电动自行车：技术市场趋势

摘要： 本文主要介绍了电动自行车的市场现状和芯片供应商的技术开发方向。

关键词： 电动自行车；MCU；电机；BLDC；控制

　　撼动了传统脚踏自行车和摩托车，电动自行车以经济、快捷的特点为人们的出行方式带来了革命性的影响，并在城市中悄然兴起。据瑞萨公司介绍，我国电动自行车市场2006年达到了1600万台产销记录，2007年电动车市场出现了停滞，甚至是下滑，很多专家分析电动车的市场平衡点已经到来。Infineon(英飞凌)公司2007年财务报表非常乐观，认为2007年中国电动自行车的产量达到1850万辆，今后几年之内，该市场将保持大约25%的增长率。之所以有上述数据不同，有专家认为是由于我国电动自行车也开始出口，面向海外市场，例如日本中、老年人也开始用电动自行车。据世强电讯透露，电动自行车在我国经过近8年的发展，注册的商标已达2000多个。

　　尽管各家的统计数据不尽相同，但是都显示了一个共同的信息：电动自行车市场可观。因此众多IC商家在此开拓正酣。
　
Microchip大中华区应用工程师经理夏宇红

控制器市场：

价格敏感  群雄混战  将浪淘沙

　　零售业与高新技术不同，利润很薄，因此价格意识强，从采购到维修甚至到更新，必须要很省钱，才能被零售业接受。
　
电动自行车—凌阳公司提供

　　另外，“电动自行车市场的独特性在于：绝大多数电动自行车厂商，不论品牌大小，基本都不会自行设计控制器，因而造就了许多以设计和生产电动自行车控制器的设计中心或配套商的出现。”Microchip大中华区应用工程师经理夏宇红介绍道：和很多产业一样，电动自行车厂商非常关注品牌、品质(包括控制器的品质)、安全性和成本等等。尤其是在去年金属价格上涨的环境下，如何在保证品质和安全性的前提下节省成本，是电动自行车厂商们一直关注的地方。因此，电动自行车厂商并不关心这些采购来的控制器是哪家品牌MCU(单片机)所设计的，他们关心的只是如何减少本身的生产成本。因此，控制器供货商唯有在设计和元器件上寻求更低的成本，采用更廉价的MCU或者更便宜的功率器件。与此矛盾的是，电动自行车厂商其实也会担心太高的不良率会影响他们的品牌。因此，在此生态下，只有能同时达到成本低、解决方案全面、产品质量有保证的控制器厂商较占优势。

　　的确，经历了群雄四起的阶段，必将迎来大浪淘沙时期。ST北中国区通用单片机和存储器产品部经理刘海洋分析认为，只有那些质量信得过的品牌MCU厂家才能站得住脚。因此尽管目前电动自行车控制器市场由于入门门槛低，没有强制性行业标准和缺乏有力的知识产权保护措施，导致市场上的控制器产品质量参差不齐，并产生由于抄袭带来的功能雷同、产品利润下降等问题。但是如何更好地配置成本和及时推陈出新是控制器厂商关心的焦点。控制器方案随着市场的变化而变化，对于大多数控制器厂商而言，当市场由于某种原因出现变化的时候，如何能顺应市场要求并且迅速做出反应是至关重要的，因此选择一个稳定、可持续发展的MCU开发平台是重中之重。
　
ST北中国区通用单片机和存储器产品部经理刘海洋
　
凌阳单片机推广中心工控产品部经理叶新华

电控：电池、电机、控制器三位一体

　　控制器、电池和电机共同构成了电动车的动力及控制部分，控制器保证电池和电机的高效工作。在市场需求的推动下，伴随着电池和电机的发展，控制器的研发也经历了从使用专用集成芯片到使用通用MCU，从低电压、小功率、单一功能到高电压、大功率、多功能的发展过程。电池及电机的技术革新促进了控制器的革新，并引导着控制器的研发方向；同时控制器的发展也反过来促进了电池与电机的发展，并保障了新型电池与电机实际应用的可能。

