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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Akkupack für eine Handwerkzeugmaschine nach Anspruch 1 sowie eine Handwerkzeugmaschine nach Anspruch 13, ein Ladegerät nach Anspruch 14, und ein Werkzeugsystem nach Anspruch 15.
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Elektrische Handwerkzeugmaschinen sind grundsätzlich bekannt und werden über einen Netzanschluss mit Strom versorgt. Alternativ ermöglichen Akkugeräte eine hohe Flexibilität beim Arbeiten, da sie insbesondere unabhängig von Netzstrom sind. Auf diese Weise können beispielsweise auch Außenarbeiten bequem durchgeführt werden, so dass bei einem Betrieb einer Handwerkzeugmaschine vielfach vorgesehen ist, Akkupacks einzusetzen.
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Im Rahmen dieser Anmeldung ist unter einem Akkupack somit ein vorzugsweise aus mehreren elektrisch zusammengeschalteten Akkuzellen bestehendes Akkumulatorenpaket zu verstehen, das elektrische Energie speichern kann, die für den Betrieb einer Handwerkzeugmaschine benötigte Energie liefert, und austauschbar in einer Kammer, einer Schnittstelle oder dergleichen der Handwerkzeugmaschine beziehungsweise des Ladegerätes anbringbar ist. Insbesondere soll unter einer Schnittstelle eine Vorrichtung verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, eine elektrische und insbesondere eine mechanische Verbindung mit einem Ladegerät und/oder einer Entladeseite, also der Handwerkzeugmaschine direkt oder indirekt herzustellen.
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Derartige Akkupacks sind grundsätzlich bekannt und weisen in der Regel eine Mehrzahl von in Parallel- und/oder Reihenschaltung verbundener wiederaufladbare Akkumulatoren, beispielsweise drei in Reihe geschaltete, zylinderförmige Li-Ionen-Zellen mit z.B. je 3,6 V mit einer Gesamtspannung von 10,8 V, auf. Die verbundenen Akkuzellen sind zum einen untereinander, und zum anderen mit einer Akkupackelektronik verbunden, die außer den Batteriezellen noch weitere Schaltungsbestandteile umfasst. Die Akkupackelektronik übernimmt unter anderem die Aufgabe, Lade- und Entladevorgänge des Akkupacks in Abhängigkeit von Parametern wie maximal zulässigen Lade- und Entladeströmen, Zelltemperatur, und anderen Größen zu steuern.
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Das Akkupack umfasst in der Regel ferner ein Akkupackgehäuse, in denen die Akkuzellen vorzugsweise mittels eines Zellhalters entweder vollständig oder teilweise aufgenommen sind. Alternativ bildet der Zellhalter selber ein Akkupackgehäuseelement des Akkupackgehäuses aus.
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Das Ankoppeln des Akkupacks an die Handwerkzeugmaschine erfolgt durch Einstecken beziehungsweise Einschieben der Schnittstelle des Akkupacks in eine komplementäre Einsteckbuchse des Gerätegehäuses. Um ein Lösen des Akkupacks beispielsweise aufgrund von Vibrationen im Betrieb der Handwerkzeugmaschine zu vermeiden, ist die Schnittstelle typischerweise mit einem Einrastmechanismus ausgestattet.
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Die Schnittstelle weist ferner Kontaktschlitze auf, in denen Kontaktelemente angeordnet werden können. Die Kontaktelemente sind wiederum mit der Akkupackelektronik verbunden. Ist die Energie des Akkupacks verbraucht, so kann er entnommen und mit einer Ladestation mit entsprechenden Gegenkontaktelementen verbunden werden. Stehen mehrere Akkupacks zur Verfügung, so ist es möglich, das entladene Akkupack aus der Handwerkzeugmaschine zu entnehmen und gegen ein geladenes auszutauschen. Dabei bestimmen in der Regel die Nennspannung und Kapazität des jeweils verwendeten Akkupacks die Leistung und Laufzeit der Handwerkzeugmaschinen.
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Sowohl die Akkupacks als auch die Handwerkzeugmaschinen und Ladegeräte und damit die jeweiligen Schnittstellen unterliegen einer steten Weiterentwicklung, wobei es üblich ist, dass zusätzliche Kontaktelemente und Gegenkontaktelemente in den Schnittstellen implementiert werden sollen, um zusätzliche Informationen zwischen den Geräten auszutauschen. Dabei ist es erstrebenswert, aus Gründen der Handlichkeit und Handhabbarkeit sowohl des Akkupacks als auch der Handwerkzeugmaschine, den für die Schnittstelle benötigten Bauraum so kompakt wie möglich zu halten. Darüber hinaus ergibt sich aus Gründen der Kompatibilität zu Vorgängermodellen gegebenenfalls die Forderung, die Geometrie der Schnittstelle gegenüber einem Vorgängermodell so wenig wie möglich zu ändern. Unter anderem aus diesem Zusammenhang heraus beinhalten Handwerkzeugmaschinen, Akkupacks und Ladegeräte aufeinander abgestimmte, mechanische oder elektrische Kodierelemente, über welche die möglichen Kombinationen von Akkupacks und Handwerkzeugmaschinen beziehungsweise Ladegeräten aus Kompatibilitätsgründen limitiert wird.
