-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen kompakten Leistungsmodul
zur Erzeugung von Impulsen von hohem Strom, um elektrische Motoren anzutreiben,
um ein Impulsmoment in kurzer Dauer zu erzeugen, wobei dabei tragbare
Geräte
mit Strom versorgt werden, Verbrennungsmotoren gezündet werden
oder automatische Systeme aktiviert werden. Insbesondere bezieht
sich die vorliegende Erfindung auf einen Umschalt-Kondensator, ohne
Teile zu bewegen, wobei Superkondensatoren, Ultrakondensatoren oder
elektrische Doppelschicht-Kondensatoren während der Ladephase von Parallelschaltung
zu Serienschaltung, bei der Zeit der Anwendung durch elektromagnetische
Umschaltelemente konfiguriert werden, um zur Erzeugung der gewünschten
Impulse zu entladen.
-
BESCHREIBUNG
DES STANDES DER TECHNIK
-
Impulsenergie
ist sehr nützlich
in zahlreichen Industrien. Beispielsweise kann sie zum Zerkleinern von
Steinen (U.S. Patentnr. 6,058,029), zum Verdampfen von Metall (U.S.
Patentnr. 5,359,279), zum Entfernen verschmutzter Partikel (
U.S. 4,162,417 ) und zum
Sammeln von Blutproben (U.S. Patentnr. 5,839,446) verwendet werden.
-
Viele
Techniken können
verwendet werden, um Impulsenergie zu erzeugen, beispielsweise Meereswasser
und Membran, welche in Unterwasser-Torpedo-Abschusssystemen zur
Erzeugung eines hohen Geschwindigkeitsfluidflusses in einer sehr kurzen
Dauer (U.S. Patentnr. 5,200,572 und 6,146,114). Hohe Energiepulse
können
auch durch Verwenden akustischer Energieumwandler (U.S. Patentnr.
4,531,081), piezoelektrischer Energieumwandler (U.S. Patentnr. 6,204,592)
und eines Schwungrades (U.S. Patentnr. 5,511,715) erzeugt werden.
Nichts desto trotz, wird Impulsenergie am häufigsten durch Verwendung eines
elektrischen Schaltkreises erzeugt, wie in den U.S. Patentnr. 4,258,405;
4,994,160; 5,359,279; 5,729,562; 5,895,584; 6,058,029; 6,063,168
und 6,359,424. Somit ist der Kondensator im Allgemeinen im Stand
der Technik von Impulsgeneratoren enthalten, wobei verschiedene
Halbleiter-Umschaltvorrichtungen, wie Thyratron, Thyristor, IGBT
oder SCR, wie auch Spule, Umwandler und Mikrocontroller zur Pulsweiten-Modulation
(PWM) verwendet werden, um den Kondensator umzuschalten. Da die
Chipanzahl im Stand der Technik von elektrischen Impulsgeneratoren
hoch ist, sind die sich ergebenden elektrischen Anordnungen daher
sperrig und teuer. Darüber
hinaus weist der Thyratron ein Problem der Lebensdauer auf, welches
mit der Kathoden- und Anoden-Erosion verknüpft ist, die die Umschalteffizienz
und Spannungs-Schonfähigkeit
des Halbleiterelements verringert.
-
Impulskraft
wird auch zum Betreiben tragbarer Geräte, die einen Hefter, Annagler
(nailer), Tacker, Bohrer, Hammer, Pin-Maschine (pinner), Brecher,
Nibbelmaschine (nibbler), Pressen, Heckenschneider, Trimmer, Abschneider
(pruner), etc. beinhaltet. Nehmen wir einen Annagler oder Hefter
als Beispiel, so wird er herkömmlicherweise
pneumatisch durch komprimierte Luft (U.S. Patentnr. 6,155,472) oder
durch unter Druck gesetztes Treibgas (U.S. Patentnr. 5,911,350)
angetrieben, um die Feder in eine komprimierte Lage zu belasten,
um einen Nagel in Holz oder eine Betonoberfläche zu treiben. Die vorherstehend
erwähnten
Werkzeuge brauchen daher einen Kompressor am Arbeitsplatz oder eine
Verbrennungskammer, die die Mobilität der Geräte verringert. Um den tragbaren
Geräten
die höchste
Mobilität
zu verleihen, sollten die Geräte
keine Kette daran befestigt haben oder schnurlos sein, und vorzugsweise
werden die Geräte
durch Batterien betrieben. Ähnlich
zu Wechselstrom-angetriebenen Geräten, verwenden die Gleichstrom-angetriebenen Geräte genauso
Solenoid-Auslöser
in angetriebenen Anwendungen. In der U.S. Patentnr. 5,105, 329,
die Goldner erteilt wurde, auf die hier Bezug genommen wird, wird
ein Festkörper-Schaltkreis bereitgestellt, um
die Armatur eines batterie-betriebenen elektrischen Hefters anzutreiben.
