无绳电动工具的生态系统

电动工具，特别是无绳电动工具，在1961年问世，当时百得 （Black and Decker） 创造了第一个无绳电钻，主要面向工业和商业公司销售。1969年，牧田 （Makita） 发布了6500D，这是第一个向大众销售的可充电无绳电钻。

今天的电动工具供应商正经历爆发式增长，由于个人在家的时间增加，许多人自己进行改造，另外一些正在雇用承包商进行改进或升级，以改变风景。此外，工业4.0的增长引起了最近无刷直流 （BLDC） 电机和锂电的技术创新。电动工具买主得益于实用的、对买方友好的、易于使用的无绳电动工具生态系统，包括几百种工具类型，由两到四个电池系统供电。

例如，表 1 列举了一家公司的几百种电动工具的生态系统，这些产品由3个不同的锂离子电池系统供电；M12、M18 和 MX Fuel，自然而然地扩展到相应工作所需的功率。无论是什么工作或项目，这家电动工具公司可提供所需的一切工具，从简单的钻头到手提钻、工地照明、链锯、钉枪、砂光机、重型锯、铆缝甚至电热服装。

工业4.0

无绳电动工具也正获得汽车工人、航空航天、白家电和农业设备制造商以及工业 4.0 等各行各业的市场份额。这是由于移动性、安全性、更高的扭矩、更高的准确性和数据收集能力的提高。锂电技术的进步减少电缆和绊倒危险，使工人能够在狭窄的范围内自由移动并消除对电源电缆意外割裂的担忧，从而实现了移动自由。

产品质量、可靠性和寿命可直接归功于在工厂制造和装配期间保持精确校准的扭矩和每分钟转数 （RPM） 控制指标。在BLDC 电机控制的最新创新实现了对扭矩和 RPM 的非常严格的控制和精度。一些无绳电动工具包括 Wi-fi 或蓝牙低功耗 （BLE），以便一个集中的控制器可确保所有设备的组装准确一致。例如，五名工厂工人可在三个不同班次的五条装配线上安装紧固件。无线连接可在所有 5 条装配线上实现 24/7 用户认证的 RPM/扭矩控制精度和可重复性，更不用说自动实时数据记录以符合质量制造合规性指标和历史程序跟踪。

移动性

电动工具的移动性有多种含义。拖拉机驾驶员在机舱里有一个无绳锂离子电钻，以备故障时使用，这对他们大有好处。农业工人可以进行小型设备维修，而不必返回他们的谷仓。风力和太阳能安装技术人员受益，因为运行超过100英尺的电力电缆是不现实的。对于住宅/商业设备如燃油/燃气炉、暖通空调 （HVAC）、电气更新和管道系统的检查、预防性维护和现场维修服务也是如此。而且，对于新的建筑工地，在还没有主电源的情况下，传统的发电机电源可能会由于线上电源的波动而给有线电动工具的电机带来应力，特别是在许多电动工具并联工作时。或者，如果发电机的燃料在使用过程中意外耗尽，电机就会损坏。许多新的建筑工地现在使用发电机为多个电池充电，以缓冲电动工具电机受到交流电的波动影响。锂离子电池为电机提供非常干净的直流电压，最大限度地延长了电机的使用寿命。在工人难以进入的任何地方，无绳工具都可提供帮助。

锂离子电池

大多数无绳电动工具使用18650外形的圆柱形锂离子电池。18表示直径为18毫米，650表示长度为65.0毫米。18650的额定电压范围为3.3 V至3.7 V，取决于其阴极化学成分。有时被称为 “果冻卷电池”（内部的阳极、阴极和分离器以及电解质被卷在一个中心轴上），18650可以串联起来以增加电压，或并联起来以增加容量，或两者兼而有之。例如，五个3.6 V （额定的） 3 Ah的电池串联起来=18 V （5 x 3.6 V），或54 Wh （3 Ah x 18 V）。

无绳电动工具供应商与锂离子电池供应商密切合作，以优化“最大连续放电”（MCD） 性能与成本、重量、充电率、循环寿命、容量和耐用性 （冲击、振动和温度耐受性） 的关系。表 2 列举了当今无绳电动工具中使用的 18650 锂离子电池的几个例子。

一个周期被定义为完全充电，加上完全放电。三星的25R规定循环寿命为：“在250次标准充电和20 A MCD的循环后，保留至少60%的原始面板容量。” LG的HG2规定循环寿命为：“在200次标准充电和20 A MCD的循环后，保留至少70%的原始面板容量。”

无刷直流电机 （BLDC）

BLDC 电机与有刷永磁直流 （PMDC） 电机相比具有许多优势，特别是更高的可靠性、几乎无需维护、更低的电气和声学噪声、更好的热性能、更高的速度范围和功率密度。典型的无绳电动工具BLDC 电机在转子上使用永磁体，在定子上使用三个电枢绕组 （U、V、W）。微控制器 （MCU） 实施多种控制和调制方案 （梯形、正弦、带 SVM 的 FOC、DTC 等） 中的一种，以策略性地为电机绕组供电。这会产生电磁场，从而在转子磁铁和定子绕组之间产生相互作用力。如果处理得当，这种交互作用可以在所需方向上精确控制电机的速度、扭矩或功率。

图 1 显示了 基于 3 相 BLDC 电机的无绳电动工具的典型框图。MCU 执行控制和调制方案固件，它命令其 PWM 外设向三个NCP81080 （2 mm x 2 mm） 半桥门极驱动器输出六个协调的占空比。这三个驱动器充当输出桥中六个功率 MOSFET 的动力转向，为下桥 （LS） 和上桥 （HS）的 U、V 和 W MOSFET 供电。

这些通常是额定电压为1.5~2.0倍电池电压的N-沟道MOSFET，如表3所示。漏源 （VDSS） 电压是选择MOSFET的一阶近似参数。选择MOSFET还有许多其他考虑因素，包括BLDC功率，以及成本、RDS（on）、QG、封装等。

MCU可通过NCS2007x（3MHz的典型带宽）测量通过每个绕组的电流，并可选择用霍尔效应传感反馈来评估转子的角度位置。另外，还可实现一个无传感器的架构，但有更多的处理开销。RSL10 BLE可用于电池/工具资产跟踪、固件无线更新（FOTA）、功能选择/调整和遥测数据收集。

审核编辑：郭婷