邊曉東，陳長卿，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（園林）工具應(yīng)用廣泛，全球市場需求巨大，每年基本保持2%～3%的穩(wěn)步增長。預(yù)計(jì)到2025年，全球電動工具市場規(guī)?？蛇_(dá)460億美元。我國的電動（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（園林）工具消費(fèi)市場之一。以金華市為例，全市電動（園林）工具注冊企業(yè)2 480家，規(guī)上企業(yè)214家，電動工具產(chǎn)量約占全國產(chǎn)量的1/3，園林工具產(chǎn)量約占全國產(chǎn)量的50%，產(chǎn)品出口比重超過90%，較依賴于外貿(mào)市場[1]。

1 國內(nèi)外電動園林工具行業(yè)的技術(shù)現(xiàn)狀

電動（園林）工具是指用手握持操作，以電動機(jī)作為動力，通過傳動機(jī)構(gòu)來驅(qū)動作業(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)工藝簡單、技術(shù)相較成熟，在2010年以前是國內(nèi)外電動（園林）工具市場的主流產(chǎn)品。但隨著市場需求轉(zhuǎn)變?yōu)樾⌒突捅憬莼?，充電式產(chǎn)品開始不斷發(fā)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(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，部分電池還會對環(huán)境產(chǎn)生污染，已經(jīng)面臨著被市場淘汰的風(fēng)險(xiǎn)[3]。無刷直流電機(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（園林）工具的使用壽命和單次作業(yè)時(shí)長。在德國博世、美國百得、中國寶時(shí)得等行業(yè)龍頭企業(yè)中，其產(chǎn)品大部分以無刷電機(jī)和鋰電池為主。由此可見，無刷電機(jī)加鋰電池的組合正在成為電動（園林）工具行業(yè)中的技術(shù)應(yīng)用主流。

2 電動（園林）工具中的無刷電機(jī)及其控制系統(tǒng)

無刷直流電機(jī)具有維護(hù)少、噪音低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。其通過電子開關(guān)器件來實(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，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（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，對電機(jī)的性能具有至關(guān)重要的影響[5]。目前，無刷直流電機(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)。國內(nèi)電動（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（園林）工具的實(shí)際工作環(huán)境復(fù)雜多變，其無刷電機(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（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)辨識與狀態(tài)估計(jì)、電機(jī)故障檢測與診斷等方面。

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于提高電動（園林）工具的產(chǎn)品性能具有重要意義，開發(fā)多種控制方式相結(jié)合的無刷直流電機(jī)控制技術(shù)是電動（園林）工具行業(yè)高速發(fā)展的市場與技術(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（園林）工具中的鋰電池

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

雖然電動（園林）工具鋰電化發(fā)展如此迅速，但從國際電動（園林）工具龍頭企業(yè)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(yè)的發(fā)展仍存在一定技術(shù)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(tǒng)，即電池包平臺。對于手機(jī)、筆記本電腦等便攜式電子設(shè)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(jié)鋰電池或4節(jié)以下鋰電池組的較低功率場合。在電動（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。

國外的鋰電池及其保護(hù)技術(shù)發(fā)展相對較早，技術(shù)也領(lǐng)先于國內(nèi)水平，目前電動（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、電流檢測、負(fù)載檢測、過充電保護(hù)、過放電保護(hù)、短路保護(hù)等功能。但這類芯片并非專門針對電動（園林）工具開發(fā)，無法完全考慮到電動（園林）工具使用的復(fù)雜環(huán)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(hù)和監(jiān)控到現(xiàn)在還沒有統(tǒng)一的方案。因此，急需研發(fā)電動（園林）工具專用鋰電電池包平臺來實(shí)現(xiàn)對不同電壓需求的電動（園林）工具供電，同時(shí)對電池包提供管理與保護(hù)，確保設(shè)備安全運(yùn)行。

4 關(guān)于國內(nèi)電動（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)

要想解決國內(nèi)電動（園林）工具行業(yè)散、亂、差的格局，打破國際龍頭企業(yè)對高端產(chǎn)品的壟斷，必須通過持續(xù)布局開展無刷單機(jī)、無繩鋰電等關(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)，推動智能化、無繩化電動（園林）工具可持續(xù)發(fā)展。

在無刷電機(jī)領(lǐng)域，需確定無刷電機(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（園林）工具量身定做無刷電機(jī)及其驅(qū)動器設(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（園林）工具產(chǎn)品的鋰電電池包平臺是其中的關(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、無刷電機(jī)在電動（園林）工具中的應(yīng)用，對于現(xiàn)有企業(yè)的研發(fā)人員來說也是一種挑戰(zhàn)，其對產(chǎn)品開發(fā)人員的專業(yè)知識要求高，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（園林）工具行業(yè)在無刷電機(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)”，推動人才集聚與產(chǎn)業(yè)培育聯(lián)動發(fā)展。堅(jiān)持國內(nèi)與國際并重，引進(jìn)電動（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)對接國內(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（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

隨著電動（園林）工具的小型化、無繩化發(fā)展，無刷電機(jī)加鋰電池的組合應(yīng)用正在成為主流，研究并開發(fā)適用于電動（園林）工具的無刷電機(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)，提升國內(nèi)電動（園林）工具產(chǎn)品的技術(shù)品質(zhì)和企業(yè)的國際知名度。