Разработка малогабаритной энергоэффективной системы питания для современных электровелосипедов с литий-ионными аккумуляторами

Мировой рынок электровелосипедов с литий-ионными аккумуляторами демонстрирует непрерывный рост. При разработке систем питания электровелосипедов необходимо обращать пристальное внимание на общий КПД и габаритные размеры устройства. В статье рассматриваются способы реализации малогабаритных энергоэффективных подсистем питания для электровелосипедов
1135
В избранное

Мировой рынок электровелосипедов с литий-ионными аккумуляторами демонстрирует непрерывный рост. При разработке систем питания электровелосипедов необходимо обращать пристальное внимание на общий КПД и габаритные размеры устройства. Давайте рассмотрим способы реализации малогабаритных энергоэффективных подсистем питания для электровелосипедов.

Требования к системе питания электровелосипеда с учетом потребностей мирового рынка

В настоящее время объем рынка электровелосипедов составляет примерно 35 миллионов единиц и, по прогнозам Statista, достигнет 40 миллионов к 2023 г (рис. 1).

Китай является основным потребителем электровелосипедов, однако их большая часть использует устаревшую технологию герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей (SLA). В развитии китайского рынка электровелосипедов наблюдаются две основные тенденции:

  • переход от свинцово-кислотных к более современным и легким литий-ионным аккумуляторам, что требует более сложной схемотехники устройств обслуживания аккумуляторов;
  • увеличение емкости аккумуляторных батарей за счет более высокого напряжения шины питания (до 54 В), что позволяет увеличить дальность поездки.

Прогнозируемый рост мировых продаж электровелосипедов

Рис. 1. Прогнозируемый рост мировых продаж электровелосипедов

Основные характеристики контроллера электровелосипеда

Питание электровелосипеда осуществляется от аккумуляторной батареи, напряжение которой может составлять 36 В и более, в зависимости от числа ячеек. От аккумуляторной батареи питаются электродвигатель, драйверы МОП-транзисторов, микроконтроллер, а также дополнительное оборудование — звуковой сигнал, фары и датчик Холла в цепи электродвигателя (как правило, — бесколлекторного двигателя постоянного тока). Основной набор модулей и типовая структурная схема системы питания электровелосипеда показаны на рисунках 2 и 3.

Типовой набор электронных модулей электровелосипеда

Рис. 2. Типовой набор электронных модулей электровелосипеда

Типовая структурная схема системы питания электровелосипеда
Рис. 3. Типовая структурная схема системы питания электровелосипеда

Контроллеры электровелосипедов прежнего поколения обладали большими габаритами и массой. Новые типы контроллеров для литий-ионных аккумуляторов сконструированы с возможностью установки внутри рамы или под сиденьем, что определяет два существенных требования к ним: малые габариты и пониженное тепловыделение (с учетом того, что тепло должно рассеиваться со значительно меньшей площади поверхности).

Подсистема электропитания, соответствующая требованиям по габаритным размерам и тепловыделению, может быть выполнена на основе современных микросхем импульсных понижающих преобразователей напряжения (DC/DC преобразователей). Новые серии микросхем DC/DC-преобразователей отличаются высокой частотой коммутации и встроенным синхронным выпрямителем, что позволяет уменьшить площадь посадочного места и повысить КПД преобразователя.

Распространенные серии силовых микросхем для электровелосипедов

Рассмотрим примеры разработки силовых преобразователей на основе распространенных комплектующих, представленных на сегодняшний день на рынке.

Проектные требования:

  • диапазон входного напряжения Vin 27…42 В;
  • выходное напряжение Vout = 5 В, ток нагрузки 2 А;
  • температура окружающей среды Ta = 30o

Одним из примеров синхронного понижающего преобразователя напряжения с высоким КПД является микросхема MAX17503 производства компании Maxim, работающая в диапазоне входного напряжения 4,5…60 В и обеспечивающая ток нагрузки до 2,5 А. Используя программную среду EE-Sim® DC/DC Converter Tool и установив в качестве критерия оптимиальный баланс между габаритными размерами и КПД, можно получить полный набор параметров системы электропитания (рисунки 4, 5, 6).

Рабочие окна программы EE-Sim® DC/DC Converter Tool: входные и выходные параметры

Рис. 4.а. Рабочие окна программы EE-Sim® DC/DC Converter Tool: входные и выходные параметры

Рабочие окна программы EE-Sim® DC/DC Converter Tool: параметры проектирования импульсного преобразователя

Рис. 4.б. Рабочие окна программы EE-Sim® DC/DC Converter Tool: параметры проектирования импульсного преобразователя

Схема импульсного преобразователя на базе микросхемы MAX17503

Рис. 5. Схема импульсного преобразователя на базе микросхемы MAX17503

Расчетная зависимость КПД преобразователя от тока нагрузки

Рис. 6. Расчетная зависимость КПД преобразователя от тока нагрузки

При сравнительно небольшой величине индуктивности (10 мкГн) данный преобразователь обеспечивает КПД 86,5% при Vin = 36 В, Vout = 5 В, токе нагрузки 2 А и частоте преобразования 470 кГц. Малогабаритный дроссель и миниатюрный корпус микросхемы позволили разместить преобразователь на малой площади, составляющей всего 156 мм2 (таблица 1).

