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GEBIET DES GEBRAUCHSMUSTERS
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Das vorliegende Gebrauchsmuster betrifft das Gebiet der Elektrowerkzeuge, konkret eine Energiespeichervorrichtung mit einer hohen Energiedichte und ein zugehöriges Elektrowerkzeug.
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STAND DER TECHNIK
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Mit der Erweiterung des Anwendungsbereichs von Elektrowerkzeugen finden Elektrowerkzeuge breite Anwendung bei Heimdekoration, Outdoor- und Heimwerker-Projekten. Elektrowerkzeuge umfassen mindestens die folgenden zwei Kategorien je nach der Art ihrer Energiequellen: Kraftstoffwerkzeuge, die von Kraftstoff (z. B. Benzin) angetrieben werden; und Gleichstrom-Elektrowerkzeugen, die von einer Gleichstromversorgung angetrieben werden. Im Niedrigleistungsbereich können Gleichstrom-Elektrowerkzeuge im Wesentlichen Kraftstoffwerkzeuge ersetzen. In Hochleistungsbereichen, beispielsweise bei einer Leistung von größer als 1200 W, ist es jedoch schwierig, Kraftstoffwerkzeuge durch DC-Elektrowerkzeuge zu ersetzen. Dies liegt daran, dass Hochleistungswerkzeuge erfordern, dass eine Gleichstromversorgung eine ausreichende Leistungsabgabe bereitstellt. Als die herkömmlichste Form der DC-Stromversorgung kann ein Batteriepaket normalerweise nur eine Leistung zwischen 400 und 1100 W bereitstellen, was die Leistungsanforderungen von Hochleistungswerkzeugen nicht erfüllen kann. Hochleistungs-Kraftstoffwerkzeuge haben jedoch auch offensichtliche Nachteile: Das Geräusch ist während der Arbeit groß, das erzeugte Abgas verursacht eine große Umweltverschmutzung und das Gewicht des Geräts ist schwerer.
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Eine der bestehenden Ausgestaltungen verwendet mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen, um eine hohe Leistung für das Elektrowerkzeug auszugeben, so dass die Ausgangsspannung des Batteriepakets groß ist. Aufgrund der Begrenzung der Entladekapazität (20 A) des Batteriepakets und der Kapazität (3 Ah) beträgt die Ausgangsspannung des Batteriepakets mit Reihenschaltung 60 V oder mehr, was die Sicherheitsspannung übersteigt und eine Gefahr für den Bediener darstellt.
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Eine andere bestehende Ausgestaltung verwendet Batteriezellen oder Batteriepakete, die parallel geschaltet sind, um eine hohe Leistung für das Elektrowerkzeug auszugeben, aber die Parallelschaltung führt zu einer gegenseitigen Aufladung zwischen den Batteriezellen oder Batteriepaketen, und wenn die Spannung zwischen den Batteriezellen inkonsistent ist, besteht das Risiko, dass eine Batteriezelle mit hoher Spannung eine Batteriezelle mit niedriger Spannung auflädt, was als Risiko gegenseitiger Ladung bezeichnet wird. Während des gegenseitigen Ladevorgangs ist der Ladestrom umso größer, je größer die Druckdifferenz ist. Der hohe Strom schädigt die geladene Batteriezelle und die entladene Batteriezelle stark und kann sogar Gefahr verursachen.
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Daher ist es sehr notwendig, ein umweltfreundliches und leistungsstarkes Elektrowerkzeug bereitzustellen.
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OFFENBARUNG DES GEBRAUCHSMUSTERS
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Um die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, besteht die Aufgabe des Gebrauchsmusters darin, eine neue Energiespeichervorrichtung mit großer Kapazität bereitzustellen, um die bestehenden technischen Probleme zu lösen und den Anwendungsbereich der Energiespeichervorrichtung zu erweitern.
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Gemäß dem vorliegenden Gebrauchsmuster wird die Aufgabe gelöst durch die folgende Ausgestaltung:
- Eine Energiespeichervorrichtung umfasst ein Gehäuse, eine erste Verbindungsschnittstelle zum lösbaren Verbinden mit einer zweiten Verbindungsschnittstelle an einem Elektrowerkzeug, eine Plus-Klemme und eine Minus-Klemme, wobei die Energiespeichervorrichtung ferner eine Batterieeinheit umfasst, die in dem Gehäuse untergebracht ist, wobei die Batterieeinheit mehrere Batteriezellen umfasst, die in Reihe miteinander geschaltet sind, wobei die Energiespeichervorrichtung eine Ausgangsleistung von mehr als 1200 W zulässt und die Spannung der Reihenschaltung aus mehreren Batteriezellen nicht höher als 60 V ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Reihenschaltung aus mehreren Batteriezellen eine Spannung zwischen 40 und 60 V aufweist, wobei die Energiespeichervorrichtung eine Ausgangsleistung zwischen 1200 und 1800 W und ein Leistungsvolumenverhältnis zwischen 3,8 und 4,0 W/cm3 aufweist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Batterieeinheit mindestens 10 Batteriezellen umfasst und die Energiespeichervorrichtung eine Ausgangsleistung zwischen 1200 und 1400 W aufweist, wobei das Volumen der Batterieeinheit größer als 300 cm3 ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Anzahl der Batteriezellen 10 beträgt und der zulässige Entladungsstrom der Batteriezelle nicht weniger als 30 A beträgt, wobei die Batteriezellen in einer oberen und einer unteren Schicht angeordnet sind und die obere Schicht und die untere Schicht jeweils mit 5 nebeneinander angeordneten Batteriezellen versehen sind, wobei die Mittelachse einer Batteriezelle der oberen Schicht zu der Mittelachse der entsprechenden Batteriezelle der unteren Schicht ausgerichtet ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Batterieeinheit mindestens 12 Batteriezellen umfasst und die Energiespeichervorrichtung eine Ausgangsleistung zwischen 1400 und 1600 W aufweist, wobei das Volumen der Batterieeinheit größer als 370 cm3 ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Anzahl der Batteriezellen 12 beträgt und der zulässige Entladungsstrom der Batteriezelle nicht weniger als 30 A beträgt, wobei die Batteriezellen in drei Schichten, nämlich einer oberen, einer mittleren und einer unteren Schicht, angeordnet sind und die obere, die mittlere und die untere Schicht jeweils mit 4 nebeneinander angeordneten Batteriezellen versehen sind, wobei die Mittelachsen der entsprechenden Batteriezellen der oberen, der mittleren und der unteren Schicht zueinander ausgerichtet sind.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Batterieeinheit mindestens 14 Batteriezellen umfasst und die Energiespeichervorrichtung eine Ausgangsleistung zwischen 1600 und 1800 W aufweist, wobei das Volumen der Batterieeinheit größer als 430 cm3 ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Anzahl der Batteriezellen 14 beträgt und der zulässige Entladungsstrom der Batteriezelle nicht weniger als 30 A beträgt, wobei die Batteriezellen in einer oberen und einer unteren Schicht angeordnet sind und die obere Schicht und die untere Schicht jeweils mit 7 nebeneinander angeordneten Batteriezellen versehen sind, wobei die Mittelachse einer Batteriezelle der oberen Schicht zu der Mittelachse der entsprechenden Batteriezelle der unteren Schicht ausgerichtet ist.
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Ein Elektrowerkzeug umfasst einen Elektrowerkzeugkörper und eine Energiespeichervorrichtung, die den Elektrowerkzeugkörper mit Strom versorgt, wobei der Elektrowerkzeugkörper Folgendes umfasst: einen Motor, der elektrische Energie von der Energiespeichervorrichtung erhält und eine Drehbewegung ausgibt; und eine zweite Verbindungsschnittstelle, die mit der Energiespeichervorrichtung verbunden ist, um elektrische Energie zu erhalten; wobei die Energiespeichervorrichtung eine Energiespeichervorrichtung nach den obigen Ausführungsbeispielen ist.
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Vorzugsweise ist das Elektrowerkzeug ein Outdoor-Elektrowerkzeug.
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Im Vergleich zum Stand der Technik sind vorteilhafte Auswirkungen des Gebrauchsmusters wie folgt: Die Energiespeichervorrichtung gemäß dem Gebrauchsmuster erlaubt eine Ausgangsleistung von größer als 1200 W, die Batteriezellen sind in Reihe geschaltet und die Spannung der Reihenschaltung aus mehreren Batteriezellen beträgt nicht mehr als 60 V, womit eine große Ausgangsleistung geliefert werden kann, um die Leistungsanforderungen von Hochleistungswerkzeugen zu erfüllen, während gleichzeitig das Risiko bei parallel geschalteten Batterieeinheiten vermieden wird, dass eine Batteriezelle mit hoher Spannung eine Batteriezelle mit niedriger Spannung lädt, und neben gesparten Kosten wird eine niedrige Anforderung an Elektrowerkzeuge gestellt.
