Spannung vs. Amperestunden: Welcher Zusammenhang besteht?

Vielleicht möchten Sie einfach mehr wissen oder sehen, ob Ihre Vorstellungen über Spannung und Amperestunden richtig sind. Vielleicht sind Sie neu im Umgang mit kabellosen Werkzeugen und wissen nicht, wo Sie anfangen sollen. Freut mich, dass du es zur Party geschafft hast!

Spannung vs. Amperestunden ist eine der grundlegendsten Fragen, die bei kabellosen Werkzeugen gestellt werden. Es kann verwirrend sein. Bei kabelgebundenen Werkzeugen beschreiben wir die Leistung oft anhand der Anzahl der Ampere, die sie verbrauchen. Das ist großartig, wenn die Stromversorgung praktisch unbegrenzt ist. Die meisten Leute reduzieren die Zahlen von Akku-Geräten auf die Vorstellung, dass Spannung gleich Leistung und Amperestunden gleichbedeutend mit Laufzeit sind. Ja... na ja, irgendwie... vielleicht. Diese beiden Messungen basieren auf der tatsächlichen Batteriekapazität – ein Begriff, der als Wattstunden bekannt ist. Hier ist die Gleichung:

Amperestunden x Nennspannung = Wattstunden

Wenn Sie auf dem Etikett der meisten Batterien nachsehen, finden Sie dort die Gesamtwattstunden ihrer Kapazität. Grundsätzlich gilt: Je größer der Kraftstofftank (Wattstunden), desto höher ist das Energiepotenzial, das Sie haben – es kommt nur darauf an, wie Sie es nutzen.

Wenn Sie Ihren Akku zerlegen würden (bitte tun Sie das nicht!), finden Sie die einzelnen Akkuzellen, die Strom speichern und an das Werkzeug liefern. Jede Batterie ist in der Lage, eine bestimmte Spannung zu liefern, typischerweise 3,6 Volt bei den verwendeten 18650-Lithium-Ionen-Zellen. Benötigen Sie eine 12-V-Batterie? Reihen Sie drei davon in einer Reihe aneinander. Benötigen Sie eine 18-V-Batterie? Verwenden Sie 5.

Wenn Sie mit mir rechnen, wissen Sie bereits, dass es ein Problem gibt. Die Spannung innerhalb der Zellen variiert leicht, abhängig von der Ladungsmenge, die sie enthalten. Sie können bei voller Ladung eine höhere Spannung erzeugen als bei niedriger Ladung. Diese 3,6-V-Zelle erzeugt bei voller Ladung tatsächlich etwas mehr als 4 V. Trotzdem geht die Rechnung nicht ganz auf. Aber verliere noch nicht das Vertrauen in mich. Ich werde diese Anomalien in einem späteren Artikel erklären. Konzentrieren wir uns zunächst auf die Spannung als Leistung.

Wenn Sie mehr Leistung wünschen, fügen Sie der Batterie einfach eine weitere Zelle in Reihe hinzu. Mit jedem neuen, den Sie hinzufügen, erhöhen Sie die Spannung um etwa 4 V. Theoretisch könnten Sie 12 V, 16 V, 20 V, 24 V usw. verwenden. Glücklicherweise hat sich die Werkzeugindustrie bei Werkzeugen auf 12-V-, 18-/20-V- und 36-V-Plattformen eingestellt, während es für Outdoor-Elektrogeräte auch andere Kombinationen gibt.

Eine einfache Definition von Amperestunden wäre die Stromstärke, die der Akku eine Stunde lang liefern kann. Wenn Sie alle anderen Faktoren außer Acht lassen (z. B. Temperatur und Vibration), liefert eine 3,0-Ampere-Stunden-Batterie eine Stunde lang 3 Ampere Strom. Eine 5,0-Ampere-Stunden-Batterie liefert 5 Ampere für eine Stunde. Im Gegensatz zur Spannung handelt es sich hierbei nicht um eine feste Größe. Sie können einer Batterie eine höhere Stromstärke entziehen und die Laufzeit verkürzen. Jon Bucklew hat dies mit dem bürstenlosen Winkelschleifer Makita 18V LXT hervorragend demonstriert. Sie können auch weniger Ampere verbrauchen und länger laufen.

Es ist alles linear. Betreiben Sie 2,5 Ampere mit einem 5,0-Amperestunden-Akku – Sie erhalten 2 Stunden Laufzeit. Ziehen Sie 6 Ampere mit einer 3-Ampere-Stunden-Batterie – jetzt haben Sie nur noch 30 Minuten Zeit. Hier ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die aktuelle Ziehung auf die Laufzeit auswirkt.

Wie kommen wir also an diese Zahlen? Die meisten Lithium-Ionen-Batteriezellen haben eine Laufzeit von etwa 2000 Milliamperestunden oder 2,0 Amperestunden. Wenn Sie diese Zellen in Reihe schalten, erzeugen sie zusammen nur 2,0 Amperestunden. In einer Reihe wird die Spannung kombiniert, nicht die Amperestunden.

