Una visión completa de los requisitos de diseño del sistema de semiconductores para una bicicleta o patinete eléctricos

El auge de las bicicletas y patinetes eléctricos está transformando la movilidad urbana, ofreciendo una alternativa más limpia y cómoda a los medios de transporte tradicionales. Para el éxito y la eficiencia de estos vehículos eléctricos son fundamentales los sistemas de carga, gestión de la batería, controlador del motor y control, como se muestra en la figura 1.

Este artículo profundiza en las consideraciones de diseño de los sistemas mencionados, haciendo hincapié en las funciones críticas de los semiconductores de potencia.

Gestión de la batería
El sistema de gestión de la batería (BMS) es un componente crucial en las bicicletas y patinetes eléctricos, ya que garantiza el funcionamiento seguro y eficiente del pack de baterías. Las tres funciones principales de un BMS son la supervisión, la protección y el equilibrado de celdas. El BMS supervisa continuamente el estado de las celdas individuales de la batería en cuanto a tensión, temperatura y estado de carga. También evita situaciones como la sobrecarga/descarga, los cortocircuitos y el desbordamiento térmico. Por último, garantiza una distribución uniforme de la carga entre las celdas para maximizar la vida útil y el rendimiento de la batería. Estas funciones pueden realizarse con dispositivos discretos o con un circuito integrado de gestión de baterías (BMIC). Interruptores como los transistores MOSFET controlan los procesos de carga y descarga. Permiten un control preciso del flujo de corriente, esencial para proteger las celdas de la batería y mantener la eficiencia. A continuación, un método para obtener y procesar datos precisos de las mediciones de tensión, corriente y temperatura se realiza con convertidores analógico-digitales. Por último, una alimentación estable del BMS y sus componentes es fundamental para mantener la fiabilidad y precisión de la monitorización y el control.
El FGIC de Renesas, RAJ240100, integra todos los bloques mencionados, reduciendo el tamaño y el coste. También incluye un MCU para el control del combustible. Admite baterías de 6 a 10 celdas, muy utilizadas en diseños de bicicletas eléctricas de 36V. En la Figura 2 se muestra un diagrama de bloques. Para paquetes de baterías más grandes que suministran a plataformas de movilidad eléctrica de 48 V (hasta 14 celdas), el BMIC RAA48920 de Renesas permite un diseño escalable y modular mediante una comunicación robusta, patentada, encadenable y a dos hilos. Se puede incluir un indicador de combustible añadiendo un microcontrolador Renesas de la familia RL78Gxx.

Figura 2: Diagrama de bloques del BMS

Control de motores
El diseño y la implementación de un motor de corriente continua sin escobillas (BLDC) y un controlador para bicicletas y patinetes eléctricos implica una integración avanzada de hardware y software para garantizar un control eficiente y fiable del motor. El controlador del motor BLDC suele constar de varios componentes clave. Se selecciona un microcontrolador (MCU) por su potencia de procesamiento, su capacidad para manejar algoritmos de control en tiempo real y otras funciones auxiliares. El circuito del controlador del motor incluye controladores de puerta para controlar la conmutación de los transistores de potencia, como los MOSFET, garantizando una sincronización y conmutación precisas de las fases del motor. El MCU se coordina con el controlador del motor para conmutar los devanados del motor y permitir un funcionamiento suave y eficiente del motor BLDC en una amplia gama de velocidades y cargas. También puede detectar la posición del rotor basándose en la retroalimentación de sensores de posición, como un sensor de efecto Hall, o algoritmos sin sensores a través de señales de contrafase.
Los algoritmos de control, como el control orientado al campo (FOC) o el control trapezoidal, garantizan una generación de par, una regulación de la velocidad y una eficiencia óptimas en todo el rango de funcionamiento del vehículo. Además, se integran en el firmware funciones de seguridad como la protección contra sobrecorriente, sobretensión y térmica para proteger el motor y la electrónica de posibles daños durante el funcionamiento.
Renesas ofrece soluciones completas de control de motores que permiten ciclos de diseño cortos al proporcionar plataformas de desarrollo de hardware y firmware integradas. Tanto el RA6Tx (ARM-Cortex M33) como el MX23x (núcleo propietario) garantizan una potencia de cálculo adecuada, y el controlador de puerta trifásico RAA227603 combinado con nuestros MOSFET de bajo voltaje (40 V - 200 V nominales) es una combinación ganadora para el accionamiento de motores de bicicletas y patinetes eléctricos, como se muestra en la Figura 3.

Figura 3: Diagrama de bloques de control del motor

Conversión CA-CC
Los sistemas de carga para bicicletas y patinetes eléctricos requieren una conversión CA-CC eficiente e implican varios componentes clave. Un circuito de corrección del factor de potencia (PFC) garantiza que la energía extraída de la red se utilice de forma eficiente. Reduce la potencia reactiva, mejorando la eficiencia energética global. Un regulador CC-CC secundario convierte eficientemente la salida de alto voltaje del PFC (normalmente en el rango de 360 V a 400 V) a un nivel de 36 V o 48 V, adecuado para baterías de bicicletas y patinetes eléctricos.
Las soluciones AC-DC de Renesas, como se muestra en la figura 4, permiten un tiempo de carga rápido y una conversión eficiente utilizando el control digital en combinación con interruptores HEMT de nitruro de galio (GaN). El convertidor Flyback iW9801, además del HEMT de GaN TP65H150G4PS, de 150 mΩ de resistencia ON, permite obtener la potencia necesaria para alimentar el controlador del lado secundario, iW780, produciendo una salida de hasta 48 V/5 A CC.

