DE69802555T2 - Verwendung der zellenspannung als autoreferenz zur kontrolle eines belüftungsverwalters - Google Patents

Verwendung der zellenspannung als autoreferenz zur kontrolle eines belüftungsverwalters

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Batterie für elektrische Energie und insbesondere ein Luftbehandlungssystem für eine Metall-Luft-Batterie.
    • Allgemeiner Stand der Technik
  • Metall-Luft-Batterien umfassen eine luftdurchlässige Kathode und eine luftdurchlässige Anode, die durch einen wässerigen Elektrolyten getrennt sind. Während der Entladung einer Metall-Luft-Batterie wie beispielsweise einer Zink-Luft-Batterie wird Sauerstoff aus der Umgebungsluft an der Kathode in Hydroxid umgewandelt, Zink wird an der Anode durch das Hydroxid oxidiert und Wasser und Elektronen werden freigesetzt, um elektrische Energie bereitzustellen. Metall-Luft-Batterie n weisen eine relativ große Energiedichte auf, weil die Kathode Sauerstoff aus der Umgebungsluft als Reaktionskomponente in der elektrochemischen Reaktion verwendet, statt einem schwereren Material wie beispielsweise einem Metall oder einer Metallverbindung. Metall-Luft--Batteriezellen werden oft in Mehrfachbatteriestapeln in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, um eine ausreichende Leistungsabgabe bereitzustellen.
  • Um die Metall-Luft-Batterie zu betreiben, ist eine stetige Sauerstoffzufuhr zu den Luftkathoden notwendig. Einige frühere Systeme lassen einen kontinuierlichen Strom frischer Umgebungsluft mit hinreichender Strömungsgeschwindigkeit über die Luftkathoden streichen, um die erwünschte Leistungsabgabe zu erzielen. Eine derartige Anordnung ist in dem US-Patent Nr. 4.913.983 von Cheiky gezeigt. Cheiky verwendet ein Gebläse im Batteriegehäuse, um einen vorbestimmten Strom von Umgebungsluft einem Stapel von Metall-Luft-Batteriezellen zuzuführen. Bevor die Batterie angeschaltet wird, werden eine mechanische Lufteinlaßtür und eine Luftauslaßtür geöffnet und das Gebläse aktiviert, um den Luftstrom in, durch und aus dem Gehäuse heraus zu erzeugen. Nachdem der Betrieb der Batterie abgeschlossen ist, werden die Türen dicht verschlossen. Der restliche Sauerstoff im Gehäuse entlädt langsam die Anode, bis der restliche Sauerstoff im wesentlichen erschöpft ist. Die in den Zellen verbleibende niedrige Leistung ist der Offenbarung zufolge ausreichend, um das Gebläse beim nächsten Mal, wenn die Batterie verwendet wird, neu zu starten.
  • Um sicherzustellen, daß während der Verwendung eine ausreichende Sauerstoffmenge in das Gehäuse eingebracht wird, offenbart Cheiky ein Gebläsesteuerungsmittel mit einem Mikroprozessor, um die Geschwindigkeit des Gebläses entsprechend den vorherbestimmten Leistungsabgabebedürfnissen zu variieren. Je größer der Leistungsbedarf für den speziellen Betrieb ist, um so größer ist die Gebläsegeschwindigkeit und um so größer der Luftstrom über die Batteriezellen. Es sind entsprechend den mehreren vorherbestimmten Leistungspegeln der Last mehrere vorherbestimmte Gebläsegeschwindigkeiten offenbart. Die offenbarte Last ist ein Computer. Die Gebläsegeschwindigkeit wird daher entsprechend den Leistungsanforderungen der verschiedenen Funktionen des Computers variiert. Im Gegensatz dazu betreiben viele andere Luftbehandlungssysteme das Gebläse kontinuierlich, wenn eine Last angelegt wird.
  • Zusätzlich zu dem Bedarf für eine ausreichende Menge Sauerstoff ist ein anderer Gesichtspunkt bei Metall-Luft- Batterien der Zutritt oder der Verlust von zuviel Sauerstoff oder anderen Gasen durch das Gehäuse. Ein Problem bei einer Metall-Luft-Batterie besteht zum Beispiel darin, daß der Pegel der Umgebungsfeuchtigkeit ein Versagen der Batterie bewirken kann. Der Gleichgewichtsdampfdruck der Metall-Luft-Batterie ergibt eine relative Gleichgewichtsfeuchtigkeit, die typischerweise 45 Prozent beträgt. Falls die Umgebungsfeuchtigkeit größer als die Gleichgewichtsfeuchtigkeit in dem Batteriegehäuse ist, wird die Batterie durch die Kathode Wasser aus der Luft absorbieren und aufgrund eines Überflutung genannten Zustands versagen. Überflutung kann die Batterie zum Lecken bringen. Wenn die Umgebungsfeuchtigkeit kleiner als die Gleichgewichtsfeuchtigkeit in dem Batteriegehäuse ist, wird die Batterie durch die Luftkathode Wasser aus dem Elektrolyten abgeben und wegen Austrocknung versagen. Die Technik hat daher erkannt, daß ein Umgebungsluft- Feuchtigkeitspegel, der sich von dem Feuchtigkeitspegel in dem Batteriegehäuse unterscheidet, einen Nettoübertrag von Wasser in die Batterie hinein oder aus ihr heraus erzeugen wird. Diese Probleme sind insbesondere von Bedeutung, wenn die Batterie nicht in Gebrauch ist, weil die Feuchtigkeit dazu neigt, über eine ausgedehnte Zeitspanne entweder in das Batteriegehäuse hinein- oder aus ihm herauszusickern.