Da Batterien die einzige Stromquelle für einen Gleichstrom-Hefter
sind, wird die effektive Betriebslebensdauer von Batterien der '329, mittels eines
komplizierten Schaltkreises, der eine Zahl von elektronischen Komponenten
verwendet, angesprochen. Heutzutage, beruhen viele kommerzielle
kabellose Leistungsgeräte
in erster Linie auf NiCd-Batterien,
und schalten dann aus Umweltgründen
auf NiMH-Batterien um, um die elektrischen Motoren von Geräten anzutreiben.
Jedoch sind Batterien auf ihre Leistungsdichten beschränkt, denen es
nicht möglich
ist, das gewünschte
Impulsmoment für
Hochleistungstätigkeiten
bereitzustellen oder die effektive Verwendungszeit von Batterien
ist aufgrund der übertriebenen
Leistung verringert. Diese Erfindung liefert ein kosten-effektives
Verfahren, welches Superkondensatoren und elektromagnetische Relais verwendet,
um die vorherstehenden Probleme, die sich auf die elektrische Impulserzeugung
beziehen, zu lösen.
-
Die
DE 621 927 C (Berthold
Springer), vom 15. November 1935 offenbart eine Anordnung, welche
ein selbst-oszillierendes elektromagnetisches Relais umfasst, welches
als ein Gleichstrom-Gleichstrom-Konverter (DC-DC converter) konfiguriert
ist, wobei Kondensatoren in einer parallelen Konfiguration geladen
werden und zum Lade-Schaltkreis in einer Serienkonfiguration entladen
werden. Diese Konfigurationen werden durch die Zustände des
Relais gesteuert.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung verwendet Superkondensatoren als Belastungs-Nivellierung
für Batterien
in Gleichstrom-versorgten Vorrichtungen. Deshalb kann die Zahl der
Batterien, die zum Versorgen der Vorrichtungen benötigt wird,
verringert werden oder die effektive Betriebszeit der Batterien
kann verlängert
werden. Wenn Alkali-Batterien in den Leistungseinheiten von Gleichstrom-versorgten
Vorrichtungen verwendet werden, wird keine Wartezeit zum Laden von
Batterien benötigt,
so dass die Vorrichtungen sofort arbeiten können.
-
Die
vorliegende Erfindung verwendet eine minimale Anzahl von Batterien,
aber genügend
um die Superkondensatoren zu laden. Wenn die Belastungen große Ströme benötigen, liefern die
Superkondensatoren sofort die benötigte Leistung, die die Batterien
isoliert oder unter einer Bedingung mit geringer Entladungsrate
läßt.
-
Die
vorliegende Erfindung verwendet als Umschaltelement nur elektromagnetische
Relais, um die Superkondensatoren zum Liefern elektrischer Impulse
von Parallelschaltung zu Serienschaltung umzuschalten. Die Relais
sind klein und billig. Dabei besteht der Impulsgenerator aus Superkondensatoren und
Relais, ist kompakt und kosten-effektiv.
-
Die
vorliegende Erfindung steuert die Kapazität und den ESR (Äquivalent-Serienwiderstand – equivalent
series resistance) der Superkondensatoren, so dass die Größe der Impulskraft
(oder des Impulsmoments), welches durch den Generator geliefert
wird, maßgeschneidert
ist.
-
Diese
und andere Merkmale, Ziele wie auch Vorteile in Verbindung mit der
vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und
aus den bevorzugten Ausführungsformen
mit den beigefügten
Zeichnungen offensichtlich.
