Die Geschichte der Elektrowerkzeuge und des Sekundärschutzelements (Oberflächenmontierte Sicherung)

Der Fortschritt der Werkzeuge hat die Menschheitsgeschichte begleitet

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Dieser Artikel beschreibt die Geschichte von der Erfindung der Bohrmaschine bis hin zu den neuesten intelligenten Elektrowerkzeugen. Er geht auch auf Sicherheitsanforderungen und die erhöhte Akkukapazität von Akkuwerkzeugen ein.

Die Geschichte der Bohrmaschine

Bohrer werden seit der Antike verwendet, um Löcher in Bretter zu bohren. Handbetriebene Bohrmaschinen waren weit verbreitet, bis Arthur James Arnot und William Blanch Brain 1889 in Melbourne, Australien, die weltweit erste elektrische Bohrmaschine entwickelten.

Zum Zeitpunkt ihrer Erfindung war die Bohrmaschine ein Spezialwerkzeug zum Bohren von Löchern in Holz und Metall. Dabei wurde ein Bohrer befestigt und gedreht. Seitdem wurden Bohrer für andere Zwecke entwickelt, und die zunehmende Vielfalt an an der Spitze befestigten Werkzeugen ermöglichte verschiedene Aufgaben wie Bohren, Festziehen, Lösen, Schleifen und Polieren.

Ein wichtiger Meilenstein in der Entwicklung der Bohrmaschine war 1916, als ein amerikanischer Hersteller von Elektrowerkzeugen mit der Produktion einer Bohrmaschine mit Pistolengriff und Abzugsschalter begann. Bis dahin waren Bohrmaschinen so groß, dass sie von zwei Personen bedient werden mussten. Das Pistolengriff-Design reduzierte die Größe und ermöglichte so den einfachen Transport. Dank des Abzugsschalters konnte die Bohrmaschine durch Drücken eines Abzugs eingeschaltet werden.

Dasselbe Unternehmen brachte dann 1946 die weltweit erste Bohrmaschine für den Heimgebrauch auf den Markt und verkaufte bis 1951 eine Million Bohrmaschinen. In Japan entwickelte und verkaufte übrigens 1935 ein großer Elektronikhersteller die erste im Inland produzierte Bohrmaschine.

Die Erfindung des Akku-Bohrers und die Einführung von Werkzeugen mit Lithium-Ionen-Akkus

Der größte Elektrowerkzeughersteller der USA entwickelte daraufhin im Jahr 1961 die weltweit erste Akku-Bohrmaschine mit Nickel-Cadmium-Akkus. Weitere Arten akkubetriebener Werkzeuge folgten, und es entstand eine Vielzahl handgeführter Werkzeuge und Geräte wie Rasenmäher, Staubsauger, Handsägen und Poliermaschinen.

Im Jahr 2005 brachte ein anderer amerikanischer Elektrowerkzeughersteller das weltweit erste Elektrowerkzeug mit Lithium-Ionen-Akkus auf den Markt. Seitdem ersetzten Lithium-Ionen-Akkus in den meisten Werkzeugen die Nickel-Cadmium-Akkus.

Lithium-Ionen-Batterien und wiederaufladbare Elektrowerkzeuge ermöglichten eine einfachere Handhabung, verbesserte Stabilität und optimierte Umluftkühlsysteme.

Da Elektrowerkzeuge bei höheren Spannungen ein höheres Drehmoment (Drehkraft) aufweisen, wurden viele Werkzeuge, die ursprünglich 12 V hatten, auf bis zu 14,4 V erweitert. Lithium-Ionen-Akkus wurden zunächst mit einem Standard von 14,4 V und 3,0 Ah eingeführt. Seit etwa 2010 hat sich die Spannung von Lithium-Ionen-Akkus jedoch erhöht, und Werkzeuge mit 6,0 Ah Lithium-Ionen-Akkus sind mittlerweile weit verbreitet.

Neben der höheren Spannung verkürzte sich auch die Ladezeit der Akkus. Früher dauerte das Aufladen dieser Produkte mehrere Stunden, heute hingegen schon in nur 15 bis 30 Minuten. Die Hersteller von Elektrowerkzeugen entwickeln das Gehäuse und die Steuerplatine, während der Akku von den Herstellern zugekauft wird. Daher gibt es zwischen den Herstellern keine nennenswerten Leistungsunterschiede bei den Akkus von Elektrowerkzeugen.

