Batteridrevne verktøy

Verktøy på batteri: Dette styrer utviklingen

Moderne batteriverktøy, med kraftelektronikk og børsteløse motorer, er kraftige nok til å konkurrere ut verktøy med ledning. 1800 watt og mer er ikke noe problem.

Betongens skrekk:  De nye  høyeffektbatteriene bringer batteriverktøy på høyde med svært effektkrevende verktøy som hittil har trengt ledning. Denne nye borhammeren til Bosch, GBH 18V-45 C Professional, som snart kommer på markedet kan levere en slagenergi på hele 12,5 Joule. Hele stasen med et 12 Ah batteri veier 9,2 kg. Heftige saker.
Betongens skrekk: De nye høyeffektbatteriene bringer batteriverktøy på høyde med svært effektkrevende verktøy som hittil har trengt ledning. Denne nye borhammeren til Bosch, GBH 18V-45 C Professional, som snart kommer på markedet kan levere en slagenergi på hele 12,5 Joule. Hele stasen med et 12 Ah batteri veier 9,2 kg. Heftige saker. (Foto: Bosch)

Moderne batteriverktøy, med kraftelektronikk og børsteløse motorer, er kraftige nok til å konkurrere ut verktøy med ledning. 1800 watt og mer er ikke noe problem.

Batterier frigjør stadig flere dingser fra ledningen. Mange av disse har gjennomgått flere teknologigenerasjoner fra blybatterier til nikkelkadmium- og nikkelmetallhydrid- til litiumionebatterier. For hver generasjon har det vært forbedringer, spesielt i hvor mye energi det er mulig å lagre. Ikke minst litiumionebatterier er inne i en rivende utvikling. Både kjemien på anode- og katodesiden, elektrolytten og selve formatet på cellene endrer seg raskt.

Det er selvfølgelig overgangen til elektriske biler, men også fly, ferger og mange andre transportredskaper, som driver markedet og forbruker mest. Bil sto i fjor for 70 prosent av det raskt økende forbruket, mot 43 prosent tre år før. Resten av forbruket kommer fra forbrukerelektronikk, inklusive batteridrevet verktøy.

Mer nikkel

Det har vært et sterkt ønske å få ned forbruket av dyre og kontroversielle elementer slik som kobolt i batterier. Såkalt NCM-kjemi, som består av metallene nikkel, kobolt og mangan (eller aluminium, men da A og ikke M), har vært dominerende i katodene i et forhold på 6:2:2. Nå blir NCM 8:1:1 mer vanlig. De bruker mye mindre kobolt og er billigere, men har litt færre ladesykler og krever mer avansert batteriovervåkning.

På anoden har man sett mer bruk av silisium for å erstatte grafitt for å øke energitetthet og få bedre egenskaper.

Les også

Verktøyrevolusjon

Få anvendelsesområder har vært så påvirket av batterier som elektroverktøy. Spesielt etter at litiumionebatteriene dukket opp, som løste problemet med kapasitet og selvutlading, har ledningen i dag stort sett blitt henvist til laderen. I Norge er mellom 80 og 90 prosent av det elektroverktøyet som selges batteridrevet og stadig mer av hageutstyr som hekklippere, gressklippere og motorsager går samme veien.

Det første vellykkede elektroverktøyet som hadde litiumione-batterier var den lille skrutrekkeren Bosch IXO som kom i 2003. Den hadde en 3,6 volts battericelle på 1 Ah. Ikke rare greiene, men den gjorde jobben.

Det store markedet for elektroverktøy er proffsegmentet. De oppdaget tidlig mulighetene og flere produsenter lanserte fra 2005 og utover standardiserte batterier som spente over alle typer verktøy. Det gjorde det mulig å selge verktøy og batterier uavhengig av hverandre samtidig som det «låste» brukerne til de batteriene og laderne de hadde kjøpt.

Batteriutvikling

De tidlige batteriene som ble benyttet i verktøybatterier var de samme Bosch benyttet i IXO. De sylindriske batteriene i formatet 18.650, som indikerer at de er 18 mm i diameter og 65 mm lange er fremdeles svært utbredt. Da de kom med en kapasitet på 1 Ah kunne de avgi en strømstyrke på 10 A.

