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Elektronik für E-Bikes richtig entwickeln

| Autor/ Redakteur: Sven Hegner und Frank Malik * / Michael Eckstein

Beim Entwickeln von E-Bike-Elektronik müssen Konstrukteure unbedingt auf eine geringe Energieaufnahme achten. Besonders die FOC-Motorregelung und Smartphone-Anbindung erfordern viel Aufmerksamkeit.

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Entscheidend für den Erfolg im E-Bike-Markt sind hocheffiziente Systemlösungen, die eine gute Reichweite sowie eine sichere und komfortable Fahrt ermöglichen.
Entscheidend für den Erfolg im E-Bike-Markt sind hocheffiziente Systemlösungen, die eine gute Reichweite sowie eine sichere und komfortable Fahrt ermöglichen.
(Bild: Toshiba)

E-Bikes sind der Renner. In Zukunft wird wohl fast die Hälfte aller Fahrräder motorisiert sein. Viele E-Bikes verfügen über Touchscreens, Smartphone-Anbindung und Funktionen wie automatisches Schalten oder eine Gehhilfe: Damit lässt sich das E-Bike mit minimalem Aufwand schieben. Ihre Reichweite beeinflusst maßgeblich die Kaufentscheidung. Eine hohe Energieeffizienz ist daher eine entscheidende Vorgabe für Entwickler. Neben dem mechanischen Design zählen der Motor, die Motorsteuerung und das Batteriesystem zu den grundlegenden Herausforderungen.

Die Motorsteuerung ist komplex und erfordert Erfahrung, um eine ausgezeichnete Drehzahl- und Drehmomentregelung über einen breiten Last- und Drehzahlbereich zu gewährleisten. Dies stellt sicher, dass der Radfahrer ein angenehmes und dennoch sicheres Fahrerlebnis hat. Bei einer begrenzten Menge an Energie in der Batterie kommt es darauf an, diese so effizient wie möglich zu nutzen. Ihre Größe bestimmt wesentlich die Reichweite. Je größer der Energiespeicher ist, desto schwerer ist er.

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Das Bewegen des Mehrgewichts benötigt wiederum mehr Energie. Daher ist der erste Schritt im Entwicklungsprozess, den richtigen Kompromiss zwischen Reichweite, effizientem Betrieb und Batteriekapazität zu bestimmen. Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) bieten im Vergleich zu bürstenbehafteten DC-Motoren erhebliche Vorteile in Punkto Wirkungsgrad und Wartungsanforderungen. Da die Kommutierung nicht mechanisch erfolgt, ist jedoch eine kompliziertere elektronische Motorsteuerung erforderlich.

Am besten geeignet ist die feldorientierte Regelung (FOC, Field Oriented Control): Sie überwindet die schlechte Genauigkeit der trapezförmigen Ansteuerung bei niedriger Drehzahl und den schlechten Wirkungsgrad der sinusförmigen Ansteuerung bei hoher Drehzahl. FOC basiert auf einer Reihe mathematischer Funktionen, die Statorstromsignale in Spannungsregelungssignale umwandeln. Diese wiederum erzeugen das zur Kommutierung des Motors nötige Magnetfeld. Eine hohe mathematische Leistungsfähigkeit digitaler Signalprozessoren (DSPs) oder FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) ist essenziell, um diese Herausforderung zu meistern. Typische 32-MCUs (auch mit Fließkommaeinheiten) sind nicht in der Lage, bei höchsten Drehzahlen den nächsten Kommutierungspunkt schnell genug zu berechnen.

Vektor-Engine berechnet Kommuntierungspunkte

Toshibas Vektor-Engine (VE, Bild 1) adressiert diese Anforderungen. Sie ist der ARM-basierten TXZ-Serie von Mikrocontrollern (MCU) integriert (Bild 2) und enthält alle Vektorregelungsgleichungen, die für die FOC erforderlich sind. Dieser anpassbare Hardware-Block wird durch einen programmierbaren Motorantrieb (PMD, Programmable Motor Drive) ergänzt, der die erforderlichen pulsweitenmodulierten (PWM) Ausgänge erzeugt und die Totzeit für die Treiberstufe handhabt.

