DE60210175T2 - Batterie mit eingebautem Lastverteilungs-System - Google Patents

Batterie mit eingebautem Lastverteilungs-System Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit eingebauter Ladenivellierung und spezieller den Einbau von mindestens einer Batterie mit mindestens einem Doppelschicht-Kondensator bzw. Superkondensator und miniaturisierten elektronischen Steuerungen in einem Einzelgehäuse, wobei der Doppelschicht-Kondensator die Batterie beim Laden und Entladen mit einer Ladenivellierung ausstattet.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Batterien sind im modernen Leben unverzichtbar. Von Kraftfahrzeugen und Handys zu Laptops und PDAs, die Vorrichtungen können nicht ohne Batterien betrieben werden. Batterien werden allgemein in Primärbatterien, die nur eine einmalige Benutzung ermöglichen, und Sekundärbatterien eingeteilt, die durch ein elektrisches Wiederaufladen in einer Reihe von Zyklen erneut verwendet werden können. Da an eine bauliche Veränderung gekoppelte chemische Reaktionen in die Energieübertragung von Batterien einbezogen sind, sind sie alle bezüglich der Lade- und Entladegeschwindigkeit sowie der Entladungstiefe beschränkt. Eine hohe Leistungsdichte und schnelle Wiederaufladefähigkeit sind also zwei Ziele bei den permanenten Entwicklungsbemühungen bezüglich Batterien.
  • Im Gegensatz dazu weisen Kondensatoren eine bessere Leistungsdichte, Entladungstiefe und Wiederaufladefähigkeit als Batterie auf, weil die Energieübertragung nur auf der Elektrodenoberfläche von Kondensatoren auftritt. Da dennoch der Hauptteil von Elektroden nicht zur Energiespeicherung verwendet wird, weisen Kondensatoren eine geringere Energiedichte als Batterien auf. Die Energiedichte zu verbessern, wird damit zu dem Hauptentwicklungsziel bei Kondensatoren. Natürlich sollte eine ideale Energiespeicherungsvorrichtung die vorteilhaften Eigenschaften sowohl von Batterien als auch von Kondensatoren kombinieren. Genau wie eine Blei-Säure-Batterie die größte Leistungsdichte unter den herkömmlich verwendeten Batterien, einschließlich Ni-Cd, Ni-MH, Li und Zn-Luft, aufweist, weist ein Doppelschicht-Kondensator die höchste volumetrische Energiedichte unter allen Kondensatoren auf, einschließlich Keramik-, Kunststofffolien-, Aluminium-Elektrolyt-, Tantal-, Glas- und Glimmerkondensatoren. Wegen seines hohen Energiegehalts, ist ein Doppelschicht-Kondensator in der Lage, Strom bis zu Hunderten von Ampere abzugeben und aufzunehmen, was dem Kondensator praktischen Wert verleiht, um Batterien und Brennstoffzellen eine Ladenivellierung bei Leistungsanwendungen bereitzustellen.
  • Es ist ein Paradoxon für eine Energiespeicherungsvorrichtung, gleichzeitig sowohl eine hohe Energiedichte als auch eine hohe Leistungsdichte zu besitzen. Da eine hohe Energiedichte dicke Elektroden erfordert, während dünne Elektroden für eine hohe Leistungsdichte gebraucht werden. Die Vorrichtung kann nur erhalten werden, wenn ein Material mit Nanometer-Ausmaßen und einer hohen Energiekapazität zusammen mit einem ausführenden Verfahren ermittelt bzw. eingesetzt werden kann, das das Material in die Elektroden exakt überführt, ohne dass die charakteristischen Eigenschaften des Materials verloren gehen. Andernfalls ist die ideale Energiespeicherungsvorrichtung kaum zu erlangen. Während enthusiastische Bemühungen der Entdeckung des oben genannten Materials und eines Verfahrens gewidmet werden, gibt es Hybrid-Bauweisen, die zur Erhöhung der Energiekapazität und/oder der Energieeffizienz von Batterien und Kondensatoren bekannt gemacht wurden. In US 4,959,281 , 6,088,217, 6,222,723 und 6,252,762, ebenfalls in Artikeln von Drews et al. „High-rate lithium/manganese dioxide batteries; the double cell concept", J. Power Sources, Vol. 65, Seiten 129–132, 1997, und von Arbizzani et al., „New trends in electrochemical supercapacitors", J. Power Sources, Vol. 100, Seiten 164–170, 2001, sowie von Pasquier et al. „A Nonaqueous Asymmetric Hybrid Li4Ti5O12/Poly(fluorophenylthiophene) Energy Storage Device", J. Electrochem. Soc., Vol. 149, Nr. 3, Seiten A302–A306, 2002, wird eine Batterieelektrode als Anode und eine Doppelschicht-Kondensator-Elektrode als Kathode verwendet, um Hybrid-Vorrichtungen zu bauen. Durch eine geeignete Auswahl der Hybrid-Paare wird gesagt, dass die Energiedichte eines asymmetrischen Doppelschicht-Kondensator sechsmal gesteigert werden kann, wie in U.S. Patent 6,222,723 angegeben. Selbst bei 10facher Steigerung der Energiedichte eines Doppelschicht-Kondensators ist sein Energiegehalt noch winzig im Vergleich mit dem, der in Batterien gespeichert wird. Des Weiteren kann weder die Batterieelektrode gegen Überladung und Überentladung durch die Kondensatorelektrode geschützt werden, noch kann die Kondensatorelektrode die gesamte erhöhte Energie zum Bereitstellen von Basisspitzenströme vollständig verwenden, da die Reaktion auf der Batterieelektrode wie üblich langsam ist. Es gibt keine praktische Bereicherung in den asymmetrischen Vorrichtungen.
