Elektrifizierung und Schaltungsschutz für Gartengeräte: Neue Sicherheitsherausforderungen für sich entwickelnde Gartengeräte

Sich weiterentwickelnde Gartengeräte und der sich verändernde globale Markt

Manche Leser dieses Artikels verbringen ihre Freizeit vielleicht gerne mit Gärtnern, und dafür gibt es eine große Auswahl an hilfreichen Werkzeugen und Geräten. Besonders in Nordamerika sind Gartengeräte weit verbreitet, und gepflegte Rasenflächen gehören zum alltäglichen Bild. Die Tradition der Rasenpflege in Nordamerika soll ihre Wurzeln in den Gärten mittelalterlicher europäischer Adliger haben. Diese europäische Gartenkultur verbreitete sich im 18. und 19. Jahrhundert unter wohlhabenden Amerikanern und wurde von Präsident Jefferson in seinem Anwesen Monticello übernommen. Gartengeräte werden seit Langem weltweit als unverzichtbarer Bestandteil von Gartenarbeiten wie Rasenmähen, Beschneiden und Planieren eingesetzt. Motorisierte Gartengeräte kamen Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts in Form von Rasenmähern auf den Markt, die von leichten Dampf- und Benzinmotoren angetrieben wurden. In den 1920er-Jahren brachten verschiedene Firmen neue Produkte heraus, und die Massenproduktion begann. Kettensägen, Motorsenkel und weitere Geräte eroberten in den 1930er-Jahren den Markt. Die Verbreitung von Rasenmähern und Gartenschläuchen sowie die wachsende Beliebtheit des Golfsports machten das Gärtnern für die breite Öffentlichkeit zugänglich und führten zu einem neuen Symbol des amerikanischen Traums – der Vielzahl von Einfamilienhäusern mit Rasenflächen, die man im Nachkriegsvorort Levittown auf Long Island sehen konnte.

Akkubetriebene Werkzeuge begannen ihre Geschichte 1961 mit der Entwicklung eines NiCd-Akku-Bohrschraubers durch Black & Decker in den USA. Bosch brachte 1969 eine akkubetriebene Heckenschere auf den Markt, und der elektrische Traktor Elec-Trak von GE erschien zwischen 1969 und 1975. Prototypen akkubetriebener Rasenmäher wurden bereits zwischen 1959 und 1962 vorgestellt. Mit der Weiterentwicklung der Akkutechnologie von Nickel-Cadmium über Nickel-Metallhydrid zu Lithium-Ionen entstanden in den 2000er-Jahren Marken, die sich auf akkubetriebene Geräte spezialisiert hatten. Diese Geräte sind heute auch im professionellen Bereich weit verbreitet.

Zuvor dominierten benzinbetriebene Geräte den Markt, die für ihre Fähigkeit geschätzt wurden, auch in großen Gebieten ohne Stromanschluss eine hohe Leistung zu erbringen.

Diese benzinbetriebenen Geräte zeichnen sich durch ihre tragbare und benutzerfreundliche Bauweise aus und sind in der Landwirtschaft und im Gartenbau in Asien, Nordamerika und Europa weit verbreitet. Rasenmäher, Kettensägen, Laubbläser und andere Geräte werden täglich in der Landwirtschaft, im Gartenbau und bei der Pflege städtischer Grünflächen eingesetzt.

Die veränderte Nachfrage nach Gartengeräten lässt sich am aktuellen globalen Marktgeschehen ablesen. Der weltweite Markt für Gartengeräte umfasste im Jahr 2024 rund 102,2 Milliarden US-Dollar und wird voraussichtlich bis 2031 auf etwa 155,9 Milliarden US-Dollar anwachsen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 6,3 % entspricht.