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DARSTELLUNG DES GEBRAUCHSMUSTERS
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Die vorstehende Aufgabe, Ausgestaltung und vorteilhafte Auswirkung des vorliegenden Gebrauchsmusters können anhand der nachstehenden Zeichnungen verwirklicht werden. Darin zeigen
- 1 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines Elektrowerkzeugs nach einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel des vorliegenden Gebrauchsmusters;
- 2 eine schematische strukturelle Darstellung der Energiespeichervorrichtung des Elektrowerkzeugs gemäß 1;
- 3A und 3B jeweils eine schematische Darstellung der Batteriezellen in einer Energiespeichervorrichtung, die aus parallel geschalteten 18650-Batteriezellen besteht;
- 4A und 4B jeweils eine schematische Darstellung der Batteriezellen in einer Energiespeichervorrichtung, die aus parallel geschalteten 21700-Batteriezellen besteht.
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KONKRETE AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Zum besseren Verständnis der vorstehenden Aufgabe, Merkmale und Vorteile des vorliegenden Gebrauchsmusters wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen auf die konkreten Ausführungsformen des Gebrauchsmusters näher eingegangen. Viele spezifische Einzelheiten werden in der folgenden Beschreibung beschrieben, um das vollständige Verständnis des Gebrauchsmusters zu erleichtern. Das Gebrauchsmuster kann jedoch auf viele andere Art und Weise ausgeführt werden, die sich von den hier beschriebenen Ausgestaltungen unterscheidet, und der Fachmann kann ähnliche Verbesserungen ohne Abweichen von der Hauptidee des Gebrauchsmusters vornehmen, so dass das Gebrauchsmuster nicht durch die unten offenbarten konkreten Ausführungsformen eingeschränkt ist.
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Bei einem mit einem anderen Element „verbundenen“ Element kann es unmittelbar oder gleichzeitig über ein Zwischenelement oder elektrisch mit dem anderen Element verbunden sein.
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Soweit nicht anders definiert, sollen alle technischen und wissenschaftlichen Begriffe, die hierbei verwendet werden, die gleichen Bedeutungen wie nach dem allgemeinen Verständnis der Fachleute auf dem Gebiet des Gebrauchsmusters haben. Die in der Beschreibung des Gebrauchsmusters verwendeten Begriffe dienen lediglich zur Erläuterung der Aufgabe der konkreten Ausführungsformen, ohne das Gebrauchsmuster einzuschränken. Der hierbei verwendete Begriff „und/oder“ umfasst jegliche und alle Kombinationen eines oder mehrerer der aufgeführten Elemente. Das Elektrowerkzeug im Sinne des vorliegenden Gebrauchsmusters kann ein Rasenmäher, eine Kehrmaschine sein und das Elektrowerkzeug enthält eine Energiespeichervorrichtung, zwei Energiespeichervorrichtungen oder mehrere Energiespeichervorrichtungen (die Anzahl der Energiespeichervorrichtungen hängt von der Anwendung und dem Werkzeugtyp ab).
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1 zeigt eine schematische dreidimensionale Darstellung eines Elektrowerkzeugs nach einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel des vorliegenden Gebrauchsmusters. Das Elektrowerkzeug umfasst einen Elektrowerkzeugkörper 10 und eine Energiespeichervorrichtung 20. Die Energiespeichervorrichtung 20 ist abnehmbar an dem Elektrowerkzeugkörper 10 angebracht, um Energie für den Elektrowerkzeugkörper 10 bereitzustellen. In einer Ausführungsform enthält das Elektrowerkzeug 10 ferner einen Hilfsgriff 12. Es wird auf 2 hingewiesen. Die Energiespeichervorrichtung 20 umfasst ein erstes Gehäuse 21, eine Batteriebatteriezelle, die in dem ersten Gehäuse 21 untergebracht ist, eine erste Verbindungsschnittstelle 22, die an dem ersten Gehäuse 21 angeordnet ist, sowie eine Plus-Klemme 221 und eine Minus-Klemme 222, die in der ersten Verbindungsschnittstelle 22 angeordnet sind. Die Plus-Klemme 221 und die Minus-Klemme 222 sind jeweils mit einer Plus-Klemme bzw. einer Minus-Klemme des Elektrowerkzeugs verbunden, um elektrische Energie nach außen auszugeben. Die Energiespeichervorrichtung 20 umfasst mehrere Batteriezellen, die miteinander elektrisch verbunden sind. Der Elektrowerkzeugkörper 10 umfasst ein zweites Gehäuse 11, einen Motor, der in dem zweiten Gehäuse untergebracht ist, und eine zweite Verbindungsschnittstelle, die lösbar mit der ersten Verbindungsschnittstelle 22 der Energiespeichervorrichtung 20 verbunden ist. In der zweiten Verbindungsschnittstelle sind ein drittes Polplättchen und ein viertes Polplättchen angeordnet, die elektrisch mit der Plus-Klemme 221 bzw. der Minus-Klemme 222 der Energiespeichervorrichtung 20 verbunden sind, um elektrische Energie von der Energiespeichervorrichtung 20 zu erhalten und Energie für die Motorrotation bereitzustellen. An der Energiespeichervorrichtung 20 ist ferner eine Verriegelungsstruktur vorgesehen, über die die Energiespeichervorrichtung verriegelt, nachdem die Energiespeichervorrichtung 20 korrekt an dem Elektrowerkzeug 10 über eine Gleitschiene angebracht ist, um eine Ablösung zu verhindern. Wenn die Energiespeichervorrichtung 20 entfernt werden muss, muss die Verriegelungsstruktur zuerst ausgelöst werden, um sie in einen Entriegelungszustand zu versetzen, und dann wird die Energiespeichervorrichtung 20 herausgezogen.
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2 zeigt eine schematische strukturelle Darstellung der Energiespeichervorrichtung nach einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel des Elektrowerkzeugs. Die Energiespeichervorrichtung 20 umfasst mehrere Batteriezellen 200, die Lithium-Ionen-Batteriezellen 200 sind. Die mehreren Batteriezellen 200 sind in Reihe miteinander geschaltet, um die Energiespeichervorrichtung 20 zu bilden. Die Energiespeichervorrichtung 20 ist innen ferner mit einer Leiterplatte, einem Elektrodenplättchen, die auf der Leiterplatte angeordnet und zum elektrischen Verbinden mit den Batteriezellen 200 eingerichtet ist, und einem Verbindungsplättchen zum Reihenschalten von zwei benachbarten Batteriezellen 200 versehen. Die Ausgangsleistung des Energiespeichers 20 hängt von dem Produkt aus der Ausgangsspannung der Batteriezellen 200 nach Reihenschaltung und dem zulässigen mittleren Entladestrom ab. Die Ausgangsspannung hängt von der Nennspannung der einzelnen Batteriezellen 200 und der Anzahl der in Reihe geschalteten Batteriezellen 200 ab, und der zulässige durchschnittliche Entladestrom hängt von dem zulässigen durchschnittlichen Entladestrom der einzelnen Batteriezellen 200 und der Anzahl der parallelen Batteriezellen 200 ab.
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In einem möglichen Szenario hat das Elektrowerkzeug 10 eine Nennleistung von 1200 W. Unter Nennleistung wird die Nenneingangsleistung verstanden. Um eine solche Nennleistung zu erzielen, muss die Ausgangsleistung der Energiespeichervorrichtung 20 1200 W erreichen. Im Stand der Technik wird eine Energiespeichervorrichtung 20 verwendet, die aus 18650-Batteriezellen 200 besteht, um elektrische Energie für das Werkzeug bereitzustellen.
