从技术角度探析电动（园林）工具行业发展——以无刷电机和锂电池为例

边晓东，陈长卿，郑 涛，费 焱，王 洁

（金华市农业科学研究院，浙江金华 321000）

0 引言

电动（园林）工具应用广泛，全球市场需求巨大，每年基本保持2%～3%的稳步增长。预计到2025年，全球电动工具市场规模可达460亿美元。我国的电动（园林）工具年产量和销量均排在世界第一，同时也是全球最大的电动（园林）工具消费市场之一。以金华市为例，全市电动（园林）工具注册企业2 480家，规上企业214家，电动工具产量约占全国产量的1/3，园林工具产量约占全国产量的50%，产品出口比重超过90%，较依赖于外贸市场[1]。

1 国内外电动园林工具行业的技术现状

电动（园林）工具是指用手握持操作，以电动机作为动力，通过传动机构来驱动作业的工具。其产品包括金属切割、磨砂、装配、加工、建筑、园林绿化类等，主要可分为传统电力式（有绳）和充电式（无绳）2类[2]。传统电力式工具以交流电供电为主，因其生产工艺简单、技术相较成熟，在2010年以前是国内外电动（园林）工具市场的主流产品。但随着市场需求转变为小型化和便捷化，充电式产品开始不断发展，其市场占比从2011年的30%左右到2018年的接近50%。而在充电式产品中又可分为两类，一类是以铅酸、镍铬、镍氢电池和有刷直流电机为组合的产品，一类是以锂电池和无刷直流电机为组合的产品。

铅酸、镍铬、镍氢电池和有刷直流电机的组合多在中低端产品中应用，其附加价值低、使用寿命短，部分电池还会对环境产生污染，已经面临着被市场淘汰的风险[3]。无刷直流电机和锂电池的组合弥补了传统产品工作噪音大、电机效率低、电池比容量低等缺点，大大提高了电动（园林）工具的使用寿命和单次作业时长。在德国博世、美国百得、中国宝时得等行业龙头企业中，其产品大部分以无刷电机和锂电池为主。由此可见，无刷电机加锂电池的组合正在成为电动（园林）工具行业中的技术应用主流。

2 电动（园林）工具中的无刷电机及其控制系统

无刷直流电机具有维护少、噪音低、效率高等优点。其通过电子开关器件来实现换向，替代了普通直流电机的机械换向器和电刷，使用寿命得到了很大的延长，最高电机效率也要比同规格的普通有刷电机提高10%左右[4]，尤其适合于电动（园林）工具这类转速要求高、工作环境恶劣的产品。

控制系统是无刷直流电机的指挥中心，用于实现精确的速度和位置控制，对电机的性能具有至关重要的影响[5]。目前，无刷直流电机大多采用PID控制策略。传统PID算法具有原理简单、易于工程实现等优点，但也存在着控制精度不高等缺点。国内电动（园林）工具企业的研发人员多是采用这种传统的PID控制策略，其数学模型的建立多以经验公式为主，对于与模糊控制、神经网络控制等智能控制方式的结合不依赖或不完全依赖。

而电动（园林）工具的实际工作环境复杂多变，其无刷电机的控制系统是一个具有多变量、强耦合的非线性系统，仅仅依靠传统的PID控制方法还很难理想地解决电动（园林）工具使用中的某些实际难题，尤其是在电机参数辨识与状态估计、电机故障检测与诊断等方面。

因此，在传统PID控制方法的基础上，引入模糊算法、神经网络算法等智能控制方法对于提高电动（园林）工具的产品性能具有重要意义，开发多种控制方式相结合的无刷直流电机控制技术是电动（园林）工具行业高速发展的市场与技术共同需求，能够解决其中、高端产品“卡脖子”关键核心技术限制。

3 电动（园林）工具中的锂电池

随着电动（园林）工具的发展呈现小型化、便捷化、无绳化的趋势，锂电池正凭借其独特的优势，如能量密度大、循环寿命长、无污染等在电动（园林）工具行业中迅速发展。

虽然电动（园林）工具锂电化发展如此迅速，但从国际电动（园林）工具龙头企业对于锂电池厂家的选择非常挑剔来看，锂电池在电动（园林）工具行业的发展仍存在一定技术瓶颈，原因在于尚缺乏相对成熟的锂电电池包及其管理系统，即电池包平台。对于手机、笔记本电脑等便携式电子设备来说，已有相对成熟的锂电池管理方案，但其仅仅适用于单节锂电池或4节以下锂电池组的较低功率场合。在电动（园林）工具行业中，锂电池组已从3串发展到了6～10串，电池容量大，性能要求高。

国外的锂电池及其保护技术发展相对较早，技术也领先于国内水平，目前电动（园林）工具企业大多采用三星、LG、松下等日韩企业的圆柱体锂电池。市场上已经有一些基于这类锂电池的集成保护芯片，具有电压检测、电流检测、负载检测、过充电保护、过放电保护、短路保护等功能。但这类芯片并非专门针对电动（园林）工具开发，无法完全考虑到电动（园林）工具使用的复杂环境。而且不同工具对电源电压和容量的需求不同，锂电池组的充放电保护和监控到现在还没有统一的方案。因此，急需研发电动（园林）工具专用锂电电池包平台来实现对不同电压需求的电动（园林）工具供电，同时对电池包提供管理与保护，确保设备安全运行。

4 关于国内电动（园林）工具行业发展的几点建议

4.1 集中攻坚“卡脖子”技术

要想解决国内电动（园林）工具行业散、乱、差的格局，打破国际龙头企业对高端产品的垄断，必须通过持续布局开展无刷单机、无绳锂电等关键“卡脖子”技术攻关，强化行业前沿技术的研发，推动智能化、无绳化电动（园林）工具可持续发展。

在无刷电机领域，需确定无刷电机控制器发展方向，以高精度、高性能控制为需求导向，为电动（园林）工具量身定做无刷电机及其驱动器设计方案。在现有PID控制策略的基础上，研究模糊控制、神经网络控制等智能控制技术，从单一的PID控制到PID控制与智能控制的结合应用。

在锂电池领域，研究适用于电动（园林）工具产品的锂电电池包平台是其中的关键，既要满足大容量、高功率的需求又要满足高可靠、低风险的要求。

4.2 加大专业技术人才引培

锂电池、无刷电机在电动（园林）工具中的应用，对于现有企业的研发人员来说也是一种挑战，其对产品开发人员的专业知识要求高，除了常规的机械和电机技术外，还涉及到新材料、电子技术、计算机技术和软件技术等。

为打破电动（园林）工具行业在无刷电机、锂电池等核心零部件的技术壁垒，一是需要引进一批“带项目、带技术、带资金”的科技领军人才，实现“以产聚才、以才强产”，推动人才集聚与产业培育联动发展。坚持国内与国际并重，引进电动（园林）工具产业发展相关的高、精、尖等紧缺型创新创业团队。二是引导企业对接国内外专业科研院所与高校，为研发人员提供专业技术培训通道，创建电动（园林）工具专业专家服务团队，为企业研发难题出谋划策。

5 结语

随着电动（园林）工具的小型化、无绳化发展，无刷电机加锂电池的组合应用正在成为主流，研究并开发适用于电动（园林）工具的无刷电机控制技术、锂电池管理技术在其中起到了至关重要的作用，同时需注重专业技术人员和团队的引进与培养，提升国内电动（园林）工具产品的技术品质和企业的国际知名度。