電動(dòng)自行車(chē)：技術(shù)市場(chǎng)趨勢

摘要： 本文主要介紹了電動(dòng)自行車(chē)的市場(chǎng)現狀和芯片供應商的技術(shù)開(kāi)發(fā)方向。

關(guān)鍵詞： 電動(dòng)自行車(chē)；MCU；電機；BLDC；控制

　　撼動(dòng)了傳統腳踏自行車(chē)和摩托車(chē)，電動(dòng)自行車(chē)以經(jīng)濟、快捷的特點(diǎn)為人們的出行方式帶來(lái)了革命性的影響，并在城市中悄然興起。據瑞薩公司介紹，我國電動(dòng)自行車(chē)市場(chǎng)2006年達到了1600萬(wàn)臺產(chǎn)銷(xiāo)記錄，2007年電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)出現了停滯，甚至是下滑，很多專(zhuān)家分析電動(dòng)車(chē)的市場(chǎng)平衡點(diǎn)已經(jīng)到來(lái)。Infineon(英飛凌)公司2007年財務(wù)報表非常樂(lè )觀(guān)，認為2007年中國電動(dòng)自行車(chē)的產(chǎn)量達到1850萬(wàn)輛，今后幾年之內，該市場(chǎng)將保持大約25%的增長(cháng)率。之所以有上述數據不同，有專(zhuān)家認為是由于我國電動(dòng)自行車(chē)也開(kāi)始出口，面向海外市場(chǎng)，例如日本中、老年人也開(kāi)始用電動(dòng)自行車(chē)。據世強電訊透露，電動(dòng)自行車(chē)在我國經(jīng)過(guò)近8年的發(fā)展，注冊的商標已達2000多個(gè)。

　　盡管各家的統計數據不盡相同，但是都顯示了一個(gè)共同的信息：電動(dòng)自行車(chē)市場(chǎng)可觀(guān)。因此眾多IC商家在此開(kāi)拓正酣。
　
Microchip大中華區應用工程師經(jīng)理夏宇紅

控制器市場(chǎng)：

價(jià)格敏感  群雄混戰  將浪淘沙

　　零售業(yè)與高新技術(shù)不同，利潤很薄，因此價(jià)格意識強，從采購到維修甚至到更新，必須要很省錢(qián)，才能被零售業(yè)接受。
　
電動(dòng)自行車(chē)—凌陽(yáng)公司提供

　　另外，“電動(dòng)自行車(chē)市場(chǎng)的獨特性在于：絕大多數電動(dòng)自行車(chē)廠(chǎng)商，不論品牌大小，基本都不會(huì )自行設計控制器，因而造就了許多以設計和生產(chǎn)電動(dòng)自行車(chē)控制器的設計中心或配套商的出現。”Microchip大中華區應用工程師經(jīng)理夏宇紅介紹道：和很多產(chǎn)業(yè)一樣，電動(dòng)自行車(chē)廠(chǎng)商非常關(guān)注品牌、品質(zhì)(包括控制器的品質(zhì))、安全性和成本等等。尤其是在去年金屬價(jià)格上漲的環(huán)境下，如何在保證品質(zhì)和安全性的前提下節省成本，是電動(dòng)自行車(chē)廠(chǎng)商們一直關(guān)注的地方。因此，電動(dòng)自行車(chē)廠(chǎng)商并不關(guān)心這些采購來(lái)的控制器是哪家品牌MCU(單片機)所設計的，他們關(guān)心的只是如何減少本身的生產(chǎn)成本。因此，控制器供貨商唯有在設計和元器件上尋求更低的成本，采用更廉價(jià)的MCU或者更便宜的功率器件。與此矛盾的是，電動(dòng)自行車(chē)廠(chǎng)商其實(shí)也會(huì )擔心太高的不良率會(huì )影響他們的品牌。因此，在此生態(tài)下，只有能同時(shí)達到成本低、解決方案全面、產(chǎn)品質(zhì)量有保證的控制器廠(chǎng)商較占優(yōu)勢。

