DE69936586T2

DE69936586T2 - Redoxgelbatterie

Info

Publication number: DE69936586T2
Application number: DE69936586T
Authority: DE
Inventors: Stephen Wayne Castle Hill HOLTOM; Chris Merrylands MENICTAS
Original assignee: Farnow Technologies Pty Ltd
Current assignee: Farnow Technologies Pty Ltd
Priority date: 1998-06-09
Filing date: 1999-06-09
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2019-06-10
Also published as: JP2002518969A; KR20010071430A; EP1095419A1; CN1134875C; US6507169B1; AU744894B2; AU771346B2; CN1305655A; AU4588999A; JP2002518795A; CA2333043A1; MY123449A; MXPA00012257A; HK1038651A1; CN1185743C; EP1095419A4; DE69936586D1; EP1095419B1; WO1999065100A1; HK1038643A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft elektrische Speicherbatterien und insbesondere Speicherbatterien mit erweiterten Betriebseigenschaften.
STAND DER TECHNIK
Die Batterieindustrie sieht sich zunehmenden Anforderungen bezüglich der Technologie des Batteriemanagements entgegen, hauptsächlich aufgrund des ständig zunehmenden Bedarfs an Verbraucherfreundlichkeit von mit Batterien betriebenen transportablen Ausrüstungen wie Handys und Laptops. Zusätzlich sieht sich die Batterieindustrie einer Bewegung in Richtung auf eine zunehmende Bedeutung von mit einem Elektromotor betriebenen Werkzeugen und Nullemissionsfahrzeugen entgegen, bei denen die Hauptspannungsquelle für diese Fahrzeuge der neuen Generation Batterien sind. Diese Tendenz beruht auf schnell zunehmenden staatlichen Vorschriften und den Besorgnissen der Verbraucher über die Luft- und Lärmverschmutzung. Ein weiterer Bereich, der Batterien mit einer hohen Effizienz verlangt, sind Energiespeicheranwendungen wie Lastvergleichmäßigung, Notfall-/Standby-/Leistungsqualitätssysteme für empfindliche elektronische Bauelemente.
Infolge des zunehmenden Bedarfs an batteriebetriebener Ausrüstung steht die Batterieindustrie unter einem wettbewerblichen Druck zur Erzeugung einer idealen Zelle. Eine Zelle, die fast nichts wiegt, keinen Raumbedarf hat, eine ausgezeichnete Zykluslebenszeit hat und die eine ideale Ladungs-/Entladungseigenschaft hat und selbst am Ende ihrer Lebenszeit keine Umweltbelastung darstellt. Die populärste Technologie, die von der Batterieindustrie verwendet wird, ist eine Blei-/Säure-Batterie, die weiterentwickelt wird, um eine höhere Energiedichte, eine geringere Größe, bessere Eigenschaften, einen längeren Lebenszyklus und eine sichergestellte Wiederverwertbarkeit haben.
Übliche Blei-/Säure-Batterien leiden unter der begrenzten Verwendbarkeit der Kapazität, der geringen Tiefe der Entladung, einer kurzen Lebensdauer, einer geringen Energiedichte, thermischen Mangagementproblemen und dem Erfordernis einer Ladung mit konstantem Anstieg, um einen Zellenausgleich beizubehalten.
Die Blei-/Säure-Batterien benötigen lange Ladezeiten und hohe Ladeströme, sie können nur wenige Minuten bei einer sehr geringen Ladung verwendet werden. Wenn hohe Ströme verwendet werden, führt dies normalerweise zu höheren als den zulässigen Spannungen, was zu einer Zerstörung der Elektrolyten führt und einer Reduktion der Kapazität der Batterien. Die Zeit zum Aufladen einer Blei-/Saure-Batterie mit einer Anstiegssteigung kann bis zu vier Stunden betragen, wenn ein geeignetes Ladeprofil abgefahren wird.
