Die Geschichte der Elektrowerkzeuge und des sekundären Schutzelements (SCP)

Der Fortschritt der Werkzeuge hat die Menschheitsgeschichte begleitet

「ドリルを買いにきた人が欲しいのはドリルではなく『穴』である」というのは大変有名な言葉ですが、人類の歴史において、人々は常に何かしらの道具や工具を使って、身の回りのものを作ってきました。のこぎりで木を切ったり、ドリルで穴を開けたり、釘で板を打ち付けたり……、家や家具など、さまざまな暮らしに役立つ製品を作るのに欠かせなかったのが、「工具」です。人類が産業を大きく発展させてきた背景には、工具の大きな進化がありました。

Das bekannte Sprichwort „Man kauft keine Bohrer, sondern Löcher“ verdeutlicht das Wesen der Werkzeugentwicklung. Seit jeher nutzen Menschen verschiedene Werkzeuge, um ihre Umwelt zu gestalten – sie sägen Holz, bohren Löcher und schlagen Nägel in Bretter, um Häuser, Möbel und andere lebensnotwendige Dinge zu bauen. Der Fortschritt von Zivilisation und Industrie ging stets mit der Entwicklung von Werkzeugen einher. Als Schlüsseltechnologie, die sowohl den Alltag als auch das industrielle Wachstum stützt, haben sich Werkzeuge mit der Zeit stetig weiterentwickelt.

Die Geschichte der Bohrmaschine

Die elektrische Bohrmaschine war ursprünglich ein Spezialwerkzeug, das ausschließlich zum Bohren von Löchern in Holz oder Metall entwickelt wurde. Im Laufe der Zeit ermöglichten neue Funktionen und austauschbare Bohrer vielfältige Bearbeitungen wie Bohren, Festziehen und Polieren.

Ein entscheidender Wendepunkt kam 1916, als ein führender US-amerikanischer Elektrowerkzeughersteller den Pistolengriff einführte. Diese Innovation machte das Werkzeug kleiner, tragbarer und einhändig bedienbar. Die Einführung des Auslöseschalters legte zudem den Grundstein für das moderne Design von Elektrowerkzeugen. Später, im Jahr 1946, kam die weltweit erste elektrische Haushaltsbohrmaschine auf den Markt und trug zur Verbreitung der Heimwerkerkultur bei. Die grundlegende Struktur und Bedienbarkeit heutiger Elektrowerkzeuge lassen sich über ein Jahrhundert auf diese frühen Entwicklungen zurückführen.

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

1961 entwickelte ein US-amerikanischer Hersteller die weltweit erste Akku-Bohrmaschine mit Nickel-Cadmium-Akku (Ni-Cd). Dies befreite die Anwender von der Abhängigkeit von Stromkabeln und verbesserte die Arbeitsflexibilität erheblich. 2005 kam dann das erste Elektrowerkzeug mit Lithium-Ionen-Akku auf den Markt, das sowohl hohe Leistung als auch lange Betriebszeiten ermöglichte. Infolgedessen stellten große Hersteller weltweit von stationären, kabelgebundenen Modellen auf wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akkus um und gestalteten ihre Produktpaletten grundlegend neu.

Die Spannungen sind ebenfalls weiter gestiegen – von 12 V auf 14,4 V, 18 V und sogar 36 V – was Konstruktionen erfordert, die höheren Strömen und größeren Lasten standhalten. Mit der Einführung von Akku- und Lithium-Ionen-Technologien haben sich Elektrowerkzeuge weiterentwickelt und bieten nun eine höhere Leistung und längere Laufzeiten.

Hochspannungs-Elektrowerkzeuge und Konstruktionsherausforderungen

In den letzten Jahren ist die Spannung von Akkus für Elektrowerkzeuge nochmals deutlich gestiegen. Insbesondere in Europa und den USA streben die Hersteller nach größeren Akkukapazitäten und höheren Ausgangsleistungen durch den Einsatz von Akkupacks mit mehr Zellen.