　　的確，經(jīng)歷了群雄四起的階段，必將迎來(lái)大浪淘沙時(shí)期。ST北中國區通用單片機和存儲器產(chǎn)品部經(jīng)理劉海洋分析認為，只有那些質(zhì)量信得過(guò)的品牌MCU廠(chǎng)家才能站得住腳。因此盡管目前電動(dòng)自行車(chē)控制器市場(chǎng)由于入門(mén)門(mén)檻低，沒(méi)有強制性行業(yè)標準和缺乏有力的知識產(chǎn)權保護措施，導致市場(chǎng)上的控制器產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，并產(chǎn)生由于抄襲帶來(lái)的功能雷同、產(chǎn)品利潤下降等問(wèn)題。但是如何更好地配置成本和及時(shí)推陳出新是控制器廠(chǎng)商關(guān)心的焦點(diǎn)?？刂破鞣桨鸽S著(zhù)市場(chǎng)的變化而變化，對于大多數控制器廠(chǎng)商而言，當市場(chǎng)由于某種原因出現變化的時(shí)候，如何能順應市場(chǎng)要求并且迅速做出反應是至關(guān)重要的，因此選擇一個(gè)穩定、可持續發(fā)展的MCU開(kāi)發(fā)平臺是重中之重。
　
ST北中國區通用單片機和存儲器產(chǎn)品部經(jīng)理劉海洋
　
凌陽(yáng)單片機推廣中心工控產(chǎn)品部經(jīng)理葉新華

電控：電池、電機、控制器三位一體

　　控制器、電池和電機共同構成了電動(dòng)車(chē)的動(dòng)力及控制部分，控制器保證電池和電機的高效工作。在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，伴隨著(zhù)電池和電機的發(fā)展，控制器的研發(fā)也經(jīng)歷了從使用專(zhuān)用集成芯片到使用通用MCU，從低電壓、小功率、單一功能到高電壓、大功率、多功能的發(fā)展過(guò)程。電池及電機的技術(shù)革新促進(jìn)了控制器的革新，并引導著(zhù)控制器的研發(fā)方向；同時(shí)控制器的發(fā)展也反過(guò)來(lái)促進(jìn)了電池與電機的發(fā)展，并保障了新型電池與電機實(shí)際應用的可能。

電池與電源：大容量、高電壓

　　電動(dòng)自行車(chē)設計時(shí)速16~25千米/小時(shí)，盡管出廠(chǎng)時(shí)標榜50~60公里充一次電，鉛酸電池可以用2年半，鋰電壽命5年左右，但部分消費者表示期盼更長(cháng)的電池使用壽命，和進(jìn)一步提高續航能力。
　
　　因此，電池與電源問(wèn)題再次凸現。據ST劉海洋介紹，現在電池的主流產(chǎn)品是48V鉛酸電池。從提高續航能力及效率的角度來(lái)看，今后的發(fā)展方向是更大容量、更高電壓的電池。目前市場(chǎng)上已經(jīng)開(kāi)始出現60V甚至更高電壓的電池組，這種電池組與現有的電池組相比，可以在保證同樣功率的條件下輸出更小的電流，這無(wú)疑對減小發(fā)熱量及提高效率是很有意義的。但同時(shí)應該注意到，這對控制器的耐壓性提出了更高的要求。此外，一些擴展功能也與電池密切相關(guān)，例如電剎與流行一時(shí)的滑行反充電功能，除去其對MOS管的沖擊以外，對電池也有一定的影響，如果不能及時(shí)響應或控制不當，極易造成對電池、電機及控制器的負面影響。

　　鋰電池由于其高能量密度及良好的環(huán)保特性，也開(kāi)始小荷露角。利爾達公司去年推出了基于TI 16位單片機MSP430F20X3芯片的鋰電池充放電保護方案，據技術(shù)部張軍元介紹，鋰電池對充電器、均衡保護電路的要求比較苛刻，特別是鋰電池均衡控制需要較高的控制精度，MSP430F20X3具有16位A/D和16位計數器，因此能夠滿(mǎn)足對電流、電壓采樣和MOS開(kāi)關(guān)的精度要求。據悉，鋰電池目前已經(jīng)開(kāi)始應用在北京的電動(dòng)公交車(chē)上，具有良好的發(fā)展前途。電動(dòng)自行車(chē)目前還集中在價(jià)格3000元/輛以上的高端市場(chǎng)。
　
Cypress資深現場(chǎng)應用工程師經(jīng)理黃建明

　　ST劉海洋認為在中、低端市場(chǎng)(價(jià)格1000~3000元/輛左右)，電源部分LM317取代了7812/7815，而它本身也有被分立電源取代的趨勢；在MOS驅動(dòng)部分，分立驅動(dòng)電路占據了大部分份額，集成驅動(dòng)芯片的份額還有進(jìn)一步縮小的趨勢。
電機：無(wú)霍爾及優(yōu)化控制

　　在高端市場(chǎng)，產(chǎn)品的競爭與發(fā)展取決于性能、品質(zhì)及技術(shù)革新，特別是電機與控制器的發(fā)展，例如無(wú)霍爾、電機及控制器的改進(jìn)等。

