E-Bikes und E-Roller: Systemlösung von Steckdose bis Batterie

Die zunehmende Verbreitung von E-Bikes und E-Rollern verändert die urbane Mobilität und bietet eine umweltfreundlichere und bequemere Alternative zu herkömmlichen Verkehrsmitteln. Zentral für den Erfolg und die Effizienz dieser Elektrofahrzeuge sind Lade-, Batteriemanagement-, Motortreiber- und Steuerungssysteme, wie Bild 1 zeigt. Dieser Fachartikel erörtert die Designüberlegungen für die oben genannten Systeme und zeigt die entscheidenden Funktionen von Leistungshalbleitern auf.

Das Batteriemanagementsystem (BMS) ist eine grundlegende Komponente in E-Bikes und E-Rollern, da es den sicheren und effizienten Betrieb des Akkupacks gewährleistet. Die drei Hauptfunktionen eines BMS sind Überwachung, Schutz und Ladungsausgleich. Das BMS überwacht kontinuierlich den Zustand der einzelnen Batteriezellen innerhalb des Akkupacks in Bezug auf Spannung, Temperatur und Ladezustand. Es verhindert auch Zustände wie Über-/Entladung, Kurzschluss und übermäßige Wärmeentwicklung. Schließlich sorgt es für eine gleichmäßige Ladungsverteilung zwischen den Batteriezellen, um die Lebensdauer und Leistung der Batterie zu maximieren. Diese Funktionen können von einzelnen Bauelementen oder von einem integrierten Batteriemanagementsystem (BMIC) übernommen werden.

Bauelemente wie MOSFET-Transistoren steuern die Lade- und Entladevorgänge. Sie ermöglichen eine präzise Steuerung der Leistungsabgabe, was für den Schutz der Batteriezellen sowie einen konstanten Wirkungsgrad unerlässlich ist. Im nächsten Schritt werden die Messwerte für Spannung, Strom und Temperatur durch Analog-Digitalwandler erfasst und weiterverarbeitet. Schließlich ist eine stabile Stromversorgung des BMS und seiner Komponenten von entscheidender Bedeutung, um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Überwachungs- und Steuerungsfunktionen zu erhalten.

Das FGIC RAJ240100 von Renesas integriert alle oben genannten Funktionsblöcke und reduziert dadurch die Systemgröße und Kosten. Es enthält zudem eine MCU für die Verbrauchsanzeige. Es unterstützt Akkupacks mit sechs bis zehn Zellen, die in E-Bike-Designs mit 36 V weit verbreitet sind. Bild 2 zeigt ein Blockschaltbild. Für größere Batteriepacks, die E-Mobilitätsplattformen mit 48 V versorgen (bis zu 14 Zellen), ermöglicht das BMIC RAA489204 von Renesas ein skalierbares und modulares Design durch eine robuste, proprietäre, Daisy-Chain-fähige Zwei-Draht-Kommunikation. Mit Hilfe eines Mikrocontrollers aus der RL78Gxx-Familie von Renesas lässt sich eine Verbrauchsanzeige integrieren.

Die Entwicklung und Implementierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors (BLDC) und eines entsprechenden Antriebs für E-Bikes/E-Roller erfordert eine hohe Integration von Hard- und Software. Nur so lässt sich eine effiziente und zuverlässige Motorsteuerung gewährleisten. Der BLDC-Motorantrieb besteht in der Regel aus mehreren Schlüsselkomponenten. Eine Mikrocontroller-Einheit (MCU) wird aufgrund ihrer Rechenleistung ausgewählt. Sie muss in der Lage sein, Echtzeit-Steuerungsalgorithmen und andere Zusatzfunktionen zu verarbeiten. Die Motorsteuerung umfasst Gate-Treiber zur Steuerung des Schaltens von Leistungstransistoren, wie z. B. MOSFETs, die ein präzises Timing und die Kommutierung der Motorphasen sicherstellen. Die MCU koordiniert zusammen mit dem Motortreiber die Kommutierung der Motorwicklungen, um einen reibungslosen und effizienten Betrieb des BLDC-Motors über einen weiten Drehzahl- und Lastenbereich zu ermöglichen. Sie kann auch die Rotorposition anhand der Rückmeldung von Positionssensoren, wie Hallsensoren, oder sensorloser Algorithmen über rückwirkende EMK-Signale erkennen.

