【嗶哥嗶特導(dǎo)讀】隨著電動工具市場的深入發(fā)展，鋰電電動工具的續(xù)航問題，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)出哪些市場需求?

電動工具市場一直是半導(dǎo)體行業(yè)不容忽視的重要細分領(lǐng)域。目前，隨著電動工具應(yīng)用的持續(xù)發(fā)展，鋰電無繩化、智能化、小型化等應(yīng)用趨勢越來越明顯。第六屆(蘇州)電功工具控制與充電技術(shù)研討會上，半導(dǎo)體器件應(yīng)用網(wǎng)就電動工具鋰電化的續(xù)航問題、MCU應(yīng)用的核心需求以及電動工具創(chuàng)新發(fā)展新方向等話題與電動工具行業(yè)的PI、豪鵬科技、凌鷗創(chuàng)芯、寶時得、中堅科技、江蘇東成電動工具等企業(yè)資深技術(shù)人員展開了深度探討。

鋰電電動工具續(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)化開始，鋰離子電池最初應(yīng)用于手機上，后來在2000年后逐漸應(yīng)用于電動工具上。鋰離子電池憑借更高的能量密度和工作電壓、更長的循環(huán)壽命和更好的環(huán)保性能，已讓目前大部分電動工具實現(xiàn)了鋰電化，例如割草機、手推割草機、電扳、電錘等。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，鋰電池目前占據(jù)了電動工具市場的百分之三四十左右。可以說，基本上所有汽油能做到的，現(xiàn)在都可以實現(xiàn)鋰電化。

在無繩化的趨勢下，鋰電電動工具產(chǎn)品幾乎90%以上都是使用鋰離子電池。目前鋰電電動工具主要使用圓柱電池，但是從長遠來看，軟包電池在未來的應(yīng)用可能會越來越多。因為軟包電池可以根據(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。豪鵬科技主任工程師陳艷表示，鋰離子電池的優(yōu)勢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。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。

陳艷進一步說到，在電動工具市場領(lǐng)域，鋰電池的應(yīng)用前景非常被看好，因為手機和筆記本電腦等主流行業(yè)已經(jīng)飽和，而電動工具是一個細分市場，未來發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

但從另一方面看，部分電動工具未能實現(xiàn)鋰電化，也在一定程度上提供了另一條市場發(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合的鋰電電動工具需要大功率應(yīng)用，不過電池的工作時間可能比較短。

寶時得研發(fā)部硬件工程師楊智涵指出，限制鋰電電動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)多個電芯，導(dǎo)致整機重量過大，影響用戶體驗。但目前大部分電動工具都已經(jīng)實現(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題。能量密度更高的電芯可以儲存更多的能量，增強電池的能力。

關(guān)于鋰電電動工具的續(xù)航問題，PI資深FAE胡方兵認(rèn)為，它主要取決于電池本身，而續(xù)航問題無法解決。隨著電動汽車技術(shù)的發(fā)展，電池的能量密度越來越高，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電動工具，市場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工具續(xù)航問題的方案之一。

國內(nèi)電動工具企業(yè)過去更多地關(guān)注電機驅(qū)動應(yīng)用和產(chǎn)品設(shè)計，對充電方面缺乏經(jīng)驗和能力。胡方兵表示：“由于電動工具市場的客戶群在電源設(shè)計方面的基礎(chǔ)知識比較薄弱，我們希望為他們提供簡便的設(shè)計方案。為了實現(xiàn)這個目標(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)品并進入市場。此外，我們還將充電器的尺寸縮小，以適應(yīng)電動工具尺寸的減小趨勢，并推動小型化發(fā)展。”

我們另外了解到，從2020年到今年，鋰電電動工具在江蘇東成公司的銷售占比已經(jīng)達到一半。市場需求決定了無繩鋰電電動工具的普及，因為它方便且成本降低。江蘇東成研發(fā)部工程師莫小濤談到，另外一半沒有使用鋰電的電動工具主要是因為價格成本和特殊場合的使用。例如，長時間工作或需要連續(xù)打磨使用的行業(yè)，無繩鋰電電動工具的續(xù)航可能跟不上，所以暫時無法替代。

