芯耀
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电动两轮车或电动自行车通过将传统的自行车体验与电力相结合，提供了一种独特的便捷性和可持续性交通工具，同时其初始投资费用较低，运行与维护成本也比较符合购买者的预算承受能力。此外，电动自行车还能够通过标准电网进行快速充电，大大提升了使用便捷性。诸多因素相加，使得电动自行车一经问世就获得消费者的普遍认可，市场越来越火爆。
然而，近年来，随着锂电两轮电动自行车起火事故的不断发生，电池及充电安全正在成为电动自行车车主最担心的问题。
锂离子电池：既“高能”又“危险”
电池组是电动自行车的能量来源，也是整车成本中占比最高的器件。因具有高能量密度、长寿命且重量相对较轻的特点，目前大多数电动自行车均采用锂离子电池来提供动力。
电池的容量以瓦时（Wh）为单位进行测量，更高的容量意味着更长的续航里程，一次充电就能骑得更远。一般来讲，一个500Wh的锂离子电池可提供80–110千米的行驶里程。当然，具体的里程还取决于所使用的助力模式、骑手体重、地形和天气条件等多项因素。具体的充电时间则因电池尺寸和充电器类型有一定的差异，但大多数电动自行车电池可在3--6小时内充满电。
正因为能量密度高，且含有某些易燃成分，结构相对复杂的锂离子电池的不足也很明显，比如在充电过程中可能会起火甚至爆炸，以至于造成重大伤亡事故。
BMS：保障电动自行车安全的核心模块
电池管理系统（BMS）是电动自行车电池组的重要组成部分，它负责管理和监控电池的性能、安全性和寿命。除了确保电池能够实施正确的充电和放电，BMS还能平衡电池组中每节电池的电压。
以下是在电动自行车电池组中安装BMS的一些好处。
1. 防止过充，有效延长电池寿命
过度充电会导致电池过热并损坏电池，而过度放电同样会让电池出现不可逆的损坏。BMS可确保电池的充放电过程始终保持在安全的电压范围之内，通过防止过度充电和过度放电来帮助延长电池的寿命。
2. 多重保护机制，确保电池安全
BMS提供多种保护机制，以确保电池的安全使用。这些机制包括电池的过压保护、欠压保护、过流保护以及短路保护。如果BMS检测到这些问题中的任何一个，它都将迅速切断电机的电源并报警，防止潜在事故的发生。
3. 均衡电池单元，提高整体性能
BMS通过确保电池单元的平衡并提供一致的电源（例如加速或爬坡时）来提高电动自行车的整体性能。BMS可平衡每个电池的电压，确保它们都具有相同的电荷水平，防止任何电池过度工作，从而提供更稳定、更高效的电源。
4. 温度监测+实时诊断，预防潜在风险
BMS提供的高效热管理功能可防止电池在运行过程中出现过热问题，显著增强电动自行车的电池保护，确保电池寿命和骑手安全。实时诊断和识别故障的检测机制，能有效隔离有问题的电池，防止潜在危险的发生。
综上，作为电动自行车电池组的关键组成部分，BMS可监测电池工作状态，平衡每节电池的电压，并提供保护机制，以确保电池的安全使用。市场上所有的电动自行车电池组应始终确保其具有高质量的BMS。
电动自行车BMS方案设计的要素
智能电池系统是现代电动自行车安全发展的技术支柱，它提供了前所未有的性能、安全性和便利性，BMS是该系统中的一种电子控制电路。
Infineon公司专为两轮/三轮电动车应用而设计的智能电池管理系统解决方案，包括电池管理IC、微控制器、电源开关、隔离和非隔离栅极驱动器等组件。
用于电池监控和平衡的电池管理IC
Infineon的电池管理IC旨在为电动两轮车和三轮车提供可靠高效的BMS解决方案。这些IC提供优化的电池电压测量、温度监测和平衡，确保电池在安全的工作条件下运行。重要的是，该系列产品均符合ISO 26262 ASIL D的严格安全要求。
以TLE9009DQU为例，这是专门为监测和平衡锂离子电池组中多达9个电池而设计的电池管理IC，它执行四个主要功能，即：测量电池电压、监测温度、平衡单个电池以及促进与主电池控制器的隔离通信。此外，该产品还配备了诊断工具，可确保靠近受控电池的人员的安全。
图1：电池管理IC TLE9009DQU系统框图
（图源：Infineon）
优化电压调节的专用电源IC
OPTIREG电源IC是英飞凌面向汽车相关应用的专用电源IC产品系列，包括线性、切换器和SBC子系列，为两轮和三轮电动车辆的BMS提供了一种简单、可靠、高质量的电源解决方案。