Die Zyklusdauer von Blei-/Säure-Batterien variiert erheblich in Abhängigkeit der Tiefe der Entladung (DOD), die während eines Zyklusses erreicht wird. Für Anwendungen bei Elektrofahrzeugen ist eine 90–100%ige DOD nicht ungewöhnlich und bei diesen DOD-Pegeln beträgt die Zyklusanzahl von üblichen Tiefzyklus-Blei-/Säure-Batterien etwa 300 Zyklen. Da die meisten Kontrollerfunktionen auf die gesamte Batteriespannung funktionieren, ist es nicht ungewöhnlich, dass einzelne Zellen unterhalb eines zulässigen Grenzwertes entladen werden, da die Gesamtbatteriespannungstechnik auf der Annahme beruht, dass alle Zellen in demselben Ladezustand sind, was in der Praxis gewöhnlich nicht der Fall ist. Systeme können soweit außer Gleichgewicht sein, dass einzelne Zellen unter hohen Lasten tatsächlich umkehren und während der Entladung sogar ausgasen. Dies mag als außerordentlich angesehen werden, wenn jedoch ein großes Batteriefeld geschaffen wird, um Spannungen mit höheren Spannungen zu erreichen, kann eine Umkehrung einer Zelle auftreten, ohne dass dies sofort bemerkt wird.
Übliche NiMH-Batterien verwenden fortschrittlich verarbeitete und hochreine Materialien. Dies führt zu hohen Kosten für die Batteriesysteme. Aufgeschäumte Nickelschäume mit hochreinen Nickelhydroxidverbindungen und verarbeiteten Metalllegierungsmaterialien benötigen ein hohes Ausmaß an Qualitätskontrolle, um eine Hochleistungsbatterie herzustellen.
NiMH-Hydrid-Batterien können auch unter Selbstentladungsproblemen leiden und können auch durch die Temperatur beeinflusst werden. Bei bestimmten Systemen kann die Entnahme eines hohen Stroms die Batteriezellen zerstören und es muss Vorsorge getroffen werden, dass die Batterien nicht überladen werden. Diesbezüglich sind fortschrittliche Batterieladegeräte erforderlich, um ein geeignetes Laden sicherzustellen.
Redox-Batterien werden seit vielen Jahren erforscht und werden hauptsächlich in der Form von Flow-Batterien, siehe z. B. die Offenlegungsschrift EP-A-190658 und die US-A-40 18 971 . Redox-Flow-Batterien speichern Energie in den flüssigen Elektrolyten, die in dem Batterienstapel getrennt gespeichert sind. Während des Betriebs werden die Elektrolyte durch das System rückgeführt und werden zu und Energie wird zu und von den Elektrolyten übertragen. Bei dem Laden wird Elektrizität den Elektrolyten zugeführt und von diesen gespeichert, bei dem Entladen geben die Elektrolyte die gespeicherte Energie an die Last ab. Redox-Flow-Batterien haben typischerweise eine geringere Energiedichte und zeigen Pumpverluste, die auf dem Rückführen der Elektrolyte durch das System beruhen. In bestimmten Fällen sind hohe Entladungsraten möglich in Abhängigkeit von den Membranen oder dem Vorhandensein von internen Lecks oder Shunt-Strömen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Nach der Erfindung ist eine Redox-Gel-Batterie vorgesehen, die wenigstens eine Zelle aufweist, die aus einem positiven Redox-Gel-Elektrolyt, einem negativen Redox-Gel-Elektrolyt, einer Membran zwischen den positiven und den negativen Redox-Gel-Elektrolyten, einer positiven Elektrode, die elektrisch mit dem positiven Redox-Gel-Elektrolyt und einer negativen Elektrode, die mit dem negativen Redox-Gel-Elektrolyt verbunden ist, wie in Anspruch 1 angegeben.
KURZE ERLÄUTERUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm einer Einzellen-Redox-Gel-Batterie nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 ist ein schematisches Diagramm einer Mehrzellen-Redox-Gel-Batterie nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 ist ein schematisches Diagramm einer spiralförmig gebildeten Einzellen-Redox-Gel-Batterie nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4 ist ein Blockdiagramm eines Batterie-Management-Systems für eine Redox-Gel-Batterie nach der Erfindung, und
5 ist ein Blockdiagramm des Widerstandssteuermoduls des Batterie-Management-Systems, das in 4 gezeigt ist.