  • Ein weiteres mit Metall-Luft-Batterien verknüpftes Problem ist die Übertragung von Kohlendioxid oder anderen Verunreinigungen aus der Umgebungsluft in die Batterie. Kohlendioxid trägt dazu bei, den Elektrolyten wie beispielsweise Kaliumhydroxid zu neutralisieren. In der Vergangenheit wurden Kohlendioxid absorbierende Schichten an der äußeren Kathodenfläche plaziert, um das Kohlendioxid einzufangen. Ein Beispiel eines derartigen Systems ist in dem US-Patent Nr. 4.054.725 beschrieben.
  • Um bei einer Batteriezelle die richtigen Feuchtigkeitspegel aufrechtzuerhalten und Kohlendioxid fernzuhalten, ist im allgemeinen ein dichtes Batteriegehäuse erforderlich. Wie oben erläutert, haben frühere Systeme, wie das von Cheiky offenbarte, ein irgendwie geartetes Gebläse verwendet, um während der Nutzung Umgebungsluft durch große Öffnungen in das Batteriegehäuse zu drängen, und eine dichte Lufttür während der Nichtnutzung. Wenn die Lufttür nicht vorhanden oder während der Nichtnutzung nicht geschlossen ist, können jedoch große Mengen an Umgebungsluft in das Gehäuse eindringen. Dieser Luftstrom würde im Gehäuse die oben erläuterten Feuchtigkeits- und Kohlendioxidprobleme bewirken. Der Sauerstoff in der Umgebungsluft würde auch eine Entladung der Zelle und eine Verminderung des Zellenwirkungsgrades und der -lebensdauer bewirken.
  • Selbst bei der Verwendung von Lufttüren neigt jedoch eine bestimmte Menge Sauerstoff und Verunreinigungen dazu, während der Nichtnutzung in die Zelle einzudringen. Ein gewisser Leckstrom ist daher unvermeidlich. Obwohl die Lufttüren diesen Leckstrom und die anderen oben erläuterten Probleme begrenzen, erhöht die Verwendung von Lufttüren die Komplexität des eigentlichen Batteriegehäuses und erhöht die Kosten und die Fertigungsdauer der Batterie insgesamt. Ein weiterer Nachteil einer mechanischen Lufttür ist der Umstand, daß die Tür geöffnet und geschlossen werden muß, wodurch einige weitere Schritte zu der Verwendung der Batterie hinzugefügt werden.
  • Der Anmelder der vorliegenden Erfindung ist auch der Inhaber des US-Patents Nr. 5.691.074 mit dem Titel "Diffusionsgesteuerte Lufttür" und des US-Patents Nr. 5.919.582 mit dem Titel "Diffusionsgesteuerter Entlüfter und Rezirkulationsluftbehandler für eine Metall-Luft- Batterie". Diese Druckschriften offenbaren verschiedene bevorzugte Metall-Luft-Batteriestapel zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung. Die Lufteinlaß- und - auslaßöffnungen im Gehäuse weisen in Richtung der Gehäusedicke eine Längenabmessung auf, die größer als die Breite in der Richtung senkrecht zur Gehäusedicke ist. Die Öffnungen sind unversperrt und so bemessen, daß sie den Luftstrom in die Lufteinlaßöffnung und aus der Luftauslaßöffnung heraus im wesentlichen aufheben, wenn das Gebläse abgestellt wird.
  • Die Verwendung von Batteriegehäusen mit offenen Luftzugängen vereinfacht die Bauform der Batterie als Ganzes und vereinfacht die Verwendung der Batterie. Tatsächlich erlauben die Batteriegehäusebauformen es, daß die Metall-Luft-Batterie sich mehr wie eine herkömmliche Batterie verhält, d. h. die Batterie steht der gegebenen Last ohne zusätzliche Tätigkeiten wie das Öffnen der Lufttüren zur Verfügung. Das einzige Erfordernis dieser Bauformen besteht darin, daß das Gebläse oder eine andere Luftbewegungsvorrichtung angeschaltet werden muß, um einen ausreichenden Sauerstoffstrom für die Zelle bereitzustellen.
  • Obwohl diese Bauformen mit Offenen Luftzugängen dem Ziel einer Metall-Luft-Batterie näherkommen, die sich wie eine herkömmliche Batterie verhält, besteht technischer Bedarf für eine Metall-Luft-Batterie, die im großen und ganzen selbstregulierend ist. Eine derartige Metall-Luft- Batterie wäre in der Lage sowohl mit schwankenden Lasten auf effiziente Weise als auch mit ausgedehnten Zeitspannen der Inaktivität umzugehen, ohne einer mechanischen Tür oder eines separaten Schalters für das Gebläse zu bedürfen. Das Fehlen einer mechanischen Tür kann jedoch zu übermäßigen Leckströmen, Überflutung, Austrocknung oder die übermäßige Absorption von umgebenden Verunreinigungen führen.
