电功工具控制与充电技术出现新应用
【哔哥哔特导读】随着电动工具市场的深入发展，锂电电动工具的续航问题，MCU的性能要求以及FOC控制算法和物联网技术应用又呈现出哪些市场需求?
电动工具市场一直是半导体行业不容忽视的重要细分领域。目前，随着电动工具应用的持续发展，锂电无绳化、智能化、小型化等应用趋势越来越明显。第六届(苏州)电功工具控制与充电技术研讨会上，半导体器件应用网就电动工具锂电化的续航问题、MCU应用的核心需求以及电动工具创新发展新方向等话题与电动工具行业的PI、豪鹏科技、凌鸥创芯、宝时得、中坚科技、江苏东成电动工具等企业资深技术人员展开了深度探讨。
锂电电动工具续航：更高能量密度及紧凑高效型的充电技术
从1990年代商业化开始，锂离子电池最初应用于手机上，后来在2000年后逐渐应用于电动工具上。锂离子电池凭借更高的能量密度和工作电压、更长的循环寿命和更好的环保性能，已让目前大部分电动工具实现了锂电化，例如割草机、手推割草机、电扳、电锤等。据相关统计数据，锂电池目前占据了电动工具市场的百分之三四十左右。可以说，基本上所有汽油能做到的，现在都可以实现锂电化。
在无绳化的趋势下，锂电电动工具产品几乎90%以上都是使用锂离子电池。目前锂电电动工具主要使用圆柱电池，但是从长远来看，软包电池在未来的应用可能会越来越多。因为软包电池可以根据客户需求定制不同的尺寸，使产品更美观、更轻巧，软包电池的续航和循环寿命也比圆柱电池更长。豪鹏科技主任工程师陈艳表示，锂离子电池的优势之一是能够提供更高的能量密度和工作电压，但镍氢电池因其安全性和更宽的高低温范围而具有优势。锂离子电池的应用正在不断发展，以满足不同的应用需求。
陈艳进一步说到，在电动工具市场领域，锂电池的应用前景非常被看好，因为手机和笔记本电脑等主流行业已经饱和，而电动工具是一个细分市场，未来发展潜力巨大。
但从另一方面看，部分电动工具未能实现锂电化，也在一定程度上提供了另一条市场发展之路。例如电钻类的手持式锂电池主要用于居家或小型应用，而用于装修和工地等场合的锂电电动工具需要大功率应用，不过电池的工作时间可能比较短。
宝时得研发部硬件工程师杨智涵指出，限制锂电电动工具使用的因素主要是续航和能量密度等方面。为了保持续航，电池可能需要串联多个电芯，导致整机重量过大，影响用户体验。但目前大部分电动工具都已经实现了锂电化，并且已经有相关的解决方案。寻求高能量密度的电芯可以解决这些问题。能量密度更高的电芯可以储存更多的能量，增强电池的能力。
关于锂电电动工具的续航问题，PI资深FAE胡方兵认为，它主要取决于电池本身，而续航问题无法解决。随着电动汽车技术的发展，电池的能量密度越来越高，因此可以用较小的电池产生更多的能量。为了让客户更好地体验电动工具，市场需要提供更高功率的充电器，以便快速充电并提高锂电电动工具的利用率。因此，紧凑高效型的充电方式也是解决锂电电动工具续航问题的方案之一。
国内电动工具企业过去更多地关注电机驱动应用和产品设计，对充电方面缺乏经验和能力。胡方兵表示：“由于电动工具市场的客户群在电源设计方面的基础知识比较薄弱，我们希望为他们提供简便的设计方案。为了实现这个目标，我们将尽可能地减少外围器件的数量，并提供设计方面的支持，以便客户能够快速地从“0到1”推出产品并进入市场。此外，我们还将充电器的尺寸缩小，以适应电动工具尺寸的减小趋势，并推动小型化发展。”
我们另外了解到，从2020年到今年，锂电电动工具在江苏东成公司的销售占比已经达到一半。市场需求决定了无绳锂电电动工具的普及，因为它方便且成本降低。江苏东成研发部工程师莫小涛谈到，另外一半没有使用锂电的电动工具主要是因为价格成本和特殊场合的使用。例如，长时间工作或需要连续打磨使用的行业，无绳锂电电动工具的续航可能跟不上，所以暂时无法替代。
据了解，PI的充电器解决方案集成了MOS管、氮化硅和氮化钾等产品。就续航和成本两个影响锂电电动工具应用的阻碍因素，胡方兵认为，充电器方案可以减少外围器件和复杂电路的数量，从而减少人员成本、器件成本、加工成本，同时满足产品可靠性要求。
电动工具MCU：同时满足高集成度和降本需求
