Energiespeicher, Batterieanlagen
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Werkzeuge
Lithium-Ionen-Batterien für Elektrowerkzeuge
ep8/2007, 3 Seiten
Akku-Werkzeuge - voll im Trend Batteriebetriebene Elektrowerkzeuge liegen voll im Trend. Von weltweit 150 Mio. verkauften Elektrowerkzeugen pro Jahr beziehen schon mehr als 50 Mio. ihre Energie aus wieder aufladbaren Batterien - Tendenz steigend. Dabei waren diese praktischen Helfer vor 25 Jahren noch nahezu unbekannt. Als aufladbare Batterien standen nur Nickel-Cadmium (NiCd)-Zellen mit einer Kapazität von lediglich einer Amperestunde (1 Ah) zur Verfügung. 6 oder 8 Zellen pro Akku-Pack ergaben eine Packspannung von 7,2 oder 9,6 V und einen Energieinhalt von unter 10 Wattstunden (Wh). Heute sind Energieinhalte von über 70 Wh möglich. Das entspricht immerhin dem siebenfachen Wert der gespeicherten Energie. Eine technische Entwicklung innerhalb dieses Zeitraumes, die sich wahrlich nicht verstecken muss. Neben den reinen Leistungswerten spielen beim Einsatz des batteriebetriebenen Elektrowerkzeugs aber auch Faktoren wie Gewicht, Handlichkeit, Bedienungskomfort und Lebensdauer von Maschine und Akku-Pack für den Anwender eine sehr wichtige Rolle. Lithium-Ionen-Technik Ein wichtiger Schritt in diese Richtung ist mit der Entwicklung der Lithium-Ionen-Technologie gelungen. Im Markt bekannt sind die neuen Batterien erst seit wenigen Jahren, insbesondere durch den Einsatz in Mobiltelefonen, Laptops, Kameras und in tragbaren Unterhaltungsmedien. Diese erste Generation von Lithium-Batterien war in Elektrowerkzeugen allerdings nicht einsetzbar, da Akku-Schrauber und „Kollegen“ im Gegensatz zu den genannten Produkten einen wesentlich höheren Strom benötigen, und dieser während der Anwendung auch noch stark schwankt. Seit etwa anderthalb Jahren bieten nun einige Elektrowerkzeughersteller auswechselbare Akku-Packs auf Lithium (Li)-Ionen-Basis an, die die Anforderungen beim Eindrehen von Schrauben oder dem Bohren von Löchern nahezu perfekt erfüllen. Die neuen Batterien werden innerhalb kürzester Zeit NiCd- und Nickel-Metall-Hydrid (NiMH)-Zellen vom Markt verdrängen, zumal der Stoff Cadmium international geächtet und in der Zwischenzeit verboten wurde. Das Material Lithium Lithium ist ein chemisches Element (Element Nr. 3) und das leichteste bekannte Metall. Es ist nur etwa halb so schwer wie Wasser. Der 1817 entdeckte Stoff ist in Steinen enthalten - daher auch der Name, abgeleitet vom griechischen Wort „Lithos“- Stein. Diese „Steine“ baut man in Chile, den USA, Kanada, Zimbabwe und Australien ab. In einem Schmelzprozess bei 350 °C wird das ungiftige Material gewonnen. Es ist natürlicherweise in manchem Mineralwasser enthalten, wird in der Medizin für Medikamente eingesetzt und seit einigen Jahren auch zur Herstellung wieder aufladbarer Batterien. Lithium-Akkus haben im Vergleich zu bisher bekannten Batterien ganz erhebliche Vorteile, aber auch einen gravierenden Nachteil - die Feuergefährlichkeit. Die Schmelztemperatur des Metalls liegt bei nur 180 °C. Über diesen Nachteil konnte man im Sommer 2006 in vielen Zeitungsberichten lesen, als weltweit Laptops ausbrannten, und einige Hersteller ihre Batterien zurückrufen und austauschen mussten. Vorteile von