從技術角度探析電動（園林）工具行業發展
——以無刷電機和鋰電池為例

邊曉東，陳長卿，鄭 濤，費 焱，王 潔

（金華市農業科學研究院，浙江金華 321000）

0 引言

電動（園林）工具應用廣泛，全球市場需求巨大，每年基本保持2%～3%的穩步增長。預計到2025年，全球電動工具市場規模可達460億美元。我國的電動（園林）工具年產量和銷量均排在世界第一，同時也是全球最大的電動（園林）工具消費市場之一。以金華市為例，全市電動（園林）工具注冊企業2 480家，規上企業214家，電動工具產量約占全國產量的1/3，園林工具產量約占全國產量的50%，產品出口比重超過90%，較依賴于外貿市場[1]。

1 國內外電動園林工具行業的技術現狀

電動（園林）工具是指用手握持操作，以電動機作為動力，通過傳動機構來驅動作業的工具。其產品包括金屬切割、磨砂、裝配、加工、建筑、園林綠化類等，主要可分為傳統電力式（有繩）和充電式（無繩）2類[2]。傳統電力式工具以交流電供電為主，因其生產工藝簡單、技術相較成熟，在2010年以前是國內外電動（園林）工具市場的主流產品。但隨著市場需求轉變為小型化和便捷化，充電式產品開始不斷發展，其市場占比從2011年的30%左右到2018年的接近50%。而在充電式產品中又可分為兩類，一類是以鉛酸、鎳鉻、鎳氫電池和有刷直流電機為組合的產品，一類是以鋰電池和無刷直流電機為組合的產品。

鉛酸、鎳鉻、鎳氫電池和有刷直流電機的組合多在中低端產品中應用，其附加價值低、使用壽命短，部分電池還會對環境產生污染，已經面臨著被市場淘汰的風險[3]。無刷直流電機和鋰電池的組合彌補了傳統產品工作噪音大、電機效率低、電池比容量低等缺點，大大提高了電動（園林）工具的使用壽命和單次作業時長。在德國博世、美國百得、中國寶時得等行業龍頭企業中，其產品大部分以無刷電機和鋰電池為主。由此可見，無刷電機加鋰電池的組合正在成為電動（園林）工具行業中的技術應用主流。

2 電動（園林）工具中的無刷電機及其控制系統

無刷直流電機具有維護少、噪音低、效率高等優點。其通過電子開關器件來實現換向，替代了普通直流電機的機械換向器和電刷，使用壽命得到了很大的延長，最高電機效率也要比同規格的普通有刷電機提高10%左右[4]，尤其適合于電動（園林）工具這類轉速要求高、工作環境惡劣的產品。

控制系統是無刷直流電機的指揮中心，用于實現精確的速度和位置控制，對電機的性能具有至關重要的影響[5]。目前，無刷直流電機大多采用PID控制策略。傳統PID算法具有原理簡單、易于工程實現等優點，但也存在著控制精度不高等缺點。國內電動（園林）工具企業的研發人員多是采用這種傳統的PID控制策略，其數學模型的建立多以經驗公式為主，對于與模糊控制、神經網絡控制等智能控制方式的結合不依賴或不完全依賴。

而電動（園林）工具的實際工作環境復雜多變，其無刷電機的控制系統是一個具有多變量、強耦合的非線性系統，僅僅依靠傳統的PID控制方法還很難理想地解決電動（園林）工具使用中的某些實際難題，尤其是在電機參數辨識與狀態估計、電機故障檢測與診斷等方面。

因此，在傳統PID控制方法的基礎上，引入模糊算法、神經網絡算法等智能控制方法對于提高電動（園林）工具的產品性能具有重要意義，開發多種控制方式相結合的無刷直流電機控制技術是電動（園林）工具行業高速發展的市場與技術共同需求，能夠解決其中、高端產品“卡脖子”關鍵核心技術限制。