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Wenn die bestehende Energiespeichervorrichtung 20 verwendet wird, deren Batteriezellen 18650-Batteriezellen 200 sind, umfasst die Energiespeichervorrichtung 20 zum Erreichen einer Nennausgangsleistung von 1200 W 15 in Reihe geschaltete 18650-Batteriezellen 200, um eine Batterieeinheit zu bilden, und die Energiespeichervorrichtung 20 besteht aus einer Batteriezelle 200. Das heißt, die Energiespeichervorrichtung besteht aus 15 in Reihe geschalteten 18650-Batteriezellen 200. Die elektrische Energie der Energiespeichervorrichtung 20 ist durch die Plus-Klemme 221 bzw. die Minus-Klemme 222 mit der positiven bzw. negativen Elektroden des Elektrowerkzeugs verbunden, um dem Elektrowerkzeug elektrische Energie zuzuführen. Der durchschnittliche Entladestrom der 18650-Batteriezelle 200 beträgt 20 A, die Spannung in voll aufgeladenem Zustand beträgt 4,0 V/Zelle, das Gewicht beträgt 45 g/Zelle, der Durchmesser beträgt 18 mm und die Höhe beträgt 65 mm. Die Ausgangsspannung von 15 in Reihe geschalteten 18650-Zellen beträgt 15*4 V/Zelle = 60 V. Die Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung 20 beträgt 60 V, die Ausgangsleistung beträgt 60 V * 20 A = 1200 W und das Gewicht beträgt 15 * 45 g/Zelle = 675 g. Das Leistungs-Gewichts-Verhältnis der Energiespeichervorrichtung 20 beträgt 1200 w/675 g = 1,778 w/g. Die 15 Batteriezellen 200 in der Energiespeichervorrichtung sind in 3 Gruppen unterteilt, wobei jede Gruppe 5 Batteriezellen 200 umfasst und 3 Gruppen von Batteriezellen 200 in drei Schichten, nämlich einer oberen, einer mittleren und einer unteren Schicht angeordnet sind. Basierend auf dieser Anordnung hat die Energiespeichervorrichtung 20 eine Länge von 18 * 5 = 90 mm, eine Breite von 65 mm und eine Höhe von 18 * 3 = 54 mm und ein Volumen von 90 * 65 * 54 = 315,9 cm3. Das Leistungs-Volumen-Verhältnis der Energiespeichereinrichtung 20 beträgt 1200 W/315,9 cm3 = 3,799 W/cm3.
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In dem obigen Ausführungsbeispiel besteht die Energiespeichervorrichtung 20 aus 15 in Reihe geschalteten 18650-Batteriezellen 200 und die Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung erreicht 60 V, was die Sicherheitsspannung übersteigt und ein Sicherheitsrisiko mit sich bringt. Nach Anbringen an ein Werkzeug werden erhöhte Anforderungen an die elektrische Isolation des Elektrowerkzeugs gestellt und das Design des Werkzeugs soll ebenfalls dementsprechend verbessert werden. Um Sicherheitsrisiken und Konstruktionsschwierigkeiten und -kosten zu verringern, wird im Stand der Technik ferner eine Energiespeichervorrichtung bereitgestellt, die 16 Batteriezellen umfasst, die zwei Gruppen von Batteriezellen bilden, wobei die zwei Gruppen von Batteriezellen parallel geschaltet sind, wobei jede Gruppe von Batteriezellen 8 Batteriezellen umfasst, die in Reihe geschaltet sind. Es wird auf 3A und 3B hingewiesen. Die Energiespeichervorrichtung 20 umfasst 16 Batteriezellen 200, wobei eine obere und eine untere Batteriezelle 200 parallel geschaltet sind und einen Batteriepack bilden. 16 Batteriezellen 200 bilden insgesamt 8 Batteriepacks und 8 Batteriepacks sind in Reihe geschaltet, um die Energiespeichervorrichtung 20 zu bilden, wobei die Energiespeichervorrichtung 20 ferner eine Plus-Klemme 221 und eine Minus-Klemme 222 umfasst, die elektrisch mit dem dritten bzw. dem vierten Polplättchen in dem Elektrowerkzeugkörper 10 verbunden sind, um elektrische Energie für den Elektrowerkzeugkörper bereitzustellen. Gemäß den Spezifikationen der oben erwähnten 18650-Batteriezelle beträgt die Ausgangsspannung jeder Gruppe von Batterieeinheiten 8 * 4 V/Zelle = 32 V und der zulässige durchschnittliche Entladungsstrom beträgt 20 A. Die Ausgangsspannung der zwei Gruppen von Batterieeinheiten nach der Parallelschaltung beträgt immer noch 32 V und der zulässige durchschnittliche Entladungsstrom beträgt 2 * 20 A = 40A. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung 20 32 V, die Ausgangsleistung beträgt 32 V * 40A = 1280 W und das Gewicht beträgt 16 * 45 g/Zelle = 720 g. Das Leistungs-Gewichts-Verhältnis der Energiespeichervorrichtung beträgt 1280 w/720 g = 1,778 w/g. Die zwei Gruppen von Batterieeinheiten in der Energiespeichervorrichtung 20 sind in einer oberen und einer unteren Schicht angeordnet und jede Schicht ist mit 8 Batteriezellen 200 versehen. Basierend auf dieser Anordnung hat die Energiespeichervorrichtung 20 eine Länge von 18 * 8 = 144 mm, eine Breite von 65 mm und eine Höhe von 18 * 2 = 36 mm und ein Volumen von 144 * 65 * 36 = 336,96 cm3. Das Leistungs-Volumen-Verhältnis der Energiespeichereinrichtung 20 beträgt 1280 W/336,96 cm3 = 3,799 W/cm3.
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In dem obigen Ausführungsbeispiel besteht die Energiespeichervorrichtung 20 aus 16 18650-Batteriezellen 200. Die Batteriezellen 200 sind parallel geschaltet. Die Ausgangsspannung nach der Parallelschaltung beträgt 32 V und weniger als 60 V, was den Sicherheitsanforderungen des Bedieners entspricht und keine galvanische Trennung des Elektrowerkzeugs erfordert, aber da die zwei Gruppen von Batterieeinheiten parallel geschaltet sind, besteht das Risiko, dass eine Batterieeinheit mit höherer Spannung eine Batterieeinheit mit niedrigerer Spannung auflädt, wenn die Spannungen der zwei Gruppen von Batterieeinheiten inkonsistent sind, was als Risiko gegenseitiger Aufladung bezeichnet wird. Während des gegenseitigen Ladevorgangs ist der Ladestrom umso größer, je größer die Druckdifferenz ist. Der hohe Strom schädigt die geladene Batterieeinheit und die entladene Batterieeinheit stark und kann sogar Gefahr verursachen.
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Um das Sicherheitsproblem für Bediener sowie die Probleme der Schäden an dem Batteriepaket und der Kosten beim Ausgeben einer Leistung von mehr als 1200 W durch eine Energiespeichervorrichtung, die aus 18650-Batteriezellen besteht, im Stand der Technik zu lösen, stellt das Gebrauchsmuster eine Energiespeichervorrichtung bereit, wobei die Energiespeichervorrichtung eine Batterieeinheit umfasst, die mehrere 21700-Batteriezellen umfasst, wobei die mehreren Batteriezellen in Reihe geschaltet sind. In einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel des Gebrauchsmusters, wie in 4A gezeigt, umfasst die Batterieeinheit 10 Batteriezellen 200 und die 10 Batteriezellen 200 sind in Reihe miteinander geschaltet. Die Batterieeinheit umfasst ferner eine Leiterplatte, ein Elektrodenplättchen, die auf der Leiterplatte angeordnet und zum elektrischen Verbinden mit den Batteriezellen 200 eingerichtet ist, und ein Verbindungsplättchen zum Reihenschalten von zwei benachbarten Batteriezellen 200. Der durchschnittliche Entladestrom der 21700-Batteriezelle 200 beträgt 30 A, die Spannung in voll aufgeladenem Zustand beträgt 4,0 V/Zelle, das Gewicht beträgt 70 g/Zelle, der Durchmesser beträgt 21 mm und die Höhe beträgt 70 mm. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung 20 10 * 4 V/Zelle = 40 V und die Ausgangsleistung beträgt 10 * 4 * 30 = 1200 W. Das Gewicht beträgt 10 * 70 g/Zelle = 700 g. Das Leistungs-Gewichts-Verhältnis der Energiespeichervorrichtung 20 beträgt 1200 W/700 g = 1,714 W/g. Wie in 4A gezeigt, 10 Batteriezellen 200 sind in zwei Gruppen unterteilt, nämlich 5 Batteriezellen 200 pro Gruppe. Die zwei Gruppen von Batteriezellen 200 sind in einer oberen und einer unteren Schichte angeordnet. Jede Batteriezelle 200 weist eine horizontale Mittelachse entlang der Längenrichtung und eine Mittelachse senkrecht zu der horizontalen Mittelachse auf, wobei die horizontalen Mittelachsen der ersten Gruppe von Batteriezellen 200 auf einer ersten Ebene 23 und die horizontalen Mittelachsen der zweiten Gruppe von Batteriezellen 200 auf einer zweiten Ebene 24 angeordnet sind, wobei die erste Ebene 23 und die zweite Ebene 24 parallel zueinander angeordnet sind. Die Mittelachse jeder Batteriezelle 200 der ersten Gruppe ist zu der Mittelachse der zugeordneten Batteriezelle 200 der zweiten Gruppe ausgerichtet. Zum Beispiel ist die Mittelachse der ersten Batteriezelle 200 in der ersten Gruppe von Batteriezellen 200 zu der Mittelachse der ersten Batteriezelle 200 der zweiten Gruppe ausgerichtet. Die Mittelachse der zweiten Batteriezelle 200 in der ersten Gruppe von Batteriezellen 200 ist zu der Mittelachse der zweiten Batteriezelle 200 der zweiten Gruppe ausgerichtet, und gemäß der Eins-zu-Eins-Entsprechung entspricht die Mittelachse der ersten Gruppe von Batteriezellen 200 jeweils der zugeordneten Mittelachse der zweiten Gruppe von Batteriezellen 200. Basierend auf dieser Anordnung hat die Energiespeichervorrichtung 20 eine Länge von 21 * 5 = 105 mm, eine Breite von 70 mm, eine Höhe von 21 * 2 = 42 mm und ein Volumen von 105 * 70 * 42 = 308,7 cm3. Das Leistungs-Volumen-Verhältnis der Energiespeichereinrichtung 20 beträgt 1200 W/308,7 cm3 = 3,887 W/cm3.