  • Es ist auf dem Gebiet bekannt, dass Batterien Schutzmechanismen und elektronische Schaltungen gegen hohen internen Druck, Runaway-Temperatur, inverser Polarität, Überladung und Überentladung aufweisen sollten. Normalerweise sind Batterien und ihre Schutzeinrichtungen zwei getrennte Einheiten in unterschiedlichen Gehäusen bzw. Baugruppen. Jedoch werden jetzt zur schnellen und präzisen Durchführung Mechanik und Elektronik in eine Einzelvorrichtung integriert, bekannt als Mechatronik, die in Produkten wie beispielsweise Computerdiskettenlaufwerk, Trockner, Airbag, CD/DVD-Spieler und Bremssystem von Kraftfahrzeugen gefunden werden können. Ein derartiges Konzept wurde auch auf den Bau von integrierten Batterien angewandt. US 4,622,507 , 5,644,207, 5,645,949, 6,020,082 und 6,163,131 offenbaren alle den Einbau von Batterien mit Steuerschaltkreisen in einem Einzelgehäuse. Sie sind hier durch die Angabe in ihrer Gesamtheit eingearbeitet. Durch Ersetzen der Steuerung durch die Batterien in einem Einzelgehäuse kann eine Reihe von Vorteilen bereitgestellt werden, einschließlich weniger zu verwendende Verbindungskabel, nahe Überwachung, EMI-(elektromagnetische Interferenz) Abschirmung und Echtzeit-Antwort. Eine elektronische Steuerung sollte mindestens die folgenden vier Schlüsselfunktionen von Batterien regulieren: 1) Verwendungsdauer, 2) Ausgangsleistung, 3) Wiederaufladedauer und 4) Sicherheit. Die ersten zwei Funktionen betreffen die Entladung von Batterien beim Antrieb verschiedener Verbraucher. US 6,163,131 hat ein Viertel seines gesamten Gehalts einer untergeordneten Entladesteuerung zugeordnet, wobei die Energieverwendung von Batterien über eine sichere tiefere Entladung verstärkt wird. Im Wesentlichen ist die alleinige Verwendung von elektronischen Steuerungen zur Verbesserung der Eigenschaften von Batterien ein passiver Ansatz. Obwohl die elektronischen Steuerungen die Batterien vor Schäden aufgrund von übermäßiger Ladung und Entladung geschützt werden können, regulieren und führen die Schaltkreise lediglich die Batterien, um eine Energieübertragung unter gewissen vorbestimmten Niveaus auszuführen. Auf der einen Seite beinhalten die Steuerungen keine Energie, um den Batterien zu helfen, große Leistungsanforderungen zu erfüllen, auf der anderen Seite können die Steuerungen die Batterien nicht unterstützen, um große Energie zu empfangen, wie sie bei der Nutzbremsen von Elektrofahrzeugen erzeugt wird. Die Steuerungen hemmen lediglich übermäßige Energien anstatt einer Wiedergewinnung. Um eine Echtzeit-Ladenivellierung bereitzustellen und alle verfügbaren Energien zu speichern, integriert die vorliegende Erfindung Batterien, Doppelschicht-Kondensatoren und elektronischen Steuerungen in einem Einzelgehäuse.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung stellt einen Doppelschicht-Kondensator bereit, der eine Energiespeichervorrichtung mit den gleichen elektrischen Eigenschaften wie ein Kondensator ist, und der dennoch viel mehr Energie als die herkömmlichen Kondensatoren speichert. So lang wie die festgelegte Spannung eines Kondensators eingehalten wird, kann ein Doppelschicht-Kondensator Ladeströme jeder Größe akzeptieren und die Energie schnell speichern. Beim Freigeben der gespeicherten Energie kann ein Doppelschicht-Kondensator Basisspitzenströme mit einer Zyklenzahl von Zehntausenden und mehr als 99% Entladungstiefe stabil liefern. Daher ist ein Doppelschicht-Kondensator energetisch und zuverlässig für Leistungsanwendungen, und er ist ein universales Element zur aktiven Verbesserung der Energieeigenschaften von Batterien und Brennstoffzellen.
  • Gemäß den einzigartigen Eigenschaften eines Doppelschicht-Kondensators ist es eine Aufgabe der Erfindung den Kondensator als ein zellinternes Ladenivellierungselement für Batterien und Brennstoffzellen zu verwenden. Unabhängig von den Ladeanforderungen werden die integrierten Batterien auf eine Entladung bei 1 C oder geringeren Raten eingestellt, und der Doppelschicht-Kondensator wird den zusätzlichen Leistungsbedarf bereitstellen. Da die Batterien immer bei geringen Strömen entladen, wird ihre Verwendungsdauer und Lebenszeit verlängert.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Verwendung der zulässigen Energie zu erhöhen, die in Batterien gespeichert ist. Nahe am Ende des Entladungszyklus von Batterien ist ihre Restenergie oft nicht ausreichend, um viele Verbraucher anzutreiben. Jedoch kann die Restenergie wirksam und nützlich werden, nachdem sie durch einen Doppelschicht-Kondensator verstärkt wurde. Mit Unterstützung eines Doppelschicht-Kondensators wird die Restenergie von Batterien sicher abgeleitet.
