電動(dòng)自行車：技術(shù)市場(chǎng)趨勢(shì)

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

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

　　撼動(dòng)了傳統(tǒng)腳踏自行車和摩托車，電動(dòng)自行車以經(jīng)濟(jì)、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(jù)瑞薩公司介紹，我國(guó)電動(dòng)自行車市場(chǎng)2006年達(dá)到了1600萬(wàn)臺(tái)產(chǎn)銷記錄，2007年電動(dòng)車市場(chǎng)出現(xiàn)了停滯，甚至是下滑，很多專家分析電動(dòng)車的市場(chǎng)平衡點(diǎn)已經(jīng)到來(lái)。Infineon(英飛凌)公司2007年財(cái)務(wù)報(bào)表非常樂(lè)觀，認(rèn)為2007年中國(guó)電動(dòng)自行車的產(chǎn)量達(dá)到1850萬(wàn)輛，今后幾年之內(nèi)，該市場(chǎng)將保持大約25%的增長(zhǎng)率。之所以有上述數(shù)據(jù)不同，有專家認(rèn)為是由于我國(guó)電動(dòng)自行車也開(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。據(jù)世強(qiáng)電訊透露，電動(dòng)自行車在我國(guó)經(jīng)過(guò)近8年的發(fā)展，注冊(cè)的商標(biāo)已達(dá)2000多個(gè)。

　　盡管各家的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不盡相同，但是都顯示了一個(gè)共同的信息：電動(dòng)自行車市場(chǎng)可觀。因此眾多IC商家在此開(kāi)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(chǎng)：

價(jià)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(rùn)很薄，因此價(jià)格意識(shí)強(qiáng)，從采購(gòu)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(dòng)自行車—凌陽(yáng)公司提供

　　另外，“電動(dòng)自行車市場(chǎng)的獨(dú)特性在于：絕大多數(shù)電動(dòng)自行車廠商，不論品牌大小，基本都不會(huì)自行設(shè)計(jì)控制器，因而造就了許多以設(shè)計(jì)和生產(chǎn)電動(dòng)自行車控制器的設(shè)計(jì)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(dòng)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(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(jié)省成本，是電動(dòng)自行車廠商們一直關(guān)注的地方。因此，電動(dòng)自行車廠商并不關(guān)心這些采購(gòu)來(lái)的控制器是哪家品牌MCU(單片機(jī))所設(shè)計(jì)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(jì)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)自行車廠商其實(shí)也會(huì)擔(dān)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(dá)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(shì)。

　　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(guó)區(qū)通用單片機(jī)和存儲(chǔ)器產(chǎn)品部經(jīng)理劉海洋分析認(rèn)為，只有那些質(zhì)量信得過(guò)的品牌MCU廠家才能站得住腳。因此盡管目前電動(dòng)自行車控制器市場(chǎng)由于入門門檻低，沒(méi)有強(qiáng)制性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和缺乏有力的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)措施，導(dǎo)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(rùn)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商關(guān)心的焦點(diǎn)?？刂破鞣桨鸽S著市場(chǎng)的變化而變化，對(duì)于大多數(shù)控制器廠商而言，當(dāng)市場(chǎng)由于某種原因出現(xiàn)變化的時(shí)候，如何能順應(yīng)市場(chǎng)要求并且迅速做出反應(yīng)是至關(guān)重要的，因此選擇一個(gè)穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展的MCU開(kāi)發(fā)平臺(tái)是重中之重。
　
ST北中國(guó)區(qū)通用單片機(jī)和存儲(chǔ)器產(chǎn)品部經(jīng)理劉海洋
　
凌陽(yáng)單片機(jī)推廣中心工控產(chǎn)品部經(jīng)理葉新華

電控：電池、電機(jī)、控制器三位一體

　　控制器、電池和電機(jī)共同構(gòu)成了電動(dòng)車的動(dòng)力及控制部分，控制器保證電池和電機(jī)的高效工作。在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，伴隨著電池和電機(jī)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(guò)程。電池及電機(jī)的技術(shù)革新促進(jìn)了控制器的革新，并引導(dǎo)著控制器的研發(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(jī)的發(fā)展，并保障了新型電池與電機(jī)實(shí)際應(yīng)用的可能。