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Die Energiespeichervorrichtung 20 des obigen Ausführungsbeispiels umfasst 10 Batteriezellen 200. Die 10 Batteriezellen 200 sind in Reihe geschaltet und die Ausgangsspannung beträgt 40 V, die die Sicherheitsspannung nicht überschreitet und die Anforderungen an die Ausgangsleistung erfüllen kann, und mehrere Batteriezellen 200 sind in Reihe geschaltet und es besteht kein Risiko einer gegenseitigen Aufladung, womit nicht nur die Anforderungen an die Ausgangsleistung erfüllt, sondern auch Schäden an der Batterie vermieden werden.
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Es wird auf Tabelle 1 hingewiesen, die eine Vergleichstabelle von zwei Energiespeichervorrichtungen bei einer benötigten Nennleistung des Elektrowerkzeugs von 1200 W zeigt. Tabelle 1
Leistung (W) | Typ der Batteriezelle | Anordnung der Batteriezelle | Spannung (V) | Strom (A) | Gewicht (g) | Leistungs-Gewichts-Verhältnis (w/g) | Volumen (cm3) | Leistungs-Volumen-Verhältnis (w/cm3) | Dauer des Einzelpacks (min) |
1200 | 18650 | Reihenschaltung | 60 | 20 | 675 | 1,778 | 315,9 | 3,799 | 6 |
1280 | 18650 | Parallelschaltung | 32 | 40 | 720 | 1,778 | 336,96 | 3,799 | 6 |
1200 | 21700 | Reihenschaltung | 40 | 30 | 700 | 1,714 | 308,7 | 3,887 | 8 |
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Um die Beschreibung zu erleichtern, wird die Energiespeichervorrichtung mit der 21700-Batteriezelle als erste Energiespeichervorrichtung bezeichnet und die Energiespeichervorrichtung mit der 18650-Batteriezelle wird als zweite Energiespeichervorrichtung bezeichnet. Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, wird im Wesentlichen die gleiche Ausgangsleistung (1200 W) geliefert. Die Batteriezellen der ersten Energiespeichervorrichtung sind in Reihe geschaltet, womit die Beschädigung der Batteriezelle durch den gegenseitigen Ladestrom bei parallel geschalteten Batteriezellen vermieden wird. Zur gleichen Zeit ist die Dauer des Einzelpacks größer als die der zweiten Energiespeichervorrichtung. Das Elektrowerkzeug, das mit der ersten Energievorrichtung ausgestattet ist, hat eine lange Arbeitsdauer und das Leistungs-Gewichts-Verhältnis der ersten Energiespeichervorrichtung ist kleiner als das Leistungs-Gewichts-Verhältnis der zweiten Energiespeichervorrichtung. Die erste Energiespeichervorrichtung weist kein erhöhtes Gewicht auf, während eine hohe Leistung sichergestellt wird, was für den Leichtbau des Elektrowerkzeugs vorteilhaft ist. Das Leistungs-Volumen-Verhältnis der ersten Energiespeichervorrichtung liegt zwischen 3,8 und 4,0 W/cm3, und das Volumen der ersten Energiespeichervorrichtung wird nicht stark erhöht, während sichergestellt wird, dass die erste Energiespeichervorrichtung eine hohe Leistung ausgibt, was für die kompakte Konstruktion des Elektrowerkzeugs vorteilhaft ist.
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In einem möglichen Szenario hat das Elektrowerkzeug 10 eine Nennleistung von 1400 W. Unter Nennleistung wird die Nenneingangsleistung verstanden. Um eine solche Nennleistung zu erzielen, muss die Ausgangsleistung der Energiespeichervorrichtung 1400 W erreichen. Im Stand der Technik wird eine Energiespeichervorrichtung 20 verwendet, die aus 18650-Batteriezellen 200 besteht, um elektrische Energie für das Werkzeug bereitzustellen.
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Wenn die bestehende, zweite Energiespeichervorrichtung verwendet wird, deren Batteriezellen 18650-Batteriezellen sind, umfasst die Energiespeichervorrichtung zum Erreichen einer Nennausgangsleistung von 1400 W 18 in Reihe geschaltete 18650-Batteriezellen, um eine Batterieeinheit zu bilden, und die Energiespeichervorrichtung besteht aus einer Batterieeinheit. Das heißt, die Energiespeichervorrichtung besteht aus 18 in Reihe geschalteten 18650-Batteriezellen. Die elektrische Energie der Energiespeichervorrichtung ist durch die Plus-Klemme bzw. die Minus-Klemme mit der positiven bzw. negativen Elektroden des Elektrowerkzeugs verbunden, um dem Elektrowerkzeug elektrische Energie zuzuführen. Der durchschnittliche Entladestrom der 18650-Batteriezelle beträgt 20 A, die Spannung in voll aufgeladenem Zustand beträgt 4,0 V/Zelle, das Gewicht beträgt 45 g/Zelle, der Durchmesser beträgt 18 mm und die Höhe beträgt 65 mm. Die Ausgangsspannung von 18 in Reihe geschalteten 18650-Zellen beträgt 18 * 4 V/Zelle = 72V. Die Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung beträgt 72 V, die Ausgangsleistung beträgt 72 V * 20 A = 1440 W und das Gewicht beträgt 18 * 45 g/Zelle = 810 g. Das Leistungs-Gewichts-Verhältnis der Energiespeichervorrichtung beträgt 1440 w/810 g = 1,778 w/g. Die 18 in Reihe geschalteten Batteriezellen in der Energiespeichervorrichtung sind in drei Schichten, nämlich einer oberen, einer mittleren und einer unteren Schicht angeordnet. Basierend auf dieser Anordnung hat die Energiespeichervorrichtung eine Länge von 18 * 6 = 108 mm, eine Breite von 65 mm und eine Höhe von 18 * 3 = 54 mm und ein Volumen von 108 * 65 * 54 = 379,08 cm3. Das Leistungs-Volumen-Verhältnis der Energiespeichereinrichtung beträgt 1440 w/379,08 cm3 = 3,799 w/cm3.
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In der obigen Ausgestaltung besteht die Energiespeichervorrichtung 20 aus 18 in Reihe geschalteten 18650-Batteriezellen und die Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung erreicht 60 V, was die Sicherheitsspannung übersteigt und ein Sicherheitsrisiko mit sich bringt. Nach Anbringen an ein Werkzeug werden erhöhte Anforderungen an die elektrische Isolation des Elektrowerkzeugs gestellt und das Design des Werkzeugs soll ebenfalls dementsprechend verbessert werden. Um Sicherheitsrisiken und Konstruktionsschwierigkeiten und -kosten zu verringern, wird im Stand der Technik ferner eine Energiespeichervorrichtung bereitgestellt, die 18 Batteriezellen umfasst, die drei Batterieeinheiten bilden, von denen jede 6 in Reihe geschaltete 18650-Batteriezellen umfasst, und die drei Batterieeinheiten sind parallel geschaltet. Gemäß den Spezifikationen der oben erwähnten 18650-Batteriezelle beträgt die Ausgangsspannung jeder Gruppe von Batteriezellen 6 * 4 V/Zelle = 24 V und der zulässige durchschnittliche Entladungsstrom beträgt 20 A. Die Ausgangsspannung nach der Parallelschaltung beträgt immer noch 24V und der zulässige durchschnittliche Entladungsstrom beträgt 20 A * 3 = 60 A. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung 24 V, die Ausgangsleistung beträgt 24 V * 60 A = 1440 W und das Gewicht der Energiespeichervorrichtung beträgt 18 * 45 g/Zelle = 810 g. Das Leistungs-Gewichts-Verhältnis der Energiespeichervorrichtung beträgt 1440 w/810 g = 1,778 w/g. Die 18 Batteriezellen in der Energiespeichervorrichtung sind in drei übereinander angeordneten Schichten unterteilt und jede Schicht ist jeweils mit 6 Batteriezellen versehen. Basierend auf dieser Anordnung hat die Energiespeichervorrichtung eine Länge von 18 * 6 = 108mm, eine Breite von 65mm, eine Höhe von 18 * 3 = 54mm und ein Volumen von 108 * 65 * 54 = 379,08 cm3. Das Leistungs-Volumen-Verhältnis der Energiespeichereinrichtung beträgt 1440 w/379,08 cm3 = 3,799 w/cm3.