Elektrowerkzeuge mit höheren Spannungen

Wie bereits erwähnt, hat die Spannung von Elektrowerkzeugen in den letzten Jahren zugenommen. Insbesondere europäische und US-amerikanische Hersteller tendieren dazu, mehr Zellen in Akkupacks zu verbauen, um die Akkukapazität und -leistung zu erhöhen. Mit zunehmender Zellenzahl vergrößert sich jedoch auch die Größe eines Akkupacks, was die Tragbarkeit von Elektrowerkzeugen beeinträchtigt.

Fast alle Elektrowerkzeuge verwenden einen Lithium-Ionen-Akku (18650) in Standardgröße. Da die Spannung eines Lithium-Ionen-Akkus etwa 3,6 V pro Zelle beträgt, hat der gesamte Akku eine Spannung, die ein Vielfaches von 3,6 V beträgt. Elektrowerkzeuge verwenden häufig 14,4 V mit vier in Reihe geschalteten Zellen oder 18 V mit fünf in Reihe geschalteten Zellen. Beide bieten ein gutes Verhältnis zwischen Leistung und Größe. Nachfolgend finden Sie einen Vergleich der Eigenschaften der einzelnen Akkupacks.

Vergleich von 14,4V und 18V Akkupacks

Insbesondere im Markt für professionelle Elektrowerkzeuge hat eine Verlagerung von 14,4-V-Akkus zu 18-V-Akkus stattgefunden.

Darüber hinaus werden in letzter Zeit immer mehr Elektrowerkzeuge mit 36-V-Akkus ausgestattet, um die Motorleistung zu erhöhen. Derzeit sind die meisten Elektrowerkzeuge mit 36-V-Akkus mit 18-V-Akkus kompatibel. Daher ist zu erwarten, dass 18-V-Akku-kompatible Produkte in der Elektrowerkzeugbranche noch einige Zeit gängige Praxis bleiben werden.

Elektrowerkzeuge, insbesondere Rotationswerkzeuge wie Kreissägen und Winkelschleifer, dürften von der Umstellung auf höhere Spannungen profitieren, da die Effizienz deutlich steigt. Bei 18-V- und 36-V-Produkten mit Motoren gleicher Leistung gilt: Je höher die Spannung, desto geringer der zum Motor fließende Strom. Dies reduziert die Motorverluste (Wärmeentwicklung) und führt zu einer höheren Motoreffizienz und damit zu einer verbesserten Produktivität.

Darüber hinaus sinkt die Anzahl benzinbetriebener Werkzeuge aufgrund von Vorschriften zur Reduzierung _{der CO2-}Emissionen in verschiedenen Ländern. Daher wird erwartet, dass Geräte mit Akkus mit hoher Kapazität benzinbetriebene Geräte ersetzen werden. Allerdings hat sich die Kapazität des Akkus selbst nicht verbessert, sodass sich die pro Ladung mögliche Arbeitsmenge kaum ändert.

Die Elektrifizierung von Gartengeräten

In den letzten Jahren wurde im Zuge der Reduzierung der CO2-Emissionen von benzinbetriebenen Gartengeräten wie Rasenmähern und Kettensägen auf elektrische Versionen mit Batterien und Motoren umgestiegen.

Benzinbetriebene Gartengeräte bieten zuverlässige Leistung. Insbesondere Zweitaktmotoren wurden häufig in Gartengeräten eingesetzt. Zweitaktmotoren haben zwar den Vorteil, leicht, kompakt und leistungsstark zu sein, haben jedoch Nachteile wie Abgasemissionen und einen hohen Benzinverbrauch.

Bei einem Zweitaktmotor wird die Verbrennung instabil, da sich das Luft-Kraftstoff-Gemisch und die Verbrennungsgase während des Spülvorgangs vermischen. Zweitaktmotoren benötigen eine Mischung aus Öl und Kraftstoff, die teilweise aus dem Auspuff austritt.

