Lithiumbatterieanwendungen - Staubsauger und Elektrowerkzeuge

1. Einleitung: Der Aufstieg von Lithiumbatterien in schnurlosen Geräten

2. Die kabellose Revolution bei Staubsaugern

3. Entwicklung der Batterietechnologie

• Nickel-Cadmium-Batterien (NiCd): Frühe Einschränkungen
• Nickel-Metallhydrid (NiMH): Übergangsphase
• Lithium--Ionen-Batterien (Li-Ionen): Der Industriestandard

4. Arten von Lithium--Ionen-Batterien in Anwendungen

• Zylindrische Lithiumbatterien (18650, 21700 usw.)
• Prismatische Lithiumbatterien
• Soft-Pack (Polymer) Lithiumbatterien

5. Sicherheits- und Batteriemanagementsystem (BMS)

• Warum BMS der „Wächter“ von Lithiumbatterien ist
• Wichtige Schutzfunktionen (Überladung, Tiefentladung, Überstrom, Temperatur)
• Rolle vonBMS-Testmaschinebei der Gewährleistung von Sicherheit und Leistung

6. Branchentrends

7. Fazit

Da sich der kabellose Trend in der Haushaltsgeräte- und Werkzeugbranche breit macht, sind Lithiumbatterien zur wichtigsten Energiequelle für die Produktleistung geworden. Von den Anfängen des „10-Stunden-Ladens und 5-Minuten-Benutzens“ bis zur heutigen langlebigen Batterielebensdauer von bis zu 60 Minuten haben technologische Durchbrüche bei Lithiumbatterien nicht nur das Benutzererlebnis von Staubsaugern und Elektrowerkzeugen verändert, sondern auch einen Paradigmenwechsel in der gesamten Branche vorangetrieben.

Die „kabellose Revolution“ bei Staubsaugern

Hochgeschwindigkeits-Digitalmotoren verbrauchen viel Energie. Ohne hochwertige Lithiumbatterien und ein Batteriemanagementsystem (BMS) wäre der „kabellose Vorteil“ von Akku-Staubsaugern nicht möglich. Der Dyson V10 ist mit einem 7{7}Zellen-Lithium-Ionen-Akku mit 525{{11}Watt- ausgestattet, gepaart mit verbesserter Elektronik und einem BMS, erreicht eine vielseitige Akkulaufzeit von 8 Minuten Tiefenreinigung im Max-Modus, 30 Minuten täglicher Reinigung im Standardmodus und 60 Minuten verlängerter Reinigung im Ausdauermodus, wodurch das eliminiert wird Müheloser Batteriewechsel während der Reinigung. Viele Menschen konzentrieren sich auf die Zyklontechnologie und Hochgeschwindigkeitsmotoren und übersehen dabei die entscheidende Rolle von Lithiumbatterien. Ohne ihre flächendeckende Verbreitung hätte sich die Ära der Akku-Staubsauger um mindestens mehrere Jahre verzögert.

Bevor Lithiumbatterien zum Mainstream wurden, erlebten Staubsauger und Elektrowerkzeuge zwei Wellen der Batterietechnologie, die sich jeweils mit den Schwachstellen der vorherigen Generation befassten:

1. Nickel-Cadmium-Batterien(NiCd): Eine frühe „notwendige Wahl“

Nickel-Cadmiumbatterien waren der erste verwendete Batterietyp und hatten offensichtliche Nachteile: geringe Kapazität, lange Ladezeiten und kurze Batterielebensdauer. „10 Stunden laden, 5 Minuten nutzen“ war ein häufiges Thema. Noch wichtiger war, dass sie unter einem starken Memory-Effekt litten (unvollständige Entladung führt zu einer Verkürzung der Batterielebensdauer) und eine hohe Umweltbelastung darstellten. Mit Wirkung zum 1. Januar 2016 hat die Europäische Union ihre Verwendung in Elektrowerkzeugen und Kleingeräten offiziell verboten, und Nickel-{8}Cadmium-Batterien wurden nach und nach vom Markt genommen.

2. Nickel-metallhydrid(NiMH): Eine „verbesserte Version“ während der Übergangsphase.

Im Vergleich zu Nickel-Cadmium-Batterien bieten Nickel-Metallhydrid-Batterien eine höhere Kapazität, einen geringeren Memory-Effekt und eine geringere Umweltbelastung. Trotz eines Preisanstiegs etablierten sie sich schnell auf dem Markt und ebneten den Weg für die anfängliche Popularisierung drahtloser Produkte.