I både proff- og forbrukerbatterier standardiserte man på flere spenninger, men det er 18 volt som er mest utbredt. 18 volt betyr at man seriekobler fem celler på hver 3,6 volt. For å få mer kapasitet bruker man to parallellkoblede rader med til sammen ti celler. De mest energirike modellene man benytter i dagens 18.650-celler er på 3 Ah. Det er en solid økning fra 1,3 Ah man benyttet i de første proffbatteriene. Nå er også strømuttaket økt til 30 A.

Siden 2003 har man altså økt 3X i to retninger: Tre ganger mer kapasitet i cellene og tre ganger høyere strømuttak.

Les også

Henger ikke med lenger

Utviklingen av batteriverktøy basert på 18650-celler har nådd en grense. Skal man få flere verktøykategorier over på batteri er det de som krever veldig stor effekt som står igjen. Hvis man fremdeles skal beholde kompatibiliteten til verktøy så trengs det en ny generasjon batterier som kan avgi enda mer strøm.

Det var lenge et spørsmål om det ville blir 20.700 eller 21.700 som skulle overta, men spesielt siden Tesla modell 3 bruker sistnevnte, og både modell S og X skal få slike celler i framtiden, er standarden på sylindriske batterier satt. Derfor ser vi nå stadig flere såkalte høyeffektbatterier på markedet. Bosch og Milwaukee har gått foran med sine 18-volt-batterier. De kan avgi over 1800 watt eller mer, og erstatte ledningen i mange verktøykategorier som har vært vanskelig å gjøre «trådløse».

Høy strømstyrke: Poenget med den nye generasjonen 18 volts batterier er å levere nok strømstyrke for å drive verktøy som krever høy effekt. Og samtidig beholde bakoverkompatibiliteten. Foto: Bosch

Selv 21.700-baserte batterier med bare en cellerad (5 celler) kan nå gi fra seg rundt 800 watt. Det er omtrent det samme som de mest vanlige toraders (10 celler) batteriene med 18650 celler.

Toraders høyeffektbatterier kan avgi rundt 1600 watt. Det betyr at treraders burde kunne avgi 2400 watt, men her begrenses kraftuttaket i noen tilfeller av elektronikken på grunn av varmeutviklingen.

Batterier basert på 21.700-celler har i dag opptil 4 Ah per celle og kan lett tappes for rundt 45 A. Det er ventet at det vil komme 5 Ah celler på markedet om et par år. Det betyr at de kan lagre mer energi, men ikke nødvendigvis avgi mer strømstyrke.

I praksis betyr det at batterier med en cellerad kan erstatte tidligere batterier med to. Selv om de nye cellene er tyngre blir de likevel mindre og mer kompakte enn før.

To filosofier

Det er to ulike filosofier som gjelder for videre utvikling av batterier i dag. Det er de som holder seg på 18 volt for å være kompatible med tidligere verktøy, og det er de som satser på batterier med to spenninger. Det vil si at de kan kobles om til å være enten 18 og 36 volt eller 18 og 54 volt.

Batteriene: Bosch, Milwaukee og et par andre produsenter har valgt å holde på 18 volt-formatet for å unngå brudd i kompatibiliteten. Andre som Hikoki (tidligere Hitachi) har valg tospenningsbatterier som seriekobler alle cellene for å få 36 volt og løse effektbehovet på den måten. Ulempen er at de nye verktøyene på 36 volt da ikke kan bruke 18 volt batterier. Foto: Hikoki

Slike tospenningsbatterier er mulig ved å gjøre en mekanisk omkobling av celleradene i batteriet når man setter det inn i verktøyet. Et 18/36 batteri må ha to cellerader på 18 volt som enten kan parallell- eller seriekobles. Et 18/54 må ha tre. Når de settes inn i nye verktøy bruker de høyeste spenning.

Høy spenning betyr lavere behov for strømstyrke, men man blir låst til minst to eller tre cellerader, og kompatibiliteten lider.

Fordelen er mindre kobberbehov fordi alle lederne, inklusive motorviklingene, ikke trenger å lede så mye strømstyrke ved høyere spenning. De termiske tapene er definert av R x I2 som betyr at de øker med motstanden i hele kretsen inklusive batteriet og kvadrat av strømstyrken. Med 18 volt trengs det to ganger mer strømstyrke enn ved 36 volt for å få den samme effekten og med 54 volt tre ganger.

