Navrhujeme elektrokola i koloběžky. Jste připraveni na cestu od zdi až k baterii?

Seznamte se v přehledovém článku s požadavky, provázejícími návrh polovodičových systémů jízdních kol a také koloběžek s elektrickým pohonem

Díky rozmachu elektrokol (e-bike) i elektrických koloběžek (e-scooter) dochází ve městech k proměně mobility, takže zde máme čistější a také praktičtější alternativu k tradičním způsobům přepravy. Klíčem k úspěchu, ale též efektivitě zmiňovaných elektrických dopravních prostředků se stává nabíjení, hlídání baterie, ovládání motoru a, jak dále vyplývá z obr. 1, rovněž oblast řídicích systémů. V článku se proto budeme věnovat faktorům, které nesmíme při návrhu těchto dílčích bloků podcenit a vyzdvihneme přitom zásadní roli výkonových polovodičů.

Obr. 1 Elektrokolo a jeho stavební bloky

Řízení baterie

Systém řízení baterie (BMS) je nesmírně důležitou součástí elektrokol i elektrických koloběžek, protože nám zajišťuje bezpečnou, ale též efektivní činnost sady baterií. Mezi jeho tři prvořadé funkce zařadíme monitorování, ochranu a také vyvažování článků. BMS zde nepřetržitě sleduje stav jednotlivých článků v rámci dané sestavy, pokud jde o napětí, teplotu nebo míru nabití. Zároveň předchází vzniku situací, při kterých může dojít k přebíjení či hlubokému vybití, zkratům nebo překotné změně teploty. A na starosti má konečně i rovnoměrnou distribuci náboje mezi příslušnými články, takže maximalizujeme výdrž, resp. životnost baterie a také její výkonnost. Zmíněných funkcí dosáhneme s diskrétními součástkami nebo integrovaným obvodem pro řízení baterie (BMIC). K řízení procesu nabíjení a vybíjení slouží spínací prvky typu tranzistorů MOSFET. Umožňují totiž přesně regulovat průtok proudu, což je nezbytné při ochraně článků baterie a také k zachování účinnosti. Zapomenout ale nesmíme ani na způsob získávání a zpracování precizních informací o změřeném napětí, proudu či teplotě cestou analogově – číslicových převodníků. Na závěr zde ještě máme stabilní zdroj napájení pro BMS a jeho součásti, bez kterého nelze při monitorování a řízení garantovat spolehlivost, ale ani přesnost.

Všechny výše uvedené bloky v sobě integruje FGIC RAJ240100 od společnosti Renesas, takže se nám snižují rozměry a také náklady. Řešení zde rovněž zahrnuje mikrokontrolér pro potřeby stanovení zbývající kapacity (fuel-gauge). Systém podporuje sadu baterií složenou z 6 až 10 článků, která se často využívá při návrhu 36V elektrokol. Blokový diagram sledujeme na obr. 2. V případě větších sad baterií pro 48V platformy e-mobility (až s 14 články) zde zase máme BMIC firmy Renesas RAA489204, umožňující modulární a dále rozšířitelný návrh s využitím robustní chráněné dvoudrátové komunikace s podporou daisy-chainu. Měření zbývající kapacity lze vyřešit přidáním mikrokontroléru Renesas rodiny RL78Gxx.

Obr. 2 Blokový diagram systému řízení baterie BMS

Řízení motoru

Návrh a také implementace bezkartáčového DC motoru (BLDC) a související ovládání zahrnuje v případě elektrokol či koloběžek moderní řešení hardwaru či softwaru, takže lze zajistit účinné a spolehlivé řízení pohonné jednotky. S buzením BLDC motoru se zpravidla pojí několik stěžejních součástí. Abychom zajistili potřebný výkon při zpracování, podpořili řídicí algoritmy pracující v reálném čase a vyřešili i další dodatečné funkce, bude zapotřebí vybrat správný mikrokontrolér (MCU). Řídicí obvody motoru pak zahrnují budiče hradel pro náležité spínání výkonových tranzistorů, např. MOSFETů s ohledem na přesné časování, resp. komutaci fází. MCU zde koordinuje buzení pohonné jednotky s komutací příslušných vinutí, takže ve výsledku obdržíme hladký a efektivní chod motoru BLDC, a to i navzdory široké škále rychlostí či způsobů zatěžování. Rovněž lze detekovat pozici rotoru v závislosti na zpětné vazbě přicházející ze snímačů polohy. K dispozici máme senzory využívající Hallova jevu, resp. též algoritmy, které se bez čidel obejdou (signály EMF).