Uso de USB-C EPR para una configuración de conector común
La tecnología USB-C 3.1 Extended Power Range (EPR) está revolucionando las capacidades de carga de las bicicletas y patinetes eléctricos al llevar la entrega de potencia a nuevas cotas, alcanzando ahora hasta 240 W. Este avance hace que el USB-C EPR se adapte perfectamente a las necesidades de carga rápida y eficiente. El aumento de la capacidad de potencia permite la carga rápida de baterías de alta capacidad que se encuentran en bicicletas y patinetes eléctricos, reduciendo significativamente el tiempo de inactividad, mejorando la comodidad del usuario. Renesas ofrece una gama de productos con certificación USB-C, lo que garantiza que cumplen con los estrictos estándares de la industria en materia de seguridad, interoperabilidad y rendimiento.

Mediante el uso del iW780, un controlador de lado secundario, se puede implementar el protocolo USB-C PD 3.1 EPR, lo que lo hace universalmente adecuado para adaptadores AC-DC de puerto único y multipuerto, como se muestra en la Figura 4. Estas soluciones certificadas pueden integrarse fácilmente en diseños de bicicletas y patinetes eléctricos, proporcionando a los fabricantes soluciones de carga fiables y eficientes que cumplen con las últimas especificaciones USB-C y los estándares europeos para un conector común.

Figura 4: Diagrama de bloques de la solución de pared a batería AC-DC y USB-C

Circuitos de interfaz de usuario/pantalla y control
La pantalla de una bicicletas y patinetes eléctricos tiene varias funciones, como mostrar el estado de carga, la velocidad en tiempo real, la distancia recorrida, la activación y los protocolos antirrobo. Un circuito integrado Bluetooth con un procesador integrado tiene la potencia de procesamiento y las capacidades de comunicación adecuadas para integrar estas funciones en una solución rentable y compacta. En la figura 5 se muestra un ejemplo.

Control de la pantalla
Un procesador integrado se encarga de controlar la pantalla del patinete, normalmente una pantalla LCD montada en el manillar. Esta pantalla proporciona al conductor información esencial en tiempo real, como la velocidad, el nivel de batería y los ajustes de modo, y se recibe de varios sensores o sistemas, como controladores de motor, sistemas de gestión de baterías, sensores de posición, acelerómetros, etc. Para simplificar la integración global, un BLE con un MCU integrado puede procesar los datos y controlar la pantalla en tiempo real, proporcionando la información pertinente al usuario. También puede conectarse al teléfono móvil del usuario para la activación y recopilación de datos en una aplicación.

Activación segura
Los protocolos de activación son esenciales para garantizar que sólo los usuarios autorizados puedan utilizar una bicicleta y patinete eléctricos. Los usuarios suelen activar el dispositivo a través de una aplicación móvil, los circuitos integrados NFC y BLE proporcionan acceso seguro y soporte de desconexión móvil. Esta combinación de NFC y BLE puede ofrecer autenticación de dos factores, mejorando la seguridad. El chip de conectividad recibe la solicitud de desbloqueo y la transmite al procesador, que inicia un proceso de autenticación que implica la verificación de un PIN, una contraseña o una clave digital única almacenada en la aplicación móvil. Una vez autenticado, el procesador envía señales para desbloquear los sistemas electrónicos del scooter, lo que permite que el motor se ponga en marcha y el scooter sea operativo, evitando así un uso no autorizado.
En caso de robo, los usuarios pueden inutilizar el scooter a distancia a través de una aplicación móvil. El firmware del procesador incluye mecanismos de arranque seguro para evitar la manipulación y permite actualizaciones por aire (OTA), lo que garantiza el mantenimiento y las mejoras de seguridad. En conjunto, estas características mejoran la seguridad del scooter y proporcionan tranquilidad a los usuarios.
Renesas ofrece un enfoque integral para afrontar los retos que plantea el diseño de bicicletas y patinetes eléctricos. Con módulos y System-on-Chips (SoC) líderes del sector para Wi-Fi, Bluetooth y NFC, Renesas garantiza un rendimiento robusto y fiable, crucial para una comunicación fluida entre los dispositivos conectados.

Semiconductores de banda ancha
Los avances en los materiales semiconductores de potencia, en particular el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN), han mejorado significativamente el rendimiento de los sistemas de energía eléctrica, incluidas las bicicletas y patinetes eléctricos. Estos materiales ofrecen varias ventajas sobre los semiconductores tradicionales basados en silicio. Los dispositivos de SiC y GaN tienen menor resistencia a la conexión y mayor capacidad de conmutación, lo que reduce las pérdidas de energía durante el funcionamiento. Esto se traduce en una mayor eficiencia global y en soluciones más pequeñas y ligeras, que prolongan la vida útil de las baterías y la autonomía de los vehículos eléctricos.

Figura 5: Diagrama de bloques de los circuitos de interfaz de usuario/pantalla/conectividad

Conclusión
Como hemos visto, las bicicletas y patinetes eléctricos utilizan una gran variedad de dispositivos de alimentación, además de muchos otros componentes que deben funcionar a la perfección en múltiples subsistemas. Ni que decir tiene que la seguridad y la fiabilidad también son fundamentales. El socio de diseño ideal ofrecerá una amplia experiencia en gestión energética, procesamiento integrado, soluciones de conectividad, circuitos analógicos e integración de sensores, junto con un historial de componentes de calidad y una gran capacidad de asistencia técnica.

Autores:
Marco Ruggeri, Arquitecto de Sistemas para el Equipo de Soluciones de Potencia, Renesas Electronics
Andrew Wu, Desarrollo de Negocio para el Grupo de Productos de Potencia, Renesas Electronics

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