Steueralgorithmen wie die feldorientierte Regelung (FOC) oder die Trapezregelung sorgen für optimalen Drehmomentverlauf, Drehzahlregelung und Wirkungsgrad über den gesamten Betriebsbereich des E-Fahrzeugs. Darüber hinaus sind Sicherheitsfunktionen wie Überstrom-, Überspannungs- und Übertemperaturschutz in die Firmware integriert, um Motor und Elektronik während des Betriebs vor Schäden zu schützen.

Renesas bietet komplette Motorsteuerungslösungen, die kurze Designzyklen durch integrierte Hardware- und Firmware-Entwicklungsplattformen ermöglichen. Sowohl der RA6Tx (Arm-Cortex M33) als auch der MX23x (proprietärer Core) gewährleisten eine ausreichende Rechenleistung. Renesas hat den dreiphasigen Gate-Treiber RAA227603 mit seinen Niederspannungs-MOSFETs (Nennspannung 40 V bis 200 V) zu einer Winning Combination für den Antrieb von E-Bikes und E-Rollern kombiniert, siehe Bild 3.

Ladesysteme für E-Bikes/E-Roller benötigen eine effiziente AC/DC-Wandlung und umfassen mehrere Schlüsselkomponenten. Eine PFC-Schaltung (Power Factor Correction) sorgt dafür, dass die aus dem Netz abgegebene Leistung effizient genutzt wird. Sie reduziert die Blindleistung und verbessert so den Gesamtwirkungsgrad. Ein sekundärer Gleichspannungsregler wandelt den Hochspannungsausgang des PFC (normalerweise im Bereich von 360 V bis 400 V) effizient in eine Spannung von 36 V oder 48 V um, die für E-Bike- bzw. E-Roller-Akkus geeignet ist.

AC/DC-Lösungen von Renesas, wie in Bild 4 dargestellt, ermöglichen schnelle Ladezeiten und effiziente Wandlung durch digitale Steuerung in Kombination mit GaN-HEMT-Switches (Gallium Nitrid). Zusätzlich zum TP65H150G4PS, einem GaN-HEMT mit 150 mΩ Einschaltwiderstand, liefert der Flyback-Wandler iW9801 die erforderliche Leistung zur Versorgung des sekundärseitigen Controllers iW780 und erzeugt eine DC-Ausgangsleistung von bis zu 48 V/5 A.

Einsatz von USB-C EPR für eine einheitliche Schnittstellenkonfiguration

Die USB-C 3.1 EPR-Technologie (Extended Power Range) revolutioniert die Ladefunktionen für E-Bikes/Roller, indem sie die Leistungsabgabe auf ein neues Niveau hebt und jetzt bis zu 240 W erreicht. Durch diese Weiterentwicklung eignet sich USB-C EPR perfekt für schnelle und effiziente Ladeanforderungen. Die erhöhte Leistungskapazität ermöglicht schnelles Aufladen der Hochleistungsbatterien von E-Bikes/Rollern, wodurch Ausfallzeiten erheblich reduziert und die Benutzerfreundlichkeit verbessert werden. Renesas bietet eine Reihe von Produkten an, die USB-C-zertifiziert sind, und somit die strengen Industriestandards für Sicherheit, Interoperabilität und Leistung erfüllen.

Mit dem iW780, einem sekundärseitigen Controller, lässt sich das USB-C PD 3.1 EPR-Protokoll implementieren. Dadurch ist es universell für AC/DC-Adapter mit einem oder mehreren Anschlüssen geeignet, wie Abbildung 4 zeigt. Diese zertifizierten Lösungen lassen sich leicht in E-Roller- und E-Bike-Designs integrieren. Sie bieten Herstellern zuverlässige und effiziente Ladelösungen, die den neuesten USB-C-Spezifikationen und den europäischen Standards für einheitliche Steckverbinder entsprechen.

Das Display eines E-Bikes/E-Rollers hat mehrere Funktionen, wie z. B. die Anzeige des Ladezustands, der Echtzeitgeschwindigkeit, der zurückgelegten Strecke, der Aktivierung und des Diebstahlschutzprotokolls. Ein Bluetooth-IC mit integriertem Prozessor verfügt über ausreichend Rechenleistung und Kommunikationsfähigkeiten, um diese Funktionen in einer kostengünstigen und kompakten Lösung zu implementieren. Ein Beispiel ist in Bild 5 dargestellt.