Li-Ion- gegenüber NiCd- und NiMH-Akkus: · Geringeres Gewicht - bis zu 40 % leichter · Höhere Energieabgabe - bis zu 40 % mehr · Längere Lebensdauer - im Vergleich zu NiMH Verdoppelung der Lebensdauer · Kein Memory-Effekt · Geringe Selbstentladung · Umweltverträglichkeit · Einsatz bei tiefen Temperaturen problemlos möglich. Gewichtsersparnis. Der Einsatz von Lithium-Batterien kommt bei Akku-betriebenen Elektrowerkzeugen einem Quantensprung gleich. Da beim täglichen Einsatz das Gewicht der Maschinen eine große Rolle spielt, schlägt die Gewichtsersparnis von bis zu 40 % voll zu Buche. Mehr Energie. Gleichzeitig liefert die neue Akku-Generation bis zu 40 % mehr Energie. Das bedeutet für den Anwender, dass er mit einer Batterieladung 40 % mehr Schrauben eindrehen oder Löcher bohren kann. Grund dafür ist der exzellente Wirkungsgrad von Lithium-Akkus. Während Energiespeicher aus NiCd oder NiMH etwa 75 % der eingespeisten Energie abgeben, liegt dieser Wert bei Lithium-Ionen-Akkus bei 95%. Längere Lebensdauer. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist die längere Lebensdauer, insbesondere im Vergleich zu Batterien aus NiMH. Lithium-Ionen-Akkus können doppelt so häufig nachgeladen werden. Im Vergleich zu NiCd-Akkus ist die Lebensdauer ähnlich lang. Kein Memoryeffekt. Der bei Handys bis vor 3-5 Jahren bekannte sehr lästige Memory-Effekt existiert bei Li-Ionen-Batterien praktisch nicht. Deshalb können Batterien der neuen Technologie jederzeit bedenkenlos geladen werden, unabhängig vom Ladezustand. Es ist also nicht mehr notwendig, die Batterie vor dem Wiederaufladen zunächst leer zu fahren. Geringe Selbstentladung. Die Selbstentladung liegt bei NiCd-und NiMH-Akkus bei 20-25% pro Monat. Das bedeutet, dass eine voll geladene, aber nicht benutzte Batterie, nach 4-5 Monaten durch Selbstentladung leer geworden ist. Bei Lithium liegt dieser Faktor bei nur etwa 2 % pro Monat. Eine Lithium-Batterie hat also nach 3-4 Jahren immer noch einen gewissen Energieinhalt. Das wirkt sich z. B. bei Lampen besonders effektvoll aus. Fast jeder hat eine Akku-Lampe im PKW, die er selten benutzt. Wenn man sie dann braucht, ist in der Regel der Akku leer, denn wer lädt schon alle drei Monate seinen Akku nach. Beim Lithium-Akku ist eine Nachladung einmal in 3 Jahren sinnvoll und ausreichend. Umweltverträglichkeit. Diesbezüglich steht Lithium als natürliches, ungiftiges Material außerhalb jeder Kritik. Einsatz bei niedrigen Temperaturen. Für die Kunden ist es oftmals wichtig, dass die Akku-Werkzeuge auch noch bei minus 20 °C problemlos arbeiten können. Elektropraktiker, Berlin 61 (2007) 8 662 BETRIEBSFÜHRUNG Lithium-Ionen-Batterien für Elektrowerkzeuge Seit über einem Jahr sind Elektrowerkzeuge mit auswechselbaren Akku-Packs auf Lithium-Ionen-Basis am Markt. Diese erfüllen die Anforderungen beim Eindrehen von Schrauben oder dem Bohren von Löchern nahezu perfekt. Doch neben den reinen Leistungswerten spielen auch Faktoren wie Gewicht, Handlichkeit, Bedienkomfort und Lebensdauer von Maschine und Akku-Pack für den Anwender eine wichtige Rolle. Universal-Schnellladegerät zum Laden von 4,8 V- bis 18 V-Li-Ionen-, NiCd- und NiMH-Akku-Packs Schnittgrafik des Kühlsystems „Air cooled“ EP0807-658-671 23.07.2007 15:45 Uhr Seite 662 