Optimální průběh krouticího momentu, regulaci rychlosti nebo též efektivitu v celém provozním rozsahu dopravního prostředku nám zaručí řídicí algoritmy typu FOC (field-oriented control) či lichoběžníkového řízení. Kromě toho zde máme v rámci firmwaru rovněž integrovány bezpečnostní funkce, pokud jde nadproudy, přepětí či tepelnou pojistku, takže lze v provozu chránit motor a jeho elektroniku před poškozením.

Firma Renesas má k dispozici komplexní řešení pro řízení motorů, umožňující zkrátit návrhové cykly z titulu integrovaných platforem pro vývoj hardwaru i firmwaru. Zárukou přiměřeného výpočetního výkonu jsou jak mikrokontroléry RA6Tx (ARM-Cortex M33), tak též RX23x (proprietární jádro), zatímco třífázový budič hradla RAA227063 v kombinaci s nízkonapěťovými MOSFETy od stejného výrobce (jmenovitě 40 V až 200 V) dále tvoří vítěznou kombinaci pro řízení motorů elektrokol či elektrických koloběžek – viz také obr. 3.

Obr. 3 Řízení motoru s odpovídajícími prvky

AC/DC konverze

Nabíjecí systémy pro elektrokola či koloběžky vyžadují účinnou AC/DC konverzi a budou tvořeny několika stěžejními prvky. Obvody pro korekci účiníku (PFC) zde např. zajistí, že výkon odebíraný ze sítě využíváme efektivně. Snižují jalový výkon a zlepšují celkovou účinnost. Sekundární DC/DC regulátor pak účinně převádí vysokonapěťový výstup PFC (obvykle v rozsahu 360 V až 400 V) na úroveň 36 V nebo 48 V, vhodnou pro bateriové sady elektrokol a elektrických koloběžek.

AC/DC řešení od firmy Renesas, jak je také vidíme na obr. 4, umožňuje svižné nabíjení a efektivní konverzi díky číslicovému řízení v kombinaci se spínacími prvky HEMT na bázi nitridu galia (GaN). Měnič typu Flyback s iW9801 dodává ve spojení s HEMT GaN TP65H150G4PS, které vykazují odpor v sepnutém stavu 150 mΩ, potřebný výkon pro kontrolér iW780 na sekundární straně, takže lze počítat s DC výstupem až 48 V / 5 A.  

Obr. 4 Blokový diagram AC/DC řešení s USB-C na cestě od zdi až k baterii

USB-C s EPR a společný konektor
Technologie USB-C 3.1 s EPR (Extended Power Range) znamená revoluci v možnostech nabíjení elektrokol či elektrických koloběžek, protože posouvá dodávku energie na nový vrchol, který nyní dosahuje až 240 W. Díky takovému zlepšení se bude USB-C EPR skvěle hodit k rychlému a také účinnému nabíjení. Rostoucí objem výkonu zde umožní rychlé dobití baterií elektrokol i koloběžek o vysoké kapacitě, což výrazně snižuje prostoje. Uživatelé to určitě ocení. Firma Renesas nabízí řadu produktů s certifikací pro USB-C, takže vyhoví přísným standardům, pokud jde o bezpečnost, interoperabilitu či výkony.

Díky kontroléru iW780 na sekundární straně lze implementovat protokol USB-C PD 3.1 EPR. Obecně tak vzniká řešení, vyhovující AC/DC adaptérům jak s jedním, tak i více porty – viz také obr. 4. Zmíněná certifikovaná řešení lze snadno použít při návrhu systémů koloběžek a elektrokol. Výrobci zde proto dostávají do rukou spolehlivé a také účinné stavební bloky pro nabíjení, vyhovující nejnovějším specifikacím USB-C nebo též evropským standardům pro společný konektor.

Uživatelské rozhraní, displej a ovládání

Displej elektrokol či elektrických koloběžek mívá několik funkcí. Zobrazuje např. stav nabití, rychlost v reálném čase, ujetou vzdálenost nebo informace spojené s aktivací či bezpečnostními protokoly. K tomu, abychom zmíněné funkce zapracovali do kompaktního řešení s relativně nízkými náklady, nám pomůže integrovaný obvod s rozhraním Bluetooth společně s embedded procesorem, kde obdržíme adekvátní výkon potřebný ke zpracování a také nezbytné komunikační schopnosti. Možný příklad vidíme na obr. 5.

