WO2023099149A1 - Werkzeugmaschine mit einer kommunikationsverbindung zur seriellen digitalen kommunikation zwischen zwei transceivern, sowie system - Google Patents

Werkzeugmaschine mit einer kommunikationsverbindung zur seriellen digitalen kommunikation zwischen zwei transceivern, sowie system Download PDF

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WO2023099149A1
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communication
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energy supply
cell
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Klaus Hauser
Mathias Frenzel
Markus Hartmann
Robert Stanger
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Hilti Aktiengesellschaft
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    • H01M50/107—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure having curved cross-section, e.g. round or elliptic

Definitions

  • the present invention relates to a machine tool having at least one control device, the machine tool being detachably connectable to an energy supply device, at least one communication connection being provided for exchanging signals between a first transceiver and a second transceiver using serial digital communication, the energy supply device having at least comprises an energy storage cell and the at least one cell has a nominal capacity of at least 1.5 ampere hours, and a surface area A and a volume V, the surface area A of the at least one cell being greater than eight times the third root of the square of the volume V of the at least a cell.
  • the invention relates to a system that includes such a machine tool and an energy supply device.
  • Modern machine tools such as hammer drills, saws, grinders or the like, now have numerous components (e.g. motor unit, gear unit, transceiver, microcontroller, etc.) which exchange a large amount of information and data with one another in the form of signals.
  • components e.g. motor unit, gear unit, transceiver, microcontroller, etc.
  • a high level of information and data exchange is taking place, in particular between a machine tool and an accumulator provided as an energy supply.
  • Various communication networks or communication circuits are used for data exchange (ie sending and receiving information).
  • the communication between the individual components, ie the exchange of data usually works without problems when the machine tool is in an idle state. In the idle state, the machine tool is not activated and only relatively little electrical energy (ie low current values or amperage) is supplied to the drive. In contrast to this, in an operating mode the machine tool is supplied with a relatively large amount of electrical energy (ie high current values or current intensity) in order to generate a high power output from the machine tool.
  • EP 3 795 302 A1 discloses robust communication in a machine tool, in which signals are exchanged in a half-duplex mode.
  • US 2014 0131 059 A1 discloses a battery-powered machine tool that includes a brushless DC motor.
  • the machine tool or the battery can be designed to communicate serially.
  • the object of the present invention is therefore to provide a machine tool and a system comprising a machine tool and an energy supply device, with which the above-mentioned problem can be solved and robust communication can be achieved during operation of the machine tool or the system.
  • a machine tool is provided with at least one control device, the machine tool being detachably connectable to an energy supply device, at least one communication connection being provided for exchanging signals between a first transceiver and a second transceiver using serial digital communication, the energy supply device having at least one Energy storage cell comprises and the at least one cell has a nominal capacity of at least 1.5 ampere hours, and a surface area A and a volume V, the surface area A of the at least one cell being greater than eight times the cube root of the square of the volume V of the at least one Cell.
  • the serial communication is preferably characterized in that individual data bits can be sent or transmitted one after the other. Tests have shown that, with the invention, above all safety-relevant functions of the machine tool can be implemented better than with conventional machine tools as are known from the prior art.
  • the machine tool can be releasably connected to an energy supply device, with the energy supply device preferably being set up to supply the machine tool with electrical energy.
  • the energy supply device can preferably include an accumulator (“accumulator”) or be formed by an accumulator, so that the terms “energy supply device” and “accumulator” are used synonymously in the context of the present invention.
  • accumulator an accumulator
  • the first transceiver is positioned in the machine tool and the second transceiver is positioned in the energy supply device.
  • the first transceiver or the first communication partner of the serial, digital communication can be part of the machine tool, while the second transceiver or the second communication partner of the serial, digital communication is preferably integrated in the energy supply device.
  • signals and/or data can thus be exchanged between a machine tool and an energy supply device in a particularly interference-resistant manner.
  • the wording that the first transceiver is positioned in the machine tool and the second transceiver is positioned in the energy supply device does not conflict with the fact that the communication circuit of the machine tool is intended to exchange signals between a first transceiver and a second transceiver. Because if the energy supply device is connected to the machine tool in order to supply the machine tool with electrical energy, the energy supply device can be regarded as part or component of the machine tool. In this case, the second transceiver can be part of the energy supply device and the machine tool at the same time.
  • both transceivers are arranged in the machine tool.
  • the exchange of signals takes place in a half-duplex mode or in a full-duplex mode.
  • signals can be exchanged with reference to ground or as part of differential communication.
  • the communication circuit has ground lines, which preferably represent low-impedance connections with which potential differences between the transceivers can be compensated.
  • the term "grounded" is to be understood within the meaning of the invention in such a way that a communication signal is grounded if the voltage is measured with respect to a ground potential, preferably a common ground potential.
  • the negative pole of the energy supply device of the machine tool is preferably used as a common ground potential.
  • the communication connection or the communication circuit of the machine tool can preferably comprise two communication lines if the communication between the transceivers is ground-referenced and is based on full-duplex technology.
  • the communication circuit of the machine tool can preferably comprise four communication lines if the communication between the transceivers takes place in the context of differential communication and is based on full-duplex technology.
  • the communication circuit of the machine tool can be a communication line include when the communication between the transceivers is single-ended and based on half-duplex technology.
  • the communication circuit of the machine tool can preferably comprise two communication lines if the communication between the transceivers takes place within the framework of a differential communication and is based on half-duplex technology.
  • signal levels of ⁇ 3 V to ⁇ 15 V in a first state A and 3 V to 15 V in a second state B are preferred, depending on the communication method. In another method, signal levels between 2 and 10 V in a first state A and between -0.4 V and 0.8 V in a second state B may be preferred.
  • the states A and B and the states HZ and NZ designate those two binary states in which a digital signal can be present. It is preferred within the meaning of the invention that, in the case of serial communication, these bits or states are sent in a specific time interval in a row or appended to one another.
  • a first differential voltage in differential communication for a first state is between ⁇ 20 V and 1 volt and a second differential voltage for a second state is between 1.5 and 20 volts.
  • the first state in differential communication can also be referred to as the dominant or high state.
  • the second state in differential communication can also be referred to as a recessive or low state.
  • At least one accumulator may be provided as the power supply for the machine tool, with the power supply device having a ground potential.
  • the ground potential of the energy supply device can preferably also be referred to as ground, zero potential or ground.
  • a data transmission rate is in a range from 9.6 Kbit/s to 5 Mbit/s.
  • Tests have shown that a data transmission rate in a range from 9.6 Kbit/s to 5 Mbit/s enables efficient and robust communication between a machine tool and a power supply device, even when the machine tool is in operation and may be subject to strong vibrations and shocks is exposed. Such strong vibrations and shocks can occur in particular with particularly powerful machine tools.
  • a resistance of the at least one communication line is less than 1 ohm. This is especially true when the serial digital communication is wired. It has been shown that it is advantageous in wired communication to keep the resistance of the communication line, including any plug connections, below 1 ohm.
  • the communication lines between the transceivers are twisted together if more than one communication line is used for the serial digital communication between the transceivers of the communication system and if the communication is wired. By twisting, mutual signal couplings between the communication lines can be compensated for or avoided.
  • distances between line crossing points between the communication lines are in a range of 5 mm to 25 mm when more than one communication line is used for the serial digital communication.
  • the specified distances between the line crossing points can advantageously contribute to the communication between the transceivers being even more robust with respect to signal interference.
  • Particularly robust communication between a particular the high power machine tool and a power supply device preferably capable of delivering output currents in a range in excess of 50 amps (A), preferably in excess of 70 amps and most preferably in excess of 100 amps.
  • the line crossing points are created by twisting the communication lines in pairs, with the line crossing points preferably being able to occur at distances of 5 to 25 mm.
  • the line crossing points occur at regular intervals, so that the line crossing points are essentially equidistant from one another.
  • the line crossing points can also be preferred within the meaning of the invention for the line crossing points to be at irregular distances, these distances preferably being in a range from 5 to 25 mm.
  • the lines of the differential communication are referred to as “line pairs”.
  • transmission and reception lines that belong together can be referred to as "line pairs”.
  • the first and the second communication line for a differential communication between the energy supply device and the machine tool are components of a communication system.
  • the communication system can be designed as a CAN data bus. However, it is also possible for another suitable communication system to be used for differential communication between the accumulator and the machine tool.
  • a system is disclosed that a machine tool with at least one control device and an energy supply device with at least comprises at least one electronic control system, the energy supply device being designed to supply the machine tool with electrical energy. It is preferred within the meaning of the invention that the system participants—machine tool and energy supply device—can communicate with one another and exchange data in the manner described above.
  • a communication link can be provided for exchanging signals between a first transceiver and a second transceiver, wherein the communication link can include, for example, a communication circuit with at least one communication line for carrying out serial digital communication.
  • the communication link can be wireless and include means for wireless transmission of signals by way of serial digital communication.
  • At least the first transceiver is positioned in the machine tool and the at least second transceiver is positioned in the energy supply device.
  • the proposed transceiver-based communication is therefore particularly suitable for communication between particularly powerful machine tools and energy supply devices, as will be described below.
  • the invention relates to a system with a machine tool and an energy supply device, the machine tool comprising the first transceiver and the energy supply device comprising the second transceiver.
  • the transceivers form a communication circuit for exchanging signals to enable communication between the machine tool and the power supply device using serial digital communication.
  • the invention can fully develop its advantageous speed above all when it is used in connection with new and future battery or cell technologies. Because it is to be expected that new battery technologies will produce energy supply devices with longer lifetimes and higher output currents.
  • the power devices may be configured to deliver currents in a range greater than 50 amps (A), preferably greater than 70 amps, and most preferably greater than 100 amps.
  • the currents are preferably constant currents.
  • a technical solution for the communication of such an energy supply device with a machine tool can advantageously be provided with the invention.
  • an energy supply device is disclosed which can form a system together with a machine tool according to the invention.
  • the energy supply device can preferably have the following features:
  • the energy supply device is preferably an energy supply device with a particularly long service life and/or an energy supply device which is set up to deliver particularly high currents, in particular constant currents of more than 50 amperes, preferably more than 70 amperes and most preferably of more than 100 amps.
  • the energy supply device comprises at least one energy storage cell (“cell”), the at least one cell having an internal resistance DCR_I of less than 10 milliohms (mOhm).
  • the internal resistance DCR_I of the at least one energy storage cell is less than 8 milliohms, preferably less than e milliohms.
  • the internal resistance DCR_I is preferably measured according to the IEC61960 standard.
  • the internal resistance DCR_I represents in particular the resistance of a cell of the energy supply device, with any components or accessories of the cell making no contribution to the internal resistance DCR_I.
  • a low internal resistance DCR_I is advantageous, as this means that unwanted heat that needs to be dissipated does not arise at all.
  • the internal resistance DCRJ is a DC resistance that can be measured inside a cell of the proposed power supply device.
  • the internal resistance DCRJ can also have intermediate values, such as 6.02 milliohms; 7.49 milliohms; 8.33 milliohms; 8.65 milliohms or 9.5 milliohms.
  • a power supply device which has particularly good thermal properties in the sense that it can be operated particularly well at low temperatures, with the cooling effort being surprising can be kept low.
  • an energy supply device with a cell internal resistance DCRJ of less than 10 milliohms is particularly well suited to supplying particularly powerful machine tools with electrical energy. Such energy supply devices can thus make a valuable contribution to enabling battery-operated machine tools to be used in areas of application which experts had previously assumed that these areas of application were not accessible to battery-operated machine tools.
  • a possibility can be created for using a battery or accumulator-operated machine tool with an inventive to supply the power supply device according to the invention with a high output power over a long period of time without damaging the surrounding plastic components or the cell chemistry within the cells of the power supply device.
  • a ratio of a resistance of the at least one cell to a surface area A of the at least one cell is less than 0.2 milliohms/cm 2 , preferably less than 0.1 milliohms/cm 2 and most preferred less than 0.05 milliohms/cm 2 .
  • the surface of the cell can be formed by the outer surface of the cylinder and the top and bottom of the cell.
  • a ratio of a resistance of the at least one cell to a volume V of the at least one cell is less than 0.4 milliohms/cm 3 , preferably less than 0.3 milliohms/cm 3 and most preferably less than 0.2 milliohms/cm 3 .
  • the person skilled in the art knows the formulas for calculating the surface area or the volume of such a geometric body for customary geometric shapes such as cuboids, cubes, spheres or the like.
  • the term “resistance” preferably designates the internal resistance DCR_I, which can preferably be measured according to the IEC61960 standard. This is preferably a DC resistor.
  • the at least one cell has a heating coefficient of less than 1.0 W/(Ah-A), preferably less than 0.75 W/(Ah-A) and particularly preferably less than 0 .5W/(Ah-A).
  • the at least one cell can be designed to essentially constantly deliver a current of greater than 1,000 amperes/liter.
  • the discharge current is specified in relation to the volume of the at least one cell, with the spatial unit of measurement "liter" (I) being used as the unit for the volume.
  • the cells according to the invention are thus capable of delivering a discharge current of essentially constantly greater than 1,000 A per liter of cell volume.
  • the invention advantageously makes it possible to provide an energy supply device with at least one cell, which has reduced heating and is therefore particularly well suited for supplying machine tools in which high power and high currents, preferably constant currents, are desired for operation.
  • an energy supply device for a machine tool can be provided with the invention, in which the heat that may arise during operation of the machine tool and when electrical energy is supplied to the machine tool can be dissipated in a particularly simple and uncomplicated manner. Tests have shown that with the invention not only existing heat can be dissipated better. Rather, the invention prevents heat from being generated or the amount of heat generated during operation of the machine tool can be significantly reduced with the invention.
  • an energy supply device can be provided which, above all, can optimally supply such machine tools with electrical energy that place high demands on power and discharge current.