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In der obigen Ausgestaltung besteht die Energiespeichervorrichtung aus 18 18650-Batteriezellen, die drei Batterieeinheiten bilden, die parallel geschaltet sind. Die Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung aus parallel geschalteten Batterieeinheiten beträgt 32 V und weniger als 60 V, was den Sicherheitsanforderungen des Bedieners entspricht und keine galvanische Trennung des Elektrowerkzeugs erfordert, aber da die zwei Gruppen von Batterieeinheiten parallel geschaltet sind, besteht das Risiko, dass eine Batterieeinheit mit höherer Spannung eine Batterieeinheit mit niedrigerer Spannung auflädt, wenn die Spannungen der zwei Gruppen von Batterieeinheiten inkonsistent sind, was als Risiko gegenseitiger Aufladung bezeichnet wird. Während des gegenseitigen Ladevorgangs ist der Ladestrom umso größer, je größer die Druckdifferenz ist. Der hohe Strom schädigt die geladene Batterieeinheit und die entladene Batterieeinheit stark und kann sogar Gefahr verursachen.
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Um das Sicherheitsproblem für Bediener sowie die Probleme der Schäden an dem Batteriepaket und der Kosten beim Ausgeben einer Leistung von mehr als 1400 W durch eine Energiespeichervorrichtung, die aus 18650-Batteriezellen besteht, im Stand der Technik zu lösen, stellt das Gebrauchsmuster eine Energiespeichervorrichtung bereit, wobei die Energiespeichervorrichtung eine Batterieeinheit umfasst, die mehrere 21700-Batteriezellen umfasst, wobei die mehreren Batteriezellen in Reihe geschaltet sind. In einem dritten Ausführungsbeispiel des Gebrauchsmusters umfasst die Batterieeinheit 12 21700-Batteriezellen und die Energiespeichervorrichtung besteht aus einer Batterieeinheit, d.h., die Energiespeichervorrichtung umfasst 12 in Reihe miteinander geschaltete 21700-Batteriezellen. Die Batterieeinheit umfasst ferner eine Leiterplatte, ein Elektrodenplättchen, die auf der Leiterplatte angeordnet und zum elektrischen Verbinden mit den Batteriezellen eingerichtet ist, und ein Verbindungsplättchen zum Reihenschalten von zwei benachbarten Batteriezellen. Der durchschnittliche Entladestrom der 21700-Batteriezelle beträgt 30 A, die Spannung in voll aufgeladenem Zustand beträgt 4,0 V/Zelle, das Gewicht beträgt 70 g/Zelle, der Durchmesser beträgt 21 mm und die Höhe beträgt 70 mm. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung 12 * 4 V/Zelle = 48 V und die Ausgangsleistung beträgt 12 * 4 * 30 = 1440 W. Das Gewicht beträgt 12 * 70 g/Zelle = 840 g. Das Leistungs-Gewichts-Verhältnis der Energiespeichervorrichtung beträgt 1440 W/840 g = 1,714 W/g. Die 12 Batteriezellen in der Energiespeichervorrichtung sind in drei Gruppen unterteilt, nämlich 4 Batteriezellen pro Gruppe. Die drei Gruppen von Batteriezellen sind in einer oberen, einer mittleren und einer unteren Schicht angeordnet. Jede Batteriezelle hat eine horizontale Mittelachse entlang der Längenrichtung und eine Mittelachse senkrecht zur horizontalen Mittelachse, wobei die horizontale Mittelachse der ersten Gruppe von Batteriezellen auf einer ersten Ebene angeordnet, die horizontale Mittelachse der zweiten Gruppe von Batteriezellen auf einer zweiten Ebene angeordnet und die horizontale Mittelachse der dritten Gruppe von Batteriezellen auf einer dritten Ebene angeordnet ist, wobei die erste Ebene, die zweite Ebene und die dritte Ebene parallel zueinander angeordnet sind und die drei Ebenen parallel zur Basisebene angeordnet sind. Die Mittelachse jeder Batteriezelle der ersten Gruppe ist zu der Mittelachse der zugeordneten Batteriezelle der zweiten Gruppe und der dritten Gruppe ausgerichtet. Die Mittelachse der ersten Batteriezelle in der ersten Gruppe von Batteriezellen ist zu der Mittelachse der ersten Batteriezelle der zweiten Gruppe ausgerichtet und zur gleichen Zeit zu der Mittelachse der ersten Batteriezelle der dritten Gruppe ausgerichtet. Die Mittelachse der zweiten Batteriezelle in der ersten Gruppe von Batteriezellen ist zu der Mittelachse der zweiten Batteriezelle der zweiten Gruppe ausgerichtet und zur gleichen Zeit zu der Mittelachse der zweiten Batteriezelle der dritten Gruppe ausgerichtet, und gemäß der Einszu-Eins-Entsprechung entsprechen die Mittelachsen der ersten Gruppe von Batteriezellen den zugeordneten Mittelachsen der zweiten Gruppe bzw. der dritten Gruppe von Batteriezellen. Basierend auf dieser Anordnung ist die Energiespeichervorrichtung zylindrisch ausgebildet und die Mittelachsen der Batteriezelle der oberen und der unteren Schicht sind aufeinander ausgerichtet. Die Energiespeichervorrichtung hat eine Länge von 21 * 4 = 84 mm, eine Breite von 70 mm und eine Höhe von 21 * 3 = 63 mm und ein Volumen von 84 * 70 * 63 = 370,44 cm3. Das Leistungs-Volumen-Verhältnis der Energiespeichereinrichtung beträgt 1440 w/370,44 cm3 = 3,887 w/cm3.
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Die Energiespeichervorrichtung 20 des obigen dritten Ausführungsbeispiels umfasst 12 Batteriezellen. Die 12 Batteriezellen sind in Reihe geschaltet und die Ausgangsspannung beträgt 48V, die die Sicherheitsspannung nicht überschreitet und die Anforderungen an die Ausgangsleistung erfüllen kann, und mehrere Batteriezellen sind in Reihe geschaltet und es besteht kein Risiko einer gegenseitigen Aufladung, womit nicht nur die Anforderungen an die Ausgangsleistung erfüllt, sondern auch Schäden an der Batterie vermieden werden.
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Es wird auf Tabelle 2 hingewiesen, die eine Vergleichstabelle von zwei Energiespeichervorrichtungen bei einer benötigten Nennleistung des Elektrowerkzeugs von 1400 W zeigt. Tabelle 2
Leistung (W) | Typ der Batteriezelle | Anordnung der Batteriezelle | Spannung (V) | Strom (A) | Gewicht (g) | Leistungs-Gewichts-Verhältnis (w/g) | Volumen (cm3) | Leistungs-Volumen-Verhältnis (w/cm3) | Dauer des Einzelpacks (min) |
1440 | 18650 | Reihenschaltung | 72 | 20 | 810 | 1,778 | 379,08 | 3,799 | 6 |
1440 | 18650 | Parallelschaltung | 24 | 60 | 810 | 1,778 | 379,08 | 3,799 | 6 |
1440 | 21700 | Reihenschaltung | 48 | 30 | 700 | 1,714 | 370,44 | 3,887 | 8 |
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Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, wird im Wesentlichen die gleiche Ausgangsleistung (1440 W) geliefert. Die Batteriezellen der ersten Energiespeichervorrichtung sind in Reihe geschaltet, womit die Beschädigung der Batteriezelle durch den gegenseitigen Ladestrom bei parallel geschalteten Batteriezellen vermieden wird. Zur gleichen Zeit ist die Dauer des Einzelpacks größer als die der zweiten Energiespeichervorrichtung. Das Leistungs-Gewichts-Verhältnis der ersten Energiespeichervorrichtung ist kleiner als das Leistungs-Gewichts-Verhältnis der zweiten Energiespeichervorrichtung. Die erste Energiespeichervorrichtung weist kein erhöhtes Gewicht auf, während eine hohe Leistung sichergestellt wird, was für den Leichtbau des Elektrowerkzeugs vorteilhaft ist. Das Leistungs-Volumen-Verhältnis der ersten Energiespeichervorrichtung liegt zwischen 3,8 und 4,0 W/cm3, und das Volumen der ersten Energiespeichervorrichtung wird nicht stark erhöht, während sichergestellt wird, dass die erste Energiespeichervorrichtung eine hohe Leistung ausgibt, was für die kompakte Konstruktion des Elektrowerkzeugs vorteilhaft ist.