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Mindestens zwei der Kontaktelemente sind dabei mit dem höchsten und niedrigsten Potential der miteinander verschalteten Zellen verbunden, das heißt mit Batterie (+) und Masse, über die dem Akkupack Strom entnommen oder zugeführt werden kann. Aus Gründen der Kostenersparnis und um einen kompakten Bauraum der Schnittstelle zu erreichen, läuft der Lade- und Entladevorgang bevorzugterweise über dieselben Kontaktelemente, es sind jedoch auch Umsetzungen mit getrennten Lade- beziehungsweise Entladekontakten bekannt.
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Aufgrund steigender Anforderungen an die Sicherheit eines Akkupacks ist es jedoch außerdem wünschenswert, sowohl Lade- als auch Entladeströme abschalten zu können. Hierzu bieten sich aufgrund ihrer hohen Stromtragfähigkeit und geringen Resistivität Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) an. MOSFETs weisen jedoch eine parasitäre Body-Diode auf, weshalb je nach Polarität immer nur eine Stromrichtung gesperrt werden kann.
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Das oben beschriebene Kompatibilitätserfordernis der Akkupacks und das daraus resultierende Erfordernis, Änderungen der Schnittstellengeometrie zu vermeiden, stellt sich als problematisch heraus hinsichtlich des Bedürfnisses nach erhöhter Sicherheit und der begrenzten Möglichkeiten, eine getrennte Stromabschaltung des Lade- und Entladestroms ohne Modifizierung der Akkupackschnittstelle zu erreichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu verbessern und ein verbessertes Akkupack der eingangs genannten Art bereitzustellen, das bei Beibehaltung einer Konfiguration der Akkupackschnittstelle mit denselben Kontaktelementen für Lade- und Entladevorgang ein erhöhtes Sicherheitsniveau im Akkubetrieb zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Akkupack gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Varianten und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Ein erfindungsgemäßes Akkupack für eine Handwerkzeugmaschine weist ein Akkupackgehäuse auf, mit einer Schnittstelle zum Herstellen einer mechanischen und elektrischen Verbindung des Akkupacks mit der Handwerkzeugmaschine und/oder einem Ladegerät, wobei die Schnittstelle zumindest ein erstes Kontaktelement und ein zweites Kontaktelement zur elektrischen und/oder mechanischen Kontaktierung korrespondierender Gegenkontaktelemente an der Handwerkzeugmaschine und/oder korrespondierender Gegenkontaktelemente an dem Ladegerät aufweist. Ferner weist das erfindungsgemäße Akkupack zumindest eine Akkuzelle auf sowie eine Akkupackelektronik. Die Akkupackelektronik umfasst einen Ladestrompfad und einen Entladestrompfad. Der Ladestrompfad ist dazu eingerichtet, das erste Kontaktelement und das zweite Kontaktelement während eines Aufladens der zumindest einen Akkuzelle mit der Akkuzelle zu verbinden, während der Entladestrompfad dazu eingerichtet ist, das erste Kontaktelement und das zweite Kontaktelement während eines Entladens der zumindest einen Akkuzelle mit der Akkuzelle zu verbinden. Der Ladestrompfad und der Entladestrompfad sind zumindest teilweise elektrisch voneinander getrennt. Ferner weist das Akkupack ein erstes Schaltelement zur Umschaltung zwischen zumindest dem Ladestrompfad und dem Entladestrompfad auf.
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Die Erfindung ermöglicht es, unter Beibehaltung einer minimalen Schnittstellenkonfiguration mit identischen Kontaktelementen für den Lade- und Entladevorgang den Lade- und Entladestrompfad zumindest teilweise voneinander zu trennen und somit unterschiedlich auszuführen. Durch diese Möglichkeit kann unter anderem ein erhöhtes Sicherheitsniveau des Akkupacks erreicht werden.
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Ferner ist es vorteilhaft, dass im Lade- und Entladestrompfad jeweils Strombegrenzer, beispielsweise MOSFETs, in vorteilhafter Polarität eingefügt werden können, um derart Lade- und Entladestrom abschalten zu können, insbesondere separat abschalten zu können. Auch ist es durch die zumindest teilweise Trennung von Lade- und Entladestrompfad möglich, auf eine anti-serielle MOSFET-Schaltung im Entladestrompfad zu verzichten, was einerseits Kosten spart, und andererseits die Verlustleistung aufgrund zusätzlicher, im Betrieb der Handwerkzeugmaschine bestromter elektrischer Bauteile minimiert.
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Weitere, nicht explizit genannte und individuell vorteilhafte Beschaltungen des Lade- und Entladestrompfades, die beispielsweise auf erweiterte Funktionalität abzielen, sind außerdem möglich.
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Die Verwendung und Erweiterung bereits vorhandener mechanischer Mechanismen ermöglicht ferner eine Kompatibilität zu bereits vorhandenen Geräten, also Handwerkzeugmaschinen und Ladegeräten, was ein Vorteil für Endkunden ist, die einen bereits vorhandenen Satz an Geräten oder Akkupacks erweitern wollen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Schnittstelle einen ersten Mechanismus zur Betätigung des ersten Schaltelementes auf. Während der erste Mechanismus ein vom Benutzer manuell zu bedienender Mechanismus sein kann, beispielsweise ein Schalter an einer geeigneten, ansonsten aber beliebigen Stelle des Akkupackgehäuses, ist der erste Mechanismus in einer Ausführungsform der Erfindung derart in die Schnittstelle des ersten Akkupacks integriert, dass der erste Mechanismus das erste Schaltelement betätigt, wenn das Akkupack über die Schnittstelle mit einer korrespondierenden Schnittstelle der Handwerkzeugmaschine und/oder des Ladegeräts verbunden wird.