  • Zusammenfassend gesagt, würde die erwünschte Metall- Luft-Batterie auf identische Weise wie eine herkömmliche Batterie verwendet werden, so daß alles, was der Benutzer tun muß, das Anschließen und Aktivieren der Last ist. Die Batterie selbst bräuchte keine separate Aktivierung. Außerdem würde eine derartige Batterie ein energieeffizientes und ruhiges Luftbehandlungssystem aufweisen.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung sieht ein Luftbehandlungssystem für eine Metall-Luft-Batterie vor. Das System umfaßt ein Gehäuse, das zumindest eine Metall- Luft-Zelle mit einer Luftelektrode umschließt. Das Gehäuse weist auch zumindest eine Lufteintrittsöffnung und zumindest eine Luftaustrittsöffnung und ein Gebläse auf, das so positioniert ist, daß es die Luft durch die Öffnung drängt, wenn das Gebläse eingeschaltet ist. Diese Öffnungen sind unversperrt und so bemessen, daß sie den Luftstrom durch die Öffnungen im wesentlichen aufheben, wenn das Gebläse abgeschaltet wird. Das System umfaßt auch ein Gebläsesteuermittel mit einem Spannungserfassungsmittel zur Überwachung der Spannung an der Luftelektrode und zum Betreiben des Gebläses, wenn die Spannung vorbestimmte Pegel erreicht.
  • Das Gebläsesteuermittel schaltet das Gebläse an, wenn die Spannung an der Luftelektrode kleiner oder gleich einer vorbestimmten Spannung ist. Das Gebläsesteuermittel kann zunächst ermitteln, ob eine Last an der Metall-Luft- Batterie vorhanden ist, bevor das Gebläse angeschaltet wird. Ebenso schaltet das Gebläsesteuermittel das Gebläse ab, wenn die Spannung an der Zelle größer oder gleich einer zweiten vorbestimmten Spannung ist. Das Gebläsesteuermittel, die Metall-Luft-Zellen und das Gebläse sind in einer Schaltung angeordnet. Das Spannungserfassungsmittel umfaßt eine Spannungsüberwachungseinrichtung.
  • Spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen eine sechs Volt. Metall-Luft-Batterie mit fünf Metall-Luft-Zellen. Eine derartige Batterie weist eine Energieladekapazität von etwa 230 Wattstunden bei einer Entnahmeleistung von etwa 0,5 Watt und von etwa 220 Wattstunden bei einer Entnahmeleistung von etwa 1,0 Watt auf. Die vorbestimmte Spannung zur Einschaltung des Gebläses beträgt ungefähr 1,0 Volt pro Zelle, während die zweite vorbestimmte Spannung zur Abschaltung des Gebläses annähernd 1,1 Volt pro Zelle beträgt. Die Spannungsüberwachungseinrichtung schaltet das Gebläse an, wenn die Spannung an der Zelle kleiner oder gleich annähernd 1,0 Volt pro Zelle ist. Ebenso schaltet die Spannungsüberwachungseinrichtung das Gebläse ab, wenn die Spannung an der Zelle größer oder gleich annähernd 1,1 Volt pro Zelle ist.
  • Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umfaßt die Schritte des Einschließens zumindest einer Metall-Luft- Zelle mit einer Luftelektrode in einem Gehäuse. Das Gehäuse weist ein Gebläse, zumindest eine unversperrte Lufteintrittsöffnung und zumindest eine unversperrte Luftaustrittsöffnung auf. Das Verfahren umfaßt ferner das Einschalten des Gebläses, wenn die Spannung an der Metall- Luft-Zelle kleiner oder gleich einer vorbestimmten Spannung ist, um die Luft durch das Gehäuse zu zirkulieren, und das Abschalten des Gebläses, wenn die Spannung an der Metall-Luft-Zelle größer oder gleich einer zweiten vorbestimmten Spannung ist. Das Verfahren kann ferner umfassen, daß ermittelt wird, ob eine Last an der Batterie anliegt, bevor das Gebläse angeschaltet wird, wenn die Spannung an der Luftelektrode kleiner oder gleich der vorbestimmten Spannung ist.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein verbessertes Luftbehandlungssystem für eine Metall-Luft-Batterie bereitzustellen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein selbstregulierendes Luftbehandlungssystem für eine Metall-Luft-Batterie bereitzustellen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Luftbehandlungssystem für eine Metall- Luft-Batterie ohne mechanische Lufttüren bereitzustellen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Luftbehandlungssystem für eine Metall- Luft-Batterie mit einem automatischen Gebläse bereitzustellen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein effizientes Luftbehandlungssystem für eine Metall-Luft-Batterie bereitzustellen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Luftbehandlungssystem für eine Metall- Luft-Batterie mit einer langen Lagerfähigkeit bereitzustellen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein geräuscharmes Luftbehandlungssystem für eine Metall-Luft-Batterie bereitzustellen.
  • Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch das Studium der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen und den angehängten Ansprüchen deutlich werden;
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 ist eine schematische Anschnittsansicht des die vorliegende Erfindung verkörpernden Batteriegehäuses, die die Position der Zelle, des Gebläses und der Luftöffnungen in Kombination mit dem Luftstrom relativ zum Gehäuse zeigt.