  • the invention can be used to provide an energy supply device for particularly powerful machine tools that are used, for example, to carry out heavy drilling or demolition work on construction sites.
  • machine tool is to be understood as a typical piece of equipment that can be used on a construction site, for example a building construction site and/or a civil engineering construction site. It can be, without being limited to, rotary hammers, chisels, core drills, angle grinders or cut-off grinders, cutting devices or the like.
  • auxiliary devices such as those occasionally used on construction sites, such as lamps, radios, vacuum cleaners, measuring devices, construction robots, wheelbarrows, transport devices, feed devices or other auxiliary devices can be "machine tools" within the meaning of the invention.
  • the machine tool can in particular be a mobile machine tool, in which case the proposed energy supply device can also be used in particular in stationary machine tools, such as column-guided drills or circular saws. However, preference is given to hand-held power tools that are, in particular, rechargeable or battery-operated.
  • the machine tool can also be a charging device for the energy supply device, for example.
  • the heat generated during operation of the machine tool or when it is being charged remains within the at least one cell for only a short time.
  • the cell can be recharged particularly quickly and is quickly available for renewed use in the machine tool.
  • the thermal load on the component of the energy supply device or the machine tool can be significantly reduced with the proposed energy supply device.
  • the energy supply device can be protected and its service life can be extended.
  • the at least one cell is arranged in a battery pack of the energy supply device.
  • a number of individual cells can preferably be combined in the battery pack and in this way optimally inserted into the energy supply device.
  • 5, 6 or 10 cells can form a battery pack, with integer multiples of these numbers also being possible.
  • the energy supply device can have individual cell strings, which can include, for example, 5, 6 or 10 cells.
  • An energy supply device with, for example, three strings of five cells can include, for example, 15 individual cells.
  • the energy supply device has a capacity of at least 2.2 Ah, preferably at least 2.5 Ah. Tests have shown that the capacitance values mentioned are particularly well suited for the use of high-performance machine tools in the construction industry and correspond particularly well to the local requirements for the availability of electrical energy and the possible service life of the machine tool.
  • the at least one cell of the energy supply device is preferably set up to deliver a discharge current of at least 20 A over at least 10 s.
  • a cell of the energy supply device can be designed to provide a discharge current of at least 20 A, in particular at least 25 A, over at least 10 s.
  • the at least one cell of an energy supply device can be aimed at providing a continuous current of at least 20 A, in particular at least 25 A.
  • peak currents in particular brief peak currents
  • An energy supply device with powerful cooling is therefore particularly advantageous.
  • the at least one cell of the energy supply device can provide at least 50 A over 1 second.
  • the at least one cell of the energy supply device is set up to provide a discharge current of at least 50 A over at least 1 s.
  • Machine tools can often require high performance for a short period of time.
  • a power supply device whose cells are capable of delivering such a peak current and/or such a continuous current can therefore be particularly suitable for powerful machine tools such as those used on construction sites.
  • the at least one cell comprises an electrolyte, the electrolyte preferably being in a liquid state at room temperature.
  • the electrolyte may include, but is not limited to, lithium, sodium, and/or magnesium.
  • the electrolyte can be lithium-based. Alternatively or additionally, it can also be sodium-based.
  • the accumulator is magnesium-based.
  • the electrolyte-based energy supply device can have a nominal voltage of at least 10 V, preferably at least 18 V, in particular at least 28 V, for example 36 V. A nominal voltage in a range from 18 to 22 V, in particular in a range from 21 to 22 V, is very particularly preferred.
  • the at least one cell of the energy supply device can have a voltage of 3.6 V, for example, without being limited to this.
  • the energy supply device is charged, for example, at a charging rate of 1.5 C, preferably 2 C and most preferably 3 C.
  • a charging rate xC can be understood as the current intensity that is required to fully charge a discharged energy supply device in a fraction of an hour that corresponds to the numerical value x of the charging rate xC.
  • a charging rate of 3 C enables the battery to be fully charged within 20 minutes.
  • the at least cell of the energy supply device has a surface area A and a volume V, with a ratio A/V of surface area before volume is greater than 6 times, preferably 8 times, and most preferably 10 times the reciprocal of the cube root of the volume.
  • the formulation that the surface area A of the at least one cell is greater than, for example, eight times the cube root of the square of the volume V can preferably also be expressed by the formula 4>8*V A (2/3). In another notation, this relationship can be described by the fact that the ratio A/V of surface area to volume is greater than eight times the reciprocal value of the cube root of the volume.
  • values in the same basic unit must always be used. For example, if a value for the surface area in m 2 is substituted into the above formula, then a value in units for the volume is preferably substituted in m 3 . For example, if a value for surface area in units of cm 2 is substituted into the above formula, a value for volume is preferably substituted in units of cm 3 . For example, if a value for surface area in units of mm 2 is substituted into the above formula, a value for volume is preferably substituted in units of mm 3 .
  • Cell geometries which, for example, satisfy the relation of 4>8* VA (2/3) advantageously have a particularly favorable ratio between the outer surface of the cell, which is decisive for the cooling effect, and the cell volume.
  • the inventors have recognized that the ratio of surface area to volume of the at least one cell of the energy supply device has an important influence on the heat dissipation of the energy supply device.
  • the improved cooling capability of the proposed energy supply device can advantageously be achieved by increasing the cell surface area with the same volume and low internal resistance of the at least one cell. It is preferred within the meaning of the invention that a low cell temperature with a simultaneously high power output can preferably be made possible when the internal resistance of the cell is reduced. Reducing the internal resistance of the at least one cell can result in less heat being generated.
  • a low cell temperature can be achieved by using cells in which the surface area A of at least one cell within the energy supply device is greater than six times, preferably eight times and more preferably ten times the third root of the square of the volume V of the at least one cell . In this way, in particular, the heat dissipation to the environment can be improved.
  • energy supply devices whose cells fulfill the stated relationship can be cooled significantly better than previously known energy supply devices with, for example, cylindrical cells.
  • the above relation can are fulfilled in that the cells of the proposed energy supply device have a cylindrical basic shape, but additional surface-enlarging elements are arranged on their surface. This can be, for example, ribs, teeth or the like.
  • the cells of the proposed energy supply device can have an essentially cuboid or cubic basic shape.
  • the at least one cell has a cell nucleus, with no point within the cell nucleus being more than 5 mm away from a surface of the energy supply device.
  • heat can be generated in the cell nucleus.
  • this heat can be transported over a relatively short distance to the surface of the cell of the energy supply device.
  • the heat can be optimally dissipated from the surface.
  • Such an energy supply device can therefore have good cooling, in particular comparatively good self-cooling.
  • the time it takes for the limit temperature to be reached can be lengthened and/or the limit temperature can advantageously be completely avoided.
  • a relatively homogeneous temperature distribution can be achieved within the cell nucleus. This can result in a uniform aging of the accumulator. This in turn can increase the lifetime of the power supply device.
  • the at least one cell has a maximum constant current output of greater than 20 amperes, preferably greater than 30 amperes, most preferably greater than 40 amperes.
  • the maximum constant current output is the amount of current that can be drawn from a cell or power supply device without the cell or power supply device reaching a temperature ceiling. Potential upper temperature limits may range from 60°C or 70°C, but are not limited thereto.
  • the unit of the maximum constant current output is the ampere. In all value ranges that are mentioned in the context of the present invention, all intermediate values should also always apply as disclosed.
  • values between 20 and 30 A should also be considered disclosed for the maximum constant current output, ie for example 21; 22.3; 24, 25.55 or 27.06 amps, etc.
  • values between 30 and 40 A should also be considered disclosed, for example 32; 33.3; 36, 38.55 or 39.07 amps etc.
  • the energy supply device has a discharge C rate of greater than 80 • t A ( ⁇ 0.45), the letter “t” standing for the time in seconds.
  • the C rate advantageously enables the charging and discharging currents for energy supply devices to be quantified, the discharge C rate used here in particular enabling the quantification of the discharging currents from energy supply devices.
  • the C rate can be used to specify the maximum allowable charge and discharge currents.
  • These charging and discharging currents preferably depend on the nominal capacity of the energy supply device.
  • the unusually high discharge C rate of 80 • t A (-0.45) advantageously means that particularly high discharge currents can be achieved with the proposed energy supply device, which are required for the operation of powerful machine tools in the construction industry.
  • the discharge currents can be in a range of greater than 40 amperes, preferably greater than 60 amperes, or even more preferably greater than 80 amperes.
  • the cell has a cell temperature gradient of less than 10 Kelvin.
  • the cell temperature gradient is preferably a measure of temperature differences within the at least one cell of the proposed energy supply device, it being preferred in the context of the invention that the cell has a temperature distribution that is as uniform as possible, i.e. that a temperature in an inner region of the cell deviates as little as possible from one Temperature measured in the area of a shell or outer surface of the cell.
  • the proposed energy supply device has a nominal capacity of at least 1.5 ampere hours (Ah). Tests have shown that energy supply devices with a nominal capacity of more than 1.5 Ah are particularly well suited for the use of powerful machine tools in the construction industry and meet the local requirements for the availability of electrical energy and possible useful life of the machine tool particularly well.
  • the nominal capacity of the energy supply device is preferably measured at room temperature.
  • the discharging current is preferably 10 A, with discharging preferably draws at 2.5V and charging preferably ends at 4.2V.
  • the cell is charged according to the CCCV mode, whereby the abbreviation "CCCV” stands for constant current / constant voltage and is familiar to the person skilled in the art.
  • the charging current is preferably 0.5 C or 0.75 A, followed by a constant voltage phase of up to 50 milliamperes ("constant voltage").
  • the battery cells used in the proposed energy supply device are characterized in that the cells have a nominal capacity of at least 1.5 ampere hours, and a surface area A and a volume V, with the surface area A of the cells being greater than eight times the is the third root of the square of the volume V of the cells.
  • a ratio of resistance and surface area of the cells can be less than 0.2 milliohms/cm 2 .
  • the term “surface” is understood to mean a maximum, enveloping lateral surface of an object. In the context of the present invention, this can mean in particular that the surface of a body or an object is understood as the sum of its boundary surfaces. In the context of the invention, the term “volume” is preferably understood as that volume of space which is enclosed by the maximum, enveloping lateral surface of the object.
  • FIG. 1 shows a cross section through a system according to the invention containing a machine tool with a connected accumulator as energy supply;
  • FIG. 2 shows a cross section through a foot part of the machine tool according to the invention with a connected accumulator
  • FIG. 3 shows a first graphical representation of the various voltage levels in a first and second state during differential communication in the system according to the invention
  • FIG. 4 shows a second graphical representation of the different voltage levels in the first and second states in differential communication in the system according to the invention
  • FIG. 5 shows a third graphical representation of the different voltage levels in the first and second states in differential communication in the system according to the invention
  • Fig. 6 is a graphical representation of the importance of signal interference for different sized areas enclosed by the communication lines.
  • Figure 7 further graphically illustrates the importance of signal interference for different sized areas enclosed by the communication lines.
  • FIG. 8 shows a schematic side view of a preferred embodiment of the energy supply device
  • FIG. 1 shows a preferred embodiment of the system 1 according to the invention with a machine tool 2 and an accumulator s.
  • the accumulator 3 which can also be referred to as an energy supply device, is connected to the machine tool 2 and is used to supply the electrical consumers of the machine tool 2 with electrical energy. During the supply, electric current flows from the accumulator 3 to the machine tool 2.
  • the accumulator can also be referred to as an accumulator or battery.
  • the power tool 2 is shown in the form of a cordless screwdriver.
  • the machine tool 2 can also be designed in the form of a drill, a saw, a grinder or the like.
  • the machine tool 2 designed as a cordless screwdriver essentially contains a housing 4, a handle 5, a foot part 6, a tool holder 7, an electric drive 8 in the form of an electric motor, a control device 9, a gear 9a, a drive shaft 11, an output shaft 12 and an activation switch 13.
  • the electric drive 8 configured as an electric motor, the transmission 10 , the input shaft 11 , the output shaft 12 and the control device 9 are positioned in the housing 4 .
  • the drive 8, the transmission 10, the drive shaft 11 and the output shaft 12 are positioned relative to one another and in the housing 10 such that a torque generated by the drive 8 is transmitted to the output shaft 12.
  • the output shaft 12 transmits the torque to the transmission 10, which in turn transmits torque to the drive shaft 11.
  • the tool holder 7 is driven via the drive shaft 11 by transmission of the torque.
  • a tool 14 in the form of a bit is held in the tool holder 7 .
  • a screw can be screwed into a material with the help of the bit. Neither the screw nor the material are shown in the figures.
  • the housing 4 includes a top 4a and a bottom 4b.
  • the handle 5 includes a first end 5a and a second end 5b. On the underside 4b of the housing 4, the first end 5a of the handle 5 is attached.
  • the foot part 6 includes an upper end 6a and a lower end 6b. The upper end 6a of the foot part 6 is attached to the second end 5b of the handle 5 .
  • the lower end 6b of the foot part 6 contains a mechanical, electrical and electronic interface 15 and is used for mechanical, electrical and electronic connection to the accumulator 3.
  • the interface 15 contains a number of current connections 16.
  • the interface 15 also contains data connections 17 for sending and receiving signals between the machine tool 2 and the accumulator 3.
  • the control device 9 of the machine tool 2 contains a microcontroller 18 (also referred to as an MCU) and a data interface 19 with a first transceiver 20 as part of a communication circuit KS for serial, digital communication between the accumulator 3 and the machine tool 2.
  • the data interface 19 of the Machine tool 2 is one of a total of two data interfaces to the communication circuit KS for serial, digital communication between accumulator 3 and machine tool 2.
  • accumulator 3 contains the other of the two data interfaces 29.
  • the rechargeable battery 3 essentially contains a housing 21 with a rechargeable battery interface 22.
  • the housing 21 of the rechargeable battery 3 there are a large number of energy storage cells 23 and control electronics 24 with a microcontroller 25.