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Auf diese Weise schaltet das Akkupack automatisch bei Einführung in die Handwerkzeugmaschine beziehungsweise in das Ladegerät in den jeweils gewünschten Modus, also Aufladen beziehungsweise Entladen, ohne dass ein Benutzer eine Umschaltung bewusst vornehmen muss.
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In einer Ausbildung der Erfindung sind das erste Schaltelement sowie der erste Mechanismus derart ausgebildet, dass in einem Grundzustand, in dem die Schnittstelle des Akkupacks nicht mit einer korrespondierenden Schnittstelle der Handwerkzeugmaschine und/oder des Ladegeräts verbunden ist, der Entladestrompfad oder der Ladestrompfad geschaltet sind. Wie an späterer Stelle noch genauer erläutert wird, kann auf diese Weise die Umschaltung zwischen Entladestrompfad und Ladestrompfad besonders einfach realisiert werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist der erste Mechanismus derart ausgebildet, dass das erste Schaltelement den Entladestrompfad schaltet, wenn das Akkupack über die Schnittstelle mit der Handwerkzeugmaschine verbunden wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist der erste Mechanismus derart ausgebildet, dass das erste Schaltelement den Ladestrompfad schaltet, wenn das Akkupack über die Schnittstelle mit dem Ladegerät verbunden wird.
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Bevorzugterweise umfassen der Ladestrompfad und der Entladestrompfad einen gemeinsamen Abschnitt, wobei der gemeinsame Abschnitt zumindest einen ersten Strombegrenzer umfasst, und wobei der zumindest eine erste Strombegrenzer dazu eingerichtet ist, einen Entladestrom bei Überschreiten eines Grenzwertes, insbesondere eines Grenzwertes des Entladestroms und/oder eines Grenzwertes der Temperatur abzuschalten. Der zumindest eine erste Strombegrenzer kann in Ausführungsformen der Erfindung n-typ MOSFETs umfassen, deren Stromtragfähigkeit auf den erwarteten Entladestrom ausgelegt ist. Hinsichtlich seiner Polarität ist der zumindest eine erste Strombegrenzer vorteilhafterweise so in den gemeinsamen Abschnitt eingebaut, dass je nach Bauform des Strombegrenzers unter Umständen vorhandene parasitäre Elemente wie die bereits genannte Body-Diode bei MOSFETs nicht ein Abschalten des Entladestroms behindern.
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In einer Ausführungsform hat der Ladestrompfad zumindest einen zweiten Strombegrenzer, wobei der zumindest eine zweite Strombegrenzer dazu eingerichtet ist, einen Ladestrom bei Überschreiten eines Grenzwertes, insbesondere eines Grenzwertes des Ladestroms, und/oder eines Grenzwertes der Temperatur, und/oder eines Grenzwertes der Zellspannung abzuschalten. Wie der zumindest eine erste Strombegrenzer kann der zumindest eine zweite Strombegrenzer in Ausführungsformen der Erfindung n-typ MOSFETs umfassen.
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In einer Ausführungsform ist das erste Schaltelement im Entladestrompfad angeordnet, wobei das erste Schaltelement und der zweite Strombegrenzer parallel geschaltet sind.
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In einer Ausführungsform ist das erste Schaltelement dazu eingerichtet, den zumindest einen zweiten Strombegrenzer zu überbrücken, wenn das erste Schaltelement den Entladestrompfad schaltet. So wird eine mit Verlustleistung einhergehende Bestromung des zweiten Strombegrenzers beim Entladen des Akkupacks vermieden.
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In einer Ausführungsform ist das erste Schaltelement dazu eingerichtet, zwischen dem Ladestrompfad, dem Entladestrompfad, sowie einem neutralen Zustand zu schalten, wobei in dem neutralen Zustand die zumindest eine Akkuzelle elektrisch von dem ersten und/oder von dem zweiten Kontaktelement getrennt ist. Dadurch, dass im neutralen Zustand sowohl Lade- als auch Entladestrompfad vom Kontaktelement getrennt sind, ergibt sich ein besonders hohes Sicherheitsniveau des Akkupacks, beispielsweise hinsichtlich einer unbeabsichtigten Entladung.
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In einer Ausführungsform ist der zumindest eine erste Strombegrenzer und/oder der zumindest eine zweite Strombegrenzer ein elektrisches Bauteil aus der Gruppe der Bipolar-Transistoren (BJT), der Feldeffekt-Transistoren (FET), sowie der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren (MOSFET), insbesondere n-typ MOSFET.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung eine Handwerkzeugmaschine, umfassend einen Elektromotor, eine maschinenseitige Schnittstelle zur mechanischen und elektrischen Kopplung der Handwerkzeugmaschine mit einer korrespondierenden Schnittstelle eines Akkupacks, sowie ein wie vorstehend beschriebenes Akkupack. Dabei ist die maschinenseitige Schnittstelle derart ausgebildet, dass der erste Mechanismus des Akkupacks über das erste Schaltelement den Entladestrompfad schaltet, wenn das Akkupack mit der maschinenseitigen Schnittstelle der Handwerkzeugmaschine verbunden wird.
