DE2256031A1

DE2256031A1 - Elektrische vorrichtung mit batterieversorgung

Info

Publication number: DE2256031A1
Application number: DE2256031A
Authority: DE
Inventors: Colin Peter Johnson
Original assignee: Tower Housewares Ltd
Current assignee: Tower Housewares Ltd
Priority date: 1971-11-17
Filing date: 1972-11-15
Publication date: 1973-05-24
Also published as: JPS4861948A; GB1395508A; CA967237A; ZA728155B; IT973612B; FR2160642A1; FR2160642B3; SE382290B

Description

PttentanwSft*

Dr. Ire H. N«c

· ^y₃.*/.Schmitt

Telefon 5 38 05 86

Tower Housewares Limited '

Bridgnorth Road, Wombourne, 16. November 1972

WoIverhampton, Staffordshire, England Anwaltsakte: M-

Elektrische Vorrichtung mit Batterieversorgung

Die Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung mit Batterieversorgung. Die Erfindung kann in den verschiedensten Arbeitsgeräten verwendet werden, wie z.B. in mit der Hand zu haltenden Arbeitsgeräten wie Küchen- oder Gartengeräten oder industriellen Werkzeugen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine elektrische Vorrichtung mit Batterieversorgung, bei der die Batterie wieder aufladbar ist..

Es ist klar, daß bei elektrischen Arbeitsgeräten, die durch..wieder· aufladbare Batterien mit Strom versorgt werden, d.h. bei "schnurlosen Arbeitsgeräten", der Niedrighaltung des inneren mechanischen und/oder elektrischen Energieverlustes während der Benutzung des Arbeitsgerätes vom Konstrukteur besonderes Augenmerk geschenkt werden muß, da dann die Kapazität der Batterie verkleinert werden kann und die Energieabgabedauer der Batterie vergrößert wird, bis eine neuerliche Aufladung erforderlich wird. Diese Betrachtung führt aber dann zu einem Problem, wenn eine veränderliche Ausgangs leistung gewünscht wird, d.h. dort, wo die Batterielast eine Antriebseinrichtung mit einem mechanischen Abtrieb ist und eine Geschwindigkeitssteuerung der Abtriebseinrichtung gewünscht wird,

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da die Bereitstellung einer solchen Möglichkeit mit Sicherheit zu einem Energieverlust führt. Der Energieverlust kann sehr groß sein und unter Umständen so hoch sein, daß eine solche Einrichtung nicht mehr praktikabel ist. Wenn zum Beispiel die Geschwindigkeitssteuerung elektrisch erreicht werden soll, iru.dem mit der Batterie ein Regelwiderstand in Reihe geschaltet wird, wird besonders viel Energie verschwendet, insbesondere wenn eine niedrige Geschwindigkeit ausgewählt wird. Auch führt die innere Erwärmung des Arbeitsgerätes infolge der Verteilung der im Regelwiderstand erzeugten Wärme zu vielerlei Problemen. Obwohl bei Verwendung eines elektronischen Steuerkreises anstelle eines Regelwiderstandes der Energieverlust verringert, wenn auch nicht ausgeschaltet werden kann, steigen bei Verwendung eines elektronischen Steuerkreises die Herstellungskosten¹ für das Arbeitsgerät empfindlich und es nxmmt auch seine Komplexität zu. Wenn eine Geschwindigkeitssteuerung mechanisch erzielt wird, wie z.B. durch ein Getriebe mit fest vorgegebenen Obersetzungsstufen oder stetig veränderlicher Obersetzung, tritr bei allen Geschwindigkeiten ein Energieverlust auf, der zwar bei Netzversorgung des Arbeitsgerätes in Kauf genommen werden kann, aber bei Arbeitsgeräten mit Batterieversorgung unerwünscht ist, da er einen ziemlich großen Teil des Gesamtenergxeverbrauches darstellt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung eine elektrische Vorrichtung mit Batterieversorgung zu schaffen, die die obigen Nachteile nicht auf weist und bei der eine veränderliche Spannung derart an eine Last gelegt werden kann, daß der auftretende Energieverlust minimal ist