ARTEN ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Übliche Batteriesysteme verwenden einige Formen fester Metallelektroden, die Phasenübergangsreaktionen einschließen, die zu einem erhöhtem Gewicht und einem Verlust der Effizienz führen. Die Redox-Gel-Batterie nach der Erfindung verwendet überkonzentrierte Gele, die eine hohe Konzentration von positiv und negativ reagierenden Ionen in den jeweiligen Gelen aufweisen. Alle reaktiven Stoffe oder Reaktionspartner sind in den Gelen vorhanden und es erfolgen keine Phasenübergangsreaktionen, was aufgrund von minimalen Verlusten zu einer hohen Effizienz führt.
Ein Beispiel einer Redox-Gel-Zelle ist die Cer/Chrom-Batterie (typischerweise Cerchloride CeCl₃ und Chromchloride CrCl₃ mit den typischen Reaktionen, wie sie in den folgenden Gleichungen 1 und 2 angegeben sind: Ce4+ + e = Ce3+ E0 = 1.44V (1) Cr3+ + e = Cr2+ E0 = –0.41V (2)
In dem geladenen Zustand sind das positive und das negative Gel aus Ce⁴⁺ beziehungsweise Cr²⁺ zusammengesetzt. Wenn die Batterie entladen ist, ist das negative Gel-Elektrolyt Cr²⁺ zu Cr³⁺ oxidiert und das positive Gel-Elektrolyt Ce⁴⁺ ist zu Ce³⁺ reduziert.
Die gesamte Entladungsreaktion ergibt sich aus der unten wiedergegebenen Gleichung 3 mit der theoretischen Zellspannung basierend auf den Standardelektrodenpotentialen der Gleichungen 1 und 2 für wässrige Lösungen berechnet bei 25°C gegen NHE mit 1.85V. Die Ladereaktion ergibt sich aus der umgekehrten Reaktion von Gleichung 3. Ce4+ + Cr2+ = Ce3+ + Cr3+ E0 = 1.85V (3)
Die aktuellen Zellspannungen hängen von Stützelektrolyten ab, die für die Reaktionspartner in dem Redox-Gel-Medium verwendet werden.
In 1 ist eine Einzellen-Redox-Gel-Batterie 10 gezeigt, die eine inerte positive Elektrode 11, eine inerte negative Elektrode 12, ein positives Redox-Gel-Elektrolyt 13, ein negatives Redox-Gel-Elektrolyt 14 und eine Membran 15 zwischen dem positiven und dem negativen Redox-Gel-Elektrolyt 13 und 14 aufweist. Die Elektroden 11 und 12 sind vorzugsweise nicht-metallisch.
Eine Membran 15, die einen sehr geringen elektrischen Widerstand hat, trennt die Redox-Gel-Elektrolyte 13 und 14 mit einem sehr geringen elektrischen Widerstand. Die Redox-Gel-Elektrolyte 13 und 14 können durch jedes metallische Ion, eine metallische Innkombination, anorganische und organische Verbindungen gebildet sein, die es den Gelen erlauben, leitfähig zu sein und einen Strom zu erzeugen, wenn sie mit einer Last verbunden sind, bei der charakteristischen Spannung der Zelle. Die Gele können jedes Additiv aufweisen, das dazu in der Lage ist, ihre Leistungsfähigkeit zu vergrößern.
Die Elektrolyte können auch gelbildende Wirkstoffe wie Kieselsäure oder jedes andere Material aufweisen, das die Bildung eines stabilen Gels unterstützt ohne ein Abscheiden der Reaktionspartner zu bewirken.
Die Redox-Gel-Batterie unterscheidet sich von dem Prinzip des Redox-Flows darin, dass die Elektrolyte nicht rückgeführt werden müssen, da die Elektrolyte überkonzentrierte Gele sind und innerhalb der Batterie angeordnet sind, wie dies für eine einzige Zelle in 1 gezeigt ist.
Die Redox-Gel-Zelle kann als eine einzige Zelle, wie in 1 gezeigt, als eine bipolare Multizellenanordnung, wie in 2 gezeigt oder als eine spiralgewundene Zellanordnung, wie sie in 3 gezeigt ist, ausgebildet sein.