Daher sind Viertaktmotoren kraftstoffsparender und umweltfreundlicher. In den USA ist es schwieriger geworden, Rasenmäher mit Zweitaktmotor zu finden. Darüber hinaus verabschiedete der Bundesstaat Kalifornien 2022 ein Gesetz, das die Verwendung von benzinbetriebenen Rasengeräten bis 2024 einschränkt, um die Luftverschmutzung zu reduzieren.

Vor- und Nachteile von Motor- und Elektrowerkzeugen

Ein großer Vorteil elektrischer Gartengeräte ist ihre einfache Bedienung, da weder Kraftstoff noch Öl vorbereitet oder nachgefüllt werden müssen. Benzinbetriebene Gartengeräte hingegen erfordern eine Motorwartung und eine ordnungsgemäße Lagerung. Bei Zweitaktmotoren besteht das Kraftstoffgemisch aus Normalbenzin und Öl in einem bestimmten Verhältnis. Mit der Zeit verdunstet das Benzin und verdirbt. Ein schlechtes Kraftstoffgemisch führt zu Startschwierigkeiten und kann zudem Vergaser und Kraftstofffilter verstopfen.

Wenn aufgrund unsachgemäßer Lagerung Wasser in den Motor gelangt, kann das Gerät ausfallen. Obwohl diese motor- und kraftstoffbezogenen Wartungsanforderungen für elektrische Gartengeräte irrelevant sind, können einige Einschränkungen bestehen, wie in der folgenden Tabelle beschrieben.

Vergleich von elektrischen und benzinbetriebenen Gartengeräten

Da Gartengeräte eine hohe Leistung erfordern, verwenden die meisten Elektrogeräte 36-V-Akkus. Einige Hersteller bieten Gartengeräte mit einer noch höheren Akkuspannung von „80 V“ (tatsächlich 72 V) an. Die derzeit auf dem Markt erhältlichen Elektromäher haben eine kurze Akkulaufzeit und mangelnde Leistung, insbesondere beim Mähen von dicht bewachsenen Flächen.

Daher ist damit zu rechnen, dass irgendwann Gartengeräte mit höherer Spannung auf den Markt kommen werden, um diesen Problemen zu begegnen.

Aufkommen intelligenter Elektrowerkzeuge

Mit der Umstellung von Benzin- auf Elektrowerkzeuge kommen in den USA und Europa auch immer mehr intelligente Elektrowerkzeuge auf den Markt. Intelligente Elektrowerkzeuge können mit Bluetooth-Kommunikationsfunktionen ausgestattet werden, die detaillierte Werkzeugeinstellungen, Sperrfunktionen und Cloud-Tracking ermöglichen.

Smarte Elektrowerkzeuge ermöglichen folgende drei Funktionen.

1. Werkzeugverwaltung zur Nachverfolgung und Überwachung
2. Benutzerdefinierte Einstellungen für präzise Leistung
3. Diebstahlschutz

Interne IC-Tags ermöglichen die individuelle Identifizierung jedes Werkzeugs. Die Verknüpfung von IC-Tags mit Smartphones und PCs ermöglicht die Systematisierung des Werkzeugmanagements, einschließlich der Bestätigung von Reparaturanfragen, der Wartungshistorie und der Bestandsverwaltung.

Darüber hinaus können einige mit WLAN-Modulen ausgestattete Elektrowerkzeuge mit einem Netzwerk verbunden werden, um die Drehmomenteinstellungen automatisch zu verwalten und aufrechtzuerhalten. Dies verbessert die Nachverfolgbarkeit und visualisiert den Arbeitsablauf.

Arbeiten, die früher handwerkliche Erfahrung erforderten, können heute mithilfe des Internets effizienter und qualitativ hochwertiger ausgeführt werden.

Strengere Sicherheitsstandards bei steigender Batteriekapazität

Der wichtigste Aspekt beim Einsatz von Elektrowerkzeugen ist die Sicherheit. Insbesondere Lithium-Ionen-Akkus, die in Elektrowerkzeugen verwendet werden, erfordern aufgrund ihrer Funktionsweise hohe Sicherheitsstandards, da die Gefahr einer Entzündung besteht.

