Зачем Greenworks четыре линейки инструментов с разным напряжением аккумулятора?

Современные аккумуляторные инструменты и садовая техника отличаются друг от друга по многим параметрам. Один из них – рабочее напряжение. В инструментах наиболее распространённое на данный момент значение – 18 В, в садовой технике – 36 В.

Более высокое напряжение встречается редко, но встречается, и один из интересных примеров – Greenworks. Здесь сразу четыре линейки с разным напряжением – 24, 40, 60 и 82 В… и есть также небольшое количество моделей с рабочим напряжением 48 В, достигаемым за счет использования двух 24-вольтовых батарей.

Зачем так много, и почему нельзя было сделать так, как поступила когда-то компания Makita – использовать два аккумулятора на 18 В для удвоения рабочего напряжения, и получить те же самые 36 В? Этим путём потом пошли многие китайские производители, чья продукция известна нам как под собственными брендами (Worx), так и под разнообразными частными торговыми марками российских компаний: Elitech, Denzel, Redverg – это только те, чьи пилы с «тандемной» схемой питания мы тестировали ранее.

Подобный выбор вызван вполне объективными причинами, и имеет под собой абсолютно рациональную основу. Greenworks – один из мировых лидеров в производстве аккумуляторной садовой техники, ведущий производитель бензиновой садовой техники Stihl является крупнейшим миноритарным акционером Greenworks. Это просто в качестве иллюстрации и подтверждения того факта, что Greenworks – очень серьёзный и известный участник рынка.

Далее – Greenworks активно расширяет ассортимент, причём для разных категорий пользователей, от частных мастеров и владельцев дачных участков до профессиональных озеленителей и коммунальных служб. У столь обширной аудитории потребности тоже весьма обширны, от шуруповёрта до газонокосилки. Как нетрудно догадаться, всё это имеет разную мощность, и вот как раз тут всплывает один интересный момент – удовлетворить запросы своих потребителей, оставаясь в рамках одной только линейки 18 В, или двух линеек на 18 и 36 В, невозможно. Во всяком случае, так посчитали разработчики Greenworks, и сделали четыре линейки. Дальше попробуем объяснить, чем это решение было обосновано, но для этого придётся немного объяснить теорию о том, как устроены аккумуляторы.

Аккумулятор – это конструктор

Почти все известные нам современные литиево-ионные батареи – это конструктор, основанный на одних и тех же элементах. Внутри – так называемые ячейки (по сути, перезаряжаемые аккумуляторы, которые выглядят как цилиндрические батарейки). У этих ячеек одинаковое напряжение – номинальное 3,7 В, а максимальное – 4,2 В, но при одинаковых размерах они могут отличаться друг от друга ёмкостью и величиной отдаваемого в длительном режиме тока. Причём чем больше ёмкость, тем меньше отдаваемый ток, и наоборот. Каждый производитель предлагает сразу несколько вариантов ячеек, и при проектировании аккумулятора можно выбирать, какие характеристики предпочтительнее. Можно сделать его более ёмким и продлить время работы, но тогда отдаваемый ток будет меньше, соответственно меньше будет мощность инструмента, подключенного к аккумулятору. Хочешь увеличить мощность – теряешь в ёмкости. Хочешь выжать максимум – покупай дорогие ячейки, соответственно растёт цена продукции.

Ячейки бывают ещё и разных стандартов. Самый распространённый – 18650, это размер – 18 мм диаметром и 65 мм длиной. Второй вариант – 21700, соответственно 21 и 70 мм. У 21700 выше ёмкость и величина отдаваемого тока, но они крупнее, тяжелее и стоят дороже.

Также стоит учесть, что основными потребителями ячеек в мире являются производители электрокаров. Они покупают их у тех же производителей, и объёмы закупок какой-нибудь «Теслы», конечно же, совершенно несопоставимы с теми объёмами, которые потребляют производители инструментов. Поэтому «Тесла» для производителей ячеек в приоритете, инструментальщики не могут диктовать свои условия – не те объёмы.