Produsenter som velger å beholde 18 volt må ta hensyn til denne fysikken når effektbehovet øker i nye verktøy som skal erstatte typiske ledningsverktøy. Derfor bruker de de nye battericellene med lavere indre motstand og ledere med større tverrsnitt. Nye høyeffekt 18-volt-batterier har også vesentlig bedre termisk ledningsevne som leder varme bort fra cellene ved hard belastning. I tillegg til det kommer forbedringer i kraftelektronikk, slik som bruk av MOSFET-transistorer med høy virkningsgrad på lave spenninger og motorer med tykkere kobberviklinger.

Datakontrollert

Børster: I denne børstemotoren fra Ryobi fordeles strømmen fordeles mekanisk til viklingene i rotoren. Det gir slittasje og dårligere virkningsgrad. Foto: Odd R. Valmot

Et moderne elektroverktøy er, som så mange andre ting, kontrollert av en mikrokontroller. Når man trykker inn bryteren er det den som bestemmer hvordan strømmen ledes fra batteriet via kraftelektronikken til motorviklingene. Ikke minst overvåker den temperaturen i alle delene av verktøyet og sørger for at det ikke kan oppstå overbelastning.

Tradisjonelt var det børstemotoren som drev el-verktøy. To kullbørster (grafittstaver) leder strømmen inn på en såkalt kommutator. Den er delt opp i segmenter som hver leder strømmen inn i den riktige spolen i rotoren. Det er to åpenbare ulemper med dette. For det første forsvinner en del energi i friksjon og varme når børstene glir over kommutatoren, og børstene er en slitedel med begrenset levetid. Dessuten gir de en god del radiostøy (EMC).

Børsteløse

Børsteløs: Børsteløse motorerer en viktig utvikling for batteriverktøy. Her fordeles strømmen til viklingene (som er flyttet til statoren) av kraftelektronikk som gjør det mer presist og uten friksjon. Foto: Odd R. Valmot

Moderne motorer er børsteløse. Her er hele konstruksjonen «vrengt» slik at spolene som trekker og skyver rotoren rundt magnetisk er i statoren og ikke i rotoren. Den eneste bevegelige delen er rotoren som ikke består av elektromagneter, men av kraftige permanentmagneter. I stedet for å kontrollere strømmen gjennom viklingene med hvordan børstene er i forhold til kommutatoren, kontrolleres den av kraftelektronikk til viklingene i statoren. Resultatet er en motor med mye bedre virkningsgrad (over 90 prosent) og vesentlig lenger levetid. Fordi slike EC-motorer, som de ofte kalles, ikke har kommutator kan de bygges vesentlig kortere og mer kompakt.

EC-motorer dukket opp for seks, syv år siden i elverktøy og nå lanseres knapt nye profesjonelle elverktøy uten slike.

Tapene som begrenser batterilevetiden er ikke bare begrenset til den elektriske drivlinjen. All mulig giring bidrar til tap, og er ikke tannhjul presise nok forsvinner det mer energi til varme.

Laderen

Laderen bør henge med: Moderne batteridrift handler også om laderen. Den bør yte nok strømstyrke til å lade batteriene raskt. Foto: Bosch

En ofte oversett komponent er selve batteriladeren. Det er lite nyttig å ha svære energitette batterier om ikke laderen henger med. Dette er helt den samme problemstillingen vi kjenner fra elbiler. Jo flere ampere jo kortere ladetid. Bosch sin nye lader kan lade med 16 ampere. Det betyr at den kan full-lade det nye 12 Ah batteriet på under en time.

De mindre batteriene kan ikke ta imot så mye strømstyrke, men laderen kommuniserer med batteriet for å tilpasse strømstyrken slik at det ikke blir for mye varmgang. Den nye laderen fra Bosch er også den eneste som har en boost-modus som kan lade de nye en- og tolags høykapasitetsbatteriene veldig raskt. Et 4 Ah batteri kan lades 50 prosent på 9 minutter.

Hovedkilde: Sjef for utvikling av batterier og ladere i Bosch Power Tools, Stefan Ruebenacke.

Les også

Kommentarer (16)

Kommentarer (16)

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå