對話10位專家 共探電動工具技術新方向

伴隨鋰電無繩技術的發(fā)展和智能制造的推廣，人們對于電動工具控制器的性能、安全性和可靠性等方面的要求不斷提高。10位電動工具行業(yè)資深專家共同探討促進電動工具控制器技術創(chuàng)新和升級的新方向。

編者按：

電動工具控制器是一種用于控制電動工具的設備，可以通過調節(jié)電源電壓、電流和頻率等參數來控制電動工具的轉速和功率。隨著電動工具在工業(yè)和家庭使用中的普及，電動工具控制器也變得越來越重要。同時伴隨鋰電無繩技術的發(fā)展和智能制造的推廣，人們對于電動工具控制器的性能、安全性和可靠性等方面的要求也將不斷提高，這將促進電動工具控制器技術的創(chuàng)新和升級。

本期《智能控制器》對話欄目聚焦電動工具控制器話題，同時邀請到多位電動工具行業(yè)的資深工程師和專業(yè)的技術人員進行深度對話，進一步探討目前電動工具控制器的新需求、技術創(chuàng)新應用以及未來發(fā)展趨勢等。話題內容涉及電動工具控制器內半導體核心器件的安全性和可靠性等方面、電源管理技術和電機控制技術的創(chuàng)新應用以及目前半導體器件在實際使用中遇到的問題，等等。

對話導覽：

1.鋰電無繩化趨勢下，電動工具的快充技術備受關注。據您了解，電源管理技術在電動工具控制器內可以有哪些創(chuàng)新應用?

2.同時在電機控制技術方面，您認為如何有效保障電動工具控制器在執(zhí)行時達到更加穩(wěn)定、高效和安全的狀態(tài)?

3.據您了解，隨著電動工具市場增長以及物聯(lián)網技術的發(fā)展，當前的電動工具控制器在智能化、穩(wěn)定性和耐用性等方面對半導體核心器件提出了哪些新要求?

4.在實際應用過程中，您認為半導體器件還存在哪些問題不能滿足目前電動工具控制器的市場需求?

5.在實際應用過程中，下游整機工程師認為目前半導體器件成本較高。談談貴公司如何保證產品在性能價格比上的優(yōu)勢?

6.鋰電無繩化已成電動工具發(fā)展的主流趨勢。整體來說，您認為近幾年電動工具控制器將會呈現出怎樣的發(fā)展態(tài)勢(包括創(chuàng)新技術、應用場景和市場增長等)?

對話嘉賓：

1.鋰電無繩化趨勢下，電動工具的快充技術備受關注。據您了解，電源管理技術在電動工具控制器內可以有哪些創(chuàng)新應用?

東成電動工具王浩東：電源管理技術的創(chuàng)新應用有超級快充、無線充電，然后是高功率充電，像快充技術就會運用在一些功率較大的角磨機、電錘等類型的電動工具。目前主要在做研究。

寶時得陳乃富：鋰電應用，其實主要對安全性方面有很大要求。萬一發(fā)生了一些故障，就需要及時地保護?？斐浞矫鏁幸恍┍容^先進的氮化鎵材料應用。

Power Integrations Chris Lee：在今天這個事事求快的科技社會，快充在手機、平板、筆記本上早就廣為接受甚至成為基本要求。我們都知道新能源汽車也不可避免的在快充的方向一直突破來縮短充電時間，所以電動工具的充電也絕對不會缺席。因為電池的創(chuàng)新突破，在同樣體積下能有更高能量的電池是大勢所趨，而電池包的功率提升帶動了電池充電管理技術必須提供更可靠的管理。對于電池的保護，快速充電放電的曲線優(yōu)化，都有更嚴苛的要求。

鎵未來張大江：電動工具無繩化需要的基礎主要有兩個，一個是電池快充，另一個是可拆卸電池。因此現在有電動工具廠商推出標準化電池模塊和儲能包的概念。儲能設備支持多個電池模塊同時充電，電池模塊拆卸下來即可給同品牌多種電動工具供電，在不用電動工具的時候，儲能設備也能作為一個標準的便攜儲能產品使用。這種模式下，儲能設備的雙向轉換電源模塊通常能提供千瓦級甚至高達3.6kW的充電功率，一小時即可充滿8套電池包，平均下來單個電池的充電時間不到8分鐘，完全能滿足電動工具高強度的使用要求。