Mehrere Faktoren tragen zu diesem Wachstum bei. Zum einen breitet sich die Bebauung städtischer Gebiete mit Wohnhäusern und Gründächern aus, wodurch der Bedarf an kompakten Geräten für Hausgärten und kleine Flächen steigt. Zum anderen gibt es immer mehr Heimwerker, die Gemüsegärten anlegen und sich gerne im Freien aufhalten. Sie bevorzugen elektrische Geräte aufgrund ihrer einfachen Bedienung und Wartung. Schließlich treibt die Weiterentwicklung intelligenter Sensoren und Batterietechnologie die Einführung fortschrittlicher Produkte wie Mähroboter sowie höhere Preise pro Produkt voran.

Nordamerika ist regional der größte Markt, wo eine ausgeprägte Do-it-yourself-Kultur die rasche Verbreitung von elektrisch betriebenen Produkten und IoT-Produkten vorantreibt. Der asiatisch-pazifische Raum hingegen dürfte mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 7,9 % das höchste Wachstum verzeichnen, da das Interesse am Gärtnern mit der Urbanisierung und steigenden Einkommen zunimmt.

Mit dem weltweiten Wachstum des Marktes für Gartengeräte verändern sich auch die Erwartungen der Kunden an Leistung und Funktionen. Insbesondere Fortschritte in der Elektrifizierung führen zu einem verstärkten Interesse an Schaltungsdesign, Sicherheit und Produktentwicklung unter Berücksichtigung von Umweltauswirkungen wie Treibhausgasemissionen. Im nächsten Kapitel untersuchen wir die Vorteile und Herausforderungen des Zweitaktmotors, einem zentralen Antriebstyp benzinbetriebener Geräte.
Quelle: Data Bridge Market Research „Globaler Markt für Gartengeräte – Branchentrends und Prognose bis 2031“

Die Vorteile und Herausforderungen von Zweitaktmotoren

Viele benzinbetriebene Gartengeräte werden von Zweitaktmotoren angetrieben. Diese Motoren werden aufgrund ihrer Vorteile wie einfacher Bauweise, geringem Gewicht und hoher Leistung im Verhältnis zur Größe häufig in handgeführten Geräten wie Freischneidern und Kettensägen eingesetzt.

Ein Zweitaktmotor durchläuft die Ansaug-, Verdichtungs-, Arbeits- und Ausstoßphase des Verbrennungszyklus in zwei Kolbenhüben (einer Umdrehung). Dies führt zu einer hohen Leistungsdichte pro Motorumdrehung und macht ihn ideal für kompakte Werkzeuge. Andererseits ist er weniger kraftstoffeffizient und emittiert im Vergleich zu einem Viertaktmotor tendenziell höhere Mengen an unverbrannten Abgasen.

Darüber hinaus benötigt der Zweitaktmotor ein Öl-Benzin-Gemisch als Kraftstoff, weshalb der Benutzer dieses Gemisch selbst mischen muss. Für die regelmäßige Wartung sind gewisse Kenntnisse und Vorsicht erforderlich, da ein falsches Mischungsverhältnis zu Kohlenstoffablagerungen oder einem Motorschaden führen kann.

Aufgrund von Problemen wie Abgasemissionen, schwierigem Kraftstoffmanagement und der Berücksichtigung umweltrelevanter Leistungsanforderungen stehen Zweitaktmotoren aktuell vor der Herausforderung, Umweltauflagen zu erfüllen. Insbesondere bei Produkten für den Einsatz in städtischen und Wohngebieten wird nun verstärkt Wert auf die Reduzierung von Lärm und Abgasemissionen gelegt.

Änderungen der Emissionsvorschriften und des Marktes

Eine der Herausforderungen für Zweitaktmotoren ist die Umweltbelastung. Aufgrund ihrer Bauart weisen sie eine geringe Kraftstoffverbrennungseffizienz auf und emittieren unverbrannten Kraftstoff und Öl, was mitunter zu Luftverschmutzung und stechenden Gerüchen führt.

Infolgedessen haben verschiedene Länder zunehmend strengere Vorschriften für Abgasemissionen eingeführt. Insbesondere in Europa wurden frühzeitig strenge Umweltschutzstandards festgelegt, die auch Geräte mit kleinen Motoren, wie beispielsweise Gartengeräte, umfassen. So hat die Europäische Union (EU) die Stufe-V-Normen eingeführt, die Emissionsgrenzwerte für Stickoxide (NOx) und Kohlenwasserstoffe (HC) festlegen.