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Die zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagene elektrische Vorrichtung mit Batterieversorgung ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Last, eine Batterie mit N in Reihe geschalteten auflad-' baren Zellen und eine Schalteinrichtung für' das wahlweise in-Reihe·- schalten einer unterschiedlichen Anzahl von Zellen mit der Last, und zwar von nicht weniger als R und nicht mehr als N Zellen, wobei R derart bestimmt ist, daß bei vollständiger Entladung von R-Zellen und vollständiger Aufladung der verbleibende Zelle(n)

bei Aufschaltung aller N-Zellen auf die Last der resultierende Strom der verbleibenden vollständig aufgeladenen Zelle Cn) für ein« Beschädigung der R vollständig entladenen Zellen nicht ausreicht.

Die Beschränkung der Minimalanzahl an Zellen, die in bezug auf die Gesamtzahl der Zellen auf die Last geschaltet werden können, stellt ein wesentliches Merkmal der Erfindung dar, wie aus der folgenden Beschreibung erhellt wird. Da die vielzellige wiederaufladbare Batterie mit Anzapfungen versehen ist, d.h. eine verschiedene Anzahl der Zellen mit der Last verbunden werden kann, ist es klar, daß nur einige der Zellen vollständig entladen werden■ können, während andere vollständig oder"teilweise aufgeladen sind. Ein solcher Zustand wird erreicht, wenn ausgehend von einer vollständig aufgeladenen Batterie nur einige Zellen angezapft sind und solange benutzt werden, bis sie vollständig entladen sind. Wenn die Anzapfung dann so abgeändert wird, daß wenigstens einige der noch vollständig aufgeladenen Zellen benutzt werden, treiben die aufgeladenen Zellen einen Strom durch die entladenen Zellen und . bewirken eine Aufladung dieser Zellen in negativer Richtung, so daß diese durchlüftet und eventuell zerstört werden. ;

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Diese Möglichkeit wird erfindungsgemäß dadurch vermieden,daß das Verhältnis der Minimalzahl R der angezapften Zellen im Vergleich zur Gesamtzahl N der Zellen so ausgewählt wird, daß im schlimmsten Falle bei vollständiger Entladung von R-Zellen und vollständiger Aufladung der verbleibenden Zelle oder jeder der verbleibenden Zellen der Strom, der in den entladenen Zellen durch die aufgeladene Zelle oder Zellen hervorgerufen wird, nicht für die

in

Aufladung der entladenen Zelle zu weit/der negativen Richtung ausreicht, um die entladenen Zellen zu beschädigen. Die Auswahl des Minimalverhältnisses R;N für eine vorgegebene Batterie kann durch den Fachmann bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung erfolgen. -

Im allgemeinen dürfte ein Verhältnis größer als 1:2 bei den meiste^ Batterien zu einem zufriedenstellenden Ergebnis führen. Zum Beispiel wurde gefunden, daß für einen besonderen Batterietyp das Verhältnis 2:3 ausreichend ist.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist das Verhältnis, auf das die Batterie aufgeladen ist, von Wichtigkeit. Beim Aufladen der Batterie fließt der Ladesirom durch alle in Reihe geschalteten Zellen; wenn nun eine oder mehrere der Zellen bereits vollständig aufgeladen ist bzw. sind oder der Ladezustand nur wenig von dem vollständig aufgeladenen Zustand abweicht, besteht die Möglichkeit daß die einzelne Zelle überladen und belüftet wird und damit eventuell ihre Kapazität verliert. Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung auch einen Ladekreis einschließt, wird zu diesem Zwecke j der Ladestrom sorgfältig so niedrig eingestellt, daß eine Beschädi*- gung einer jeden bereits aufgeladenen Zelle unterbleibt. Anderer-

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seits wird er hinreichend hoch eingestellt, so daß jede vollständij entladene Zelle in der zur Verfugung stehenden Zeit vollständig aufgeladen wird. Bei einer vorgegebenen Batterie wird die Bestimmung der Ladegesehwindigkeit in Übereinstimmung mit diesem Aspekt der, Erfindung jedem Fachmann möglich sein.