Итак, внутри аккумуляторов разных брендов установлены одни и те же ячейки. Разное напряжение достигается с помощью последовательного подключения нескольких ячеек. Например, чтобы получить 18 В, нужно соединить 5 ячеек (5х3,7=18,5). Тут ещё надо учесть, что аккумуляторы с напряжением 18 и 20 В, или 36 и 40 В – это на самом деле одно и то же, только разные стандарты обозначения. Американский стандарт разрешает указывать максимальное напряжение заряженной батареи без нагрузки, это даже чуть больше 20 или 40 В. Европейский стандарт требует указывать номинальное напряжение, оно чуть ниже – вот и получается 18 и 36 В. А фактически внутри количество ячеек и их компоновка одинаковы.

Увеличение ёмкости достигается параллельным подключением ячеек. Напряжение остаётся тем же самым, растёт ёмкость и величина отдаваемого тока. Если одна ячейка может отдавать в длительном режиме, скажем, 20 А (эти данные приводит производитель), то две – уже 40 А.

Так устроены аккумуляторы Greenworks… впрочем, другие бренды принципиально делают так же, разница может быть в качестве ячеек, функционале контроллера, продуманности корпуса, но глобально конструкция одинакова – ячейки 3,6 В, собранные в блоки

И вот так, комбинируя последовательное и параллельное подключение ячеек, каждый производитель электроинструмента «набирает» нужные ему характеристики. Например, аккумулятор 18 В ёмкостью 4 А*ч можно собрать из 10 ячеек ёмкостью 2000 мА*ч каждая, соединив сначала по 5 штук последовательно в два блока (получатся две батареи напряжением 18 В и ёмкостью 2 А*ч каждая), а потом соединив эти два блока параллельно, сохранив то же напряжение 18 В, но увеличив ёмкость вдвое. Чтобы набрать 6 А*ч, нужно взять ячейки ёмкостью уже 3000 мА*ч… или параллельно добавить ещё один блок из 5 последовательно соединённых ячеек ёмкостью 2000 мА*ч. Батареи ёмкостью 5 А*ч – это два блока по 5 ячеек ёмкостью 2500 мА*ч каждая.

Что ограничивает характеристики аккумуляторов?

Или можно задать вопрос иначе: что мешает сделать аккумулятор ёмкостью, скажем, 25 А*ч и напряжением 220 В? Как говорится, «чтобы два раза не вставать» — поставил его на шуруповёрт, и работай хоть неделю.

А ничего не мешает, кроме размеров и веса получившегося монстра. Прикинем такую конструкцию, например, на ячейках ёмкостью 2500 мА*ч. Чтобы получить 220 В, понадобится 52 ячейки, соединённые последовательно. Ёмкость такого блока будет 2,5 А*ч. Значит, нужно десять таких блоков, соединённых параллельно, то есть 520 ячеек. В качестве примера – батарея Greenworks на 82 В и 5 А*ч весит 2,8 кг, и состоит из 40 ячеек – в 13 раз меньше. Соответственно батарея на 220 В и 25 А*ч будет весить свыше 35 кг. Габариты, кстати, тоже надо будет увеличить в 13 раз. Подобный чемодан не то что на ручной инструмент, его даже на колёсную газонокосилку не поставишь – смысла никакого, теряешь главное преимущество аккумуляторного инструмента, а именно мобильность. Идеальная батарея для электроинструмента должна быть мощная, ёмкая, компактная, лёгкая и при этом недорогая. Идеал, как водится, недостижим, производителям приходится идти на различные ухищрения, чтобы как-то сбалансировать эти требования и при этом сделать что-то необычное, отличающееся от конкурентов. У кого-то в приоритете цена (таких, пожалуй, большинство), и они упрощают конструкцию, чтобы «вписаться» в нужную стоимость. Кто-то, наоборот, делает дорогостоящие батареи с очень высокими потребительскими характеристиками.

В чём разница?

Ячейки по сути одинаковые, характеристики напряжения и ёмкости тоже одинаковые – практически каждый производитель предлагает аккумуляторы с ёмкостью от 1,5 до 6 А*ч. Вопрос – а в чём же тогда разница?

Отличия есть, очень значительные, и как раз они во многом определяют развитие аккумуляторной техники. Помимо ячеек и корпуса, в батареях содержится электроника управления: системы контроля заряда, балансировки ячеек, защиты от перегрева, от глубокого разряда. Там располагаются токоведущие шины, могут быть рассеивающие тепло конструкции, снижающие нагрев батареи во время работы. Далеко не всё перечисленное обязательно, но, например, защита от глубокого разряда и перегрева есть на всех, даже самых дешевых батареях – они встречались нам даже на подделках под Makita, а это было, пожалуй, худшее, что нам доводилось разбирать.