3 電動（園林）工具中的鋰電池

隨著電動（園林）工具的發展呈現小型化、便捷化、無繩化的趨勢，鋰電池正憑借其獨特的優勢，如能量密度大、循環壽命長、無污染等在電動（園林）工具行業中迅速發展。

雖然電動（園林）工具鋰電化發展如此迅速，但從國際電動（園林）工具龍頭企業對于鋰電池廠家的選擇非常挑剔來看，鋰電池在電動（園林）工具行業的發展仍存在一定技術瓶頸，原因在于尚缺乏相對成熟的鋰電電池包及其管理系統，即電池包平臺。對于手機、筆記本電腦等便攜式電子設備來說，已有相對成熟的鋰電池管理方案，但其僅僅適用于單節鋰電池或4節以下鋰電池組的較低功率場合。在電動（園林）工具行業中，鋰電池組已從3串發展到了6～10串，電池容量大，性能要求高。

國外的鋰電池及其保護技術發展相對較早，技術也領先于國內水平，目前電動（園林）工具企業大多采用三星、LG、松下等日韓企業的圓柱體鋰電池。市場上已經有一些基于這類鋰電池的集成保護芯片，具有電壓檢測、電流檢測、負載檢測、過充電保護、過放電保護、短路保護等功能。但這類芯片并非專門針對電動（園林）工具開發，無法完全考慮到電動（園林）工具使用的復雜環境。而且不同工具對電源電壓和容量的需求不同，鋰電池組的充放電保護和監控到現在還沒有統一的方案。因此，急需研發電動（園林）工具專用鋰電電池包平臺來實現對不同電壓需求的電動（園林）工具供電，同時對電池包提供管理與保護，確保設備安全運行。

4 關于國內電動（園林）工具行業發展的幾點建議

4.1 集中攻堅“卡脖子”技術

要想解決國內電動（園林）工具行業散、亂、差的格局，打破國際龍頭企業對高端產品的壟斷，必須通過持續布局開展無刷單機、無繩鋰電等關鍵“卡脖子”技術攻關，強化行業前沿技術的研發，推動智能化、無繩化電動（園林）工具可持續發展。

在無刷電機領域，需確定無刷電機控制器發展方向，以高精度、高性能控制為需求導向，為電動（園林）工具量身定做無刷電機及其驅動器設計方案。在現有PID控制策略的基礎上，研究模糊控制、神經網絡控制等智能控制技術，從單一的PID控制到PID控制與智能控制的結合應用。

在鋰電池領域，研究適用于電動（園林）工具產品的鋰電電池包平臺是其中的關鍵，既要滿足大容量、高功率的需求又要滿足高可靠、低風險的要求。

4.2 加大專業技術人才引培

鋰電池、無刷電機在電動（園林）工具中的應用，對于現有企業的研發人員來說也是一種挑戰，其對產品開發人員的專業知識要求高，除了常規的機械和電機技術外，還涉及到新材料、電子技術、計算機技術和軟件技術等。

為打破電動（園林）工具行業在無刷電機、鋰電池等核心零部件的技術壁壘，一是需要引進一批“帶項目、帶技術、帶資金”的科技領軍人才，實現“以產聚才、以才強產”，推動人才集聚與產業培育聯動發展。堅持國內與國際并重，引進電動（園林）工具產業發展相關的高、精、尖等緊缺型創新創業團隊。二是引導企業對接國內外專業科研院所與高校，為研發人員提供專業技術培訓通道，創建電動（園林）工具專業專家服務團隊，為企業研發難題出謀劃策。

5 結語

隨著電動（園林）工具的小型化、無繩化發展，無刷電機加鋰電池的組合應用正在成為主流，研究并開發適用于電動（園林）工具的無刷電機控制技術、鋰電池管理技術在其中起到了至關重要的作用，同時需注重專業技術人員和團隊的引進與培養，提升國內電動（園林）工具產品的技術品質和企業的國際知名度。