3. Lithium-Ionenbatterien(Li-ion): Das „absolute Arbeitstier“ von heute.

Das Aufkommen von Lithium-Ionen-Batterien hat die Branchenlandschaft revolutioniert. Sie bieten drei Hauptvorteile: eine Energiedichte, die 1,5-2 Mal so hoch ist wie die von Nickel-Metallhydridbatterien, kein Memory-Effekt und eine geringe Selbstentladung, wodurch sie perfekt für den hohen Energiebedarf von Hochgeschwindigkeitsmotoren geeignet sind. Ihr Funktionsprinzip beruht auf der Bewegung von Lithiumionen zwischen einer positiven Elektrode (übliche Materialien sind Lithiumkobaltoxid LiCoO2 und Lithiummanganoxid LiMn2O4) und einer negativen Elektrode.

Zylindrische Lithiumbatterien:Sie wurden 1992 von Sony in Japan erfunden und bieten stabile Qualität, hohe Sicherheit und starke Skalierbarkeit. Zu den gängigen Modellen gehören 14650, 17490, 18650 und 21700. Das Tesla Model 3 verwendete den 18650-Akku von Panasonic (später auf 21700 aufgerüstet). Der 18650 (eine zylindrische Batterie mit 18 mm Durchmesser und 65 mm Länge) ist die am häufigsten verwendete Batterie in Staubsaugern und Elektrowerkzeugen. Im Jahr 2016 verkaufte Sony jedoch sein Lithiumbatteriegeschäft an Murata Manufacturing Co., Ltd. in Japan, das auch Sonys Lithiumbatteriekunden, darunter Dyson, akquirierte.

Prismatische Lithiumbatterien:Diese sind typischerweise in Aluminium- oder Stahlkisten verpackt. Sie zeichnen sich durch eine einfache Struktur und eine hohe Energiedichte aus (ca. 205 WH/kg für eine 50-Ah-Zelle). Sie zeichnen sich außerdem durch eine Systemmontagerate von 70 % (höher als 60 % bei 18650-Batterien), große Zellen und eine bessere Konsistenz aus. Aufgrund des hohen Individualisierungsgrads und der großen Modellvielfalt sind standardisierte Herstellungsprozesse jedoch schwierig.

Soft--Lithiumbatterien(Polymer-Lithium-Batterien): Diese Batterien haben eine Polymer-Außenschicht und bieten hervorragende Sicherheit (Probleme führen nur zu Ausbeulungen und Rissen, nicht zu Explosionen). Sie sind leicht und haben eine hohe Kapazität, weshalb sie häufig in Mobiltelefonen eingesetzt werden. Seine schlechte Konsistenz, die hohen Kosten und die Neigung zum Auslaufen haben jedoch dazu geführt, dass es in Staubsaugern und Elektrowerkzeugen nur begrenzt eingesetzt wird.

Obwohl Lithiumbatterien eine hervorragende Leistung bieten, besteht bei ihnen die Gefahr einer Explosion. Die Explosion einer einzelnen Lithium-Ionen--Batterie ist bereits erheblich, und die Folgen eines gleichzeitigen Kurzschluss-schlusses und der Explosion mehrerer Batterien sind noch verheerender. Selbst importierte Akkuzellen von Marken wie Panasonic, LG und Samsung können keinen 100 % risikofreien Betrieb garantieren.

Um dieses Risiko zu mindern, wurde das Batteriemanagementsystem (BMS) entwickelt. Dabei handelt es sich um die Kerntechnologie von Lithium-Ionen-Akkus. Sie überwacht den Status jeder Zelle, um Überladung und Tiefentladung zu verhindern. BMS für Elektrofahrzeuge sind komplex und können Spannung, Strom und Temperatur überwachen, die verbleibende Kapazität (SOC) schätzen, das Temperaturkontrollsystem steuern, Leckagen erkennen, mit anderen Systemen kommunizieren und den Batterienutzungsverlauf archivieren. Die Batteriemanagementsysteme (BMS) in Staubsaugern und Elektrowerkzeugen sind relativ einfach und in erster Linie für Grundfunktionen wie Überladungs-/Überentladungsschutz (z. B. Überladungsschutzspannung 4,20-4,30 V, Überentladungsschutzspannung 2,60-2,80 V und Überstromschutz verantwortlich (Kurzschlussschutzstrom ca. 80 A) und Hochtemperaturschutz (Entlade-Hochtemperaturschutztemperatur 70–80 Grad), wodurch ein stabiler Betrieb des Akkupacks gewährleistet wird.

