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Die
Erfindung betrifft eine Schaltanordnung zum Ansteuern und Betreiben
eines Hochspannungsaktuators mit Hilfe einer Hochspannungsbatterie.
Die Hochspannungsbatterie kann aufladbar sein und über ein
externes Ladegerät
oder eine Niederspannungsquelle mit Hilfe eines Spannungswandlers aufgeladen
werden kann.
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Mikromechanische
Aktuatoren, vor allem piezoelektrische oder kapazitive Aktuatoren,
werden in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, bei denen eine mechanische
Verstellung mit geringem Hub erforderlich ist. Diese Aktuatoren
benötigen
nur sehr kleine elektrische Leistungen aufgrund der kapazitiven
Charakteristik, meist aber eine hohe Spannung. Die Spannung kann
zwischen 10 V und 300 V typisch zwischen 50 V und 150 V liegen.
Wichtige Anwendungen sind beispielsweise Mikropumpen und Mikroventile.
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Bei
energieautarken Systemen oder mit Batterie betriebenen Geräten muss
deshalb die typische Versorgungsspannung einer Niederspannungsquelle zwischen
1,5 V und 12 V (3,3 V) herauf transformiert werden. Dies geschieht
vor allem durch Aufwärtssperrwandler
oder Ladungspumpen. Die Betriebszeit kleiner, Batterie betriebener
Geräte
mit Hochspannungsaktuatoren wird aufgrund des geringen Wirkungsgrades
des Aufwärtssperrwandler
stark eingeschränkt.
Auch bei Aufwärtswandlern,
die bereits für die
Anwendung im Zusammenhang mit Hochspannungsaktuatoren gebaut sind
und einen für
Aufwärtswandler
bereits hohen Wirkungsgrad besitzen, wird nur ein Wirkungsgrad von
ca. maximal 30% typisch jedoch kleiner als 10% erreicht.
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Insbesondere
bei Mikrobrennstoffzellsystemen sind Mikropumpen und Mikroventile
selbst Bestandteil des Energieversorgungssystems. Da diese momentan
mit Hilfe von Niederspannungsquellen betrieben werden, wobei die
Niederspannungsquellen über
Spannungswandler den Aktuatoren eine Hochspannung zur Verfügung stellen,
ist es wichtig, bessere Energieversorgungen für diese Aktuatoren zu finden.
Ansonsten ist der Einsatzbereich von Mikrobrennstoffzellensystemen
automatisch auf eine mindestnotwendige Systemgröße beschränkt, da sonst der Eigenenergieverbrauch
der Aktuatoren den Energieertrag des Stromversorgungssystems übersteigt.
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Ein
weiterer Aspekt ist aufgrund des zeitlichen Verlaufs der Aktuatoraktivität und der
Bereitstellung der Hochspannung an einer Schaltanordnung gegeben.
Da die Mikropumpen und Mikroventile in Mikrobrennstoffzellensystemen
nur in größeren zeitlichen
Abständen
aktiviert werden, die Ansprechzeit des Spannungswandlers jedoch
zu groß ist,
um erst im Bedarfsfall aktiviert zu werden, muss die Hochspannung
kontinuierlich bereit gestellt werden, obwohl sie nur während kurzer
Zeitspannen notwendig ist. Auch dadurch verringert sich der Wirkungsgrad erheblich.
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Die
zu lösende
Aufgabe liegt darin, dass eine zuverlässige Energieversorgung von
Aktuatoren gewährleistet
werden soll, welche gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
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Die
Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Schaltanordnung und die
erfindungsgemäßen Verfahren
gemäß dem Hauptanspruch
und den Nebenansprüchen
gelöst.
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Die
Schaltanordnung umfasst mindestens einen Hochspannungsaktuator und
eine Hochspannungsbatterie. Der Vorteil besteht darin, dass eine Hochspannungsbatterie
die vom Hochspannungsaktuator benötigte Hochspannung zeitnah
ohne wesentliche Verzögerung
bereitstellen kann. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Ausmaße der Hochspannungsbatterie
klein sind, bzw. das Verhältnis
von Größe zu Nennspannung
der Hochspannungsbatterie klein ist. In den abhängigen Ansprüchen werden einige
Hochspannungsbatterien beschrieben, welche dieses Merkmal erfüllen. Vorteilhafter
Weise sollten die Batterien ein Verhältnis von Nennspannung zu Volumen
aufweisen welches größer als
100 V/cm^3 ist, bzw. ein Verhältnis
von Leistung zu Volumen größer als
1 mAh/cm^3 aufweisen.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Schaltanordnung sind in den Nebenansprüchen beschrieben.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist es, die Hochspannungsbatterie
aufladbar auszuführen.
Dadurch kann diese selbst im laufenden Betrieb der Schaltanordnung über ein
externes Ladegerät
aufgela den werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung ist es der Schaltanordnung eine
Niederspannungsquelle und einen Spannungswandler hinzu zufügen, welche über Schaltelemente
mit der Hochspannungsquelle und/oder dem Hochspannungsaktuator verbunden sind.
In einer derartigen Schaltanordnung kann die Hochspannungsquelle über die
Niederspannungsquelle und den Spannungswandler aufgeladen werden.
Auch der Hochspannungsaktuator selbst kann direkt über die
Niederspannungsquelle und den Spannungswandler betrieben werden.