Die Emissionsvorschriften für Kleingeräte mit Verbrennungsmotor, wie beispielsweise Gartengeräte, sind in den letzten Jahren weltweit immer strenger geworden. In der EU wurden mit den Vorschriften für mobile Arbeitsmaschinen abseits der Straße (NRMM) Zulassungsverfahren für verschiedene Motorentypen festgelegt und Emissionsnormen für unterschiedliche Leistungsbereiche und Verwendungszwecke definiert. (* Mobile Arbeitsmaschinen abseits der Straße – Europäische Kommission)

In den USA hat die Umweltschutzbehörde (EPA) Emissionsnormen für kleine Ottomotoren festgelegt, die seit 2011 und 2012 schrittweise eingeführt wurden. Diese Vorschriften regeln nicht nur die Abgasemissionen, sondern auch die Emissionen durch Kraftstoffverdunstung aus Teilen des Kraftstoffsystems. (* Vorschriften für Emissionen von Ottomotoren für die Schifffahrt | US EPA)

Als Reaktion auf internationale Trends hin zu strengeren Regulierungen arbeiten Hersteller von Gartengeräten daran, die Motorleistung zu optimieren und umweltschonendere Modelle zu entwickeln. Darüber hinaus setzen immer mehr Unternehmen verstärkt auf leistungsstärkere Elektromodelle.

Vergleich von benzin- und elektrisch betriebenen Geräten: Vor- und Nachteile

Während Umweltauflagen und Marktveränderungen die Elektrifizierung von Gartengeräten vorantreiben, lassen sich nicht alle benzinbetriebenen Geräte sofort durch Elektromotoren ersetzen. Sowohl benzin- als auch elektrisch betriebene Geräte haben ihre jeweiligen Vor- und Nachteile.
Die größten Vorteile gasbetriebener Geräte sind ihre hohe Leistung und lange Betriebsdauer. Bei ausreichend Kraftstoff sind längere Arbeitseinsätze möglich.

Andererseits erfordern Kraftstoffgemische sorgfältige Handhabung. Öl und Benzin müssen im richtigen Verhältnis gemischt werden, und das Gemisch ist nur begrenzt haltbar, da Benzin mit der Zeit verdunstet und sich zersetzt. Die Verwendung eines gealterten Kraftstoffgemisches erschwert den Motorstart und kann zu Verstopfungen von Vergaser und Kraftstofffilter führen. Auch bei der Lagerung benzinbetriebener Geräte ist ständige Vorsicht geboten – dringt bei ungeeigneten Lagerbedingungen Wasser in den Motor ein, kann dieser während des Gebrauchs blockieren. Wartung und Vorbereitung benzinbetriebener Gartengeräte erfordern Zeit und Aufwand.

Der Vorteil elektrischer Geräte liegt in ihrer einfachen Bedienung. Sie lassen sich per Knopfdruck starten und sind wartungsärmer. Auch das Wegfallen des Brennstoffmischens ist ein großer Pluspunkt, insbesondere für Anfänger und Hobbygärtner.

Allerdings kann die Akkukapazität die Arbeitszeiten begrenzen und rechenintensive Aufgaben erschweren.

Benzin- und Elektroantrieb haben jeweils ihre Vor- und Nachteile – derzeit besteht die realistische Lösung oft darin, für jede Aufgabe das richtige Werkzeug auszuwählen.

Aktuelle Bedingungen und technische Herausforderungen für elektrische Gartengeräte

Elektrische Gartengeräte bieten zwar viele Vorteile hinsichtlich Benutzerfreundlichkeit und Umweltverträglichkeit, die Technologie ist jedoch noch nicht ausgereift. Es bestehen weiterhin einige Herausforderungen, insbesondere bei Arbeiten mit hoher Belastung und bestimmten Aufgaben.