Die meisten Elektrowerkzeuge verwenden zylindrische Lithium-Ionen-Zellen des Typs „18650“ mit einer Nennspannung von jeweils ca. 3,6 V. Diese Zellen werden in Reihe geschaltet, um die benötigte Ausgangsspannung zu erreichen – vier Zellen liefern 14,4 V, fünf Zellen 18 V, zehn Zellen 36 V usw., immer in Vielfachen von 3,6 V. Höhere Spannungen ermöglichen eine effizientere Motorleistung, weshalb professionelle Elektrowerkzeuge zunehmend auf Hochspannungstechnik setzen.

Aufgrund von Emissionsvorschriften zur Reduzierung von CO₂-Emissionen wurde der Einsatz benzinbetriebener Werkzeuge in vielen Ländern eingeschränkt. Daher wird erwartet, dass leistungsstarke Akku-Werkzeuge diese Geräte ersetzen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass sich die Akkukapazität – und damit die Arbeitsleistung pro Ladung – verbessert hat.

Darüber hinaus werden in Märkten wie Europa und den USA „intelligente Elektrowerkzeuge“ mit Bluetooth-Funkverbindung immer häufiger eingesetzt. Diese Werkzeuge bieten Funktionen wie ferngesteuerte Drehmomenteinstellung, Werkzeugidentifizierung und Nutzungsprotokollierung. Die Integration solcher Funktionen erhöht jedoch die Komplexität der Stromkreissteuerung. Daher sind zuverlässiger Stromkreisschutz und Fehlerisolierung noch wichtiger geworden. Angesichts des Trends zu höheren Spannungen und intelligenteren Funktionen ist ein zuverlässiger Stromkreisschutz heute wichtiger denn je.

Strengere Sicherheitsstandards bei steigender Batteriekapazität

Mit der steigenden Kapazität von Lithium-Ionen-Akkus in Elektrowerkzeugen sind auch die Sicherheitsanforderungen entsprechend strenger geworden. Dies liegt nicht nur an den Richtlinien einzelner Unternehmen, sondern wird durch immer strengere internationale Sicherheitsstandards und -vorschriften bedingt.

Insbesondere wurde die internationale Sicherheitsnorm UL 62841-1, die Anforderungen an Elektrowerkzeuge definiert, im Jahr 2015 überarbeitet, um neue Kriterien für Lithium-Ionen-Zellen und Batteriesysteme aufzunehmen. Infolgedessen ist die Einhaltung der Norm nun nicht nur für die Werkzeugstruktur, sondern auch für das Verhalten bei abnormalem Abschaltverhalten und die Zellsteuerung innerhalb des Akkupacks erforderlich.

Darüber hinaus müssen Lithium-Ionen-Zellen, die in Elektrowerkzeugen verwendet werden, nun entweder der Norm UL 62133 oder IEC 62133 entsprechen. Diese Normen legen strenge Anforderungen an Spannung, Stromstärke und Zellverhalten fest, um Anomalien wie Überladung und thermisches Durchgehen zu verhindern.

Gemäß diesen Normen muss ein Batteriesystem während des normalen Ladevorgangs alle Zellen innerhalb des spezifizierten Betriebsbereichs (SOR) halten. Zu den Bewertungsbedingungen gehören:

a) Die Leerlaufspannung muss mindestens 90 % ihres Ausgangswertes vor dem Test betragen.

b) Die Zelle muss die Anforderungen normaler Lade- und Entladetests erfüllen.

c) Die Entlüftungsöffnung jeder Zelle muss unbeschädigt bleiben.

Der SOR-Wert wird vom Zellhersteller definiert, und sowohl Spannung als auch Ladestrom müssen innerhalb dieses Bereichs bleiben – auch im Falle eines Ausfalls des Ladegeräts oder des Werkzeugs –, um die Sicherheit unter anormalen Bedingungen zu gewährleisten.