电池与电源：大容量、高电压

　　电动自行车设计时速16~25千米/小时，尽管出厂时标榜50~60公里充一次电，铅酸电池可以用2年半，锂电寿命5年左右，但部分消费者表示期盼更长的电池使用寿命，和进一步提高续航能力。
　
　　因此，电池与电源问题再次凸现。据ST刘海洋介绍，现在电池的主流产品是48V铅酸电池。从提高续航能力及效率的角度来看，今后的发展方向是更大容量、更高电压的电池。目前市场上已经开始出现60V甚至更高电压的电池组，这种电池组与现有的电池组相比，可以在保证同样功率的条件下输出更小的电流，这无疑对减小发热量及提高效率是很有意义的。但同时应该注意到，这对控制器的耐压性提出了更高的要求。此外，一些扩展功能也与电池密切相关，例如电刹与流行一时的滑行反充电功能，除去其对MOS管的冲击以外，对电池也有一定的影响，如果不能及时响应或控制不当，极易造成对电池、电机及控制器的负面影响。

　　锂电池由于其高能量密度及良好的环保特性，也开始小荷露角。利尔达公司去年推出了基于TI 16位单片机MSP430F20X3芯片的锂电池充放电保护方案，据技术部张军元介绍，锂电池对充电器、均衡保护电路的要求比较苛刻，特别是锂电池均衡控制需要较高的控制精度，MSP430F20X3具有16位A/D和16位计数器，因此能够满足对电流、电压采样和MOS开关的精度要求。据悉，锂电池目前已经开始应用在北京的电动公交车上，具有良好的发展前途。电动自行车目前还集中在价格3000元/辆以上的高端市场。
　
Cypress资深现场应用工程师经理黄建明

　　ST刘海洋认为在中、低端市场(价格1000~3000元/辆左右)，电源部分LM317取代了7812/7815，而它本身也有被分立电源取代的趋势；在MOS驱动部分，分立驱动电路占据了大部分份额，集成驱动芯片的份额还有进一步缩小的趋势。
电机：无霍尔及优化控制

　　在高端市场，产品的竞争与发展取决于性能、品质及技术革新，特别是电机与控制器的发展，例如无霍尔、电机及控制器的改进等。

　　无霍尔

　　凌阳的叶新华经理认为电机无霍尔的优势是：解决了霍尔寿命短的问题，另外，电机的驱动线任意接，使得生产、维修非常方便。但现在的方案零启动都不是很稳定，所以如果零启动问题能解决掉，无霍尔的控制器会有很大的市场。ST刘海洋也有同感，指出现存的无霍尔传感器产品主要集中于对性能要求较低的维修市场，但向着高性能无霍尔传感器控制器的目标前进是众多控制器厂商努力的方向。

　　优化控制

　　同时应当注意到，越来越多的电机供应商开始把精力投入到高速电机、大功率电机、永磁同步电机和开关磁阻电机等新品的研发之中。ST刘海洋说，电机的变化往往会导致控制器市场上真正的革命性变化。当由于新型电机的出现带来控制方式改变时，往往就是控制器市场重新划分利益格局的时候了。对于高速电机，控制器需要有更高的响应速度；而对于大功率电机及永磁同步电机，普通的6步梯形波驱动的模式已经很难满足对力距平稳性以及对效率进一步提高等等新的要求。在电动车控制领域，新的控制方式已经作为一个现实的问题需要被安排在新型控制器研发的日程表上。而这些新的基础性变化对控制器主CPU的性能提出了更高的要求。

　　Cypress详细分析了电机及单片机的变化趋势，Cypress主任现场应用工程师蒋南和资深现场应用工程师经理黄建明总结如下：

　　电机转矩脉动优化控制  120o六拍换相控制的BLDC电机在换相时，由于续流的作用，使得关断相里的电感电流通过续流二极管续流，出现了脉动电流，从而产生了脉动转矩，影响无刷直流电机的平稳运行，增加噪声并降低效率。通常抑制电流换相引起的转矩脉动可通过调整PWM载波方式和重叠换相来控制。另外，为了减少转矩脉动，BLDC电机的控制方法的研究正在从传统的120o控制方法到180o的控制方法转换。

　　增加电机力矩  自行车在起动和爬坡时，要求电机及控制器有充分的过载能力，以提供足够的起动和爬坡力矩。通常，通过增加电流闭环控制可获得更大的起动力矩和响应速度。也可通过对BLDC电机的弱磁控制来增加电机的力矩。

