-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betrieb eines batteriebetriebenen Elektrowerkzeugs, bei welchem die Regelung des Entladestromes der Batterie mittels einer Pulsweitenmodulierung erfolgt. Das Elektrowerkzeug weist eine erste Schnittstelle zur Aufnahme einer ersten Batterie und zumindest eine zweite Schnittstelle zur Aufnahme zumindest einer zweiten Batterie sowie eine Vorrichtung zur pulsweitenmodulierten Stromregelung bei der Entladung der zumindest zwei parallel geschalteten Batterien derart auf, dass jede Batterie über ein zugeordnetes Schaltelement mit einem Verbraucher des Elektrowerkzeugs verbindbar ist. Die Schaltelemente werden entsprechend über eine Steuerschaltung des Elektrowerkzeugs angesteuert.
-
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Werkzeugmaschinen wie Schleifgeräte, Schrauber, Bohrmaschinen oder Handkreissägen mit einer Batterie auszustatten, sodass diese Geräte auch netzunabhängig eingesetzt werden können. Ein wirtschaftlicher Betrieb stellt sich dabei insbesondere bei der Verwendung von wieder aufladbaren Batterien ein, welche nach Gebrauch mittels eines Ladegerätes aus einem öffentlichen Stromnetz oder dem Bordnetz eines Fahrzeuges für einen erneuten Einsatz geladen werden können.
-
Weiterhin ist aus dem Stand der Technik bekannt, bei wechselndem Energiebedarf der Werkzeugmaschine den aus der Batterie entnommenen Strom mittels einer Pulsweitenmodulierung zu regeln. Der Batterie werden dabei Stromimpulse entnommen, welche höher sind als der benötigte Antriebsstrom. Einzelne Stromimpulse sind durch Pausenzeiten voneinander getrennt, in welchen der entnommene Strom niedriger ist als der benötigte Antriebsstrom. Fallweise kann der entnommene Strom in den Pausenzeiten bis auf null abfallen. Durch Regelung der Pulslängen und der Pausenzeiten zwischen den Pulsen wird der gewünschte effektive Strom und damit bei gegebener Spannung die effektive dem Gerät zugeführte Leistung eingestellt.
-
Die
DE 10 2004 001 551 A1 und die
US 7 176 656 B2 zeigen Werkzeugmaschinen, deren Energieversorgung über zwei Batterien erfolgt. Aus der
US 2001 / 0 013 767 A1 und der
US 2004/0 198 468 A1 ist ferner bekannt, den Entladestrom zweier Batterien zum Betrieb eines batteriebetriebenen Elektrogeräts derart mittels einer Pulsweitenmodulation zu regeln, dass die Stromimpulse der ersten Batterie in den Impulspausen der zweiten Batterie abgegeben werden.
-
Batterien für Werkzeugmaschinen mit hohem Leistungsbedarf werden jedoch entweder bei Betrieb der Werkzeugmaschine sehr schnell entladen oder sind sehr groß und unhandlich. Darüber hinaus kann sich das Problem ergeben, dass Batterien mit einem hohen Energieinhalt als Gefahrgut angesehen werden, was die Lagerung, die Herstellung und den Vertrieb der Batterien zusätzlich erschwert.
-
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Elektrowerkzeug anzugeben, das bei hohem Energiebedarf einfach und kostengünstig betrieben werden kann.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Erzielung eines konstanten Verlaufs der Gesamtleistung eine Entladekurve der zumindest einen zweiten Batterie einer Entladekurve der ersten Batterie entspricht, wobei die Entladekurven derart um eine halbe Periodendauer gegeneinander verschoben sind, dass die Impulslängen der einen Batterie den Pausenzeiten der anderen Batterie entsprechen. In vorteilhafte Weise kann das Elektrowerkzeug mit zwei oder mehreren Batterien zeitgleich betrieben werden, um die verfügbare Leistung und die zur Verfügung gestellte Batteriekapazität zu vergrößern. Durch die pulsweitenmodulierte Regelung können jeder Batterie einzelne Stromimpulse entnommen werden, welche auch größer sein können als der benötigte Antriebsstrom. Nach jedem Stromimpuls folgt eine Pause, in welcher der entnommene Strom niedriger ist als der benötigte Antriebsstrom. Bevorzugt, aber nicht zwingend, fällt der Strom während der Pausenzeiten auf null. Durch Regelung der Impulslängen und der Pausenzeiten zwischen den Impulsen wird der gewünschte effektive Entladestrom einer jeden Batterie eingestellt.