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In einem möglichen Szenario hat das Elektrowerkzeug 10 eine Nennleistung von 1600W. Unter Nennleistung wird die Nenneingangsleistung verstanden. Um eine solche Nennleistung zu erzielen, muss die Ausgangsleistung der Energiespeichervorrichtung 1600W erreichen. Im Stand der Technik wird eine Energiespeichervorrichtung 20 verwendet, die aus 18650-Batteriezellen 200 besteht, um elektrische Energie für das Werkzeug bereitzustellen.
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Wenn die bestehende Energiespeichervorrichtung verwendet wird, deren Batteriezellen 18650-Batteriezellen sind, umfasst die Energiespeichervorrichtung zum Erreichen einer Nennausgangsleistung von 1600 W 20 18650-Batteriezellen, die in Reihe geschaltet sind, um eine Batterieeinheit zu bilden, und die Energiespeichervorrichtung besteht aus einer Batterieeinheit. Das heißt, die Energiespeichervorrichtung besteht aus 20 in Reihe geschalteten 18650-Batteriezellen. Der durchschnittliche Entladestrom der 18650-Batteriezelle beträgt 20A, die Spannung in voll aufgeladenem Zustand beträgt 4,0 V/Zelle, das Gewicht beträgt 45 g/Zelle, der Durchmesser beträgt 18 mm und die Höhe beträgt 65 mm. Die Ausgangsspannung von 20 in Reihe geschalteten 18650-Batteriezellen beträgt 20 * 4 V/Zelle = 80 V. Die Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung beträgt 80V, die Ausgangsleistung beträgt 80V * 20 A= 1600 W und das Gewicht beträgt 20 * 45 g/Zelle = 900g. Das Leistungs-Gewichts-Verhältnis der Energiespeichervorrichtung beträgt 1600 w/900g = 1,778 w/g. Die 20 Batteriezellen in der Energiespeichervorrichtung sind in drei Schichten, nämlich in einer oberen, einer mittleren und einer unteren Schicht angeordnet. Basierend auf dieser Anordnung hat die Energiespeichervorrichtung eine Länge von 18 * 7 = 126 mm, eine Breite von 65 mm, eine Höhe von 18 * 3 = 54 mm und ein Volumen von 126 * 65 * 54 = 442,26 cm3. Das Leistungs-Volumen-Verhältnis der Energiespeichereinrichtung beträgt 1600 w/442,26 cm3=3,618 w/cm3.
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In der obigen Ausgestaltung besteht die Energiespeichervorrichtung 20 aus 18 in Reihe geschalteten 18650-Batteriezellen und die Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung erreicht 60 V, was die Sicherheitsspannung übersteigt und ein Sicherheitsrisiko mit sich bringt. Nach Anbringen an ein Werkzeug werden erhöhte Anforderungen an die elektrische Isolation des Elektrowerkzeugs gestellt und das Design des Werkzeugs soll ebenfalls dementsprechend verbessert werden. Um Sicherheitsrisiken und Konstruktionsschwierigkeiten und -kosten zu verringern, wird im Stand der Technik ferner eine Energiespeichervorrichtung bereitgestellt, die 21 Batteriezellen umfasst, die drei Batterieeinheiten bilden, von denen jede 7 in Reihe geschaltete 18650-Batteriezellen umfasst, und die drei Batterieeinheiten sind parallel geschaltet. Gemäß den Spezifikationen der 18650-Batteriezelle beträgt die Ausgangsspannung jeder Gruppe von Batterieeinheiten 7 * 4 V/Zelle = 28V und der zulässige durchschnittliche Entladungsstrom beträgt 20 A. Die Ausgangsspannung nach der Parallelschaltung der Batterieeinheiten beträgt immer noch 28 V und der zulässige durchschnittliche Entladungsstrom beträgt 20 A * 3 = 60 A. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung 28 V und die Ausgangsleistung beträgt 28 V * 60 A = 1680 W. Das Gewicht der Energiespeichervorrichtung beträgt 21 * 45 g/Zelle = 945 g. Das Leistungs-Gewichts-Verhältnis der Energiespeichervorrichtung beträgt 1680 w/945g = 1,778 w/g. Die 21 Batteriezellen in der Energiespeichervorrichtung sind in einer oberen, einer mittleren und einer unteren Schicht angeordnet und jede Schicht ist jeweils mit einer Batterieeinheit, nämlich mit 7 Batteriezellen versehen. Basierend auf dieser Anordnung hat die Energiespeichervorrichtung eine Länge von 18 * 7 = 126 mm, eine Breite von 65 mm, eine Höhe von 18 * 3 = 54 mm und ein Volumen von 126 * 65 * 54 = 442,26 cm3. Das Leistungs-Volumen-Verhältnis der Energiespeichereinrichtung beträgt 1680 w/442,26 cm3=3,799 w/cm3.
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In der obigen Ausgestaltung besteht die Energiespeichervorrichtung aus 21 18650-Batteriezellen, die drei Batterieeinheiten bilden, die parallel geschaltet sind. Die Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung aus parallel geschalteten Batterieeinheiten beträgt 28V und weniger als 60 V, was den Sicherheitsanforderungen des Bedieners entspricht und keine galvanische Trennung des Elektrowerkzeugs erfordert, aber da die zwei Gruppen von Batterieeinheiten parallel geschaltet sind, besteht das Risiko, dass eine Batterieeinheit mit höherer Spannung eine Batterieeinheit mit niedrigerer Spannung auflädt, wenn die Spannungen der zwei Gruppen von Batterieeinheiten inkonsistent sind, was als Risiko gegenseitiger Aufladung bezeichnet wird. Während des gegenseitigen Ladevorgangs ist der Ladestrom umso größer, je größer die Druckdifferenz ist. Der hohe Strom schädigt die geladene Batterieeinheit und die entladene Batterieeinheit stark und kann sogar Gefahr verursachen.
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Um das Sicherheitsproblem für Bediener sowie die Probleme der Schäden an dem Batteriepaket und der Kosten beim Ausgeben einer Leistung von mehr als 1600 W durch eine Energiespeichervorrichtung, die aus 18650-Batteriezellen besteht, im Stand der Technik zu lösen, stellt das Gebrauchsmuster eine Energiespeichervorrichtung bereit, wobei die Energiespeichervorrichtung eine Batterieeinheit umfasst, die mehrere 21700-Batteriezellen umfasst, wobei die mehreren Batteriezellen in Reihe geschaltet sind. In dem dritten Ausführungsbeispiel des Gebrauchsmusters umfasst die Energiespeichervorrichtung 14 in Reihe geschaltete 21700-Batteriezellen und die 14 Batteriezellen bilden eine Batterieeinheit. Die Energiespeichervorrichtung umfasst eine Batterieeinheit, d.h., die Energiespeichervorrichtung umfasst 14 in Reihe miteinander geschaltete 21700-Batteriezellen. Der durchschnittliche Entladestrom der 21700-Batteriezelle beträgt 30 A, die Spannung in voll aufgeladenem Zustand beträgt 4,0 V/Zelle, das Gewicht beträgt 70 g/Zelle, der Durchmesser beträgt 21 mm und die Höhe beträgt 70 mm. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung 14 * 4 V/Zelle = 56V, die Ausgangsleistung beträgt 14 * 4 * 30 = 1680 W und das Gewicht beträgt 14 * 70 g/Zelle = 980 g. Das Leistungs-Gewichts-Verhältnis der Energiespeichervorrichtung beträgt 1680 W/980 g = 1,714 W/g. Die 14 Batteriezellen in der Energiespeichervorrichtung sind in zwei Gruppen unterteilt, nämlich 7 Batteriezellen pro Gruppe. Die zwei Gruppen von Batteriezellen sind in einer oberen und einer unteren Schicht angeordnet. Jede Batteriezelle hat eine horizontale Mittelachse entlang der Längenrichtung und eine Mittelachse senkrecht zur horizontalen Mittelachse, wobei die horizontale Mittelachse der ersten Gruppe von Batteriezellen auf einer ersten Ebene angeordnet und die horizontale Mittelachse der zweiten Gruppe von Batteriezellen auf einer zweiten Ebene angeordnet ist, wobei die erste Ebene und die zweite Ebene parallel zueinander angeordnet sind und die zwei Ebenen parallel zur Basisebene angeordnet sind. Die Mittelachse jeder Batteriezelle der ersten Gruppe ist zu der Mittelachse der zugeordneten Batteriezelle der zweiten Gruppe ausgerichtet. Die Mittelachse der ersten Batteriezelle in der ersten Gruppe von Batteriezellen ist zu der Mittelachse der ersten Batteriezelle der zweiten Gruppe ausgerichtet. Die Mittelachse der zweiten Batteriezelle in der ersten Gruppe von Batteriezellen ist zu der Mittelachse der zweiten Batteriezelle der zweiten Gruppe ausgerichtet, und gemäß der Eins-zu-Eins-Entsprechung entspricht die Mittelachse der ersten Gruppe von Batteriezellen jeweils der zugeordneten Mittelachse der zweiten Gruppe von Batteriezellen. Basierend auf dieser Anordnung hat die Energiespeichervorrichtung eine Länge von 21 * 7 = 147 mm, eine Breite von 70 mm, eine Höhe von 21 * 2 = 42 mm und ein Volumen von 147 * 70 * 42 = 432,18cm3. Das Leistungs-Volumen-Verhältnis der Energiespeichereinrichtung beträgt 1680 w/432,18 cm3 = 3,887 w/cm3.
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Die Energiespeichervorrichtung des obigen dritten Ausführungsbeispiels umfasst 14 Batteriezellen. Die 14 Batteriezellen sind in Reihe geschaltet und die Ausgangsspannung beträgt 56 V, die die Sicherheitsspannung nicht überschreitet und die Anforderungen an die Ausgangsleistung erfüllen kann, und mehrere Batteriezellen sind in Reihe geschaltet und es besteht kein Risiko einer gegenseitigen Aufladung, womit nicht nur die Anforderungen an die Ausgangsleistung erfüllt, sondern auch Schäden an der Batterie vermieden werden.
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Es wird auf Tabelle 3 hingewiesen, die eine Vergleichstabelle von zwei Energiespeichervorrichtungen bei einer benötigten Nennleistung des Elektrowerkzeugs von 1600 W zeigt. Tabelle 3
Leistung (W) | Typ der Batteriezelle | Anordnung der Batteriezelle | Spannung (V) | Strom (A) | Gewicht (g) | Leistungs-Gewichts-Verhältnis (w/g) | Volumen (cm3) | Leistungs-Volumen-Verhältnis (w/cm3) | Dauer des Einzelpacks (min) |
1600 | 18650 | Reihenschaltung | 80 | 20 | 900 | 1,778 | 442,26 | 3,618 | 6 |
1680 | 18650 | Parallelschaltung | 28 | 60 | 945 | 1,778 | 442,26 | 3,799 | 6 |
1680 | 21700 | Reihenschaltung | 56 | 30 | 980 | 1,714 | 432,18 | 3,887 | 8 |
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Wie aus Tabelle 3 ersichtlich ist, wird im Wesentlichen die gleiche Ausgangsleistung (1600 W) geliefert. Die Batteriezellen der ersten Energiespeichervorrichtung sind in Reihe geschaltet, womit die Beschädigung der Batteriezelle durch den gegenseitigen Ladestrom bei parallel geschalteten Batteriezellen vermieden wird. Zur gleichen Zeit ist die Dauer des Einzelpacks größer als die der zweiten Energiespeichervorrichtung. Das Leistungs-Gewichts-Verhältnis der ersten Energiespeichervorrichtung ist kleiner als das Leistungs-Gewichts-Verhältnis der zweiten Energiespeichervorrichtung. Die erste Energiespeichervorrichtung weist kein erhöhtes Gewicht auf, während eine hohe Leistung sichergestellt wird, was für den Leichtbau des Elektrowerkzeugs vorteilhaft ist. Das Leistungs-Volumen-Verhältnis der ersten Energiespeichervorrichtung liegt zwischen 3,8 und 4,0 W/cm3, und das Volumen der ersten Energiespeichervorrichtung wird nicht stark erhöht, während sichergestellt wird, dass die erste Energiespeichervorrichtung eine hohe Leistung ausgibt, was für die kompakte Konstruktion des Elektrowerkzeugs vorteilhaft ist.
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In einem möglichen Szenario hat das Elektrowerkzeug 10 eine Nennleistung von 1800 W. Unter Nennleistung wird die Nenneingangsleistung verstanden. Um eine solche Nennleistung zu erzielen, muss die Ausgangsleistung der Energiespeichervorrichtung 1800 W erreichen. Im Stand der Technik wird eine Energiespeichervorrichtung 20 verwendet, die aus 18650-Batteriezellen 200 besteht, um elektrische Energie für das Werkzeug bereitzustellen.
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Wenn die bestehende Energiespeichervorrichtung verwendet wird, deren Batteriezellen 18650-Batteriezellen sind, umfasst die Energiespeichervorrichtung zum Erreichen einer Nennausgangsleistung von 1800 W 23 18650-Batteriezellen, die in Reihe geschaltet sind, um eine Batterieeinheit zu bilden, und die Energiespeichervorrichtung besteht aus einer Batterieeinheit. Das heißt, die Energiespeichervorrichtung besteht aus 23 in Reihe geschalteten 18650-Batteriezellen. Der durchschnittliche Entladestrom der 18650-Batteriezelle beträgt 20 A, die Spannung in voll aufgeladenem Zustand beträgt 4,0 V/Zelle, das Gewicht beträgt 45 g/Zelle, der Durchmesser beträgt 18 mm und die Höhe beträgt 65 mm. Die Ausgangsspannung von 23 in Reihe geschalteten 18650-Zellen beträgt 23 * 4 V/Zelle = 92V Die Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung beträgt 92 V, die Ausgangsleistung beträgt 92 V * 20 A = 1840 W und das Gewicht beträgt 23 * 45 g/Zelle = 1035 g. Das Leistungs-Gewichts-Verhältnis der Energiespeichervorrichtung beträgt 1840 w/1035g = 1,778 w/g. Die 23 Batteriezellen in der Energiespeichervorrichtung sind in drei Schichten, nämlich in einer oberen, einer mittleren und einer unteren Schicht angeordnet. Basierend auf dieser Anordnung hat die Energiespeichervorrichtung eine Länge von 18 * 8 = 144 mm, eine Breite von 65 mm, eine Höhe von 18 * 3 = 54 mm und ein Volumen von 126 * 65 * 54 = 505,44 cm3. Das Leistungs-Volumen-Verhältnis der Energiespeichereinrichtung beträgt 1840 w/505,44 cm3 = 3,64 w/cm3.
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In der obigen Ausgestaltung besteht die Energiespeichervorrichtung 20 aus 23 in Reihe geschalteten 18650-Batteriezellen und die Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung erreicht 92 V, was die Sicherheitsspannung übersteigt und ein Sicherheitsrisiko mit sich bringt. Nach Anbringen an ein Werkzeug werden erhöhte Anforderungen an die elektrische Isolation des Elektrowerkzeugs gestellt und das Design des Werkzeugs soll ebenfalls dementsprechend verbessert werden. Um Sicherheitsrisiken und Konstruktionsschwierigkeiten und -kosten zu verringern, wird im Stand der Technik ferner eine Energiespeichervorrichtung bereitgestellt, die 24 Batteriezellen umfasst, die drei Batterieeinheiten bilden, von denen jede 8 in Reihe geschaltete 18650-Batteriezellen umfasst, und die drei Batterieeinheiten sind parallel geschaltet. Gemäß den Spezifikationen der 18650-Batteriezelle beträgt die Ausgangsspannung jeder Batterieeinheit 8 * 4 V/Zelle = 32 V und der zulässige durchschnittliche Entladungsstrom beträgt 20 A. Die Ausgangsspannung nach der Parallelschaltung der Batterieeinheiten beträgt immer noch 32 V und der zulässige durchschnittliche Entladungsstrom beträgt 20 A * 3 = 60 A. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung 32 V und die Ausgangsleistung beträgt 32 V * 60 A = 1920 W. Das Gewicht der Energiespeichervorrichtung beträgt 24 * 45 g/Zelle = 1080 g. Das Leistungs-Gewichts-Verhältnis der Energiespeichervorrichtung beträgt 1920 w/1080 g = 1,778 w/g. Die 24 Batteriezellen in der Energiespeichervorrichtung sind in einer oberen, einer mittleren und einer unteren Schicht angeordnet und jede Schicht ist jeweils mit 8 Batteriezellen versehen. Die drei Ebenen sind jeweils parallel zur Basisebene angeordnet. Basierend auf dieser Anordnung hat die Energiespeichervorrichtung eine Länge von 18 * 8 = 144 mm, eine Breite von 65 mm, eine Höhe von 18 * 3 = 54 mm und ein Volumen von 144 * 65 * 54 = 505,44 cm3. Das Leistungs-Volumen-Verhältnis der Energiespeichereinrichtung beträgt 1920 w/505,44 cm3 = 3,799 w/cm3.