  • Noch eine andere Aufgabe der Erfindung ist, einen Doppelschicht-Kondensator als einen Puffer oder eine Ausgleicheinrichtung für das elektrische Laden von Batterien zu verwenden. Der Kondensator wird zuerst durch externe Stromquellen aufgeladen, die beliebige Ladeströme bei Spannungen unter der nominellen Betriebsspannung des Kondensators bereitstellen, dann überträgt der Kondensator seine gespeicherte Energie an die Batterien, wobei er dem Ladeprotokoll der Batterien folgt. Durch den vorstehenden Algorithmus werden alle verfügbaren Energien gespeichert, die Batterien sind vor übermäßigen Ladeströmen geschützt und ein Aufladen der Batterie wird aufgrund von Energieausgleich beschleunigt, der von einem Doppelschicht-Kondensator bereitgestellt wird.
  • Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Steuerungs- oder Schutzschaltkreise von Batterien durch Verwendung eines Doppelschicht-Kondensators für die Energiesteuerung zu vereinfachen. Ein Doppelschicht-Kondensator tritt sowohl als eine Energie-Vorrichtung als auch als eine elektronische Komponente auf. Wegen der moderat hohen Energiedichte und hohen Leistungsdichte eines Doppelschicht-Kondensator können einige Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler und spannungserhöhende Schaltkreise eingespart oder minimiert werden.
  • Eine andere Aufgabe der Erfindung ist der Einbau einer Batterie und eines Doppelschicht-Kondensators in einem Einzelgehäuse. Da beide Vorrichtungen eine Reihe von Ähnlichkeiten bei dem Elektrolytsystem und in den Herstellungsmethoden und -anlagen gemeinsam haben, ist es einfach, sie in einem Gehäuse ohne das Problem einer gegenläufigen Kontamination zu herzustellen. Bei der Kombination von Batterien- und Doppelschicht-Kondensatorstärke erreicht die Hybrid-Vorrichtung einen synergistischen Effekt, da die zwei Elemente elektrisch eingebunden sind.
  • Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung von Strömen, um Mikroventilatoren anzutreiben, die innerhalb von Metall-Luft-Batterien installiert sind, oder ein Heizelement in Brennstoffzellen einzuschalten wie beispielsweise Protonenaustausch-Brennstoffzelle (PEFC), um den Betrieb der luftgetriebenen Energievorrichtung zu starten. Beide Vorrichtungen können mit Hilfe von Ladenivellierung, die von einem Doppelschicht-Kondensator bereitgestellt wird, längere Verwendungsdauer und höhere Leistungsdichte erreichen.
  • Es soll verstanden werden, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft sind und dazu gedacht sind, eine weitere Erklärung der Erfindung bereitzustellen, wie beansprucht.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die begleitenden Zeichnungen sind eingefügt, um ein weiteres Verstehen der Erfindung bereitzustellen, und sind in diese eingearbeitet und bilden einen Teil dieser Beschreibung. Die Zeichnungen erläutern Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erklärung der Prinzipien der Erfindung. In den Zeichnungen ist es so, dass
  • 1 eine zylindrische integrierte Batterie ist, die eine Batterie, einen Doppelschicht-Kondensator und einen Mikroprozessor in einem Einzelgehäuse enthält, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung;
  • 2 ein vereinfachtes Schaubild ist, das eine Batterie und einen Doppelschicht-Kondensator zeigt, die durch eine untergeordnete Aufladesteuerung und eine untergeordnete Entladesteuerung parallel geschaltet sind, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung;
  • 2A näher auf die Schaltung einer untergeordneten Aufladesteuerung eingeht, die das elektrische Laden von Batterie und Doppelschicht-Kondensator reguliert, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung;
  • 2B näher auf die Schaltung einer untergeordneten Entladesteuerung eingeht, die Energieabgabe reguliert, die gemeinsam von Batterie und Doppelschicht-Kondensator bereitgestellt wird, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung;
  • 3 eine detailliert Skizze der untergeordneten Lade- und Entladesteuerungen ist, die in 2 gezeigt sind, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung; und
  • 4 eine mehrzellige Zink-Luft-Batterie ist, die aus einer zellinternen Luft-Steuerung besteht, die von einem Doppelschicht-Kondensator (nicht gezeigt) betrieben wird, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Eine integrierte Batterie ist eine intelligente Batterie, die eingebaute elektronische Schaltungen und komplementäre Vorrichtungen aufweist, um es der Batterie zu ermöglichen, Hochleistungsladungen ohne Überentladung oder Überladung aufzunehmen. Batterie und Doppelschicht-Kondensator sind elektrochemische Zellen zur Energiespeicherung mit unterschiedlichen Mechanismen. In Batterien werden chemische Bulk-Reaktionen bzw. Reaktionen im Innern entwickeln, wobei elektrische Energie beim Laden in chemische Energie gewandelt wird und das Umkehr-Verfahren bei einer Entladung auftritt. Im Gegensatz dazu ist die Energieübertragung bei Ladung und Entladung eines Doppelschicht-Kondensators ein eher physikalisches Verfahren als eine chemische Reaktion. Ungeachtet des mechanistischen Unterschieds können Batterien und Doppelschicht-Kondensatoren durch Verwendung der gleichen Produktionsmethoden und -anlagen hergestellt werden. Jedoch können Doppelschicht-Kondensatoren identische Elektroden als Anode und Kathode verwenden, ihre Herstellung ist flexibler und ökonomischer als die von Batterien. Letztere müssen asymmetrische Elektroden verwenden. Da beide Vorrichtungen das gleiche Elektrolytsystem verwenden können, ist es einfach, Batterie und Doppelschicht-Kondensator ein eine Einzelvorrichtung zu integrieren. Eine Integration von Doppelschicht-Kondensatoren liefert keinen signifikanten Beitrag zu den Produktionskosten von Batterien.
  • 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Einarbeiten eines Batterieelements LI/B 110, eines Doppelschicht-Kondensatorelements S/C 112 und eines Mikroprozessors 103 in ein Einzelgehäuse von zylindrischer Gestalt 104, um die integrierte Batterie 100 zu bilden. Es gibt vier Kommunikationsbusse, 106, zwei für jedes Element, zwischen Mikroprozessor 103 und Batterie LI/B 110 sowie zwischen 103 und Doppelschicht-Kondensator S/C 112. Batterie 100 weist positive und negative Datenendstationen außen auf dem Gehäuse 104 auf, die durch 101 bzw. 102 beschrieben werden. Der Kommunikationsbus 106 ermöglicht, dass LI/B 110 und S/C 112 komplementäre Funktionen zueinander über den Mikroprozessor 103 ausführen, während eine Isolator 105 eine hermetische Dichtung zu den Komponenten in dem Gehäuse 104 bereitstellt. Beide Enden eines Doppelschicht-Kondensators S/C 112 sind weiter mit einem Kantenverschluss bzw. -dichtung 107 abgedichtet, so dass S/C 112 bipolar und isoliert von anderen Komponenten in dem Gehäuse sein kann. Ein bipolarer Aufbau weist mindestens drei Elektroden auf, wobei die mittlere gleichzeitig als Anode und Kathode dient. Tatsächlich ist eine bipolare Zelle eine Vorrichtung, die zwei Zellen oder mehr in Reihenschaltung ohne verbindende Kabel beinhaltet. Die offene Zellspannung einer bipolaren Zelle ist die Summe der Spannungen der Zellen, die die bipolare Vorrichtung bilden. Dennoch muss der Elektrolyt in jeder Zelle bleiben und das ist der Hauptgrund, warum eine Kantendichtung 107 verwendet wird. Das Ausmaß und die Kapazität eines Doppelschicht-Kondensators S/C 112 relativ zu denen einer Batterie LI/B 110 können gemäß den Anwendungserfordernissen individuell gefertigt sein.
  • Praktisch sind alle Elektrolyten, die bei Batterien oder Brennstoffzellen verwendet werden, bei Doppelschicht-Kondensator anwendbar. Zum Beispiel haben sich alle Elektrolyten (in Klammern) für Primärbatterien wie beispielsweise Zn/MnO2 (KOH), Zn/Ag2O (KOH), und Zn/Luft (KOH), Elektrolyten für Sekundärbatterien wie in Blei-Säure (H2SO4), Nickel-Cadmium (KOH), Nickel-Metallhydrid (KOH) und Lithium-Ion (Salz in organischem Lösungsmittel wie beispielsweise Propylencarbonat (PC)), polymerer Elektrolyt in Lithiumpolymer-Batterien, auch Elektrolyt für PEFC (H3PO4), erwiesen, in Doppelschicht-Kondensator zu funktionieren. Insbesondere ist PC, ein häufig verwendetes Lösungsmittel in Lithium-Ion-Batterien auch ein übliches Lösungsmittel für Doppelschicht-Kondensator. Andere geeignete Lösungsmittel können zum Beispiel sowohl in Batterien als auch in Doppelschicht-Kondensatoren verwendet werden und schließen Acetonitril, Ethylencarbonat, Diethylcarbonat und Dimethylcarbonat ein. Obwohl LiPF6 das übliche Salz für Li-Ion-Batterien und (C2H5)4NBF4 für Doppelschicht-Kondensatoren ist, ist es das Lösungsmittel, das eine gegenläufige Kontamination verursacht. Mit anderen Worten sind Batterie LI/B 110 und Doppelschicht-Kondensator S/C 112 in 1 wirklich kompatibel. Wenn S/C 112 eine bipolare Vorrichtung ist, die sich aus drei Elektroden und einem organischen Elektrolyt zusammensetzt, wird sie ein nominelles Arbeitspotential von 5 V aufweisen, was nahe an der offenen Schaltkreis-Spannung von Lithium-Ion-Batterien, d.h. 4,2 V, ist. Tatsächlich kann die Zellspannung eines Doppelschicht-Kondensators gebildet werden, um die einer Batterie über eine bipolare Konfiguration bei kleinem Volumen abzugleichen.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform geschieht der Einbau einer Batterie und eines Doppelschicht-Kondensators durch Stapeln der Elektrodenplatten beider Vorrichtungen in ein Gehäuse oder ein prismaförmiges Gehäuse. Die Stapelanordnung bietet nicht nur eine einfachere Zelleanordnung als eine Spiralwicklung, wie in 1 gezeigt, es ermöglicht auch, dass eine mehrzellige Batterie und ein mehrzelliger Doppelschicht-Kondensator in einem Einzelgehäuse zusammengefasst sind. Es gibt vier Materialarten zur Herstellung der Elektroden eines Doppelschicht-Kondensator: 1) Kohle bzw. Kohlestifte, 2) Metalloxide, 3) leitende Polymere und 4) ein Gemisch aus verschiedenen Kombinationen der drei vorstehenden. Mit unterschiedlichen Materialien wie die aktive Elektrodenschicht werden die resultierenden Kondensatoren unterschiedliche elektrische Eigenschaften aufweisen. Deshalb sind Doppelschicht-Kondensator, Ultrakondensator und elektrischer Doppelschicht-Kondensator die üblichsten Namen, die den Hochkapazitäts-(≥ 0,15 F/cm2)Kondensatoren fallweise gegeben werden. Außer dem leitenden Polymer hat die vorliegende Erfindung die anderen drei auf Bereitstellung von Ladenivellierung an Batterien getestet und die Ergebnisse sind zufrieden stellend. Es sind in erster Linie die Material- und Herstellungskosten, die entscheiden, welches aktive Material verwendet werden sollte, um die Erfindung zu realisieren.