-
Die Erfindung ist anwendbar auf primäre Batterien, also auch wieder aufladbare Akkumulatoren, wie beispielsweise Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren, Lithium-Ionen-Akkumulatoren oder Lithium-Polymer-Akkumulatoren sowie weitere, hier nicht explizit genannte Typen. Eine Batterie im Sinne der vorliegenden Erfindung enthält mindestens eine Batteriezelle bzw. Akkumulatorzelle. Zur Erhöhung der Spannung, der Stromlieferfähigkeit oder der Kapazität kann die Batterie mehrere Zellen umfassen, welche seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind. Die Verschaltung kann dabei unmittelbar, d.h. durch Drahtbrücken oder mittels aktiver oder passiver Bauelemente erfolgen, wie z.B. Widerstände, Induktivitäten oder Transistoren. Daneben kann die Batterie weitere Bauelemente enthalten, beispielsweise eine Schaltung zur Kapazitätsermittlung, zur Kodierung des Zelltyps, zur Feststellung der Alterung der einzelnen Batteriezellen oder ähnliches.
-
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Steuerschaltung den Anteil des von jeder Batterie gelieferten Stromes am Gesamtstrom durch Anpassung der Impulslängen und der Pausen an den Ladezustand der Batterie bestimmt, wobei die Impulslängen und die Pausen so anpassbar sind, dass alle Batterien im Wesentlichen gleichzeitig ihre Entladeschlussspannung erreichen.
-
Um den Ladezustand der Batterien zu erkennen, weist das Elektrowerkzeug eine entsprechende Einrichtung auf.
-
Während einer Stromabgabe unterhalb einer maximal möglichen Stromabgabe wird der Anteil des von jeder Batterie gelieferten Stromes am Gesamtstrom entsprechend dem Ladezustand festgelegt, so dass bei Abgabe des maximal möglichen Stromes der Anteil des von jeder Batterie gelieferten Stromes am Gesamtstrom etwa 1:1 beträgt.
-
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass eine erste Batterie mit einer ersten Nennkapazität und einer ersten Stromlieferfähigkeit eingesetzt wird und eine zweite Batterie mit einer zweiten Nennkapazität und einer zweiten Stromlieferfähigkeit, wobei sich diese Werte von denen der ersten Batterie unterscheiden. Auf diese Weise kann die für den Betrieb des Verbrauchers verwendete Batterie an den jeweiligen Betriebszustand angepasst werden. Beispielsweise kann eine Batterie mit geringer Kapazität aber hoher Stromlieferfähigkeit verwendet werden, um eine Spitzenlast kurzfristig bereitzustellen. Daneben kann eine weitere Batterie mit höherer Kapazität aber geringerer Stromlieferfähigkeit für den Teillastbereich verwendet werden. Um die bereitgestellte Maximalleistung weiter zu erhöhen, können beide Batterien betrieben werden, um dem Verbraucher eine maximale Leistung zur Verfügung zu stellen. Um eine Teillast bereitzustellen, können beide Batterien so entladen werden, dass ein Stromimpuls einer Batterie in die Impulspause der anderen Batterie bzw. der anderen Batterien geschaltet wird.
-
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigt
- 1 ein erfindungsgemäßes Elektrowerkzeug mit zwei Batterien,
- 2 den zeitlichen Verlauf des Stromes, welcher von zwei Batterien bereit gestellt wird und den sich daraus ergebenden Gesamtstrom,
- 3 eine erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung zur Stromregelung.
-
1 zeigt ein Elektrowerkzeug 3, nämlich einen Akkuschrauber bzw. eine akkubetriebene Bohrmaschine. Das Werkzeug 3 weist in seinem Gehäuseinneren einen Elektromotor auf, mit welchem ein Werkzeug 4, beispielsweise ein Bohrer oder ein Schraubendreher, in Rotation versetzt werden kann.
-
Zur Versorgung des Elektromotors steht eine erste Batterie 1 und eine zweite Batterie 2 zur Verfügung. Zur Aufnahme der Batterien weist das Elektrowerkzeug 3 Schnittstellen auf, welche einerseits eine elektrische Kontaktierung der Batterien ermöglichen und andererseits für eine mechanische Befestigung der Batterien 1 und 2 am Gerät 3 Sorge tragen.
