電動自行車：技術(shù)市場趨勢

摘要： 本文主要介紹了電動自行車的市場現(xiàn)狀和芯片供應(yīng)商的技術(shù)開發(fā)方向。

關(guān)鍵詞： 電動自行車；MCU；電機；BLDC；控制

　　撼動了傳統(tǒng)腳踏自行車和摩托車，電動自行車以經(jīng)濟、快捷的特點為人們的出行方式帶來了革命性的影響，并在城市中悄然興起。據(jù)瑞薩公司介紹，我國電動自行車市場2006年達到了1600萬臺產(chǎn)銷記錄，2007年電動車市場出現(xiàn)了停滯，甚至是下滑，很多專家分析電動車的市場平衡點已經(jīng)到來。Infineon(英飛凌)公司2007年財務(wù)報表非常樂觀，認為2007年中國電動自行車的產(chǎn)量達到1850萬輛，今后幾年之內(nèi)，該市場將保持大約25%的增長率。之所以有上述數(shù)據(jù)不同，有專家認為是由于我國電動自行車也開始出口，面向海外市場，例如日本中、老年人也開始用電動自行車。據(jù)世強電訊透露，電動自行車在我國經(jīng)過近8年的發(fā)展，注冊的商標已達2000多個。

　　盡管各家的統(tǒng)計數(shù)據(jù)不盡相同，但是都顯示了一個共同的信息：電動自行車市場可觀。因此眾多IC商家在此開拓正酣。
　
Microchip大中華區(qū)應(yīng)用工程師經(jīng)理夏宇紅

控制器市場：

價格敏感  群雄混戰(zhàn)  將浪淘沙

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

　　另外，“電動自行車市場的獨特性在于：絕大多數(shù)電動自行車廠商，不論品牌大小，基本都不會自行設(shè)計控制器，因而造就了許多以設(shè)計和生產(chǎn)電動自行車控制器的設(shè)計中心或配套商的出現(xiàn)。”Microchip大中華區(qū)應(yīng)用工程師經(jīng)理夏宇紅介紹道：和很多產(chǎn)業(yè)一樣，電動自行車廠商非常關(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(jié)省成本，是電動自行車廠商們一直關(guān)注的地方。因此，電動自行車廠商并不關(guān)心這些采購來的控制器是哪家品牌MCU(單片機)所設(shè)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(shè)計和元器件上尋求更低的成本，采用更廉價的MCU或者更便宜的功率器件。與此矛盾的是，電動自行車廠商其實也會擔心太高的不良率會影響他們的品牌。因此，在此生態(tài)下，只有能同時達到成本低、解決方案全面、產(chǎn)品質(zhì)量有保證的控制器廠商較占優(yōu)勢。

　　的確，經(jīng)歷了群雄四起的階段，必將迎來大浪淘沙時期。ST北中國區(qū)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)量信得過的品牌MCU廠家才能站得住腳。因此盡管目前電動自行車控制器市場由于入門門檻低，沒有強制性行業(yè)標準和缺乏有力的知識產(chǎn)權(quán)保護措施，導(dǎo)致市場上的控制器產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，并產(chǎn)生由于抄襲帶來的功能雷同、產(chǎn)品利潤下降等問題。但是如何更好地配置成本和及時推陳出新是控制器廠商關(guān)心的焦點。控制器方案隨著市場的變化而變化，對于大多數(shù)控制器廠商而言，當市場由于某種原因出現(xiàn)變化的時候，如何能順應(yīng)市場要求并且迅速做出反應(yīng)是至關(guān)重要的，因此選擇一個穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展的MCU開發(fā)平臺是重中之重。
　
ST北中國區(qū)通用單片機和存儲器產(chǎn)品部經(jīng)理劉海洋
　
凌陽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(gòu)成了電動車的動力及控制部分，控制器保證電池和電機的高效工作。在市場需求的推動下，伴隨著電池和電機的發(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)展過程。電池及電機的技術(shù)革新促進了控制器的革新，并引導(dǎo)著控制器的研發(fā)方向；同時控制器的發(fā)展也反過來促進了電池與電機的發(fā)展，并保障了新型電池與電機實際應(yīng)用的可能。

