Cet article approfondit les considérations de conception des systèmes susmentionnés, en mettant l'accent sur les fonctions critiques des semi-conducteurs de puissance.
Gestion de la batterie :
Le système de gestion de la batterie (BMS) est un composant essentiel des vélos et scooters électriques, garantissant le fonctionnement sûr et efficace de la batterie. Ses trois fonctions principales sont la surveillance, la protection et l’équilibrage des cellules. Le BMS surveille en permanence l’état de chaque cellule (tension, température et niveau de charge). Il prévient également les surcharges, les décharges excessives, les courts-circuits et l’emballement thermique. Enfin, il assure une répartition uniforme de la charge entre les cellules afin d’optimiser la durée de vie et les performances de la batterie. Ces fonctions peuvent être assurées par des composants discrets ou un circuit intégré de gestion de batterie (BMIC). Des commutateurs, tels que des transistors MOSFET, contrôlent les processus de charge et de décharge. Ils permettent un contrôle précis du courant, indispensable à la protection des cellules et au maintien de l’efficacité de la batterie. Ensuite, une méthode d’acquisition et de traitement des données précises issues des mesures de tension, de courant et de température est mise en œuvre à l’aide de convertisseurs analogiques-numériques. Enfin, une alimentation électrique stable du BMS et de ses composants est essentielle pour garantir la fiabilité et la précision de la surveillance et du contrôle.
Le circuit intégré Renesas FGIC RAJ240100 intègre tous les blocs mentionnés précédemment, ce qui permet de réduire la taille et le coût. Il comprend également un microcontrôleur pour la gestion du carburant. Il prend en charge les batteries de 6 à 10 cellules, couramment utilisées dans les vélos électriques 36 V. Un schéma fonctionnel est présenté figure 2. Pour les batteries de plus grande capacité alimentant les plateformes de mobilité électrique 48 V (jusqu'à 14 cellules), le circuit intégré Renesas BMIC RAA48920 offre une conception évolutive et modulaire grâce à une communication robuste, brevetée et chaînable en série, à deux fils. Une jauge à carburant peut être ajoutée en intégrant un microcontrôleur de la famille Renesas RL78Gxx.
Figure 2 : Schéma fonctionnel du BMS
Commande moteur :
La conception et la mise en œuvre d'un moteur à courant continu sans balais (BLDC) et de son contrôleur pour vélos et scooters électriques nécessitent une intégration matérielle et logicielle avancée afin de garantir une commande moteur efficace et fiable. Le contrôleur de moteur BLDC se compose généralement de plusieurs composants clés. Un microcontrôleur (MCU) est sélectionné pour sa puissance de traitement, sa capacité à gérer des algorithmes de commande en temps réel et d'autres fonctions auxiliaires. Le circuit de commande du moteur comprend des pilotes de grille pour contrôler la commutation des transistors de puissance, tels que les MOSFET, assurant ainsi une synchronisation et une commutation précises des phases du moteur. Le MCU se coordonne avec le contrôleur moteur pour commuter les enroulements du moteur et permettre un fonctionnement fluide et efficace du moteur BLDC sur une large plage de vitesses et de charges. Il peut également détecter la position du rotor grâce aux informations fournies par des capteurs de position, tels qu'un capteur à effet Hall, ou par des algorithmes sans capteur utilisant des signaux en opposition de phase.
Des algorithmes de commande, tels que la commande vectorielle (FOC) ou la commande trapézoïdale, garantissent une génération de couple optimale, une régulation de vitesse et un rendement optimal sur toute la plage de fonctionnement du véhicule. De plus, des dispositifs de sécurité tels que la protection contre les surintensités, les surtensions et la surchauffe sont intégrés au micrologiciel afin de protéger le moteur et l'électronique contre tout dommage potentiel en cours de fonctionnement.
Renesas propose des solutions complètes de commande de moteurs qui permettent des cycles de conception courts grâce à des plateformes de développement matérielles et logicielles intégrées. Les processeurs RA6Tx (ARM-Cortex M33) et MX23x (noyau propriétaire) garantissent une puissance de calcul suffisante, et le circuit de commande de grille triphasé RAA227603, associé à nos MOSFET basse tension (40 V - 200 V nominaux), constitue une solution idéale pour la commande des moteurs de vélos et de scooters électriques, comme illustré sur la figure 3.
Figure 3 : Schéma fonctionnel du moteur
Conversion AC-DC :
Les systèmes de charge pour vélos et scooters électriques nécessitent une conversion AC-DC efficace et font intervenir plusieurs composants clés. Un circuit de correction du facteur de puissance (PFC) garantit une utilisation optimale de l'énergie prélevée sur le réseau. Il réduit la puissance réactive, améliorant ainsi le rendement énergétique global. Un régulateur DC-DC secondaire convertit efficacement la tension de sortie haute tension du PFC (généralement comprise entre 360 V et 400 V) à un niveau de 36 V ou 48 V, adapté aux batteries des vélos et scooters électriques.
Les solutions AC-DC de Renesas, illustrées sur la figure 4, permettent des temps de charge rapides et une conversion efficace grâce à une commande numérique associée à des transistors HEMT au nitrure de gallium (GaN). Le convertisseur Flyback iW9801, associé au transistor HEMT GaN TP65H150G4PS (résistance à l'état passant de 150 mΩ), fournit la puissance nécessaire au contrôleur secondaire iW780, produisant une sortie jusqu'à 48 V/5 A DC.