  • the accumulator 3 also contains a data interface 29 with a second transceiver 30 as part of a communication circuit KS for serial, digital communication between the accumulator 3 and the machine tool 2.
  • the energy storage cells 23 can also be referred to as rechargeable battery cells and are used to receive, store and provide electrical energy or an electrical voltage.
  • the battery interface 22 is positioned on a side of the case 21 .
  • the battery interface 22 contains a number of power plugs 27 for receiving and delivering electrical power and data plugs 28 for sending and receiving signals between the machine tool 2 and the accumulator 3.
  • the electrical power can be released from the energy storage cells 23 via the power plugs 27 .
  • the power plugs 27 of the accumulator 3 are connected to the power connections 16 of the machine tool 2.
  • the data plugs 28 of the accumulator 3 are also connected to the data connections 17 of the machine tool 2 .
  • Electric current can flow from the energy storage cells 23 of the accumulator 3 to the machine tool 2 through the connection. Furthermore, signals for communication between the energy supply device 3 and the machine tool 2 can be exchanged.
  • a wireless communication connection can preferably also exist between the transceivers 20, 30 of the system 1, which can include means for the wireless transmission of signals between the transceivers 20, 30, for example. According to the invention, it is preferred that the means for the wireless transmission of signals between the transceivers 20, 30 also exchange signals and/or data using serial digital communication.
  • the activation switch 13 is positioned on a front side 5c of the handle 5.
  • FIG. 1 By moving the activation switch 13 in direction A, a signal can be sent from the activation switch 13 to the controller 9 , as a result of which the controller 9 in turn sends a signal to the control electronics 24 of the accumulator 3 .
  • the signal sent to the control electronics 24 releases electrical energy or electrical current with a specific current value from the accumulator 3 for the electrical consumer of the machine tool 2 and in particular for the drive 8 designed as an electric motor.
  • the machine tool 2 has a current device (not shown) with which the current strength of the supply current can be measured.
  • the supply current can flow to the electrical consumers of the machine tool 2 .
  • the current measuring device can also be positioned in the accumulator 3 . It is preferred within the meaning of the invention that the machine tool 2 and the energy supply device 3 include power lines 26 for conducting an electric current.
  • the activation switch 13 contains a potentiometer (not shown), also called a potentiometer.
  • a corresponding signal is sent to the controller 9 using the potentiometer (not shown), so that no electric current (and thus no electric energy) flows from the accumulator 3 to the machine tool 2.
  • the serial, digital communication between the accumulator 3 and the machine tool 2 takes place via a communication connection, which can include a communication circuit KS with at least one first communication line 31 .
  • the communication link can be wireless and include means for wireless signal transmission using serial digital communication.
  • Both the accumulator 3 and the machine tool 2 each contain a data interface 19, 29 with a transceiver 20, 30 to participate in the communication circuit KS.
  • the transceivers 20, 30 can be configured as CAN transceivers.
  • the transceiver 20 of the machine tool is connected via the data interface and a first communication line 31 (also referred to as the COM high line) and a second communication line 32 (also referred to as the COM low line) and the data interface 29 to the Transceiver 30 of the accumulator 3 connected.
  • a first communication line 31 also referred to as the COM high line
  • a second communication line 32 also referred to as the COM low line
  • the communication circuit KS with a first transceiver 20 and a second transceiver 30 can only be positioned in the housing 4 of the machine tool 2 .
  • the differential communication only takes place within the machine tool, i.e. between components of the machine tool 2 .
  • the transceiver 20 of the machine tool 2 can send signals (e.g. a bit) via the data interface 19, the first and second communication lines 31, 32 to the data interface 29 and the transceiver 30 of the accumulator 3.
  • both the COM high line 31 and the COM low line 32 are set to a first state HZ via the communication circuit KS in order to send a signal in the form of a bit.
  • the first state HZ for the COM high line 31 and for the COM low line 32 is the high state, i.e. in which a first differential voltage is between 1.5 and 3 volts.
  • the first differential voltage for the first (high) state HZ is 3 volts.
  • FIGS. 3 to 5 relate in particular to differential communication with two communication lines 31, 32 between the transceivers 20, 30, which are intended to exchange data and/or signals with one another.
  • the second state NZ for the COM high line 31 and for the COM low line 32 is the low state, ie in which a second differential voltage is between -0.5 and 0.5 volts.
  • An optimal value for the second differential voltage is 0 volts.
  • the second differential voltage for the second (low) state NZ is 0.5 volts.
  • the maximum voltage value in the first state can be up to 12 volts (i.e. -12 volts or +12 volts) relative to the ground potential of the accumulator 3.
  • FIG. 6 shows a graphical representation of the importance of signal interference 10 for different sized areas enclosed by the communication lines 31 , 32 .
  • the communication lines 31 , 32 run between the first transceiver 20 and the second transceiver 30 , with the first transceiver 20 preferably being able to be part of the machine tool 2 , while the second transceiver 30 is arranged on the energy supply device 3 .
  • FIG. 6 shows power lines 26 through which electric current I can flow.
  • the communication lines 31 , 32 enclose a large area with each other, so that signal interference 10 has a significant impact on the communication between the first transceiver 20 and the second transceiver 30 .
  • This signal interference 10 has an effect, in particular, due to strong inductive coupling into the communication lines 31 , 32 .
  • FIG. 7 shows a graphic representation of a more preferred embodiment of the proposed machine tool 2 in which there is a smaller distance between the communication lines 31 , 32 or in which a smaller area is enclosed by the communication lines 31 , 32 .
  • an area that can be enclosed by the communication lines 31, 32 is less than 20 cm 2 if more than one communication line is used for the serial digital communication.
  • FIG. 8 shows a schematic side view of a preferred embodiment of the energy supply device 3.
  • the energy supply device 3 shown in FIG. In particular, the cells 33 are symbolized by the circles, while the strands are symbolized by the elongated rectangles surrounding the circles ("cells 33").
  • 9 shows a schematic view of a machine tool 2 with a proposed energy supply device 3.
  • the machine tool 2 can be, for example, a cut-off grinder that has a cut-off wheel as a tool.
  • the machine tool 2 can have a handle which is designed, for example, as a rear handle.
  • the machine tool 2 can have control elements, such as switches or buttons, in a manner known per se.
  • the machine tool 2 can have a motor (not shown), which represents a consumer and can be supplied with electrical energy by the energy supply device 3 .
  • the energy supply device 3 has three energy storage cells 33 .

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit wenigstens einer Steuerungseinrichtung, wobei die Werkzeugmaschine lösbar mit einer Energieversorgungsvorrichtung verbunden werden kann, wobei wenigstens eine Kommunikationsverbindung zum Austausch von Signalen zwischen einem ersten Transceiver und einem zweiten Transceiver unter Verwendung einer seriellen digitalen Kommunikation vorgesehen ist, wobei die Energieversorgungsvorrichtung mindestens eine Energiespeicherzelle umfasst und die mindestens eine Zelle eine Nominalkapazität von mindestens 1,5 Ampèrestunden aufweist, sowie eine Oberfläche A und ein Volumen V, wobei die Oberfläche A der mindestens einen Zelle größer ist als das Achtfache der dritten Wurzel des Quadrats des Volumens V der mindestens einen Zelle. In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein System, das eine solche Werkzeugmaschine und eine Energieversorgungsvorrichtung umfasst.

Description

WERKZEUGMASCHINE MIT EINER KOMMUNIKATIONSVERBINDUNG ZUR SERIELLEN DIGITALEN KOMMUNIKATION ZWISCHEN ZWEI TRANSCEIVERN, SOWIE SYSTEM
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit wenigstens einer Steuerungseinrichtung, wobei die Werkzeugmaschine lösbar mit einer Energieversorgungsvorrichtung verbindbar ist, wobei wenigstens eine Kommunikationsverbindung zum Austausch von Signalen zwischen einem ersten Transceiver und einem zweiten Transceiver unter Verwendung einer seriellen digitalen Kommunikation vorgesehen ist, wobei die Energieversorgungsvorrichtung mindestens eine Energiespeicherzelle umfasst und die mindestens eine Zelle eine Nominalkapazität von mindestens 1 ,5 Amperestunden aufweist, sowie eine Oberfläche A und ein Volumen V, wobei die Oberfläche A der mindestens einen Zelle größer ist als das Achtfache der dritten Wurzel des Quadrats des Volumens V der mindestens einen Zelle. In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein System, das eine solche Werkzeugmaschine und eine Energieversorgungsvorrichtung umfasst.
Hintergrund der Erfindung:
Moderne Werkzeugmaschinen, wie beispielsweise Bohrhämmer, Sägen, Schleifgeräte oder dergleichen, verfügen mittlerweile über zahlreiche Komponenten (z.B. Motoreinheit, Getriebeeinheit, Transceiver, Mikrocontroller, etc.), welche eine Vielzahl an Informationen und Daten in Form von Signalen miteinander austauschen. Insbesondere zwischen einer Werkzeugmaschine und einem als Energieversorgung vorgesehenen Akkumulator findet mittlerweile ein hoher Informations- und Datenaustausch statt.
Zum Datenaustausch (d.h. Senden und Empfangen von Informationen) dienen verschiedene Kommunikationsnetzwerke bzw. Kommunikationsschaltkreise. Die Kommunikation zwischen den einzelnen Komponenten, d.h. der Datenaustausch, funktioniert für gewöhnlich ohne Probleme, wenn sich die Werkzeugmaschine in einem Ruhezustand befindet. In dem Ruhezustand ist die Werkzeugmaschine nicht aktiviert und nur relativ wenig elektrische Energie (d.h. niedrige Stromwerte bzw. Stromstärke) wird dem Antrieb zugeführt. Im Gegensatz dazu wird in einem Arbeitsmodus der Werkzeugmaschine relativ viel elektrische Energie (d.h. hohe Stromwerte bzw. Stromstärke) zugeführt, um eine hohe Leistungsabgabe der Werkzeugmaschine zu erzeugen.
Durch hohe Stromwerte und vor allem sich relativ schnell verändernde Stromwerte (d.h. eine starke Fluktuation) entsteht jedoch eine ungewollte Störeinkopplung (beispielsweise induktive Einkopplung, kapazitive Einkopplung, elektromagnetische Strahlung und/oder leitungsgebundene Störungen) auf benachbarte Signalleitung in dem Kommunikationsnetzwerk. Da die technischen Maßnahmen für eine geeignete Störunempfindlichkeit an den Kommunikationsnetzwerken für gewöhnlich einen hohen Aufwand und gestiegene Kosten verursachen, wird als Folge hieraus auf eine Kommunikation zwischen den Komponenten während des Betriebs (d.h. im Aktivierungsmodus) der Werkzeugmaschine verzichtet.
Die EP 3 795 302 A1 offenbart beispielsweise eine robuste Kommunikation in einer Werkzeugmaschine, bei der Signale in einem Halbduplex-Betrieb ausgetauscht werden.
In der US 2014 0131 059 A1 wird eine batteriebetriebene Werkzeugmaschine offenbart, die einen bürstenlosen Gleichstrom-Motor umfasst. Die Werkzeugmaschine oder die Batterie können dazu ausgebildet sein, seriell zu kommunizieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Werkzeugmaschine und ein System umfassend eine Werkzeugmaschine und eine Energieversorgungsvorrichtung bereitzustellen, mit dem das vorstehend genannte Problem gelöst und eine robuste Kommunikation während des Betriebs der Werkzeugmaschine bzw. des Systems erreicht werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Beschreibung der Erfindung:
Erfindungsgemäß ist eine Werkzeugmaschine mit wenigstens einer Steuerungseinrichtung vorgesehen, wobei die Werkzeugmaschine lösbar mit einer Energieversorgungsvorrichtung verbindbar ist, wobei wenigstens eine Kommunikationsverbindung zum Austausch von Signalen zwischen einem ersten Transceiver und einem zweiten Transceiver unter Verwendung einer seriellen digitalen Kommunikation vorgesehen ist, wobei die Energieversorgungsvorrichtung mindestens eine Energiespeicherzelle umfasst und die mindestens eine Zelle eine Nominalkapazität von mindestens 1 ,5 Amperestunden aufweist, sowie eine Oberfläche A und ein Volumen V, wobei die Oberfläche A der mindestens einen Zelle größer ist als das Achtfache der dritten Wurzel des Quadrats des Volumens V der mindestens einen Zelle. Hierdurch wird eine robuste und störunempfindliche Kommunikation auch während des Betriebs der Werkzeugmaschine ermöglicht. Die serielle Kommunikation ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Datenbits hintereinander versendet bzw. übertragen werden können. Tests haben gezeigt, dass mit der Erfindung vor allem sicherheitsrelevante Funktionen der Werkzeugmaschine besser umgesetzt werden können als bei konventionellen Werkzeugmaschinen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Werkzeugmaschine lösbar mit einer Energieversorgungsvorrichtung verbindbar ist, wobei die Energieversorgungsvorrichtung vorzugsweise dazu eingerichtet ist, die Werkzeugmaschine mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Energieversorgungsvorrichtung kann vorzugsweise einen Akkumulator („Akku“) umfassen oder von einem Akkumulator gebildet werden, so dass die Begriffe „Energieversorgungsvorrichtung“ und „Akkumulator“ im Kontext der vorliegenden Erfindung synonym verwendet werden. Es ist im Sinne der Erfindung ganz besonders bevorzugt, dass der erste Transceiver in der Werkzeugmaschine und der zweite Transceiver in der Energieversorgungsvorrichtung positioniert ist. Mit anderen Worten kann der erste Transceiver bzw. der erste Kommunikationspartner der seriellen, digitalen Kommunikation, Bestandteil der Werkzeugmaschine sein, während der zweite Transceiver bzw. der zweite Kommunikationspartner der seriellen, digitalen Kommunikation bevorzugt in der Energieversorgungsvorrichtung integriert vorliegt. Somit können mit der Erfindung Signale und/oder Daten zwischen einer Werkzeugmaschine und einer Energieversorgungsvorrichtung besonders störungsresistent ausgetauscht werden. Die Formulierung, dass der erste Transceiver in der Werkzeugmaschine und der zweite Transceiver in der Energieversorgungsvorrichtung positioniert ist, steht nicht im Widerspruch dazu, dass der Kommunikationsschaltkreis der Werkzeugmaschine zum Austausch von Signalen zwischen einem ersten Transceiver und einem zweiten Transceiver vorgesehen ist. Denn wenn die Energieversorgungsvorrichtung mit der Werkzeugmaschine verbunden vorliegt, um die Werkzeugmaschine mit elektrischer Energie zu versorgen, kann die Energieversorgungsvorrichtung als Bestandteil oder Komponente der Werkzeugmaschine betrachtet werden. In diesem Fall kann der zweite Transceiver gleichzeitig Bestandteil der Energieversorgungsvorrichtung und der Werkzeugmaschine sein. Es sind im Sinne der Erfindung folgende Konfigurationsmöglichkeiten für die Transceiver bevorzugt: a) Der erste Transceiver ist in der Werkzeugmaschine positioniert und der zweite Transceiver ist in der Energieversorgungsvorrichtung positioniert. b) Der erste und der zweite T ransceiver sind in der Werkzeugmaschine positioniert. Im ersten Fall kann die Erfindung in einer alternativen Formulierung wie folgt beschrieben werden: Werkzeugmaschine mit wenigstens einer Steuerungseinrichtung vorgesehen, wobei wenigstens ein Kommunikationsschaltkreis zum Austausch von Signalen zwischen einem ersten Transceiver und einem zweiten Transceiver mit mindestens einer Kommunikationsleitung für eine serielle digitale Kommunikation vorgesehen, wobei der erste Transceiver in der Werkzeugmaschine positioniert ist und der zweite Transceiver in der Werkzeugmaschine oder in der Energieversorgungsvorrichtung positioniert ist.
