園藝設備的電氣化和電路保護設計：不斷發展的園藝設備面臨的新安全挑戰

不斷發展的園藝設備和不斷變化的全球市場

本文的一些讀者可能喜歡在閒暇時間從事園藝活動，而各種各樣的工具和設備也為園藝提供了便利。尤其是在北美，園藝設備隨處可見，擁有維護良好的草坪的房屋也屢見不鮮。據說，北美居民養護草坪的習俗起源於中世紀歐洲貴族的花園。這種歐洲園藝文化在18和19世紀傳播到富裕的美國，並被傑佛遜總統在其蒙蒂塞洛莊園所採納。長期以來，園藝設備在世界各地都是戶外工作（例如割草、修剪和土地平整）中不可或缺的一部分。機動園藝設備出現於19世紀末20世紀初，當時出現了由輕型蒸汽機和汽油機驅動的割草機。在1920年代，各公司推出了新產品，並開始大規模生產，到1930年代，鏈鋸、動力鐮刀等更多產品進入市場。割草機和花園軟管的普及，加上高爾夫球運動的日益流行，使得園藝成為大眾普遍參與的活動，從而催生了美國夢的新象徵——二戰後長島郊區萊維敦隨處可見的帶草坪的獨棟住宅。

電池驅動工具的起源可以追溯到1961年，當時美國百得公司（Black & Decker）開發了一款鎳鎘電池驅動的無線電鑽。博世公司（Bosch）於1969年推出了電池驅動的綠籬修剪機，通用電氣公司（GE）的Elec-Trak電動拖拉機則在1969年至1975年間問世，而電池驅動割草機的原型機則在1959年至1962年間出現。隨著電池技術從鎳鎘電池發展到鎳氫電池再到鋰離子電池，專注於電池驅動的設備品牌在21世紀初湧現，如今這些設備在專業領域也得到了廣泛應用。

在此之前，汽油動力設備佔據了市場主導地位，其價值在於即使在沒有電力供應的大片地區也能提供高功率輸出。

這些汽油動力工具的設計注重便攜性和易操作性，在亞洲、北美和歐洲的農業和園藝領域中廣泛應用。割草機、鏈鋸、吹葉機等工具每天都被用於農業、園藝和市政綠地管理。

從近期全球市場可以看出園藝設備需求的變化。 2024年全球園藝設備市場規模約1,022億美元，預計2031年將達到約1,559億美元，複合年增長率為6.3%。

這一增長背後有幾個因素。首先是城市地區住宅開發和屋頂綠化的普及，導致人們對可在家庭花園和小空間使用的緊湊型設備的需求增加。其次是越來越多的DIY愛好者喜歡種植蔬菜和進行戶外活動，他們更傾向於選擇操作和維護簡單的電動產品。最後，智慧感測器和電池技術的進步推動了諸如機器人割草機等先進產品的推出，同時也推高了產品的單價。

從區域來看，北美擁有最大的市場，當地濃厚的DIY文化推動了電動和物聯網產品的快速普及。另一方面，亞太地區預計將實現最高的成長率（年複合成長率7.9%），這得益於園藝興趣的成長以及都市化進程和收入水準的提高。

隨著全球園藝設備市場的成長，消費者對產品性能和功能的期望也在不斷變化。尤其值得一提的是，電氣化技術的進步也促使人們更加關注電路設計、安全性和產品設計，並考慮溫室氣體排放等環境影響。下一章，我們將探討二行程引擎的優勢和麵臨的挑戰，二行程引擎是汽油動力工具的主要動力來源。
資料來源：Data Bridge Market Research《全球園藝設備市場－產業趨勢及至2031年預測》

二衝程引擎的優勢和麵臨的挑戰

許多汽油動力園藝工具都採用二行程引擎。由於其結構簡單、重量輕、體積小巧但功率輸出高等優點，這些引擎常用於手持式設備，例如割灌機和鏈鋸。

二衝程引擎在活塞的兩個衝程（一次旋轉）內完成燃燒循環的進氣、壓縮、動力輸出和排氣階段，因此每轉功率密度高，非常適合小型工具。但另一方面，與四衝程引擎相比，二行程引擎的燃油效率較低，且往往會排放更多未燃燒的廢氣。

