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Referenzdesign für Mobility »jedweder Art«

26. August 2020, 08:02 Uhr   |  Newsdesk st

Referenzdesign für Mobility »jedweder Art«
© Renesas Electronics

Modulares Referenzdesign ermöglicht die Auswahl verschiedener Funktionsblöcke für unterschiedliche Anwendungen, verringert die Produktentwicklungszeit und reduziert die Stückliste.

Renesas Electronics stellt eine neue Renesas Winning Combination vor: Mit der 48-V-Mobility-Lösung lassen sich E-Scooter, E-Bikes, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) und Energiespeichersysteme schneller entwickeln.

Dieses Referenzdesign von Renesas Electronics nutzt sowohl bei der Hardware als auch der Software einen modularen Ansatz. Damit lassen sich Hauptkomponenten und optionale Funktionsblöcke bereitstellen, die in vielen Anwendungen mit 24 bis 48 V eingesetzt werden können, wie z. B. Rasenmäher, Elektromobile, Reinigungsroboter, Elektrowerkzeuge, Ladegeräte und vieles mehr.

In diesem Design kommen 15 ICs von Renesas zum Einsatz, einschließlich drei Schlüsselkomponenten: Das 16-Zellen Batterie-Frontend (BFE) ISL94216, die robusten 100-V-MOSFET-Treiber HIP2211 und der 32-Bit Mikrocontroller (MCU) RX23T für die Motorsteuerung. Die 48-V-Mobility-Winning-Combination wird von einer 25-Ah-Lithiumionenbatterie versorgt, die einen Inverter (1600 W) antreibt und damit 5000 Umdrehungen pro Minute erreicht.

Die 48-V-Mobility-Lösung beinhaltet zwei Boards, die sich für die höhere Batteriezellenzahl und höhere Leistung von Mobility-Anwendungen eignen. Das Board, das das BFE (Battery Front End) und die Ladeeinheit enthält, ist für größere Batteriepacks mit höheren Spannungen ausgerichtet. Das Board für die Motorsteuerung und den Inverter stellt synchronisierte Strom- und Spannungsmessungen sowie Treiber bereit, die mit einer PWM (Pulse Width Modulation) angesteuert werden, um den Motor anzutreiben und den Motorzustand zu überwachen. Der integrierte Algorithmus zusammen mit der Hardware eignet sich ideal für die Ansteuerung von bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren). Darüber hinaus sind zwei weitere Boards optional verfügbar: ein Board mit einem Empfänger zum kabellosen Laden sowie ein Board mit Bluetooth Low Energy (BLE 5.0) zur Ansteuerung.

Zur Steuerung des Gesamtsystems verwendet diese Winning Combination einen kostengünstigen, energiesparenden RX23-T-Mikrocontroller mit integriertem Gleitkommaprozessor (FPU) und sechs Hochleistungs-Timern, die speziell auf die komplexen Algorithmen zur Ansteuerung von Invertern abgestimmt sind. Diese spezifischen Kenndaten und der modulare Aufbau helfen Entwicklern dabei, ihren Arbeitsaufwand bei der Soft- und Hardwareentwicklung sowie bei der Fehlersuche drastisch zu reduzieren.

Im Gegensatz zu anderen Ein-Chip-Batteriemanagement-ICs bietet der ISL94216 zusätzliche Funktionen, um mit Zellspannungsausgleich und Überwachung der Systemparameter, unabhängig von der MCU, die Batterielebensdauer und -sicherheit zu verbessern. Die Winning Combination nutzt auch den ISL81601, einen bidirektionalen synchronen Vierquadranten Ab- und Aufwärtswandler (60 V) für ultraschnelles Laden. Das vom Controller benötigte CC/CV-Ladeprofil (Constant Current/Constant Voltage) ist in der System-MCU implementiert.

Hauptmerkmale der 48-V-Mobility-Lösung

BFE- und Ladeboard:

Das 16-Zellen BFE ISL94216 unterstützt bis zu 200 mA externen Zellspannungsausgleich – der Schlüssel zum schnellen Aufladen und hoher Leistung in großen Batteriepacks, kombiniert mit einer Spannungsfestigkeit von bis zu 62 V für Hotplug-Anwendungen.

Das BFE liefert eine vollständige High-side Protection und überwacht Batteriepacks mit 4 bis 16 in Serie geschalteten Zellen.

Die 32-Bit MCU RX23T mit FPU unterstützt die komplette Überwachung des gesamten Systems.

Der Operationsverstärker ISL28214 zeichnet sich sowohl durch eine geringe Leistungsaufnahme als auch einen niedrigen Eingangsruhestrom aus. Der ISL81601 maximiert den Wirkungsgrad beim Laden mit Strommessungen und die Überwachung von I/O-Pins, um die Eingangspegel anzupassen.

Der Multiplexer ISL84051 besitzt acht Eingänge mit einem niedrigen internen Reihenwiderstand (RDSon) und Schaltzeiten im Nanosekundenbereich.

Motorsteuerungs- und Inverterboard

Das Motorsteuerungs- und Inverterboard unterstützt ein 48-V-Batteriepack. Der 1600-W-Inverter mit Motorsteuerungssensoren kann bis zu 5000 Umdrehungen pro Minute erreichen.

Das Motorsteuerungs- und Inverterboard umfasst einen DC/DC-Wandler, ISL28191 Operationsverstärker zur Strommessung, einen ISL80410 LDO-Spannungsregler, HIP2211 100-V-Halbbrücken-MOSFET-Treiber, MOSFETs und wird mit dem BFE und Ladeboard verbunden.

Optionale Boards und Mobiltelefonapplikation

Das BLE-Steuerungsboard mit RX23W MCU ermöglicht eine sichere Mobilfunkverbindung über BLE für die Gashebelsteuerung, den Batteriestatus, GPS-Verbindung und den gespeicherten Streckenverlauf. Das BLE-Steuerungsboard wird mit dem BFE- und Ladeboard verbunden. Der Mikrocontroller wurde speziell aus der gleichen RX-Familie wie der Mikrocontroller zur Motorsteuerung ausgewählt, um ein gleichbleibendes Softwaredesign zu ermöglichen.

Das Empfängerboard für kabelloses Laden besitzt zwei parallelgeschaltete Renesas-Empfänger für kabelloses Laden, um bei Bedarf die Ladeleistung zu erhöhen. Dieses Board wird mit dem BFE-und Ladeboard verbunden.

Die Mobilfunkapplikation entriegelt den E-Scooter, steuert den Ein- und Ausschalter und den Motorstarter.

Die Mobility-Lösung sendet über einen sichere BLE-Kanal in Einsekundenintervallen Diagnose- und andere Datenparameter.

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