【嗶哥嗶特導(dǎo)讀】隨著電動(dòng)工具市場(chǎng)的深入發(fā)展，鋰電電動(dòng)工具的續(xù)航問(wèn)題，MCU的性能要求以及FOC控制算法和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用又呈現(xiàn)出哪些市場(chǎng)需求?

　　電動(dòng)工具市場(chǎng)一直是半導(dǎo)體行業(yè)不容忽視的重要細(xì)分領(lǐng)域。目前，隨著電動(dòng)工具應(yīng)用的持續(xù)發(fā)展，鋰電無(wú)繩化、智能化、小型化等應(yīng)用趨勢(shì)越來(lái)越明顯。第六屆(蘇州)電功工具控制與充電技術(shù)研討會(huì)上，半導(dǎo)體器件應(yīng)用網(wǎng)就電動(dòng)工具鋰電化的續(xù)航問(wèn)題、MCU應(yīng)用的核心需求以及電動(dòng)工具創(chuàng)新發(fā)展新方向等話題與電動(dòng)工具行業(yè)的PI、豪鵬科技、凌鷗創(chuàng)芯、寶時(shí)得、中堅(jiān)科技、江蘇東成電動(dòng)工具等企業(yè)資深技術(shù)人員展開(kāi)了深度探討。

　　

　　鋰電電動(dòng)工具續(xù)航：更高能量密度及緊湊高效型的充電技術(shù)

　　從1990年代商業(yè)化開(kāi)始，鋰離子電池最初應(yīng)用于手機(jī)上，后來(lái)在2000年后逐漸應(yīng)用于電動(dòng)工具上。鋰離子電池憑借更高的能量密度和工作電壓、更長(zhǎng)的循環(huán)壽命和更好的環(huán)保性能，已讓目前大部分電動(dòng)工具實(shí)現(xiàn)了鋰電化，例如割草機(jī)、手推割草機(jī)、電扳、電錘等。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，鋰電池目前占據(jù)了電動(dòng)工具市場(chǎng)的百分之三四十左右?？梢哉f(shuō)，基本上所有汽油能做到的，現(xiàn)在都可以實(shí)現(xiàn)鋰電化。

　　

　　在無(wú)繩化的趨勢(shì)下，鋰電電動(dòng)工具產(chǎn)品幾乎90%以上都是使用鋰離子電池。目前鋰電電動(dòng)工具主要使用圓柱電池，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，軟包電池在未來(lái)的應(yīng)用可能會(huì)越來(lái)越多。因?yàn)檐洶姵乜梢愿鶕?jù)客戶需求定制不同的尺寸，使產(chǎn)品更美觀、更輕巧，軟包電池的續(xù)航和循環(huán)壽命也比圓柱電池更長(zhǎng)。豪鵬科技主任工程師陳艷表示，鋰離子電池的優(yōu)勢(shì)之一是能夠提供更高的能量密度和工作電壓，但鎳氫電池因其安全性和更寬的高低溫范圍而具有優(yōu)勢(shì)。鋰離子電池的應(yīng)用正在不斷發(fā)展，以滿足不同的應(yīng)用需求。

　　陳艷進(jìn)一步說(shuō)到，在電動(dòng)工具市場(chǎng)領(lǐng)域，鋰電池的應(yīng)用前景非常被看好，因?yàn)槭謾C(jī)和筆記本電腦等主流行業(yè)已經(jīng)飽和，而電動(dòng)工具是一個(gè)細(xì)分市場(chǎng)，未來(lái)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

　　但從另一方面看，部分電動(dòng)工具未能實(shí)現(xiàn)鋰電化，也在一定程度上提供了另一條市場(chǎng)發(fā)展之路。例如電鉆類的手持式鋰電池主要用于居家或小型應(yīng)用，而用于裝修和工地等場(chǎng)合的鋰電電動(dòng)工具需要大功率應(yīng)用，不過(guò)電池的工作時(shí)間可能比較短。

　　

　　寶時(shí)得研發(fā)部硬件工程師楊智涵指出，限制鋰電電動(dòng)工具使用的因素主要是續(xù)航和能量密度等方面。為了保持續(xù)航，電池可能需要串聯(lián)多個(gè)電芯，導(dǎo)致整機(jī)重量過(guò)大，影響用戶體驗(yàn)。但目前大部分電動(dòng)工具都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了鋰電化，并且已經(jīng)有相關(guān)的解決方案。尋求高能量密度的電芯可以解決這些問(wèn)題。能量密度更高的電芯可以儲(chǔ)存更多的能量，增強(qiáng)電池的能力。