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Ferner umfasst die Erfindung ein Ladegerät zum elektrischen Laden eines wie vorstehend beschriebenes Akkupacks, umfassend eine geräteseitige Schnittstelle zur mechanischen und elektrischen Kopplung des Ladegerätes mit einer korrespondierenden Schnittstelle des Akkupacks, wobei die geräteseitige Schnittstelle derart ausgebildet ist, dass der erste Mechanismus des Akkupacks über das erste Schaltelement den Ladestrompfad schaltet, wenn das Akkupack mit der geräteseitigen Schnittstelle gekoppelt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein Werkzeugsystem, umfassend ein wie vorstehend beschriebenes Akkupack, eine wie vorstehend beschriebene Handwerkzeugmaschine, und ein wie vorstehend beschriebenes Ladegerät.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung, welche in den Figuren dargestellt sind. Dabei ist zu beachten, dass die dargestellten Merkmale nur einen beschreibenden Charakter haben und auch in Kombination mit Merkmalen anderer oben beschriebener Weiterentwicklungen verwendet werden können und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, wobei für gleiche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Die Zeichnungen sind schematisch und zeigen:
- 1 beispielhaft eine Ansicht einer Handwerkzeugmaschine mit einem Akkupack gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Akkupacks gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 3 eine schematische Ansicht einer Schaltung in einem Akkupack gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die Schaltung umfassend einen Lade- und einen Entladestrompfad; und
- 4 eine schematische Ansicht einer Schaltung in einem Akkupack gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die Schaltung umfassend einen Lade- und einen Entladestrompfad.
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Die 1 zeigt ein als Handwerkzeugmaschine 300 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, welches beispielhaft als Akku-Bohrschrauber ausgebildet ist. Entsprechend ist die Handwerkzeugmaschine 300 in der dargestellten Ausführungsform zur netzunabhängigen Stromversorgung mechanisch und elektrisch mit einem Akkupack 100 verbunden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf Akku-Bohrschrauber beschränkt ist, sondern vielmehr bei unterschiedlichen Handwerkzeugmaschinen 300 Anwendung finden kann. Die Handwerkzeugmaschine 300 weist ein in einem Gehäuse 305 angeordnetes Getriebe 330 zur Übertragung eines von einem Antriebsmotor 335 erzeugten Drehmomentes auf eine um eine Achse x rotierende Antriebswelle, an welcher eine Werkzeugaufnahme 320 für ein nicht dargestelltes Werkzeug befestigt ist, und einen Handgriff 315 auf. Innerhalb des Gehäuses 305 ist eine Elektronik 370 angeordnet, welche in elektronischem und/oder mechanischem Kontakt mit dem Antriebsmotor 335 und/oder dem Getriebe 330 steht. Der Handgriff 315 dient als Auflagefläche für eine Hand eines Bedieners der Handwerkzeugmaschine 300 und weist in der Regel eine Längsachse y, eine Vorderseite 317, die entlang einer Achse x in Richtung der Werkzeugaufnahme 320 zeigt, eine Rückseite 316, und zwei Seitenflächen 318 auf.
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Im Bereich des Handgriffes 315 ist ein erstes Bedienelement 310 für die Energieversorgung des Antriebsmotors 335 angeordnet, wobei das erste Bedienelement 310 aus dem Gehäuse 305 für den Benutzer manuell zugänglich herausragt, so dass in einer an sich bekannten Art und Weise durch eine Druckbewegung des ersten Bedienelementes 310 eine Steuerung und/oder Regelung des Antriebsmotors bevorzugterweise in Abhängigkeit vom Verstellweg des ersten Bedienelementes 310 ermöglicht werden kann, und auch die Spannungsversorgung für den Antriebsmotor 335 ein- und/oder ausgeschaltet werden kann. Ferner weist die Handwerkzeugmaschine 300 ein zweites Bedienelement 312 in Form eines Schiebeschalters zum Einstellen der Drehrichtung des Antriebsmotors 335 der Handwerkzeugmaschine 300 auf. Das zweite Bedienelement 312 ist senkrecht zur Drehachse x der Antriebswelle, insbesondere der Werkzeugaufnahme 320 der Handwerkzeugmaschine 300, verschieblich angeordnet, so dass das zweite Bedienelement 312 bei Betätigung zwischen einer ersten Position, einer zweiten Position und einer dritten Position hin und her bewegt werden kann. Dabei legen jeweils die erste und zweite Position eine Drehrichtung des Antriebsmotors fest. Somit kann der Benutzer der Handwerkzeugmaschine 300 bereits anhand der Positionen des zweiten Bedienelements 312 erkennen, in welchem Arbeitsmodus die Handwerkzeugmaschine 300 arbeitet. Zusätzlich weist das zweite Schaltelement zwischen der ersten Position und der zweiten Position eine dritte Position, beispielsweise eine Mittelstellung, auf, wobei in der dritten Position eine elektrische, elektromechanische und/oder mechanische Unterbrechung des Motorstroms erfolgt. So kann zum Beispiel die Bedienung des ersten Schaltelementes 310 mechanisch gesperrt sein, wobei das zweite Bedienelement 312 bei Bewegung in eine dritte Position verriegelnd auf das erste Schaltelement 310 wirkt. Dabei kann das zweite Bedienelement 312 wie dargestellt als Schiebeschalter oder alternativ als Kippschalter ausgeführt sein.
