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对话10位专家 共探电动工具技术新方向
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对话10位专家 共探电动工具技术新方向

2023-05-05 14:29:28 来源:哔哥哔特商务网 作者:厉丹 点击:10464

【哔哥哔特导读】伴随锂电无绳技术的发展和智能制造的推广,人们对于电动工具控制器的性能、安全性和可靠性等方面的要求不断提高。10位电动工具行业资深专家共同探讨促进电动工具控制器技术创新和升级的新方向。

编者按:

电动工具控制器是一种用于控制电动工具的设备,可以通过调节电源电压、电流和频率等参数来控制电动工具的转速和功率。随着电动工具在工业和家庭使用中的普及,电动工具控制器也变得越来越重要。同时伴随锂电无绳技术的发展和智能制造的推广,人们对于电动工具控制器的性能、安全性和可靠性等方面的要求也将不断提高,这将促进电动工具控制器技术的创新和升级。

对话10位专家:共探电动工具技术新方向

图源包图网

本期《智能控制器》对话栏目聚焦电动工具控制器话题,同时邀请到多位电动工具行业的资深工程师和专业的技术人员进行深度对话,进一步探讨目前电动工具控制器的新需求、技术创新应用以及未来发展趋势等。话题内容涉及电动工具控制器内半导体核心器件的安全性和可靠性等方面、电源管理技术和电机控制技术的创新应用以及目前半导体器件在实际使用中遇到的问题,等等。

对话导览:

1.锂电无绳化趋势下,电动工具的快充技术备受关注。据您了解,电源管理技术在电动工具控制器内可以有哪些创新应用?

2.同时在电机控制技术方面,您认为如何有效保障电动工具控制器在执行时达到更加稳定、高效和安全的状态?

3.据您了解,随着电动工具市场增长以及物联网技术的发展,当前的电动工具控制器在智能化、稳定性和耐用性等方面对半导体核心器件提出了哪些新要求?

4.在实际应用过程中,您认为半导体器件还存在哪些问题不能满足目前电动工具控制器的市场需求?

5.在实际应用过程中,下游整机工程师认为目前半导体器件成本较高。谈谈贵公司如何保证产品在性能价格比上的优势?

6.锂电无绳化已成电动工具发展的主流趋势。整体来说,您认为近几年电动工具控制器将会呈现出怎样的发展态势(包括创新技术、应用场景和市场增长等)?

对话嘉宾:

对话10位专家:共探电动工具技术新方向

1.锂电无绳化趋势下,电动工具的快充技术备受关注。据您了解,电源管理技术在电动工具控制器内可以有哪些创新应用?

东成电动工具王浩东:电源管理技术的创新应用有超级快充、无线充电,然后是高功率充电,像快充技术就会运用在一些功率较大的角磨机、电锤等类型的电动工具。目前主要在做研究。

对话10位专家:共探电动工具技术新方向

工业角磨机,图源包图网

宝时得陈乃富:锂电应用,其实主要对安全性方面有很大要求。万一发生了一些故障,就需要及时地保护。快充方面会有一些比较先进的氮化镓材料应用。

Power Integrations Chris Lee:在今天这个事事求快的科技社会,快充在手机、平板、笔记本上早就广为接受甚至成为基本要求。我们都知道新能源汽车也不可避免的在快充的方向一直突破来缩短充电时间,所以电动工具的充电也绝对不会缺席。因为电池的创新突破,在同样体积下能有更高能量的电池是大势所趋,而电池包的功率提升带动了电池充电管理技术必须提供更可靠的管理。对于电池的保护,快速充电放电的曲线优化,都有更严苛的要求。

镓未来张大江:电动工具无绳化需要的基础主要有两个,一个是电池快充,另一个是可拆卸电池。因此现在有电动工具厂商推出标准化电池模块和储能包的概念。储能设备支持多个电池模块同时充电,电池模块拆卸下来即可给同品牌多种电动工具供电,在不用电动工具的时候,储能设备也能作为一个标准的便携储能产品使用。这种模式下,储能设备的双向转换电源模块通常能提供千瓦级甚至高达3.6kW的充电功率,一小时即可充满8套电池包,平均下来单个电池的充电时间不到8分钟,完全能满足电动工具高强度的使用要求。