Существуют также так называемые высокотоковые аккумуляторы – специально разработанные для того, чтобы отдавать большой ток и обеспечивать энергией мощные инструменты с небольшим напряжением питания, например, на 18 В. У Metabo это батареи серии LiHD, у Milwaukee – High Output. Они крупнее и тяжелее «обычных», потому что собраны из ячеек формата 21700, соответственно и стоят дороже. Ставить их на шуруповёрт нет смысла, они просто не раскроют свой потенциал – они нужны для гораздо более мощных инструментов: больших гайковёртов, или аккумуляторных УШМ и отрезных машин под круг 230 мм. У Metabo и Milwaukee такие инструменты есть, другие известные мировые производители, например, DeWALT, решают проблему иначе – с помощью более высокого напряжения. Однако у подавляющего большинства представленных на рынке брендов просто нет в ассортименте инструментов, которым нужен большой ток, поэтому и высокотоковых батарей тоже нет. А они отличаются не только ячейками – там более толстые токоведущие шины. А это не только меньший нагрев при том же токе, но ещё и более эффективное рассеивание тепла из-за большей площади поверхности проводника. Кроме того, в таких аккумуляторах другая электроника, рассчитанная на больший ток.

В качестве примера – в аккумуляторах Greenworks напряжением 24 В ширина токоведущих шин, идущих от крайних ячеек к клеммам – 9 мм. А на батареях 82 В – уже 18 мм, вдвое шире. Количество теплоты, выделяемое проводником при протекании через него тока, пропорционально квадрату (!) силы тока и обратно пропорционально площади сечения проводника. На практике это означает, что если бы нам нужно было запитать двигатель мощностью 500 Вт от батарей Greenworks на 24 В и на 82 В, то разница в степени нагрева была бы более чем двадцатикратной (шины на батарее 24 В грелись бы в 23,3 раза сильнее). Более высокое напряжение позволяет снизить ток почти в 3,5 раза, квадрат этой разницы – почти 12. Дополнительное двукратное увеличение разницы «набегает» за счет такого же увеличения ширины проводника.

И всё-таки: зачем Greenworks сразу четыре линейки
с разным напряжением?

Слева направо: двигатели Greenworks под разное напряжение аккумулятора (24, 40, 60 и 82 В). Первый, условно говоря, обычный, а три других – с внешним ротором

Ответ достаточно простой: чтобы предложить максимально широкому кругу потребителей инструмент, наиболее точно соответствующий их запросам. Кому-то нужен именно инструмент – шуруповёрты, УШМ, перфораторы – и для них есть линейка 24 В. В ней есть и садовая техника, в том числе достаточно «прожорливая» — цепные пилы и газонокосилки. Они не особенно мощные, что совершенно логично при таком небольшом напряжении. Именно инструменту более высокая мощность в общем-то и не нужна, тем более что у Greenworks нет промышленных гайковёртов или особо мощных УШМ, как у Milwaukee и Metabo, компания ориентируется на более массовую «любительскую» аудиторию. Поэтому делать высокотоковые аккумуляторы на 24 В нет никакого смысла – они будут дороже и тяжелее, что только затруднит работу с ними, а пользы никакой не даст.

А вот садовой технике более высокая мощность не помешает. Следующий шаг – линейка 40 В, и там по «садовке» есть в принципе всё, что только может понадобиться, техника на любой вкус. Это опять же, для частного применения, для владельцев загородных участков.

Следующая ступень – уже 60 В. Здесь техника ещё более мощная, но пока ещё рассчитанная на всё ту же частную аудиторию. Появляются ещё более прожорливые машины, которым не хватит и 40 В – например, аккумуляторная мойка высокого давления. Но в целом это количественный рост, в сравнении с 40 В, а не качественный.

Снеговые лопаты Greenworks с напряжением аккумулятора 40 и 60 В

А вот дальше – линейка на 82 В, и это уже чисто профессиональная техника для интенсивной работы с высокой нагрузкой. Здесь в приоритете мощность и соответственно производительность, поэтому высокое напряжение, большие и тяжелые батареи, способные работать очень долго. Соответственно растёт и цена – как уже было сказано, идеальной техники быть не может в принципе, если учитывать цену, которая всегда находится на противоположной чаше весов.

