【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(xì)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(jiān)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(jī)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(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(shí)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(yuǎn)來看，軟包電池在未來的應(yīng)用可能會越來越多。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。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(jìn)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?yàn)槭謾C(jī)和筆記本電腦等主流行業(yè)已經(jīng)飽和，而電動工具是一個細(xì)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(shí)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(jī)重量過大，影響用戶體驗(yàn)。但目前大部分電動工具都已經(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題。能量密度更高的電芯可以儲存更多的能量，增強(qiáng)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(yàn)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(jī)驅(qū)動應(yīng)用和產(chǎn)品設(shè)計(jì)，對充電方面缺乏經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(jì)方案。為了實(shí)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(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。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(dá)到一半。市場需求決定了無繩鋰電電動工具的普及，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，另外一半沒有使用鋰電的電動工具主要是因?yàn)閮r(jià)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M(jìn)CU：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(jī)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(diǎn)，并推動客戶量產(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(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(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MOS散熱的問題，電動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(dá)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(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(jī)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(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，電機(jī)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(jī)噪音低，轉(zhuǎn)移波動小，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。

隨著電動工具越來趨向于無刷化，電動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)動的情況下使扭矩更加穩(wěn)定。雖然FOC控制算法對電機(jī)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(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(hù)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(jī)APP或網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)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(jī)本身的控制上進(jìn)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(shí)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(shí)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(jī)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