Besonderheiten der Li-Ionen-Technik Während NiCd- und NiMH-Zellen über eine Spannung von 1,2 V verfügen, muss man bei Lithium drei verschiedene Spannungen berücksichtigen - die Nennspannung mit 3,6 V, Minimalspannung mit 2,5 V und Maximalspannung mit 4,2 V. Nennspannung. Die Nennspannung, verglichen mit der Spannung bei NiCd und NiMH, ist mit 3,6 V dreimal höher. Meist wird die Nennspannung als Basis für die technischen Angaben benutzt. Nicht alle Hersteller kalkulieren aber mit 3,6 V pro Zelle. Manche Maschinenbezeichnungen basieren auf einer Rechnung mit beispielsweise 4 V pro Zelle. Das macht Vergleiche schwierig. Minimalspannung. Die Minimalspannung sollte 2,5 V nicht unterschreiten, da die Zellen empfindlich gegen Tiefentladung sind. Diesem Umstand sollte bei der Ladetechnik und beim Betrieb des Elektrowerkzeuges ebenso Rechnung getragen werden wie der Notwendigkeit, beim Ladevorgang die Spannung nicht über 4,2 V steigen zu lassen. Aus diesen Gründen benötigt eine Lithium-Batterie ein spezielles Ladeverfahren. Diese Batterien können also nicht mit herkömmlichen Ladegeräten geladen werden. Andererseits existieren bereits intelligente technische Lösungen für Ladegeräte, die neben Li- auch NiCd- und NiMH- Batterien laden können (Bild ). Ladevorgang Kühlung vor und während des Ladevorganges sorgt für ein sanftes Laden, erhöht die Lebensdauer und spart dem Anwender darüber hinaus sehr viel Zeit. Da Akku-Packs generell nicht bei Temperaturen über 50 °C geladen werden dürfen, muss bei einer starken Erwärmung zunächst die Temperatur unter diesen Wert absinken. Ohne das Verfahren „Air-cooled“ (luftgekühlt) dauert es etwa 1 Stunde, bis ein Akku mit einer Innentemperatur von z. B. 75 °C auf 50 °C abgekühlt ist. Mit Kühlung im Ladegerät wird diese Zeit auf ca. 15-20 Minuten reduziert. Das Kühlsystem „Air cooled“ (Bild ) saugt Außenluft durch den Akku-Pack und das Ladegerät und kühlt den Pack - vor und während des Ladevorganges. Damit erreicht man ein schonenderes Laden, eine längere Lebensdauer des Akkus und eine nennenswerte Zeitersparnis. Display. Um die gewünschte Spannung und Kapazität zu erzielen, sind die Akku-Packs mit der entsprechenden Anzahl von Zellen bestückt, brauchen in jedem Fall eine Elektronikeinheit zur Steuerung beim Arbeiten (Entladevorgang) und beim Ladevorgang. Sie verfügen häufig über ein Display, um dem Anwender verschiedene Informationen visuell anzuzeigen. Beim Ladevorgang sorgt die Elektronik von Ladegerät und Akku-Pack im Zusammenspiel dafür, dass beispielsweise die Ladekennlinie eingehalten wird, Spannung und Temperatur nicht über den zulässigen Maximalwert steigen und die Zellen nicht unterschiedlich geladen werden. Man spricht vom so genannten „Balancing“. Die Anzeige funktioniert meist so: Durch Drücken des Knopfes neben dem Display hat der Anwender die Möglichkeit, sich die Restkapazität anzeigen zu lassen. Automatisch zeigt das Display hohe Ströme oder niedriger werdende Spannung durch Blinken einer Diode an. Wenn der Akku-Pack entladen ist, blinken alle vier LEDs und signalisieren dem Benutzer notwendiges Nachladen. Sollte die Innentemperatur im Akku-Pack auf 80 °C ansteigen, unabhängig davon, ob zu starke Erwärmung beim Arbeiten oder intensive Sonneneinstrahlung