Таблица 1. Площадь посадочного места компонентов преобразователя на микросхеме MAX17503 при оптимизации габаритных размеров и КПД.

Компоненты

Площадь посадочного места, мм2

Входной и выходной конденсаторы

26

Выходной дроссель

108

Микросхема

16

Прочие

6

Всего

156

Другой вариант понижающего DC/DC-преобразователя, использовавшийся в ранних моделях китайских электровелосипедов, был выполнен на основе интегральной микросхемы (ИМС), работающей в диапазоне входного напряжения 3,5…60 В с током нагрузки до 2,5 А. Далее в качестве объекта для сравнения данная ИМС будет обозначена как «устройство T». Используя программное обеспечение онлайн-симулятора (рисунки 7, 8), можно оценить КПД и габаритные размеры преобразователя, выполненного на устройстве Т. Оптимизация DC/DC-преобразователя осуществлялась по двум параметрам — в первом варианте был достигнут баланс между габаритными размерами и КПД, во втором - минимизированы габариты, а в третьем - получен максимальный КПД.

Вариант импульсного преобразователя на ИМС «устройство T», оптимизированный по площади посадочного места и КПД

Рис. 7. Вариант импульсного преобразователя на ИМС «устройство T», оптимизированный по площади посадочного места и КПД

Li-Ion-E-Bikes_8n.png (13 KB)

Рис. 8. Схема импульсного преобразователя на ИМС «устройство T»

Оптимизированный по габаритам и КПД преобразователь на ИМС «устройство Т» работает на частоте 295 кГц и занимает площадь 407 мм2, что в 2,5 раза превышает площадь посадочного места преобразователя на микросхеме MAX17503. При этом его КПД составляет 85%, что на 1,5% меньше по сравнению с преобразователем на MAX17503. Большие размеры преобразователя «устройство Т» обусловлены более низкой частотой коммутации, что требует применения дросселя с большей индуктивностью и, соответственно, большими размерами. Дополнительный «вклад» в увеличение габаритов также дает выпрямительный диод, так как в ИМС «устройство Т», в отличие от MAX17503, отсутствует встроенный синхронный выпрямитель.

Второй вариант преобразователя на ИМС «устройство Т» показан на рисунке 9. Он работает на частоте 489 кГц и занимает площадь 217 мм2, что достигнуто ценой снижения КПД до 83,3%. Третий вариант оптимизации преобразователя на ИМС «устройство Т» позволяет получить КПД 89% при частоте коммутации 100 кГц и площади посадочного места 1315 мм2.

Вариант импульсного преобразователя на ИМС «устройство T», оптимизированный только по площади посадочного места
Рис. 9. Вариант импульсного преобразователя на ИМС «устройство T», оптимизированный только по площади посадочного места

Для сравнения ниже приведены результаты проектирования преобразователя на MAX17503, оптимизированного для минимизации габаритных размеров (рисунки 10, 11) и получения максимального КПД (рисунки 12, 13).

Параметры проектирования преобразователя на MAX17503 для минимизации габаритных размеров

Рис. 10. Параметры проектирования преобразователя на MAX17503 для минимизации габаритных размеров

Зависимость КПД преобразователя на MAX17503 от тока нагрузки. Критерий оптимизации — минимальные габариты

Рис. 11. Зависимость КПД преобразователя на MAX17503 от тока нагрузки. Критерий оптимизации — минимальные габариты

Параметры проектирования преобразователя на MAX17503 для получения максимального КПД

Рис. 12. Параметры проектирования преобразователя на MAX17503 для получения максимального КПД

Зависимость КПД преобразователя на MAX17503 от тока нагрузки. Критерий оптимизации — максимальный КПД

Рис. 13. Зависимость КПД преобразователя на MAX17503 от тока нагрузки. Критерий оптимизации — максимальный КПД

Результаты сравнения двух типов импульсных преобразователей напряжения, соответствующих проектным требованиям Vin = 27...42 В, Vout = 5 В, ток нагрузки 2 А, Ta = 30oC, приведены в таблицах 2, 3, 4. Дополнительно на рисунке 14 показаны в виде диаграммы отличия в площади посадочного места преобразователей.