  • Fig. 2 ist eine vertikale Querschnittsansicht längs der Linie 2-2 der Fig. 1.
  • Fig. 3 ist eine schematische veranschaulichende Ansicht einer Ventilationsöffnung.
  • Fig. 4 ist eine schematische Ansicht der Spannungserfassungsschaltung.
  • Fig. 5· ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb des Gebläses abhängig von der erfaßten Spannung zeigt.
  • Fig. 6 ist ein Vergleichsdiagramm, das den Leistungsverbrauch eines Luftbehandlungssystems in einer sechs (6) Volt Batterie mit mehreren Gebläseoptionen zeigt.
    • Ausführliche Beschreibung
  • Es wird nun ausführlicher auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche Bezugszeichen in mehreren Ansichten gleiche Teile bezeichnen. Die Fig. 1-4 zeigen eine die vorliegende Erfindung verkörpernde Metall- Luft-Batterie 10. Die Metall-Luft-Batterie 10 kann ähnlich denen sein, die in dem in gemeinschaftlichem Besitz befindlichen US-Patent Nr. 5.641.588 von Sieminski et al., dem in gemeinschaftlichem Besitz befindlichen US-Patent Nr. 5.356.729 von Pedicini et al., dem in gemeinschaftlichem Besitz befindlichen US-Patent Nr. 5.691.074 und dem in gemeinschaftlichem Besitz befindlichen US-Patent Nr. 5.919.582 oder anderen bekannten Bauformen von Metall-Luft-Batterien offenbart sind.
  • Die Metall-Luft-Batterie 10 umfaßt eine Mehrzahl von Metall-Luft-Zellen 15, die von einem Gehäuse 20 umschlossen werden. Das Gehäuse 20 isoliert die Zellen 15 von der Außenluft mit Ausnahme einer Mehrzahl von Ventilationsöffnungen 25. Bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform werden eine einzelne Lufteinlaßöffnung 30 und eine einzelne Luftauslaßöffnung 35 verwendet. Die Zahl der Öffnungen 25 ist nicht so wichtig, wie die Gesamtgröße der Öffnungen 25 in Verbindung mit der Form jeder Öffnung 25.
  • Das Gehäuse 20 selbst kann jede beliebige Art eines herkömmlichen, im wesentlichen luftdichten Aufbaus sein. Die Zahl der Zellen 15 im Gehäuse 20 hängt von der Natur der für die Batterie 10 beabsichtigten Last ab. Die vorliegende Erfindung hängt nicht von der Konfiguration der Zellen 15 im Gehäuse 20 oder der Zahl der Zellen 15 im Gehäuse 20· ab. Die Fig. 1 und 2 zeigen daher eine Schnittansicht eines Metall-Luft-Batteriegehäuses 20, die nur die wesentlichen Elemente der vorliegenden Erfindung zeigt, d. h. das Gehäuse 20 und eine oder mehrere Zellen 15 und die Luftöffnungen 25. Obwohl nur zwei Zellen 15 in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, versteht es sich, daß die Zahl und Anordnung der Zellen 15 von dem Leistungsbedarf für die Batterie 10 abhängt.
  • Ein Zirkulationsgebläse 40 ist für einen konvektiven Luftstrom in das Gehäuse 20 hinein und aus ihm heraus vorgesehen, und um die Gase im Gehäuse 20 umzuwälzen und zu mischen. Die in Fig. 1 gezeigten Gase stellen die typische Zirkulation der Gase in das Gehäuse, aus ihm heraus und innerhalb des Gehäuses 20 dar, um den Zellen 15 die Reaktionskomponente Luft zuzuführen. Die Kapazität des Gebläses 40 hängt auch von der Größe des Gehäuses 20 und dem Leistungsbedarf der Batterie 10 ab. Der hier gebrauchte Begriff "Gebläse" 40 soll jede beliebige Vorrichtung zum Bewegen von Luft, einschließlich einer Pumpe, bezeichnen.
  • Das Gebläse 40 kann in dem Gehäuse 20 oder angrenzend an das Gehäuse 20 in Verbindung mit einer der Öffnungen 25 positioniert werden. Wenn das Gebläse 40 in dem Gehäuse 20 angeordnet ist, sind die Ventilationsöffnungen 25 so positioniert, daß die Einlaßöffnung 30 und die Auslaßöffnung 35 auf gegenüberliegenden Seiten des Gebläses 40 positioniert sind. Die einzige Erfordernis bei der Positionierung des Gebläses 40 und der Öffnungen 25 in dem Gehäuse 20 besteht darin, daß sie hinreichend nahe beieinander sind, um eine konvektive Luftströmung in, durch und aus dem Gehäuse 20 hinaus zu erzeugen. Das Gebläse 40 kann innerhalb des oder angrenzend an das Gehäuse 20 auf eine beliebige herkömmliche Art montiert werden. Das Gebläse 40 ist im allgemeinen an seinem Platz mit einer Dichtung 41 oder anderen herkömmlichen Mitteln abgedichtet, um sicherzustellen, daß die Unterdruck- und Hochdruckseiten des Gebläses 40 voneinander isoliert sind.