die Gründe waren, blinken ebenfalls alle vier LEDs. Aus Sicherheitsgründen gibt der Akku-Pack keine Energie mehr ab, die Maschine läuft also nicht mehr, und er wird darüber hinaus „verriegelt“. Der Anwender muss den Pack aus der Maschine nehmen und ins Ladegerät stecken. Dort wird er dadurch zunächst abgekühlt, danach geladen und „entriegelt“. Das ist die sicherste Methode, dem Nachteil „Feuerempfindlichkeit“ bei Li-Ionen-Akku-Packs entgegenzuwirken. Komfortabel ohne Kabel All das interessiert den Anwender meist nur am Rand. Er will seine Aufgaben möglichst schnell und komfortabel lösen und ein Gerät mit bestem Preis-Leistungsver-Elektropraktiker, Berlin 61 (2007) 8 EP0807-658-671 23.07.2007 15:45 Uhr Seite 663 PV-Installateur als Importeur Mögliche Situation So könnte die Situation beispielsweise aussehen: Die Firma Mustermann ist als Elektrofachbetrieb für die Installation von Photovoltaik-Anlagen erfolgreich auf dem Markt. Ihre Kunden sind Private und gelegentlich auch Gewerbetreibende (Bild ). Bislang hat die Mustermann Gmb H ihre Einkäufe bei Händlern und Zulieferern im eigenen Umkreis getätigt. Solarmodule sind nicht immer schnell zu erhalten und haben sich in den letzten Jahren nicht verbilligt. Da soll jetzt Abhilfe her. Der neue Einkaufsleiter Müller wird daher von seinem Chef Mustermann, beauftragt, doch einmal intensiv im Internet nach neuen Bezugsquellen zu forschen und sich auch um die Modalitäten beim Auslandsgeschäft zu kümmern. UN-Kaufrecht als vertragliche Basis Anders als beim Inlandsgeschäft ist bei Bestellungen im Ausland immer zu fragen, auf welcher Rechtsgrundlage der Kaufvertrag steht. Es gilt grundsätzlich nie Elektropraktiker, Berlin 61 (2007) 8 664 BETRIEBSFÜHRUNG hältnis erwerben. Deshalb schaut er beim Kauf zunächst auf die Maschine (Bilder und ). Aber welche ist die Richtige? Am häufigsten vergleichen Anwender nur die Voltzahlen miteinander. Das ist ein gravierender Irrtum. Die Voltangabe einer Akku-Maschine sagte in der Vergangenheit bei NiCd- und NiMH-Akkus zumindest etwas über die Anzahl der Zellen aus. Selbst das ist bei Li-Ion nicht der Fall, da bei leistungsstarken Maschinen die Anzahl der Zellen zur Erhöhung der Kapazität verdoppelt wird. Ein 18-V-Gerät hat in diesem Fall nicht 5 (5-mal 3,6 Volt = 18 Volt), sondern 10 Zellen. Das kann der Käufer aber nicht wissen. Auswahl des Ladegeräts Zur Auswahl des geeigneten Akku-Geräts sind zunächst 2 Kriterien zu beachten: 1. Konkreter Einsatzzweck der Maschine 2. Häufigkeit ihres Einsatzes 1. Hierbei spielt das Drehmoment eine Rolle, wie das beispielsweise beim Eindrehen einer simplen Schraube gezeigt werden kann. Je größer der Durchmesser der Schraube, je länger die Schraube und je härter das Material ist, in das die Schraube eingezogen werden soll, um so stärker muss die Drehkraft der Maschine, sprich das Drehmoment, sein. Drehmoment ist durch nichts zu ersetzen. Höheres Drehmoment bedeutet darüber hinaus weniger Überlastmöglichkeiten der Maschine durch den Anwender und damit längere Lebensdauer des Gerätes. Außerdem wird die Arbeit schneller erledigt, da die Drehzahl weniger stark abfällt. Allerdings darf man sich nicht vom Drehmoment im „harten Schraubfall“ blenden lassen. Manche Hersteller werben mit diesem Drehmoment, weil es die größere Zahl ist. Vergleichen sollte man das Drehmoment im „weichen Schraubfall“. Wenn die Angabe „hart“ oder „weich“ fehlt, sollte man vorsichtig sein. 2. Für die Erläuterung dieses Punktes, der häufig mit der Frage „Wie lange hält denn ein Akku?