Es kann im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, dass beide Transceiver in der Werkzeugmaschine angeordnet vorliegen.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Kommunikationsverbindung einen Kommunikationsschaltkreis mit mindestens einer Kommunikationsleitung zur drahtgebundenen Übertragung von Signalen im Wege der seriellen digitalen Kommunikation und/oder Mittel zur drahtlosen Übertragung von Signalen im Wege der seriellen digitalen Kommunikation umfasst. Das bedeutet im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Kommunikation zwischen den Transceivern drahtgebunden oder drahtlos erfolgen kann.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Austausch von Signalen in einem Halbduplex- Betrieb oder in einem Vollduplex-Betrieb erfolgt. Darüber hinaus kann der Austausch von Signalen massebezogen oder im Rahmen einer differentiellen Kommunikation erfolgen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Kommunikationsschaltkreis Masseleitungen aufweist, die vorzugsweise niederohmige Verbindungen darstellen, mit denen Potentialdifferenzen zwischen den Transceivern ausgeglichen werden können. Der Begriff „massebezogen“ ist im Sinne der Erfindung so zu verstehen, dass ein Kommunikationssignal massebezogen ist, wenn die Spannung gegenüber einem Massepotential gemessen wird, vorzugsweise einem gemeinsame Massepotential. Dabei wird im Kontext der vorliegenden Erfindung vorzugsweise der Minuspol der Energieversorgungsvorrichtung der Werkzeugmaschine als gemeinsames Massepotential verwendet.
Vorzugsweise kann die Kommunikationsverbindung bzw. der Kommunikationsschaltkreis der Werkzeugmaschine zwei Kommunikationsleitungen umfassen, wenn die Kommunikation zwischen den Transceivern massebezogen ist und auf einer Vollduplex-Technologie beruht. Vorzugsweise kann der Kommunikationsschaltkreis der Werkzeugmaschine vier Kommunikationsleitungen umfassen, wenn die Kommunikation zwischen den Transceivern im Rahmen einer differentiellen Kommunikation erfolgt und auf einer Vollduplex-Technologie beruht. Vorzugsweise kann der Kommunikationsschaltkreis der Werkzeugmaschine eine Kommunikationsleitung umfassen, wenn die Kommunikation zwischen den Transceivern massebezogen ist und auf einer Halbduplex-Technologie beruht. Vorzugsweise kann der Kommunikationsschaltkreis der Werkzeugmaschine zwei Kommunikationsleitungen umfassen, wenn die Kommunikation zwischen den Transceivern im Rahmen einer differentiellen Kommunikation erfolgt und auf einer Halbduplex-Technologie beruht.
Bei den Signalen, die zwischen den Transceivern ausgetauscht werden, kann es sich vorzugsweise um physikalische Signale, wie massebezogene Spannungssignale, differentielle Spannungssignale und/oder Stromsignale, handeln.
Bei massebezogenen Signalen sind je nach Kommunikationsverfahren Signalpegel von - 3 V bis - 15 V in einem ersten Zustand A und 3 V bis 15 V in einem zweiten Zustand B bevorzugt. In einem anderen Verfahren können Signalpegel zwischen 2 und 10 V in einem ersten Zustand A und zwischen -0,4 V und 0,8 V in einem zweiten Zustand B bevorzugt sein. Die Zustände A und B und die Zustände HZ und NZ bezeichnen im Sinne der Erfindung diejenigen zwei binären Zustände, in denen ein digitales Signal vorliegen kann. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass bei der seriellen Kommunikation diese Bits oder Zustände in einem bestimmten zeitlichen Abstand aneinandergereiht bzw. aneinandergehängt versendet werden.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass eine erste Differenzspannung bei der differentiellen Kommunikation für einen ersten Zustand (HZ) zwischen -20 V bis 1 Volt liegt und eine zweite Differenzspannung für einen zweiten Zustand zwischen 1 ,5 bis 20 Volt liegt.
Der erste Zustand bei der differentiellen Kommunikation kann auch als dominanter oder hoher Zustand bezeichnet werden. Des Weiteren kann der zweite Zustand bei der differentiellen Kommunikation auch als rezessiver oder niedriger Zustand bezeichnet werden.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann es möglich sein, dass wenigstens ein Akkumulator als Energieversorgung der Werkzeugmaschine vorgesehen ist, wobei die Energieversorgungsvorrichtung ein Massepotential aufweist. Das Massepotential der Energieversorgungsvorrichtung kann vorzugsweise auch als Ground, Potential Null oder Masse bezeichnet werden.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass eine Datenübertragungsrate in einem Bereich von 9,6 KBit/s bis 5 MBit/s liegt. Tests haben gezeigt, dass eine Datenübertragungsrate in einem Bereich von 9,6 KBit/s bis 5 MBit/s eine effiziente und robuste Kommunikation zwischen einer Werkzeugmaschine und einer Energieversorgungsvorrichtung ermöglicht, selbst dann, wenn die Werkzeugmaschine in Betrieb und ggf. starken Vibrationen und Erschütterungen ausgesetzt ist. Solche starken Vibrationen und Erschütterungen können insbesondere bei besonders leistungsstarken Werkzeugmaschinen auftreten.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass ein Widerstand der mindestens einen Kommunikationsleitung kleiner als 1 Ohm ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn die serielle digitale Kommunikation drahtgebunden erfolgt. Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, bei einer drahtgebundenen Kommunikation den Widerstand der Kommunikationsleitung einschließlich etwaiger Steckverbindungen kleiner als 1 Ohm zu halten.
Die serielle digitale Kommunikation kann beispielsweise auf einer Nahfeld-Kommunikation beruht. Dies gilt insbesondere dann, wenn die serielle digitale Kommunikation drahtlos ausgebildet ist. Wenn die serielle digitale Kommunikation drahtlos ausgebildet ist, kann es bevorzugt sein, dass eine Antennenfläche des ersten Transceivers und/oder des zweiten Transceivers in einem Bereich von 4 cm2 bis 20 cm2 liegt. Dadurch wird eine besonders stabile Kommunikation zwischen den beteiligten Kommunikationspartnem ermöglicht. Wenn die die serielle digitale Kommunikation drahtlos ausgebildet ist, kann es darüber hinaus bevorzugt sein, dass ein Abstand zwischen Antennen des ersten Transceivers und Antennen des zweiten Transceivers kleiner als 4 cm ist. Mit anderen Worten liegen die Antennen des ersten Transceivers weniger als 4 cm beabstandet von den Antennen des zweiten Transceivers angeordnet vor. Wenn der erste Transceiver an der Werkzeugmaschine angeordnet vorliegt und der zweite Transceiver Bestandteil der Energieversorgungsvorrichtung ist, liegen die Antennen der beiden Transceiver weniger als 4 cm auseinander angeordnet vor.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Kommunikationsleitungen zwischen den Transceivern miteinander verdrillt vorliegen, wenn mehr als eine Kommunikationsleitung für die serielle digitale Kommunikation zwischen den Transceivern des Kommunikationssystems verwendet wird und wenn die Kommunikation leitungsgebunden erfolgt. Durch die Verdrillung können wechselseitige Signaleinkopplungen zwischen den Kommunikationsleitungen ausgeglichen bzw. vermieden werden.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass Abstände zwischen Leitungskreuzungspunkten zwischen den Kommunikationsleitungen in einem Bereich von 5 mm bis 25 mm liegen, wenn mehr als eine Kommunikationsleitung für die serielle digitale Kommunikation verwendet wird. Die genannten Abstände zwischen den Leitungskreuzungspunkten können vorteilhafterweise einen Beitrag dazu leisten, dass die Kommunikation zwischen den Transceivern noch robuster gegenüber Signalstörungen ist. Insbesondere kann durch die genannten Abstände zwischen den Leitungskreuzungspunkten eine besonders robuste Kommunikation zwischen einer beson- ders leistungsstarken Werkzeugmaschine und einer Energieversorgungsvorrichtung, die vorzugsweise in der Lage ist, Abgabeströme in einem Bereich von mehr als 50 Ampere (A), bevorzugt mehr als 70 A und am meisten bevorzugt von mehr von 100 A abzugeben. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Leitungskreuzungspunkte durch paarweises Verdrillen der Kommunikationsleitungen entstehen, wobei die Leitungskreuzungspunkte vorzugsweise in Abständen von 5 bis 25 mm auftreten können. Es kann im Sinne der Erfindung bevorzugt sein, dass die Leitungskreuzungspunkte in regelmäßigen Abständen auftreten, so dass die Leitungskreuzungspunkte im Wesentlichen äquidistant zueinander vorliegen. Es kann aber im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, dass die Leitungskreuzungspunkte in unregelmäßigen Abständen vorliegen, wobei diese Abstände bevorzugt in einem Bereich von 5 bis 25 mm liegen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Leitungen der differentiellen Kommunikation als „Leitungspaare“ bezeichnet werden. Darüber hinaus können bei Austausch von Signalen in einem Halbduplex-Betrieb zusammengehörige Sende- und Empfangsleitungen als „Leitungspaare“ bezeichnet werden.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass eine Fläche, die von den Kommunikationsleitungen umschließbar ist, kleiner als 20 cm2 ist, wenn mehr als eine Kommunikationsleitung für die serielle digitale Kommunikation verwendet wird. Durch dergestalt kleine, durch die Kommunikationsleitungen umschlossene Flächen, kann eine induktive Einkopplung von Störungen auf ein Mindestmaß reduziert werden, so dass die Kommunikation zwischen den beteiligten Systempartnern - zum Beispiel Werkzeugmaschine und Energieversorgungsvorrichtung - besonders robust und wenig störanfällig sein kann. Die Formulierung, dass eine Fläche von den Kommunikationsleitungen umschließbar ist, bedeutet im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die entsprechende Fläche von den Kommunikationsleitungen umschlossen wird. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass mit dem Begriff „Fläche“ diejenige Fläche gemeint ist, die von einem Leitungspaar umschlossen wird.
Die erste und die zweite Kommunikationsleitung für eine differentielle Kommunikation zwischen der Energieversorgungsvorrichtung und der Werkzeugmaschine sind Bestandteile eines Kommunikationssystems. Das Kommunikationssystem kann dabei als CAN-Datenbus ausgestaltet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass ein anderes geeignetes Kommunikationssystem für eine differentielle Kommunikation zwischen dem Akkumulator und der Werkzeugmaschine verwendet wird.
Neben der Werkzeugmaschine wird ein System offenbart, dass eine Werkzeugmaschine mit wenigstens einer Steuerungseinrichtung und eine Energieversorgungsvorrichtung mit wenigs- tens einer Steuerungselektronik umfasst, wobei die Energieversorgungsvorrichtung zur Versorgung der Werkzeugmaschine mit elektrischer Energie ausgestaltet ist. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Systembeteiligten - Werkzeugmaschine und Energieversorgungsvorrichtung - auf die zuvor beschriebene Weise miteinander kommunizieren und Daten austauschen können. Dabei kann eine Kommunikationsverbindung zum Austausch von Signalen zwischen einem ersten Transceiver und einem zweiten Transceiver vorgesehen sein, wobei die Kommunikationsverbindung beispielsweise einen Kommunikationsschaltkreis mit wenigstens einer Kommunikationsleitung zur Durchführung einer seriellen digitalen Kommunikation umfassen kann. Alternativ oder ergänzend kann die Kommunikationsverbindung drahtlos ausgebildet sein und Mittel zur drahtlosen Übertragung von Signalen im Wege der seriellen digitalen Kommunikation umfassen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der wenigstens erste Transceiver in der Werkzeugmaschine und der wenigstens zweite Transceiver in der Energieversorgungsvorrichtung positioniert ist. Mithin ist die vorgeschlagene transceiver-basierte Kommunikation besonders geeignet für die Kommunikation zwischen besonders leistungsstarken Werkzeugmaschinen und Energieversorgungsvorrichtungen, wie im Folgenden beschrieben werden.