凌鷗創(chuàng)芯黃致愷：在鋰電無繩化趨勢下，電動工具的快充技術備受關注。在電動工具控制器內，電源管理技術可以有以下創(chuàng)新應用：

1)快充管理技術：快充管理技術可以通過優(yōu)化電池充電電流和充電時間等參數，實現快速充電，縮短充電時間，提高工作效率。

2)電池保護技術：電池保護技術可以通過控制電池充電和放電狀態(tài)，避免電池過充、過放和過熱等問題，延長電池壽命，提高電池安全性和可靠性。

3)電能回收技術：電能回收技術可以通過回收電動工具在減速、剎車等情況下產生的能量，將其轉化為電能并存儲在電池中，提高電池的使用壽命和電動工具的效率。

4)智能管理技術：智能管理技術可以通過傳感器和智能算法等手段，實現電池狀態(tài)監(jiān)測、電池容量預測、電池壽命評估等功能，提高電池的使用效率和可靠性。

5)無線充電技術：無線充電技術可以通過電磁感應和無線傳輸等技術，實現電動工具的無線充電，提高電動工具的便攜性和易用性。

2.同時在電機控制技術方面，您認為如何有效保障電動工具控制器在執(zhí)行時達到更加穩(wěn)定、高效和安全的狀態(tài)?

東成電動工具王浩東：首先是硬件的散熱性能要好。其次，功率模塊的硬件參數以及布局設計都會影響到電動工具使用的穩(wěn)定性。特別是在安全方面，電流的檢測靈敏度可以做到更多。

博世電動工具張躍棟：我認為無霍爾的方案可能會慢慢變多。因為這方面電動工具市場首先成本會降低，而且會少用多器件，但是可能軟件上控制算法會復雜一點。

恒友機電章建?。弘姍C控制技術已經發(fā)展很多年，是相對比較成熟的領域，目前也基本能符合電動工具市場需求。雖然每個控制算法有很多不一樣的點，但都是細節(jié)上的實現相異，導致最后表現出來的效果是不同的。目前創(chuàng)新的算法應用，就包括一些電流限制、啟動限制等等。

Power Integrations Chris Lee：在電池能效的持續(xù)進步推動下，電動工具市場最明顯的發(fā)展方向就是朝更大功率的電池以及充電器上來突破。半導體的核心器件主要就是在電池與充電器保護的前提下，能提供更好，更穩(wěn)定，更有效率的進行充電。這些要求都直接或者間接的影響了在這些半導體器件上的耐壓，開關損耗，提高了要求。更高的耐壓來確保電動工具的充電在任何場合都能穩(wěn)定高效，更低的開關損耗則對于效率提升，溫度控制都能更好的延長使用壽命。這些都是目前看到最直觀的需求。

鎵未來張大江：在電機控制方面，隨著電動工具功率等級提高，電池包電壓提高以及工作頻率的提高，核心MOSFET器件反向恢復電荷帶來的損耗更加明顯。國際頭部的MOSFET制造商也發(fā)明了優(yōu)化的結構來提高反向恢復速度和降低反向恢復電荷來改善效率，降低控制器發(fā)熱;也有一些企業(yè)嘗試用GaN器件來實現電機的高頻控制，徹底解決反向恢復損耗的問題。我認為電池電壓在72V以上的應用場景，GaN器件會有一些優(yōu)勢。

靈動股份官兵：靈動股份在電動工具市場提供電動工具專用板和對應算法程序，為保障電動工具穩(wěn)定、高效、安全的運行。靈動股份提供高階算法有：

1)啟動前，電機轉子初始位置檢測精度可達±7.5°;

2)開環(huán)拖動中，插入轉子實時位置檢測，提高啟動可靠性;

3)運行中，根據電機不同轉速，動態(tài)調整補償角，提高電機運行效率;

4)在常規(guī)的六步兩兩換相中插入重疊換相，可進一步提升電機輸出能力;

5)精準的限電流控制，避免過載;且內建比較器監(jiān)測母線電流，異常情況下，在μs級別的時間關閉輸出。

目前已經支持多個電動工具市場客戶量產，方案通過客戶測試并得到客戶高度認可。

3.據您了解，隨著電動工具市場增長以及物聯(lián)網技術的發(fā)展，當前的電動工具控制器在智能化、穩(wěn)定性和安全性等方面對半導體核心器件提出了哪些新要求?