　　能量再生控制及辅助电子刹车  续程性能一直是制约电动车发展的关键因素之一，提高续程的方法除了改进蓄电技术以及驱动策略外，还有就是刹车时采用先进的能量回收控制。目前已有的电动自行车能量回收方案基本上是基于电动汽车的能量回收控制理论，但大多数控制器并没有充分进行能量回收控制，只是作为ABS辅助刹车时的一个附加功能。
　
　　无位置传感器的BLDC控制  位置传感器的存在增加了电机的体积和成本，同时给电动自行车增加了一个故障源。统计表明，多数电动自行车的电机损坏实际上是由于位置传感器失效造成的。针对位置传感器的不利因素，人们对无位置传感器的BLDC控制技术进行了很多的研究，并在空调系统、风机等不同设计中得到广泛的应用。但在电动自行车中，由于无位置传感器控制技术无法解决平稳的启动，因此难以得到最终客户的认可，而一直没有得到广泛的使用。所以，该技术目前的瓶颈是如何解决平稳启动。

控制器：廉价化、智能化、集成化、定制化

　　MCU在电动自行车中通常需要用两块，一块主要用于电机控制，一块用于电源管理。这里主要针对普通单片机的特点进行总结。

　　廉价化  Microchip的夏宇红认为，对于现有的成熟设计，追求更低的成本。选用更低价钱的元器件以及MCU，相应地，MCU厂商会配合推出更新工艺的廉价兼容型号。因此，8位MCU是主流产品。但是也有16或32位MCU涉足此市场，但前提是自信其价格可以和8位或16位MCU抗衡，例如TI公司的MSP430系列号称与8位MCU价格相当；ST公司2007年6月宣布基于ARM Cortex-M3的32位闪存MCU—STM32F10X系列，结合了32位高性能与16位低价位优势，面向电动自行车、空调等电机控制市场。

　　智能化 “电子控制单元智能化重要。”凌阳叶新华经理认为，MCU必须具有自检、自维护能力，确保动作的“万无一失”。另外，防盗报警功能，电源自动识别功能，自动识别电机、智能锁功能等人性化设计都是技术上的发展方向。Cypress的蒋南和黄建明也提出，控制器需要更丰富的附加功能，例如防盗报警，电机相序自动判别，倒车助力，电池电量管理等。这类设计主要满足自行车生产者对组装方便性要求，以及最终客户对舒适性，安全性等的要求。一般设计的复杂度不高，但需要单片机有更多的程序和数据空间。“但防盗，娱乐等附加功能非本质改进，故而不会成为主流。”Microchip夏宇红补充道。

　　集成化  集成化可以实现体积小，效率高，返修率低，因此是品牌厂家的首选。世强电讯市场开发经理袁进解释说，整车的质量与其中的关键部件—无刷电机控制器的质量密切相关。目前市场上普遍使用的控制器方案设计陈旧，外部分立元件多，任何一个元件失效都会影响到电控器质量。此外，MCU保密性不好，品牌厂家的控制软件设计很容易被盗版，导致作坊式工厂林立，鱼龙混杂，产品同质化，品牌厂家无法建立核心竞争力。世强代理的Silicon Laboratories公司的C8051F313控制器方案，内部集成多路PWM控制单元，动态I/O分配，内置多路A/D，内置晶振，在线软件编程，减少了外部元件的数目，提高了可靠性，保密性高。受到品牌厂家欢迎。Cypress公司的PSoC(可编程SoC)这几年也由于在8位MCU周边集成了可编程的数模混合电路，实现了较高的集成度，并具有一定的灵活性，因此在电动自行车市场攻城略地，公司北方区销售经理王锦锁道出了缘由：“因为PSoC方案集成度高，可帮助客户节省了成本，但最主要原因是降低了客户的返修率。”

　　定制化 由于电动自行车市场的庞大，并为了进一步降低成本，一些公司开始专门为电动自行车业定制芯片。例如，Infineon公司为了打开电动自行车市场的大门，2006年春专门推出了8位闪存MCU，据该公司2007年财报显示，在很短的时间内，该公司在电动自行车的全球市场份额已接近10%。Cypress中国研发总经理周良荪先生说，2007年Cypress为中国一家客户6个月内定制了一款电动自行车电机控制芯片，由于全部本地化，在上海设计中心定义和设计，上海宏力半导体公司流片，最终较短时间交付客户。(注；本文做了部分删节，更多精彩内容请浏览本刊网站。)

参考文献：

1，张军元，‘电动自行车锂电池充放电保护方案’，电子产品世界2007.6.
2，王莹，‘ST：压赌Cortex-M3，出击16位MCU’，电子产品世界2007.7