Ein integrierter Prozessor steuert das Display des Rollers, in der Regel ein LCD-Display am Lenker. Dieses Display versorgt den Fahrer mit wichtigen Echtzeitinformationen wie Geschwindigkeit, Akkuladestand und Modus-Einstellungen. Die Daten werden von verschiedenen Sensoren oder Systemen wie Motorsteuerungen, Batteriemanagementsystemen, Positionssensoren, Beschleunigungssensoren usw. empfangen. Um die Gesamtintegration zu vereinfachen, kann ein BLE mit integrierter MCU die Daten verarbeiten und das Display in Echtzeit steuern, um dem Benutzer die relevanten Informationen anzuzeigen. Es kann auch mit dem Mobiltelefon eines Nutzers verbunden werden, um die Aktivierung durchzuführen und Daten in einer App zu sammeln.

Sichere Aktivierung von E-Bike und E-Roller

Aktivierungsprotokolle sind entscheidend, um abzusichern, dass nur autorisierte Nutzer einen E-Roller oder ein E-Bike bedienen können. Diese aktivieren das Elektrofahrzeug in der Regel über eine mobile App. NFC- und BLE-ICs gewährleisten einen sicheren Zugriff und unterstützen die mobile Deaktivierung. Die Kombination von NFC und BLE kann eine Zwei-Faktor-Authentifizierung ermöglichen, wodurch die Sicherheit erhöht wird. Der Connectivity-Chip empfängt die Entsperranfrage und leitet sie an den Prozessor weiter. Dieser leitet den Authentifizierungsprozess ein. Dabei wird eine PIN, ein Passwort oder ein eindeutiger digitaler Schlüssel, der in der mobilen App gespeichert ist, überprüft. Nach erfolgreicher Authentifizierung sendet der Prozessor Signale, um die elektronischen Systeme des Rollers zu entsperren, wodurch der Motor aktiviert wird und der Roller einsatzbereit ist. Dies verhindert eine unbefugte Nutzung.

Im Falle eines Diebstahls können Nutzer den Roller über eine mobile App aus der Ferne deaktivieren und damit funktionsunfähig machen. Die Firmware des Prozessors beinhaltet sichere Boot-Mechanismen, die Manipulationen verhindern. Sie ermöglicht auch Over-the-Air-Updates (OTA), um Wartung und Sicherheitsverbesserungen zu gewährleisten. Diese Funktionen erhöhen die Sicherheit des Rollers insgesamt.

Renesas bietet einen umfassenden Ansatz, um die Herausforderungen zu meistern, die bei der Entwicklung von E-Bikes/Rollern auftreten. Mit branchenführenden System-on-Chips (SoCs) und Modulen für Wi-Fi, Bluetooth und NFC gewährleistet Renesas die robuste und zuverlässige Leistung, die für eine nahtlose Kommunikation zwischen den verbundenen Komponenten erforderlich ist.

Fortschritte bei Leistungshalbleitermaterialien, insbesondere Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), haben die Leistung von elektrischen Energiesystemen, einschließlich E-Bikes und E-Rollern, erheblich verbessert. Diese Materialien bieten mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Halbleitern auf Siliziumbasis. SiC- und GaN-Bauelemente haben einen geringeren Einschaltwiderstand und schnellere Schaltfähigkeiten, wodurch Leistungsverluste während des Betriebs reduziert werden. Dies erhöht den Gesamtwirkungsgrad, ermöglicht kompaktere und leichtere Lösungen sowie eine längere Batterielebensdauer und höhere Reichweiten bei Elektrofahrzeugen.

Fazit

Wie im Beitrag aufgezeigt, kommen bei E-Bikes und E-Rollern neben vielen anderen Komponenten eine Vielzahl von Leistungsbauelementen zum Einsatz, die über mehrere Subsysteme hinweg nahtlos zusammenarbeiten müssen. Es versteht sich von selbst, dass auch Sicherheit und Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung sind.  Der ideale Entwicklungspartner verfügt über umfassendes Know-how in den Bereichen Power Management, Embedded Processing, Connectivity-Lösungen, Analogschaltungen und Sensorintegration. Zudem sollte er bewährte Komponenten von hoher Qualität und umfassenden technischen Support bieten. (na)