Der internationale Sicherheitsstandard (UL 62841-1) hat kürzlich die Anforderungen an Lithium-Ionen-Zellen und Batteriesysteme aktualisiert. Derzeit müssen in Werkzeugen verbaute Lithium-Ionen-Zellen entweder den internationalen Normen UL 62133 oder IEC 62133 entsprechen. Diese Normen regeln auch das Laden von Lithium-Ionen-Batteriesystemen und schreiben vor, dass die Zellen während des Standardladevorgangs innerhalb des „spezifizierten Betriebsbereichs“ bleiben (siehe unten).

a) Die Leerlaufspannung beträgt mindestens 90 % der Spannung vor dem Test

b) Entspricht den Standard-Lade- und Wiederaufladetests

c) Keine Beschädigung der Zellenlüftungen

In jeder Norm werden Elektrowerkzeuge als Komplettprodukte bewertet, die das Gehäuse, den Akku und das Ladegerät umfassen. Daher müssen Hersteller von Ladegeräten und Elektrowerkzeugen, die ihre eigenen Ladegeräte produzieren, die neuen Anforderungen für Lithium-Ionen-Akkus erfüllen.

Beim Testen und Bewerten von Elektrowerkzeugen mit Lithium-Ionen-Zellen müssen sowohl Spannung als auch Ladestrom innerhalb dieses spezifizierten Betriebsbereichs liegen. Weitere Anforderungen sind die Durchführung von Gehäusedruckprüfungen, um sicherzustellen, dass der Akku nicht explodiert oder Feuer fängt, sowie mechanische Festigkeitsprüfungen, um sicherzustellen, dass der Akku auch bei Stößen, wie z. B. Stürzen, einwandfrei funktioniert.

Aus Sicherheitsgründen müssen Lithium-Ionen-Ladesysteme sicherstellen, dass selbst bei Ausfall einer Komponente keine Verbrennung oder Explosion auftritt. Fällt eine Komponente im Ladegerät aus, darf die Zelle die obere Ladespannungsgrenze von 150 mV nicht überschreiten. Andernfalls muss das Ladegerät dauerhaft getrennt werden.

Sekundäre Schutzelemente (SCPs) von Dexerials

Der Self Control Protector (SCP) von Dexerials wird verwendet, um die Sicherheit von Elektro- und Gartengeräten mit Lithium-Ionen-Akkus zu verbessern.

Das SCP ist ein sekundäres Schutzelement, das Stromkreise bei Überladung oder Überstrom in Lithium-Ionen-Batterien unterbricht. Seit seiner Einführung im Jahr 1994 gilt das SCP von Dexerials als Standardkomponente für den Sekundärschutz von Lithium-Ionen-Batterien.

Mit zunehmender Zellenzahl in einer Batterie müssen SCPs nun höhere Spannungen verarbeiten können. Den Artikel über Batterieschutzschaltungen für höhere Spannungen finden Sie hier.

Die Einführung SCP in Elektrowerkzeugen bietet drei Hauptvorteile.

1. Verbesserte Sicherheit: Sorgt für eine dauerhafte Trennung des Stromkreises bei instabiler Batterie und nicht ordnungsgemäß funktionierendem Primärschutz. Dies verhindert die Wiederverwendung fehlerhafter Akkus.
2. Schnelles Laden: Niedriger Sicherungswiderstand für Schnellladegeräte. Steuerung der Sicherungsdurchbrennkurve: Sie erwärmt sich bei Stromzufuhr und ermöglicht so im Falle einer Anomalie eine sofortige Abschaltung.
3. Schmelzkurvenkontrolle der Sicherung: Durch die Erwärmung mit einer Heizung bei angelegtem Strom ist es möglich, im Störungsfall den Strom sofort abzuschalten → Die Zellen können unabhängig von den Sicherungsspezifikationen bis an ihre Leistungsgrenzen eingesetzt werden

Der Markt für Elektrowerkzeuge und elektrische Gartengeräte wird weiter wachsen, da viele Menschen von zu Hause aus arbeiten. Dexerials hofft, die Sicherheit von Elektrowerkzeugen und elektrischen Gartengeräten mit SCPs zu erhöhen.

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