-
Es
soll verstanden werden, dass beide, die vorherstehende allgemeine
Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft
sind und beabsichtigt sind, weitere Erklärung der beanspruchten Erfindung
bereitzustellen.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
Die
beigefügten
Zeichnungen sind beinhaltet, um ein weiteres Verständnis der
Erfindung zu liefern und sind aufgenommen in und bestehen aus einem
Teil dieser Beschreibung. Die Zeichnung gemäß 2 ist eine
Ausführungsform
der Erfindung und zusammen mit Zeichnung 1 und der Beschreibung dient
sie dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
-
In
den Zeichnungen
-
ist 1 ein
schematisches Diagramm, welches darstellt, dass Superkondensatoren
während dem
Laden parallel geschaltet sind, und wobei sie zur Serienschaltung
umgeschalten werden, um elektrische Impulse beim Ziehen des Triggers
zu liefern;
-
ist 2 eine
schematisches Diagramm, welches darstellt, dass Superkondensatoren
sich entladen können,
um eine Batterie zu unterstützen, den
Leistungsbedarf bei Belastungsanforderung zu bewältigen;
-
und 3 ist
ein schematisches Diagramm, welches die Spannungs- und Strompulse
darstellt, welche durch den Generator erzeugt werden, wobei Alkalibatterien
als Stromquelle zum Betrieb eines elektrischen Hefters verwendet
werden.
-
BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Superkondensatoren
sind Energiespeicher-Vorrichtungen elektrochemischer Zellen, die statische
Ladungen bis zu Tausenden von Farad (F) über Oberflächenadsorption oder Oberflächenredox (Reduktion
und Oxidation) speichern können.
Zur Adsorption werden die gespeicherten Ladungen als Doppel-Schicht-Kapazität (DLC – double
layer capacitance) bezeichnet, während
eine Pseudokapazität (PC
pseudocapacitance) Ladungen gegeben wird, die mittels Oberflächenredox
gespeichert werden. Im Allgemeinen beobachtet man bei carbonsauren
Materialien, dass sie nur DLC aufweisen und bei Metalloxiden sieht
man oft, dass sie beides, DLC und PC aufweisen. Aufgrund des vorhergehenden
Unterschieds im Speichern von Ladungen, werden Kondensatoren, die
Kohlenstoffe als Elektrodenmaterialien verwenden, als Superkondensatoren
oder elektrische Doppelschicht-Kondensatoren bezeichnet, während Kondensatoren,
die Metalloxide als das Elektrodenmaterial verwenden, als Ultrakondensatoren
bezeichnet werden. Nichts desto trotz, weisen alle der vorherstehend
erwähnten
Kondensatoren hohe Energiedichten verglichen mit den herkömmlichen
Kondensatoren auf, und sie besitzen alle hohe Leistungsdichten verglichen
mit den Batterien.
-
Am
Wichtigsten ist, dass sie alle passend zum Erzeugen des Generators
für Pulse
mit hohem Strom sind, wie es in der gegenwärtigen Erfindung vorgestellt
wird.
-
Aufgrund
der hohen Energiedichten, können Superkondensatoren
durch irgendeine Stromstärke geladen
werden, so lange die festgelegten Spannungen (10% Toleranz) von
Superkondensatoren nicht überschritten
werden. Um als ein elektrischer Impulsversorger zu dienen, sollte
das verwendete Element geeignet sein, bei Bedarf gespeicherte Energie
in einer sehr kurzen Dauer freizugeben. Zusätzlich zum Superkondensator
sind Schwungrad und Induktionsspule alternative Kandidaten und werden
häufig
zur Bereitstellung von Energiepulsen verwendet. Jedoch benötigt ein
Schwungrad einen Antriebsmotor und andere sich bewegende Teile zum
Betreiben, während
eine Induktionsspule eine Hysterese aufweist und selten alleine
verwendet wird. Auf der anderen Seite, wird Energie von Superkondensatoren
ohne bewegende Teile und Verzug in Echtzeit-Antwort erhalten und
abgegeben. Darüber
hinaus können
Superkondensatoren im wahrsten Sinne des Wortes jahrelang ohne Wartungsbedarf
ein Laden und Entladen durchführen.
Deshalb sind Superkondensatoren bessere Vorrichtungen beim Bereitstellen
elektrischer Impulse als Schwungräder.