Hinzu kommt ein A/D-Wandler (ADC), der die Motorströme überwacht, von denen die VE für deren Berechnungen abhängt. Durch die Hardware-Implementierung gewährleistet die VE eine stabile und vorhersagbare Code-Ausführung, die nicht durch Interrupts anderer Peripherie beeinträchtigt wird. Dies führt zu einer bis zu 70% schnelleren Ausführungsgeschwindigkeit im Vergleich zu einer reinen Software-Implementierung, womit sich deutlich höhere Rotordrehzahlen unterstützen lassen. Entwickler von Embedded-Systemen haben entweder mehr Rechenleistung für anderen Code zur Verfügung, oder sie können den Stromverbrauch senken, indem der Rechenkern mit einer reduzierten Taktfrequenz betrieben wird.

Die Baureihe TMPM4K verwendet den Cortex-M4-Prozessor mit einer Fließkommaeinheit (FPU). Sie arbeitet mit bis zu 160 MHz und bietet Leistung und Flexibilität für die Anwendung, die in Verbindung mit der Antriebssteuerung ausgeführt wird. Der PMD und ADC sind zudem eng mit der Advanced Vector Engine Plus (A-VE+) gekoppelt, die einen gewissen Grad an Autonomie ermöglicht. Der ADC bietet eine Auflösung von 12 Bit und eine Konvertierungszeit von nur 0,5 µs mit seinem 120-MHz-Takt. Die Bausteine werden in winzigen 7 mm x 7 mm-Gehäusen (LQFP48) angeboten und lassen sich problemlos in kompakte Antriebssteuerungen integrieren. Weitere Merkmale wie die Schwingfrequenzerkennung (OFD; Oscillation Frequency Detection), eine Watchdog-Funktion und ein Not-Aus stellen Sicherheitsfunktionen bereit.

Die Antriebssteuerung benötigt eine spezielle Treiberstufe, um die 3-phasigen komplementären PWM-Signale für den Motor umzuwandeln. Höchste Effizienz ist hierbei das Designziel der E-Bike-Entwickler. Die UMOS-IX-Low-Voltage-(LV-)MOSFETs von Toshiba verbessern die drei Hauptparameter, die für Verluste in Leistungsschaltkreisen sorgen: Gate-Ladung (Qg), Durchlasswiderstand (RDS(ON)) und Sperrverzögerungs-Ladung (Qrr). Bei jeder Weiterentwicklung der UMOS-Technologie wurde versucht, die Kompromisse zu verbessern, die bei diesen grundlegenden MOSFET-Parametern eingegangen werden müssen.

Bild 3: Aufeinanderfolgende MOSFET-Generationen zeigen, dass sich die grundlegenden Parameter kontinuierlich verbessert haben.
Bild 3: Aufeinanderfolgende MOSFET-Generationen zeigen, dass sich die grundlegenden Parameter kontinuierlich verbessert haben.
(Bild: Toshiba)

Bild 3 beschreibt, wie sich der RDS(ON) gegenüber Qg im Vergleich zu früheren Generationen um 26% verbessert hat. Der niedrigere RS(ON) trägt dazu bei, die Verluste zu reduzieren, die ansonsten in abzuführende Wärme umgewandelt würden. Die verbesserten Qg und Qrr-Parameter ermöglichen einen effizienten Betrieb bei schnellen Schaltvorgängen. Trotz dieser Verbesserungen wird immer noch Wärme erzeugt, die aus dem System geführt werden muss.

Die meisten Fahrräder besitzen einen Metallrahmen, der sich als Kühlkörper eignet. Darüber hinaus kann die Luftbewegung beim Fahren zur Kühlung beitragen. Die thermische Kopplung des MOSFETs an sein Gehäuse und des Gehäuses selbst sind zu berücksichtigen, da dies auch Auswirkungen auf die verschiedenen Designansätze hat.