Darüber hinaus verlangt UL 62841-1 Druckprüfungen des Gehäuses, um zu bestätigen, dass die Batterie auch bei Gasaustritt nicht explodiert, sowie mechanische Festigkeitsprüfungen, um die Sicherheit nach Stößen wie z. B. Stürzen zu überprüfen.

Eine besonders wichtige Anforderung ist, dass die Zellspannung selbst bei Ausfall einer Komponente des Ladekreises den oberen Grenzwert um nicht mehr als 150 mV überschreiten darf. Wird dieser Grenzwert überschritten, muss das Batteriesystem den Ladevorgang dauerhaft einstellen und in einen permanenten Abschaltzustand wechseln.

Mit zunehmender Verschärfung der Sicherheitsstandards müssen Schaltungsschutzkomponenten auch unter Fehlerbedingungen eine zuverlässige Isolation gewährleisten.

Warum Dexerials SCP für den Stromkreisschutz von Elektrowerkzeugen ausgewählt wurde

Wie oben ersichtlich, haben die steigende Spannung und Leistung von Elektrowerkzeugen sowie die Verschärfung der Sicherheitsstandards die Leistungsanforderungen an Schutzschaltungen erheblich erhöht.

Um diese Herausforderungen im Design zu bewältigen, bietet Dexerials den Self Control Protector (SCP) an, eine oberflächenmontierte Sicherung, die speziell für den Schutz von Lithium-Ionen-Akkus entwickelt wurde. Der SCP unterbricht den Stromkreis zuverlässig bei Überladung oder Überstrom und verhindert so, dass der Akku einen gefährlichen Zustand erreicht.

1. Erhöhte Sicherheit – Wie SCP die Wiederverwendung nach abnormalen Ereignissen verhindert

Die SCP ist eine permanente Sicherung, die den Stromkreis bei Erkennung eines anormalen Zustands physisch unterbricht. Dadurch wird sichergestellt, dass ein einmal beeinträchtigter Akku nicht wiederverwendet werden kann, wodurch Risiken wie Rauchentwicklung oder Brandgefahr wirksam verhindert werden.

2. Schnellladekompatibilität – Wie SCP das Schnellladen unterstützt

Bei Elektrowerkzeugen, die schnelles Laden erfordern, ist ein minimaler Gesamtwiderstand im Ladekreis unerlässlich. Das SCP zeichnet sich durch ein Design mit niedrigem Widerstand aus, wodurch Leistungsverluste während des Ladevorgangs reduziert werden. Dies ermöglicht es Anwendern, Ladezeiten zu verkürzen und die Arbeitseffizienz zu steigern.

3. Kontrollierte Sicherungseigenschaften – Warum SCP eine sichere Nutzung bis zur Leistungsgrenze der Zelle ermöglicht

Die SCP nutzt eine interne Heizung, um das Sicherungselement bei einem anormalen Zustand schnell zu schmelzen. Diese Konstruktion gewährleistet ein stabiles Sicherungsverhalten unabhängig von den Sicherungsspezifikationen und ermöglicht so den sicheren Betrieb der Batteriezelle bis zu ihrer Leistungsgrenze.

Für Entwicklungsingenieure, die maximale Akkuleistung bei gleichzeitig hoher Sicherheit anstreben, bietet der SCP sowohl Designflexibilität als auch hohe Zuverlässigkeit. Dank dieser Vorteile gewährleistet der Self Control Protector (SCP) von Dexerials einen stabilen und zuverlässigen Schaltungsschutz selbst bei Anwendungen mit hoher Last, wie beispielsweise Elektrowerkzeugen. Er wird auch weiterhin zur Sicherheit und Zuverlässigkeit im wachsenden Markt für Elektrowerkzeuge beitragen.

Referenzen: Japan auf der Mark UL Japan