從技術(shù)角度探析電動(dòng)（園林）工具行業(yè)發(fā)展
——以無(wú)刷電機(jī)和鋰電池為例

邊曉東，陳長(zhǎng)卿，鄭 濤，費(fèi) 焱，王 潔

（金華市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，浙江金華 321000）

0 引言

電動(dòng)（園林）工具應(yīng)用廣泛，全球市場(chǎng)需求巨大，每年基本保持2%～3%的穩(wěn)步增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)到2025年，全球電動(dòng)工具市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)460億美元。我國(guó)的電動(dòng)（園林）工具年產(chǎn)量和銷量均排在世界第一，同時(shí)也是全球最大的電動(dòng)（園林）工具消費(fèi)市場(chǎng)之一。以金華市為例，全市電動(dòng)（園林）工具注冊(cè)企業(yè)2 480家，規(guī)上企業(yè)214家，電動(dòng)工具產(chǎn)量約占全國(guó)產(chǎn)量的1/3，園林工具產(chǎn)量約占全國(guó)產(chǎn)量的50%，產(chǎn)品出口比重超過(guò)90%，較依賴于外貿(mào)市場(chǎng)[1]。

1 國(guó)內(nèi)外電動(dòng)園林工具行業(yè)的技術(shù)現(xiàn)狀

電動(dòng)（園林）工具是指用手握持操作，以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)作業(yè)的工具。其產(chǎn)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(tǒng)電力式（有繩）和充電式（無(wú)繩）2類[2]。傳統(tǒng)電力式工具以交流電供電為主，因其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、技術(shù)相較成熟，在2010年以前是國(guó)內(nèi)外電動(dòng)（園林）工具市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。但隨著市場(chǎng)需求轉(zhuǎn)變?yōu)樾⌒突捅憬莼?，充電式產(chǎn)品開(kāi)始不斷發(fā)展，其市場(chǎng)占比從2011年的30%左右到2018年的接近50%。而在充電式產(chǎn)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(jī)為組合的產(chǎn)品，一類是以鋰電池和無(wú)刷直流電機(jī)為組合的產(chǎn)品。

鉛酸、鎳鉻、鎳氫電池和有刷直流電機(jī)的組合多在中低端產(chǎn)品中應(yīng)用，其附加價(jià)值低、使用壽命短，部分電池還會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，已經(jīng)面臨著被市場(chǎng)淘汰的風(fēng)險(xiǎn)[3]。無(wú)刷直流電機(jī)和鋰電池的組合彌補(bǔ)了傳統(tǒng)產(chǎn)品工作噪音大、電機(jī)效率低、電池比容量低等缺點(diǎn)，大大提高了電動(dòng)（園林）工具的使用壽命和單次作業(yè)時(shí)長(zhǎng)。在德國(guó)博世、美國(guó)百得、中國(guó)寶時(shí)得等行業(yè)龍頭企業(yè)中，其產(chǎn)品大部分以無(wú)刷電機(jī)和鋰電池為主。由此可見(jiàn)，無(wú)刷電機(jī)加鋰電池的組合正在成為電動(dòng)（園林）工具行業(yè)中的技術(shù)應(yīng)用主流。

2 電動(dòng)（園林）工具中的無(wú)刷電機(jī)及其控制系統(tǒng)

無(wú)刷直流電機(jī)具有維護(hù)少、噪音低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。其通過(guò)電子開(kāi)關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)換向，替代了普通直流電機(jī)的機(jī)械換向器和電刷，使用壽命得到了很大的延長(zhǎng)，最高電機(jī)效率也要比同規(guī)格的普通有刷電機(jī)提高10%左右[4]，尤其適合于電動(dòng)（園林）工具這類轉(zhuǎn)速要求高、工作環(huán)境惡劣的產(chǎn)品。