OPTIREG TLF35585是一款高效的功能安全电池管理IC，具有升压降压预调节器、可配置监视器和电压监测功能。该器件同样根据ISO 26262标准设计，符合ASIL D要求，工作温度高达175°C。
图2：面向汽车相关应用的专用电源IC TLF35585
（图源：Infineon）
高集成度的OBC系统
易于使用的充电基础设施是人们是否选择电动自行车的一个关键的考虑因素。电池充电有几种选择，即车载/非车载充电器、电池充电站和电池交换站，具体取决于电源和用例要求。
XDPS2221E控制器是一种易于使用的、高度集成的、适用于两轮车和三轮车设计的OBC系统，包括多模PFC控制器、混合反激式（HFB）控制器。PFC和HFB级的高度集成使其成为宽输入宽输出应用的完美选择。
图3：用于OBC系统的XDPS2221E控制器
（图源：Infineon）
MCU助力实现更智能、更安全的BMS设计
Infineon有着广泛的微控制器产品组合，包括一系列强大的32位微控制器，以满足汽车、工业和消费市场的各种应用，包括为两轮车和三轮车应用量身定制的电池管理系统解决方案。
其中的AURIX 32位大功率微控制器系列为汽车行业提供了最先进的嵌入式安全和安保功能，并符合最高的汽车安全完整性等级ASIL D分类。不过，将其用于电动自行车中可能会有大材小用的感觉，设计人员可酌情在XMC、TRAVEO T2G等产品系列中选择性价比合适的MCU。
连接安全设计考虑
在两轮电动自行车系统中，电池组的电源需要为电机控制器和仪表盘供电，其余的各个子系统也要通过RS-485接口建立网络通信系统，这样下来每个子系统之间至少有4根连接线。再叠加两轮电动车必要的机械刹车线，整个系统的接线可以达到10根。常规的两轮电动车不仅接线复杂，安装易出错并且成本高，还有潜在的安全隐患。
Texas Instruments的THVD8000方案解决了这个设计难题，它的内部带有调制解调器，可以将电源和数据信号叠加在一起后在电力线上传送，接收的时候再通过调制解调器和无源网络将数据和电源分别提取出来，实现电源和数据的两线传送。将THVD8000应用在两轮电动车上，不仅节省了一半的线材成本，还降低了系统接线错接的风险。
但是，因THVD8000在应用中需要添加相应的无源网络，子系统的体积相对较大，对空间敏感的仪表盘和电池组系统来说可能需要做出权衡。在进行系统设计时，可参照TI提供的具体设计参数，以便在性能和体积之间找到最佳的平衡。
图4：典型的四线RS-485和采用两线THVD8000的连线对比（图源：Texas Instruments）
电动自行车技术趋势展望
在电动汽车市场中，轻型电动车（LEV）细分市场的重要性日趋显著，其吸引力在于较低的初始投资费用，运行与维护成本也比较符合购买者的预算要求。
根据Emergen Research的预测和分析，2022年，全球轻型电动汽车（LEV）市场规模为785亿美元，在预测期内收入复合年增长率预计将达到9.3%。作为LEV市场主要车型的电动自行车，对LEV市场规模的扩大起到了强大的推动作用。
延长电动自行车续航里程的电池创新一直在延续，现在，许多电动自行车还具有再生制动功能，这是一种在制动过程中捕获能量并将其回充至电池的技术。虽然这并不能完全给电池充电，但它可以帮助稍微延长续航里程，特别是在走走停停的城市环境中。
另一项创新来自于固态电池。这是电动自行车技术的一项显著进步：凭借卓越的能量密度以及比传统锂离子电池更快的充电时间，该技术创新有望实现更长的续航里程，而且比传统的锂离子电池组更轻、更安全。
将人工智能和机器学习集成到智能电池管理中是电池技术的另一个重大创新。人工智能在电池管理中的整合代表了电动自行车技术的范式转变。人工智能算法分析用户模式和地形数据，以制定优化的充电和放电策略，从而提高电动自行车的能效，最大限度地发挥潜力，而不会对电池造成不必要的压力。同时，利用机器学习和人工智能的强大功能，还可以预测性地进行电池健康监测，避免潜在风险的发生。
电池模块和电池管理系统是电动两轮车的关键技术子系统，电池技术的快速发展大大缩短了电动两轮车电池的充电时间，快速充电技术现在可以在几个小时内完全充电，大大减少了停机时间，增加了便利性。先进的智能电池管理系统使电动自行车变得更安全、更可靠，有效提高了充电的安全性，火灾风险大大降低。这些技术的进步使电动两轮车更具吸引力，行业的未来前景充满了令人兴奋的可能性，我们可以期待在未来几年看到更多、更显著的技术创新。
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