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Die Erfindung betrifft ein Mikrobrennstoffzellensystem mit einer Schaltanordnung zum Ansteuern und Betreiben eines Hochspannungsaktuators mit Hilfe einer Hochspannungsbatterie.
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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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DE 198 58 250 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements unter Durchführung eines Ladungstransports von einem kapazitive Eigenschaften aufweisenden Element zum piezoelektrischen Element oder umgekehrt. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass mehrere zum Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements verwendbare kapazitive Eigenschaften aufweisende Elemente vorgesehen sind, und dass das kapazitive Eigenschaften aufweisende Element, unter Verwendung dessen das piezoelektrische Element geladen oder entladen werden soll, selektiv auswählbar ist, wobei die kapazitive Eigenschaften aufweisenden Elemente, die zum Laden des piezoelektrischen Elements auswählbar sind, und die kapazitive Eigenschaften aufweisenden Elemente, die zum Entladen des piezoelektrischen Elements auswählbar sind, zumindest teilweise verschieden sind.
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WO 03/ 007 415 A1 zeigt eine bipolare elektrochemische Batterie. Die Batterie umfasst einen Stapel von mindestens zwei elektrochemischen Zellen, die in Reihe angeordnet sind; eine erste elektrisch leitende Laminierung, die eine erste innere Metallschicht und eine erste polymere Außenschicht umfasst, wobei die erste Außenschicht mindestens eine Perforation aufweist, um die erste innere Metallschicht freizulegen, wobei die erste Laminierung in elektrischem Kontakt mit der Außenfläche der negativen Elektrode steht; und eine zweite elektrisch leitende Laminierung, die eine zweite innere Metallschicht und eine zweite polymere Außenschicht umfasst, wobei die zweite Außenschicht mindestens eine Perforation aufweist, um die zweite innere Metallschicht freizulegen.
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DE 23 55 220 A1 beschreibt ein gasdichte Akkumulator-Batterien, insbesondere Batterien aus alkalischen Nickel-Cadmium-Akkumulatoren mit vorzugsweise zwei bis zehn Zellen.
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WO 2005/ 036 689 A2 betrifft eine Batterie mit einem elektrisch nicht leitenden Substrat, auf dem sie angeordnet ist, umfassend weiterhin mindestens eine Kathode, eine Anode, und eine Separator-/ Elektrolytschicht, die sich in Form aus elektrochemisch aktivem bzw. aktivierbarem Material und ggf. einer Polymermatrix und/oder weiteren Hilfsstoffen vorgeformten Schichten oder Folien in entsprechender Reihenfolge auf dem Substrat befinden, wobei die Schichtdicke jeder Elektrodenschicht 10 µm ist, mindestens einen Stromableiter und mindestens einen Batteriekontakt, die jeweils in elektrischem Kontakt mit einer Elektrode stehen, wobei die Batterie dadurch gekennzeichnet ist, dass sie mindestens eine erste Abdeckschicht aus einem ersten, gegenüber dem verwendeten Elektrolyt- und Elektrodenmaterial beständigen, elektrisch isolierenden Material, das aus der Gasphase oder in Form einer Flüssigkeit oder viskosen Paste aufgebracht wurde, aufweist, die zusammen mit dem Substrat und ggf. (einer) weiteren Komponente(n) eine Verkapselung bildet, durch die die Batterie gegenüber der Außenwelt abgedichtet ist und die mindestens eine mit einem elektrisch leitenden Material verschlossene Ausnehmung besitzt, die mit mindestens einem Stromableiter der Batterie in Verbindung stehen.
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WO 2006/ 105 966 A1 beschreibt ein galvanisches Element mit mindestens einer positiven und mindestens einer negativen Elektrode, wobei die positive und die negative Elektrode nebeneinander auf einem flächigen, elektrisch nicht leitenden Substrat angeordnet sind und über einen ionenleitfähigen Elektrolyten miteinander verbunden sind. Dabei können entsprechende Einzelzellen miteinander verschaltet werden, indem eine Mehrzahl, vorzugsweise eine Vielzahl von positiven und negativen Elektroden paarweise nebeneinander auf dem Substrat angeordnet sind.
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Richter et al. beschreiben in „A High Performance Silicon Micropump for Fuel Handling in DMFC Systems", Fuel Cell Seminar, Nov.3-7, proceedings, Miami Beach, FL, USA, 2003, pp. 272-275, eine piezoelektrisch angetriebene Silizium-Mikropumpe für die Brennstoffförderung in DMFC-Systemen. Die Leistung der Pumpe, die auf einem früheren Design basiert, umfasst eine Flussrate von bis zu 2 ml/min, ein Hubvolumen von 250 nl, eine Gegendruckfähigkeit von bis zu 500 hPa und ein selbstansaugendes und blasentolerantes Verhalten. Eine vollständige Wafer-Strategie zur Montage der Mikropumpe wurde um die Verwendung von Silizium-Sufion-Bond als Wafer-Bond-Technologie erweitert, um eine langfristige Stabilität des Mikropumpen-Chips in Bezug auf Methanol zu gewährleisten.
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Wackerle et al. beschreiben in „Micro pumps for lab technology and medicine“, Final presentation of the project „n-DOS“, Workshop micropumps Faunhofer IZM, München, 24.10.2006, die Verwendung von Silikon-Mikropumpen für die Anwendungsbereiche Pipettieren und Dosieren von Anästhetika.
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DE 101 49 671 A1 beschreibt ein Verfahren zum Steuern eines Piezoantriebes, bei dem für eine gewünschte Auslenkung eines Piezoaktors mit Hilfe der Auslenkungskennlinie des Piezoaktors eine an den Piezoaktor anzulegende Sollspannung ermittelt wird, der Piezoaktor mittels einer Stromquelle mit einem Strom gespeist wird, die Spannung am Piezoaktor beim Speisen des Piezoaktors mit dem Strom aus der Stromquelle gemessen wird, die gemessene Spannung mit der Sollspannung verglichen wird und beim Erreichen der Sollspannung die Speisung des Piezoaktors mit dem Strom aus der Stromquelle abgeschaltet wird.
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DE 102 03 033 A1 beschreibt eine Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler-Anordnung mit mehreren Ausgangsspannungen, die programmierbar sind. Die Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler-Anordnung enthält vier Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler. Der erste Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler wird von einer Brennstoffzelle gespeist. Die anderen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler sind mit ihren Eingängen an die Ausgänge des ersten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers angeschlossen.
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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 das erfindungsgemäße Mikrobrennstoffzellensystem gemäß dem Hauptanspruch 1 und das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem Nebenanspruch 32 gelöst.
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Das Mikrobrennstoffzellensystem 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 100V/cm^3 ist, bzw. ein Verhältnis von Leistung zu Volumen größer als 1mAh/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 aufgeladen 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 ionenleitend 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 Schaltanordnung anhand von einigen Ausführungsbeispielen genauer beschrieben werden. In den Figuren ist zu sehen:
- 1a, 1b: Schaltanordnung mit Niederspannungsquelle, Spannungswandler, Hochspannungsbatterie und Hochspannungsaktuator,
- 2a, 2b: Hochspannungsbatterie und dazu gehörige elektrochemische Zelle,
- 3a, 3b: Hochspannungsbatterie mit elektrochemischer Zelle,
- 4: Weitere Ausführung Hochspannungsbatterie,
- 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 Spannungswandler 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 Hochspannungsbatterie 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 ionenleitend 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. Hierbei 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 Separator 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 ionenleitend 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 Siegelrahmens 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.