Die Erfindung soll nun anhand der beigefugten Figuren in einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 die perspektivische Ansicht eines schnurlosen Arbeitsgeräte: für Haushaltsζwecke, das auf einem Ladegerät steht, wobei ein Rührerträger mit dem Ladegerät verbunden ist, welcher " zum Tragen zweier lösbar mit dem Arbeitsgerät verbundenen" Rührer dient, falls das Arbeitsgerät als Mixer verwendet werden soll und .

Fig. 2 die schematische Darstellung der Schaltung des Arbeitsgerätes und des Ladegerätes.

Eine weiter ins Detail gehende Beschreibung der Kombination aus Arbeitsgerät und Ladegerät mit Zubehörträger findet sich in der schwebenden Patentanmeldung P 22 Hl 656.H, die am 2M-, August 1972 eingereicht wurde,

Die dargestellte Kombination schließt ein schnurl'oses Arbeitsgerät 10 für Haushaltszwecke ein, das in seiner Wiederaufladestellung auf einem Ladegerät Ii steht. Das Ladegerät 11 ist in einem Stück mit einem Rührerträger 12 ausgebildet, der die gleiche äußere Form

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gebung aufweist wie das Ladegerät. Der Rührerträger 12 weist auf seiner oberen Fläche mehrere Buchsen auf, von denen eine bei 13 gezeigt ist und die der Aufnahme von Rührern dienen, von denen einer mit 14 bezeichnet ist. Ein Paar der Rührer 14 Kann lösbar in Laufbuchsen auf der nicht gezeigten Rückseite des Arbeitsgeräte^ 10 eingesetzt werden, so daß es als Rührwerk benutzt werden kann. Das Ladegerät 11 (Ladebasis) und de*» Rührerträger¹ 12 sind beide mit Schlüssellochöffnungen an der Rückseite versehen (nicht dargestellt), so daß eine Wandbefestigung möglich ist. Diese Wandbefestigung ist allerdings nicht erforderlich, denn die Vorrichtung kann auch frei aufgestel.lt werden. Das Gehäuse der Ladebasis 11 und des Rührerträgers 12 ist aus Kunststoff geformt, wobei gleichzeitig ein dreieckiger Stutzen (nicht gezeigt) ausgebildet wird, der sich über die obere Fläche der Ladebasis 11 an ihrer Hinterkante erhebt. Ein aufwärtsgerichteter Teil (nicht gezeigt) erhebt sich von der Frontseite des Stutzens und passt in eine Ausnehmung (nicht gezeigt) auf der Rückseite des Arbeitsgerätes 10, wodurch sichergestellt ist, daß das Arbeitsgerät 10 exakt auf der Ladebasis 11 positioniert ist, so daß von außen zugängliche Niederwechselspannungsanschlüsse 18 und 19 am Arbeitsgerät 10 mit ihnen zugeordneten Anschlüssen 20 und 21 auf der Ladebasis 11 in Kontakt kommen.