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Die
Hochspannungsbatterie ist hierbei derart in die Schaltanordnung
geschaltet, dass sie bei der Stromversorgung des Aktuators einen
höheren
Wirkungsgrad erreicht, als die Schaltanordnung ohne die Hochspannungsbatterie,
also insbesondere über die
Niederspannungsquelle und dem Spannungswandler, aufweist. Hierbei
ist von Bedeutung, dass der Wirkungsgrad, der durch die Niederspannungsquelle
und den Spannungswandler erzeugten Hochspannung im Dauerbetrieb
niedriger ist, als der Wirkungsgrad der Energieversorgung durch
die Hochspannungsbatterie, welche nur bei Bedarf angesprochen wird.
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Während des
Betriebs des Hochspannungsaktuators übernimmt die Hochspannungsbatterie
die Stromversorgung des Hochspannungsaktuators und wird zu verschiedenen
Ladezuständen
oder Zeitpunkten, welche manuell oder mit Hilfe von einer Steuerelektronik
gemessen werden, aufgeladen. Das geringe Abfallen der Spannung der
Hochspannungsbatterie über
den Entladezyklus wird beispielsweise durch eine Erhöhung der
Taktfrequenz für
den Hochspannungsaktuator ausgeglichen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Schaltanordnung ist die Niederspannungsquelle
aufladbar ausgeführt.
Diese kann dann bei Bedarf über
ein externes Ladegerät
aufgeladen werden.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist es,
dass eine Steuerelektronik vorhanden ist, welche den Ladezustand
der Hochspannungsbatterie überwacht.
Aus dieser Weiterbildung ergibt sich der Vorteil, dass die Steuerelektronik
automatisch zu bestimmten Ladezuständen die Schaltanordnung über Schaltelemente so
konfiguriert, dass die Hochspannungsbatterie mit Hilfe der Niederspannungsquelle
und des Spannungswandlers aufgeladen wird. Hierbei ist es ein weiterer
Vorteil, wenn die Steuerelemente so ausgeführt sind, dass die Niederspannungsquelle
und Spannungswandler vom Schaltkreis der Hochspannungsbatterie und
des Aktuators galvanisch getrennt ausgeführt werden und nur bei Bedarf
diese Schaltelemente geschlossen werden, um den Aufladevorgang durchzuführen. Dadurch
ergibt sich der Vorteil, dass die Niederspannungsquelle und der
Spannungswandler nur in kleinen Zeitintervallen eingeschaltet sein
müssen,
nämlich
in den Zeitintervallen, in welchen die Hochspannungsbatterie aufgeladen werden
muss und nicht, wie aufgrund der langsamen Ansprechzeit des Spannungswandlers
bislang der Fall, über
die gesamte Betriebsdauer des Aktuators in den Schaltkreis geschaltet
sind. Hierbei kann die Steuerelektronik verschiedene Werte messen,
wie zum Beispiel die die Ladespannung der Hochspannungsbatterie
oder Zählen
der Aktuatorbetätigungen oder
die aus der Hochspannungsbatterie entnommene Energie durch Stromintegration
ermittelt und aufgrund eines festgelegten Wertes der Messgröße die Niederspannungsquelle
und den Spannungswandler anschaltet, um die Hochspannungsbatterie aufzuladen.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Schaltanordnung ist es, über ein
zusätzliches
Schaltelement, welches von der den Hochspannungsaktuator und die
Hochspannungsbatterie umfassenden Schaltkreisschleife galvanisch
getrennt ausgeführt ist,
die gewünschte
Frequenz des Aktuators einzustellen. Als Schaltelement sind hier
sowohl ein Schalttransistor oder ein mikroelektronmechanisches Systemrelais
(MEMS-Relais) oder ein Schaltelement mit vergleichbarer Funktion
möglich.
Das MEMS-Relais hat den Vorteil, dass die Elektronik in einer kostengünstigen
Niederspannungsausführung
hergestellt werden kann, da diese vom Hochspannungsschaltkreis galvanisch
getrennt ausgeführt
sind.
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Weiterhin
ist eine Mittelanzapfung der Hochspannungsbatterie möglich, durch
welche über
ein Schaltelement, wie zum Beispiel einem Halbleiter oder einem
MEMS-Relais, positive und negative Spannungsimpulse mit fester,
aber eventuell unterschiedlicher Spannung an den Aktuator abgegeben werden.
Dies ist von Vorteil beim Betrieb von Mikropumpen, welche aufgrund
der an ihnen angelegten Spannung eine Pumpfunktion oder eine Saugfunktion
erfüllen.
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Ein
wichtiges Merkmal der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist die
aufladbare Hochspannungsbatterie, da diese in kleinen Abmessungen
von Gerätebatterien
und Mikrosystemen benutzbar sein soll. Eine weitere vorteilhafte
Weiterbildung der Schaltanordnung ist es daher, dass die Hochspannungsbatterie
zumindest eine elektrochemische Zelle mit mindestens einer Anode,
Kathode und einer verbindenden Schicht aufweist, wobei die verbindende
Schicht die Anode und die Kathode berührt. Hierbei ist es von Vorteil,
wenn die verbindende Schicht durch ein Elektrolyt oder durch einen
Festkörperionenleiter
oder durch einen Separator bzw. einen in Elektrolyt getränkten Separator
gebildet wird. Der Vorteil besteht darin, dass mit modernen Techniken eine
derartige elektrochemische Zelle in sehr kleinen Ausmaßen produziert
werden kann.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung ist es, wenn die Batterie Lithium
basiert ist. Hierbei können bekannte
Lithiumverbindungen verwendet werden, wie zum Beispiel Lithiumcobaltdioxyd,
LiCoO2 als Kathodenmaterial und Kohlenstoffe
wie Graphit als Anodenmaterial (z. B. LiC6).