Wenn es an der Zeit ist, die Amperestunden zu erhöhen, reihen Sie Ihre Zellen parallel aneinander. Hier ist ein Beispiel einer typischen 12-V-Batterie.

Drei 18650er Lithium-Ionen-Zellen sind in Reihe geschaltet.

Jede Zelle führt 3,6 Volt und 2,0 Amperestunden. Da sie in Reihe geschaltet sind, erhalten wir 10,8 Volt (oder 12 V bei voller Ladung), aber immer noch nur 2,0 Amperestunden.

Ein anderes elektronisches Gerät verwendet dieselben drei Zellen, verdrahtet sie jedoch parallel. Jetzt erzeugen sie nur noch 3,6 Volt, aber 6,0 Amperestunden.

Bei Hochleistungsbatterien kommt es zu einer Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung. Zuerst nehmen Sie 5 in Reihe geschaltete Zellen, um die benötigten 18 V zu erhalten. Schließen Sie dann parallel dazu einen weiteren Satz an, der auf die gleiche Weise verkabelt ist. Wir haben die Spannung bei 18 gehalten, aber die Amperestunden auf 4,0 verdoppelt. Theoretisch könnten wir einen weiteren Satz hinzufügen, um 6,0 Amperestunden bei 18 V zu erhalten.

In einem kürzlich erschienenen Artikel über die besten Rasenmäher haben wir festgestellt, dass es so aussah, als würden Black & Decker und Craftsman im Grunde umfunktionierte 20-V-Max-Batterien verwenden. Das waren sie wahrscheinlich. Nehmen Sie die Batterie mit maximal 20 V und 5,0 Amperestunden in einer 5S2P-Konfiguration (5 in Reihe, 2 parallel = insgesamt 10 Zellen, angeordnet als 2 Sätze zu je 5) und lassen Sie sie alle in Reihe arbeiten. Jetzt haben Sie eine Batterie mit maximal 40 V und 2,5 Amperestunden, indem Sie nur die Konfiguration auf 10S (Serie 10) ändern.

Insgesamt 10 Zellen, angeordnet in 2 Reihen mit je 5 Zellen in Reihe = 20 V, max. 5 Ah Akkupack

Insgesamt 10 Zellen, angeordnet in einer durchgehenden Reihe von 10 Zellen in Reihe = 40 V, max. 2,5 Ah Akkupack

Kommen wir nun zurück zur Idee der gesamten Wattstunden: Ganz gleich, wie Sie die Batteriezellen miteinander verdrahten, die Anzahl der Zellen bestimmt die Wattstunden des Akkus. Sowohl der Black & Decker-Akku mit 40 V (nominal 36 V) und 2,5 Amperestunden als auch sein Cousin mit 20 V (nominal 18 V und 5,0 Amperestunden) haben insgesamt 90 Wattstunden.

In der realen Welt beginnen die Dinge verrückt zu werden. Wenn Sie über Temperatur (sowohl zu heiß als auch zu kalt), Vibrationen und andere Umgebungsbedingungen sprechen, beginnen Spannung und Amperestunden vom Ideal abzuweichen. Diese Bedingungen gehören jedoch zum Leben auf der Baustelle. In mancher Hinsicht setzen die Hersteller bessere Erwartungen, indem sie einfach eine niedrigere Bewertung angeben, die das tatsächliche Arbeitserlebnis besser widerspiegelt (18 V nominal statt 20 V max.).

Es gibt Möglichkeiten, bessere Batterien herzustellen. Sie können anfangen, mit der Chemie in der Batterie herumzuspielen (unter anderem Anoden, Kathoden und Elektrolyte). Es gibt Unterschiede im Widerstand, der Impedanz und anderen lustigen Wörtern jeder Zelle, die die meisten normalen Menschen nicht definieren können. Dies führt zu einer besseren (oder manchmal schlechteren) Leistung. Plötzlich liefert die gleiche Anzahl von Zellen, die 18 Volt und drei Amperestunden erzeugt haben, die gleiche Spannung, aber mit 4 Amperestunden und jetzt 5!

Die Leistungsunterschiede von Unternehmen zu Unternehmen hängen stark mit den verwendeten Batteriezellen zusammen. Auch die elektronischen Steuerungen und Sicherheitsvorrichtungen, die sie verwenden, spielen eine Rolle. Sie müssen lediglich die Verkabelungskonfiguration ändern, um einem Akku mehr Leistung, mehr Amperestunden oder beides hinzuzufügen. Das reale Ergebnis der Kombination lässt sich vereinfacht so sagen, dass eine höhere Spannung mehr Gesamtleistung bedeutet und höhere Amperestunden zu einer längeren Gesamtlaufzeit führen.

Da die Hersteller ständig unterschiedliche Batteriezellen und Gehäusedesigns testen, werden wir weiterhin Verbesserungen im Amperestunden-Bereich der Wattstundengleichung feststellen. Im Moment sieht es so aus, als ob die Spannung des Akku-Werkzeugs weiterhin dort bleiben wird, wo sie ist, während OPE daran arbeitet, sich an einen optimalen Punkt zu gewöhnen.