　　無(wú)霍爾

　　凌陽(yáng)的葉新華經(jīng)理認為電機無(wú)霍爾的優(yōu)勢是：解決了霍爾壽命短的問(wèn)題，另外，電機的驅動(dòng)線(xiàn)任意接，使得生產(chǎn)、維修非常方便。但現在的方案零啟動(dòng)都不是很穩定，所以如果零啟動(dòng)問(wèn)題能解決掉，無(wú)霍爾的控制器會(huì )有很大的市場(chǎng)。ST劉海洋也有同感，指出現存的無(wú)霍爾傳感器產(chǎn)品主要集中于對性能要求較低的維修市場(chǎng)，但向著(zhù)高性能無(wú)霍爾傳感器控制器的目標前進(jìn)是眾多控制器廠(chǎng)商努力的方向。

　　優(yōu)化控制

　　同時(shí)應當注意到，越來(lái)越多的電機供應商開(kāi)始把精力投入到高速電機、大功率電機、永磁同步電機和開(kāi)關(guān)磁阻電機等新品的研發(fā)之中。ST劉海洋說(shuō)，電機的變化往往會(huì )導致控制器市場(chǎng)上真正的革命性變化。當由于新型電機的出現帶來(lái)控制方式改變時(shí)，往往就是控制器市場(chǎng)重新劃分利益格局的時(shí)候了。對于高速電機，控制器需要有更高的響應速度；而對于大功率電機及永磁同步電機，普通的6步梯形波驅動(dòng)的模式已經(jīng)很難滿(mǎn)足對力距平穩性以及對效率進(jìn)一步提高等等新的要求。在電動(dòng)車(chē)控制領(lǐng)域，新的控制方式已經(jīng)作為一個(gè)現實(shí)的問(wèn)題需要被安排在新型控制器研發(fā)的日程表上。而這些新的基礎性變化對控制器主CPU的性能提出了更高的要求。

　　Cypress詳細分析了電機及單片機的變化趨勢，Cypress主任現場(chǎng)應用工程師蔣南和資深現場(chǎng)應用工程師經(jīng)理黃建明總結如下：

　　電機轉矩脈動(dòng)優(yōu)化控制  120o六拍換相控制的BLDC電機在換相時(shí)，由于續流的作用，使得關(guān)斷相里的電感電流通過(guò)續流二極管續流，出現了脈動(dòng)電流，從而產(chǎn)生了脈動(dòng)轉矩，影響無(wú)刷直流電機的平穩運行，增加噪聲并降低效率。通常抑制電流換相引起的轉矩脈動(dòng)可通過(guò)調整PWM載波方式和重疊換相來(lái)控制。另外，為了減少轉矩脈動(dòng)，BLDC電機的控制方法的研究正在從傳統的120o控制方法到180o的控制方法轉換。

　　增加電機力矩  自行車(chē)在起動(dòng)和爬坡時(shí)，要求電機及控制器有充分的過(guò)載能力，以提供足夠的起動(dòng)和爬坡力矩。通常，通過(guò)增加電流閉環(huán)控制可獲得更大的起動(dòng)力矩和響應速度。也可通過(guò)對BLDC電機的弱磁控制來(lái)增加電機的力矩。

　　能量再生控制及輔助電子剎車(chē)  續程性能一直是制約電動(dòng)車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，提高續程的方法除了改進(jìn)蓄電技術(shù)以及驅動(dòng)策略外，還有就是剎車(chē)時(shí)采用先進(jìn)的能量回收控制。目前已有的電動(dòng)自行車(chē)能量回收方案基本上是基于電動(dòng)汽車(chē)的能量回收控制理論，但大多數控制器并沒(méi)有充分進(jìn)行能量回收控制，只是作為ABS輔助剎車(chē)時(shí)的一個(gè)附加功能。
　
　　無(wú)位置傳感器的BLDC控制  位置傳感器的存在增加了電機的體積和成本，同時(shí)給電動(dòng)自行車(chē)增加了一個(gè)故障源。統計表明，多數電動(dòng)自行車(chē)的電機損壞實(shí)際上是由于位置傳感器失效造成的。針對位置傳感器的不利因素，人們對無(wú)位置傳感器的BLDC控制技術(shù)進(jìn)行了很多的研究，并在空調系統、風(fēng)機等不同設計中得到廣泛的應用。但在電動(dòng)自行車(chē)中，由于無(wú)位置傳感器控制技術(shù)無(wú)法解決平穩的啟動(dòng)，因此難以得到最終客戶(hù)的認可，而一直沒(méi)有得到廣泛的使用。所以，該技術(shù)目前的瓶頸是如何解決平穩啟動(dòng)。