In der Ladebasis 11 ist ein Netzabwärtstransformator 22 (Fig. 2) angeordnet. Der Transformator 2 2 ist ein kurzschlußsicherer Typ mit Doppelwicklung, der jede Beschädigung der Ladebasis durch einen unbeabsichtigten Kurzschluß der Anschlüsse 20 und 21 ausschließt. Die Primärwicklung 23 des Transformators ist mit einer Wechsel8troija

quelle über ein Kabel 24 verbunden, das aus der Ladebasis 11 über eine Durchführung 25 austritt. Die Sekundärwicklung 26 des Transformators 22, die eine Spannung'von 8 Volt uberLast abgibt, ist
mit den Anschlüssen 20 und 21 verbunden. Die Anschlüsse 20und 21 sind aus einer Kupferlegierung hergestellt und bestehen aus zwei
miteinander verbundenen Bügeln, die elastisch verformt -werden,
wenn das Gewicht des Arbeitsgerätes auf'ihnen lastet, wodurch
ein guter elektrischer Kontakt gewährleistet ist. Der Transformator 22 kann so ausgelegt sein, daß er die gewünschte Ausgangsspannung aus der örtlichen Speisespannung liefert, z.B. 250 Volt, 50 Hz, 110 V, 60 Hz oder er kann mit mehreren auswählbaren Abzapfungen versehen sein, so daß er für von diesen Werten abweichen de Speisespannungen und Frequenzen benutzt werden kann.

Zum Arbeitsgerät 10 gehört eine Gehäuserückwand 29, ein Deckel 30 und ein Hauptgehäuseteil 31, die jeweils aus Kunststoff geformt
sind. Ein Handgriff 32 ist einstückig mit dem Hauptgehäuseteil 31 ausgebildet, wobei im Handgriff ein Schalter angeordnet ist, desseji Schalthebel 3H aus dem Griff vorsteht. Die Stellung des Schalthebels 34- bestimmt die Stellung eines vierpoligen Drehschalters (Fig. 2), der im inneren des Arbeitsgerätes 10 angeordnet ist.
Ein kleines Fenster 36 im Handgriff 32 läßt jeweils eine der auf' dem Schalter angebrachten Marken "0","1","2" oder "3" erkennen.
Jede der Marken entspricht einer der vier Schaltstufen "0", -¹¹I",
"2" und "3" des Schalters 35 und zeigt dementsprechend an, ob das Arbeitsgerät ausgeschaltet ist oder sich in langsamer, mittlerer
oder schneller Arbeitsstellung befindet.'

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Die Ladeanschlüsse 18 und 19 des Arbeitsgerätes 10 sind mit den Eingangsklemmen einer Gleichrichterbrücke 37 verbunden, die im Inneren des Arbeitsgerätes in einem Gehäuse (nicht gezeigt) angeord net ist, das an einem Ende eines als Stromquelle dienenden Zellenblocks (nicht gezeigt) befestigt ist, der seinerseits an der Gehäuserückwand 29 befestigt ist. Der Zellenblock enthält eine Batterie bestehend aus sechs wiederaufladbaren Nickel-Kadmium- Z eilen (1.2 V, 1.2 Ah), die in Reihe geschaltet sind. Die Reihenschaltung ist mit dem Gleichspannungsausgang der Gleichrichterbrücke 37 verbunden und kann auf diese Weise aufgeladen werden. Die Zellen 11 speisen einen Gleichstrommotor 12 mit Permanentmagneten, der an der Gehäuserückwand 29 befestigt ist. Die Verbindung der Zellen 41 mit dem Motor 12 wird über den Schaif. ter 35 hergestellt, der über den Schalthebel 31 betätigt wird.

In einer genauer in der schwebenden Patentanmeldung P 22 41 656.4 beschriebenen Weise ist die Abtriebswelle 43 des Motors antriebsmäßig mit den beiden bereits oben erwähnten Laufbuchsen für die Rührer und einem weiteren mechanischen Abtrieb verbunden, der bei Abnahme des Deckels 30 zugänglich ist.

Wenn das Arbeitsgerät 10 benutzt werden soll, wird es von der Ladebasis 11 heruntergenommen und ein geeignetes Zubehör oder mehrere werden mit einer oder beiden Laufbuchsen oder mit dem Antrieb unter dem Deckel verbunden. Gemäß der Erfindung wird das Arbeitsgerät entweder in der in der Fig. 1 gezeigten vertikalen Lage oder in einer im allgemeinen horizontalen Lage benutzt, bei der der Handgriff oben liegt.

