园艺设备的电气化和电路保护设计：不断发展的园艺设备面临的新安全挑战

不断发展的园艺设备和不断变化的全球市场

本文的一些读者可能喜欢在闲暇时间从事园艺活动，而各种各样的工具和设备也为园艺提供了便利。尤其是在北美，园艺设备随处可见，拥有维护良好的草坪的房屋也屡见不鲜。据说，北美居民养护草坪的习俗起源于中世纪欧洲贵族的花园。这种欧洲园艺文化在18和19世纪传播到富裕的美国，并被杰斐逊总统在其蒙蒂塞洛庄园所采纳。长期以来，园艺设备在世界各地都是户外工作（例如割草、修剪和土地平整）中不可或缺的一部分。机动园艺设备出现于19世纪末20世纪初，当时出现了由轻型蒸汽机和汽油机驱动的割草机。20世纪20年代，各公司推出了新产品，并开始大规模生产，到20世纪30年代，链锯、动力镰刀等更多产品进入市场。割草机和花园软管的普及，加上高尔夫球运动的日益流行，使得园艺成为大众普遍参与的活动，从而催生了美国梦的新象征——二战后长岛郊区莱维敦随处可见的带草坪的独栋住宅。

电池驱动工具的起源可以追溯到1961年，当时美国百得公司（Black & Decker）开发了一款镍镉电池驱动的无绳电钻。博世公司（Bosch）于1969年推出了电池驱动的绿篱修剪机，通用电气公司（GE）的Elec-Trak电动拖拉机则在1969年至1975年间问世，而电池驱动割草机的原型机则在1959年至1962年间出现。随着电池技术从镍镉电池发展到镍氢电池再到锂离子电池，专注于电池驱动的设备品牌在21世纪初涌现，如今这些设备在专业领域也得到了广泛应用。

在此之前，汽油动力设备占据了市场主导地位，其价值在于即使在没有电力供应的大片地区也能提供高功率输出。

这些汽油动力工具的设计注重便携性和易操作性，在亚洲、北美和欧洲的农业和园艺领域得到广泛应用。割草机、链锯、吹叶机等工具每天都被用于农业、园艺和市政绿地管理。

从近期全球市场可以看出园艺设备需求的变化。2024年全球园艺设备市场规模约为1022亿美元，预计到2031年将达到约1559亿美元，复合年增长率为6.3%。

这一增长背后有几个因素。首先是城市地区住宅开发和屋顶绿化的普及，导致人们对可在家庭花园和小空间使用的紧凑型设备的需求增加。其次是越来越多的DIY爱好者喜欢种植蔬菜和进行户外活动，他们更倾向于选择操作和维护简便的电动产品。最后，智能传感器和电池技术的进步推动了诸如机器人割草机等先进产品的推出，同时也推高了产品的单价。

从区域来看，北美拥有最大的市场，当地浓厚的DIY文化推动了电动和物联网产品的快速普及。另一方面，亚太地区预计将实现最高的增长率（年复合增长率7.9%），这得益于园艺兴趣的增长以及城市化进程和收入水平的提高。

随着全球园艺设备市场的增长，消费者对产品性能和功能的期望也在不断变化。尤其值得一提的是，电气化技术的进步也促使人们更加关注电路设计、安全性和产品设计，并考虑温室气体排放等环境影响。下一章，我们将探讨二冲程发动机的优势和面临的挑战，二冲程发动机是汽油动力工具的主要动力来源。
资料来源：Data Bridge Market Research《全球园艺设备市场——行业趋势及至2031年预测》

二冲程发动机的优势和面临的挑战

许多汽油动力园艺工具都采用二冲程发动机。由于其结构简单、重量轻、体积小巧但功率输出高等优点，这些发动机常用于手持式设备，例如割灌机和链锯。

二冲程发动机在活塞的两个冲程（一次旋转）内完成燃烧循环的进气、压缩、动力输出和排气阶段，因此每转功率密度高，非常适合小型工具。但另一方面，与四冲程发动机相比，二冲程发动机的燃油效率较低，且往往会排放更多未燃烧的废气。