Mit anderen Worten betrifft die Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform ein System mit einer Werkzeugmaschine und einer Energieversorgungsvorrichtung, wobei die Werkzeugmaschine den ersten Transceiver und die Energieversorgungsvorrichtung den zweiten Transceiver umfasst. Die Transceiver bilden einen Kommunikationsschaltkreis zum Austausch von Signalen, so dass eine Kommunikation zwischen der Werkzeugmaschine und der Energieversorgungsvorrichtung mit Hilfe einer seriellen digitalen Kommunikation ermöglicht wird.
Die Erfindung kann ihre Vorteilhaftig keit vor allem dann voll entfalten, wenn sie in Verbindung mit neuen und zukünftigen Batterie- oder Zelltechnologien verwendet wird. Denn es ist zu erwarten, dass neue Batterietechnologien Energieversorgungsvorrichtung mit längeren Lebenszeiten und höheren Abgabeströmen hervorbringen werden. Beispielsweise können die Energievorrichtungen dazu eingerichtet sein, Ströme in einem Bereich von mehr als 50 Ampere (A), bevorzugt mehr als 70 A und am meisten bevorzugt von mehr als 100 A abgeben zu können. Bei den Strömen handelt es sich vorzugsweise um Konstant-Ströme. Vorteilhafterweise kann mit der Erfindung eine technische Lösung für die Kommunikation einer solchen Energieversorgungsvorrichtung mit einer Werkzeugmaschine bereitgestellt werden. Es wird im Kontext der Erfindung eine Energieversorgungsvorrichtung offenbart, die zusammen mit einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine ein System bilden kann. Mit anderen Worten kann die Energieversorgungs- Vorrichtung in dem vorgeschlagenen System verwendet werden. Dabei kann die Energieversorgungsvorrichtung vorzugsweise die folgenden Merkmale aufweisen:
Bei der Energieversorgungsvorrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Energieversorgungsvorrichtung mit einer besonders hohen Lebensdauer und/oder um eine Energieversorgungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, besonders hohe Ströme, insbesondere Konstant- Ström von mehr als 50 Ampere, bevorzugt mehr als 70 Ampere und am meisten bevorzugt von mehr als 100 Ampere, abzugeben.
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Energieversorgungsvorrichtung mindestens einer Energiespeicherzelle («Zelle») umfasst, wobei die mindestens eine Zelle einen Innenwiderstand DCR_I von kleiner als 10 Milliohm (mOhm) aufweist. Der Innenwiderstand DCR_I der mindestens einen Energiespeicherzelle ist kleiner als 8 Milliohm, bevorzugt kleiner e Milliohm. Dabei wird der Innenwiderstand DCR_I vorzugsweise nach der Norm IEC61960 gemessen. Der Innenwiderstand DCR_I stellt insbesondere den Widerstand einer Zelle der Energieversorgungsvorrichtung dar, wobei etwaige Komponenten oder Zubehörteile der Zelle keinen Beitrag zum Innenwiderstand DCR_I leisten. Ein geringer Innenwiderstand DCR_I ist von Vorteil, da dadurch unerwünschte Wärme, die abgeführt werden muss, überhaupt nicht entsteht. Der Innenwiderstand DCRJ ist insbesondere ein Gleichstrom-Widerstand, der im Inneren einer Zelle der vorgeschlagenen Energieversorgungsvorrichtung gemessen werden kann. Selbstverständlich kann der Innenwiderstand DCRJ auch Zwischenwerte, wie 6,02 Milliohm; 7,49 Milliohm; 8,33 Milliohm; 8,65 Milliohm oder 9,5 Milliohm, annehmen.
Es hat sich gezeigt, dass mit dem Innenwiderstand DCRJ der mindestens einen Zelle von kleiner als 10 Milliohm eine Energieversorgungsvorrichtung bereitgestellt werden kann, die besonders gute thermische Eigenschaften in dem Sinne aufweist, dass sie besonders gut bei niedrigen Temperaturen betrieben werden kann, wobei der Kühlaufwand überraschend gering gehalten werden kann. Insbesondere ist eine Energieversorgungsvorrichtung mit einem Zell-Innen- widerstand DCRJ von kleiner als 10 Milliohm besonders gut geeignet, um besonders leistungsstarke Werkzeugmaschinen mit elektrischer Energie zu versorgen. Solche Energieversorgungsvorrichtungen können somit einen wertvollen Beitrag dazu leisten, einen Einsatz von akkubetriebenen Werkzeugmaschinen auch in solchen Anwendungsgebieten zu ermöglichen, von denen die Fachwelt bisher davon ausgegangen war, dass diese Anwendungsgebiete akkubetriebenen Werkzeugmaschinen nicht zugänglich sind.
Vorteilhafterweise kann mit eine solchen Energieversorgungsvorrichtung eine Möglichkeit dafür geschaffen werden, eine batterie- oder akkubetriebene Werkzeugmaschine mit einer erfin- dungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung über einen langen Zeitraum mit einer hohen Abgabeleistung zu versorgen, ohne die umliegenden Kunststoffbauteile oder die Zellchemie innerhalb der Zellen der Energieversorgungsvorrichtung zu schädigen.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass ein Verhältnis eines Widerstands der mindestens einen Zelle zu einer Oberfläche A der mindestens einen Zelle kleiner als 0,2 Milliohm/cm2 ist, bevorzugt kleiner als 0,1 Milliohm/cm2 und am meisten bevorzugt kleiner als 0,05 Milliohm/cm2. Bei einer zylindrischen Zelle kann die Oberfläche der Zelle beispielsweise von der Außenfläche des Zylinders, sowie der Oberseite und der Unterseite der Zelle gebildet werden. Es kann darüber hinaus im Sinne der Erfindung bevorzugt sein, dass ein Verhältnis eines Widerstands der mindestens einen Zelle zu einem Volumen V der mindestens einen Zelle kleiner als 0,4 Milliohm/cm3 ist, bevorzugt kleiner als 0,3 Milliohm/cm3 und am meisten bevorzugt kleiner als 0,2 Milliohm/cm3. Der Fachmann kennt für übliche geometrische Formen, wie Quader, Würfel, Kugel oder dergleichen, die Formeln zur Berechnung der Oberfläche oder des Volumens eines solchen geometrischen Körpers. Der Begriff «Widerstand» bezeichnet im Sinne der Erfindung bevorzugt den Innenwiderstand DCR_I, der vorzugsweise nach der Norm IEC61960 gemessen werden kann. Vorzugsweise handelt es sich dabei um einen Gleichstrom-Widerstand.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die mindestens eine Zelle einen Erwärmungskoeffizienten von kleiner als 1 ,0 W/(Ah-A) aufweist, bevorzugt kleiner als 0,75 W/(Ah-A) und besonders bevorzugt von kleiner als 0,5 W/(Ah-A). Darüber hinaus kann die mindestens eine Zelle dazu ausgebildet sein, im Wesentlichen konstant einen Strom von größer als 1 .000 Ampere/Liter abzugeben. Die Angabe des Entladestroms erfolgt in Bezug auf das Volumen der mindestens einen Zelle, wobei als Einheit für das Volumen die Raum-Maßeinheit «Liter» (I) verwendet wird. Die erfindungsgemäßen Zellen sind somit in der Lage, pro Liter Zellvolumen einen Entladestrom von im Wesentlichen konstant größer als 1 .000 A abzugeben. Mit anderen Worten ist eine Zelle mit einem Volumen von 1 Liter in der Lage, einen im Wesentlichen konstanten Entladestrom von größer als 1 .000 A abzugeben, wobei die mindestens eine Zelle darüber hinaus einen Erwärmungskoeffizienten von kleiner als 1 ,0 W/(Ah-A) aufweist. In bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung kann die mindestens eine Zelle der vorgeschlagenen Energieversorgungsvorrichtung einen Erwärmungskoeffizienten von kleiner als 0,75 W/(Ah-A), bevorzugt kleiner als 0,5 W/ (Ah-A) aufweisen. Die Einheit des Erwärmungskoeffizienten lautet Watt / (Amperestunden • Ampere). Selbstverständlich kann der Erwärmungskoeffizient auch Zwischenwerte, wie 0,56 W/(Ah-A); 0,723 W/(Ah-A) oder 0,925 W/(Ah-A) aufweisen. Die Erfindung ermöglicht vorteilhafterweise die Bereitstellung einer Energieversorgungsvorrichtung mit mindestens einer Zelle, die eine verringerte Erwärmung aufweist und somit besonders gut für die Versorgung von Werkzeugmaschine geeignet ist, bei denen hohe Leistungen und hohe Ströme, vorzugsweise Konstant-Ströme, für den Betrieb erwünscht sind. Insbesondere kann mit der Erfindung eine Energieversorgungsvorrichtung für eine Werkzeugmaschine bereitgestellt werden, bei der die Wärme, die gegebenenfalls bei Betrieb der Werkzeugmaschine und bei Abgabe von elektrischer Energie an die Werkzeugmaschine entsteht, besonders einfach und unkompliziert abgeführt werden kann. Tests haben gezeigt, dass mit der Erfindung nicht nur vorhandene Wärme besser abgeführt werden kann. Vielmehr wird mit der Erfindung verhindert, dass Wärme entsteht bzw. die bei Betrieb der Werkzeugmaschine erzeugte Wärmemenge kann mit der Erfindung erheblich reduziert werden. Vorteilhafterweise kann mit der Erfindung eine Energieversorgungsvorrichtung bereitgestellt werden, die vor allem auch solche Werkzeugmaschine optimal mit elektrischer Energie versorgen kann, die hohe Anforderungen an Leistung und Entladestrom stellen. Mit anderen Worten kann mit der Erfindung eine Energieversorgungsvorrichtung für besonders leistungsstarke Werkzeugmaschine bereitgestellt werden, mit denen beispielsweise auf Baustellen schwere Bohr- oder Abbrucharbeiten verrichtet werden.
Der Begriff «Werkzeugmaschine» ist im Sinne der Erfindung als typisches Gerät zu verstehen, dass auf einer Baustelle, beispielsweise einer Hochbau-Baustelle und/oder einer Tiefbau- Baustelle, verwendet werden kann. Es kann sich um Bohrhämmer, Meißelgeräte, Kernbohrgerät, Winkel- oder Trennschleifer, Trenngeräte oder dergleichen handeln, ohne darauf beschränkt zu sein. Darüber hinaus können Hilfsgeräte, wie sie gelegentlich auf Baustellen verwendet werden, wie Lampen, Radios, Staubsauger, Meßgeräte, Bau-Roboter, Schubkarren, Transportgeräte, Vorschubvorrichtungen oder andere Hilfsgeräte «Werkzeugmaschine» im Sinne der Erfindung sein. Die Werkzeugmaschine kann insbesondere eine mobile Werkzeugmaschine sein, wobei die vorgeschlagene Energieversorgungsvorrichtung insbesondere auch in stationären Werkzeugmaschinen, wie ständergeführten Bohrgeräten oder Kreissägen, zum Einsatz kommen kann. Bevorzugt sind aber handgeführte Werkzeugmaschinen, die insbesondere akku- oder batteriebetrieben sind. Die Werkzeugmaschine kann beispielsweise auch ein Ladegerät für die Energieversorgungsvorrichtung sein.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die mindestens eine Zelle eine Temperatur- Abkühl-Halbwertzeit kleiner als 12 Minuten aufweist, bevorzugt kleiner 10 Minuten, besonders bevorzugt kleiner 8 Minuten. Das bedeutet im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass sich bei freier Konvektion eine Temperatur der mindestens einen Zelle in weniger als 12, 10 oder 8 min halbiert. Die Temperatur-Abkühl-Halbwertzeit wird vorzugsweise in einem Ruhezustand der Ener- gieversorgungsvorrichtung ermittelt, d.h. wenn die Energieversorgungsvorrichtung nicht in Betrieb, d.h. mit einer Werkzeugmaschine verbunden vorliegt. Vor allem Energieversorgungsvorrichtungen mit Temperatur-Abkühl-Halbwertzeiten von kleiner als 8 min haben sich als besonders geeignet für den Einsatz bei leistungsstarken Werkzeugmaschinen gezeigt. Selbstverständlich kann die Temperatur-Abkühl-Halbwertzeit auch einen Wert von 8,5 Minuten, 9 Minuten 20 Sekunden oder von 11 Minuten 47 Sekunden aufweisen.
Durch die überraschend geringe Temperatur-Abkühl-Halbwertzeit der vorgeschlagenen Energieversorgungsvorrichtung verweilt die im Betrieb der Werkzeugmaschine oder bei ihrem Laden erzeugte Wärme nur für kurze Zeit innerhalb der mindestens einen Zelle. Auf diese Weise kann die Zelle besonders schnell wieder aufgeladen werden und steht zügig für einen erneuten Einsatz in der Werkzeugmaschine zur Verfügung. Vielmehr kann die thermische Belastung der Komponente der Energieversorgungsvorrichtung oder der Werkzeugmaschine mit der vorgeschlagenen Energieversorgungsvorrichtung erheblich reduziert werden. Dadurch kann die Energieversorgungsvorrichtung geschont und ihre Lebenszeit verlängert werden.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die mindestens eine Zelle in einem Batteriepack der Energieversorgungsvorrichtung angeordnet ist. In dem Batteriepack können vorzugsweise eine Reihe von Einzelzellen zusammengefasst werden und auf diese Weise optimal in die Energieversorgungsvorrichtung eingefügt werden. Beispielsweise können 5, 6 oder 10 Zellen einen Batteriepack bilden, wobei auch ganzzahlige Vielfache dieser Zahlen möglich sind. Beispielsweise kann die Energieversorgungsvorrichtung einzelne Zellstränge aufweisen, die beispielsweise 5, 6 oder 10 Zellen umfassen können. Eine Energieversorgungsvorrichtung mit beispielsweise drei Strängen ä fünf Zellen kann beispielsweise 15 Einzelzellen umfassen.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Energieversorgungsvorrichtung eine Kapazität von wenigstens 2,2 Ah, bevorzugt wenigstens 2,5 Ah aufweist. Tests haben gezeigt, dass die genannten Kapazitätswerte besonders gut für den Einsatz von leistungsstarken Werkzeugmaschinen im Baugewerbe geeignet sind und den dortigen Anforderungen an Verfügbarkeit von elektrischer Energie und möglicher Nutzungsdauer der Werkzeugmaschine besonders gut entsprechen.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Zelle der Energieversorgungsvorrichtung dazu eingerichtet, einen Entladestrom über wenigstens 10 s von wenigstens 20 A abzugeben. Beispielsweise kann eine Zelle der Energieversorgungsvorrichtung dazu ausgebildet sein, einen Entladestrom über wenigstens 10 s von wenigstens 20 A, insbesondere wenigstens 25 A, bereitzustellen. Mit anderen Worten kann die mindestens eine Zelle einer Energieversorgungsvorrichtung dazu ein- gerichtet sein, einen Dauerstrom von wenigstens 20 A, insbesondere von wenigstens 25 A, bereitzustellen.