“ umschrieben wird, ist die gespeicherte Energie im Akku-Pack das entscheidende Kriterium. Diese ist nicht nur abhängig von der Voltzahl, auch die Kapazität, ausgedrückt in Amperestunden, spielt eine entscheidende Rolle, ob das Gerät nun 50 oder 200 Schrauben mit einer Akku-Ladung einziehen kann. Physikalisch gesehen muss die Spannung mit der Kapazität multipliziert werden, um letztlich die gespeicherte Energie, ausgedrückt in Wattstunden, zu erhalten. Im Vergleich verschiedener Hersteller spielen dann sicherlich auch das Gewicht, die Handhabung, das Funktionsangebot und der Service eine wichtige Rolle. Anwender die bisher mit NiCd-oder NiMH-Batterien gearbeitet haben, wird sicherlich auch interessieren, ob beim Umsteigen auf die Lithium-Technik Maschine, Akku-Pack und Ladegerät zu ersetzen sind, oder ob eine vorhandene Maschine auch mit den neuen Lithium-Akkus betrieben werden kann. In diesem Fall müssen nur Akku und Ladegerät neu angeschafft werden - sicherlich ein nicht zu unterschätzender Kostenvorteil. H.-J. Marzinzik Schnittbild eines Akku-Geräts mit Li-Ionen-Akku-Pack Akku-Bohrhammer mit pneumatischem Schlagsystem, 18 V, 2,2 Ah, 39,6 Wh - kann mit Li-, NiCd- oder NiMH- Akkus betrieben werden Fotos: Metabo deutsches Recht, wenn man im Ausland bestellt. Welches Recht gilt dann, wenn Müller z. B. ein günstiges Verkaufsangebot aus Japan wahrnehmen möchte - etwa japanisches Recht? Das japanische Recht kennt Einkaufsleiter Müller, ehrlich gesagt, überhaupt nicht. Deshalb ist es wichtig, sich die Rechtsgrundlage des internationalen Handels etwas genauer anzusehen. Bis Dezember 2006 haben sich 71 Staaten zur Frage nach der Rechtsbasis grenzüberschreitender Kaufverträge entschieden. Sie wenden in ihren Kaufverträgen das internationale Kaufrecht der Vereinten Nationen an - das UN-Kaufrecht (CISG). Diese Staaten sind im Internet unter www.unilex.info oder www.uncitral.org aufgeführt. Das vom UN-Kaufrecht abgedeckte Wirtschaftsgebiet repräsentiert etwa 2/3 der gesamten Welthandelsleistung. Das UN-Kaufrecht stellt ein international vereinheitlichtes Kaufrecht dar. Das ist der große Vorzug dieses Rechts. Es hat deshalb sehr zur Förderung des weltweiten Handels und der Rechtssicherheit internationaler Kaufverträge beigetragen. Haftungsfragen beim Import von PV-Anlagen Ein guter Kunde hat eine Photovoltaik (PV)-Anlage angefragt und möchte diese kostengünstig und kurzfristig erhalten. Der Meister kommt deshalb auf die Idee, bei einem Lieferanten in Fernost zu bestellen - über das Internet heute kein Problem. Jetzt gilt es, einiges zu beachten: z. B. die Rechtsgrundlage des Kaufvertrags, das Geräte- und Produktsicherheitsgesetz, die Besonderheiten einer Internetbestellung und des Auslandsgeschäfts überhaupt. Solarstrom-Anlage (Photovoltaik-Anlage) auf dem Fußball-Stadion „Bielefelder Alm“ in Bielefeld. Foto: SMA Technologie EP0807-658-671 23.07.2007 15:45 Uhr Seite 664
Autor
- H.-J. Marzinzik
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