此外，二冲程发动机使用汽油和机油的混合物作为燃料，因此用户需要自行配制燃油混合物。日常维护需要一定的知识和谨慎操作，因为不正确的燃油比例会导致积碳或发动机抱死。

由于尾气排放、燃油管理困难以及环境性能等问题，二冲程发动机目前面临着符合环保法规的挑战。特别是，面向城市和居民区的产品现在更加注重降低噪音和尾气排放。

排放法规和市场的变化

二冲程发动机面临的挑战之一是其对环境的影响。由于结构原因，它们的燃料燃烧效率较低，并且会排放未燃烧的燃料和机油，有时会导致空气污染和刺鼻气味。

因此，各国纷纷实施了日益严格的尾气排放法规。尤其是在欧洲，严格的环境保护标准很早就出台，涵盖了小型发动机设备，例如园艺工具。例如，欧盟实施了第五阶段排放标准，规定了氮氧化物（NOx）和碳氢化合物（HC）的排放限值。

近年来，全球范围内对小型发动机设备（例如园艺工具）的排放法规日益严格。在欧盟，非道路移动机械 (NRMM) 法规规定了各类发动机的审批程序，并针对不同的功率范围和用途制定了排放标准。（*非道路移动机械 – 欧盟委员会）

在美国，环境保护署 (EPA) 制定了小型火花点火发动机的排放标准，并自 2011 年和 2012 年起分阶段实施。这些法规不仅涵盖尾气排放，还包括燃油系统部件的燃油蒸发排放。（*美国环保署《船用火花点火发动机排放法规》）

为了应对国际上日益严格的监管趋势，园艺设备制造商正致力于优化发动机功率并开发环境影响更小的机型。此外，越来越多的公司正在积极转型，推出功率更高的电动车型。

汽油设备和电动设备比较：优缺点

虽然环保法规和市场变化正在推动园艺设备的电气化，但并非所有汽油动力设备都能立即被电动机取代。汽油工具和电动工具各有优缺点。
燃气动力设备最大的优势在于其高功率输出和长运行时间。只要燃料充足，就能长时间作业。

另一方面，燃油混合物需要小心处理。机油和普通汽油必须按正确比例混合，而且由于汽油会随时间蒸发和变质，燃油混合物的保质期有限。使用变质的燃油混合物会使发动机更难启动，并可能导致化油器和燃油滤清器堵塞。此外，存放汽油动力工具时也需要格外小心——如果存放条件不当导致水进入发动机，则可能在使用过程中发生故障。汽油动力园艺设备的维护和保养也需要花费时间和精力。

电动设备的优势在于操作简便。只需按一下按钮即可启动，维护也更加省力。无需混合燃料对于初学者和家庭园丁来说也是一大优势。

然而，电池容量可能会限制工作时间，并使高负载任务变得困难。

汽油动力和电力动力各有优缺点——目前，现实的解决方案通常是为每项工作选择合适的工具。

电动园艺设备的现状和技术挑战

电动园艺设备在易用性和环保性能方面具有诸多优势，但这项技术尚未完全成熟。尤其是在高负荷作业和某些特定类型的任务中，仍然存在一些挑战。

近年来，推出了 36 V 和 80 V 等高压锂离子电池组产品，提高了整体功率输出。功率输出的增加逐渐使电动工具能够用于曾经需要汽油动力设备的任务。然而，仅靠高压并不能使所有任务成为可能。

例如，砍伐树干和粗枝，或清理茂密的灌木丛等高负荷作业，电动机型的输出限制器可能会对工作效率产生负面影响。强迫设备继续工作会增加电池和电机过热的风险，因此许多产品都配备了安全功能，可以在必要时自动关闭系统以防止损坏。电池容量有限也可能导致设备在作业过程中电量耗尽，需要切换到备用电池。