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In der obigen Ausgestaltung besteht die Energiespeichervorrichtung aus 24 18650-Batteriezellen, die drei Batterieeinheiten bilden, die parallel geschaltet sind. Die Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung aus parallel geschalteten Batterieeinheiten beträgt 32 V und weniger als 60 V, was den Sicherheitsanforderungen des Bedieners entspricht und keine galvanische Trennung des Elektrowerkzeugs erfordert, aber da die zwei Gruppen von Batterieeinheiten parallel geschaltet sind, besteht das Risiko, dass eine Batterieeinheit mit höherer Spannung eine Batterieeinheit mit niedrigerer Spannung auflädt, wenn die Spannungen der zwei Gruppen von Batterieeinheiten inkonsistent sind, was als Risiko gegenseitiger Aufladung bezeichnet wird. Während des gegenseitigen Ladevorgangs ist der Ladestrom umso größer, je größer die Druckdifferenz ist. Der hohe Strom schädigt die geladene Batterieeinheit und die entladene Batterieeinheit stark und kann sogar Gefahr verursachen.
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Um das Sicherheitsproblem für Bediener sowie die Probleme der Schäden an dem Batteriepaket und der Kosten beim Ausgeben einer Leistung von mehr als 1800 W durch eine Energiespeichervorrichtung, die aus 18650-Batteriezellen besteht, im Stand der Technik zu lösen, stellt das Gebrauchsmuster eine Energiespeichervorrichtung bereit, wobei die Energiespeichervorrichtung eine Batterieeinheit umfasst, die mehrere 21700-Batteriezellen umfasst, wobei die mehreren Batteriezellen in Reihe geschaltet sind. In einem vierten Ausführungsbeispiel des Gebrauchsmusters umfasst die Energiespeichervorrichtung 15 in Reihe geschaltete 21700-Batteriezellen und die 15 Batteriezellen bilden eine Batterieeinheit. Die Energiespeichervorrichtung umfasst eine Batterieeinheit, d.h., die Energiespeichervorrichtung umfasst 15 in Reihe miteinander geschaltete 21700-Batteriezellen. Der durchschnittliche Entladestrom der 21700-Batteriezelle beträgt 30 A, die Spannung in voll aufgeladenem Zustand beträgt 4,0 V/Zelle, das Gewicht beträgt 70 g/Zelle, der Durchmesser beträgt 21 mm und die Höhe beträgt 70 mm. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung 15 * 4 V/Zelle = 60 V, die Ausgangsleistung beträgt 15 * 4 * 30 = 1800 W und das Gewicht beträgt 15 * 70 g/Zelle = 1050 g. Das Leistungs-Gewichts-Verhältnis der Energiespeichervorrichtung beträgt 1800 W/1050 g = 1,714 W/g. Die 15 Batteriezellen in der Energiespeichervorrichtung sind in drei Gruppen unterteilt, nämlich 5 Batteriezellen pro Gruppe. Die drei Gruppen von Batteriezellen sind in einer oberen, einer mittleren und einer unteren Schicht angeordnet. Jede Batteriezelle hat eine horizontale Mittelachse entlang der Längenrichtung und eine Mittelachse senkrecht zur horizontalen Mittelachse, wobei die horizontale Mittelachse der ersten Gruppe von Batteriezellen auf einer ersten Ebene angeordnet, die horizontale Mittelachse der zweiten Gruppe von Batteriezellen auf einer zweiten Ebene angeordnet und die horizontale Mittelachse der dritten Gruppe von Batteriezellen auf einer dritten Ebene angeordnet ist, wobei die erste Ebene, die zweite Ebene und die dritte Ebene parallel zueinander angeordnet sind und die drei Ebenen parallel zur Basisebene angeordnet sind. Die Mittelachse jeder Batteriezelle der ersten Gruppe ist zu der Mittelachse der zugeordneten Batteriezelle der zweiten Gruppe und der dritten Gruppe ausgerichtet. Die konkrete Anordnung ist aus 4 zu entnehmen und hier entfällt eine ausführliche Beschreibung. Basierend auf dieser Anordnung hat die Energiespeichervorrichtung eine Länge von 21 * 8 = 168 mm, eine Breite von 70mm, eine Höhe von 21 * 2 = 42 mm und ein Volumen von 168 * 70 * 42 = 493,92 cm3. Das Leistungs-Volumen-Verhältnis der Energiespeichereinrichtung beträgt 1800 w/493,92 cm3 = 3,644 w/cm3.
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Die Energiespeichervorrichtung des obigen vierten Ausführungsbeispiels umfasst 15 Batteriezellen. Die 15 Batteriezellen sind in Reihe geschaltet und die Ausgangsspannung beträgt 60V, die die Sicherheitsspannung nicht überschreitet und die Anforderungen an die Ausgangsleistung erfüllen kann, und mehrere Batteriezellen sind in Reihe geschaltet und es besteht kein Risiko einer gegenseitigen Aufladung, womit nicht nur die Anforderungen an die Ausgangsleistung erfüllt, sondern auch Schäden an der Batterie vermieden werden.
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Es wird auf Tabelle 4 hingewiesen, die eine Vergleichstabelle von zwei Energiespeichervorrichtungen bei einer benötigten Nennleistung des Elektrowerkzeugs von 1800 W zeigt. Tabelle 4
Leistung (W) | Typ der Batteriezelle | Anordnung der Batteriezelle | Spannung (V) | Strom (A) | Gewicht (g) | Leistungs-Gewichts-Verhältnis (w/g) | Volumen (cm3) | Leistungs-Volumen-Verhältnis (w/cm3) | Dauer des Einzelpacks (min) |
1840 | 18650 | Reihenschaltung | 92 | 20 | 1035 | 1,778 | 505,44 | 3,64 | 6 |
1920 | 18650 | Parallelschaltung | 32 | 60 | 1080 | 1,778 | 505,44 | 3,799 | 6 |
1800 | 21700 | Reihenschaltung | 60 | 30 | 1050 | 1,714 | 493,92 | 3,644 | 8 |
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Wie aus Tabelle 4 ersichtlich ist, wird im Wesentlichen die gleiche Ausgangsleistung (1800 W) geliefert. Die Batteriezellen der ersten Energiespeichervorrichtung sind in Reihe geschaltet, womit die Beschädigung der Batteriezelle durch den gegenseitigen Ladestrom bei parallel geschalteten Batteriezellen vermieden wird. Zur gleichen Zeit ist die Dauer des Einzelpacks größer als die der zweiten Energiespeichervorrichtung. Das Leistungs-Gewichts-Verhältnis der ersten Energiespeichervorrichtung ist kleiner als das Leistungs-Gewichts-Verhältnis der zweiten Energiespeichervorrichtung. Die erste Energiespeichervorrichtung weist kein erhöhtes Gewicht auf, während eine hohe Leistung sichergestellt wird, was für den Leichtbau des Elektrowerkzeugs vorteilhaft ist. Das Leistungs-Volumen-Verhältnis der ersten Energiespeichervorrichtung liegt zwischen 3,8 und 4,0 W/cm3, und das Volumen der ersten Energiespeichervorrichtung wird nicht stark erhöht, während sichergestellt wird, dass die erste Energiespeichervorrichtung eine hohe Leistung ausgibt, was für die kompakte Konstruktion des Elektrowerkzeugs vorteilhaft ist.
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Gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel umfasst die Energiespeichervorrichtung des Gebrauchsmusters eine Batterieeinheit, die mehrere 21700-Batteriezellen umfasst. Die mehreren Batteriezellen sind in Reihe geschaltet. Verglichen mit der bestehenden Energiespeichervorrichtung, die aus 18650-Batteriezellen besteht, sind bei der Energiespeichervorrichtung des Gebrauchsmusters die mehreren Batteriezellen in Reihe geschaltet, so dass das Elektrowerkzeug nicht nur die Anforderungen der Nenneingangsleistung erfüllen, sondern auch vermeiden kann, dass die Spannung des Elektrowerkzeugs die Sicherheitsspannung übersteigt, was eine Gefahr darstellt oder das Risiko einer gegenseitigen Ladung aufgrund von Spannungsinkonsistenzen zwischen den Batteriezellen verursacht.
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Das Elektrowerkzeug gemäß dem Gebrauchsmuster kann ein Elektrowerkzeug wie ein elektrischer Hammer, ein elektrischer Bohrer, ein Winkelschleifer, ein elektrischer Schraubenschlüssel, eine elektrische Kreissäge, ein Rasentrimmer, eine Gartenschere, ein Rasenmäher, ein Laubbläser, eine Kettensäge, ein Hochdruckreiniger und dergleichen sein.
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Das Gebrauchsmuster ist nicht auf die genannten konkreten Ausführungsbeispiele beschränkt und die auf dem Konzept des Gebrauchsmusters basierende Struktur gehört zum Schutzumfang des Gebrauchsmusters.