Почему компания не пошла тем же путём, что Makita, и не сделала линейку инструментов на 48 В, объединив два 24-вольтовых аккумулятора? Такая линейка есть, хотя сложно сказать, можно ли её считать линейкой – мы тестировали газонокосилку из этого семейства, с другими моделями пока не сталкивались. А вот 40-вольтовое семейство весьма многочисленно. Полагаем, это объясняется тем, что тандем не позволяет обеспечить такую же мощность, как «монобатарея», именно в силу того, что при последовательном подключении увеличивается напряжение, но не ток. А 24-вольтовые батареи изначально не предназначены для работы на большом токе, хотя бы потому, что токоведущие шины рассчитаны на 24-вольтовый инструмент. Батареи с напряжением 40 В изначально проектируют под больший ток, у них, в частности, ширина токоведущих шин 14 мм, против 9 у 24-вольтовых. Поэтому такая батарея может выдать больший ток, чем 24-вольтовая, плюс у неё выше напряжение, поэтому она способна обеспечить энергией гораздо более мощный инструмент.

Подтверждением этого умозаключения служат наши тесты аккумуляторных пил. Среди них есть несколько с «тандемной» схемой «18+18».

Аккумуляторная цепная пила Elitech ПЦА-36БЛ – двухбатарейная, сделана по «макитовской» схеме «18+18=36»

При пилении одиночного бруса, когда нагрузка низкая, эти пилы работают с очень высокой производительностью, уверенно конкурируя с другими участниками, даже с теми, кто работает от одной батареи. Но как только мы переходим к работе с высокой нагрузкой, при которой надо пилить пакет из шести отрезков бруса суммарным размером 200х300 мм, картина резко меняется, и время одного реза увеличивается намного больше, чем в шесть раз.

Диаграммы, показывающие, как меняется производительность «двухбатарейных» пил при переходе от низкой нагрузки к высокой. Интересны образцы Denzel, Elitech и Makita. На одиночном брусе (диаграмма слева) они едва ли не лидеры, пилят очень быстро… но как только переходим к пакету (диаграмма справа), картина резко меняется, и они уже уверенные «середняки». Потому что для пиления пакета нужна гораздо более высокая мощность, которую не могут отдавать батареи, рассчитанные на шуруповёрты и другую не особенно мощную технику

То есть производительность падает, а это значит, что пиле не хватает мощности. А не хватает её именно потому, что «шуруповёртные» батареи не предназначены для питания мощного инструмента, и выдать достаточно большой ток не могут. Идея использования двух аккумуляторов была очень удачной для Makita, если не гениальной – но надо учитывать, что в России и в мире уже было огромное количество пользователей инструмента Makita, и соответственно им не нужны были аккумуляторы и ЗУ, чтобы начать работать новой садовой техникой. Поэтому «садовку» народ брал и берёт с огромным удовольствием. Но нехватка мощности со временем стала достаточно заметной. Предполагаем, что это было основной причиной, по которой Makita вывела на рынок новую линейку, на 40 В, с единой батареей. Компания поняла, что «тандем» не идеален, у него есть и недостатки, а рынок всё-таки требует в том числе и мощность, и решила эту проблему таким способом.

Аккумуляторный двухступенчатый самоходный снегоуборщик Greenworks GC82 и блок слотов для трёх аккумуляторов. «Меньше не имеет смысла»… это самое «прожорливое» из известных нам аккумуляторных устройств

Greenworks же изначально пошёл по другому пути, и как мы видим сейчас, развивается весьма динамично. В этом году появилось много новых моделей во всех сегментах, большинство новинок мы уже успели испытать, статьи и видеоролики есть на нашем сайте и на Youtube-канале. И можем уверенно утверждать, что мощности новым машинам хватает, даже с запасом. Наверное, самый интересный и свежий пример – самоходный двухступенчатый снегоуборщик GC82. Аккумуляторный, естественно… работает от трёх батарей 82 В, причем они не суммируются ни по напряжению, ни по ёмкости. Устройство автоматически переключается между батареями по мере их разряда или нагрева… да, греются они очень быстро, несмотря на принудительный обдув. И несмотря на то, что снегоуборщик – техника зимняя, так что обдув идёт заведомо холодным воздухом. Это хорошая иллюстрация того, насколько высока тепловая нагрузка на аккумуляторы при интенсивной работе.

Автор: Алексей Меснянкин

Январь 2023 года