  • Zusätzlich zu den Kosten eines Doppelschicht-Kondensators, der die gewerbliche Rentabilität der integrierten Batterie der vorliegenden Erfindung betreffen, ist auch der Preis der eingeschlossenen elektronischen Steuerung ein kritischer Faktor. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform, die ein Blockschaubild einer eingebauten Steuerung 200 zur Lenkung der Ausgleichswirkungen zwischen Batterie LI/B 110 und Doppelschicht-Kondensator S/C 112 zeigt. In dem Gehäuse 201 wird die Steuerung aus einer untergeordneten Ladesteuerung (C) 205 und einer untergeordneten Entladesteuerung (D) 206 zur Regulierung der Energie zusammengesetzt, die über Diode 204 von einer Einspeisung wie beispielsweise einer Wechselstrom- oder einer Gleichstromquelle geliefert wird, sowie zur Regulierung einer Energieabgabe an Verbraucher. Wenn keine Energie von außen zur Verfügung steht, liefert Batterie LI/B Energie mit Spannungsabgleich, zum Beispiel werden 4,2 V oder weniger stufenweise bis 5,0 V durch die untergeordnete Ladesteuerung C über Kommunikationsbus 202 und 203 angehoben, um Doppelschicht-Kondensator S/C aufzuladen. Batterie LI/B wird voreingestellt, damit sie bei nicht mehr als 1 C entlädt. Eine 1 C-Rate bedeutet, dass die gewährbare Energie von Batterien in einer Stunde abgeleitet wird. Wenn Verbraucher mehr Strom benötigen, als Batterie LI/B liefern kann, wird der zusätzliche Strombedarf von Doppelschicht-Kondensator S/C über die Regulierung der untergeordneten Entladesteuerung D geliefert.
  • Jetzt wird die räumliche Struktur der untergeordneten Ladesteuerung C und untergeordneten Entladesteuerung D in 2A bzw. 2B erläutert. 2A zeigt die untergeordnete Ladesteuerung C, die aus einer Mikrosteuerung (μC 1), gekennzeichnet als 217, und drei Schalter besteht, SW1 (219), SW2 (221) und SW3 (223) der Art MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor, Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), die in dem Gehäuse 211 eingebaut sind. Während des Ladens wird ein Ladestrom von einer externen Stromquelle an Punkt IN geliefert, was von der Mikro-Steuerung 217 über Schalter 219 und 221 und auch Kommunikationsbusse 215, 225 und 227 reguliert wird, um hauptsächlich Doppelschicht-Kondensator S/C 112 auf seine nominelle Zellspannung aufzuladen. Innerhalb der vorstehenden Spannung kann S/C 112 Ladeströme jeder Größenordnung akzeptieren. Deshalb können selbst so große Ströme wie die, die in Nutzbremssystemem von Lkw erzeugt werden, gespeichert werden und durch Verwendung eines Doppelschicht-Kondensators als Ladenivellierung für die integrierte Batterie wiederverwendet werden. Ist S/C 112 vollständig geladen und wird bei Batterie LI/B 110 ein niedriger Energiegehalt festgestellt, wird S/C 112 Energie unter Führung von Mikrosteuerung 217 über Bus 227 und Bus 215, Schalter 223 in Bus 213 liefern, um LI/B 110 zu laden. Ein Doppelpfeil ist in 223 eingefügt, um ein wechselseitiges Laden zwischen S/C und LI/B anzudeuten. Wenn notwendig, wird die Ladesequenz wiederholt, bis sowohl S/C 112 als auch LI/B 110 vollständig geladen sind. Bis dahin wird die untergeordnete Ladesteuerung C automatisch die integrierte Batterie von der externen Stromquelle trennen.