  • Wie in Fig. 2 gezeigt ist, sind die Mehrzahl der Zellen 15 im Gehäuse 20 so angeordnet, daß sich unter den Zellen 15 ein Volumenraum 50 mit der Reaktionskomponente Luft befindet. Der Luftvolumenraum 50 begrenzt einen Luftvolumenraumeinlaß 55, einen Luftdurchgang 60 und einen Luftvolumenraumauslaß 65. Das Gebläse 40 ist im allgemeinen dazwischen positioniert und isoliert für eine effiziente Luftströmung durch das Gehäuse 20 den Luftvolumenraumeinlaß 55 vom Luftvolumenraumauslaß 65. Beispiel für Gestaltungen von Luftvolumenräumen sind in den oben zitierten in gemeinschaftlichem Besitz befindlichen Literaturangaben gezeigt. Wie oben beschrieben wurde, hängt die vorliegende Erfindung nicht von einer bestimmten Gestaltung des Luftvolumenraums ab.
  • Wie in Fig. 3 gezeigt ist, sind die Ventilationsöffnungen 25 vorzugsweise so bemessen, daß ihre Länge 26, d. h. die Richtung durch die Wandungsdicke des Gehäuses 20, größer als ihre Weite 27 ist, d. h. die Richtung senkrecht zu der Wandungsdicke des Gehäuses 20. Durch Verwendung eines genügend großen Verhältnisses zwischen der Länge 26 und der Weite 27 für die Ventilationsöffnungen 25 stellte es sich heraus, daß die Diffusion von Luft durch die Öffnungen 25 ohne Unterstützung durch das Gebläse 40 im wesentlichen aufgehoben wird. Durch "im wesentlichen aufgehoben" ist gemeint, daß die Diffusionsrate von Sauerstoff oder von Verunreinigungen durch die Öffnungen 25 so langsam ist, daß ein Feuchtigkeitsübertrag oder ein Leckstrom hinreichend klein ist und einen kaum merklichen Einfluß auf den Wirkungsgrad oder die Lebensdauer der Batterie 10 hat. Zusammen sind die Öffnungen 25 ausreichend lang und schmal, um eine Diffusionsbarriere für Gase durch sie hindurch bereitzustellen, wenn das Gebläse 40 abgeschaltet ist.
  • Dieses erforderliche Verhältnis zwischen der Länge 26 und der Weite 27 beträgt zumindest zwei zu eins. Diese Verhältnisse reichen aus, um eine merkliche Diffusion durch die Öffnungen 25 zu unterbinden, wenn das Gebläse 40 abgeschaltet ist, während sie eine konvektive Luftströmung durch diese hindurch erlauben, wenn das Gebläse 40 angeschaltet ist. Die Verwendung größerer Verhältnisse zwischen der Länge 26 und der Weite 27 wird bevorzugt. Abhängig von der Art der Batterie 10, kann das Verhältnis mehr als 200 zu 1 betragen.
  • Im Gebrauch wird die Umgebungsluft durch die Saugwirkung des Gebläses 40 in den Lufteinlaß 30 gezogen, wenn das Gebläse 40 angeschaltet ist. Wie durch die Pfeile 45 in Fig. 1 gezeigt ist, wird die Luft dann durch das Gebläse 40 und in den Luftvolumenraum 50 gezogen. Die Luft tritt in den Luftvolumenraum 50 durch den Luftvolumenraumeinlaß 55 ein, bewegt sich durch den Durchgang 60, um den Zellen 15 die Reaktionskomponente Luft zuzuführen, und tritt durch den Luftvolumenraumauslaß 65 aus. Die Luft wird dann wieder in das Gebläse 40 gezogen, wo sie sich mit frischer, einströmender Luft mischt oder durch einen Luftauslaß 35 aus dem Gehäuse 20 gedrängt wird. Wenn das Gebläse 40 abgeschaltet wird, wird die Diffusionsrate von Luft durch die Öffnungen 25 auf akzeptable Niveaus herabgesetzt, so daß eine mechanische Lufttür nicht erforderlich ist.
  • Wie in den Fig. 1 und 4 gezeigt ist, umfaßt die Erfindung eine Spannungsüberwachungseinrichtung 100, um die Spannung an der Zelle 15 oder andere elektrische Eigenschaften zu bestimmen und den Betrieb des Gebläses 40 zu steuern. Die Spannungsüberwachungseinrichtung 100 kann an jedem beliebigen Ort innerhalb oder benachbart zum Gehäuse 20 positioniert werden. Die bevorzugte Spannungsüberwachungseinrichtung 100 ist eine programmierbare Spannungserfassungs- oder -meßvorrichtung, wie beispielsweise die von Maxim Integrated Products unter der Marke MAX8211 und MAX8212 verkaufte. Abhängig von dem erwünschten Betrieb des Gebläses kann die Spannungsüberwachungseinrichtung 100 eine Analogschaltung für einen einfachen "Ein/Aus"-Schalter sein oder kann einen (nicht gezeigten) Mikroprozessor für einen komplexeren Algorithmus beinhalten. Die Spannungsüberwachungseinrichtung 100 der Fig. 1 und 4 ist eine Analogschaltung.