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Das erste Bedienelement 310 und das zweite Bedienelement 312 sind entlang der Drehachse x derart angeordnet, dass es möglich ist, sowohl das erste als auch das zweite Bedienelement 310, 312 mit dem Zeigefinger oder Mittelfinger zu betätigen. Dabei ist der Abstand zwischen dem ersten Bedienelement 310 und dem zweiten Bedienelement 312 so gewählt, dass eine Einhandbedienung der Handwerkzeugmaschine 300 möglich ist. Beide Bedienelemente 310, 312 sind ferner in einem Bereich unterhalb der Drehachse x angeordnet und ragen aus dem Gehäuse 305 heraus.
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In der in der 1 gezeigten Position ist das Akkupack 100 an dem Handgriff 315 der Handwerkzeugmaschine 300 befestigt und durch Verriegelungsmittel verriegelt. Durch die Anordnung des Akkupacks 100 unterhalb des Handgriffs 315 wird die Bedienung der Handwerkzeugmaschine 300 nicht gestört. Die nicht im Detail dargestellten Verriegelungsmittel umfassen unter anderem ein Verriegelungselement und ein Betätigungselement 220. Durch Betätigung des Betätigungsmittels 220 kann das Akkupack 100 von dem Handgriff 315 der Handwerkzeugmaschine 300 gelöst werden. Ferner weist die Handwerkzeugmaschine 300 eine Schnittstelle 380 auf.
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Das in den 1 und 2 dargestellte Akkupack 100 ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung als Schiebeakkupack ausgeführt, und weist eine zur Schnittstelle 380 der Handwerkzeugmaschine 300 korrespondierende Schnittstelle 180 auf. Alternativ zum Schiebeakkupack ist auch eine Ausführung als Dreh- oder Schwenkakkupack möglich, wobei das Akkupack 100 an der der Schwenkachse gegenüberliegenden Seite durch Verrasten, Verschrauben, Verklemmen oder Verspannen an dem Gehäuse 305 der Handwerkzeugmaschine 300 lösbar arretiert werden kann. Auf diese Weise kann wirksam einem möglichen Abfallen des Akkupacks vom Gehäuse 305 entgegengewirkt werden.
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Zum lösbaren Anbringen des Akkupacks 100 an einer Handwerkzeugmaschine 300 oder an einem Ladegerät weist das Akkupack 100 eine Schnittstelle 180 zur lösbaren mechanischen und elektrischen Verbindung mit einer korrespondierenden Schnittstelle 380 der Handwerkzeugmaschine 300 oder einer korrespondierende Schnittstelle des Ladegerätes auf. Beim Anbringen des Akkupacks 100 werden Aufnahmemittel, z. B. Führungsnuten und Führungsrippen, der Handwerkzeugmaschine 300 oder des Ladegerätes zur Aufnahme der korrespondierenden Führungselemente des Akkupacks 100 mit diesen in Eingriff gebracht, wobei das Akkupack 100 entlang der Aufnahmemittel eingeführt und die Schnittstelle 180 des Akkupacks 100 in die korrespondierende Schnittstelle 380 der Handwerkzeugmaschine 300 oder die korrespondierende Schnittstelle des Ladegerätes geschoben wird. Über die Schnittstellen 180, 380 kann das Akkupack 100 der Handwerkzeugmaschine 300 und/oder dem Ladegerät zugeordnet werden.
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Wie in 2 zu erkennen ist, umfasst die Schnittstelle 180 außerdem Kontaktelemente zur elektrischen Kontaktierung des Akkupacks 100 mit der Handwerkzeugmaschine 300 oder dem Ladegerät. Die Kontaktelemente sind entweder als Spannungskontaktelemente ausgebildet und dienen als Lade- und/oder Entladekontaktelemente, oder als Signalkontaktelemente, die eine Signalübertragung vom Akkupack 100 zu der Handwerkzeugmaschine 300 oder dem Ladegerät und/oder von der Handwerkzeugmaschine 300 oder dem Ladegerät zum Akkupack 100 ermöglichen. Die Schnittstelle 180 umfasst zumindest ein erstes Kontaktelement 140 und ein zweites Kontaktelement 150 zur elektrischen Kontaktierung korrespondierender Gegenkontaktelemente an der Handwerkzeugmaschine 300 und/oder korrespondierender Gegenkontaktelemente an dem Ladegerät. Es handelt sich bei diesen Kontaktelementen 140, 150 also um Spannungskontaktelemente. Dabei sind die Kontaktelemente 140, 150 jeweils mit dem höchsten beziehungsweise mit dem niedrigsten Potential zumindest einer, in der Regel jedoch mehrerer miteinander verschalteter Akkuzellen verbunden, also mit Batterie (+) und Masse, sodass über die Kontaktelemente 140, 150 der Batterie Strom entnommen oder zugeführt werden kann. Der Fachmann erkennt in der Explosionsansicht der 2, dass das Bezugszeichen 150 die Position markiert, an welcher das Kontaktelement 150 bei zusammengesetztem Akkupack 100 durch das Akkupackgehäuse hindurch von dem korrespondierenden Gegenkontaktelement kontaktiert wird.
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Wie in 2 dargestellt, sind das erste Kontaktelement 140 und das zweite Kontaktelement 150 mit einer Akkupackelektronik 800 verbunden, die dazu eingerichtet sein kann, bestimmte Schalt- und Steuervorgänge des Akkupacks 100 vorzunehmen. Unter anderem ist die Akkupackelektronik 800 dazu eingerichtet, das erste Kontaktelement 140 und das zweite Kontaktelement 150 während eines Aufladens der zumindest einen Akkuzelle über einen Ladestrompfad mit der Akkuzelle zu verbinden. Außerdem ist die Akkupackelektronik 800 dazu eingerichtet, das erste Kontaktelement 140 und das zweite Kontaktelement 150 während eines Entladens der zumindest einen Akkuzelle über einen Entladestrompfad mit der Akkuzelle zu verbinden.
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Zum Verriegeln des Akkupacks 100 am Handgriff 315 der Handwerkzeugmaschine 300 wird das Akkupack 100 entlang des Handgriffs 315 geschoben, und zwar entlang einer unteren, im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung y des Handgriffs 315 ausgerichteten Außenfläche des Handgriffs 315. In der in der 1 gezeigten Position ist das Akkupack 100 durch Verriegelungsmittel am Handgriff 315 verriegelt. Die Verriegelungsmittel umfassen unter anderem ein in 2 dargestelltes Verriegelungselement 210 und ein Betätigungselement 220. Durch Betätigung des Betätigungsmittels 220 kann das Akkupack 100 von dem Handgriff 315 der Handwerkzeugmaschine 300 gelöst werden. Nach Entriegelung des Akkupacks 100 kann dieses vom Handgriff 315 getrennt werden. Beim Anbringen des Akkupacks 100 an einer Handwerkzeugmaschine 300 wird das Verriegelungselement 210 in Eingriff mit einer nicht näher gezeigten korrespondierenden Aufnahme im Handgriff 315 der Handwerkzeugmaschine 300 gebracht.
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Wie eingangs erwähnt, ermöglicht es die Erfindung, unter Beibehaltung einer bekannten Schnittstellenkonfiguration, beispielsweise der in 2 gezeigten Schnittstelle 180, mit identischen Kontaktelementen 140, 150 für den Lade- und Entladevorgang, den Lade- und Entladestrompfad zumindest teilweise voneinander zu trennen und somit unterschiedlich auszuführen.
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Die 3 und 4 zeigen diesbezüglich einen Teil der Akkupackelektronik 800, sowie einen Teil des Ladestrompfades und des Entladestrompfades von dem Kontaktelement 140 zu der zumindest einen Akkuzelle, hier durch einen entsprechenden Batteriekontakt 142 dargestellt. Der Teil des Ladestrompfades und des Entladestrompfades, der von dem anderen Potential der zumindest einen Akkuzelle zum Kontaktelement 150 führt, ist nicht dargestellt. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass dieser Teil im einfachsten Fall lediglich eine durchgehende elektrische Verbindung sein kann. Alternativ dazu kann der Teil des Ladestrompfades und des Entladestrompfades, der von dem anderen Potential der zumindest einen Akkuzelle zum Kontaktelement 150 führt, äquivalent aufgebaut sein wie der in den 3 und 4 dargestellte Teil.
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In der in 3 gezeigten Schaltung ist das Kontaktelement 140, wie bereits erwähnt, über den Ladestrompfad und den Entladestrompfad mit dem Batteriekontakt 142 des Akkupacks 100 verbunden. Eine Stromrichtung beim Entladen des Akkupacks ist durch einen Pfeil SE gekennzeichnet, und eine Stromrichtung beim Laden des Akkupacks ist durch einen Pfeil SL .
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Der Fachmann erkennt, dass der Ladestrompfad und der Entladestrompfad zwischen den Knotenpunkten 144 und 146 elektrisch voneinander getrennt sind, und außerhalb dieses Bereiches gemeinsame Abschnitte umfassen.
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In einem gemeinsamen Abschnitt ist ein erster Strombegrenzer 170 angeordnet, der in der vorliegenden Ausführungsform ein MOSFET ist. Der zumindest eine erste Strombegrenzer 170 ist in der Figur als n-typ MOSFET ausgebildet und dazu eingerichtet, den Entladestrom bei Überschreiten eines Grenzwertes, insbesondere eines Grenzwertes des Entladestroms und/oder eines Grenzwertes der Temperatur abzuschalten. Seine Stromtragfähigkeit ist demnach auf den erwarteten Entladestrom ausgelegt. Ebenfalls dargestellt sind die parasitären Body-Dioden 171, 172 der MOSFETs 170, die auch in dem Fall, dass der erste Strombegrenzer 170 den Entladestrom ausschaltet, einen Stromfluss in Richtung des Ladestroms zulassen, was unbefriedigend ist.
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In der gezeigten Ausführungsform umfasst der Ladestrompfad daher einen zweiten Strombegrenzer 160, in 3 ebenfalls als MOSFET dargestellt, wobei der zweite Strombegrenzer 160 dazu eingerichtet ist, den Ladestrom bei Überschreiten eines Grenzwertes, insbesondere eines Grenzwertes des Ladestroms, und/oder eines Grenzwertes der Temperatur, und/oder eines Grenzwertes der Zellspannung abzuschalten. Seine Stromtragfähigkeit ist demnach auf den erwarteten Ladestrom ausgelegt. Die Body-Diode 161 des zweiten Strombegrenzers 160 ist so orientiert, dass sie bei abgeschaltetem Ladestrom keinen Strom durchlässt. Der Fachmann erkennt, dass der erste Strombegrenzer 170 und der zweite Strombegrenzer 160 im Ladestrompfad anti-seriell geschaltet sind
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Ein erstes Schaltelement 148 dient der Umschaltung zwischen dem Ladestrompfad und dem Entladestrompfad. Das Schaltelement 148 ist im Entladestrompfad angeordnet, wobei das erste Schaltelement 148 und der zweite Strombegrenzer 160 parallel zwischen den Knotenpunkten 144 und 146 geschaltet sind. Das erste Schaltelement 148 überbrückt demnach den zweiten Strombegrenzer 160, wenn das erste Schaltelement 148 den Entladestrompfad schaltet, und führt den potentiell hohen Entladestrom daran vorbei. Einzelheiten zur Betätigung des Schaltelements werden an späterer Stelle erörtert werden.
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Durch die Erfindung ist es möglich, Lade- und Entladestrom mit einzelnen Strombegrenzern 170, 160 zu schalten, selbst wenn Laden und Entladen des Akkupacks 100 über dieselben Kontaktelemente 140, 150 stattfindet. Gleichzeitig wird durch die erfindungsgemäße Lösung eine anti-serielle MOSFET Schaltung im Entladestrompfad vermieden, wodurch sowohl Kosten als auch Verlustleistung aufgrund zusätzlicher, im Betrieb der Handwerkzeugmaschine 300 bestromter Bauteile gering gehalten wird.
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In Bezug auf die Ausführung der Schaltung durch das Schaltelement 148 kann vorgesehen sein, dass diese manuell durch einen Benutzer durchgeführt wird, beispielsweise durch einen mit der Akkupackelektronik 800 verbundenen Schalter an der Außenseite des Akkupackgehäuses. Alternativ oder zusätzlich dazu kann eine digitale, auf Funk, Infrarot, Licht, oder Magnetismus basierende Technik verwendet werden, den Schalter 148 bei Verbinden des Akkupacks mit der Handwerkzeugmaschine 100 beziehungsweise dem Ladegerät zu betätigen, wobei die jeweils korrespondierende Schnittstelle ebenfalls über entsprechende Technik verfügen muss, beispielsweise über einen Funkemitter beziehungsweise -empfänger.
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In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, die hinsichtlich der Kompatibilität zu herkömmlichen Geräten vorteilhaft ist, weist die Schnittstelle 180 einen nicht dargestellten ersten Mechanismus zur Betätigung des ersten Schaltelementes 148 auf. Dabei kann der erste Mechanismus derart in die Schnittstelle 180 des ersten Akkupacks 100 integriert ist, dass der erste Mechanismus das erste Schaltelement 148 betätigt, wenn das Akkupack 100 über die Schnittstelle 180 mit einer korrespondierenden Schnittstelle der Handwerkzeugmaschine 300 und/oder des Ladegeräts verbunden wird. Auf diese Weise wird ein automatisches Schalten ermöglicht, wenn der Benutzer den Akkupack in der Handwerkzeugmaschine beziehungsweise im Ladegerät verwendet, und es wird jeweils der entsprechende Betriebsmodus, also Entladen oder Laden, betätigt.
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Entsprechend ist in einer Ausführungsform der Erfindung das erste Schaltelement 148 sowie der erste Mechanismus derart ausgebildet, dass in einem Grundzustand, in dem die Schnittstelle 180 des Akkupacks 100 nicht mit einer korrespondierenden Schnittstelle der Handwerkzeugmaschine 300 und/oder des Ladegeräts verbunden ist, der Entladestrompfad oder der Ladestrompfad geschaltet sind.
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In dem Fall, dass im Grundzustand der Ladestrompfad geschaltet ist, ist der erste Mechanismus so ausgebildet, dass das erste Schaltelement 148 den Entladestrompfad schaltet, wenn das Akkupack 100 über die Schnittstelle 180 mit der Handwerkzeugmaschine 300 verbunden wird. Der erste Mechanismus wiederum kann dabei beispielsweise durch einen in der Schnittstelle 380 der Handwerkzeugmaschine 300 integrierten Mechanismus wie den Einrastmechanismus oder mechanische Kodierelemente betätigt werden, die bereits an herkömmlichen Handwerkzeugmaschinen 300 angeordnet sind. Wird das Akkupack 100 wieder von der Handwerkzeugmaschine 300 getrennt, schaltet der erste Mechanismus über das Schaltelement 148 wieder den Ladestrompfad. Es ist also in dieser Ausführungsform nicht erforderlich, dass der erste Mechanismus bei Verbinden des Akkupacks mit dem Ladegerät betätigt wird.