　　關(guān)于鋰電電動(dòng)工具的續(xù)航問(wèn)題，PI資深FAE胡方兵認(rèn)為，它主要取決于電池本身，而續(xù)航問(wèn)題無(wú)法解決。隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展，電池的能量密度越來(lái)越高，因此可以用較小的電池產(chǎn)生更多的能量。為了讓客戶更好地體驗(yàn)電動(dòng)工具，市場(chǎng)需要提供更高功率的充電器，以便快速充電并提高鋰電電動(dòng)工具的利用率。因此，緊湊高效型的充電方式也是解決鋰電電動(dòng)工具續(xù)航問(wèn)題的方案之一。

　　

　　國(guó)內(nèi)電動(dòng)工具企業(yè)過(guò)去更多地關(guān)注電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用和產(chǎn)品設(shè)計(jì)，對(duì)充電方面缺乏經(jīng)驗(yàn)和能力。胡方兵表示：“由于電動(dòng)工具市場(chǎng)的客戶群在電源設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ)知識(shí)比較薄弱，我們希望為他們提供簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)方案。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，我們將盡可能地減少外圍器件的數(shù)量，并提供設(shè)計(jì)方面的支持，以便客戶能夠快速地從“0到1”推出產(chǎn)品并進(jìn)入市場(chǎng)。此外，我們還將充電器的尺寸縮小，以適應(yīng)電動(dòng)工具尺寸的減小趨勢(shì)，并推動(dòng)小型化發(fā)展?！?/p>

　　我們另外了解到，從2020年到今年，鋰電電動(dòng)工具在江蘇東成公司的銷售占比已經(jīng)達(dá)到一半。市場(chǎng)需求決定了無(wú)繩鋰電電動(dòng)工具的普及，因?yàn)樗奖闱页杀窘档?。江蘇東成研發(fā)部工程師莫小濤談到，另外一半沒(méi)有使用鋰電的電動(dòng)工具主要是因?yàn)閮r(jià)格成本和特殊場(chǎng)合的使用。例如，長(zhǎng)時(shí)間工作或需要連續(xù)打磨使用的行業(yè)，無(wú)繩鋰電電動(dòng)工具的續(xù)航可能跟不上，所以暫時(shí)無(wú)法替代。

　　據(jù)了解，PI的充電器解決方案集成了MOS管、氮化硅和氮化鉀等產(chǎn)品。就續(xù)航和成本兩個(gè)影響鋰電電動(dòng)工具應(yīng)用的阻礙因素，胡方兵認(rèn)為，充電器方案可以減少外圍器件和復(fù)雜電路的數(shù)量，從而減少人員成本、器件成本、加工成本，同時(shí)滿足產(chǎn)品可靠性要求。

　　電動(dòng)工具M(jìn)CU：同時(shí)滿足高集成度和降本需求

　　電動(dòng)工具市場(chǎng)可分為低端、中端和高端，使用的電機(jī)和技術(shù)也因此而不同。目前，電動(dòng)工具的創(chuàng)新方向主要從芯片、算法和方案上提高性能和降低成本，快速解決客戶痛點(diǎn)，并推動(dòng)客戶量產(chǎn)。據(jù)航順芯片電機(jī)算法經(jīng)理朱益芳透露，應(yīng)用端客戶目前對(duì)電動(dòng)工具的性能和功能有多重需求，例如有刷轉(zhuǎn)無(wú)刷的電機(jī)、更強(qiáng)的電池續(xù)航能力、更大的扭矩、更準(zhǔn)確和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速以及更長(zhǎng)的壽命。

　　

　　就電動(dòng)工具控制器上的MCU來(lái)說(shuō)，MCU對(duì)電流采樣精度要求越高，內(nèi)部基準(zhǔn)源就越準(zhǔn)確，采樣出來(lái)的數(shù)據(jù)也越準(zhǔn)確，更有利于控制。目前，電動(dòng)工具控制器上的MCU已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了集成化，而且相比以前的PCB板設(shè)計(jì)面積更小。

　　針對(duì)MOS散熱的問(wèn)題，電動(dòng)工具控制器更趨向于實(shí)現(xiàn)大功率和小體積，要求PCB板的功率密度更高。中堅(jiān)科技研發(fā)部研發(fā)部長(zhǎng)孟志華認(rèn)為，為了解決這一問(wèn)題，需要將許多小功率設(shè)備集中在一個(gè)芯片上，以提供更高效、更緊湊的集成化解決方案。

　　從應(yīng)用端企業(yè)的需求來(lái)看，楊智涵也表示，公司目前選擇MCU的主要方向是集成化和降本。其中MCU解決方案主要需要集成預(yù)驅(qū)電源系統(tǒng)，而且在MCU的選擇方面，國(guó)內(nèi)和國(guó)外的都有使用，具體選擇取決于具體情況，以達(dá)到降本的目的。

　　作為國(guó)產(chǎn)MCU廠商代表，為了配合推廣MCU，凌鷗創(chuàng)芯開(kāi)發(fā)了自有的控制系統(tǒng)方案。據(jù)了解，其方案集成度高，而且性能優(yōu)越，可以給客戶提供各種各樣的功能模塊，更方便使用。PCB板的面積變得更小，BOM成本也大大節(jié)省。