In den letzten Jahren wurden Produkte mit Hochvolt-Lithium-Ionen-Akkus (36 V und 80 V) eingeführt, wodurch die Gesamtleistung deutlich gesteigert wurde. Diese Leistungssteigerung ermöglicht es zunehmend, Elektrowerkzeuge auch für Aufgaben einzusetzen, für die früher benzinbetriebene Geräte benötigt wurden. Allerdings reicht Hochspannung allein nicht aus, um alle Aufgaben zu bewältigen.

Beispielsweise sind das Schneiden von Baumstämmen und dicken Ästen oder das Roden von dichtem, überwuchertem Gestrüpp anspruchsvolle Aufgaben, bei denen die Leistungsbegrenzung elektrischer Geräte die Arbeitseffizienz beeinträchtigen kann. Wird das Gerät zum Weiterarbeiten überlastet, erhöht sich das Risiko einer Überhitzung von Akku und Motor. Daher verfügen viele Produkte über Sicherheitsfunktionen, die das System automatisch abschalten, um Schäden zu vermeiden. Eine begrenzte Akkukapazität kann außerdem dazu führen, dass dem Gerät mitten in der Arbeit der Akku ausgeht und ein Backup-Akku eingeschaltet werden muss.

Es ist wichtig zu verstehen, dass elektrische Gartengeräte je nach Arbeitsumgebung und Art der Aufgabe möglicherweise nicht optimal funktionieren.

Deshalb sind Konstruktionen, die auch bei unerwarteten Fehlfunktionen Sicherheit gewährleisten, für das Vertrauen der Nutzer unerlässlich.

Schaltungsschutz und Normenkonformität im Sicherheitsdesign

Mit dem Übergang von benzin- zu elektrisch betriebenen Gartengeräten sind neue Herausforderungen im Bereich der elektrischen Sicherheit entstanden. Bei Fehlfunktionen des Stromversorgungssystems eines batteriebetriebenen Produkts können Risiken wie Überstrom, Kurzschlüsse, Überhitzung und im schlimmsten Fall Brandgefahr entstehen.

Um diesen Risiken zu begegnen, sind Schaltungen erforderlich, die einen Stromkreis zuverlässig unterbrechen können. Dies ist nicht länger nur ein Mehrwert, sondern wird zunehmend zur Voraussetzung für die Einhaltung internationaler Sicherheitsstandards.

Beispielsweise ist UL 62841-1 ein Sicherheitsstandard für kleine motorbetriebene Geräte, darunter Elektrogeräte und Gartengeräte. Er schreibt vor, dass interne Schaltkreise im Fehlerfall physisch getrennt werden müssen. Darüber hinaus definieren UL 62133 und die internationale Norm IEC 62133 die „Betriebsbedingungen während des normalen Ladevorgangs (innerhalb des spezifizierten Betriebsbereichs)“ für Geräte mit Lithium-Ionen-Akkus und fordern Gegenmaßnahmen für Zustände außerhalb dieser Grenzen.
Solche Standards legen Bedingungen für Zellen wie die folgenden fest:

• • Die Leerlaufspannung wird vor dem Test auf mindestens 90 % der Spannung gehalten.
• Entspricht den Standardlade- und Entladetests
• • Keine Beschädigung der Zelllüftungsöffnungen

Darüber hinaus fordern die Normen Konstruktionen, die auch bei defekten Teilen nicht entzünden. Beispielsweise darf die Zellspannung bei Überladung aufgrund eines Bauteilfehlers 150 mV nicht überschreiten; andernfalls muss der Ladevorgang dauerhaft deaktiviert werden.

Tests wie Gehäusedruckprüfungen und mechanische Festigkeitsprüfungen bewerten, ob die Sicherheit nach physikalischen oder elektrischen Fehlfunktionen gewährleistet ist, und die Wahl der Schaltungsschutzbauteile ist ein kritisches Konstruktionselement, das sich direkt darauf auswirkt, ob ein Produkt den Normen entspricht.

Mit anderen Worten: Schutzvorrichtungen müssen nicht nur unter normalen Gebrauchsbedingungen ihre Funktion erfüllen, sondern sich im Falle einer Fehlfunktion auch zuverlässig abschalten, um Folgeschäden zu verhindern.