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Aus der Fig. 2 ist ersichtlich, daß der Drehschalter so angeordnet ist, daß er entweder eine Reihenschaltung der Ausgänge von 4, 5 oder 6 der Zellen 41 auf den Motor 42 schaltet, so daß an diesem eine Spannung von 4.8, 6.0 oder 7.2 V anliegt, und zwar je nach dem. welche der Schaltstufen "1", "2", oder "3" ausgewählt worden ist. Da die Drehzahl des Motors von der angelegten Spannung abhängt, kann diese mit Hilfe des Schalters 35 verändert werden. Der Schalter 35 weist auch eine "AUS"-Stellung auf, d.h. in der "O"-Lage wird der Stromkreis zwischen den Zellen 41 und dem Motor 42 unterbrochen.

Aus der Fig. 2 ist ersichtlich, daß die kleinste Untermenge der sechs Zellen, die auf den Motor 42 durch den Schalter 35 geschalte werden kann, vier beträgt. Wenn ausgehend von einer vollständig aufgeladenen Batterie das Arbeitsgerät in der "l"- Stellung des Schalters benutzt wird, werden nur vier Zellen in Reihe mit dem Motor geschaltet und der Betrieb wird solange aufrecht erhalten, bis die vier Zellen entladen sind; wenn dann der Schalter in die "3"-Stellung umgeschaltet wird, so daß alle sechs Zellen mit dem Motor verbunden sind (es ist klar, daß eine solche Änderung der Schaltsteilung mit großer Wahrscheinlichkeit auftreten wird, da dann das Arbeitsgerät noch eine Zeitlang benutzt werden kann, dhe ein erneutes Wiederaufladen erforderlich wird), wird der von den beiden vollständig aufgeladenen Zellen durch die vier entladenen Zellen geführte Strom nicht für eine Beschädigung der vier Zellen ausreichen. Wenn aber drei oder weniger Zellen angezapft werden können und ein entsprechendes Umschalten erfolgt, könnte der von den aufgeladenen Zellen den entladenen Zellen aufgeprägte Strom

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früher oder später zu einer Beschädigung der entladenen Zellen führen. Die für die Aufladung der Zellen erforderlichen Bauteile sind sorgfältig so ausgewählt, daß die Zellen 41 mit einem llOmA-Stjrom aufgeladen werden, wenn sich das Arbeitsgerät 10 auf der Ladebasis 11 befindet. Dieser Ladestrom ist hinreichend niedrig, so daß ein Oberladen einer jeden bereits vollständig aufgeladenen Zelle in der Batterie unterbleibt und daß ein vollständig aufgeladener Zellenblock stets an der Ladespannung verbleiben kann, ohne daß mit einer Zerstörung oder mit Gefahren für die Sicherheit gerechnet werden muß; andererseits ist der Sollstrom hinreichend groß genug, um ein vollständiges Aufladen in der zur Verfigung stehenden Zeit zu ermöglichen, d.h. innerhalb von 12-18 Stunden.

Die Erfindung kann auch auf andere Weise benutzt werden. So können 7.B. andere Typen von wiederaufladbaren Zellen benutzt werden, und es können auch andere Lasten als ein Gleichspannungsmotor erregt werden. Es sind Anwendungsfälle denkbar, bei denen an der Last eine mechanische Ausgangsleistung, sondern z.B. eine Leucht-Leistung erzeugt wird.

Auch braucht der Schalter 35 kein mechanischer Drehschalter zu sein;, jeder Schalter einer anderen Bauart, der die notwendige Verbindung zwischen den Zellen und der Last herstellen kann, ist geeignet.