電池與電源：大容量、高電壓

　　電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)時(shí)速16~25千米/小時(shí)，盡管出廠時(shí)標(biāo)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(fèi)者表示期盼更長(zhǎng)的電池使用壽命，和進(jìn)一步提高續(xù)航能力。
　
　　因此，電池與電源問(wèn)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(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(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(wú)疑對(duì)減小發(fā)熱量及提高效率是很有意義的。但同時(shí)應(yīng)該注意到，這對(duì)控制器的耐壓性提出了更高的要求。此外，一些擴(kuò)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(duì)MOS管的沖擊以外，對(duì)電池也有一定的影響，如果不能及時(shí)響應(yīng)或控制不當(dāng)，極易造成對(duì)電池、電機(jī)及控制器的負(fù)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(dá)公司去年推出了基于TI 16位單片機(jī)MSP430F20X3芯片的鋰電池充放電保護(hù)方案，據(jù)技術(shù)部張軍元介紹，鋰電池對(duì)充電器、均衡保護(hù)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(jì)數(shù)器，因此能夠滿足對(duì)電流、電壓采樣和MOS開(kāi)關(guān)的精度要求。據(jù)悉，鋰電池目前已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用在北京的電動(dòng)公交車上，具有良好的發(fā)展前途。電動(dòng)自行車目前還集中在價(jià)格3000元/輛以上的高端市場(chǎng)。
　
Cypress資深現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師經(jīng)理黃建明

　　ST劉海洋認(rèn)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(shì)；在MOS驅(qū)動(dòng)部分，分立驅(qū)動(dòng)電路占據(jù)了大部分份額，集成驅(qū)動(dòng)芯片的份額還有進(jìn)一步縮小的趨勢(shì)。
電機(jī)：無(wú)霍爾及優(yōu)化控制

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

　　無(wú)霍爾

　　凌陽(yáng)的葉新華經(jīng)理認(rèn)為電機(jī)無(wú)霍爾的優(yōu)勢(shì)是：解決了霍爾壽命短的問(wèn)題，另外，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)都不是很穩(wěn)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(xiàn)存的無(wú)霍爾傳感器產(chǎn)品主要集中于對(duì)性能要求較低的維修市場(chǎng)，但向著高性能無(wú)霍爾傳感器控制器的目標(biāo)前進(jìn)是眾多控制器廠商努力的方向。

　　優(yōu)化控制

　　同時(shí)應(yīng)當(dāng)注意到，越來(lái)越多的電機(jī)供應(yīng)商開(kāi)始把精力投入到高速電機(jī)、大功率電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等新品的研發(fā)之中。ST劉海洋說(shuō)，電機(jī)的變化往往會(huì)導(dǎo)致控制器市場(chǎng)上真正的革命性變化。當(dāng)由于新型電機(jī)的出現(xiàn)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(duì)于高速電機(jī)，控制器需要有更高的響應(yīng)速度；而對(duì)于大功率電機(jī)及永磁同步電機(jī)，普通的6步梯形波驅(qū)動(dòng)的模式已經(jīng)很難滿足對(duì)力距平穩(wěn)性以及對(duì)效率進(jìn)一步提高等等新的要求。在電動(dòng)車控制領(lǐng)域，新的控制方式已經(jīng)作為一個(gè)現(xiàn)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(chǔ)性變化對(duì)控制器主CPU的性能提出了更高的要求。

　　Cypress詳細(xì)分析了電機(jī)及單片機(jī)的變化趨勢(shì)，Cypress主任現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師蔣南和資深現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師經(jīng)理黃建明總結(jié)如下：

　　電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)優(yōu)化控制  120o六拍換相控制的BLDC電機(jī)在換相時(shí)，由于續(xù)流的作用，使得關(guān)斷相里的電感電流通過(guò)續(xù)流二極管續(xù)流，出現(xiàn)了脈動(dòng)電流，從而產(chǎn)生了脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，影響無(wú)刷直流電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)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(dòng)可通過(guò)調(diào)整PWM載波方式和重疊換相來(lái)控制。另外，為了減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，BLDC電機(jī)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(jī)力矩  自行車在起動(dòng)和爬坡時(shí)，要求電機(jī)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(yīng)速度。也可通過(guò)對(duì)BLDC電機(jī)的弱磁控制來(lái)增加電機(jī)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(dòng)車發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，提高續(xù)程的方法除了改進(jìn)蓄電技術(shù)以及驅(qū)動(dòng)策略外，還有就是剎車時(shí)采用先進(jìn)的能量回收控制。目前已有的電動(dòng)自行車能量回收方案基本上是基于電動(dòng)汽車的能量回收控制理論，但大多數(shù)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(jī)的體積和成本，同時(shí)給電動(dòng)自行車增加了一個(gè)故障源。統(tǒng)計(jì)表明，多數(shù)電動(dòng)自行車的電機(jī)損壞實(shí)際上是由于位置傳感器失效造成的。針對(duì)位置傳感器的不利因素，人們對(duì)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(diào)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)等不同設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。但在電動(dòng)自行車中，由于無(wú)位置傳感器控制技術(shù)無(wú)法解決平穩(wěn)的啟動(dòng)，因此難以得到最終客戶的認(rèn)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(wěn)啟動(dòng)。