Warum werden SCPs als Schaltungsschutzbauteile für Gartengeräte ausgewählt?

Mit der zunehmenden Verbreitung elektrischer Gartengeräte ist die Auswahl geeigneter Schutzschaltungen zur Gewährleistung von Produktsicherheit und -zuverlässigkeit zu einem Schlüsselfaktor im Entwicklungsprozess geworden. Insbesondere bei Geräten, die mit leistungsstarken Lithium-Ionen-Akkus mit hoher Spannung betrieben werden, sind neben der Unterbrechungsfreiheit bei Störungen auch eine einfache Integration und langfristige Zuverlässigkeit erforderlich.

Dexerials bietet Self Control Protectors (SCPs) an, oberflächenmontierte Sicherungen, die entwickelt wurden, um den oben genannten Anforderungen in Outdoor-Produkten wie Gartengeräten gerecht zu werden.
SCPs weisen folgende Merkmale auf:

• Dauerhafte Trennung: Unterbricht den Stromkreis bei Fehlfunktion physisch.
  SCPs sind permanente Trennsicherungen, die den Stromkreis bei Störungen wie Überladung oder Überstrom physisch unterbrechen. Dadurch wird die Nutzung der Batterie nach Erkennung einer Störung verhindert.
  
• Niedrigohmiges Design: Unterstützt schnelles Laden und hohe Energieeffizienz
  SCPs sind so konstruiert, dass sie bei Stromfluss einen niedrigen Widerstand aufweisen und dadurch hohe Leistung und schnelles Laden ermöglichen. Immer mehr Gartengeräte werden in den letzten Jahren mit Schnellladefunktion ausgestattet, um den Benutzerkomfort zu erhöhen, und SCPs sind flexibel genug, um diese Schaltungsdesigns zu unterstützen.
  
• Steuerung der Schmelzkurve der Sicherung: ermöglicht die volle Ausnutzung der Zellleistung
  SCP Strukturen können sich bei Fehlfunktionen durch Aktivierung ihrer internen Heizung sofort abschalten. Diese Steuerung der Schmelzkurve der Sicherung ermöglicht Konstruktionen, die die Zellleistung unabhängig von den Sicherungsspezifikationen optimal nutzen. Dadurch lassen sich Konstruktionen realisieren, die das volle Potenzial einer Zelle sicher ausschöpfen, selbst bei Aufgaben mit kurzzeitig hohen Lasten.

Gartengeräte sind für den Einsatz im Freien bestimmt und daher verschiedenen Umwelteinflüssen wie hohen Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit, Vibrationen, Stößen und Staub ausgesetzt.

SCPs sind oberflächenmontierte Sicherungselemente, die verhindern, dass Batterien einen gefährlichen Zustand erreichen, indem sie sicherstellen, dass der Stromkreis unterbrochen wird, wenn eine Fehlfunktion wie Überladung oder Überstrom auftritt.
Die SCPs von Dexerials verbessern die Sicherheit von Gartengeräten mit Lithium-Ionen-Akkus, und die Nachfrage steigt stetig. Weitere Informationen zur Funktionsweise der SCPs finden Sie in diesem Artikel: (Sekundärschutz für Lithium-Ionen-Akkus mit hoher Stromstärke).

Mit dem Übergang von benzinbetriebenen zu elektrisch betriebenen Geräten für Gartenarbeiten steigt der Bedarf, die Sicherheit zu berücksichtigen und neue Herausforderungen im Bereich der Konstruktion anzugehen.

Das Design des Schaltungsschutzes ist für Gartengeräte unerlässlich – nicht nur, um eine hohe Leistung zu erzielen, sondern auch, um den Betrieb im Falle einer Fehlfunktion der Lithium-Ionen-Batterie sicher abzuschalten.

Da der Markt für Gartengeräte weiter wächst, tragen die oberflächenmontierbaren Sicherungen Self Control Protector (SCP) von Dexerials zur Sicherheit und zum Wohlbefinden der Anwender bei.

​​