Gleichfalls ist es denkbar, dass Spitzenströme, insbesondere kurzzeitige Spitzenströme, zu einer starken Erwärmung der Energieversorgungsvorrichtung führen können. Daher ist eine Energieversorgungsvorrichtung mit einer leistungsstarken Kühlung, wie sie durch die vorliegend beschriebenen Maßnahmen erzielt werden kann, besonders vorteilhaft. Denkbar ist beispielsweise, dass die mindestens eine Zelle der Energieversorgungsvorrichtung über 1 Sekunde hinweg wenigstens 50 A bereitstellen kann. Mit anderen Worten ist es im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die mindestens eine Zelle der Energieversorgungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, einen Entladestrom über wenigstens 1 s von wenigstens 50 A bereitzustellen. Werkzeugmaschinen können oftmals kurzzeitig hohe Leistungen benötigen. Eine Energieversorgungsvorrichtung, deren Zellen dazu in der Lage sind, einen derartigen Spitzenstrom und/oder einen derartigen Dauerstrom abzugeben, kann daher besonders geeignet für leistungsstarke Werkzeugmaschinen sein, wie sie auf Baustellen eingesetzt werden.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die mindestens eine Zelle einen Elektrolyten umfasst, wobei der Elektrolyt bei Raumtemperatur vorzugsweise in einem flüssigen Aggregatzustand vorliegt. Der Elektrolyt kann Lithium, Natrium und/oder Magnesium umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein. Insbesondere kann der Elektrolyt Lithium-basiert sein. Alternativ oder ergänzend kann er auch Natrium-basiert sein. Denkbar ist auch, dass der Akkumulator Magnesi- um-basiert ist. Die elektrolyt-basierte Energieversorgungsvorrichtung kann eine Nennspannung von wenigstens 10 V, bevorzugt wenigstens 18 V, insbesondere von wenigstens 28 V, beispielsweise 36 V, aufweisen. Ganz besonders bevorzugt ist eine Nennspannung in einem Bereich von 18 bis 22 V, insbesondere in einem Bereich von 21 bis 22 V. Die mindestens eine Zelle der Energieversorgungsvorrichtung kann beispielsweise eine Spannung von 3,6 V aufweisen, ohne darauf beschränkt zu sein.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Energieversorgungsvorrichtung beispielsweise mit einer Laderate von 1 ,5 C, bevorzugt 2 C und am meisten bevorzugt von 3 C geladen wird. Unter einer Laderate xC kann dabei die Stromstärke verstanden werden, die benötigt wird, um eine entladene Energieversorgungsvorrichtung in einem dem Zahlwert x der Laderate x C entsprechenden Bruchteil einer Stunde vollständig aufzuladen. Eine Laderate von 3 C ermöglicht beispielsweise ein vollständiges Aufladen des Akkumulators binnen 20 Minuten.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die mindestens Zelle der Energieversorgungsvorrichtung eine Oberfläche A und ein Volumen V aufweist, wobei ein Verhältnis A/V von Oberflä- ehe zu Volumen größer ist als das Sechsfache, bevorzugt das Achtfache und besonders bevorzugt das Zehnfache des Kehrwerts der dritten Wurzel des Volumens.
Die Formulierung, dass die Oberfläche A der mindestens einen Zelle ist größer ist als beispielsweise das Achtfache der dritten Wurzel des Quadrats des Volumens V kann vorzugsweise auch durch die Formel 4>8*VA(2/3) zum Ausdruck gebracht werden. In einer anderen Schreibweise kann dieser Zusammenhang dadurch beschrieben werden, dass das Verhältnis A/V von Oberfläche zu Volumen größer ist als das Achtfache des Kehrwerts der dritten Wurzel des Volumens.
Dabei sind zur Prüfung, ob die obige Relation erfüllt ist, stets Werte in der gleichen Grundeinheit einzusetzen. Wenn beispielsweise ein Wert für die Oberfläche in m2 in die obige Formel eingesetzt wird, so wird für das Volumen vorzugsweise ein Wert in der Einheit m3 eingesetzt. Wenn beispielsweise ein Wert für die Oberfläche in der Einheit cm2 in die obige Formel eingesetzt wird, so wird für das Volumen vorzugsweise ein Wert in der Einheit cm3 eingesetzt. Wenn beispielsweise ein Wert für die Oberfläche in der Einheit mm2 in die obige Formel eingesetzt wird, so wird für das Volumen vorzugsweise ein Wert in der Einheit mm3 eingesetzt.
Zellgeometrien, die beispielsweise die Relation von 4>8*VA(2/3) erfüllen, weisen vorteilhafterweise ein besonders günstiges Verhältnis zwischen der für die Kühlwirkung maßgeblichen Außenfläche der Zelle zum Zellvolumen auf. Dabei haben die Erfinder erkannt, dass das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen der mindestens einen Zelle der Energieversorgungsvorrichtung einen wichtigen Einfluss auf die Entwärmung der Energieversorgungsvorrichtung hat. Die verbesserte Kühlfähigkeit der vorgeschlagenen Energieversorgungsvorrichtung kann vorteilhafterweise durch eine Erhöhung der Zelloberfläche bei gleichbleibendem Volumen und geringem Innenwiderstand der mindestens einen Zelle erreicht werden. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass eine geringe Zelltemperatur bei gleichzeitig hoher Leistungsabgabe vorzugsweise dann ermöglicht werden kann, wenn der Innenwiderstand der Zelle reduziert wird. Die Reduzierung des Innenwiderstands der mindestens einen Zelle kann zu einer geringeren Wärmeentstehung führen. Darüber hinaus kann eine geringe Zelltemperatur durch die Verwendung von Zellen, bei denen die Oberfläche A von mindestens einer Zelle innerhalb der Energieversorgungsvorrichtung größer ist als das Sechsfache, bevorzugt das Achtfache und besonders bevorzugt das Zehnfache der dritten Wurzel des Quadrats des Volumens V der mindestens einen Zelle. Dadurch kann insbesondere die Wärmeabgabe an die Umgebung verbessert werden.
Es hat sich gezeigt, dass Energieversorgungsvorrichtungen, deren Zellen die genannte Relation erfüllen, deutlich besser gekühlt werden können als bisher bekannte Energieversorgungsvorrichtungen mit beispielsweise zylinderförmigen Zellen. Die obige Relation kann beispielsweise dadurch erfüllt werden, dass die Zellen der vorgeschlagenen Energieversorgungsvorrichtung zwar eine zylinderförmige Grundform aufweisen, aber zusätzliche Oberflächen vergrößernde Elemente auf ihrer Oberfläche angeordnet sind. Dabei kann es sich beispielsweise um Rippen, Zähne oder dergleichen handeln. Es können im Rahmen der Erfindung auch Zellen verwendet werden, die keine zylinderförmige oder zylindrische Grundform aufweisen, sondern vollkommen anders geformt sind. Beispielsweise können die Zellen der vorgeschlagenen Energieversorgungsvorrichtung eine im Wesentlichen quader- oder würfelförmige Grundform aufweisen. Der Begriff „im Wesentlichen“ ist dabei für den Fachmann nicht unklar, weil der Fachmann weiß, dass im Kontext der vorliegenden Erfindung beispielsweise auch ein Quader mit Einbuchtungen oder abgerundeten Ecken und/oder Kanten unter den Begriff „im Wesentlichen quaderförmig“ fallen soll.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die mindestens eine Zelle einen Zellkern aufweist, wobei kein Punkt innerhalb des Zellkerns mehr als 5 mm von einer Oberfläche der Energieversorgungsvorrichtung entfernt ist. Wenn die Energieversorgungsvorrichtung entladen wird, beispielsweise wenn sie mit einer Werkzeugmaschine verbunden ist und mit der Werkzeugmaschine gearbeitet wird, kann im Zellkern Wärme entstehen. Diese Wärme kann in dieser konkreten Ausgestaltung der Erfindung auf verhältnismäßig kurzem Wege bis zur Oberfläche der Zelle der Energieversorgungsvorrichtung transportiert werden. Von der Oberfläche kann die Wärme optimal abgeführt werden. Somit kann eine solche Energieversorgungsvorrichtung eine gute Kühlung, insbesondere eine vergleichsweise gute Selbstkühlung, aufweisen. Die Zeitdauer bis zum Erreichen der Grenztemperatur kann verlängert und/oder das Erreichen der Grenztemperatur vorteilhafterweise gänzlich vermieden werden. Als weiterer Vorteil der Erfindung kann Innerhalb des Zellkerns eine verhältnismäßig homogene Temperaturverteilung erreicht werden. Hierdurch kann sich eine gleichmäßige Alterung des Akkumulators ergeben. Dies wiederum kann die Lebensdauer der Energieversorgungsvorrichtung erhöhen.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die mindestens eine Zelle eine maximale Kon- stant-Strom-Abgabe von größer als 20 Ampere, bevorzugt größer als 30 Ampere, am meisten bevorzugt größer 40 Ampere aufweist. Die maximale Konstant-Strom-Abgabe ist die Menge an Strom einer Zelle oder einer Energieversorgungsvorrichtung, die entnommen werden kann, ohne dass die Zelle oder die Energieversorgungsvorrichtung an eine Temperatur-Obergrenze gelangt. Mögliche Temperatur-Obergrenze können in einem Bereich von 60 °C oder 70 °C liegen, ohne darauf beschränkt zu sein. Die Einheit der maximalen Konstant-Strom-Abgabe ist Ampere. Bei allen Wertebereichen, die im Kontext der vorliegenden Erfindung genannt werden, sollen stets auch alle Zwischenwerte als offenbart gelten. Als Beispiel sollen bei der maximalen Kon- stant-Strom-Abgabe auch Werte zwischen 20 und 30 A als offenbart gelten, also zum Beispiel 21 ; 22,3; 24, 25,55 oder 27,06 Ampere usw. Darüber hinaus sollen auch Werte zwischen 30 und 40 A als offenbart gelten, also zum Beispiel 32; 33,3; 36, 38,55 oder 39,07 Ampere usw.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Energieversorgungsvorrichtung eine Entlade- C-Rate von größer als 80 • tA(-0,45) aufweist, wobei der Buchstabe „t“ für die Zeit in der Einheit Sekunden steht. Die C-Rate ermöglicht vorteilhafterweise eine Quantifizierung der Lade- und Entladeströme für Energieversorgungsvorrichtungen, wobei die hier verwendete Enlade-C-Rate insbesondere die Quantifizierung der Entladeströme von Energieversorgungsvorrichtungen ermöglicht. Mit der C-Rate können beispielsweise die maximal zulässigen Lade- und Entladeströme angegeben werden. Diese Lade- und Entladeströme hängen vorzugsweise von der Nennkapazität der Energieversorgungsvorrichtung ab. Die ungewöhnlich hohe Entlade-C-Rate von 80 • tA(-0,45) bedeutet vorteilhafterweise, dass mit der vorgeschlagenen Energieversorgungsvorrichtung besonders hohe Entladeströme erreicht werden können, die für den Betrieb von leistungsstarken Werkzeugmaschinen im Baugewerbe erforderlich sind. Beispielsweise können die Entladeströme in einem Bereich von größer als 40 Ampere, bevorzugt größer als 60 Ampere oder noch mehr bevorzugt größer als 80 Ampere liegen.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Zelle einen Zelltemperaturgradienten von kleiner 10 Kelvin aufweist. Der Zelltemperaturgradient ist vorzugsweise ein Maß für Temperaturunterschiede innerhalb der mindestens einen Zelle der vorgeschlagenen Energieversorgungsvorrichtung, wobei es im Sinne der Erfindung bevorzugt ist, dass die Zelle eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung aufweist, d.h. dass eine Temperatur in einem inneren Bereich der Zelle möglichst wenig abweicht von einer Temperatur, die im Bereich einer Mantel- oder Außenfläche der Zelle gemessen wird.
Die vorgeschlagene Energieversorgungsvorrichtung weist eine Nominalkapazität von mindestens 1 ,5 Amperestunden (Ah) auf. Tests haben gezeigt, dass Energieversorgungsvorrichtungen mit einer Nominalkapazität von mehr 1 ,5 Ah besonders gut für den Einsatz von leistungsstarken Werkzeugmaschinen im Baugewerbe geeignet sind und den dortigen Anforderungen an Verfügbarkeit von elektrischer Energie und möglicher Nutzungsdauer der Werkzeugmaschine besonders gut entsprechen.