Die bipolare Mulizellen-Anordnung 20, die in 2 gezeigt ist, besteht aus Zellen 1, 2 ... N-1 und N. Jede Zelle 1 bis N hat ein positives Redox-Gel-Elektrolyt 13 und ein negatives Redox-Gel-Elektrolyt 14, die durch eine Membran 15 voneinander getrennt sind. Zwischen jeder Zelle liegt eine gemeinsame Elektode 16. An der äußeren Fläche der Zelle 1 ist eine inerte negative Elektrode 12 und an der äußeren Fläche der Zelle N ist eine inerte positive Elektrode 11. Die spiralgewundene Redox-Gel-Einzelle 30, die in 3 gezeigt ist, weist eine Zellenstruktur auf, wie sie in 1 gezeigt ist, und eine isolierende Folie 17, die die gewundenen Segmente der Zellenstruktur trennt.
Die Redox-Gel-Zelle kann mit einem Batteriemanagementsystem, wie es in 4 gezeigt ist, verwendet werden, die ein Modul beinhaltet, das in die Batteriepackung integriert sein kann, um die Effekte der Polarisation zu minimieren. Der Betrieb der Redox-Gel-Zelle wird durch das Batteriemanagementnsystem verbessert, das die Polarisation begrenzt und einen hohen Pegel der individuellen Zellsteuerung bewirkt aufgrund der Geschwindigkeit und der Überwachung des Batteriemanagementsystems.
Da die Gele überkonzentriert sind, neigt die Polarisation dazu, höher zu sein, wenn hohe Lasten an das Batteriesystem angelegt werden. Ein Batteriemanagementsystem, das insbesondere für die Redox-Gel-Batterie geeignet ist, kann viele der Begrenzungen der Ausbildung des Redox-Gel-Systems ausgleichen.
Ein Batteriemanagementsystem, das insbesondere für die Redox-Gel-Zelle ausgebildet ist, kann weiter eine Anzahl von Überwachungsfunktionen ausführen, etwa das Beobachten der einzelnen Zellspannungen und Zelltemperaturen. Es kann weiter den Innendruck der abgedichteten Batteriepackungen beobachten und die zulässigen Lasten des Systems bei jedem gegebenen Zustand sicherstellen. Das Batteriemanagementsystem kann weiter die zusätzliche Fähigkeit haben, aktive Schritte bei dem Beibehalten der optimalen Batterieeigenschaften in jedem Ladezustand anzunehmen. Mit diesem hohen Ausmaß der Systemsteuerung kann die Redox-Gel-Batterie nach der Erfindung wiederholt und über eine große Anzahl von Zyklen verwenden.
Das bevorzugte Batteriemanagementsystem, das in 4 in einer Blockdarstellung gezeigt ist, weist einen Mikroprozessor 40 und zugehörige Software 57 auf, die alle im Folgenden beschriebenen Funktionen überwacht. In diesem Beispiel arbeitet der Mikroprozessor mit Ziffer 8 bit und läuft bei 8MHz, es können jedoch auch 4, 16, 32 oder 64 bit-Prozessoren verwendet werden. Die Prozessorgeschwindigkeit kann 4MHZ bis 166MHz betragen. Alternativ kann ein digitaler Signalverarbeitungschip verwendet werden in Abhängigkeit von den individuellen Batterieerfordernissen. Der Mikroprozessor hat EEPROM, ROM und RAM-Speicher. Alternativ kann ein ASIC (Application Specific Integrated Circuit) verwendet werden.
Das individuelle Zellspannungsmessmodul 41 verwendet eine gesonderte Verdrahtung, die mit der Verbindung jeder Zelle verbunden ist. Diese Verdrahtung wird allein zum Messen der Spannung verwendet. Die Spannung jeder Zelle wird unter Bezugnahme auf Masse für Batterien bis zu 24 Volt gemessen. Dies kann auch durch direkte Messung jeder Zellspannung erreicht werden, je nach den Erfordernissen und den gegebenen Genauigkeitserfordernissen.