-
Das Verhältnis der vom Elektromotor aufgenommenen Leistung und der von den Batterien 1 und 2 bereitgestellten Leistung kann dabei in unterschiedlicher Weise optimiert werden. Beispielsweise kann in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass die Batterien 1 und 2 so dimensioniert sind, dass jede Batterie die volle Leistung des Elektrowerkzeuges 3 sicherstellen kann. Durch den Einsatz einer zweiten Batterie erhöht sich dann die zur Verfügung gestellte Batteriekapazität, wodurch die Betriebsdauer des Elektrowerkzeuges 3 vergrößert wird. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass nur die Stromlieferfähigkeit von beiden Batterien 1 und 2 zusammen die volle Leistungsfähigkeit des Elektrowerkzeuges 3 sicherstellt. In diesem Fall ist mit einer einzelnen Batterie 1 oder 2 der Betrieb des Elektrowerkzeuges 3 in einem Teillastbetrieb möglich.
-
2 zeigt schematisch zwei Batterien 1 und 2. Neben den Batterien ist die der jeweiligen Batterie entnommene Leistung gegen die Zeit dargestellt. Die entnommene Leistung ergibt sich dabei aus dem Produkt von Strom und Spannung, so dass die dargestellten Kurven bei gegebener Batteriespannung auch ein Maß für den aus jeder Batterie entnommenen Strom darstellen.
-
Wie aus 2 ersichtlich, werden jeder Batterie Stromimpulse entnommen, welche durch Pausenzeiten von einander getrennt sind. Die Dauer eines Stromimpulses bzw. einer Pausenzeit beträgt dabei bevorzugt etwa 0,05 ms bis etwa 10 ms. Die Entladekurve der zweiten Batterie entspricht derjenigen der ersten Batterie, wobei die Entladekurven um eine halbe Periodendauer gegeneinander verschoben sind. Dadurch wird sichergestellt, dass die Stromimpulse der zweiten Batterie in die Pausenzeiten der ersten Batterie fallen. Umgekehrt fallen die Stromimpulse der ersten Batterie in die Pausenzeiten der zweiten Batterie. Im rechten Bildteil der 2 ist die Gesamtleistung dargestellt, welche sich daraus ergibt, dass die Ströme der ersten und der zweiten Batterie zeitgleich dem Verbraucher zugeführt werden, beispielsweise einem Elektrowerkzeug 3. Sofern die Impulslängen der einen Batterie den Pausenzeiten der anderen Batterie entsprechen, ergibt sich für die Gesamtleistung ein konstanter Verlauf.
-
Durch Anpassen der Pulslängen und der Pausenzeiten kann der einer Batterie entnommene effektive Strom eingestellt werden. Dadurch kann auch das Verhältnis eingestellt werden, mit welchen die einzelnen Batterien zur Gesamtleistung beitragen. Sofern der Ladezustand der beteiligten Batterien erfasst wird, kann die gewünschte effektive Leistung dahingehend optimiert werden, dass die Batterie mit höherem Ladezustand einen größeren Anteil zum Gesamtstrom beisteuert. Auf diese Weise kann ermöglicht werden, dass beide Batterien gleichzeitig einen Zustand vollständiger Entladung erreichen.
-
Der Zustand vollständiger Entladung wird dabei durch das Erreichen der Entladeschlussspannung angezeigt. Beispielsweise kann eine Batterie, welche zu 50 Prozent geladen ist, und eine zweite Batterie, welche zu 80 Prozent geladen ist, gleichzeitig den Zustand der vollständigen Entladung erreichen, wenn die erste Batterie 38 Prozent und die zweite Batterie 62 Prozent zum Gesamtstrom beitragen. Selbstverständlich kann jedoch auch vorgesehen sein, zumindest in einem Teillastbetrieb des Werkzeuges 3 zunächst die Batterie mit höherem Ladezustand auf den Ladezustand der Batterie mit niedrigerem Ladezustand zu entladen, um dann beide Batterien gleichmäßig weiter zu entladen, bis der Zustand vollständiger Entladung erreicht ist.
-
Durch die Anpassung der von beiden Batterien jeweils gelieferten Leistung kann weiterhin die Gesamtleistung des Elektrowerkzeuges 3 an den jeweiligen Betriebszustand angepasst werden. Beispielhaft soll das Eindrehen einer Schraube mit einem Elektroschrauber betrachtet werden. Dieser benötigt nur eine Teilleistung für das Eindrehen einer Schraube, sofern nur wenige Gewindegänge der Schraube im Werkstück greifen. Mit zunehmender Einschraublänge vergrößert sich die Reibung zwischen Werkstück und Schraube, was zu einem kontinuierlichen Anstieg der aufgenommenen Leistung führt. Bei Aufsetzen des Schraubenkopfs am Werkstück wird schließlich kurzzeitig eine Maximalleistung verlangt, bis der Benutzer den Einschraubvorgang abbricht oder eine Drehmomentbegrenzung eingreift. Bei Abgabe der Maximalleistung kann vorgesehen sein, dass beide Batterien 1 und 2 jeweils ihre Höchstleistung erbringen, sodass zu diesem Zeitpunkt kein Ausgleich unterschiedlicher Ladungszustände möglich ist. Da jedoch während der überwiegenden zum Eindrehen einer Schraube erforderlichen Zeit lediglich eine Teilleistung verlangt wird, kann in dieser Zeitspanne der Ausgleich unterschiedlicher Ladezustände durch unterschiedliche Belastung der Batterien erfolgen.