-
Die 1 ist
ein schematisches Diagramm, welches darstellt, dass Superkondensatoren
während
dem Laden parallel geschaltet sind und sie zur Serienschaltung umgeschalten
werden, um elektrische Impulse beim Ziehen des Triggers zu liefern. Die 1 basiert
auf einem beispielhaften, nicht beanspruchten Schaltkreis zur Erzeugung
elektrischer Impulse für
angetriebene Anwendungen, wie Hefter, Annagler (nailer), Tacker,
Hammer und Trimmer. Der elektrische Impulsgenerator 10 umfasst
eine Batterie B als eine Spannungsquelle, Superkondensatoren C1
und C2, als eine Energiespeichereinheit und ein 4fach-Anschluss
elektromagnetisches Relais (S1 bis S4 als gemeinsame Kontakte) zum
Umschalten der Superkondensatoren zur Entladungsposition. Jeder Anschluss
des Relais weist einen einpoligen Umschalter (single-pole double-throw
(SPDT)) auf. Vier Sätze
von 12 Kontakten des Relais sind normalerweise geschlossen (S1a-S1,
S2a-S2, S3a-S3 und S4a-S4), während
die anderen Sätze
normalerweise offen sind (S1-S1b, S2-S2b, S3-S3b und S4-4b). Während der
Ladungsphase wird ein Gleichstrom von der Batterie B in der Stromleitung 12 durch
die Kontakte S1a und S3a fließen,
um die jeweiligen Superkondensatoren C1 und C2 zu laden. Während die Superkondensatoren
durch die Batterie geladen werden, wird der Motor M durch S4 und
S4a geerdet. Da C1 und C2 zum Laden parallel geschalten sind, wird die
Spannung der Batterie B konzipiert, dass sie leicht größer als
die der Superkondensatoren C1 und C2 ist, aber viel geringer als
die benötigte
Spannung zum Antreiben von M. Somit kann die Dimension und Menge
der Batterie verringert werden. Um die Energie der Batterie zu sparen,
gibt es einen Drück-Einklink-Knopf
(push-latching button) (in 1 nicht
dargestellt), zum Auslösen
des Ladens der Superkondensatoren vor der Verwendung der Geräte. Während die
Geräte
gelagert werden, wird die Batterie von den Superkondensatoren und
dem Motor getrennt. Zur Zeit, wenn die Geräte verwendet werden, wird der
Einklink-Knopf gedrückt und
der Trigger wird gezogen, um das elektromagnetische Relais von normal
geschlossen auf normal offen umzuschalten. Infolgedessen, sind die
Superkondensatoren C1 und C2 als auch der Motor alle in Serie geschalten.
Sofort entladen sich die Superkondensatoren, um einen hohen Strom
zu erzeugen, um Impulsmoment auf den Motor zu übertragen, um den Federmechanismus
sofort zu einer Feder-komprimierten Position zu führen, um
eine Klammer von einem Klammermagazin zu führen. Nachdem eine Klammer
abgedrückt
wird, kehrt der Federmechanismus automatisch zur Ursprungsposition
zurück,
bereit für
den nächsten
Arbeitsgang. In 1 dient die Diode D zum Schützen der
Batterie B von Rückladung,
während
der Kondensator C3 ein herkömmlicher
Kondensator ist, der zum Absorbieren von Spannungsstoß, welcher
auftreten kann, verwendet wird.
-
Die 2 ist
ein schematisches Diagramm, welches zeigt, dass Superkondensatoren
sich entladen können,
um eine Batterie zu unterstützen
den Leistungsbedarf bei Belastungsanforderung gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung zu erfüllen.
Die 2 basiert auf der zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zum Erzeugen eines Hochstrompulses, um einen zunehmenden
Leistungsbedarf von Belastungen, wie den Motor von Leistungsbohrungen,
den Motor von Motorrädern
und Automobilen, wie auch den Auslöser automatischer Systeme zu
erfüllen. Ähnlich zu 1,
umfasst der Generator für
Pulse mit hohem Strom 20 auch eine Batterie B als eine Spannungsquelle,
Superkondensatoren C1 und C2 als eine Energiespeichereinheit und
einen SPDT, 3fach-Anschluss elektromagnetisches Relais zum Umschalten
der Superkondensatoren in die Entladungsposition. Jedoch ist ein
Solenoid S in dem Generator von 2 beinhaltet
und wobei Batterie B einen Gleichstom liefert, der innerhalb der
normalen Entladungsraten der Batterie zum Laden der Superkondensatoren
liegt, wie auch zum Antreiben des Motors M, der geringe Leistung
für die
Inbetriebnahme benötigt. Während der
Ladephase, mit dem Relais bei normal geschlossenem (S1a-S1, S2a-S2
und S3a-S3) Zustand, werden die Superkondensatoren C1 und C2 parallel
geschalten und der Gleichstrom, welcher durch S fließt, ist
unter dem Anschalt-Grenzwert der Vorrichtung. Da der Leistungsbedarf
von M zunimmt, beispielsweise im Moment, wenn die Bohrerspitze eines
Leistungsbohrers ein Werkstück
durchdringt oder bei der Zündung
von Motoren von Fahrzeugen, benötigen
die Motoren ein großes
Impulsmoment, welches mehr Stromausgabe von der Batterie B verlangt.
