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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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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.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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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.
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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.
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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 Li
4Ti
5O
12/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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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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
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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;
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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;
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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;
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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;
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3 eine
detailliert Skizze der untergeordneten Lade- und Entladesteuerungen
ist, die in 2 gezeigt sind, gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung; und
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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.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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Um
die Ladenivellierung-Fähigkeit
eines Doppelschicht-Kondensators darzustellen, wird das folgende
Beispiel bereitgestellt.
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BEISPIEL
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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.