  • Die Spannungsüberwachungseinrichtung 100 ermittelt die Spannung an der Luftelektrode 150 der Zelle 15. Die Luftelektrode 150 ist in Fig. 4 gestrichelt gezeigt. Weil das Zinkpotential in der Luftelektrode 150 jeder Zelle 15 relativ stabil ist, wird die Luftelektrode 150 dazu verwendet, den Restsauerstoff in der Zelle 15 zu messen. Da der Sauerstoff im Gehäuse 20 sich abbaut, nimmt die Spannung an der Luftelektrode 150 ab. Ebenso nimmt die Spannung an der Luftelektrode 150 zu, wenn der Sauerstoffstrom in das Gehäuse 20 zunimmt.
  • Eine bevorzugte Luftelektrode 150 ist in dem in gemeinschaftlichem Besitz befindlichen US-Patent Nr. 5.569.551 und dem in gemeinschaftlichem Besitz befindlichen US-Patent Nr. 5.639.568 offenbart. Das US- Patent Nr. 5.639.568 offenbart eine aufgesplittete Anode zur Verwendung in einer Metall-Luft-Zelle mit Doppelelektrode. Obwohl die Verwendung der Erfindung mit einer Zink-Luft-Batterie offenbart ist, sollte diese Erfindung so verstanden werden, daß sie bei anderen Arten von Metall-Luft-Batteriezellen einsetzbar ist.
  • Wie in Fig. 4 gezeigt ist, ist die Spannungsüberwachungseinrichtung 100 in einem Spannungsüberwachungskreis 105 über einen Kathodenflachstecker 130 und einen Anodenflachstecker 140 mit den Zellen 15 verbunden. Der
  • Spannungsüberwachungskreis 105 beinhaltet auch das Gebläse 40. Alle Zellen 15 in dem Gehäuse 20 sind mit diesem Kreis 105 verbunden. Die Spannung an den Zellen 15 wird kontinuierlich überwacht, um sicherzustellen, daß die Spannung nicht unter einen vorbestimmten Wert Vp1 abfällt. Wenn die Spannung auf Vp1 abfällt, wird das Gebläse 40 angeschaltet und läuft dann kontinuierlich, bis die Spannung auf eine zweite vorbestimmte Spannung Vp2 angestiegen ist. Das Gebläse 40 wird dann abgeschaltet und bleibt abgeschaltet, bis die Spannung wieder auf Vp1 fällt. Die vorbestimmten Spannungen Vp1 und Vp2 sind in die Spannungsüberwachungseinrichtung 100 programmierbare Werte.
  • Der Betrieb des Gebläses 40 ist in Fig. 5 gezeigt. Der Algorithmus ist von der "Ein/Aus"-Art mit vorbestimmten Werten. Wie bei Schritt 201 gezeigt ist, mißt die Spannungsüberwachungseinrichtung 100 die Spannung an der Luftelektrode 150. Bei Schritt 202 ermittelt die Spannungsüberwachungseinrichtung 100, ob die Spannung kleiner oder gleich Vp1 ist. Falls das der Fall ist, schaltet die Spannungsüberwachungseinrichtung 100 bei Schritt 203 das Gebläse 40 an. Falls das nicht der Fall ist, ermittelt die Spannungsüberwachungseinrichtung 100 bei Schritt 204, ob die Spannung größer oder gleich Vp2 ist. Falls das der Fall ist, schaltet die Spannungsüberwachungseinrichtung 100 das Gebläse 40 bei Schritt 205 ab. Falls das nicht der Fall ist, kehrt die Spannungsüberwachungseinrichtung 100 zu Schritt 201 zurück. Dieser Algorithmus kann modifiziert werden, um als zusätzlichen Schritt zunächst ein Prüfen hinzuzufügen, ob die Last an der Batterie 10 anliegt. Falls das der Fall ist, fährt die Spannungsüberwachungseinrichtung 100 mit Schritt 201 fort, wie oben gezeigt. Falls das nicht der Fall ist, verbleibt das Gebläse 40 im abgeschalteten Zustand.
  • Der Betrieb der Erfindung wird in einem Beispiel mit einer sechs (6) Volt Batterie 10 gezeigt. Eine derartige Batterie 10 weist fünf (5) Metall-Luft-Zellen 15 auf, wobei jede Zelle 15 eine Abgabe von etwa 1,2 Volt oder geringfügig darüber bei etwa 1 bis 4 Ampere aufweist. Ein (nicht gezeigter) Aufwärtswandler kann auch verwendet werden. Das Gehäuse 20 weist Öffnungen 25 mit einem Verhältnis von Länge 26 zu Weite 27 von etwa vier (4) zu eins (1) auf. Wenn das Gebläse 40 angeschaltet ist, beträgt die Gasströmung durch das Gehäuse etwa 245,8 bis 491,6 Kubikzentimeter pro Minute bei einem Ausgangsstrom von etwa 1 Ampere. Wenn das Gebläse 40 abgeschaltet wird, reduziert sich die Gasströmungsgeschwindigkeit auf etwa 0 bis etwa 0,49 Kubikzentimeter pro Minute oder weniger, bei einem Leckstrom von weniger als 1 mA. Bei einer effizienten Batterie 10 wird für das Verhältnis der Ausgangsstromdichte mit angeschaltetem Gebläse 40 zur Leckstromdichte mit abgeschaltetem Gebläse 40 zumindest 100 zu 1 erwartet. Es versteht sich, daß die jeweiligen Größen, Kapazitäten, Dichten, Strömungsgeschwindigkeiten oder andere oben erläuterte Parameter von der Gesamtgröße und dem Leistungsbedarf der Batterie 10 abhängen.