Lithium Batterien sind die Systeme mit der höchsten bekannten Spannung. Deshalb
kann durch Addition weniger Zellen eine hohe Gesamtspannung erzielt
werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Schaltanordnung ist es, wenn
die elektrochemischen Zellen, wobei mindestens eine elektrochemische
Zelle vorhanden sein soll, der Hochleistungsbatterie als Stapel
ausgebildet ist und zwei Metallfolien als Stromableiterfolien auf
jeweils gegenüberliegenden Seiten
des Stapels aufgebracht sind, wobei die Anordnung von unten nach
oben Stromableiterfolie, Anode, verbindenden Schicht, Kathode und
Metallfolie ist. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist es, dass
Kathode, Anode und verbindende Schicht als Folien ausgebildet sind.
Hierdurch kann die Dicke der elektrochemischen Zelle der Hochspannungsbatterie auf
eine Dicke zwischen 20 Mikrometer bis 300 Mikrometer verringert
werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist es, wenn mindestens
eine der Stromableiterfolien bzw. Metallfolien eine größere Grundfläche als
Anode, Kathode und verbindende Schicht hat. Dabei wird auf den Teil
der Stromableiter- bzw. Metallfolie eine Isolationsschicht aufgebracht,
welche nicht durch die Anode, Kathode oder verbindende Schicht abgedeckt
werden. Die Isolationsschicht ist so anzubringen, dass sowohl Anode,
Kathode als auch die verbindende Schicht elektrisch und innenleitend
isoliert werden. Dies bedeutet, dass die elektrochemische Zelle
von Außen
betrachtet nur über
die Stromableiterfolien elektrisch angesprochen werden können. Die
nicht durch die Stromableiterfolien überdeckten Flächen von
Anode, Kathode und verbindender Schicht sind durch die Isolationsschicht überdeckt.
Eine weitere vorteilhafte Anordnung ist es hierbei, beide Metallfolien
in etwa gleich groß zu
gestalten und beide Metallfolien besitzen eine größere Grundfläche als
Anode, Kathode und verbindende Schicht. Die Randbereiche zwischen
den Metallfolien werden mit einer Isolationsschicht aufgefüllt, so
dass Anode, Kathode und verbindende Schicht von der Außenwelt
elektrisch und Ionen leitend isoliert sind.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausbildung ist es hierbei, dass die Isolationsschicht
als Polymerschicht ausgebildet ist.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gegeben,
dass die Hochspannungsbatterie mindestens zwei elektrochemische Zellen
aufweist, wobei der elektrochemischen Zellen übereinander gestapelt sind
und über
ein elektrisch leitendes Medium miteinander verbunden sind. Durch
die Stapelung und elektrische Verbindung zwischen verschiedenen
elektrochemischen Zellen werden mehrere Zellen in Reihe geschaltet.
Hierdurch lassen sich größere Spannungen erzielen,
da die Spannungen sich gemäß der Knotenregel
addieren.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist es, wenn die
elektrochemischen Zellen mit Hilfe eines elektrisch leitenden Klebstoffes
oder einer elektrisch leitenden Leitpaste verbunden sind. Besonders
vorteilhaft ist es hier, wenn die Leitpaste aus einer Polymermatrix
mit Grafitpartikeln oder Silberpartikeln besteht. Der Vorteil besteht
darin, dass die elektrochemischen Zellen nicht gegeneinander verrutschen
können
und höhere
Stapel elektrochemischer Zellen ermöglicht werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung ist es, wenn die Hochspannungsbatterie
ein Gehäuse
aufweist und die elektrochemischen Zellen in diesem Gehäuse angeordnet
sind. Durch das Gehäuse
kann eine weitere Isolation zur Außenwelt hergestellt werden.
In Kombination mit den vorher genannten Merkmalen besteht also eine
Isolation der einzelnen elektrochemischen Zellen zueinander und
eine Isolation der in Reihe geschalteten elektrochemischen Zellen zur
Außenwelt
hin. Hierdurch lassen sich höhere
Wirkungsgrade erzielen.
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Ein
weiterer Vorteil bezüglich
der Hochspannungsbatterie der Schaltanordnung lässt sich erzielen, wenn der
Zwischenraum zwischen Gehäuse
und den elektrochemischen Zellen mit einem elektrisch isolierenden
Material ausgefüllt
sind. Hierdurch wird eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades
der Hochspannungsbatterie erzielt. Um die Spannung, welche durch
die in Reihe geschalteten, gestapelten elektrochemischen Zellen
erzeugt wird, in die Schaltanordnung einzuspeisen, sind elektrisch
leitende Verbindungen an den elektrochemischen Zellen angebracht,
welche außerhalb des
Gehäuses
mit dem Schaltkreis verbindbar sind.
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Hierbei
ist es eine weitere vorteilhafte Ausführung, dass das Gehäuse selbst
zwei voneinander elektrisch isolierte Teile aufweist und die zwei
Teile des Gehäuses
elektrisch leitend ausgebildet sind, wobei mindestens zwei elektrochemische
Zellen direkt oder indirekt mit jeweils einem der zwei Teile des Gehäuses elektrisch
leitend verbunden sind. Hierdurch wird das Gehäuse der Hochspannungsbatterie selbst
zu der elektrisch leitenden Verbindung mit welcher die Hochspannungsbatterie
in die Schaltanordnung eingesetzt werden kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es
möglich,
die Hochspannungsbatterie als Knopfzelle bzw. als prismatische Zelle
auszubilden.