Gleichzeitig mit einem zunehmenden Gleichstrom, der durch S fließt und den
Anschalt-Grenzwert von S überschreitet,
ist der Schalter von S geschlossen und das elektromagnetische Relais
wird von normal geschlossen auf normal offen (S1-S1b, S2-S2b und
S3-S3b) umgeschaltet. In einer Echtzeit-Antwort sind die Superkondensatoren
C1 und C2 in Serie geschalten und entladen sich, um einen Hochstrompuls für M zu erzeugen,
um den Leistungsbedarf zu decken. Im vorhergehenden Arbeitsvorgang
wird die Entladung der Batterie B bei geringen Raten gehalten. Somit
tritt kein abrupter Spannungsabfall auf und die effektive Betriebszeit
der Batterie wird verlängert.
-
BEISPIEL 1
-
Bei
Verwenden von 6 Stück
1,5 V Alkalibatterien und 2 Stück
von 7,5 V × 6
F Superkondensatoren mit einem ESR von 80–100 mΩ wird ein Generator für Pulse
mit hohem Strom, wie in 1 dargestellt, für einen
elektrischen Hefter angeordnet, der ursprünglich auf 12 Stück 1,2 V × 1800 mAh
NiCd-Batterien zum Betrieb angewiesen ist. Bald nachdem die Superkondensatoren
geladen sind, kann der Generator kontinuierlich 8 Stück von ½ Zoll-Klammern (1,26 cm)
in die Oberfläche
von Sperrholz treiben. Die Entladungskurven von Spannungs- und Strompulsen
der ersten 5 Anwendungen sind in 3 dargestellt.
Der Durchschnittsstrom, welcher benötigt wird, um den Hefter zu
betreiben, beträgt
20 A, das liegt genau über
der Stromausgabe der vorherstehend erwähnten Alkalibatterie. Wenn
6 Stück
der ursprünglichen
NiCd-Batterien oder 6 Stück
der NiMH-Batterien der gleichen Kapazität wie der NiCd für den Generator
verwendet werden, ist der Hefter hoch-energetisch und zeigt keine
Unterbrechung während
des Betriebs.
-
BEISPIEL 2
-
Verwenden
von 6 Stück
3,6 V × 1600
mAh Lithium-Ionen-Batterien, welche zuerst in 3 Sätzen von Doppelbatterien,
welche in Serie geschaltet sind, gruppiert sind, wobei dann die
3 Sätze
parallel geschaltet werden, um eine Batteriepackung von 7,2 V × 4800 mAh
zusammen mit 2 Stück
von 6,5 V × 40
F Superkondensatoren mit einem ESR von 30 mΩ zu bilden, wird ein Generator
für Pulse
mit hohem Strom, wie in 2 dargestellt, konstruiert.
Dem Generator ist es möglich,
einen 2000 ml-Verbrennungsmotor eines 6-Zylinder-Kraftwagens zu
zünden.
Auch der Generator, der 1,4 Pfund (0,635 kg) wog, wird gemessen,
um eine elektrische Leistung von 720 W (12 V × 60 A) für 2 Sekunden pro einer Voll-Ladung
der Superkondensatoren bereitzustellen. Aus den vorhergehenden zwei
Beispielen, zeigte die vorliegende Erfindung die folgenden Merkmale:
- 1. Primäre
Batterien, wie Alkalibatterien, können verwendet werden, um elektrische
Leistungsgeräte
zu betreiben.
- 2. Mit der Unterstützung
von Superkondensatoren, können
wiederaufladbare Batterien von geringer Leistungsdichte, wie NiMH
und Lithium-Ionen verwendet werden, um Batterien von Hochleistungsdichte,
wie Bleisäure
und NiCd, zum Ausführen
von hochleistungsfähigen
Arbeiten zu ersetzen.
- 3. Superkondensatoren können
die Leistungsdichte von primären
und sekundären
Batterien, als auch erneuerbare Energie erhöhen, welche die vorherstehend
erwähnten
Batterien, Brennstoffzellen, Solarzellen und Metall-Luft-Batterien beinhaltet.
Darüber
hinaus, kann die Leistungsausgabe des Generators, der aus Batterien
und Superkondensatoren besteht, maßgefertigt durch Justierung
der Kapazität
von Superkondensatoren werden.
-
Die
vorliegende Erfindung ist als eine Leistungseinheit zur Erzeugung
von Impulsen von hohem Strom realisierbar und ist vorteilhaft in
der Ausführung,
Einfachheit, Kompaktheit, Schlichtheit, Zuverlässigkeit, Beständigkeit
und der Kosten.