　　

　　此外，凌鷗創(chuàng)芯擁有強(qiáng)大的算法研發(fā)團(tuán)隊(duì)，算法也在不斷更新迭代，并且產(chǎn)品正在穩(wěn)定量產(chǎn)。凌鷗創(chuàng)芯電動(dòng)工具技術(shù)總監(jiān)李四龍表示，隨著電機(jī)技術(shù)進(jìn)步要求，將來(lái)會(huì)將方波控制切換更高層次的FOC控制算法應(yīng)用。

　　另外，楊智涵告訴記者，公司正在采用弱磁控制技術(shù)解決電池包續(xù)航問(wèn)題和低電壓下的工作效率問(wèn)題。這種技術(shù)在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手中很常見(jiàn)，但目前市場(chǎng)對(duì)其青睞有加。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠通過(guò)提高轉(zhuǎn)速來(lái)提高工作效率，可在低電壓下恒定轉(zhuǎn)速。

　　電動(dòng)工具應(yīng)用新方向：FOC控制算法和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

　　BLDC電機(jī)在電動(dòng)工具上的應(yīng)用多表現(xiàn)為體積小、高效節(jié)能、使用壽命長(zhǎng)等特性，是目前比較熱門的技術(shù)和創(chuàng)新應(yīng)用之一。目前電機(jī)控制技術(shù)也在不斷發(fā)展，從原先的三段式控制到現(xiàn)在的一段式啟動(dòng)，電機(jī)磁場(chǎng)效率大大提高，算法方面也在不斷更新迭代。

　　目前，F(xiàn)OC控制和方波控制是比較主要的應(yīng)用算法。相比而言，兩種算法各有各的優(yōu)勢(shì)。FOC控制算法的通配性可能會(huì)弱一些，而方波控制在通配性方面比FOC控制算法更好，但FOC控制算法在高速時(shí)的表現(xiàn)更好，而方波控制算法在低速時(shí)可以提供更大的轉(zhuǎn)矩，程序上也更容易處理。

　　FOC控制算法的優(yōu)勢(shì)似乎更加明顯，它能使電機(jī)噪音低，轉(zhuǎn)移波動(dòng)小，可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速控制，且輕松處理弱磁，已較多應(yīng)用于園林工具上。

　　

　　隨著電動(dòng)工具越來(lái)趨向于無(wú)刷化，電動(dòng)工具的性能和功能也要求進(jìn)一步優(yōu)化，以提高用戶的使用體驗(yàn)。例如FOC控制算法應(yīng)用于BLDC，可以在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下使扭矩更加穩(wěn)定。雖然FOC控制算法對(duì)電機(jī)本身的性能并沒(méi)有帶來(lái)太大的提升，但在成本沒(méi)有太大增加的情況下，F(xiàn)OC控制算法可以提供更好的用戶體驗(yàn)。

　　另外值得關(guān)注的是，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)因其可以提供更高效、更智能的解決方案，也受到了市場(chǎng)歡迎。

　　通常情況下，如果電動(dòng)工具產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷或瑕疵，售后維護(hù)就會(huì)很麻煩，需要將其拆開(kāi)或者召回重新返工。為了解決這個(gè)問(wèn)題，孟志華就認(rèn)為，可以使用OTA芯片等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)手機(jī)APP或網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行升級(jí)，避免返工或召回的問(wèn)題。此外，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還可以定期評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)的使用狀態(tài)，根據(jù)用戶需求定制不同的產(chǎn)品設(shè)置。

　　莫小濤也提到，除了在電機(jī)本身的控制上進(jìn)行提升，還有一種趨勢(shì)是將電動(dòng)工具與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)工具產(chǎn)品的智能化、多樣化。這種需求在汽車裝配、鐵路維修和船廠等產(chǎn)業(yè)工裝中比較常見(jiàn)。通過(guò)聯(lián)網(wǎng)，電動(dòng)工具不僅可以記錄打螺絲的個(gè)數(shù)和扭矩，防止漏打或扭矩不足，而且可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，提高工作效率和安全性。

　　小結(jié)：

　　第六屆(蘇州)電功工具控制與充電技術(shù)研討會(huì)上，行業(yè)工程師們都帶有非常高的參會(huì)熱情，現(xiàn)場(chǎng)氣氛高漲。在助力華東地區(qū)的電動(dòng)工具行業(yè)發(fā)展中，研討會(huì)為上游元器件供應(yīng)商和下游應(yīng)用整機(jī)廠商提供了有效的溝通平臺(tái)，在解決電動(dòng)工具鋰電化、技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用和元器件匹配需求等問(wèn)題上提供了參考和借鑒意義。

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