此外，二行程引擎使用汽油和機油的混合物作為燃料，因此使用者需要自行配製燃油混合物。日常維護需要一定的知識和謹慎操作，因為不正確的燃油比例會導致積碳或引擎鎖死。

由於廢氣排放、燃油管理困難以及環境性能等問題，二行程引擎目前面臨符合環保法規的挑戰。特別是，面向城市和居民區的產品現在更加重視降低噪音和廢氣排放。

排放法規和市場的變化

二衝程引擎面臨的挑戰之一是其對環境的影響。由於結構原因，它們的燃料燃燒效率較低，並且會排放未燃燒的燃料和機油，有時會導致空氣污染和刺鼻氣味。

因此，各國紛紛實施了日益嚴格的廢氣排放法規。尤其是在歐洲，嚴格的環境保護標準很早就出台，涵蓋了小型引擎設備，例如園藝工具。例如，歐盟實施了第五階段排放標準，規定了氮氧化物（NOx）和碳氫化合物（HC）的排放限值。

近年來，全球對小型引擎設備（例如園藝工具）的排放法規日益嚴格。在歐盟，非道路移動機械 (NRMM) 法規規定了各類引擎的審批程序，並針對不同的功率範圍和用途制定了排放標準。 （*非道路移動機械 – 歐盟委員會）

在美國，美國環保署 (EPA) 制定了小型火星點火引擎的排放標準，並自 2011 年和 2012 年起分階段實施。這些法規不僅涵蓋廢氣排放，還包括燃油系統零件的燃油蒸發排放。 （*美國環保署《船用火星點火引擎排放法規》）

為了因應國際日益嚴格的監管趨勢，園藝設備製造商正致力於優化引擎功率並開發環境影響較小的機型。此外，越來越多的公司正在積極轉型，推出功率更高的電動車款。

汽油設備與電動設備比較：優缺點

雖然環保法規和市場變化正在推動園藝設備的電氣化，但並非所有汽油動力設備都能立即被電動馬達取代。汽油工具和電動工具各有優缺點。
燃氣動力設備最大的優勢在於其高功率輸出和長運轉時間。只要燃料充足，就能長時間作業。

另一方面，燃油混合物需要小心處理。機油和普通汽油必須以正確比例混合，而且由於汽油會隨時間蒸發變質，燃油混合物的保質期有限。使用變質的燃油混合物會使引擎更難啟動，並可能導致化油器和燃油濾清器堵塞。此外，存放汽油動力工具時也需要格外小心——如果存放條件不當導致水進入發動機，則可能在使用過程中發生故障。汽油動力園藝設備的維護和保養也需要花費時間和精力。

電動設備的優點在於操作簡單。只需按一下按鈕即可啟動，維護也更加省力。無需混合燃料對於初學者和家庭園丁來說也是一大優勢。

然而，電池容量可能會限制工作時間，並使高負載任務變得困難。

汽油動力和電力動力各有優缺點——目前，現實的解決方案通常是為每項工作選擇合適的工具。

電動園藝設備的現況與技術挑戰

電動園藝設備在易用性和環保性能方面具有許多優勢，但這項技術尚未完全成熟。尤其是在高負載作業和某些特定類型的任務中，仍存在一些挑戰。

近年來，推出了 36 V 和 80 V 等高壓鋰離子電池組產品，提高了整體功率輸出。功率輸出的增加逐漸使電動工具能夠用於曾經需要汽油動力設備的任務。然而，僅靠高壓並不能使所有任務成為可能。

例如，砍伐樹幹和粗枝，或清理茂密的灌木叢等高負載作業，電動馬達型的輸出限制器可能會對工作效率產生負面影響。強迫設備繼續工作會增加電池和馬達過熱的風險，因此許多產品都配備了安全功能，可以在必要時自動關閉系統以防止損壞。電池容量有限也可能導致設備在作業過程中電量耗盡，需要切換到備用電池。