控制系統(tǒng)是無(wú)刷直流電機(jī)的指揮中心，用于實(shí)現(xiàn)精確的速度和位置控制，對(duì)電機(jī)的性能具有至關(guān)重要的影響[5]。目前，無(wú)刷直流電機(jī)大多采用PID控制策略。傳統(tǒng)PID算法具有原理簡(jiǎn)單、易于工程實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著控制精度不高等缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)電動(dòng)（園林）工具企業(yè)的研發(fā)人員多是采用這種傳統(tǒng)的PID控制策略，其數(shù)學(xué)模型的建立多以經(jīng)驗(yàn)公式為主，對(duì)于與模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制方式的結(jié)合不依賴或不完全依賴。

而電動(dòng)（園林）工具的實(shí)際工作環(huán)境復(fù)雜多變，其無(wú)刷電機(jī)的控制系統(tǒng)是一個(gè)具有多變量、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，僅僅依靠傳統(tǒng)的PID控制方法還很難理想地解決電動(dòng)（園林）工具使用中的某些實(shí)際難題，尤其是在電機(jī)參數(shù)辨識(shí)與狀態(tài)估計(jì)、電機(jī)故障檢測(cè)與診斷等方面。

因此，在傳統(tǒng)PID控制方法的基礎(chǔ)上，引入模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等智能控制方法對(duì)于提高電動(dòng)（園林）工具的產(chǎn)品性能具有重要意義，開(kāi)發(fā)多種控制方式相結(jié)合的無(wú)刷直流電機(jī)控制技術(shù)是電動(dòng)（園林）工具行業(yè)高速發(fā)展的市場(chǎng)與技術(shù)共同需求，能夠解決其中、高端產(chǎn)品“卡脖子”關(guān)鍵核心技術(shù)限制。

3 電動(dòng)（園林）工具中的鋰電池

隨著電動(dòng)（園林）工具的發(fā)展呈現(xiàn)小型化、便捷化、無(wú)繩化的趨勢(shì)，鋰電池正憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如能量密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)污染等在電動(dòng)（園林）工具行業(yè)中迅速發(fā)展。

雖然電動(dòng)（園林）工具鋰電化發(fā)展如此迅速，但從國(guó)際電動(dòng)（園林）工具龍頭企業(yè)對(duì)于鋰電池廠家的選擇非常挑剔來(lái)看，鋰電池在電動(dòng)（園林）工具行業(yè)的發(fā)展仍存在一定技術(shù)瓶頸，原因在于尚缺乏相對(duì)成熟的鋰電電池包及其管理系統(tǒng)，即電池包平臺(tái)。對(duì)于手機(jī)、筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，已有相對(duì)成熟的鋰電池管理方案，但其僅僅適用于單節(jié)鋰電池或4節(jié)以下鋰電池組的較低功率場(chǎng)合。在電動(dòng)（園林）工具行業(yè)中，鋰電池組已從3串發(fā)展到了6～10串，電池容量大，性能要求高。

國(guó)外的鋰電池及其保護(hù)技術(shù)發(fā)展相對(duì)較早，技術(shù)也領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)水平，目前電動(dòng)（園林）工具企業(yè)大多采用三星、LG、松下等日韓企業(yè)的圓柱體鋰電池。市場(chǎng)上已經(jīng)有一些基于這類鋰電池的集成保護(hù)芯片，具有電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)、負(fù)載檢測(cè)、過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)、短路保護(hù)等功能。但這類芯片并非專門針對(duì)電動(dòng)（園林）工具開(kāi)發(fā)，無(wú)法完全考慮到電動(dòng)（園林）工具使用的復(fù)雜環(huán)境。而且不同工具對(duì)電源電壓和容量的需求不同，鋰電池組的充放電保護(hù)和監(jiān)控到現(xiàn)在還沒(méi)有統(tǒng)一的方案。因此，急需研發(fā)電動(dòng)（園林）工具專用鋰電電池包平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同電壓需求的電動(dòng)（園林）工具供電，同時(shí)對(duì)電池包提供管理與保護(hù)，確保設(shè)備安全運(yùn)行。