電池與電源：大容量、高電壓

　　電動自行車設(shè)計時速16~25千米/小時，盡管出廠時標榜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的電池使用壽命，和進一步提高續(xù)航能力。
　
　　因此，電池與電源問題再次凸現(xiàn)。據(jù)ST劉海洋介紹，現(xiàn)在電池的主流產(chǎn)品是48V鉛酸電池。從提高續(xù)航能力及效率的角度來看，今后的發(fā)展方向是更大容量、更高電壓的電池。目前市場上已經(jīng)開始出現(xiàn)60V甚至更高電壓的電池組，這種電池組與現(xiàn)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，這無疑對減小發(fā)熱量及提高效率是很有意義的。但同時應(yīng)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，如果不能及時響應(yīng)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(jù)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(shù)器，因此能夠滿足對電流、電壓采樣和MOS開關(guān)的精度要求。據(jù)悉，鋰電池目前已經(jīng)開始應(yīng)用在北京的電動公交車上，具有良好的發(fā)展前途。電動自行車目前還集中在價格3000元/輛以上的高端市場。
　
Cypress資深現(xiàn)場應(yīng)用工程師經(jīng)理黃建明

　　ST劉海洋認為在中、低端市場(價格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(qū)動部分，分立驅(qū)動電路占據(jù)了大部分份額，集成驅(qū)動芯片的份額還有進一步縮小的趨勢。
電機：無霍爾及優(yōu)化控制

　　在高端市場，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，例如無霍爾、電機及控制器的改進等。

　　無霍爾

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

　　優(yōu)化控制

　　同時應(yīng)當注意到，越來越多的電機供應(yīng)商開始把精力投入到高速電機、大功率電機、永磁同步電機和開關(guān)磁阻電機等新品的研發(fā)之中。ST劉海洋說，電機的變化往往會導(dǎo)致控制器市場上真正的革命性變化。當由于新型電機的出現(xiàn)帶來控制方式改變時，往往就是控制器市場重新劃分利益格局的時候了。對于高速電機，控制器需要有更高的響應(yīng)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(qū)動的模式已經(jīng)很難滿足對力距平穩(wěn)性以及對效率進一步提高等等新的要求。在電動車控制領(lǐng)域，新的控制方式已經(jīng)作為一個現(xiàn)實的問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(chǔ)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(xiàn)場應(yīng)用工程師蔣南和資深現(xiàn)場應(yīng)用工程師經(jīng)理黃建明總結(jié)如下：

　　電機轉(zhuǎn)矩脈動優(yōu)化控制  120o六拍換相控制的BLDC電機在換相時，由于續(xù)流的作用，使得關(guān)斷相里的電感電流通過續(xù)流二極管續(xù)流，出現(xiàn)了脈動電流，從而產(chǎn)生了脈動轉(zhuǎn)矩，影響無刷直流電機的平穩(wěn)運行，增加噪聲并降低效率。通常抑制電流換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動可通過調(diào)整PWM載波方式和重疊換相來控制。另外，為了減少轉(zhuǎn)矩脈動，BLDC電機的控制方法的研究正在從傳統(tǒng)的120o控制方法到180o的控制方法轉(zhuǎn)換。

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

　　能量再生控制及輔助電子剎車  續(xù)程性能一直是制約電動車發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，提高續(xù)程的方法除了改進蓄電技術(shù)以及驅(qū)動策略外，還有就是剎車時采用先進的能量回收控制。目前已有的電動自行車能量回收方案基本上是基于電動汽車的能量回收控制理論，但大多數(shù)控制器并沒有充分進行能量回收控制，只是作為ABS輔助剎車時的一個附加功能。
　
　　無位置傳感器的BLDC控制  位置傳感器的存在增加了電機的體積和成本，同時給電動自行車增加了一個故障源。統(tǒng)計表明，多數(shù)電動自行車的電機損壞實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，人們對無位置傳感器的BLDC控制技術(shù)進行了很多的研究，并在空調(diào)系統(tǒng)、風機等不同設(shè)計中得到廣泛的應(yīng)用。但在電動自行車中，由于無位置傳感器控制技術(shù)無法解決平穩(wěn)的啟動，因此難以得到最終客戶的認可，而一直沒有得到廣泛的使用。所以，該技術(shù)目前的瓶頸是如何解決平穩(wěn)啟動。

