poveča udobje uporabnikov. Renesas ponuja vrsto izdelkov, ki imajo USB-C certifikat, kar zagotavlja, da izpolnjujejo stroge industrijske standarde za varnost, interoperabilnost in zmogljivost.
Z uporabo iW780, krmilnika na sekundarni strani, je mogoče izvajati protokol USB-C PD 3.1 EPR, zaradi česar je univerzalno primeren tako za enojne kot večportne AC-DC adapterje, kot je prikazano na sliki 4. Te certificirane rešitve je mogoče preprosto vključiti v zasnove e-skuterjev in e-koles ter proizvajalcem zagotoviti zanesljive in učinkovite rešitve za polnjenje, ki so skladne z najnovejšimi specifikacijami USB-C in evropskimi standardi za enoten priključek.
UI/zaslon in krmilna vezja
Zaslon e-kolesa/skuterja ima več funkcij, kot so prikaz stanja napolnjenosti, hitrosti v realnem času, prevožene razdalje, aktivacije in protokolov proti kraji. Bluetooth IC z vgrajenim procesorjem ima ustrezno procesorsko moč in komunikacijske zmogljivosti za integracijo teh funkcij v stroškovno učinkovito in kompaktno rešitev. Primer je prikazan na sliki 5.
Krmiljenje zaslona
Vgrajeni procesor je odgovoren za krmiljenje zaslona skuterja, običajno LCD zaslona, ki je nameščen na krmilu. Ta zaslon vozniku v realnem času zagotavlja bistvene informacije, kot so hitrost, raven napolnjenosti baterije in nastavitve načina, ki jih prejema od različnih senzorjev ali sistemov, kot so krmilniki motorja, sistemi za upravljanje baterije, senzorji položaja, merilniki pospeška itd. Za poenostavitev celotne integracije lahko BLE z vgrajenim MCU obdeluje podatke in poganja zaslon v realnem času ter uporabniku zagotavlja ustrezne informacije. Prav tako se lahko poveže z uporabnikovim mobilnim telefonom za aktivacijo in zbiranje podatkov v aplikaciji.
Zagotavljanje aktivacije
Aktivacijski protokoli so bistveni za zagotovitev, da lahko e-skuter ali e-kolo upravljajo le pooblaščeni uporabniki. Uporabniki običajno aktivirajo napravo prek mobilne aplikacije, integrirani NFC in BLE čipi pa zagotavljajo varen dostop in podporo za mobilni izklop. Ta kombinacija NFC in BLE lahko omogoča avtentikacijo z dvojnim faktorjem, kar povečuje varnost. Povezovalni čip prejme zahtevo za odklepanje in jo posreduje procesorju, ki sproži postopek avtentikacije, ki vključuje preverjanje PIN kode, gesla ali edinstvenega digitalnega ključa, shranjenega v mobilni aplikaciji. Po preverjanju pristnosti procesor pošlje signale za odklepanje elektronskih sistemov skuterja, kar omogoči vklop motorja in delovanje skuterja ter tako prepreči nepooblaščeno uporabo.
V primeru kraje lahko uporabniki prek mobilne aplikacije na daljavo onemogočijo skuter in ga tako onesposobijo. Ugnezdena programska oprema procesorja vključuje mehanizme varnega zagona, ki preprečujejo nepooblaščene posege, in omogoča OTA (Over-the-Air) posodobitve, kar zagotavlja vzdrževanje in varnostne izboljšave. Te funkcije skupaj povečujejo varnost skuterja in uporabnikom zagotavljajo varnost.
Renesas ponuja celovit pristop k reševanju izzivov, s katerimi se srečujemo pri načrtovanju e-koles/skuterjev. Z vodilnimi sistemskimi čipi (SoC) in moduli za Wi-Fi, Bluetooth in NFC Renesas zagotavlja robustno in zanesljivo delovanje, ki je ključno za nemoteno komunikacijo med povezanimi napravami.
Polprevodniki s širokim valenčnim pasom
Napredek na področju močnostnih polprevodniških materialov, zlasti silicijevega karbida (SiC) in galijevega nitrida (GaN), je znatno izboljšal zmogljivost sistemov za električno napajanje, vključno z e-kolesi/skuterji. Ti materiali imajo več prednosti v primerjavi s tradicionalnimi polprevodniki na osnovi silicija. Naprave SiC in GaN imajo manjšo vklopno upornost in hitrejše stikalne zmogljivosti, kar zmanjšuje izgube energije med delovanjem. Posledica tega je večja splošna učinkovitost, manjše in lažje rešitve, kar podaljša življenjsko dobo baterij in doseg električnih vozil.
Zaključek
Kot smo videli, e-kolesa in e-skuterji poleg številnih drugih sestavnih delov, ki morajo brezhibno sodelovati v več podsistemih, uporabljajo tudi različne napajalne naprave. Samoumevno je, da sta ključnega pomena tudi varnost in zanesljivost. Idealni partner za načrtovanje bo ponujal celovito strokovno znanje in izkušnje na področju upravljanja napajanja, ugnezdene obdelave, rešitev za povezljivost, analognih vezij in integracije senzorjev, skupaj z zgodovino kakovostnih komponent in poglobljenimi zmogljivostmi tehnične podpore.