4 關(guān)于國(guó)內(nèi)電動(dòng)（園林）工具行業(yè)發(fā)展的幾點(diǎn)建議

4.1 集中攻堅(jiān)“卡脖子”技術(shù)

要想解決國(guó)內(nèi)電動(dòng)（園林）工具行業(yè)散、亂、差的格局，打破國(guó)際龍頭企業(yè)對(duì)高端產(chǎn)品的壟斷，必須通過(guò)持續(xù)布局開(kāi)展無(wú)刷單機(jī)、無(wú)繩鋰電等關(guān)鍵“卡脖子”技術(shù)攻關(guān)，強(qiáng)化行業(yè)前沿技術(shù)的研發(fā)，推動(dòng)智能化、無(wú)繩化電動(dòng)（園林）工具可持續(xù)發(fā)展。

在無(wú)刷電機(jī)領(lǐng)域，需確定無(wú)刷電機(jī)控制器發(fā)展方向，以高精度、高性能控制為需求導(dǎo)向，為電動(dòng)（園林）工具量身定做無(wú)刷電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方案。在現(xiàn)有PID控制策略的基礎(chǔ)上，研究模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制技術(shù)，從單一的PID控制到PID控制與智能控制的結(jié)合應(yīng)用。

在鋰電池領(lǐng)域，研究適用于電動(dòng)（園林）工具產(chǎn)品的鋰電電池包平臺(tái)是其中的關(guān)鍵，既要滿足大容量、高功率的需求又要滿足高可靠、低風(fēng)險(xiǎn)的要求。

4.2 加大專業(yè)技術(shù)人才引培

鋰電池、無(wú)刷電機(jī)在電動(dòng)（園林）工具中的應(yīng)用，對(duì)于現(xiàn)有企業(yè)的研發(fā)人員來(lái)說(shuō)也是一種挑戰(zhàn)，其對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員的專業(yè)知識(shí)要求高，除了常規(guī)的機(jī)械和電機(jī)技術(shù)外，還涉及到新材料、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)等。

為打破電動(dòng)（園林）工具行業(yè)在無(wú)刷電機(jī)、鋰電池等核心零部件的技術(shù)壁壘，一是需要引進(jìn)一批“帶項(xiàng)目、帶技術(shù)、帶資金”的科技領(lǐng)軍人才，實(shí)現(xiàn)“以產(chǎn)聚才、以才強(qiáng)產(chǎn)”，推動(dòng)人才集聚與產(chǎn)業(yè)培育聯(lián)動(dòng)發(fā)展。堅(jiān)持國(guó)內(nèi)與國(guó)際并重，引進(jìn)電動(dòng)（園林）工具產(chǎn)業(yè)發(fā)展相關(guān)的高、精、尖等緊缺型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)。二是引導(dǎo)企業(yè)對(duì)接國(guó)內(nèi)外專業(yè)科研院所與高校，為研發(fā)人員提供專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)通道，創(chuàng)建電動(dòng)（園林）工具專業(yè)專家服務(wù)團(tuán)隊(duì)，為企業(yè)研發(fā)難題出謀劃策。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著電動(dòng)（園林）工具的小型化、無(wú)繩化發(fā)展，無(wú)刷電機(jī)加鋰電池的組合應(yīng)用正在成為主流，研究并開(kāi)發(fā)適用于電動(dòng)（園林）工具的無(wú)刷電機(jī)控制技術(shù)、鋰電池管理技術(shù)在其中起到了至關(guān)重要的作用，同時(shí)需注重專業(yè)技術(shù)人員和團(tuán)隊(duì)的引進(jìn)與培養(yǎng)，提升國(guó)內(nèi)電動(dòng)（園林）工具產(chǎn)品的技術(shù)品質(zhì)和企業(yè)的國(guó)際知名度。