Obr. 5 K otázce uživatelského rozhraní (UI), displeje a vzájemné konektivity

Řízení displeje

Vestavný procesor zodpovídá za řízení displeje koloběžky, zde zpravidla LCD panelu, osazeného na řídítkách. Displej zprostředkuje jezdci základní informace v reálném čase – jedná se o rychlost, úroveň vybití baterie a také nastavení režimu, které získává z různých čidel nebo i systémů, jako jsou kontroléry motoru, systémy řízení baterie, snímače polohy, akcelerometry apod. Aby se zjednodušila celková integrace, lze v návaznosti na BLE společně s vestavným MCU zpracovat data a řídit displej v reálném čase, takže se podstatné informace dostanou až k uživateli. V úvahu rovněž přichází propojení s mobilními telefony pro potřeby spuštění a sběru dat v rámci aplikace.

Uvedení do provozu

Pokud máme zajistit, že elektrickou koloběžku či elektrokolo budou smět řídit pouze autorizovaní uživatelé, neobejdeme se bez protokolů pro aktivaci. Jezdci si zpravidla vše aktivují v mobilní aplikaci, zatímco integrované obvody s podporou NFC a BLE se postarají o bezpečný přístup a také mobilní vypínání. Spojení NFC s BLE přitom nabízí dvoufaktorové ověřování, které zvyšuje bezpečnost. Čip, který má na starosti konektivitu, obdrží požadavek na odblokování, který postupuje dále procesoru, který spouští proces autentizace, zahrnující ověření na základě PINu, hesla či unikátního digitálního klíče, uloženého v mobilní aplikaci. Jakmile se potvrdí věrohodnost, vyšle procesor signály k odemčení elektronických systémů koloběžky. Motor může začít pracovat a koloběžka vyrazí kupředu s oprávněným uživatelem.

V případě odcizení dokáže obsluha z mobilní aplikace na dálku zablokovat koloběžku, která tak nebude schopna dalšího provozu. Firmware daného procesoru zahrnuje mechanismy pro bezpečné zavádění systému s cílem zamezit neoprávněnému zásahu a počítá rovněž s aktualizacemi na způsob OTA (Over-the-Air), pokud jde o údržbu a další zvyšování bezpečnosti. Zmíněné funkce se nyní společně podepisují pod ještě lepším zabezpečením koloběžky a uživatel může proto zůstat v klidu.

Firma Renesas nabízí komplexní přístup k řešení náročných úkolů, se kterými se při návrhu elektrokol či koloběžek vývojáři potkávají. Díky prvotřídním systémům SoC (System-on-Chip) a také modulům pro Wi-Fi, Bluetooth či NFC výrobce zajišťuje robustní a spolehlivé provedení, nezbytné pro hladkou komunikaci mezi propojenými zařízeními.

Polovodiče se širokým zakázaným pásem

Pokrok v oblasti materiálů pro výkonové polovodiče, zejména pak v případě karbidu křemíku (SiC) nebo nitridu galia (GaN), výrazně zlepšil vlastnosti elektrických výkonových systémů, a to včetně elektrokol či koloběžek s obdobným pohonem. Zmíněné materiály zde oproti tradičnímu křemíkovému polovodiči přináší několik výhod. Struktury na bázi SiC či GaN provází menší odpor v sepnutém stavu a také rychlejší spínání, což v provozu snižuje energetické ztráty. To nakonec vede k rostoucí celkové účinnosti, menšímu a také lehčímu řešení. Prodlužuje se výdrž baterie, ale i dojezd vozidel poháněných elektřinou.

Závěr

Jak jsme v článku viděli, elektrokola a elektrické koloběžky potřebují celou řadu výkonových součástek, hned vedle spousty dalších prvků, se kterými musí hladce spolupracovat a vytvářet přitom různé subsystémy. A stejně tak je samozřejmě důležitá i bezpečnost a spolehlivost. Ideální partner vývojářů zde pro potřeby takového návrhu nabídne komplexní znalosti, pokud jde o řízení napájení, zpracování s vestavnými systémy, řešení vzájemné propojitelnosti, analogové obvody a také integraci snímačů. Na svém kontě bude mít kvalitní součástky a nezapomíná ani na špičkovou technickou podporu.