凌鸥创芯黄致恺:在锂电无绳化趋势下,电动工具的快充技术备受关注。在电动工具控制器内,电源管理技术可以有以下创新应用:

1)快充管理技术:快充管理技术可以通过优化电池充电电流和充电时间等参数,实现快速充电,缩短充电时间,提高工作效率。

2)电池保护技术:电池保护技术可以通过控制电池充电和放电状态,避免电池过充、过放和过热等问题,延长电池寿命,提高电池安全性和可靠性。

3)电能回收技术:电能回收技术可以通过回收电动工具在减速、刹车等情况下产生的能量,将其转化为电能并存储在电池中,提高电池的使用寿命和电动工具的效率。

4)智能管理技术:智能管理技术可以通过传感器和智能算法等手段,实现电池状态监测、电池容量预测、电池寿命评估等功能,提高电池的使用效率和可靠性。

5)无线充电技术:无线充电技术可以通过电磁感应和无线传输等技术,实现电动工具的无线充电,提高电动工具的便携性和易用性。

2.同时在电机控制技术方面,您认为如何有效保障电动工具控制器在执行时达到更加稳定、高效和安全的状态?

东成电动工具王浩东:首先是硬件的散热性能要好。其次,功率模块的硬件参数以及布局设计都会影响到电动工具使用的稳定性。特别是在安全方面,电流的检测灵敏度可以做到更多。

博世电动工具张跃栋:我认为无霍尔的方案可能会慢慢变多。因为这方面电动工具市场首先成本会降低,而且会少用多器件,但是可能软件上控制算法会复杂一点。

恒友机电章建俊:电机控制技术已经发展很多年,是相对比较成熟的领域,目前也基本能符合电动工具市场需求。虽然每个控制算法有很多不一样的点,但都是细节上的实现相异,导致最后表现出来的效果是不同的。目前创新的算法应用,就包括一些电流限制、启动限制等等。

对话10位专家:共探电动工具技术新方向

电锤,图源恒友机电官网

Power Integrations Chris Lee:在电池能效的持续进步推动下,电动工具市场最明显的发展方向就是朝更大功率的电池以及充电器上来突破。半导体的核心器件主要就是在电池与充电器保护的前提下,能提供更好,更稳定,更有效率的进行充电。这些要求都直接或者间接的影响了在这些半导体器件上的耐压,开关损耗,提高了要求。更高的耐压来确保电动工具的充电在任何场合都能稳定高效,更低的开关损耗则对于效率提升,温度控制都能更好的延长使用寿命。这些都是目前看到最直观的需求。

镓未来张大江:在电机控制方面,随着电动工具功率等级提高,电池包电压提高以及工作频率的提高,核心MOSFET器件反向恢复电荷带来的损耗更加明显。国际头部的MOSFET制造商也发明了优化的结构来提高反向恢复速度和降低反向恢复电荷来改善效率,降低控制器发热;也有一些企业尝试用GaN器件来实现电机的高频控制,彻底解决反向恢复损耗的问题。我认为电池电压在72V以上的应用场景,GaN器件会有一些优势。

灵动股份官兵:灵动股份在电动工具市场提供电动工具专用板和对应算法程序,为保障电动工具稳定、高效、安全的运行。灵动股份提供高阶算法有:

1)启动前,电机转子初始位置检测精度可达±7.5°;

2)开环拖动中,插入转子实时位置检测,提高启动可靠性;

3)运行中,根据电机不同转速,动态调整补偿角,提高电机运行效率;

4)在常规的六步两两换相中插入重叠换相,可进一步提升电机输出能力;

5)精准的限电流控制,避免过载;且内建比较器监测母线电流,异常情况下,在μs级别的时间关闭输出。

目前已经支持多个电动工具市场客户量产,方案通过客户测试并得到客户高度认可。

领芯微卢权胜:在保障电动工具控制器在执行时达到更加稳定、高效和安全的状态方面,以下是一些建议:

1)选择合适的电机驱动方案:根据具体的应用场景选择适合的电机驱动方案,比如选择高效的无刷直流电机驱动器,可以提高系统的稳定性和效率。

2)合理设计控制策略:根据不同的控制需求,合理设计电机控制策略,比如速度控制、位置控制、力矩控制等,可以提高系统的精度和稳定性。

3)采用高性能的MCU芯片:选择具备高性能和低功耗的MCU芯片,可以提高电机控制器的运算速度和响应能力,提高系统的效率和稳定性。

4)添加适当的保护措施:在电路设计中添加适当的保护电路,比如过电压保护、过电流保护、过温保护等,可以保障系统在异常情况下的安全性。

5)完善的系统测试和质量控制:进行充分的系统测试和质量控制,确保电动工具控制器的每一个部分都符合质量标准和安全要求,以保障系统的稳定性和安全性。

综上所述,选择合适的电机驱动方案、合理设计控制策略、采用高性能的MCU芯片、添加适当的保护措施以及完善的系统测试和质量控制都是保障电动工具控制器在执行时达到更加稳定、高效和安全的重要措施。

3.据您了解,随着电动工具市场增长以及物联网技术的发展,当前的电动工具控制器在智能化、稳定性和安全性等方面对半导体核心器件提出了哪些新要求?

宝时得陈乃富:普通的电动工具没有需要进入物联网,但像智能割草机这类的园林工具可能会有自动化、智能化的要求,比如支持蓝牙、 Wi-Fi通讯功能等。

百得(苏州)科技王鹏程:可能一些户外电动工具会对自动化、智能化也有这方面的需求。稳定性、安全性上,电功工具市场应用肯定是要求更好。我们一开始在选型的时候,就会对功率器件的性能及温升进行测试。达到相应的要求,才能保证电动工具产品在运行过程中不会失效。

凌鸥创芯黄致恺:当前的电动工具控制器对半导体核心器件提出了以下新要求:

1)智能化要求:电动工具控制器需要具备智能化的能力,能够通过物联网技术实现与云端的通信和数据交互,实现远程控制、监测和维护等功能。此外,控制器还需要具备较高的计算能力和智能算法,能够实现自适应控制和优化控制等功能,提高电动工具的效率。

2)稳定性要求:电动工具控制器需要具备较高的稳定性和可靠性,能够在不同工作环境下保持良好的性能,确保电动工具能够安全、稳定地工作。此外,控制器还需要具备抗干扰和抗电磁干扰的能力,确保在复杂电磁环境下正常工作。

3)耐用性要求:电动工具控制器需要具备较高的耐用性和可靠性,能够长期稳定地工作,承受长时间的高负载运行和温度变化等因素的影响。此外,控制器还需要具备较高的防护等级和耐腐蚀能力,确保在恶劣环境下正常工作。

4.在实际应用过程中,您认为半导体器件还存在哪些问题不能满足目前电动工具控制器的市场需求?

东成电动工具王浩东:从应用上来说,影响比较大的还是成本。不管是MCU还是功率器件,成本相对来说还是老大难问题。

博世电动工具张跃栋:传统的电动工具应该是都能满足的,但还是希望国产的功率器件能够做得越来越好一点,因为对于国外的大厂还是有不小的差距。

百得(苏州)科技王鹏程:目前来讲都还可以的。因为我们选用这些元器件,肯定要先看规格书。只要基本功能能满足要求,我们才会选用它,否则也不会花精力去评估。而且现在整个电动工具行业对器件成本的要求还是挺高的。

5.在实际应用过程中,下游整机工程师认为目前半导体器件成本较高。谈谈贵公司如何保证产品在性能价格比上的优势?

灵动股份官兵:灵动股份在2021年开始量产12寸晶圆产品,保障供货同时降低芯片成本,并且正对电机细分市场应用,定制专用芯片。借助大比特平台,灵动4月份发布了MM32SPIN0230系列电机专用产品,其内部集成了具有灵动特色的电机控制功能:高阶4路互补PWM、注入功能的高精度ADC、轨到轨运放、轮询比较器、32位针对霍尔传感器的捕获时钟、以及硬件除法器和DMA等电机算法加速引擎;同时发布的两款SoC产品,MM32SPIN030C和MM32SPIN080C内部更是集成了PN预驱、NN预驱、LDO等,使得应用者可以大幅度精简板级器件。

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Power Integrations Chris Lee:成本一直是一个无止境的突破目标。一个物件的成本主要由两部分结构组成:材料成本和生产成本。这里面就经常有个盲点,认为器件成本偏高造成整体成本的居高不下,其实生产成本经常被忽略了。如果器件成本提高了3%,然而能简化生产流程,让已经投资的产能利用率提高了5%,这里面的整体物件最终成本,反而优化了。Power Integrations的InnoSwitch以及功率校正PFS5,半桥谐振LCS2-HB的整合方案,将设计极度简化,外围器件高度精简,在整机设计上一次次突破最高整合的可能性从而大幅优化了生产流程,减少元器件的使用,在整体成本的优化前提下,更直接提升了设计的稳定度以及可靠度,这是PI特有的方案处理优势。

领芯微卢权胜:作为半导体公司,我们非常重视产品的性能价格比。在保证产品性能的前提下,我们积极寻求优化成本的方法,以确保产品具有竞争力的价格。以下是我们保证性价比的一些举措:

1)高效研发。我们投入大量资源和资金用于研发,致力于开发高性能、低成本的芯片产品;

2)精益生产。我们通过对生产流程的优化和改进,不断提高生产效率,降低生产成本;

3)合理定价。我们会结合市场需求和竞争情况,制定合理的产品价格,确保产品在市场上具有竞争力;

4)建立合作伙伴关系。我们与供应商和客户建立长期合作伙伴关系,共同探讨如何降低成本和提高产品性价比;

5)持续改进。我们不断进行产品的改进和升级,提高产品的性能和可靠性,以满足客户的需求和市场的变化。

综上所述,我们会不断努力优化成本和提高产品性价比,以满足客户的需求,并在市场竞争中获得更好的地位。

6.锂电无绳化已成电动工具发展的主流趋势。整体来说,您认为近几年电动工具控制器将会呈现出怎样的发展态势(包括创新技术、应用场景和市场增长等)?

百得(苏州)科技王鹏程:目前电动工具市场向锂电无绳化,或者是轻便化、小型化的方向去发展,对一些控制技术的集成化程度会要求更高,芯片可能要越来越小。

恒友机电章建俊:电动工具控制器要往智能化方向发展。MCU倒不需要优化性能,只需要跟其他智能化的芯片进行交互,有可能在基础性的板子上增加一些智能化的小芯片,具备蓝牙、Wi-Fi、传感器之类的应用。但这种还是用在一些偏体验感受上的电功工具比较多。比如某个电动工具性能已经满足需求,但在使用的振动档上可能手感上想要有提升或调节。

对话10位专家:共探电动工具技术新方向

锯末电锯,图源包图网

博世电动工具张跃栋:电动工具控制器未来肯定是越来越小型化,集成化。除非成本差异巨大,但是科技还是会一步一步升级下去。

Power Integrations Chris Lee:无绳电动工具舍弃了电力线,采取电池包供电,具备显著的安全优势和便利优势。由于瞬时充放电需求,工具用电池的优化方向是高倍率性能的进一步提升,未来电池容量将持续提高。技术布局将在材料端以及工艺端继续推进优化。电功工具市场未来的发展趋势将会由无绳的便捷性,提升到“无线”的便利性。无绳使用,无线充电提供了更高的便捷使用与待机充电的最终方案。这里面的技术突破点就是无线充电效率的提高,电动工具不比手机,需要大电流高电压的充放电,无线充电的效率提升必须满足安全、低温、稳定、长效的基本要求,所以应用第三代半导体材料氮化镓将会成为一个重要的发展方向。

领芯微卢权胜:随着锂电池技术的进步和无绳化技术的成熟,电动工具控制器在近几年将会呈现出以下几个发展态势:

1)电动工具的高性能化。随着工业4.0和智能制造的推进,越来越多的电动工具需要具备高性能、高速度、高精度等特点。因此,电动工具控制器需要不断优化,以满足电动工具的高性能化需求。

2)控制器的智能化。随着人工智能、物联网等技术的发展,电动工具控制器也需要具备更高的智能化水平。例如,通过数据分析和机器学习技术,对电动工具进行更加精准的控制和优化。

3)芯片的集成化。随着芯片制造技术的不断发展,电动工具控制器的芯片将越来越小,集成度将越来越高。这将有助于减小电动工具控制器的尺寸和重量,提高电动工具的便携性和使用效率。

4)安全性的提高。在电动工具使用过程中,安全问题一直是制约其发展的主要因素。因此,电动工具控制器需要具备更高的安全性能,例如过流保护、过温保护、短路保护等。

总的来说,电动工具控制器将会越来越智能化、集成化、高性能化和安全化,以满足电动工具的需求和市场的需求。而领芯微作为一家专注于电机微控制器领域的公司,将继续致力于研发和提供高性能、高可靠性的电动工具控制器芯片,为电动工具行业的发展做出贡献。

结语:

在电动工具市场应用中,半导体核心器件的稳定性、可靠性和安全性等要求是电动工具控制器厂商在器件选型时必不可少的标准。无论是MCU,还是功率器件,其成本的降低将在同类型的器件应用中占据市场优势。倘若氮化镓等材料在半导体器件中的普遍应用,将会大大提高电动工具控制器的功率转换效率,达到更加高效、节能的目的。

随着人工智能和物联网等技术的不断发展,电动工具控制器也将越来越智能化,可以实现远程监控和控制。同时电动工具锂电无绳化趋势的深入发展和第三代半导体材料的应用,也会促进电动工具控制器电源管理技术和电机控制技术的双重创新和升级,而且电动工具控制器未来肯定也会更加小型化、集成化。

 

【企业简介】

博世电动工具:是全球知名的电动工具及附件生产商,其产品在品质、技术革新及售后服务方面一直保持高标准。

宝时得:始创于1994年,是一家集创新工具和机器人研发、制造、营销于一体,拥有国际高端品牌的跨国集团;在电动工具领域创造了十多个世界第一的领先技术,专利申请量位居行业前列。

百得(苏州)科技:是美国百得集团在华独资公司。主要经营:研发、设计、制造、生产电动工具及附件、配件家用器具、维修部件、五金及铅类产品并销售本公司所生产的产品,提供产品的维修服务。

恒友机电:成立于1988年,是优秀的专业油动/电动工具制造商和领跑者,一直致力于研发高性能、高效率、高稳定性的更节能、更环保的工具和机械。

东成电动工具:始创于1995年,是国内专业电动工具制造重点骨干企业之一,为中国电器工业协会电动工具分会副理事长单位。

Power Integrations:深耕于高压集成电路高能效功率变换领域的知名公司,总部位于美国。

镓未来:行业领先的高压氮化镓功率器件高新技术企业,致力于第三代半导体硅基氮化镓 (GaN-on-Si) 研发与制造。

灵动股份:成立于 2011年,是中国本土通用32位MCU产品及解决方案供应商。

凌鸥创芯:一家专注于运动控制领域集成电路及总体解决方案设计的国家高新技术企业。

领芯微:是专业从事集成电路芯片研发、设计、销售的国家高新技术企业。

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