Individuelle Zellspannungsmesszustände werden erreicht durch das Modul 42, das eine Schaltung beinhaltet, bei der die Zellspannungen durch ein Widerstandsnetzwerk geteilt und durch einen Filterkondensator, der über den Massenwiderstand in dem Teiler verbunden ist, geglättet werden. Auch kann eine aktive Filterung unter Verwendung von Operationsverstärkern oder anderen Filtermitteln verwendet werden. Die Spannungen werden von dem Teiler und dem Filter auf eine Spannung skaliert, die geeignet ist für eine Analog/Digital-Wandlung. In diesem Fall stellt 4,95 Volt die erwartete Maximalspannung jeder Verbindung der Batterie dar. Ein 12 bit Analog/Digital-Wandler wird für jede zu messende Zellspannung verwendet. Der Analog/Digital-Wandler wird seriell von dem Mikroprozessor gesteuert, der jede gemessene Spannung in die Zellspannumg durch Skalieren jeder Spannung und Subtrahieren der Spannung der negativen Seiten jeder Zelle von der Spannung von der positiven Seite der Zelle wandelt. Dies erfolgt für jede Zelle und dies Verfahren ist für Zellspannungen bis zu 24 Volt anwendbar.
Oberhalb von 24 Volt können mehrere Stufen des obigen Verfahrens durch Übertragen der seriellen digitalen Daten mittels einer optisch gekoppelten seriellen Kommunikation erfolgen, wodurch die Zellspannungen isoliert werden. Anwendbar wäre auch die Verwendung eines Spannung/Frequenz-Wandlers, der über jede Zelle verbunden ist, um die Zellspannung direkt zu messen und diese Information als eine Frequenz an den Mikroprozessor zu senden. Diese Spannung/Fequenz-Wandler können galvanisch oder optisch mit dem Mikroprozessor gekoppelt sein, der die Frequenz misst und diese in eine Spannung wandelt.
Das Strommessmodul 43 misst die Spannung über einen Shuntwiderstand und skaliert diesen Wert unter Verwendung eines Stromverstärkers mit aktiver Filterung. Eine Alternative dazu wäre die Verwendung eines Halleffektgeräts zum Messen des Stroms mit einer geeigneten Signalaufarbeitung.
Eine Strommessaufarbeitung wird erreicht durch ein Schaltkreismodul 44, in der die Spannung, die über den Shunt gemessen wird, in ein 0–5 Volt-Signal unabhängig von der Richtung des Stromes gemessen wird, der sodann an einen Eingang eines 12 bit Analog/Digital-Wandlers zugeführt wird, der zur Messung der oben beschriebenen Spannung gemessen wird. Der Aufarbeitungsschaltkreis liefert auch einen digitalen Eingang an den Mikroprozessor, der die Richtung des Stromflusses angibt. Dies wird über eine integrierte Schaltung mit minimalen externen Komponenten erreicht. Lösungen mit diskreten Bauelementen sind in diesem Bereich ebenfalls kostengünstig.
Die Temperatur wird durch ein Schaltkreismodul 45 unter Verwendung eines Temperatursensors einer integrierten Schaltung, die auf der Schaltkarte montiert ist, gemessen. Jede Anzahl solcher Module kann verwendet werden, sie können in unterschiedlichen Bereichen beispielsweise der Batterie, einzelner Zellen oder außerhalb für die Umgebungstemperatur verwendet werden.
Die Aufarbeitung der Temperaturmessung wird erreicht durch das Schaltmodul 46, bei dem:
der Temperaturwert ein Spannungsausgang ist und ein Operationsverstärker mit einem geringen Offset verwendet wird, um diesen Wert auf einen 0–5 Volt Wert zu skalieren, der geeignet ist zur Verbindung mit einem Ausgang desselben Analog/Digital-Wandlers, der für die Spannungs- und Strommessung verwendet wird.
Ein LCD 47 wird verwendet um eine Information wie die verbleibende Kapazität, die verbleibenden Kilometer oder irgendeine andere Information darzustellen.