寶時得陳乃富：普通的電動工具沒有需要進入物聯(lián)網，但像智能割草機這類的園林工具可能會有自動化、智能化的要求，比如支持藍牙、 Wi-Fi通訊功能等。

百得(蘇州)科技王鵬程：可能一些戶外電動工具會對自動化、智能化也有這方面的需求。穩(wěn)定性、安全性上，電功工具市場應用肯定是要求更好。我們一開始在選型的時候，就會對功率器件的性能及溫升進行測試。達到相應的要求，才能保證電動工具產品在運行過程中不會失效。

凌鷗創(chuàng)芯黃致愷：當前的電動工具控制器對半導體核心器件提出了以下新要求：

1)智能化要求：電動工具控制器需要具備智能化的能力，能夠通過物聯(lián)網技術實現與云端的通信和數據交互，實現遠程控制、監(jiān)測和維護等功能。此外，控制器還需要具備較高的計算能力和智能算法，能夠實現自適應控制和優(yōu)化控制等功能，提高電動工具的效率。

2)穩(wěn)定性要求：電動工具控制器需要具備較高的穩(wěn)定性和可靠性，能夠在不同工作環(huán)境下保持良好的性能，確保電動工具能夠安全、穩(wěn)定地工作。此外，控制器還需要具備抗干擾和抗電磁干擾的能力，確保在復雜電磁環(huán)境下正常工作。

3)耐用性要求：電動工具控制器需要具備較高的耐用性和可靠性，能夠長期穩(wěn)定地工作，承受長時間的高負載運行和溫度變化等因素的影響。此外，控制器還需要具備較高的防護等級和耐腐蝕能力，確保在惡劣環(huán)境下正常工作。

4.在實際應用過程中，您認為半導體器件還存在哪些問題不能滿足目前電動工具控制器的市場需求?

東成電動工具王浩東：從應用上來說，影響比較大的還是成本。不管是MCU還是功率器件，成本相對來說還是老大難問題。

博世電動工具張躍棟：傳統(tǒng)的電動工具應該是都能滿足的，但還是希望國產的功率器件能夠做得越來越好一點，因為對于國外的大廠還是有不小的差距。

百得(蘇州)科技王鵬程：目前來講都還可以的。因為我們選用這些元器件，肯定要先看規(guī)格書。只要基本功能能滿足要求，我們才會選用它，否則也不會花精力去評估。而且現在整個電動工具行業(yè)對器件成本的要求還是挺高的。

5.在實際應用過程中，下游整機工程師認為目前半導體器件成本較高。談談貴公司如何保證產品在性能價格比上的優(yōu)勢?

靈動股份官兵：靈動股份在2021年開始量產12寸晶圓產品，保障供貨同時降低芯片成本，并且正對電機細分市場應用，定制專用芯片。借助大比特平臺，靈動4月份發(fā)布了MM32SPIN0230系列電機專用產品，其內部集成了具有靈動特色的電機控制功能：高階4路互補PWM、注入功能的高精度ADC、軌到軌運放、輪詢比較器、32位針對霍爾傳感器的捕獲時鐘、以及硬件除法器和DMA等電機算法加速引擎;同時發(fā)布的兩款SoC產品，MM32SPIN030C和MM32SPIN080C內部更是集成了PN預驅、NN預驅、LDO等，使得應用者可以大幅度精簡板級器件。

凌鷗創(chuàng)芯黃致愷：優(yōu)化設計方面，我們通過精細化設計和仿真分析等手段，優(yōu)化電動工具控制器的電路設計，確保產品在穩(wěn)定性、性能、可靠性等方面達到最佳狀態(tài)，同時降低成本。采用新型器件方面，我們積極引進新型半導體器件，并通過技術創(chuàng)新和工藝優(yōu)化等手段，降低成本，并提高產品的性能和可靠性。

高效供應鏈管理方面，我們建立了高效的供應鏈管理系統(tǒng)，與一流的半導體器件供應商建立長期戰(zhàn)略合作伙伴關系，確保獲得高質量的器件，同時降低采購成本。品質保證方面，我們嚴格執(zhí)行國際標準的質量管理體系，并建立了完善的質量控制流程，確保產品質量穩(wěn)定可靠，同時最大限度降低不良率和成本。提供專業(yè)技術支持方面，我們提供專業(yè)的技術支持和售后服務，幫助用戶解決技術難題，提高產品性能，提高客戶滿意度，從而實現產品性能價格比的優(yōu)勢。

Power Integrations Chris Lee：成本一直是一個無止境的突破目標。一個物件的成本主要由兩部分結構組成：材料成本和生產成本。這里面就經常有個盲點，認為器件成本偏高造成整體成本的居高不下，其實生產成本經常被忽略了。如果器件成本提高了3%，然而能簡化生產流程，讓已經投資的產能利用率提高了5%，這里面的整體物件最終成本，反而優(yōu)化了。Power Integrations的InnoSwitch以及功率校正PFS5，半橋諧振LCS2-HB的整合方案，將設計極度簡化，外圍器件高度精簡，在整機設計上一次次突破最高整合的可能性從而大幅優(yōu)化了生產流程，減少元器件的使用，在整體成本的優(yōu)化前提下，更直接提升了設計的穩(wěn)定度以及可靠度，這是PI特有的方案處理優(yōu)勢。

6.鋰電無繩化已成電動工具發(fā)展的主流趨勢。整體來說，您認為近幾年電動工具控制器將會呈現出怎樣的發(fā)展態(tài)勢(包括創(chuàng)新技術、應用場景和市場增長等)?