需要注意的是，電動園藝設備可能無法發揮最佳性能，這取決於工作環境和任務類型。

因此，即使在發生意外故障時也能確保安全的設計對於增強使用者信心至關重要。

安全設計中的電路保護與標準合規性

隨著園藝設備從汽油動力轉向電力動力，電路安全也出現了新的挑戰。當電池供電產品的電源系統發生故障時，可能會造成過電流、短路、過熱等風險，最嚴重的情況甚至會引發火災。

為因應這些風險，必須採用能夠可靠地中斷電路的設計。這不再只是附加價值，而是正在成為符合國際安全標準的先決條件。

例如，UL 62841-1 是小型電動設備的安全標準，包括電氣設備和園藝設備。它要求在發生故障時物理斷開內部電路。此外，UL 62133 和國際 IEC 62133 標準對配備鋰離子電池的設備定義了“正常充電期間（在指定工作區域內）的工作條件”，並要求對超出這些限制的條件採取對策。
此類標準為單元設定了以下條件：

• • 開路電壓維持在測試前電壓的至少 90%
• 符合標準充電和再充電測試
• • 電池通風口未受損

此外，標準要求設計方案即使零件損壞也不會起火。例如，如果由於零件故障導致過充，電池電壓不得超過 150 mV；如果超過，則必須永久停用充電功能。

外殼壓力測試和機械強度測試等測試用於評估在發生物理或電氣故障後是否能確保安全，而電路保護部件的選擇是一個關鍵的設計要素，它直接影響產品是否符合標準。

換句話說，保護設計不僅要在正常使用條件下提供效能，而且要在發生故障時可靠地斷開連接，以防止二次損壞。

為什麼選擇SCP作為園藝設備的電路保護部件？

隨著電動園藝設備的普及，選擇電路保護部件來支撐產品的安全性和可靠性已成為設計過程中的關鍵。特別是對於由高輸出、高電壓鋰離子電池供電的設備，除了故障時的電源中斷外，還需要易於集成和長期可靠性。

Dexerials 提供自控保護器 (SCP)，這是一種表面貼裝式保險絲，專為滿足園藝設備等戶外產品中的上述需求而開發。
SCP具有以下特徵：

• 永久斷開：故障時物理斷開電路。
  SCP（短路保護器）是一種永久性斷開保險絲，當發生過充電或過流等故障時，它會物理性地切斷電路。這樣，一旦偵測到故障，電池就無法繼續使用。
  
• 低阻抗設計：支援快速充電和節能
  SCP（充電電流轉換器）的設計使其在通電時具有低電阻，從而實現高輸出功率和快速充電。近年來，越來越多的園藝工具增加了快速充電功能，以提高用戶便利性，而SCP的靈活性足以支援這些電路設計。
  
• 熔斷曲線控制：實現電池性能的充分發揮
  SCP結構在發生故障時可透過啟動其內部加熱器立即斷開連接。這種熔斷曲線控制功能使得設計能夠充分利用電池的性能，而無需考慮熔斷器的規格。這使得即使在涉及瞬時高負載的任務中，也能安全地發揮電池的全部潛能。

園藝設備是為戶外使用而設計的，因此會受到各種環境壓力的影響，例如高溫、高濕、振動、衝擊和灰塵。

SCP 是表面貼裝保險絲元件，可確保在發生過充或過電流等故障時中斷電路，從而防止電池達到危險狀態。
Dexerials 的 SCP 用於提高由鋰離子電池供電的園藝設備的安全性，需求每年都在持續增長。有關SCP如何工作的詳細信息，請參閱這篇文章：（大電流鋰離子電池的二次保護元件技術）

隨著園藝工作所用設備從汽油動力過渡到電力動力，越來越需要考慮安全性並應對新的設計挑戰。

電路保護設計對於園藝設備至關重要，不僅要提供高性能，還要在鋰離子電池發生故障時安全關閉操作。

隨著園藝設備市場的持續成長，Dexerials 的自控保護器 (表面貼裝保險絲) 表面安裝保險絲將有助於保障使用者的安全和安心。

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