Dabei wird die Nominalkapazität der Energieversorgungsvorrichtung vorzugsweise bei Raumtemperatur gemessen. Der Entladestrom beträgt vorzugsweise 10 A, wobei das Entladen bevor- zugt bei 2,5 V und das Laden bevorzugt bei 4,2 V endet. Geladen wird die Zelle nach dem CCCV-Modus, wobei die Abkürzung «CCCV» für Constant Current / Constant Voltage steht und dem Fachmann geläufig ist. Der Ladestrom beträgt dabei vorzugsweise 0,5 C bzw. 0,75A, gefolgt von einer konstanten Spannungs-Phase bis 50 Milli-Ampere («constant voltage»). Bei einer Auftragung der Entladungs-Kapazität gegenüber dem Entladungs-Strom zeigt sich, dass Nominalkapazitäts-Werte von mehr 1 ,5 Ah erreicht werden. Die Nominalkapazitäts-Werte von mehr 1 ,5 Ah werden insbesondere bei Entladungs-Strom-Werten von größer als 15 Ampere erreicht.
Es hat sich gezeigt, dass die Speicherfähigkeit bzw. die Kapazität der Energieversorgungsvorrichtung bzw. ihrer Zellen in Bezug auf elektrische Energie abhängig vom Volumen des Aktivmaterials ist. Als Aktivmaterial können Zellen beispielsweise Graphit oder Graphit-Silizium als Ano- denmate-rial und mindestes ein Metall-Oxid als Akthodenmaterial umfassen. Bei dem mindestens einen Kathodenmaterial kann es sich vorzugsweise im Li-, Ni-, Mn-, Co- oder Al-Oxide handeln, oder um eine Mischung davon. Es hat sich gezeigt, dass typische spezifische Kapazitäten des Anodenmaterials > 180mAh/g und des Kathodenmaterials > 350mAh/g sind.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass bei Energieversorgungsvorrichtungen für Werkzeugmaschinen keine Batteriezellen vom Typ 14500 zum Einsatz kommen. Vielmehr sind die Batteriezellen, die bei der vorgeschlagenen Energieversorgungsvorrichtung verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen eine Nominalkapazität von mindestens 1 ,5 Amperestunden aufweisen, sowie eine Oberfläche A und ein Volumen V, wobei die Oberfläche A der Zellen größer ist als das Achtfache der dritten Wurzel des Quadrats des Volumens V der Zellen ist. Alternativ oder ergänzend kann ein Verhältnis von Widerstand und Oberfläche der Zellen kleiner als 0,2 Milliohm/cm2 sein. Somit wendet sich die Erfindung von „haushaltsüblichen“ Batteriezellen des Typs 14500 gerade ab. Es hat sich gezeigt, dass Energieversorgungsvorrichtungen mit der genannten Merkmalskombination besonders günstige Wärmeabgabe-Eigenschaften aufweisen. Dadurch kann eine Überhitzung der Energieversorgungsvorrichtung wirksam verhindert werden.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass unter dem Begriff „Oberfläche“ eine maximale, einhüllende Mantelfläche eines Objekts verstanden wird. Das kann im Kontext der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass die Oberfläche eines Körpers oder eines Gegenstands als Summe seiner Begrenzungsflächen aufgefasst wird. Der Begriff „Volumen“ wird im Sinne der Erfindung vorzugsweise als derjenige Rauminhalt verstanden, der von der maximalen, einhüllenden Mantelfläche des Objekts umschlossen wird. Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
In den Figuren sind gleiche und gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
Es zeigen:
Figur 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes System enthaltend eine Werkzeugmaschine mit einem angeschlossenen Akkumulator als Energieversorgung;
Figur 2 einen Querschnitt durch ein Fussteil der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine mit einem angeschlossenen Akkumulator;
Figur 3 eine erste grafische Darstellung der verschiedenen Spannungspegel in einem ersten und zweiten Zustand bei der differentiellen Kommunikation in dem erfindungsgemäßen System;
Figur 4 eine zweite grafische Darstellung der verschiedenen Spannungspegel in dem ersten und zweiten Zustand bei der differentiellen Kommunikation in dem erfindungsgemäßen System;
Figur 5 eine dritte grafische Darstellung der verschiedenen Spannungspegel in dem ersten und zweiten Zustand bei der differentiellen Kommunikation in dem erfindungsgemäßen System;
Fig. 6 eine grafische Darstellung der Bedeutung von Signalstörungen bei unterschiedlich großen Flächen, die von den Kommunikationsleitungen eingeschlossen werden; und
Fig. 7 weitere grafische Darstellung der Bedeutung von Signalstörungen bei unterschiedlich großen Flächen, die von den Kommunikationsleitungen eingeschlossen werden.
Fig. 8 schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausgestaltung der Energieversorgungsvorrichtung
Fig. 9 schematische Seitenansicht einer Werkzeugmaschine mit einer bevorzugten Ausgestaltung der Energieversorgungsvorrichtung Ausführunqsbeispiele und Fiqurenbeschreibunq:
In Figur 1 ist eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems 1 mit einer Werkzeugmaschine 2 und einem Akkumulator s dargestellt. Der Akkumulator 3, der auch als Energieversorgungsvorrichtung bezeichnet werden kann, ist mit der Werkzeugmaschine 2 verbunden und dient zur Versorgung der elektrischen Verbraucher der Werkzeugmaschine 2 mit elektrischer Energie. Bei der Versorgung fließt elektrischer Strom von dem Akkumulator 3 zu der Werkzeugmaschine 2. Der Akkumulator kann darüber hinaus auch als Akku oder Batterie bezeichnet werden.
Wie in Figur 1 dargestellt, ist die Werkzeugmaschine 2 in Form eines Akku-Schraubers dargestellt. Gemäß anderer alternativer Ausführungsformen kann die Werkzeugmaschine 2 auch in Form einer Bohrmaschine, einer Säge, eines Schleifgeräts oder dergleichen ausgestaltet sein.
Die als Akku-Schrauber ausgestaltete Werkzeugmaschine 2 enthält im Wesentlichen ein Gehäuse 4, ein Handgriff 5, ein Fussteil 6, eine Werkzeugaufnahme 7, einen elektrischen Antrieb 8 in Form eines Elektromotors, eine Steuerungseinrichtung 9, ein Getriebe 9a, eine Antriebswelle 11 , eine Abtriebswelle 12 und einen Aktivierungsschalter 13.
Der als Elektromotor ausgestaltet elektrische Antrieb 8, das Getriebe 10, die Antriebswelle 11 , die Abtriebswelle 12 und die Steuerungseinrichtung 9 sind in dem Gehäuse 4 positioniert. Der Antrieb 8, das Getriebe 10, die Antriebswelle 11 und die Abtriebswelle 12 sind so zueinander und in dem Gehäuse 10 positioniert, dass ein von dem Antrieb 8 erzeugtes Drehmoment an die Abtriebswelle 12 übertragen wird. Die Abtriebswelle 12 überträgt das Drehmoment auf das Getriebe 10, welches wiederum ein Drehmoment an die Antriebswelle 11 weitergibt. Über die Antriebswelle 11 wird durch Übertragung des Drehmoments die Werkzeugaufnahme 7 angetrieben. Wie in Figur 1 dargestellt, ist in der Werkzeugaufnahme 7 ein Werkzeug 14 in Form eines Bits gehalten. Mit Hilfe des Bits kann eine Schraube in einen Werkstoff eingeschraubt werden. Weder die Schraube noch der Werkstoff sind in den Figuren dargestellt.
Wie weiterhin in Figur 1 gezeigt, enthält das Gehäuse 4 eine Oberseite 4a und eine Unterseite 4b. Der Handgriff 5 enthält ein erstes Ende 5a und ein zweites Ende 5b. An der Unterseite 4b des Gehäuses 4 ist das erste Ende 5a des Handgriffs 5 befestigt. Des Weiteren enthält das Fussteil 6 ein oberes Ende 6a und ein unteres Ende 6b. Das obere Ende 6a des Fussteils 6 ist an dem zweiten Ende 5b des Handgriffs 5 befestigt. Das untere Ende 6b des Fussteils 6 enthält eine mechanische, elektrische und elektronische Schnittstelle 15 und dient zum mechanischen, elektrischen und elektronischen Verbinden mit dem Akkumulator 3. Zur Aufnahme von elektri- schem Strom enthält die Schnittstelle 15 eine Anzahl an Stromanschlüssen 16. Die Schnittstelle 15 enthält darüber hinaus Datenanschlüsse 17 zum Senden und Empfangen von Signalen zwischen der Werkzeugmaschine 2 und dem Akkumulator 3.
Wie den Figuren 1 und 2 zu entnehmen ist, ist die Steuerungseinrichtung 9 der Werkzeugmaschine 2 in dem Fussteil 6 der Werkzeugmaschine 2 positioniert. Die Steuerungseinrichtung 9 der Werkzeugmaschine 2 dient zum Steuern und Regeln verschiedener Vorgänge in Bezug auf die Werkzeugmaschine 2 sowie in Bezug auf den Akkumulator 3. Die Steuerungseinrichtung 9 steuert insbesondere den Strom bzw. die Stromstärke, die von dem Akkumulator 3 zu der Werkzeugmaschine 2 und insbesondere zum Antreiben des als Elektromotor ausgebildeten Antriebs 8 fließt.
Die Steuerungseinrichtung 9 der Werkzeugmaschine 2 enthält dabei einen Mikrocontroller 18 (auch als MCU bezeichnet) sowie eine Datenschnittstelle 19 mit einem ersten Transceiver 20 als Bestandteil eines Kommunikationsschaltkreises KS für eine serielle, digitale Kommunikation zwischen dem Akkumulator 3 und der Werkzeugmaschine 2. Die Datenschnittstelle 19 der Werkzeugmaschine 2 ist dabei eine von insgesamt zwei Datenschnittstellen zu dem Kommunikationsschaltkreis KS für die serielle, digitale Kommunikation zwischen dem Akkumulator 3 und der Werkzeugmaschine 2. Wie nachfolgend noch beschreiben ist enthält der Akkumulator 3 die andere der beiden Datenschnittstelle 29.
Der Akkumulator 3 enthält im Wesentlichen ein Gehäuse 21 mit einer Akku-Schnittstelle 22. In dem Gehäuse 21 des Akkumulators 3 sind eine Vielzahl an Energiespeicherzellen 23 sowie eine Steuerungselektronik 24 mit einem Mikrocontroller 25.
Der Akkumulator 3 enthält des Weiteren eine Datenschnittstelle 29 mit einem zweiten Transceiver 30 als Bestandteil eines Kommunikationsschaltkreises KS für eine serielle, digitale Kommunikation zwischen dem Akkumulator 3 und der Werkzeugmaschine 2.
Die Energiespeicherzellen 23 können auch als Akku-Zellen bezeichnet werden und dienen zum Aufnehmen, Speichern und Bereitstellen einer elektrischen Energie bzw. einer elektrischen Spannung.
Die Akku-Schnittstelle 22 ist an einer Seite des Gehäuses 21 positioniert. Die Akku-Schnittstelle 22 enthält eine Anzahl an Stromsteckern 27 zum Aufnehmen und Abgeben von elektrischem Strom sowie Datensteckern 28 zum Senden und Empfangen von Signalen zwischen der Werkzeugmaschine 2 und dem Akkumulator 3. Über die Stromstecker 27 kann der elektrische Strom von den Energiespeicherzellen 23 abgegeben werden. Wie in Figur 1 und 2 gezeigt, sind die Stromstecker 27 des Akkumulators 3 mit den Stromanschlüssen 16 der Werkzeugmaschine 2 verbunden. Ebenso sind die Datenstecker 28 des Akkumulators 3 mit den Datenanschlüssen 17 der Werkzeugmaschine 2 verbunden.
Durch die Verbindung kann elektrischer Strom von den Energiespeicherzellen 23 des Akkumulators 3 zu der Werkzeugmaschine 2 fließen. Des Weiteren können Signale zur Kommunikation zwischen der Energieversorgungsvorrichtung 3 und der Werkzeugmaschine 2 ausgetauscht werden. Zwischen den Transceivern 20, 30 des Systems 1 kann vorzugsweise auch eine drahtlose Kommunikationsverbindung bestehen, die beispielsweise Mittel zur drahtlosen Übertragung von Signalen zwischen den Transceivern 20, 30 umfassen kann. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass auch die Mittel zur drahtlosen Übertragung von Signalen zwischen den Transceivern 20, 30 unter Verwendung der seriellen digitalen Kommunikation Signale und/oder Daten austauschen.
Wie der Figur 1 zu entnehmen ist, ist der Aktivierungsschalter 13 an einer 5c Vorderseite des Handgriffs 5 positioniert. Durch ein Bewegen des Aktivierungsschalters 13 in Richtung A kann ein Signal von dem Aktivierungsschalter 13 an die Steuerung 9 gesendet werden, wodurch die Steuerung 9 wiederum ein Signal an die Steuerungselektronik 24 des Akkumulators 3 sendet. Durch das an die Steuerungselektronik 24 gesendete Signal wird elektrische Energie bzw. elektrischer Strom mit einem bestimmten Stromwert von dem Akkumulator 3 für den elektrischen Verbraucher der Werkzeugmaschine 2 und insbesondere den als Elektromotor ausgebildeten Antrieb 8 freigegeben. Die Werkzeugmaschine 2 hat eine (nicht gezeigte) Stromeinrichtung, mit der die Stromstärke des Versorgungstroms gemessen werden kann. Wenn ein Versorgungsstrom mit einer zulässigen Stromstärke gemessen wird, kann der Versorgungsstrom zu den elektrischen Verbrauchern der Werkzeugmaschine 2 fliessen. Alternativ oder zusätzlich kann die Strommesseinrichtung auch in dem Akkumulator 3 positioniert sein. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Werkzeugmaschine 2 und die Energieversorgungsvorrichtung 3 Stromleitungen 26 zur Leitung eines elektrischen Stroms umfassen.
Um ein Signal entsprechend der Wegstrecke des Aktivierungsschalters 13 in Richtung A an die Steuerung 9 zu senden, enthält der Aktivierungsschalter 13 ein nicht gezeigtes Potentiometer, auch Poti genannt.