-
3 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung. Das Blockschaltbild zeigt wiederum zwei Batterien 1 und 2. Die Batterien werden über Schaltelemente 6a und 6b mit einem Verbraucher 7 verbunden.
-
Die Schaltelemente 6a und 6b können in einer einfachen Ausführungsform der Erfindung beispielsweise als elektromagnetisches Relais ausgeführt werden. Alternativ können auch Halbleiterschalter wie beispielsweise Feldeffekttransistoren, Bipolartransistoren oder IGBT verwendet werden. Die Schaltelemente können die Verbindung beider Batteriepole mit dem Verbraucher 7 oder lediglich die Verbindung eines Batteriepols mit dem Verbraucher 7 unterbrechen. Insofern ist die Darstellung in 1, welche nur eine Verbindung zwischen den Batterien 1 und 2 und dem Verbraucher 7 zeigt, lediglich als schematische Darstellung anzusehen.
-
Weiterhin zeigt 3 einen Verbraucher 7. Der Verbraucher 7 kann beispielsweise eine Lampe oder ein Elektromotor eines Elektrowerkzeuges sein. Selbstverständlich ist dem Fachmann geläufig, dass auch der Verbraucher 7 mindestens zwei Anschlussleitungen aufweist, um einen geschlossenen Stromkreis mit den Batterien 1 und 2 zu bilden. Das Blockschaltbild nach 3 ist nur als schematische Darstellung zu verstehen.
-
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung weist eine Steuereinrichtung 5 auf. Die Steuereinrichtung 5 kann beispielsweise in Form eines integrierten Schaltkreises ausgeführt werden, welcher alle für die Funktion der Steuereinrichtung 5 relevanten Funktionen ausführt. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung 5 einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller, einen digitalen Signalprozessor oder einen programmierbaren Logikbaustein umfasst. In diesem Fall kann die Steuereinrichtung 5 weiterhin ein Computerprogramm umfassen, welches auf den genannten Halbleiterbauelementen ausgeführt wird und dabei die Funktionen der Steuereinrichtung 5 realisiert.
-
Die Steuereinrichtung 5 steuert die Schaltelemente 6a und 6b, d.h. durch Befehle der Steuereinrichtung 5 wird eine Batterie 1 oder 2 wechselweise mit dem Verbraucher 7 verbunden, um die von diesem aufgenommene Leistung bereitzustellen. Die Steuereinrichtung 5 kann dabei die Einschalt- und Pausenzeiten in Abhängigkeit des Leistungsbedarfs des Verbrauchers 7 und/oder in Abhängigkeit des Ladezustandes der Batterien steuern oder regeln.
-
Zur Anpassung des aus einer einzelnen Batterie entnommenen effektiven Stromes an den Ladezustand der Batterie steht eine Einrichtung 8 zur Erkennung des Ladezustandes der Batterien 1 und 2 zur Verfügung. Dabei zeigt 3 nur eine einzelne Einrichtung 8, welche den Ladezustand beider Batterien 1 und 2 überwacht. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass jede Batterie eine zugeordnete Einrichtung 8 zur Überwachung des Ladezustandes aufweist. Diese kann fallweise im Gehäuse der Batterie 1 oder 2 oder im Gehäuse des Elektrowerkzeuges 3 angeordnet sein.
-
Obgleich die Erfindung vorstehend beispielhaft anhand von zwei Batterien 1 und 2 dargestellt wurde, ist dem Fachmann selbstverständlich geläufig, dass die Vorrichtung leicht auf eine größere Anzahl von Batterien erweitert werden kann. Dadurch kann der maximal für den Verbraucher 7 bereitgestellte Strom und/oder die Spannung und/oder die Batteriekapazität weiter vergrößert werden.
-
Dem Fachmann ist selbstverständlich geläufig, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Vielmehr können bei der Umsetzung der Erfindung Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden, ohne die Erfindung an sich wesentlich zu verändern. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen.