Auch kann sich der Ladekreis sehr wohl von dem oben offehbarten Ladekreis unterscheiden. Zum Beispiel kann die Gleichrichterbrücke durch einen Doppelweg-Gleichrichter oder einen Einweg-Gleichrichtejj*

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mit einem bzw. zwei Gleichrichtern ersetzt werden. Auch bei Verwendung von Zellen mit kleiner Kapazität, d.h. von Zellen.mit

kann : einer Kapazität bis herauf zu 0,45 Ah,/der Transformator durch einen mit'den Zellen und der Wechselstromquelle in Serie geschalteten Kondensator ersetzt werden. In diesem Palle wird der Ladekreis natürlich auch so ausgelegt sein, daß die Zellen mit einem Strom aufgeladen werden, der hinreichend niedrig ist, so daß -eine Beschädigung einer jeden vollständig aufgeladenen Zelle vermieden wird.

In manchen Ausführungsformen der Erfindung können mehr oder weniger als sechs Zellen benutzt werden. Wenn eine größere Anzahl an Zellen benutzt wird, können mehr als drei Geschwindigkextsstufei vorgesehen sein, obwohl natürlich auch wunschgemäß mehr als eine Zelle zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schaltstufen zugeschaltet werden können, so daß mehr als eine zusätzliche Zelle in den Kreis eingeschaltet oder aus diesem heraus genommen wird, wenn die Drehzahl erhöht oder erniedrigt wird.

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Claims

- 12 - Patentanwälte Dr. Ing. H. Negondank Dipl Ing. H. H.vjc- - Diol Phys. W. Schmitz Dipl. Ing. E. Grasif 5 - Di'!. ir g. y/. Wahne« 8 Münck,c:i y. :i?c.:ar:.:;ae# 2i " τ · -4- * Telefon 5580586 Tower Housewares Limited Bridgnorth Road, Wombourne 16. November 1972 Wolverhamptona Staffordshire, England Anwaltsakte: M-2419 Patentansprüche

1. !Elektrische Vorrichtung mit Batterieversorgung, gekennzeichnet
durch eine Last (42), eine Batterie mit N in Reihe geschalteten aufladbaren Zellen Hl und einer Schalteinrichtung (35) für das
wahlweise in Reihe schalten einer unterschiedlichen Anzahl

von Zellen mit der Last (42), und zwar von nicht weniger als
R und nicht mehr als N Zellen, wobei R derart bestimmt ist, daß bei vollständiger Entladung von R Zellen und vollständiger I Aufladung der verbleibenden Zelle (n) und bei Aufschaltung aller N Zellen auf die Last der resultierende Strom der verbleibenden

vollständig aufgeladenen Zelle (n) für eine Beschädigung der j

R vollständig entladenen Zellen nicht ausreicht.

2. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Schalteinrichtung (25) so ausgelegt ist, daß die
Minimalzahl (R) der Zellen, die in Reihe mit der Last (42) geschaltet werden können, größer als die Hälfte der Anzahl N j der Zellen (41) ist. ^l

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schalteinrichtung (35) so ausgelegt ist, daß R:N = 2:3

ist. -13-

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4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl N der Zellen sechs beträgt und die Schalteinrichtung (35) so ausgelegt ist, daß die Minimalzahl R der in Reihe mit der Last schaltbaren Zellen vier beträgt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeich-. net, daß die Zellen (41) Nickel-Kadmium-Zelleh sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Last eine elektrisch betriebene Antriebseinrichtung (42) ist. '

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung ein Gleichspannungs-Elektromotor ist, desseiji Drehzahl sich mit der angelegten Spannung ändert.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichne daß·eine Ladeeinrichtung (22,37) für das Aufladen der Zellen (41) vorgesehen ist, welche Ladeeinrichtung so ausgelegt ist, daß der Ladestrom nicht größer ist als der maximale Sicherheits·· wert ^ der von jeder der Zellen noch aufgenommen werden kann, die bereits vollständig aufgeladen ist.

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