电动工具市场可分为低端、中端和高端，使用的电机和技术也因此而不同。目前，电动工具的创新方向主要从芯片、算法和方案上提高性能和降低成本，快速解决客户痛点，并推动客户量产。据航顺芯片电机算法经理朱益芳透露，应用端客户目前对电动工具的性能和功能有多重需求，例如有刷转无刷的电机、更强的电池续航能力、更大的扭矩、更准确和稳定的转速以及更长的寿命。
就电动工具控制器上的MCU来说，MCU对电流采样精度要求越高，内部基准源就越准确，采样出来的数据也越准确，更有利于控制。目前，电动工具控制器上的MCU已经基本实现了集成化，而且相比以前的PCB板设计面积更小。
针对MOS散热的问题，电动工具控制器更趋向于实现大功率和小体积，要求PCB板的功率密度更高。中坚科技研发部研发部长孟志华认为，为了解决这一问题，需要将许多小功率设备集中在一个芯片上，以提供更高效、更紧凑的集成化解决方案。
从应用端企业的需求来看，杨智涵也表示，公司目前选择MCU的主要方向是集成化和降本。其中MCU解决方案主要需要集成预驱电源系统，而且在MCU的选择方面，国内和国外的都有使用，具体选择取决于具体情况，以达到降本的目的。
作为国产MCU厂商代表，为了配合推广MCU，凌鸥创芯开发了自有的控制系统方案。据了解，其方案集成度高，而且性能优越，可以给客户提供各种各样的功能模块，更方便使用。PCB板的面积变得更小，BOM成本也大大节省。
此外，凌鸥创芯拥有强大的算法研发团队，算法也在不断更新迭代，并且产品正在稳定量产。凌鸥创芯电动工具技术总监李四龙表示，随着电机技术进步要求，将来会将方波控制切换更高层次的FOC控制算法应用。
另外，杨智涵告诉记者，公司正在采用弱磁控制技术解决电池包续航问题和低电压下的工作效率问题。这种技术在竞争对手中很常见，但目前市场对其青睐有加。该技术的优势在于能够通过提高转速来提高工作效率，可在低电压下恒定转速。
电动工具应用新方向：FOC控制算法和物联网技术
BLDC电机在电动工具上的应用多表现为体积小、高效节能、使用寿命长等特性，是目前比较热门的技术和创新应用之一。目前电机控制技术也在不断发展，从原先的三段式控制到现在的一段式启动，电机磁场效率大大提高，算法方面也在不断更新迭代。
目前，FOC控制和方波控制是比较主要的应用算法。相比而言，两种算法各有各的优势。FOC控制算法的通配性可能会弱一些，而方波控制在通配性方面比FOC控制算法更好，但FOC控制算法在高速时的表现更好，而方波控制算法在低速时可以提供更大的转矩，程序上也更容易处理。
FOC控制算法的优势似乎更加明显，它能使电机噪音低，转移波动小，可以实现高转速控制，且轻松处理弱磁，已较多应用于园林工具上。
随着电动工具越来趋向于无刷化，电动工具的性能和功能也要求进一步优化，以提高用户的使用体验。例如FOC控制算法应用于BLDC，可以在高速转动的情况下使扭矩更加稳定。虽然FOC控制算法对电机本身的性能并没有带来太大的提升，但在成本没有太大增加的情况下，FOC控制算法可以提供更好的用户体验。
另外值得关注的是，物联网技术因其可以提供更高效、更智能的解决方案，也受到了市场欢迎。
通常情况下，如果电动工具产品出现缺陷或瑕疵，售后维护就会很麻烦，需要将其拆开或者召回重新返工。为了解决这个问题，孟志华就认为，可以使用OTA芯片等物联网技术，通过手机APP或网络连接进行升级，避免返工或召回的问题。此外，采用物联网技术还可以定期评估整个系统的使用状态，根据用户需求定制不同的产品设置。
莫小涛也提到，除了在电机本身的控制上进行提升，还有一种趋势是将电动工具与物联网结合，实现电动工具产品的智能化、多样化。这种需求在汽车装配、铁路维修和船厂等产业工装中比较常见。通过联网，电动工具不仅可以记录打螺丝的个数和扭矩，防止漏打或扭矩不足，而且可以实时监测和控制，提高工作效率和安全性。
小结：
第六届(苏州)电功工具控制与充电技术研讨会上，行业工程师们都带有非常高的参会热情，现场气氛高涨。在助力华东地区的电动工具行业发展中，研讨会为上游元器件供应商和下游应用整机厂商提供了有效的沟通平台，在解决电动工具锂电化、技术创新应用和元器件匹配需求等问题上提供了参考和借鉴意义。
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审核编辑 黄宇
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