Este artigo aprofunda as considerações de design dos sistemas anteriormente mencionados, enfatizando as funções críticas dos semicondutores de potência.
Gestão da Bateria:
O sistema de gestão da bateria (BMS) é um componente crucial nas bicicletas e trotinetes elétricas, garantindo o funcionamento seguro e eficiente do conjunto de baterias. As três principais funções de um BMS são a monitorização, proteção e equilíbrio das células. O BMS monitoriza continuamente o estado de cada célula da bateria em termos de tensão, temperatura e estado de carga. Previne também situações como sobrecarga/descarga, curto-circuito e fuga térmica. Por fim, garante a distribuição uniforme da carga entre as células para maximizar a vida útil e o desempenho da bateria. Estas funções podem ser executadas com dispositivos discretos ou um circuito integrado de gestão de baterias (BMIC). Chaves como os transístores MOSFET controlam os processos de carga e descarga. Permitem um controlo preciso do fluxo de corrente, essencial para proteger as células da bateria e manter a eficiência. Posteriormente, é implementado um método para obter e processar dados precisos de medições de tensão, corrente e temperatura, utilizando conversores analógico-digitais. Finalmente, uma fonte de alimentação estável para o BMS e os seus componentes é essencial para manter a fiabilidade e a precisão da monitorização e controlo.
O Renesas FGIC, RAJ240100, integra todos os blocos anteriormente referidos, reduzindo o tamanho e o custo. Inclui também um MCU para controlo de combustível. Suporta baterias de 6 a 10 células, normalmente utilizadas em projetos de bicicletas elétricas de 36V. Um diagrama de blocos é apresentado na Figura 2. Para baterias de maiores dimensões que alimentam plataformas de mobilidade elétrica de 48V (até 14 células), o Renesas BMIC RAA48920 permite um design escalável e modular através de uma comunicação robusta, patenteada e com capacidade de ligação em cadeia (daisy-chain), utilizando dois fios. Um indicador de combustível pode ser adicionado incorporando um microcontrolador da família Renesas RL78Gxx.
Figura 2: Diagrama de blocos do BMS
Controlo do Motor:
O design e a implementação de um motor e controlador de corrente contínua sem escovas (BLDC) para bicicletas e trotinetes elétricas envolvem a integração avançada de hardware e software para garantir um controlo eficiente e fiável do motor. O controlador do motor BLDC consiste normalmente em vários componentes-chave. Um microcontrolador (MCU) é selecionado pela sua capacidade de processamento, capacidade de lidar com algoritmos de controlo em tempo real e outras funções auxiliares. O circuito do controlador do motor inclui drivers de gate para controlar a comutação de transístores de potência, como MOSFETs, garantindo uma temporização e comutação precisas das fases do motor. O MCU coordena-se com o controlador do motor para comutar os enrolamentos do motor e permitir o funcionamento suave e eficiente do motor BLDC numa vasta gama de velocidades e cargas. Também pode detetar a posição do rotor com base no feedback de sensores de posição, como um sensor de efeito Hall, ou algoritmos sem sensores utilizando sinais fora de fase.
Os algoritmos de controlo, como o controlo orientado para o campo (FOC) ou o controlo trapezoidal, garantem a geração ideal de binário, a regulação da velocidade e a eficiência em toda a gama de funcionamento do veículo. Além disso, as características de segurança, como a proteção contra sobrecorrente, sobretensão e térmica, estão integradas no firmware para proteger o motor e os componentes eletrónicos contra possíveis danos durante o funcionamento.
A Renesas oferece soluções completas de controlo de motores que permitem ciclos de design curtos, fornecendo plataformas integradas de desenvolvimento de hardware e firmware. Tanto o RA6Tx (ARM-Cortex M33) como o MX23x (kernel proprietário) garantem um poder de processamento adequado, e o driver de gate trifásico RAA227603, combinado com os nossos MOSFET de baixa tensão (40 V - 200 V nominais), é uma combinação vencedora para acionar motores de bicicletas e trotinetes elétricas, como se mostra na Figura 3.
Figura 3: Diagrama de blocos de controlo do motor
Conversão CA-CC:
Os sistemas de carregamento para bicicletas e trotinetes elétricas requerem uma conversão CA-CC eficiente e envolvem diversos componentes essenciais. Um circuito de correção do fator de potência (PFC) garante que a energia extraída da rede é utilizada de forma eficiente. Reduz a potência reativa, melhorando a eficiência energética global. Um regulador CC-CC secundário converte eficientemente a saída de alta tensão do PFC (tipicamente na gama de 360 V a 400 V) para um nível de 36 V ou 48 V, adequado para baterias de bicicletas e scooters elétricas.
As soluções CA-CC da Renesas, como se pode observar na Figura 4, permitem tempos de carregamento rápidos e uma conversão eficiente utilizando o controlo digital em combinação com transístores HEMT de nitreto de gálio (GaN). O conversor Flyback iW9801, juntamente com o transístor HEMT de GaN TP65H150G4PS com uma resistência ON de 150 mΩ, permite obter a potência necessária para alimentar o controlador secundário, iW780, produzindo uma saída até 48 V/5 A CC.