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Eine
alternative Ausführung
der Hochspannungsbatterie ist dadurch gegeben, wenn mindestens eine
elektrochemische Zelle planar auf einem Substrat oder einer Schaltplatte
aufgebracht wird und diese Vorrichtung der Hochspannungsbatterie
formt. Diese Hochspannungsbatterie ist insbesondere dann sinnvoll,
wenn in der erfindungsgemäßen Schaltanordnung
nur wenig Platz in der Höhe
für eine
Hochspannungsbatterie zur Verfügung
steht oder die Schaltanordnung auf einem flexiblen Träger oder
auf einer gemeinsamen Schaltplatte angebracht wird.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltanordnung und der
in ihr vorhandenen Elemente, wie beispielsweise der Hochspannungsbatterie,
sind den weiteren Nebenansprüchen
zu entnehmen.
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Im
folgenden soll auf das erfindungsgemäße Verfahren eingegangen werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
sieht eine Schaltanordndung mit einem Hochspannungsaktuator, einer
Niederspannungsquelle, einem Spannungswandler und einer Hochspannungsbatterie
vor, wobei die Hochspannungsbatterie den Hochspannungsaktuator betreibt
und die Hochspannungsbatterie über
die Niederspannungsquelle und den Spannungswandler aufgeladen wird.
Hierbei ist der Hochspannungsaktuator mit der Hochspannungsbatterie über Schaltelemente
verbunden und bezieht seine notwendige Arbeitsleistung von der Hochspannungsbatterie.
Bei einem festgelegten, frei wählbaren
Ladezustand wird die Niederspannungsquelle und der Spannungswandler
mit der Hochspannungsbatterie verbunden. Hierdurch wird die Hochspannungsbatterie
aufgeladen. Bei vollem Ladezustand der Hochspannungsbatterie werden
die Niederspannungsquelle und der Spannungswandler wieder von der Hochspannungsbatterie
getrennt. Der Vorteil des hier beschriebenen Verfahrens liegt darin,
dass die Niederspannungsquelle und der Spannungswandler, welche
im Dauerbetrieb nur einen geringen Wirkungsgrad aufweisen, nur noch
zum Aufladen der Hochspannungsbatterie in Betrieb genommen werden.
Die eigentliche Stromversorgung des Hochspannungsaktuators wird
nun von der aufladbaren Hochspannungsbatterie übernommen, welche aufgrund
der in den obigen Absätzen
beschriebenen Weiterbildungen in einer sehr kleinen Ausführung möglich ist
und somit in mikromechanischen Systemen verwendet werden kann.
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Weitere
vorteilhafte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den
weiteren Nebenansprüchen
beschrieben.
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Im
folgenden soll die erfindungsgemäße Schaltanord nung
anhand von einigen Ausführungsbeispielen
genauer beschrieben werden. In den Figuren ist zu sehen:
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1a, 1b:
Schaltanordnung mit Niederspannungsquelle, Spannungswandler, Hochspannungsbatterie
und Hochspannungsaktuator,
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2a, 2b:
Hochspannungsbatterie und dazu gehörige elektrochemische Zelle,
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3a, 3b:
Hochspannungsbatterie mit elektrochemischer Zelle,
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4:
Weitere Ausführung
Hochspannungsbatterie,
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5a, 5b, 5c:
Planare Ausführung
der Hochspannungsbatterie.
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In 1a wird
eine Schaltanordnung mit einer Niederspannungsquelle 1 und
einem Spannungswandler 2 als auch einem Hochspannungsaktuator 3 und
einer Hochspannungsbatterie 4 gezeigt, welches noch über weitere
Schaltelemente 5 und 6 verfügt. Die Schaltanordnung ist
hierbei so gewählt, dass
die Stromversorgung des Hochspannungsaktuators 3 über die
Hochspannungsbatterie 4 erfolgt. Der Hochspannungsaktuator 3 kann
hierbei durch weitere Hochspannungsaktuatoren ergänzt werden, welche
zusätzlich
in Reihe oder parallel in die Schaltkreisschleife eingesetzt werden
können,
welche den Hochspannungsaktuator 3 und die Hochspannungsbatterie 4 umfasst.
Um den Hochspannungsaktuator 3 mit einer gewünschten
Frequenz anzusteuern, ist ein mikroelektronisches mechanisches Systemrelais (MEMS-Relais) 5 eingefügt, welches
den Vorteil hat, dass die Elektronik in kostengünstiger Niederspannungsausführung hergestellt
werden kann, da sie von der Hochspannung galvanisch getrennt ausgeführt ist.
Des Weiteren ist es aber auch denkbar, einen anderen Schalttransistor
außer
einem MEMS-Relais zu verwenden, um die Aufgabe der Frequenzansteuerung
des Hochspannungsaktuators 3 zu übernehmen.
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Wie
bereits erwähnt,
bezieht der Hochspannungsaktuator seine Arbeitsleistung aus der
Hochspannungsbatterie 4. Dabei entlädt sich die Hochspannungsbatterie 4 bis
zu einem bestimmten frei wählbaren
Ladezustand. In der hier dargestellten Ausführungsform der Schaltanordnung
ist eine Steuerelektronik zum Überwachen
des Ladezustandes der Hochspannungsbatterie 4 als Steuerelement 6 eingezeichnet.
Eine derartige Steuerelektronik könnte den Ladezustand der Hochspannungsbatterie 4 überprüfen, indem
sie die Anzahl der abgegebenen Hochspannungsimpulse der Hochspannungsbatterie 4 an
den Hochspannungsaktuator 3 zählt und daraus den Energieverbrauch
innerhalb der Hochspannungsbatterie 4 ermittelt. Die Steuerelektronik
würde bei
dem vordefinierten Ladezustand der Hochspannungsbatterie die Hochspannungsbatterie über Schaltelemente
mit dem Schaltkreis, welcher die Niederspannungsquelle 1 und
den Spannungswandler 2 umfasst, verbinden. Die Niederspannungsquelle 1 würde dann
die notwendige Energie liefern, um die Hochspannungsbatterie 4 über den
Spannungswandler 2 wieder aufzuladen. Sobald die Hochspannungsbatterie 4 wieder
ihren vollen Ladezustand oder einen anderen, vorab definierten Ladezustand, erreicht,
wird der Aufladevorgang der Hochspannungsbatterie 4 unterbrochen,
bis die Hochspannungsbatterie wieder unter einen bestimmten Ladezustand
fällt.
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Da
die Hochspannungsbatterie nur mit sehr geringen Strömen im Nanoampere
bis Mikroampere Bereich entladen wird, ist zum einen wichtig, dass
sie selbst eine sehr kleine Selbstentladung besitzt und zum anderen,
dass die Beschaltung zur Überwachung
der Batterie während
der Entladephase nur mit minimalen Strömen auskommt. Am vorteilhaftesten ist
es, dort gar keine Messung zu verwenden, sondern anhand der Steuerungsdaten
des Niederspannungsteils, wie z. B. Frequenz und/oder Anzahl der Aktuatorbetätigungen,
verstrichene Zeit auch von Ruhephasen, den Entladezustand zu bestimmen.
In der Aufladephase wird die Batterie mit einem viel höheren Strom
geladen. Hier kann unproblematisch die Klemmspannung genau überwacht
werden.
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Hieraus
ergibt sich ein wichtiges Merkmal der erfindungsgemäßen Schaltanordnung
und ein wesentlicher Vorteil gegenüber bisher bekannten Methoden
zum Ansprechen von Hochspannungsaktuatoren. Die Niederspannungsquelle 1 wird
nur beansprucht, wenn die Hochspannungsbatterie 4 geladen
werden muss. D. h. der Spannungswandler 2 ist nur in relativ
kleinen Zeitfenstern aktiv. Die Verbesserung der Energiebilanz ergibt
sich dadurch, dass das kurzzeitige Laden der Hochspannungsbatterie
mit dem Spannungswandler mit einem höheren Strom erfolgt als der
durchschnittliche Strom der vom Hochspannungsaktuator benötigt wird.
Der Wirkungsgrad der Spannungswandlung zum Aufladen der Hochspannungsbatterie
mit höherem
Strom ist wesentlich höher
als der Wirkungsgrad einer ständigen
Spannungswandlung mit sehr niedrigen Strömen, wenn der Spannungswandler
direkt mit dem Aktuator verbunden ist, da sich alle Arten von Leckströmen der Elektronik
wesentlich stärker
auswirken. Bei portablen Geräten
mit nur geringem Einsatz der Hochspannnugsaktuatoren besteht außerdem die
Option, dass der Span nungswandler in ein externes Ladegerät integriert
wird. Der geringe Wirkungsgrad der Wandlung der Niederspannungsquelle
auf Hochspannung würde
sich dann gar nicht auf das portable Gerät auswirken, welches die volle
Energiedichte der Hochspannungsbatterie nutzen kann. Hieraus ergibt sich
eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades der Schaltanordnung
mit einem Hochspannungsaktuator 3. Hierdurch verbessert
sich die Energieversorgung für
die Aktuatoren und die mindest notwendige Systemgröße für deren
Einsatzbereich verringert sich gegenüber dem Stand der Technik,
da der eigene Energieverbrauch sinkt.
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Das
Abfallen der Batteriespannung der Hochspannungsbatterie 4 während der
Entladung stellt hierbei kein Problem dar, da diese durch eine Erhöhung der
Taktfrequenz für
den Aktuator ausgeglichen werden kann.
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Eine
wichtige Anwendung für
eine derartige Schaltanordnung nach 1a, ist
beispielsweise der Betrieb von mikromechanischen Aktuatoren, wie
zum Beispiel Pumpen oder Ventilen, die piezoelektrisch oder elektrostatisch
angetrieben werden. Diese Aktuatoren benötigen nur sehr kleine elektrische
Leistungen aufgrund ihrer kapazitiven Charakteristik, dafür aber meist
eine hohe Spannung, welche im typischen Fall zwischen 50 und 150
V liegt. Weiterhin können mit
dieser Schaltanordnung aber auch andere mikromechanische Aktuatoren
betrieben werden.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Schaltanordnung aus 1a ist
schematisch in 1b gezeigt. Hierbei sind in
die Schaltkreisschleife, welche die Hochspannungsbatterie 4 und
den Hochspannungsaktuator 3 umfasst, neue Elemente 7 und 8 aufgeführt. Das
Schaltelement 7 stellt eine Mittelanzapfung der Hoch spannungsbatterie
dar. Über
das Schaltelement 8, welches durch einen Halbleiter oder ein
MEMS-Relais realisiert sein kann, können so positive und negative
Spannungsimpulse mit fester, aber eventuell unterschiedlicher Spannung
an den Aktuator 3 abgegeben werden. Dies ist insbesondere für den Betrieb
von mikromechanischen Aktuatoren nötig, welche eine Richtungsänderung
ihrer Bewegung aufgrund von negativen oder positiven Spannungen
vornehmen. Im Bereich der Mikrobrennstoffzellen sind hierbei die
Mikropumpen zu nennen, welche durch unterschiedliche Spannungen
eine besonders gute Pumpcharakteristik erzielen, z. B. beim Pumpen
gegen einen hohen Gegendruck, oder das Zurückfließen von Fluiden verhindern.
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Ein
wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist die
aufladbare Hochspannungsbatterie 4. Eine Hochspannungsbatterie 4 in
den hier geforderten kleinen Abmessungen in Form von Gerätebatterien
oder gar Mikrosystemen ist dem Wissen der Anmelderin nach noch nicht
bekannt. Des Weiteren ist die Benutzung der in den nachfolgenden
Abschnitten dargestellten Hochspannungsbatterie auch in anderen
Schaltanordnungen möglich,
insofern kleine Abmessungen und Hochspannungen erforderlich sind.
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In 2a ist
ein Querschnitt einer derartige Hochspannungsbatterie 4 dargestellt.
Hierbei ist die Ausführungsform
der Hochspannungsbatterie als Knopfzelle gewählt. Das Gehäuse der
Knopfzelle besteht aus einem leitenden Deckel 10, welcher
von dem unteren Gehäuseteil 11,
welches ebenfalls leitend ausgebildet ist. Durch die Isolation 12, 12' ist der Deckel 10 vom
unteren Gehäuseteil 11 elektrisch
isoliert. Innerhalb der Hochspannungsbatterie 4 findet sich
ein Stack von elektrochemischen Zellen 20, 20', 20'', 20''', welche übereinander
gestapelt sind und über
ein elektrisch leitendes Medium 200, 200', 200'', welches hier als elektrisch leitender
Klebstoff ausgeführt
ist, miteinander verbunden. Die Verbindungen 200, 200', 200'' können hierbei auch über eine
elektrische Leitpaste, welche auf einer Polymermatrix mit Graphit
oder Silberpartikeln basiert, bestehen. Des Weiteren ist zwischen
den elektrochemischen Zellen 20, 20', 20'', 20''' und
den Gehäuseteilen 10 und 11 Isolationsmaterial 13 eingefüllt, so
dass die einzige Kontaktierung zwischen den elektrochemischen Zellen
zwischen dem Gehäusedeckel 10 und
der unteren Schicht 22'' der untersten
elektrochemischen Zellen 20'' und dem Gehäuseteil 11 besteht.
Wie aus dem Aufbau der einzelnen elektrochemischen Zelle offenbar
wird, sind die elektrochemischen Zellen 20, 20', 20'', 20''' in dieser Ausführung in
Reihe geschaltet.
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In 2b ist
ein Querschnitt einer einzelnen elektrochemischen Zelle 20 der
Knopfzelle 4 aus 2a dargestellt.
Die einzelne elektrochemische Zelle umfasst zwei Metallfolien 21, 22,
eine Anode 23, eine Kathode 24 und eine verbindende
Schicht 25. Des Weiteren ist eine Isolationsschicht 26 sichtbar,
welche auf der Metallfolie 22 angebracht ist und an der
Metallfolie 21 abschließt, so dass die Anode 23,
die Kathode 24 und die verbindende Schicht 25 von
der Außenwelt
abgeschlossen sind. Die Metallfolien 21 und 22 sind
als Stromableiterfolien ausgebildet, und dienen der elektrochemischen
Zelle 20 dazu eine elektrische Kontaktierung zur Anode 23 (in
diesem Fall: Metallfolie 21) und der Kathode 24 (in
diesem Fall: Metallfolie 22) herzustellen. Aufgrund der Ausführungen
der Stromableiter 21, 22 als Folien kann die Höhe der elektrochemischen
Zelle 20 verringert werden. Des Weiteren sind auch die
Anode 23 und die Kathode 24 als Folien ausgebildet,
was die Höhe
der elektrochemischen Zelle weiter gegenüber dem Stand der Technik verringert.
Die verbindende Schicht 25 ist in 2b als
Festkörperionenleiter ausgebildet.
Es sind aber ebenso andere Formen einer verbindenden Schicht möglich, wie
zum Beispiel als Elektrolyt oder als Separator oder als elektrolytgetränkter Separator.
Der Festkörperionenleiter 25 bietet
eine besonders einfache Herstellung der elektrochemischen Einzelzelle,
da dieser kostengünstig
und auch in Folienform hergestellt werden kann. Durch die Ausbildung
zumindest der Metallfolien 21, 22 und der Anode 23 und
der Kathode 24 als Folien, kann die Höhe einer Einzelzelle auf eine
Dicke von 20 bis 300 Mikrometern beschränkt werden. Insbesondere für geringe
Dicken der elektrochemischen Einzelzelle ist es von Vorteil, die
verbindende Schicht 25 als Separator auszuführen, da
auch dieser in Folienform hergestellt werden kann und nur eine Dicke
von wenigen Mikrometern besitzt.
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Eine
derartige elektrochemische Einzelzelle hätte als Lithium basierte Ausführung eine
mittlere Spannung von zirka 3,6 Volt, so dass sich über die
in Reihe Schaltung mehrerer elektrochemischer Zellen sehr leicht
eine Hochspannung erzeugen lässt.
Bei der Verschaltung verschiedener elektrochemischer Zellen wird
jeweils die Stromableiterfolie 21 der Anode 23 mit
der Stromableiterfolie 22 der Kathode 24 einer
anderen elektrochemischen Zelle über
ein elektrisch leitendes Medium, wie zum Beispiel elektrisch leitenden
Klebstoff 200, 200', 200'' in 2a, realisiert.
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Mit
Hilfe der Beschreibung der elektrochemischen Einzelzelle aus 2b soll
nun noch eine Besonderheit der in 2a dargestellten
Batteriekonstruktion erwähnt
werden. In 2a ist deutlich zu erkennen, dass
zwischen der Außenwelt
und der Anode, Kathode und verbindenden Schicht der elektrochemischen
Einzelzelle 20, 20', 20'', 20''' zwei verschiedene
Isolationsformen aufgebracht sind. Dort ist zum einen die Isolationsschicht 13 zu
sehen, welche alle Zellen vom elektrisch leitenden Gehäuse der Hochspannungsbatterie 4 isoliert.
Des Weiteren verfügt
jede elektrochemische Einzelzelle über eine separate elektrisch
und innenleitend isolierende Isolationsschicht 26, so dass
die Hochspannungsbatterie durch eine Vielzahl von kleinen elektrochemischen Einzelzellen,
welche in Reihe geschaltet sind, aufgebaut wird. Dies bedeutet des
Weiteren, dass die elektrochemischen Einzelzellen jeweils über ihren
eigenen Elektrolyten oder Festkörperionenleiter
oder Separator verfügen
und dieser nicht mit anderen elektrochemischen Einzelzellen in Verbindung
steht.
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Hierbei
ist es auch denkbar, dass die Isolationsschicht 26 der
einzelnen elektrochemischen Zelle erst angebracht wird, nachdem
der Stapel der elektrochemischen Zellen 20, 20', 20'', 20''' in den unteren
Teil des Gehäuses 11 der
Knopfzelle eingebracht worden ist. Hierdurch kann man die elektrochemischen
Einzelzellen 20, 20', 20'', 20''' mit einer als
Separator ausgebildeten verbindenden Schicht 25 ausstatten
und alle Separatoren gleichzeitig mit Elektrolyt tränken in
dem der Elektrolyt in den unteren Teil des Gehäuses eingebracht wird. Nach
dem Durchtränken
wird dann jeweils für
jede elektrochemische Zelle gleichzeitig eine Isolationsschicht 26 angebracht,
so dass wiederum alle elektrochemischen Einzelzellen voneinander
getrennt sind und nur über die
Stromableiterfolien miteinander in Verbindung stehen können.
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In 3a ist
ein Querschnitt einer alternativen Ausführungsform der Knopfzelle 4 dargestellt. Auch
hier besteht die Knopfzelle aus einem oberen, leitenden Gehäuseteil 10 und
einem unteren, leitenden Gehäuseteil 11,
wobei die beiden Gehäuseteile 10 und 11 über eine
elektrische Isolation 12, 12' voneinander elektrisch getrennt
sind. In dieser Ausführung
ist die obere Stromableiterfolie der obersten elektrochemischen
Zelle nicht direkt mit dem oberen Gehäuseteil 10 verbunden,
sondern ist mit diesem über
eine elektrisch leitende Feder 14 verbunden. Der Vorteil
dieser Konstruktion besteht darin, dass mit Hilfe der Feder der
gewünschte
Anpressdruck der einzelnen elektrochemischen Zellen 20, 20', 20'', 20''' herbeigeführt werden
kann.
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Die
Ausführungsform
der einzelnen elektrochemischen Zelle ist hierbei in 3b dargestellt. Diese
unterscheidet sich von der 2b darin,
dass die Metallfolien 21, 22, welche als Stromableiterfolien aufgebracht
sind, beide eine größere Grundfläche aufweisen
als die Anode 23, die Kathode 24 und die verbindende
Schicht 25. Die Isolationsschicht 26 wird zwischen
den überlappenden
Enden der Metallfolien 210 und 220 eingefügt, so dass
sich eine Sandwichform ergibt, wobei die Anode 23, Kathode 24 und
verbindende Schicht 25 zwischen den Metallfolien 21, 22 oben
und unten abgedeckt werden und die Isolationsschicht 26 den
Rand 210, 220 rund um die elektrochemische Zelle
herum abdeckt, so dass die Anode 23, die Kathode 24 und
die verbindende Schicht 25 von der Außenwelt durch die Isolationsschicht 26 abgegrenzt
werden und elektrisch nur über
die Metallfolien 21 und 22 angesprochen werden
können.
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In 4 ist
die Ausführung
der Hochspannungsbatterie in Form einer prismatischen Zelle gezeigt.
Hier bei ist das Gehäuse
mit dem oberen Teil 10 und dem unteren Teil 11 aus
Kunststoff hergestellt. Eine Herstellung aus Verbundfolien ist ebenso
möglich.
Da das Gehäuse
selbst nicht leitend ist, muss die elektrische Kontaktierung über Stromableitungselemente 30 und 40 realisiert
werden, welche über
die Durchführungen 31 und 41 geleitet
werden und dort Außenkontakte 32 und 42 bilden.
In dieser Ausführungsform
wird der Stapel der elektrochemischen Zellen in ein aus einer Oberseite 10 und
einer Unterseite 11 bestehendes Kunststoffgehäuse einlaminiert.
Dadurch wird auch der notwendige Anpressdruck zwischen den einzelnen
elektrochemischen Zellen hergestellt. Wie auch die Ausführungen
der Hochspannungsbatterie 4 in 2a und
in 3a, ist die Hochspannungsbatterie in 4 dazu
geeignet, einen dritten Kontakt zwecks einer Mittelanzapfung einzuführen, um
so eine Schaltanordnung gemäß der 1b zu
realisieren, mit welcher sowohl positive als auch negative Spannungen
an einen Hochspannungsaktuator abgegeben werden können.
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Für die Abmessungen
einer als Knopfzelle oder als prismatische Zelle ausgebildeten Hochspannungsbatterie
sei folgendes Beispiel erwähnt.