Der Displaytreiber 48 wird direkt von dem Mikroprozessor 40 durch Schreiben eines geeigneten Werts an einen Speicherort basierend auf einer Nachschlagtabelle, die im Inneren des Mikroprozessors 40 gespeichert ist, getrieben. In Abhängigkeit von den Mikroprozessoranforderungen und der Komplexität des LCD kann ein gesonderter Treiber für die integrierte Schaltung verwendet werden. Ein LED oder Gasplasmadisplay könnte auch verwendet werden. Ein LCD-Modul kann auch verwendet werden.
Ein Tonindikatormodul 49 weist einen piezoelektrischen Buzzer auf, der ein hörbares Signal für den Verwendet abgibt. Dieser wird idealerweise direkt von dem Mikroprozessor oder, falls erforderlich, über einen Transistortreiber angetrieben.
Ein Abstandssensor 50 ist an dem Rad montiert, sollte die Batterie in einem Fahrzeug verwendet werden. Dieser Sensor 50 kann die Form entweder einer magnetischen Aufnahme, wobei der Magnet an dem Rad befestigt ist und eine Haleffektaufnahme ist an einem ortsfesten Teil des Fahrzeugs montiert oder aber ein optischer Sensor.
Die Aufarbeitung des Distanzsensors wird durch ein Schaltmodul 51 erreicht, in dem der Ausgang des Distanzsensors 50 eine Frequenz ist, die skaliert und gemessen wird von dem Mikroprozessor 40, der wiederum dieses in einen Geschwindigkeits- oder Abstandswert wandelt.
Das Drucksensormodul 52 weist einen Druckwandler mit einer geringen Ausgangsspannung (in der Größenordnung von 0–100mV), der in der Batterie angeordnet ist, auf. Das Drucksensoraufarbeitungsmodul 53 skaliert den Ausgang auf 0–5 Volt über einen genauen Operationsverstärker und wird dem Analog/Digital-Wander zugeführt.
Das Kommunikationsmodul 54 stellt sicher, dass alle Steuer- und Kommunikationssignale von dem Batterieladegerät über einen seriellen Bus direkt von dem Mikroprozessor 40 kommuniziert werden. Dieser serielle Bus kann für Kalibrationszwecke auch auf einen PC zugreifen.
Um eine lange Lebensdauer der Batterie sicherzustellen, werden alle Komponenten des Optimierers für einen geringen Stromverbrauch gewählt. Der Mikroprozessor, der Analog/Digital-Wandler und alle anderen Schaltungen können von einem Signal des Mikroprozessors an das Modul 55 für geringen Stromverbrauch in eine Betriebsart mit geringem Stromverbrauch gebracht werden.
Um die erforderliche Genauigkeit zu erreichen, werden die analogen Eingänge des Mikroprozessors von dem Kalibrationsmodul 56 kalibriert und die Kalibrationsfaktoren und Offsets werden in dem EEPROM-Speicher gespeichert.
Die Software 57 ist vorzugsweise abfrageorientiert und wird bei kritischen Ereignissen wie der Strombeobachtung zur Integration des Energieverbrauchs unterbrochen. Vorzugsweise kann die Software erkennen, wenn eine individuelle Zelle fehlerhaft ist und gibt dies dem Batterieladegerät an.
Die Software kann einen polynomen Spannungsstromalgorithmus beinhalten, um die Batterie vor einer Überladung durch Öffnen des Schalters zu schützen. Die Software ist eingerichtet um:

(a) die Selbstentladung der Batterie zu berechnen und kann den Zellausgleichsvorgang initiieren,
(b) die Anzahl der Zyklen protokollieren und diese Information an das Batterieladegerät zu senden,
(iii) Beobachten, Kommunizieren und Initiieren von Schutzmaßnahmen zum Verhindern einer Überspannung oder Unterspannung,
(iv) den Strom bei regelmäßigen Zeitintervallen abtasten und den Strom über die Zeit integrieren, um die verwendeten Amperestunden und die verbleibenden Daten zu liefern, und
(v) die verwendeten Amperestunden und die verbleibenden zu korrigieren in Abhängigkeit von den Lasten während des jeweiligen Zyklus.