控制器：廉價(jià)化、智能化、集成化、定制化

　　MCU在電動(dòng)自行車(chē)中通常需要用兩塊，一塊主要用于電機控制，一塊用于電源管理。這里主要針對普通單片機的特點(diǎn)進(jìn)行總結。

　　廉價(jià)化  Microchip的夏宇紅認為，對于現有的成熟設計，追求更低的成本。選用更低價(jià)錢(qián)的元器件以及MCU，相應地，MCU廠(chǎng)商會(huì )配合推出更新工藝的廉價(jià)兼容型號。因此，8位MCU是主流產(chǎn)品。但是也有16或32位MCU涉足此市場(chǎng)，但前提是自信其價(jià)格可以和8位或16位MCU抗衡，例如TI公司的MSP430系列號稱(chēng)與8位MCU價(jià)格相當；ST公司2007年6月宣布基于A(yíng)RM Cortex-M3的32位閃存MCU—STM32F10X系列，結合了32位高性能與16位低價(jià)位優(yōu)勢，面向電動(dòng)自行車(chē)、空調等電機控制市場(chǎng)。

　　智能化 “電子控制單元智能化重要。”凌陽(yáng)葉新華經(jīng)理認為，MCU必須具有自檢、自維護能力，確保動(dòng)作的“萬(wàn)無(wú)一失”。另外，防盜報警功能，電源自動(dòng)識別功能，自動(dòng)識別電機、智能鎖功能等人性化設計都是技術(shù)上的發(fā)展方向。Cypress的蔣南和黃建明也提出，控制器需要更豐富的附加功能，例如防盜報警，電機相序自動(dòng)判別，倒車(chē)助力，電池電量管理等。這類(lèi)設計主要滿(mǎn)足自行車(chē)生產(chǎn)者對組裝方便性要求，以及最終客戶(hù)對舒適性，安全性等的要求。一般設計的復雜度不高，但需要單片機有更多的程序和數據空間。“但防盜，娛樂(lè )等附加功能非本質(zhì)改進(jìn)，故而不會(huì )成為主流。”Microchip夏宇紅補充道。

　　集成化  集成化可以實(shí)現體積小，效率高，返修率低，因此是品牌廠(chǎng)家的首選。世強電訊市場(chǎng)開(kāi)發(fā)經(jīng)理袁進(jìn)解釋說(shuō)，整車(chē)的質(zhì)量與其中的關(guān)鍵部件—無(wú)刷電機控制器的質(zhì)量密切相關(guān)。目前市場(chǎng)上普遍使用的控制器方案設計陳舊，外部分立元件多，任何一個(gè)元件失效都會(huì )影響到電控器質(zhì)量。此外，MCU保密性不好，品牌廠(chǎng)家的控制軟件設計很容易被盜版，導致作坊式工廠(chǎng)林立，魚(yú)龍混雜，產(chǎn)品同質(zhì)化，品牌廠(chǎng)家無(wú)法建立核心競爭力。世強代理的Silicon Laboratories公司的C8051F313控制器方案，內部集成多路PWM控制單元，動(dòng)態(tài)I/O分配，內置多路A/D，內置晶振，在線(xiàn)軟件編程，減少了外部元件的數目，提高了可靠性，保密性高。受到品牌廠(chǎng)家歡迎。Cypress公司的PSoC(可編程SoC)這幾年也由于在8位MCU周邊集成了可編程的數?；旌想娐?，實(shí)現了較高的集成度，并具有一定的靈活性，因此在電動(dòng)自行車(chē)市場(chǎng)攻城略地，公司北方區銷(xiāo)售經(jīng)理王錦鎖道出了緣由：“因為PSoC方案集成度高，可幫助客戶(hù)節省了成本，但最主要原因是降低了客戶(hù)的返修率。”

　　定制化 由于電動(dòng)自行車(chē)市場(chǎng)的龐大，并為了進(jìn)一步降低成本，一些公司開(kāi)始專(zhuān)門(mén)為電動(dòng)自行車(chē)業(yè)定制芯片。例如，Infineon公司為了打開(kāi)電動(dòng)自行車(chē)市場(chǎng)的大門(mén)，2006年春專(zhuān)門(mén)推出了8位閃存MCU，據該公司2007年財報顯示，在很短的時(shí)間內，該公司在電動(dòng)自行車(chē)的全球市場(chǎng)份額已接近10%。Cypress中國研發(fā)總經(jīng)理周良蓀先生說(shuō)，2007年Cypress為中國一家客戶(hù)6個(gè)月內定制了一款電動(dòng)自行車(chē)電機控制芯片，由于全部本地化，在上海設計中心定義和設計，上海宏力半導體公司流片，最終較短時(shí)間交付客戶(hù)。(注；本文做了部分刪節，更多精彩內容請瀏覽本刊網(wǎng)站。)

參考文獻：

1，張軍元，‘電動(dòng)自行車(chē)鋰電池充放電保護方案’，電子產(chǎn)品世界2007.6.
2，王瑩，‘ST：壓賭Cortex-M3，出擊16位MCU’，電子產(chǎn)品世界2007.7