Unter der Annahme, dass es sich um ein Lithium-Ionen-System handelt,
bei welchem die Spannung einer einzelnen elektrochemischen Zelle
bei zirka 3,6 Volt liegt und bei der die Dicke der Einzelzelle 100 Mikrometer
beträgt,
wobei die einzelnen Schichten der elektrochemischen Zelle als Folien
ausgebildet sind, ergibt sich bei einer angestrebten Hochspannung von
150 Volt eine Gesamtdicke von zirka 4,2 Millimetern. Hierbei sei
nochmals erwähnt,
dass sich die Anwendung der Hochspannungsbatterie nicht auf die hier
dargelegte Schaltanordnung beschränkt, sondern auch in anderen
mikromechanischen oder piezoelektrischen Systemen eingesetzt werden
kann, in welchen eine Hochspannung benötigt wird, welche über eine
Batterie von möglichst
kleinen Ausmaßen zur
Verfügung
gestellt werden soll.
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In
den 5a, 5b, 5c ist
eine andere Ausführungsform
der Hochspannungsbatterie 4 dargelegt. In dieser Ausbildungsform
ist die Hochspannungsbatterie als planare Batterie ausgebildet. Dieser
Aufbau ist sinnvoll, wenn vor allem eine sehr flache oder mechanisch
flexible Bauform notwendig ist oder wenn eine Integration der Batterie
auf Siliziumwafern oder Leiterplatten erfolgen soll. Hierbei sind
zwei Außenanschlüsse 51 und 53 angebracht, welche
die Batterie mit anderen Schaltelementen in den Schaltkreis einbauen.
Des Weiteren ist eine Anode 23 und eine Kathode 24 sichtbar,
wobei nicht zur selben elektrochemischen Zelle gehörende Anoden und
Kathoden über
eine Metallisierungen 52 miteinander verbunden werden.
Die eingezeichnete Anode 23 und Kathode 24 sind
folglich derselben elektrochemischen Zelle zugehörig. Diese Anordnung ist insbesondere
dann von Vorteil, wenn nur sehr geringe Ströme und eine geringe Kapazität erforderlich sind.
Die verschiedenen elektrochemischen Zellen sind hierbei auf einem
Substrat 50 aufgebracht.
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Die
Anode 23 und die Kathode 24 einer einzelnen elektrochemischen
Zelle werden durch eine verbindende Schicht 25 überdeckt,
wie in 5b dargestellt. Hierbei besitzt
die verbindende Schicht sowohl eine gute laterale wie auch senkrechte
Leitfähigkeit
besitzen, da die Ionen sich in der verbindenden Schicht vor allem
in der Ebene und nicht senkrecht durch die verbindende Schicht bewegen.
Als verbindende Schicht sind sowohl eine Elektrolyt-Schicht als
auch ein Se parator möglich,
bzw. ein Festkörperionenleiter
oder ein Separator mit Flüssigelektrolyt.
Die Isolation der einzelnen elektrochemischen Zellen voneinander
geschieht durch einen Rahmen 54, welche sowohl elektrisch
als auch innenleitend isolierend ausgebildet ist. Dadurch stehen die
einzelnen Zellen nur noch über
die Metallisierungen 52 untereinander in Kontakt. Ähnlich wie
in den 2, 3 und 4 sind
die einzelnen elektrochemischen Zellen in 5a, 5b und 5c in
Reihe geschaltet, da sich so die Spannung der einzelnen elektrochemischen
Zellen aufaddiert. Um die planare Anordnung der Hochspannungsbatterie
abzuschließen,
wird auf dem Rahmen 54 eine Abdichtungs- oder Deckfolie 55 angebracht,
welche sowohl für
jede einzelne elektrochemische Zelle ausgebildet sein kann als auch
das gesamte Substrat 50 überspannen kann, da die Isolation
der einzelnen elektrochemischen Zellen durch den Rahmen 54 hergestellt
wird, und die Elektrolyte nahezu nur in der Bildebene verlaufen
und nicht senkrecht zu dieser.
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Um
die verschiedenen Schichten herzustellen, können sowohl Vakuumverfahren
als auch Siebdruck, Schablonendruck oder Tintenstrahldruck verwendet
werden. Des Weiteren sind auch die üblichen Standardtechniken verwendbar,
welche bei folienbasierten Batterien verwendet werden.
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Analog
zu den 2, 3 und 4 soll
hier noch ein Abmessungsbeispiel erfolgen, im Falle dass die planare
Batterieanordnung der 5a, 5b, 5c auf
Lithiumbasis geschieht. Hierbei ist eine Breite der Elektroden von
200 Mikrometern realistisch. Es wird ein Abstand zwischen den Elektroden von
zirka 100 Mikrometern angenommen und ein Abstand zwischen zwei Zellen
von 600 Mikrometern. Als Breite des Siegelrah mens 54 werden
200 Mikrometer angenommen, so dass sich eine Gesamtbreite einer einzelnen
elektrochemischen Zelle von etwas über 1 Millimeter ergibt. Die
einzelne Zellspannung beträgt wiederum
3,6 Volt, so dass sich für
eine Hochspannungsbatterie eine Gesamtbreite von zirka 42 Millimetern
ergibt. Die Zellen können
natürlich
auch in Mäanderform
oder in anderen Formen angeordnet werden, so dass sich hier die
Breite der Hochspannungsbatterie verringert.
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Die
hier dargelegten Ausführungsformen
der Hochspannungsbatterie erfüllen
die Bedürfnisse
der Schaltanordnung eines mikromechanischen Hochspannungsaktuators,
da diese Hochspannungsbatterien sehr kleine Dimensionen haben. Damit
können die
Systeme in welchen die Aktuatoren eingebaut sind auf eine kleinere
Größe beschränkt werden,
da die Energieversorgung der Aktuatoren durch eine wesentlich effizientere
und kleinere Hochspannungsbatterie erfüllt wird.