  • Als nächstes wird die untergeordnete Entladesteuerung D in 2B erläutert, wobei eine Mikrosteuerung, (μC2) oder 214, und zwei Schalter, SW4 (222) und SW5 (224), des MOSFET-Typs verwendet werden, um Batterie LI/B und Doppelschicht-Kondensator S/C bei der Lieferung von Energie zum Ausgang des Gehäuses 212 zu regulieren. Während des Entladens liefert hauptsächlich LI/B Energie an S/C über Schalter 223, in 2A, und an Verbraucher unter einer Gesamtentladungsrate, die ein vorbestimmtes Niveau nicht übersteigt, zum Beispiel 1 C. Wenn Verbraucher eine Leistung von mehr fordern, als eine 1 C-Entladungsrate liefern kann, werden Schalter 222 und 224 proportional auf Befehl der Mikrosteuerung 214 gemäß einer Stromzuteilung auf Kommunikationsbus 216 und 220 geöffnet. Unabhängig davon, wie stark der Verbrauch ist, wird LI/B immer auf dem Sicherheitsniveau entladen, das keinen signifikanten IR-Abfall bei der Batterie verursacht, so dass die Verwendungsdauer und Zyklusdauer einer Batterie erweitert werden kann. Weiterhin so lange wie LI/B nicht unter seine Grenz- bzw. Cut-off-Spannung gefallen ist, kann die Restenergie von LI/B durch die PWM (pulse width modulation, Pulsweitenmodulation) 218 von S/C gewandelt werden, um irgendeinen Ausklang zu erreichen, wie beispielsweise Senden einer Nachricht durch ein Handy oder Sicherung von Daten eines Laptops. Durch sicheres Entnehmen des letzten Bisschens der Batterieleistung, wird die Energieeffizienz von LI/B verstärkt. Schließlich bildet die Kombination der untergeordneten Ladesteuerung C und untergeordneten Entladesteuerung D das Gesamtbild der eingebauten Steuerung 300 in dem Gehäuse 301, wie in 3 gezeigt. Gleiche Bezugszeichen wie in 2A und 2B sind für identische Komponenten in 3 gefolgt. Im Wesentlichen sind die zwei Mikrosteuerungen 217 und 214 zwei Bestandteile der Mikrosteuerung 304. Zwei Phantomlinien werden verwendet, um die vorstehende Beziehung in 3 zu erläutern. Die Kommunikationsbusse 302 und 303 sind für die Feststellung der Zellspannungen sowohl von LI/B als auch S/C während des Ladens zuständig.
  • Ein Doppelschicht-Kondensator wird als eine eingebaute Ladenivellierung für Primär- und Sekundärbatterien in der obigen Diskussion verwendet. Es gibt weiter wichtige Energievorrichtungen, die unseren Energiebedarf lösen können, insbesondere in der Zukunft, zum Beispiel Metall-Luft-Batterien und Brennstoffzellen. Diese Geräteart kann einen großen Vorrat an Kraft- bzw. Brennstoff wie beispielsweise Metallbrennstoff oder Wasserstoffgas mit sich führen, technisch können sie eine unbegrenzte Betriebslaufzeit bieten. Ein weiteres einzigartiges Merkmal der luftgetriebenen Vorrichtungen ist, dass sie bezüglich ihrer chemische Reaktionen von einer Luft-Kathode abhängen, um Elektrizität zu erzeugen. Die Verwendung von Luft als Reaktand weist die Vorteile auf: frei von Material, unerschöpfliche Quelle und unbegrenzte Lagerfähigkeit, die durch vollständiges Verschließen des Lufteinlasses durch die Vorrichtungen erreichbar ist. Dennoch benötigen Metall-Luft-Batterien Energie, um wieder einen Luftfluss aufzunehmen, während Brennstoffzellen Energie zur Erwärmung der verschiedenen Anlagearten auf ihre Betriebstemperaturen erfordern. Augenscheinlich können Metall-Luft-Batterien und Brennstoffzellen mit einer eingebauten Ladenivellierung ausgestattet werden, um die vorgenannten Notwendigkeiten bereitzustellen. 4 zeigt eine mehrzellige Zink-Luft-Batterie 400, die eine zellinterne Luft-Steuerung enthält. Wie oben erörtert, wird ein Einbau eines Doppelschicht-Kondensators in der Stapelanordnung durch einfaches Zufügen der Elektrodenplatten des Doppelschicht-Kondensator (in 4 nicht gezeigt) zu dem Batteriestapel 401, der von den Batterieplatten 402 gebildet wird, durchgeführt. Wie in 4 gesehen wird eine Reihe von hervorstehenden Punkten auf Platzhaltern, die an der (Luft-)Kathodenplatten angeordnet sind, gedruckt, um Luftkanäle 403 zu schaffen. Es gibt eine Reihe von Lufteinlasse 405 sowie zwei Mikroventilatoren oder Mikropumpen 404 auf beiden Kappen 406a und 406b der Hybrid-Batterie 400. Es ist auch einfach, eine Steuerung, wie durch 3 gezeigt, innerhalb des Gehäuses von 400 zu verbergen (sowohl Steuerung als auch Gehäuse sind wegen der Klarheit nicht in 4 gezeigt).
  • Die vorstehend genannten Mikroventilatoren 404 von 4 können durch LIGA (deutsche Abkürzung für Lithographie, Galvanoformung und Abformung) Technik hergestellt werden. Um die Mikroventilatoren zu betreiben, sollten ein Biegeelement und mindestens ein Kraftelement vorhanden sein. Verschiedene Materialien sind für den Bau des Biegeelements verfügbar, die Einkristallsilizium (wie beispielsweise Siliziumwafer) oder ein elektroaktives Polymer-(EAP)Diaphragma einschließen. Während das Kraftelement aus einem piezoelektrischen Kristall (wie beispielsweise Zinkoxid), einer magnetostriktiven Legierung (wie beispielsweise Terbiumdysprosiumeisen) oder einer thermisch abhängigen Folie (wie beispielsweise Aluminium) hergestellt sein kann. Mechanisch wird das Kraftelement an das Biegeelement angebracht. Wenn eine Spannung an das Kraftelement angelegt ist, wird diese eine physikalische Änderung induzieren, wie beispielsweise die Längenänderung des Elements. Eine solche Änderung des Kraftelements wird das Biegediaphragma veranlassen, sich nach innen oder außen zu beugen, abhängig von der Position des Kraftelements. Durch die vorstehende Biegebewegung des Biegeelements, wird sich ein Luftzug durch ein Rückschlagventil der Mikroventilatoren in der Zink-Luft Batterie 400 von 4 entwickeln. Der Lufteinlass der Batterie hängt von der Spannung ab, die an das Kraftelement angelegt ist. Wenn es genügend Platz im Gehäuse der Metall-Luft-Batterien oder Brennstoffzellen gibt, kann ein Mikrodrehventilator oder -lüfter als Mikroventilator 404 verwendet werden, um das Biegediaphragma zum Luftansaugen in die Luft-abhängigen Vorrichtungen zu ersetzen. Unabhängig, welche Ausgestaltung gewählt wird, ist die mechanische Einheit im mittleren Bereich der erste Kappe 406a und der zweite Kappe 406b von Batterie 400. Weiterhin sind Mikroventilatoren 404 an beiden Enden von Batterie 400 angeordnet, um sich in entgegengesetzte Richtungen zu biegen oder zu drehen, so dass ein Luftzug in den Luftpfaden 403 geschaffen wird. Um den Metall-Luft-Batterien und Brennstoffzellen eine hohe Leistungsdichte zu verleihen, ist die Flussrate der Luft in den Vorrichtungen vorzugsweise größer als 10 me/min und der Energieverbrauch der Mikroventilatoren 404 ist vorzugsweise kleiner als 0,5 W. Ein Doppelschicht-Kondensator arbeitet mit einer Nicht-Luft-Zelle, die aus einer Metallanode, die Zn, Al, Mg und Fe einhält, und einer Kathode gebildet sein kann, ausgewählt aus NiOOH, MnO2 oder Ag2O, um die zur Betreibung der Mikroventilatoren benötigte Energie zu liefern. In der vorstehenden Anordnung stellt ein Doppelschicht-Kondensator eine Ladenivellierung für die Nicht-Luft-Zellen bereit, so dass die Ausgangsleistung der letzteren verstärkt werden kann. Eine ähnliche Kombination aus Nicht-Luft-Zelle und Doppelschicht-Kondensator kann auch in die Gehäuse von Brennstoffzellen eingebaut werden, um einem Heizelement, zum Beispiel einem NiCr-Widerstand oder PTC, Energie zu liefern, und um die Betriebstemperaturen zum Betreiben der Brennstoffzellen zu erzeugen.
  • Um die Ladenivellierung-Fähigkeit eines Doppelschicht-Kondensators darzustellen, wird das folgende Beispiel bereitgestellt.
  • BEISPIEL
  • Eine mehrzellige Alkali-Batterie, die Zn-Metall als Anode, MnO2 als Kathode und eine wässrige KOH-Lösung als Elektrolyt verwendet, wird gebaut, um eine offene Schaltkreis-Spannung von 9 V und Kapazität von 1,5 Ah aufzuweisen. Dann werden zwei Doppelschicht-Kondensatoren bereitgestellt, die eine Fe3O4/Kohle-Kombination als aktives Material für die Elektroden und wässrige KOH-Lösung als Elektrolyt verwenden, die mit jedem Teil parallel geschaltet sind, das eine offene Schaltkreis-Spannung von 7,5 V, 6 F Kapazität und 40 mΩ ESR (equivalent series resistance, äquivalenter Reihenwiderstand) aufweisen, um mit der Alkali-Batterie und einer elektronischen Steuerung in einem Einzelgehäuse integriert zu werden. Gerade zu dem Moment der Leistungsanforderung kann die Steuerung die Doppelschicht-Kondensatoren in Reihenschaltung überführen. Es wird gemessen, dass die Hybrid-Vorrichtung fähig ist, eine Spitzenleistung von 15 V·25 A oder 375 W bereitzustellen, das ist gut genug, um verschiedene Elektrowerkzeuge anzutreiben. Ohne den Doppelschicht-Kondensator kann die Alkali-Batterie nur 13,5 W (9 V·1,5 A) bei 1 C-Entladungsrate abgeben. Verständlich, dass der Doppelschicht-Kondensator die Ausgangsleistung der Batterie um 27mal verstärkt. Die Ladenivellierung, mit der die Batterie durch die Doppelschicht-Kondensatoren versehen ist, ist erwiesen und praktikabel.

Claims (21)

  1. Batterie mit eingebauter Ladenivellierung, umfassend: ein Batterieelement; ein Kondensatorelement; eine elektronische Steuerung, um eine komplementäre Ladung und komplementäre Entladung zwischen dem Batterieelement und dem Kondensatorelement zu steuern; ein Einzelgehäuse, um das Batterieelement, das Kondensatorelement und die Steuerung aufzunehmen, um eine hermetische Kapselung bereitzustellen; und zwei Anschlüsse, durch einen positiven Anschluss und einen negativen Anschluss, auf der Außenseite des Gehäuses zum Laden und zum Entladen.
  2. Batterie mit eingebauter Ladenivellierung gemäß Anspruch 1, wobei das Batterieelement eine elektrochemische Primärzelle umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Zn/MnO2-, Zn/Ag2O- und Zn-Luft-Batterien.