百得(蘇州)科技王鵬程：目前電動工具市場向鋰電無繩化，或者是輕便化、小型化的方向去發(fā)展，對一些控制技術的集成化程度會要求更高，芯片可能要越來越小。

恒友機電章建?。弘妱庸ぞ呖刂破饕悄芑较虬l(fā)展。MCU倒不需要優(yōu)化性能，只需要跟其他智能化的芯片進行交互，有可能在基礎性的板子上增加一些智能化的小芯片，具備藍牙、Wi-Fi、傳感器之類的應用。但這種還是用在一些偏體驗感受上的電功工具比較多。比如某個電動工具性能已經滿足需求，但在使用的振動檔上可能手感上想要有提升或調節(jié)。

博世電動工具張躍棟：電動工具控制器未來肯定是越來越小型化，集成化。除非成本差異巨大，但是科技還是會一步一步升級下去。

Power Integrations Chris Lee：無繩電動工具舍棄了電力線，采取電池包供電，具備顯著的安全優(yōu)勢和便利優(yōu)勢。由于瞬時充放電需求，工具用電池的優(yōu)化方向是高倍率性能的進一步提升，未來電池容量將持續(xù)提高。技術布局將在材料端以及工藝端繼續(xù)推進優(yōu)化。電功工具市場未來的發(fā)展趨勢將會由無繩的便捷性，提升到“無線”的便利性。無繩使用，無線充電提供了更高的便捷使用與待機充電的最終方案。這里面的技術突破點就是無線充電效率的提高，電動工具不比手機，需要大電流高電壓的充放電，無線充電的效率提升必須滿足安全、低溫、穩(wěn)定、長效的基本要求，所以應用第三代半導體材料氮化鎵將會成為一個重要的發(fā)展方向。

結語：

在電動工具市場應用中，半導體核心器件的穩(wěn)定性、可靠性和安全性等要求是電動工具控制器廠商在器件選型時必不可少的標準。無論是MCU，還是功率器件，其成本的降低將在同類型的器件應用中占據市場優(yōu)勢。倘若氮化鎵等材料在半導體器件中的普遍應用，將會大大提高電動工具控制器的功率轉換效率，達到更加高效、節(jié)能的目的。

隨著人工智能和物聯(lián)網等技術的不斷發(fā)展，電動工具控制器也將越來越智能化，可以實現遠程監(jiān)控和控制。同時電動工具鋰電無繩化趨勢的深入發(fā)展和第三代半導體材料的應用，也會促進電動工具控制器電源管理技術和電機控制技術的雙重創(chuàng)新和升級，而且電動工具控制器未來肯定也會更加小型化、集成化。

【企業(yè)簡介】

博世電動工具：是全球知名的電動工具及附件生產商，其產品在品質、技術革新及售后服務方面一直保持高標準。

寶時得：始創(chuàng)于1994年，是一家集創(chuàng)新工具和機器人研發(fā)、制造、營銷于一體，擁有國際高端品牌的跨國集團;在電動工具領域創(chuàng)造了十多個世界第一的領先技術，專利申請量位居行業(yè)前列。

百得(蘇州)科技：是美國百得集團在華獨資公司。主要經營：研發(fā)、設計、制造、生產電動工具及附件、配件家用器具、維修部件、五金及鉛類產品并銷售本公司所生產的產品，提供產品的維修服務。

恒友機電：成立于1988年，是優(yōu)秀的專業(yè)油動/電動工具制造商和領跑者，一直致力于研發(fā)高性能、高效率、高穩(wěn)定性的更節(jié)能、更環(huán)保的工具和機械。

東成電動工具：始創(chuàng)于1995年，是國內專業(yè)電動工具制造重點骨干企業(yè)之一，為中國電器工業(yè)協(xié)會電動工具分會副理事長單位。

Power Integrations：深耕于高壓集成電路高能效功率變換領域的知名公司，總部位于美國。

鎵未來：行業(yè)領先的高壓氮化鎵功率器件高新技術企業(yè)，致力于第三代半導體硅基氮化鎵 (GaN-on-Si) 研發(fā)與制造。

靈動股份：成立于 2011年，是中國本土通用32位MCU產品及解決方案供應商。

凌鷗創(chuàng)芯：一家專注于運動控制領域集成電路及總體解決方案設計的國家高新技術企業(yè)。

領芯微：是專業(yè)從事集成電路芯片研發(fā)、設計、銷售的國家高新技術企業(yè)。

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審核編輯黃宇