Marke ACEYBMS-Testmaschinewird hauptsächlich verwendet, um verschiedene Funktionsindikatoren des Lithium-Ionen-Batterie-BMS zu testen, zu bewerten, ob die verschiedenen Parameter innerhalb des Designbereichs liegen, und dann zu beurteilen, ob das BMS qualifiziert und verwendbar ist.

Da Lithium-Ionen-Batterien immer wichtiger werden, zeichnen sich in der Staubsauger- und Elektrowerkzeugindustrie neue Trends ab:

1. Batterieplattformisierung: Kosten senken und Verbraucher einbeziehen

Die Elektrowerkzeugindustrie hat den Plattformisierungsprozess bereits vorangetrieben. TTI bietet beispielsweise zwei große Lithium-Ionen-Batterieplattformen an: 12 V und 18 V. Hunderte von Produkten auf derselben Plattform nutzen kompatible Akkus. Dies reduziert nicht nur die Entwicklungskosten für Batterien und BMS, sondern regt Verbraucher auch dazu an, beim Kauf neuer Werkzeuge Marken zu bevorzugen, die mit vorhandenen Batterien kompatibel sind. Dies stellt eine Hürde für große Unternehmen dar und erschwert es kleineren Unternehmen, im Wettbewerb zu bestehen. Bosch brachte außerdem den 18-V-Akku-Staubsauger Unlimited auf den Markt und betonte dessen Kompatibilität sowohl mit Staubsauger- als auch mit Elektrowerkzeug-Akkus. Allerdings ist die Kompatibilität aufgrund der vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten bei Staubsaugern schwieriger zu erreichen als bei Elektrowerkzeugen.

2. Batterieproduktionskapazität und Technologieforschung: Die-Vorteile der 21700-Batterie
Derzeit haben bürstenlose Staubsauger im Hochleistungsmodus eine Akkulaufzeit von etwa 10 Minuten. Ohne Durchbrüche bei der Batterieenergiedichte sind signifikante Verbesserungen schwer zu erreichen. Einige Fabriken haben mit dem Testen der 21700-Batterie (verwendet im Tesla Model 3) begonnen. Seine Energiedichte erreicht 300 Wh/kg (20 % höher als bei der 18650-Batterie), wodurch die Kapazität um 35 % erhöht, die Kosten um 9 % gesenkt und die Anzahl der verwendeten Batterien reduziert werden. Allerdings hat der 21700-Akku auch seine Nachteile: Bei jeder 10-prozentigen Kapazitätssteigerung verringert sich die Lebensdauer um 20 %, die Lade- und Entladeraten sinken um 30–40 % und der Temperaturanstieg steigt um 20 %. Bei der Auswahl der richtigen Batterie kommt es eher darauf an, Technologie und Wirtschaftlichkeit in Einklang zu bringen. Allerdings war die Produktion des Modells 3 von Panasonic zuvor von Problemen mit der Produktionskapazität von 21700 Exemplaren betroffen, was zeigt, dass die Produktionskapazität nach wie vor ein limitierender Faktor ist.

3. Wireless ist der unvermeidliche Trend

Nicht nur Staubsauger, auch viele andere kabelgebundene Produkte werden in Zukunft kabellos sein. Jeder Durchbruch in der Lithiumbatterietechnologie wird diesen Trend vorantreiben.

Von Nickel-Cadmium bis hin zu Lithiumbatterien, von „kabelgebundenen Einschränkungen“ bis hin zu „drahtloser Freiheit“ haben Lithiumbatterien nicht nur die Produktformfaktoren verändert, sondern auch die Wettbewerbslandschaft der Branche verändert. Batteriehersteller wie CATL, Panasonic, LG, EVE Energy, Changhong Energy (die Changhong Three) und Highpower Technology sind zwar nicht direkt an der Spitze, haben sich aber bereits zu wichtigen Akteuren dieser Transformation entwickelt. In Zukunft werden wir mit weiteren technologischen Fortschritten möglicherweise Lithiumbatterieprodukte mit längerer Batterielebensdauer, größerer Sicherheit und größerer Vielseitigkeit sehen, die den Komfort im Leben und Arbeiten noch weiter steigern.

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