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)航和成本兩個影響鋰電電動工具應(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，同時滿足產(chǎn)品可靠性要求。

電動工具MCU：同時滿足高集成度和降本需求

電動工具市場可分為低端、中端和高端，使用的電機和技術(shù)也因此而不同。目前，電動工具的創(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，并推動客戶量產(chǎn)。據(jù)航順芯片電機算法經(jīng)理朱益芳透露，應(yīng)用端客戶目前對電動工具的性能和功能有多重需求，例如有刷轉(zhuǎn)無刷的電機、更強的電池續(xù)航能力、更大的扭矩、更準(zhǔn)確和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速以及更長的壽命。

就電動工具控制器上的MCU來說，MCU對電流采樣精度要求越高，內(nèi)部基準(zhǔn)源就越準(zhǔn)確，采樣出來的數(shù)據(jù)也越準(zhǔn)確，更有利于控制。目前，電動工具控制器上的MCU已經(jīng)基本實現(xiàn)了集成化，而且相比以前的PCB板設(shè)計面積更小。

針對MOS散熱的問題，電動工具控制器更趨向于實現(xiàn)大功率和小體積，要求PCB板的功率密度更高。中堅科技研發(fā)部研發(fā)部長孟志華認(rèn)為，為了解決這一問題，需要將許多小功率設(shè)備集中在一個芯片上，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，國內(nèi)和國外的都有使用，具體選擇取決于具體情況，以達到降本的目的。

作為國產(chǎn)MCU廠商代表，為了配合推廣MCU，凌鷗創(chuàng)芯開發(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)芯擁有強大的算法研發(fā)團隊，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)芯電動工具技術(shù)總監(jiān)李四龍表示，隨著電機技術(shù)進步要求，將來會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)航問題和低電壓下的工作效率問題。這種技術(shù)在競爭對手中很常見，但目前市場對其青睞有加。該技術(shù)的優(yōu)勢在于能夠通過提高轉(zhuǎn)速來提高工作效率，可在低電壓下恒定轉(zhuǎn)速。

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

BLDC電機在電動工具上的應(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，電機磁場效率大大提高，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。FOC控制算法的通配性可能會弱一些，而方波控制在通配性方面比FOC控制算法更好，但FOC控制算法在高速時的表現(xiàn)更好，而方波控制算法在低速時可以提供更大的轉(zhuǎn)矩，程序上也更容易處理。

FOC控制算法的優(yōu)勢似乎更加明顯，它能使電機噪音低，轉(zhuǎn)移波動小，可以實現(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。

隨著電動工具越來趨向于無刷化，電動工具的性能和功能也要求進一步優(yōu)化，以提高用戶的使用體驗。例如FOC控制算法應(yīng)用于BLDC，可以在高速轉(zhuǎn)動的情況下使扭矩更加穩(wěn)定。雖然FOC控制算法對電機本身的性能并沒有帶來太大的提升，但在成本沒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。

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，也受到了市場歡迎。

通常情況下，如果電動工具產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷或瑕疵，售后維護就會很麻煩，需要將其拆開或者召回重新返工。為了解決這個問題，孟志華就認(rèn)為，可以使用OTA芯片等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過手機APP或網(wǎng)絡(luò)連接進行升級，避免返工或召回的問題。此外，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還可以定期評估整個系統(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，除了在電機本身的控制上進行提升，還有一種趨勢是將電動工具與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，實現(xiàn)電動工具產(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。通過聯(lián)網(wǎng)，電動工具不僅可以記錄打螺絲的個數(shù)和扭矩，防止漏打或扭矩不足，而且可以實時監(jiān)測和控制，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)研討會上，行業(yè)工程師們都帶有非常高的參會熱情，現(xiàn)場氣氛高漲。在助力華東地區(qū)的電動工具行業(yè)發(fā)展中，研討會為上游元器件供應(yīng)商和下游應(yīng)用整機廠商提供了有效的溝通平臺，在解決電動工具鋰電化、技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用和元器件匹配需求等問題上提供了參考和借鑒意義。

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審核編輯 黃宇