Utilizando o USB-C EPR para uma configuração de conector comum:
A tecnologia USB-C 3.1 Extended Power Range (EPR) está a revolucionar as capacidades de carregamento de bicicletas e scooters elétricas, elevando a potência fornecida a um novo patamar, atingindo agora até 240 W. Este avanço torna o USB-C EPR perfeitamente adequado às necessidades de carregamento rápido e eficiente. O aumento da capacidade de energia permite o carregamento rápido das baterias de alta capacidade que se encontram nas bicicletas e trotinetes elétricas, reduzindo significativamente o tempo de inatividade e melhorando a comodidade para o utilizador. A Renesas oferece uma gama de produtos com certificação USB-C, garantindo que cumprem as rigorosas normas da indústria em termos de segurança, interoperabilidade e desempenho.
Ao utilizar o iW780, um controlador secundário, pode ser implementado o protocolo USB-C PD 3.1 EPR, tornando-o universalmente adequado para adaptadores CA/CC de porta única e multiportas, como mostrado na Figura 4. Estas soluções certificadas podem ser facilmente integradas em projetos de bicicletas e trotinetes elétricas, fornecendo aos fabricantes soluções de carregamento fiáveis e eficientes que cumprem as mais recentes especificações USB-C e as normas europeias para um conector comum.
Figura 4: Diagrama de blocos da solução de parede alimentada por bateria AC-DC e USB-C
Interface do Utilizador/Ecrã e Circuitos de Controlo:
O ecrã em bicicletas e trotinetes elétricas tem diversas funções, como a exibição do estado de carregamento, velocidade em tempo real, distância percorrida, estado de ativação e protocolos antirroubo. Um circuito integrado Bluetooth com processador integrado possui a capacidade de processamento e comunicação necessárias para integrar estas funções numa solução compacta e de baixo custo. A Figura 5 mostra um exemplo.
Controlo do visor:
Um processador integrado controla o visor da trotineta, geralmente um ecrã LCD montado no guiador. Este visor fornece ao condutor informações essenciais em tempo real, como a velocidade, o nível da bateria e as definições de modo, e recebe dados de diversos sensores e sistemas, incluindo controladores de motor, sistemas de gestão de bateria, sensores de posição, acelerómetros e muito mais. Para simplificar a integração global, uma unidade intercambiável BLE (BioLite) com um MCU (Microcomputer Unit) integrado pode processar os dados e controlar o visor em tempo real, fornecendo informações relevantes ao utilizador. Também pode ligar-se ao telemóvel do utilizador para ativação e recolha de dados por meio de um aplicativo.
Ativação segura:
Os protocolos de ativação são essenciais para garantir que apenas os utilizadores autorizados podem operar uma bicicleta ou trotineta elétrica. Os utilizadores geralmente ativam o dispositivo através de uma aplicação móvel. Os circuitos integrados NFC e BLE proporcionam um acesso seguro e suporte para a desativação remota do dispositivo. Esta combinação de NFC e BLE oferece autenticação de dois fatores, melhorando a segurança. O chip de conectividade recebe o pedido de desbloqueio e transmite-o ao processador, que inicia um processo de autenticação que envolve a verificação de um PIN, palavra-passe ou chave digital única armazenada na aplicação móvel. Após a autenticação, o processador envia sinais para desbloquear os sistemas eletrónicos do trotinete, permitindo que o motor ligue e o trotinete entre em funcionamento, evitando assim a utilização não autorizada.
Em caso de roubo, os utilizadores podem desativar o trotinete remotamente através de uma aplicação móvel. O firmware do processador inclui mecanismos de arranque seguro para evitar adulterações e permite atualizações over-the-air (OTA), garantindo a manutenção e melhorias de segurança. Juntos, estes recursos melhoram a segurança do trotinete e proporcionam tranquilidade aos utilizadores.
A Renesas oferece uma abordagem abrangente para enfrentar os desafios do design de bicicletas e trotinetes elétricas. Com módulos e sistemas em chip (SoCs) líderes de mercado para Wi-Fi, Bluetooth e NFC, a Renesas garante um desempenho robusto e fiável, crucial para uma comunicação perfeita entre dispositivos ligados.
Semicondutores de Banda Larga
: Os avanços nos materiais semicondutores de potência, particularmente o carboneto de silício (SiC) e o nitreto de gálio (GaN), melhoraram significativamente o desempenho dos sistemas de energia elétrica, incluindo bicicletas e scooters elétricas. Estes materiais oferecem diversas vantagens em relação aos semicondutores tradicionais à base de silício. Os dispositivos de SiC e GaN apresentam uma menor resistência de comutação e uma maior capacidade de comutação, reduzindo as perdas de energia durante o funcionamento. Isto traduz-se numa maior eficiência geral e em soluções mais pequenas e mais leves, prolongando a vida útil da bateria e a autonomia dos veículos elétricos.
Figura 5: Diagrama de blocos dos circuitos de interface com o utilizador/ecrã/conectividade
Conclusão:
Como vimos, as bicicletas e trotinetes elétricas utilizam uma grande variedade de dispositivos de energia, para além de muitos outros componentes que devem funcionar perfeitamente em diversos subsistemas. É evidente que a segurança e a fiabilidade são também fundamentais. O parceiro de projeto ideal oferecerá uma vasta experiência em gestão de energia, processamento embebido, soluções de conectividade, circuitos analógicos e integração de sensores, juntamente com um histórico de componentes de qualidade e um forte suporte técnico.
Autores:
Marco Ruggeri, Arquiteto de Sistemas da Equipa de Soluções de Energia da Renesas Electronics;
Andrew Wu, Desenvolvimento de Negócios do Grupo de Produtos de Energia da Renesas Electronics