Utilisation de l'USB-C EPR pour une configuration de connecteurs standard :
la technologie USB-C 3.1 EPR (Extended Power Range) révolutionne la recharge des vélos et scooters électriques en portant la puissance délivrée à un niveau inédit, atteignant désormais jusqu'à 240 W. Cette avancée rend l'USB-C EPR parfaitement adapté aux besoins d'une recharge rapide et efficace. La capacité de puissance accrue permet une recharge rapide des batteries haute capacité des vélos et scooters électriques, réduisant considérablement les temps d'arrêt et améliorant le confort d'utilisation. Renesas propose une gamme de produits certifiés USB-C, garantissant leur conformité aux normes industrielles les plus strictes en matière de sécurité, d'interopérabilité et de performance.
En utilisant l'iW780, un contrôleur secondaire, le protocole USB-C PD 3.1 EPR peut être mis en œuvre, ce qui le rend universellement adapté aux adaptateurs AC-DC à port unique et à ports multiples, comme illustré sur la figure 4. Ces solutions certifiées peuvent être facilement intégrées dans la conception des vélos et scooters électriques, offrant aux fabricants des solutions de charge fiables et efficaces qui répondent aux dernières spécifications USB-C et aux normes européennes pour un connecteur commun.
Figure 4 : Schéma fonctionnel de la solution murale alimentée par batterie AC-DC et USB-C
Interface utilisateur/Affichage et circuits de commande :
L’écran des vélos et scooters électriques remplit plusieurs fonctions, comme l’affichage de l’état de charge, de la vitesse en temps réel, de la distance parcourue, de l’état d’activation et des protocoles antivol. Un circuit intégré Bluetooth avec processeur intégré offre la puissance de traitement et les capacités de communication nécessaires pour intégrer ces fonctions dans une solution compacte et économique. La figure 5 en donne un exemple.
Contrôle de l'affichage :
Un processeur intégré contrôle l'affichage du scooter, généralement un écran LCD fixé au guidon. Cet écran fournit au conducteur des informations essentielles en temps réel, telles que la vitesse, le niveau de la batterie et les modes de fonctionnement. Il reçoit des données de divers capteurs et systèmes, notamment les contrôleurs de moteur, les systèmes de gestion de la batterie, les capteurs de position, les accéléromètres, etc. Pour simplifier l'intégration, un module BLE (BioLite Interchangeable Unit) avec microcontrôleur intégré traite les données et contrôle l'affichage en temps réel, fournissant ainsi des informations pertinentes à l'utilisateur. Il peut également se connecter au smartphone de l'utilisateur pour l'activation et la collecte de données via une application.
Activation sécurisée :
Les protocoles d’activation sont essentiels pour garantir que seuls les utilisateurs autorisés puissent utiliser un vélo ou une trottinette électrique. L’activation se fait généralement via une application mobile. Les circuits intégrés NFC et BLE assurent un accès sécurisé et la possibilité de désactiver l’appareil à distance. Cette combinaison NFC et BLE offre une authentification à deux facteurs, renforçant ainsi la sécurité. La puce de connectivité reçoit la demande de déverrouillage et la transmet au processeur, qui lance un processus d’authentification. Ce processus implique la vérification d’un code PIN, d’un mot de passe ou d’une clé numérique unique stockée dans l’application mobile. Une fois authentifié, le processeur envoie des signaux pour déverrouiller les systèmes électroniques de la trottinette, permettant ainsi le démarrage du moteur et la mise en service de l’appareil, et empêchant toute utilisation non autorisée.
En cas de vol, l’utilisateur peut désactiver la trottinette à distance via l’application mobile. Le micrologiciel du processeur intègre des mécanismes de démarrage sécurisé pour empêcher toute falsification et permet les mises à jour à distance (OTA), garantissant ainsi la maintenance et l’amélioration de la sécurité. Ensemble, ces fonctionnalités renforcent la sécurité de la trottinette et offrent une tranquillité d’esprit aux utilisateurs.
Renesas propose une approche globale pour relever les défis liés à la conception de vélos et de trottinettes électriques. Avec des modules et des systèmes sur puce (SoC) de pointe pour le Wi-Fi, le Bluetooth et le NFC, Renesas garantit des performances robustes et fiables, essentielles pour une communication fluide entre les appareils connectés.
Semiconducteurs à large bande
: Les progrès réalisés dans le domaine des matériaux semi-conducteurs de puissance, notamment le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN), ont considérablement amélioré les performances des systèmes d’alimentation électrique, y compris les vélos et scooters électriques. Ces matériaux présentent plusieurs avantages par rapport aux semi-conducteurs traditionnels à base de silicium. Les dispositifs en SiC et GaN possèdent une résistance de commutation plus faible et une capacité de commutation plus élevée, ce qui réduit les pertes de puissance en fonctionnement. Il en résulte une efficacité globale accrue et des solutions plus compactes et plus légères, prolongeant ainsi la durée de vie des batteries et l’autonomie des véhicules électriques.
Figure 5 : Schéma fonctionnel des circuits d'interface utilisateur/d'affichage/de connectivité
En conclusion,
comme nous l'avons vu, les vélos et scooters électriques utilisent une grande variété de dispositifs d'alimentation, ainsi que de nombreux autres composants qui doivent fonctionner parfaitement au sein de multiples sous-systèmes. Il va sans dire que la sécurité et la fiabilité sont également primordiales. Le partenaire de conception idéal possédera une expertise approfondie en gestion de l'énergie, en traitement embarqué, en solutions de connectivité, en circuits analogiques et en intégration de capteurs, ainsi qu'une solide expérience en matière de composants de qualité et un important service d'assistance technique.
Auteurs :
Marco Ruggeri, architecte système pour l’équipe Solutions d’alimentation chez Renesas Electronics ;
Andrew Wu, développement commercial pour le groupe Produits d’alimentation chez Renesas Electronics