需要注意的是，电动园艺设备可能无法发挥最佳性能，这取决于工作环境和任务类型。

因此，即使在发生意外故障时也能确保安全的设计对于增强用户信心至关重要。

安全设计中的电路保护和标准合规性

随着园艺设备从汽油动力转向电力动力，电路安全方面也出现了新的挑战。当电池供电产品的电源系统发生故障时，可能会造成过电流、短路、过热等风险，最严重的情况下甚至会引发火灾。

为应对这些风险，必须采用能够可靠地中断电路的设计。这不再仅仅是附加价值，而是正在成为符合国际安全标准的先决条件。

例如，UL 62841-1 是小型电动设备（包括电气设备和园艺设备）的安全标准。它要求在发生故障时物理断开内部电路。此外，UL 62133 和国际 IEC 62133 标准对装有锂离子电池的设备定义了“正常充电期间（在指定工作区域内）的工作条件”，并要求对超出这些限制的条件采取对策。
此类标准为细胞设置了以下条件：

• • 开路电压保持在测试前电压的至少 90%
• 符合标准充电和再充电测试
• • 电池通风口未受损

此外，标准要求设计方案即使部件损坏也不会起火。例如，如果由于部件故障导致过充，电池电压不得超过 150 mV；如果超过，则必须永久禁用充电功能。

外壳压力测试和机械强度测试等测试用于评估在发生物理或电气故障后是否能确保安全，而电路保护部件的选择是一个关键的设计要素，它直接影响产品是否符合标准。

换句话说，保护设计不仅要在正常使用条件下提供性能，而且要在发生故障时可靠地断开连接，以防止二次损坏。

为什么选择SCP作为园艺设备的电路保护部件？

随着电动园艺设备的普及，选择电路保护部件以支撑产品的安全性和可靠性成为设计过程中的关键。特别是对于高输出、高压锂离子电池供电的设备，除了故障时的电源中断外，还需要易于集成和长期可靠性。

Dexerials 提供自控保护器 (SCP)，这是一种表面贴装式保险丝，专为满足园艺设备等户外产品的上述需求而开发。
SCP具有以下特征：

• 永久断开：故障发生时物理断开电路。
  SCP（短路保护器）是一种永久性断开式保险丝，当发生过充电或过流等故障时，它会物理性地切断电路。这样，一旦检测到故障，电池就无法继续使用。
  
• 低阻抗设计：支持快速充电和节能
  SCP（充电电流转换器）的设计使其在通电时具有低电阻，从而实现高输出功率和快速充电。近年来，越来越多的园艺工具增加了快速充电功能，以提高用户便利性，而SCP的灵活性足以支持这些电路设计。
  
• 熔断曲线控制：实现电池性能的充分发挥
  SCP结构在发生故障时可通过激活其内部加热器立即断开连接。这种熔断曲线控制功能使得设计能够充分利用电池的性能，而无需考虑熔断器的规格。这使得即使在涉及瞬时高负载的任务中，也能安全地发挥电池的全部潜能。

园艺设备是为户外使用而设计的，因此会受到各种环境压力的影响，例如高温、高湿、振动、冲击和灰尘。

SCP 是表面贴装保险丝元件，可确保在发生过充或过流等故障时中断电路，从而防止电池达到危险状态。
Dexerials 的 SCP 用于提高由锂离子电池供电的园艺设备的安全性，并且需求每年都在持续增长。有关SCP如何工作的详细信息，请参阅这篇文章：（大电流锂离子电池的二次保护元件技术）

随着园艺工作所用设备从汽油动力过渡到电力动力，越来越需要考虑安全性并应对新的设计挑战。

电路保护设计对于园艺设备至关重要，不仅要提供高性能，还要在锂离子电池发生故障时安全关闭运行。

随着园艺设备市场的持续增长，Dexerials 的自控保护器 (表面贴装保险丝) 表面安装式保险丝将有助于保障用户的安全和安心。

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