控制器：廉價(jià)化、智能化、集成化、定制化

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

　　廉價(jià)化  Microchip的夏宇紅認(rèn)為，對(duì)于現(xiàn)有的成熟設(shè)計(jì)，追求更低的成本。選用更低價(jià)錢的元器件以及MCU，相應(yīng)地，MCU廠商會(huì)配合推出更新工藝的廉價(jià)兼容型號(hào)。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(hào)稱與8位MCU價(jià)格相當(dāng)；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(jià)位優(yōu)勢(shì)，面向電動(dòng)自行車、空調(diào)等電機(jī)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(rèn)為，MCU必須具有自檢、自維護(hù)能力，確保動(dòng)作的“萬(wàn)無(wú)一失”。另外，防盜報(bào)警功能，電源自動(dòng)識(shí)別功能，自動(dòng)識(shí)別電機(jī)、智能鎖功能等人性化設(shè)計(jì)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(bào)警，電機(jī)相序自動(dòng)判別，倒車助力，電池電量管理等。這類設(shè)計(jì)主要滿足自行車生產(chǎn)者對(duì)組裝方便性要求，以及最終客戶對(duì)舒適性，安全性等的要求。一般設(shè)計(jì)的復(fù)雜度不高，但需要單片機(jī)有更多的程序和數(shù)據(jù)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(bǔ)充道。

　　集成化  集成化可以實(shí)現(xiàn)體積小，效率高，返修率低，因此是品牌廠家的首選。世強(qiáng)電訊市場(chǎng)開(kāi)發(fā)經(jīng)理袁進(jìn)解釋說(shuō)，整車的質(zhì)量與其中的關(guān)鍵部件—無(wú)刷電機(jī)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(shè)計(jì)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，品牌廠家的控制軟件設(shè)計(jì)很容易被盜版，導(dǎo)致作坊式工廠林立，魚(yú)龍混雜，產(chǎn)品同質(zhì)化，品牌廠家無(wú)法建立核心競(jìng)爭(zhēng)力。世強(qiáng)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(dòng)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?shí)現(xiàn)了較高的集成度，并具有一定的靈活性，因此在電動(dòng)自行車市場(chǎng)攻城略地，公司北方區(qū)銷售經(jīng)理王錦鎖道出了緣由：“因?yàn)镻SoC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(dòng)自行車市場(chǎng)的龐大，并為了進(jìn)一步降低成本，一些公司開(kāi)始專門為電動(dòng)自行車業(yè)定制芯片。例如，Infineon公司為了打開(kāi)電動(dòng)自行車市場(chǎng)的大門，2006年春專門推出了8位閃存MCU，據(jù)該公司2007年財(cái)報(bào)顯示，在很短的時(shí)間內(nèi)，該公司在電動(dòng)自行車的全球市場(chǎng)份額已接近10%。Cypress中國(guó)研發(fā)總經(jīng)理周良蓀先生說(shuō)，2007年Cypress為中國(guó)一家客戶6個(gè)月內(nèi)定制了一款電動(dòng)自行車電機(jī)控制芯片，由于全部本地化，在上海設(shè)計(jì)中心定義和設(shè)計(jì)，上海宏力半導(dǎo)體公司流片，最終較短時(shí)間交付客戶。(注；本文做了部分刪節(jié)，更多精彩內(nèi)容請(qǐng)瀏覽本刊網(wǎng)站。)

參考文獻(xiàn)：

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2，王瑩，‘ST：壓賭Cortex-M3，出擊16位MCU’，電子產(chǎn)品世界2007.7