  3. Batterie mit eingebauter Ladenivellierung gemäß Anspruch 1, wobei das Batterieelement eine wiederaufladbare elektrochemische Zelle umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Blei-Säure-, Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid-, Lithiumion- und Lithiumpolymer-Batterien.
  4. Batterie mit eingebauter Ladenivellierung gemäß Anspruch 1, wobei das Kondensatorelement eine Energiedichte von 0,15 F pro 1 cm2 Elektrodenfläche oder größer als 0,15 F/cm2 aufweist.
  5. Kondensatorelement gemäß Anspruch 4, wobei der Kondensator eine elektrochemische Zelle umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Superkondensator, Ultrakondensator und elektrischem Doppelschichtkondensator.
  6. Batterie mit eingebauter Ladenivellierung gemäß Anspruch 1, wobei sowohl das Batterieelement als auch das Kondensatorelement den gleichen wässerigen Elektrolyten verwenden, der ein Salz beinhaltet, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus KOH, NaOH, H2SO4 und H3PO4, gelöst in Wasser.
  7. Batterie mit eingebauter Ladenivellierung gemäß Anspruch 1, wobei sowohl das Batterieelement als auch das Kondensatorelement das gleiche organische Lösungsmittel verwenden, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Acetonitril, Propylencarbonat, Ethylencarbonat, Diethylcarbonat und Dimethylcarbonat.
  8. Batterie mit eingebauter Ladenivellierung gemäß Anspruch 1, wobei sowohl das Batterieelement als auch das Kondensatorelement einen polymeren Elektrolyten verwenden.
  9. Batterie mit eingebauter Ladenivellierung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuerung das Batterieelement reguliert, um bei 1 C oder einer geringeren Rate zu entladen.
  10. Batterie mit eingebauter Ladenivellierung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuerung das Kondensatorelement reguliert, um eine Leistungslücke zwischen einem Lastanforderung und einer Leistung bereitzustellen, die durch das Batterieelement bereitgestellt wird.
  11. Batterie mit eingebauter Ladenivellierung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuerung das Kondensatorelement reguliert, um die gesamte gespeicherte Energie des Batterieelements zu entnehmen, vor dem Erreichen einer Grenzspannung des Batterieelements.
  12. Batterie mit eingebauter Ladenivellierung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuerung das Kondensatorelement reguliert, um einen Ladestrom eines beliebigen Wertes zu erhalten, ohne eine offene Zellspannung des Kondensatorelements zu überschreiten.
  13. Batterie mit eingebauter Ladenivellierung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuerung in einem Lademodus das Kondensatorelement reguliert, um das Batterieelement innerhalb einer offenen Zellspannung und eines akzeptablen Stromniveaus des Batterieelements zu laden.
  14. Luftgetriebene Energievorrichtung, umfassend: einen Brennstoff, der als Reaktant an einer Anode verwendet wird; eine Luftkathode, die Sauerstoff als Reaktanten verwendet; ein Luftsteuerungssystem in einer Zelle; eine wiederaufladbare elektrochemische Zelle; ein Kondensatorelement, das verwendet wird, um eine Leistungsausgabe der wiederaufladbaren elektrochemischen Zelle zu verstärken, um das Luftsteuerungssystem zu betreiben; eine elektronische Steuerung, die zuerst eine Belastung erfasst, danach die wiederaufladbare elektrochemische Zelle auffordert, das Kondensatorelement zu laden, und dann das Kondensatorelement auffordert, Leistungsspitzen bereitzustellen, um das Luftsteuerungssystem zu betreiben, um einen Luftzug in der luftgetriebene Energievorrichtung zu erzeugen; und einen Einzelbehälter, um die Anode, die Kathode, das Luftsteuerungssystem, die wiederaufladbare elektrochemische Zelle, das Kondensatorelement und die elektronische Steuerung aufzunehmen.
  15. Luftgetriebene Energievorrichtung gemäß Anspruch 14, wobei der Brennstoff für die Anode eine Chemikalie beinhaltet, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Wasserstoff, Methanol und Ethanol.
  16. Luftgetriebene Energievorrichtung gemäß Anspruch 14, wobei der Brennstoff für die Anode ein Metall beinhaltet, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Aluminium, Magnesium, Zink und Eisen.
  17. Luftgetriebene Energievorrichtung gemäß Anspruch 14, wobei das Luftsteuerungssystem beinhaltet: mindestens zwei Mikrolüfter, mindestens zwei Lufteinlässe und mindestens zwei Luftkanäle, die gebildet sind, indem mindestens zwei vorragende Punkte gegen die Luftkathode gedrückt werden.
  18. Luftgetriebene Energievorrichtung gemäß Anspruch 17, wobei das Luftsteuerungssystem einen Luftzug ≥ 10 ml/min in der luftgetriebenen Energievorrichtung erzeugen kann.
  19. Luftgetriebene Energievorrichtung gemäß Anspruch 14, wobei die elektrochemische Zelle ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Zn/NiOOH, Zn/MnO2 und Zn/Ag2O.
  20. Luftgetriebene Energievorrichtung gemäß Anspruch 19, wobei die elektrochemische Zelle mit Unterstützung des Kondensatorelements eine Leistung ≥ 0,5 W bereitstellen kann.
  21. Luftgetriebene Energievorrichtung gemäß Anspruch 14, wobei das Kondensatorelement einen beinhaltet, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Superkondensator, Ultrakondensator und elektrischer Doppelschichtkondensator.
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