Der Mikroprozessor 40 kann auch FETS oder IGBT's antreiben, um den Strom zu einem Motor 58 zu steuern. Dies kann eine Signalimpulsbreitensteuerung für einen Motor vom Bürstentyp schaffen oder eine quasi Sinussteuerung mit mehreren Ausgängen für einen bürstenlosen Mehrtypmotor, wie Reluktanzmotoren oder bürstenlosen DC-Motoren.
Ein FET oder IGBT-Schalter 59 wird zur Sicherheit und zum Schutz der Batterie verwendet. FETS mit einem geringen Widerstand werden verwendet.
Der Schalter 59 wird durch das Schaltsteuermodul 60 gesteuert, das von dem Mikroprozessor 40 angetrieben wird und der Antrieb der FETS oder IGBT's verwendet eine geschaltete Spannungsversorgung, um die Spannung ansteigen zu lassen, um ein High-Side-Treiben zu ermöglichen.
In dem Widerstandssteuermodul 61 steuert der Mikroprozessor einen FET, dessen Funktion es ist, periodisch einen Kondensator auf eine Spannung oberhalb der Batteriespannung zu laden und diesen Kondensator in die Batterie zu entladen, während ein weiterer Kondensator gleichzeitig geschaltet wird, dessen Ladung den Ladestrom halten kann.
Der Ausgang eines Energiemeßgeräts 62 wird auf dem LCD-Display als verbleibende Spannung angezeigt. Dieser Wert wird berechnet durch Integrieren des Stroms über die Zeit. Der Strom wird bei regelmäßigen Intervallen abgetastet und dieser Wert wird von einem Akkumulator subtrahiert und sodann auf 100% skaliert, um ein Ausgangssignal der verbleibenden Kapazität zu geben.
Das interne Widerstands/Impedanz-Modul 63 hat den internen Widerstand und die Impedanz mittels Messung der Änderung in der Spannung vor und nach einem Schritt der Änderung des Stromes berechnet. Dies kann sowohl bei dem Laden als auch bei dem Entladen geschehen. Ein AC-Strom oder Spannung können in die Batterie injiziert werden und die sich ergebende Spannung bzw. Strom werden gemessen, um den internen Widerstand und die Impedanz zu messen.
Das Zellausgleichsmodul 64 arbeitet so, dass dann, wenn eine Zelle als sich mehr als die in der Gruppe selbst entladend angesehen wird, Leistung aus der gesamten Gruppe entnommen wird, in eine geeignete Spannung unter Verwendung eines geschalte ten Leistungswandlers gewandelt und in die Schächte der Zellen eingebracht wird, um so die Zellen auszugleichen.
Die Elektroden, die in den Redox-Gel-Zellen verwendet werden wirken so, um die Übertragung von Energie in und aus den Gelelektrolyten zu erlauben. Die Elektroden sind inert und aus besonders entwickelten nicht-metallischen gleitenden Materialien erzeugt werden, die in fast jede gewünschten Form geformt oder gegossen werden können.
Die Elektrolyten werden verwendet um die gesamte Energie, die in der Redox-Gel-Batterie beinhaltet sind, zu speichern. Die bestimmten Ionen, die in dem Gel beinhaltet sind, werden verwendet, basierend auf der Anwendung und der Energiedichte, und können entweder eine Einzige- oder Mehrelektronen-Halbzellenredaktion verwenden. Das Gelelektrolyt kann erzeugt werden mit oder ohne einer Elektrodenmatrix, die in dem Gel integriert ist. In jedem Fall bleibt die Hauptfunktion des Gels, Energie zum Speichern, unverändert.
Die Redox-Gel-Zelle hat eine sehr lange Zykluslebensdauer aufgrund der Stabilität der Gelelektrolyten, da die Elektrolyte in ihrer fundamentalen Form Energie speichern, ohne dass ein Phasenübergang stattfindet. Die Elektrolyten bauen sich nicht ab und das System ist als Ganzes sehr kostengünstig. Mit seinem geringen Gewicht und seiner Robustheit ist es gut geeignet für einen Batterieaustauschvorgang in „Mietenergie" Fahrzeugen, Notfallanwendungen und transportablen Leistungseinheiten.