控制器：廉價化、智能化、集成化、定制化

　　MCU在電動自行車中通常需要用兩塊，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進行總結(jié)。

　　廉價化  Microchip的夏宇紅認為，對于現(xiàn)有的成熟設(shè)計，追求更低的成本。選用更低價錢的元器件以及MCU，相應(yīng)地，MCU廠商會配合推出更新工藝的廉價兼容型號。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，但前提是自信其價格可以和8位或16位MCU抗衡，例如TI公司的MSP430系列號稱與8位MCU價格相當；ST公司2007年6月宣布基于ARM Cortex-M3的32位閃存MCU—STM32F10X系列，結(jié)合了32位高性能與16位低價位優(yōu)勢，面向電動自行車、空調(diào)等電機控制市場。

　　智能化 “電子控制單元智能化重要。”凌陽葉新華經(jīng)理認為，MCU必須具有自檢、自維護能力，確保動作的“萬無一失”。另外，防盜報警功能，電源自動識別功能，自動識別電機、智能鎖功能等人性化設(shè)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，電機相序自動判別，倒車助力，電池電量管理等。這類設(shè)計主要滿足自行車生產(chǎn)者對組裝方便性要求，以及最終客戶對舒適性，安全性等的要求。一般設(shè)計的復(fù)雜度不高，但需要單片機有更多的程序和數(shù)據(jù)空間。“但防盜，娛樂等附加功能非本質(zhì)改進，故而不會成為主流。”Microchip夏宇紅補充道。

　　集成化  集成化可以實現(xiàn)體積小，效率高，返修率低，因此是品牌廠家的首選。世強電訊市場開發(fā)經(jīng)理袁進解釋說，整車的質(zhì)量與其中的關(guān)鍵部件—無刷電機控制器的質(zhì)量密切相關(guān)。目前市場上普遍使用的控制器方案設(shè)計陳舊，外部分立元件多，任何一個元件失效都會影響到電控器質(zhì)量。此外，MCU保密性不好，品牌廠家的控制軟件設(shè)計很容易被盜版，導(dǎo)致作坊式工廠林立，魚龍混雜，產(chǎn)品同質(zhì)化，品牌廠家無法建立核心競爭力。世強代理的Silicon Laboratories公司的C8051F313控制器方案，內(nèi)部集成多路PWM控制單元，動態(tài)I/O分配，內(nèi)置多路A/D，內(nèi)置晶振，在線軟件編程，減少了外部元件的數(shù)目，提高了可靠性，保密性高。受到品牌廠家歡迎。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(shù)?；旌想娐罚瑢崿F(xiàn)了較高的集成度，并具有一定的靈活性，因此在電動自行車市場攻城略地，公司北方區(qū)銷售經(jīng)理王錦鎖道出了緣由：“因為PSoC方案集成度高，可幫助客戶節(jié)省了成本，但最主要原因是降低了客戶的返修率。”

　　定制化 由于電動自行車市場的龐大，并為了進一步降低成本，一些公司開始專門為電動自行車業(yè)定制芯片。例如，Infineon公司為了打開電動自行車市場的大門，2006年春專門推出了8位閃存MCU，據(jù)該公司2007年財報顯示，在很短的時間內(nèi)，該公司在電動自行車的全球市場份額已接近10%。Cypress中國研發(fā)總經(jīng)理周良蓀先生說，2007年Cypress為中國一家客戶6個月內(nèi)定制了一款電動自行車電機控制芯片，由于全部本地化，在上海設(shè)計中心定義和設(shè)計，上海宏力半導(dǎo)體公司流片，最終較短時間交付客戶。(注；本文做了部分刪節(jié)，更多精彩內(nèi)容請瀏覽本刊網(wǎng)站。)

參考文獻：

1，張軍元，‘電動自行車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