  • Die erste vorbestimmte Spannung Vp1, unter die die Spannung nicht fallen sollte, kann etwa 1,0 Volt je Zelle 15 oder etwa 5,0 Volt für die Batterie 10 als Ganzes betragen. Das Gebläse 40 wird angeschaltet, wenn die Spannungsüberwachungseinrichtung 10() ermittelt, daß die Spannung der Batterie 10 etwa 1,0 Volt je Zelle 15 oder etwa 5,0 Volt für die Batterie 10 als Ganzes erreicht hat. Das Gebläse 40 bleibt dann an, bis die Spannung der Batterie 10 etwa 1,1 Volt je Zelle 15 oder etwa 5,5 Volt für die Batterie 10 als Ganzes erreicht hat. Das Gebläse 40 bleibt aus, bis die Spannung wieder etwa 1,0 Volt je Zelle 15 oder etwa 5,0 Volt für die Batterie 10 als Ganzes erreicht.
  • Die oben angegebenen Leckraten angenommen, würde es für die sechs (6) Volt Batterie 10 des vorliegenden Beispiels annähernd einen Monat dauern, um von etwa 1,1 Volt je Zelle 15 auf etwa 1,0 Volt je Zelle 15 abzunehmen, um das Gebläse 40 während Perioden der Nichtnutzung auszulösen. Die Lagerfähigkeit der Batterie 10 würde zumindest mehrere Jahre betragen. Die Batterie 10 wäre sofort zur Benutzung bereit, ohne die Notwendigkeit für eine unabhängige Aktivierung der Batterie 10, wie beispielsweise durch das Anschalten des Gebläses 40 oder durch die Öffnung einer mechanischen Lufttür. Die Batterie 10 ist stattdessen gebrauchsfertig. Die Aktivierung einer Last an der Batterie 10 wird bewirken, daß die Spannung an den Zellen 15 abfällt, wenn der Sauerstoff in dem Gehäuse 20 verbraucht wird. Dieser Spannungsabfall wird das Gebläse 40 aktivieren, bis die korrekte Sauerstoffmenge in das Gehäuse 20 eingeführt ist und die korrekte Spannung wiederhergestellt ist.
  • Zusätzlich dazu, daß die vorliegende Erfindung selbstregulierend ist, stellt die vorliegende Erfindung auch ein effizientes Luftbehandlungssystem bereit. Der Wirkungsgrad der Batterie 10 als Ganzes wird erhöht, weil der Betrieb des Gebläses 40 minimiert wird. Fig. 6 vergleicht die Energieladekapazität 300 der vorliegenden Erfindung mit der Energieladekapazität 310 einer Batterie ohne Gebläse und der Energieladekapazität 320 mit einem konstant laufenden Gebläse für verschiedene Leckraten. Wie oben beschrieben, lassen die meisten Luftbehandlungssysteme das Gebläse kontinuierlich laufen oder setzen eine veränderliche Gebläsegeschwindigkeit ein, wie in Cheiky beschrieben ist. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, stellt die vorliegende Erfindung Wirkungsgrade von im wesentlichen neunzig Prozent (90%) eines Luftbehandlungssystems ohne Gebläse bereit.
  • Beispielsweise beträgt die Energieladekapazität 300 der vorliegenden Erfindung in einer sechs (6) Volt Batterie etwa 235 Wh, während die Energieladekapazität 310 eines Luftbehandlungssystems ohne Gebläse etwa 250 Wh beträgt. Die Energieladekapazität 320 eines Luftbehandlungssystems mit kontinuierlich laufendem Gebläse beträgt nur etwa 135 Wh. Der pulsierende Gebläsebetrieb der vorliegenden Erfindung ist daher eine Verbesserung von fast 100 Wh im Vergleich zu einem kontinuierlich laufenden Gebläse. Die Verbesserung bleibt bis zu Leckraten von etwa 5 Watt bestehen. An diesem Punkt wird das Gebläse 40 der vorliegenden Erfindung im wesentlichen kontinuierlich laufen.
  • Obwohl diese Wirkungsgrade mit der variablen Gebläsegeschwindigkeit von Cheiky möglich sind, verwendet die vorliegende Erfindung einen einfachen Ein/Aus-Schalter statt dem dort offenbarten komplexen lastspezifischen Algorithmus. Mit andren Worten, Cheiky bedarf eines spezifischen Algorithmus für jede unterschiedliche Lastart. Die vorliegende Erfindung kann jedoch Leistung für fast jede Art eines elektrischen Geräts bereitstellen.
  • Zusammenfassend werden durch das hier beschriebene Pulsieren des Gebläses 40 mehrere Zwecke erreicht:
  • 1. Die Lebensdauer der Batterie 10 wird hinsichtlich dem Umgebungseinfluß maximiert. Mit anderen Worten, es wird genug Sauerstoff in das Gehäuse 20 eingelassen, wie erforderlich ist, um die vorbestimmten Spannungen aufrechtzuerhalten.
  • 2. Der Leistungsverbrauch des Gebläses 40 wird als Prozentsatz der von der Batterie 10 als Ganzem verbrauchten Leistung minimiert. Zum Beispiel kann ein Schaltverhältnis von fünfzig Prozent. (50%) alles sein, was bei niedrigen Leckraten erforderlich ist. Dies vermindert die von der Batterie 10 als Ganzem verbrauchte Extraleistung.
  • 3. Weil das Gebläse 40 entweder ein- oder ausgeschaltet ist, ist die Batterie 10 als Ganzes ruhiger als eine Batterie 10 mit einem kontinuierlich laufenden Gebläse 40.
  • Die vorliegende Erfindung kann daher eine Batterie 10 mit einer relativ langen Lagerfähigkeit ohne die Notwendigkeit einer mechanischen Lufttür oder eines Gebläseschalters bereitstellen. Die vorliegende Erfindung kann zum Beispiel als Energiequelle eines Notfallgeräts fungieren, das automatisch aktiviert werden kann, weil keine Notwendigkeit für einen separaten Aktivierungsschritt besteht. Wichtiger noch ist, daß die vorliegende Erfindung ein effizientes Luftbehandlungssystem bereitstellt, daß den Betrieb des Gebläses 40 und den mit dem Gebläse 40 verknüpften Energieverbrauch minimiert.

Claims (12)

1. Luftbehandlungssystem für eine Metall-Luft-Batterie mit:
einem Gehäuse, das zumindest eine Metall-Luft-Zelle umschließt,
wobei die zumindest eine Metall-Luft-Zelle eine Luftelektrode umfaßt,
wobei das Gehäuse zumindest eine Lufteintrittsöffnung und zumindest eine Luftaustrittsöffnung aufweist, einem Gebläse, das so positioniert ist, daß es die Luft in die Lufteintrittsöffnung hinein und aus der Luftaustrittsöffnung heraus drängt, wenn das Gebläse eingeschaltet ist,
wobei die Öffnungen unversperrt sind und die Größe der Öffnungen den Luftstrom in die zumindest eine Lufteintrittsöffnung hinein und aus der zumindest einen Luftaustrittsöffnung heraus im wesentlichen aufhebt, wenn das Gebläse abgeschaltet wird, und einem Gebläsesteuermittel mit einem Spannungserfassungsmittel zur Überwachung der Spannung an der Luftelektrode, wobei der Betrieb des Gebläses auf das Gebläsesteuermittel reagiert.
2. Luftbehandlungssystem für eine Metall-Luft-Batterie nach Anspruch 1, wobei das Gebläsesteuermittel das Gebläse anschaltet, wenn die von dem Spannungserfassungsmittel gemessene Spannung an der Luftelektrode kleiner oder gleich einer vorbestimmten Spannung ist.
3. Luftbehandlungssystem für eine Metall-Luft-Batterie nach Anspruch 1, wobei das Gebläsesteuermittel das Gebläse abschaltet, wenn die von dem Spannungserfassungsmittel gemessene Spannung an der Luftelektrode größer oder gleich einer vorbestimmten Spannung ist.
4. Luftbehandlungssystem für eine Metall-Luft-Batterie nach Anspruch 1, wobei das Spannungserfassungsmittel eine Spannungsüberwachungseinrichtung umfaßt.
5. Luftbehandlungssystem für eine Metall-Luft-Batterie nach Anspruch 1, wobei die Luftelektrode eine Zinkanode umfaßt.
6. Luftbehandlungssystem für eine Metall-Luft-Batterie nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Metall- Luft-Zelle, das Gebläse und das Gebläsesteuermittel eine Schaltung umfassen.
7. Luftbehandlungssystem für eine Metall-Luft-Batterie nach Anspruch 1, wobei die Metall-Luft-Batterie eine sechs Volt Batterie mit fünf Metall-Luft-Zellen umfaßt.
8. Luftbehandlungssystem nach Anspruch 7, wobei die Metall-Luft-Batterie eine Energieladekapazität von etwa 230 Wattstunden bei einer Entnahmeleistung von etwa 0,5 Watt aufweist.
9. Luftbehandlungssystem nach Anspruch 7, wobei die Metall-Luft-Batterie eine Energieladekapazität von etwa 220 Wattstunden bei einer Entnahmeleistung von etwa 1,0 Watt aufweist.
10. Luftbehandlungssystem für eine Metall-Luft-Batterie nach Anspruch 7, wobei das Gebläsesteuermittel das Gebläse anschaltet, wenn die von dem Spannungserfassungsmittel gemessene Spannung an der Luftelektrode, kleiner oder gleich einer vorbestimmten Spannung ist und wobei das Gebläsesteuermittel das Gebläse abschaltet, wenn die von dem Spannungserfassungsmittel gemessene Spannung an der Luftelektrode, größer oder gleich einer zweiten vorbestimmten Spannung ist.
11. Luftbehandlungssystem für eine Metall-Luft-Batterie nach Anspruch 10, wobei die vorbestimmte Spannung ungefähr 1,0 Volt pro Zelle ist.
12. Luftbehandlungssystem für eine Metall-Luft-Batterie nach Anspruch 10, wobei die zweite vorbestimmte Spannung ungefähr 1,1 Volt pro Zelle ist.
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