Leistungsfähige MOSFETs und Smartphone-Integration

Das DSOP-Advanced-Gehäuse der UMOS-IX-MOSFETs eignet sich für die SMD-Montage und weist auf der Ober- und Unterseite wärmeleitfähige Pads auf. Diese ermöglichen eine effektive Wärmeleitung und ein sehr gutes Wärmeverhalten. Darüber hinaus trägt der um 0,05 mΩ verringerte innere Gehäusewiderstand dazu bei, den Gesamt-RDS(ON) weiter zu verbessern. Der TPW1R306PL von Toshiba ist ein n-Kanal-MOSFET auf Basis der UMOS-IX-H-Technologie, im DSOP-Advance-Gehäuse. Dieser leistungsfähige MOSFET eignet sich laut Herstellerangaben durch seinen niedrigen RDS(ON) von typisch 0,95 mΩ ideal für die Antriebssteuerung in einem E-Bike, da er Drain-Source-Spannungen (UDSS) von bis zu 60 V unterstützt. Er ist in der Lage, 100 A Dauerstrom oder 500 A Pulsstrom zu liefern. Sein Wärmewiderstand zwischen Kanal und Gehäuseboden beträgt nur 0,88 °C/W und zur Oberseite nur 0,93 °C/W. Für höhere Betriebsspannungen bietet Toshiba zudem MOSFETs der 100-V-Klasse zur Verfügung, etwa der 3,7 mΩ Typ TPW3R70APL ebenso im DSOP Gehäuse.

Bild 4: Mittels Bluetooth-Integration können Fahrer Ihre E-Bikes mit ihren Smartphones und Fitness-Apps verknüpfen.
Bild 4: Mittels Bluetooth-Integration können Fahrer Ihre E-Bikes mit ihren Smartphones und Fitness-Apps verknüpfen.
(Bild: Toshiba)

Neben den technischen Spezifikationen eines E-Bikes ist für viele Käufer wichtig, dass sich ihr Smartphone mit dem Rad verbinden lässt und zusätzliche Funktionen bereitstellt. Ein geringer Stromverbrauch ist dabei essenziell. Bei hochwertigen E-Bikes kann die Bluetooth-Schnittstelle dazu dienen, Daten, Mitteilungen und Updates mit einem Smartphone auszutauschen oder dieses als zusätzliche Bedienoberfläche zu nutzen. Je nach App lassen sich Fahrdaten visualisieren, der Akkustatus im Auge behalten und die tägliche Fahrt zur Arbeit in einer Fitness-App protokollieren. Für diesen Anwendungszweck eignet sich ein Baustein wie der TC35681, der alle wichtigen Bluetooth-Low-Energy-5-Funktionen unterstützt (Bild 4).

Beispielsweise die Highspeed-Datenrate von 2 MBit: Firmware-Updates lassen sich dadurch schnell aufspielen. Der Baustein liefert über seinen integrierten hocheffizienten Leistungsverstärker +8 dBm Ausgangsleistung für eine robuste und zuverlässige Datenübertragung. Er basiert auf einem ARM Cortex-M0 und nimmt bei +8 dBm Ausgangsleistung maximal 11 mA auf; im Deep-Sleep-Modus nur maximal 50 nA. Der Chip ist klein und daher ideal für die Integration in kleine Displays geeignet.

Zudem verfügt er über die erforderliche HF-Anpassungsschaltung. Er wird mit einem qualifizierten Embedded-Bluetooth-Stack geliefert, sodass sich Entwickler auf das Hinzufügen ihrer Anwendungssoftware konzentrieren können. Der TC35681 kann über eine serielle UART-Schnittstelle mit einem Applikationsprozessor verbunden werden, um diesen mit Bluetooth zu erweitern. Das umfassende Software-Entwicklungskit (SDK) erleichtert Entwicklern das Umsetzen ihrer Applikation.

Entscheidend für den Erfolg im E-Bike-Markt sind hocheffiziente Systemlösungen, die eine gute Reichweite sowie eine sichere und komfortable Fahrt ermöglichen. Durch die Auswahl intelligenter, optimierter Antriebssteuerungen in Kombination mit fortschrittlichen und effizienten Leistungselektronik-Bauelementen trägt Toshiba dazu bei, erfolgreiche E-Bike-Designs auf unsere Straßen zu bringen.

* Sven Hegner und Frank Malik sind Chief Engineers bei Toshiba Electronics Europe in Düsseldorf

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