Wenn sich der Aktivierungsschalter 13 wieder in Richtung B bewegt, wird ein entsprechendes Signal mit Hilfe des (nicht gezeigten) Potentiometers an die Steuerung 9 gesendet, sodass kein elektrischer Strom (und damit keine elektrische Energie) mehr vom Akkumulator 3 zu der Werkzeugmaschine 2 fließt. Die serielle, digitale Kommunikation zwischen dem Akkumulator 3 und der Werkzeugmaschine 2 erfolgt über eine Kommunikationsverbindung, die einen Kommunikationsschaltkreis KS mit mindestens einer ersten Kommunikationsleitung 31 umfassen kann. Alternativ oder ergänzend kann die Kommunikationsverbindung drahtlos ausgebildet sein und Mittel zur drahtlosen Signalübertragung unter Verwendung der seriellen digitalen Kommunikation umfassen. Zur Teilnahme an dem Kommunikationsschaltkreis KS enthält sowohl der Akkumulator 3 als auch die Werkzeugmaschine 2 jeweils eine Datenschnittstelle 19, 29 mit einem Transceiver 20, 30. Die Transceiver 20, 30 können dabei als CAN-Transceiver ausgestaltet sein. Wie in Figur 2 angedeutet ist der Transceiver 20 der Werkzeugmaschine über die Datenschnittstelle und einer ersten Kommunikationsleitung 31 (auch als COM-High-Leitung bezeichnet) sowie einer zweiten Kommunikationsleitung 32 (auch als COM-Low-Leitung bezeichnet) und der Datenschnittstelle 29 mit dem Transceiver 30 des Akkumulators 3 verbunden.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung, welche nicht in den Figuren dargestellt ist, kann der Kommunikationsschaltkreis KS mit einem ersten Transceiver 20 und zweiten Transceiver 30 lediglich in dem Gehäuse 4 der Werkzeugmaschine 2 positioniert sein. Hierdurch findet die differentielle Kommunikation lediglich innerhalb der Werkzeugmaschine, d.h. zwischen Komponenten der Werkzeugmaschine 2 statt.
Der Transceiver 20 der Werkzeugmaschine 2 kann Signale (z.B. ein Bit) über die Datenschnittstelle 19, die erste und zweite Kommunikationsleitung 31 , 32 an die Datenschnittstelle 29 und den Transceiver 30 des Akkumulators 3 senden.
Wie in den Figuren 3 bis 5 dargestellt, wird zum Senden eines Signals in Form eines Bits über den Kommunikationsschaltkreis KS sowohl die COM-High-Leitung 31 als auch die COM-Low- leitung 32 in einen ersten Zustand HZ versetzt. Der erste Zustand HZ für die COM-High-Leitung 31 und für die COM-Low-Ieitung 32 ist der hohe Zustand, d.h. bei dem eine erste Differenzspannung zwischen 1 ,5 und 3 Volt beträgt. In dem Ausführungsbeispiel in Figur 3 beträgt dabei die erst Differenzspannung für den ersten (hohen) Zustand HZ 3 Volt.
Die in den Figuren 3 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen insbesondere eine differentielle Kommunikation mit zwei Kommunikationsleitungen 31 , 32 zwischen den Transceivern 20, 30, die miteinander Daten und/oder Signale austauschen sollen.
Der zweite Zustand NZ für die COM-High-Leitung 31 und für die COM-Low-Ieitung 32 ist der niedrige Zustand, d.h. bei dem eine zweite Differenzspannung zwischen -0,5 und 0,5 Volt beträgt. Ein optimaler Wert für die zweite Differenzspannung ist dabei 0 Volt. In dem Ausführungs- beispiel in Figur 3 beträgt die zweite Differenzspannung für den zweiten (niedrigen) Zustand NZ 0,5 Volt.
Wie entsprechend in den Figuren 4 und 5 dargestellt kann der maximale Spannungswert in dem ersten Zustand bis zu 12 Volt (d.h. -12 Volt oder +12 Volt) gegenüber dem Massepotential des Akkumulators 3.
Fig. 6 zeigt eine grafische Darstellung der Bedeutung von Signalstörungen 10 bei unterschiedlich großen Flächen, die von den Kommunikationsleitungen 31 , 32 eingeschlossen werden. Die Kommunikationsleitungen 31 , 32 verlaufen zwischen dem ersten Transceiver 20 und dem zweiten Transceiver 30, wobei der erste Transceiver 20 vorzugsweise Bestandteil der Werkzeugmaschine 2 sein kann, während der zweite Transceiver 30 an der Energieversorgungsvorrichtung 3 angeordnet vorliegt. Darüber hinaus sind in Fig. 6 Stromleitungen 26 dargestellt, durch die elektrischer Strom I fließen kann. In dem in Fig. 6 dargestellten Kommunikationssystem schließen die Kommunikationsleitungen 31 , 32 eine große Fläche miteinander ein, so dass Signalstörungen 10 erhebliche Auswirkungen auf die Kommunikation zwischen dem ersten Transceiver 20 und dem zweiten Transceiver 30 haben. Diese Signalstörungen 10 wirken sich insbesondere durch starke induktive Einkopplungen in die Kommunikationsleitungen 31 , 32 aus.
Fig. 7 zeigt eine grafische Darstellung einer mehr bevorzugten Ausgestaltung der vorgeschlagenen Werkzeugmaschine 2, bei der ein kleinerer Abstand zwischen den Kommunikationsleitungen 31 , 32 besteht bzw. bei der eine kleinere Fläche von den Kommunikationsleitungen 31 , 32 eingeschlossen wird. Wie aus Fig. 7 im Vergleich zu Fig. 6 hervorgeht, ist bei einer solchen Ausgestaltung des Kommunikationsschaltkreises KS der Einfluss von Signalstörungen 10 auf die serielle, digitale Kommunikation erheblich reduziert und Daten und/oder Signale können besonders störungsfrei und robust zwischen den Kommunikationspartnern, wie Werkzeugmaschine 2 und Akkumulator 3 ausgetauscht werden. Es ist im Sinne der Erfindung ganz besonders bevorzugt, dass eine Fläche, die von den Kommunikationsleitungen 31 , 32 umschlossen werden kann, kleiner als 20 cm2 ist, wenn mehr als eine Kommunikationsleitung für die serielle digitale Kommunikation verwendet wird.
Figur 8 zeigt eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausgestaltung der Energieversorgungsvorrichtung 3. Die in Fig. 8 dargestellte Energieversorgungsvorrichtung 3 weist achtzehn Zellen 33 auf, wobei die achtzehn Zellen 33 in drei Strängen innerhalb der Energieversorgungsvorrichtung 3 angeordnet vorliegen. Die Zellen 33 werden insbesondere durch die Kreise symbolisiert, während die Stränge durch die länglichen Rechtecke symbolisiert werden, die die Kreise («Zellen 33») umgeben. Fig. 9 zeigt eine schematische Ansicht einer Werkzeugmaschine 2 mit einer vorgeschlagenen Energieversorgungsvorrichtung 3. Bei der Werkzeugmaschine 2 kann es sich beispielsweise um einen Trennschleifer handeln, der als Werkzeug eine Trennscheibe aufweist. Die Werkzeugmaschine 2 kann einen Griff aufweisen, der beispielsweise als hinterer Handgriff ausgebildet ist. Darüber hinaus kann die Werkzeugmaschine 2 in an sich bekannter Weise Bedienelemente, wie Schalter oder Knöpfe, aufweisen. Außerdem kann die Werkzeugmaschine 2 einen Motor (nicht dargestellt) aufweisen, der einen Verbraucher darstellen und von der Energieversorgungsvorrichtung 3 mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Die Energieversorgungsvorrichtung 3 weist in dem schematischen Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Systems 1 aus Werk- zeugmaschine 2 und Energieversorgungsvorrichtung 3 drei Energiespeicherzellen 33 auf.
Figure imgf000027_0001
1 System
2 Werkzeugmaschine
3 Akkumulator
4 Gehäuse
5 Handgriff
5a erstes Ende des Handgriffs
5b zweites Ende des Handgriffs
5c Vorderseite des Handgriffs
6 Fussteil
6a oberes Ende des Fussteils
6b unteres Ende des Fussteils
7 Werkzeugaufnahme
8 elektrischer Antrieb, z.B. Elektromotor
9 Steuerungseinrichtung
9a Getriebe
10 Signalstörung
11 Antriebswelle
12 Abtriebswelle
13 Aktivierungsschalter
14 Werkzeug
15 Schnittstelle
16 Stromanschlüsse
17 Datenanschlüsse
18 Mikrocontroller 19 erste Datenschnittstelle, beispielsweise an der Werkzeugmaschine
20 erster Transceiver
21 Gehäuse
22 Akku-Schnittstelle
23 Energiespeicherzellen
24 Steuerungselektronik
25 Mikrocontroller
26 Stromleitung
27 Stromstecker
28 Datenstecker
29 zweite Datenschnittstelle, beispielsweise an der Energieversorgungsvorrichtung
30 zweiter Transceiver
31 erste Kommunikationsleitung, "COM-High-Leitung"
32 zweite Kommunikationsleitung, "COM-Low-Leitung"
33 Energiespeicherzelle der Energieversorgungsvorrichtung
KS Kommunikationsschaltkreis
HZ erster Zustand
NZ zweiter Zustand

Claims

Figure imgf000029_0001
Werkzeugmaschine (2) mit wenigstens einer Steuerungseinrichtung (9), wobei die Werkzeugmaschine (2) lösbar mit einer Energieversorgungsvorrichtung (3) verbindbar ist, gekennzeichnet durch wenigstens eine Kommunikationsverbindung zum Austausch von Signalen zwischen einem ersten Transceiver (20) und einem zweiten Transceiver (30) unter Verwendung einer seriellen digitalen Kommunikation, wobei die Energieversorgungsvorrichtung (3) mindestens eine Energiespeicherzelle (33) umfasst und die mindestens eine Zelle (33) eine Nominalkapazität von mindestens 1 ,5 Amperestunden aufweist, sowie eine Oberfläche A und ein Volumen V, wobei die Oberfläche A der mindestens einen Zelle (33) größer ist als das Achtfache der dritten Wurzel des Quadrats des Volumens V der mindestens einen Zelle (33). Werkzeugmaschine (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Austausch von Signalen in einem Halbduplex-Betrieb oder in einem Vollduplex-Betrieb erfolgt. Werkzeugmaschine (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Austausch von Signalen massebezogen erfolgt. Werkzeugmaschine (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Austausch von Signalen im Rahmen einer differentiellen Kommunikation erfolgt. Werkzeugmaschine (2) nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Differenzspannung bei der differentiellen Kommunikation für einen ersten Zustand (HZ) zwischen -20 V bis 1 Volt liegt und eine zweite Differenzspannung für einen zweiten Zustand zwischen 1 ,5 bis 20 Volt liegt.
27 Werkzeugmaschine (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsverbindung einen Kommunikationsschaltkreis (KS) mit mindestens einer Kommunikationsleitung (31) zur drahtgebundenen Übertragung von Signalen im Wege der seriellen digitalen Kommunikation und/oder Mittel zur drahtlosen Übertragung von Signalen im Wege der seriellen digitalen Kommunikation umfasst. Werkzeugmaschine (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Transceiver (20) in der Werkzeugmaschine (2) und der zweite Transceiver (30) in der Energieversorgungsvorrichtung (3) positioniert ist. Werkzeugmaschine (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Datenübertragungsrate in einem Bereich von 9,6 KBit/s bis 5 MBit/s liegt. Werkzeugmaschine (2) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Widerstand der mindestens einen Kommunikationsleitung (31) kleiner als 1 Ohm ist. Werkzeugmaschine (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsleitungen (31 , 32) verdrillt vorliegen, wenn mehr als eine Kommunikationsleitung (31) für die serielle digitale Kommunikation verwendet wird. Werkzeugmaschine (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass
Abstände zwischen Leitungskreuzungspunkten zwischen den Kommunikationsleitungen (31 , 32) in einem Bereich von 5 mm bis 25 mm liegen, wenn mehr als eine Kommunikationsleitung (31) für die serielle digitale Kommunikation verwendet wird. Werkzeugmaschine (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Fläche, die von den Kommunikationsleitungen (31 , 32) umschlossen wird, kleiner als 20 cm2 ist, wenn mehr als eine Kommunikationsleitung (31) für die serielle digitale Kommunikation verwendet wird. Werkzeugmaschine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die serielle digitale Kommunikation auf einer Nahfeld-Kommunikation beruht. Werkzeugmaschine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 13 dadurch gekennzeichnet, dass eine Antennenfläche des ersten Transceivers (20) und/oder des zweiten Transceivers (30) in einem Bereich von 4 cm2 bis 20 cm2 liegt und/oder ein Abstand zwischen Antennen des ersten Transceivers (20) und den Antennen des zweiten Transceivers (30) kleiner als 4 cm ist. System (1) umfassend eine Werkzeugmaschine (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Energieversorgungsvorrichtung (3), wobei die Energieversorgungsvorrichtung (3) lösbar mit der Werkzeugmaschine (2) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem System (1) wenigstens eine Kommunikationsverbindung zum Austausch von Signalen zwischen einem ersten Transceiver (20) und einem zweiten Transceiver (30) unter Verwendung einer seriellen digitalen Kommunikation besteht, wobei die Energieversorgungsvorrichtung (3) mindestens eine Energiespeicherzelle (33) umfasst und die mindestens eine Zelle (33) eine Nominalkapazität von mindestens 1 ,5 Amperestunden aufweist, sowie eine Oberfläche A und ein Volumen V, wobei die Oberfläche A der mindestens einen Zelle (33) größer ist als das Achtfache der dritten Wurzel des Quadrats des Volumens V der mindestens einen Zelle (33).
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