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Alternativ dazu kann in dem Fall, dass im Grundzustand der Entladestrompfad geschaltet ist, der erste Mechanismus so ausgebildet sein, dass das erste Schaltelement 148 den Ladestrompfad schaltet, wenn das Akkupack 100 über die Schnittstelle 180 mit einem Ladegerät verbunden wird. Der erste Mechanismus wiederum kann dabei beispielsweise durch einen in der Schnittstelle des Ladegeräts integrierten Mechanismus wie den Einrastmechanismus oder mechanische Kodierelemente betätigt werden, die bereits an herkömmlichen Ladegeräten angeordnet sind. Wird das Akkupack 100 wieder von dem Ladegerät getrennt, schaltet der erste Mechanismus über das Schaltelement 148 wieder den Entladestrompfad. Es ist also in dieser Ausführungsform nicht erforderlich, dass der erste Mechanismus bei Verbinden des Akkupacks mit der Handwerkzeugmaschine 300 betätigt wird.
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In der in 3 gezeigten Ausführungsform ist die Batteriezelle beziehungsweise der Batteriekontakt 142 stets elektrisch mit dem Kontaktelement 140 verbunden, sofern der erste 170 und zweite Strombegrenzer 160 nicht abschalten.
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In einer weiteren Ausführungsform, die in 4 dargestellt ist, ist das erste Schaltelement 148 dagegen dazu eingerichtet, zwischen dem Ladestrompfad, dem Entladestrompfad, sowie einem neutralen Zustand zu schalten, wobei in dem neutralen Zustand die zumindest eine Akkuzelle elektrisch von dem ersten Kontaktelement 140 getrennt ist. In 4 ist der neutrale Zustand durch eine Schaltstellung 1483 des ersten Schaltelements 148 dargestellt, während in einer Schaltstellung 1481 des ersten Schaltelements 148 der Ladestrompfad geschaltet ist, und in einer Schaltstellung 1482 des ersten Schaltelements 148 der Entladestrompfad. Generell werden in den 3 und 4 identische Bezugszeichen für identische Merkmale verwendet.
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Der Fachmann erkennt, dass in der Schaltstellung 1481, in welcher der Ladestrompfad geschaltet ist, der Ladestrom über den ersten Strombegrenzer 170 sowie über den zweiten Strombegrenzer 160 geführt wird, und dass der erste 170 und zweite Strombegrenzer 160 anti-seriell im Ladestrompfad angeordnet sind. In der Schaltstellung 1482, in welcher der Entladestrompfad geschaltet ist, wird der Entladestrom an dem zweiten Strombegrenzer 160 vorbei geführt, sodass die Verlustleistung nicht unnötig erhöht wird, wie bereits im Zusammenhang mit 3 erläutert.
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Es soll erwähnt werden, dass das Schaltelement 148 in der in 4 gezeigten Schaltung nicht parallel zum zweiten Strombegrenzer 160 angeordnet ist, sondern seriell.
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Wie in Zusammenhang mit 3 beschrieben, schaltet in einer Ausführungsform der Erfindung der erste Mechanismus das Schaltelement 148 in der in 4 dargestellten Schaltung den Entladestrompfad und den Ladestrompfad, und zusätzlich hierzu noch den neutralen Zustand. In diesem Fall ist im Grundzustand des Akkupacks der neutrale Zustand geschaltet, während der erste Mechanismus so ausgebildet ist, dass das erste Schaltelement 148 den Entladestrompfad schaltet, wenn das Akkupack 100 über die Schnittstelle 180 mit der Handwerkzeugmaschine 300 verbunden wird. Der erste Mechanismus ist ferner so ausgebildet, dass das erste Schaltelement 148 den Ladestrompfad schaltet, wenn das Akkupack 100 über die Schnittstelle 180 mit einem Ladegerät verbunden wird.
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Entsprechend ist in Zusammenhang mit dieser Ausführungsform die maschinenseitige Schnittstelle 380 der Handwerkzeugmaschine 300 derart ausgebildet, dass der erste Mechanismus des Akkupacks 100 über das erste Schaltelement 148 den Entladestrompfad schaltet, wenn das Akkupack 100 mit der maschinenseitigen Schnittstelle 380 der Handwerkzeugmaschine 300 verbunden wird. In ähnlicher Weise ist die Schnittstelle des Ladegeräts derart ausgebildet, dass der erste Mechanismus des Akkupacks 100 über das erste Schaltelement 148 den Ladestrompfad schaltet, wenn das Akkupack 100 mit der geräteseitigen Schnittstelle des Ladegeräts verbunden wird.
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Hinsichtlich naheliegender Alternativen zur Paarung des Akkupacks 100 mit Handwerkzeugmaschine 300 beziehungsweise Ladegerät in Bezug auf die Betätigung des Schaltelements 148 durch beispielsweise entsprechende Bluetooth-Kennungen von Handwerkzeugmaschine 300 und Akkupack 100, oder magnetische Auslöser, sei ebenfalls hingewiesen.
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Obwohl die Erfindung durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele im Detail näher erläutert wurde, können vom Fachmann auch andere Kombinationen der genannten Merkmale vorgesehen sein, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