Таблица 2. Параметры импульсных преобразователей, выполненных на микросхемах MAX17503 и «устройство Т», при оптимизации по габаритным размерам и КПД

Баланс габаритов и КПД

MAX17503

«Устройство Т»

Преимущества MAX17503

Частота коммутации, кГц

470

295

Больше на 60%

КПД, %

86,5

85,0

Больше на 1,5%

Площадь посадочного места, мм2

156

407

Меньше на 60%

Рассеиваемая мощность, Вт

1,35

1,5

Меньше на 10%

Таблица 3. Параметры импульсных преобразователей, выполненных на микросхемах MAX17503 и «устройство Т», при оптимизации только по габаритным размерам

Минимальные габариты

MAX17503

«Устройство Т»

Отличия MAX17503

Частота коммутации, кГц

800

489

Больше на 64%

КПД, %

81,8

83,3

Меньше на 1,5%

Площадь посадочного места, мм2

84

217

Меньше на 61%

Рассеиваемая мощность, Вт

1,82

1,67

Больше на 9%

Таблица 4. Параметры импульсных преобразователей, выполненных на микросхемах MAX17503 и «устройство Т», при оптимизации только по КПД

Максимальный КПД

MAX17503

«Устройство Т»

Преимущества  MAX17503

Частота коммутации, кГц

100

100

-

КПД, %

92,7

89,0

Больше на 3,7%

Площадь посадочного места, мм2

515

1315

Меньше на 61%

Рассеиваемая мощность, Вт

0,73

1,1

Меньше на 34%

Сравнение площади посадочного места преобразователей: синие столбики — MAX17503, красные столбики — «устройство Т»

 

Рис. 14. Сравнение площади посадочного места преобразователей: синие столбики — MAX17503, красные столбики — «устройство Т»

Необходимость установки подсистемы электропитания в местах с ограниченным пространством (в трубе или под сиденьем) требует снижения рассеиваемой мощности и тепловыделения. Минимизация тепловыделения устраняет опасность перегрева и обеспечивает длительный срок эксплуатации подсистемы электропитания.

Влияние собственного тока потребления микросхем DC/DC-преобразователей в дежурном режиме и в выключенном состоянии на разряд аккумуляторной батареи

Согласно технической документации производителей, ток потребления в дежурном режиме (при работе DC/DC-преобразователя без нагрузки) характеризуется следующими значениями:

  • для «устройства Т» типовое значение тока потребления при отсутствии импульсов коммутации составляет 138 мкА;
  • ток собственного потребления MAX17503 в режиме частотно-импульсной модуляции имеет сопоставимую с «устройством Т» величину, равную 162 мкА.

При движении электровелосипеда в современных городских условиях суммарное время ожидания на перекрестках может достигать 100 мин и более. Для микросхемы MAX17503 расход заряда в режиме ожидания составит 0,01 Вт*ч или 0,003% начального заряда аккумуляторной батареи 360 А*ч, что является пренебрежимо малой величиной.

В выключенном состоянии MAX17503 потребляет максимум 4,5 мкА, «устройство Т» — сопоставимую величину 4 мкА (максимум). При простое электровелосипеда в течение одного месяца током собственного потребления микросхемы MAX17503 4,5 мкА будет израсходовано 0,12 Вт*ч или 0,032% начального заряда аккумулятора. Эту величину также можно считать незначительной.

Заключение

Электровелосипеды с литий-ионными аккумуляторами представляют собой непрерывно растущий рынок во всем мире, особенно в Китае. При разработке системы электропитания необходимо уделять пристальное внимание суммарному КПД и габаритным размерам ее аппаратной реализации, в том числе — рекомендуемым параметрам пассивных компонентов (дросселей и конденсаторов). Использование современных микросхем понижающих преобразователей напряжения позволяет уменьшить габаритные размеры и тепловыделение контроллера электровелосипеда, что дает возможность установки его в местах с ограниченным пространством.

Производитель: Maxim Integrated
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MAX17503ATP+
MAX17503ATP+
Maxim Integrated
Арт.: 1200036 PDF AN RD RND DT
Доступно: 3905 шт. от: 311 руб.
Switching Voltage Regulators 60V 2.5A Synch Step Down Converter
MAX17503ATP+ от 311,00 от 13 шт. 267,00 от 28 шт. 240,00 от 61 шт. 222,00 от 150 шт. 211,00
206 шт.
(на складе)
3699 шт.
(под заказ)
MAX17503ATP+T
Maxim Integrated
Арт.: 1229024 PDF AN RD DT
Доступно: 10000 шт.
Выбрать
условия
поставки
Switching Voltage Regulators 60V 2.5A Synch Step Down Converter
MAX17503ATP+T от 2500 шт. от 197,22
10000 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MAX17503EVKITA#
Maxim Integrated
Арт.: 1286971 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 22 шт.
Выбрать
условия
поставки
The MAX17503 3.3V output evaluation kit (EV kit) provides a proven design to evaluate the MAX17503 high-volt…
MAX17503EVKITA# от 3602,57
22 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MAX17503EVKITB#
Maxim Integrated
Арт.: 1889318 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 20 шт.
Выбрать
условия
поставки
The MAX17503 5V output evaluation kit (EV kit) provides a proven design to evaluate the MAX17503 high-voltag…
MAX17503EVKITB# от 4093,31
20 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()