Die Art und Weise der Kontrolle der Polarisierung und damit des Batterieausgangs wird jetzt weiter unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.
Das Steuersystem 100, das in 5 gezeigt ist, ist dazu eingerichtet, einen vorgegebenen Leistungsausgang von einem Redox-Batteriesystem 100 von den Anschlüssen oder den Ausgangsmitteln 112, an denen eine Last, etwa ein Elektrofahrzeug, angelegt ist. Zwischen den Ausgangsanschlüssen 112 und den Anschlüssen 113 des Redox-Gel-Batteriesystems 111 ist ein Steuermittel 114, das vorgegebene Betriebsparameter des Redox-Gel-Batteriesystems 111 mischt. Das Steuermittel 114 liefert während einer ersten Betriebsweise Leistung von dem Batteriesystem 111 an die Ausgangsanschlüsse 112.
Erste Kondensatoren 115, die zwischen dem Batteriesystem 111 und dem Steuermittel 114 liegen, speichern während der ersten Betriebsweise des Steuermittels 114 eine vorgegebene Leistungsmenge von dem Batteriesystem 111 und liefern die gespeicherte Leistung an das Batteriesystem 111 in Antwort auf ein Befehlssignal von dem Steuermittel 114, wenn das Steuermittel in der zweiten Betriebsweise ist.
Zweite Kondensatoren 116, die zwischen den Ausgangsanschlüssen 112 und dem Steuermittel 114 verbunden sind, speichern eine vorgegebene Leistungsmenge von dem Batteriesystem 111, wenn das Steuermittel 114 in der ersten Betriebsweise ist und liefern die gespeicherte Leistung an die Ausgangsanschlüsse 112 in Antwort auf ein Befehlssignal von dem Steuermittel 114, wenn das Steuermittel 114 in der zweiten Betriebsweise ist. Das Leistungssteuersystem weist so zwei Kapazitätsnetzwerke auf und wenn das Steuermittel beispielsweise misst, dass die Polarisation in dem Batteriesystem 111 zu hoch ist oder dass ein vorgegebenes Zeitintervall gestrichen ist, seitdem die Leistung erstmalig an die Last angelegt worden ist, initiiert es eine Rückladung zu dem Batteriesystem 111. In diesem Entladezyklus erlaubt das Steuermittel 114, die in dem ersten Kapazitätsnetzwerk 115 gespeicherte Energie in das Batteriesystem 111 zu laden und gleichzeitig liefert das zweite Kapazitätsmittel 116 ununterbrochen Leistung an die Ausgangsanschlüsse 112. Das Zeitintervall dieses umgekehrten Zyklus oder des Entladungszyklus ist klein und es kann, da es sehr effizient ist, von regelmäßigen Intervallen ausgeführt werden.
Die Umkehrladung hat die Fähigkeit, Effekte und zugehörige Verluste der Polarisation innerhalb des Batteriesystems zu unterbrechen und zu minimieren.
Das Leistungssteuersystem kann auch in Verbindung mit einem Ladegerät arbeiten, um eine optimale Eigenschaft zu haben und eine Batteriepflege erfolgt ständig während des Betriebs. Das Leistungssteuersystem kann dazu eingerichtet sein, einen nicht zugelassenen Typ eines Ladegerätes, das mit dem Batteriesystem verbunden ist, auszuschließen, wodurch ein möglicher Missbrauch verhindert wird und sichergestellt wird, dass der Fahrzeugbesitzer nicht versucht, das Batteriesystem mit einem unrichtigen Ladegerät zuhause aufzuladen.
Das Spannungssteuersystem, das Ladegerät und das Fahrzeug können individuelle elektronische Signaturen einschließen, so dass das gesamte System nachverfolgt und beobachtet werden kann mit einem hohen Ausmaß an Genauigkeit. Immer wenn das Batteriesystem in einer Ladeeinheit installiert wird, wird das Steuersystem sich selbst, das Fahrzeug, von dem es entfernt worden ist, als auch den Verwender identifizieren.
Die Ladeeinheit kann den Energiepegel der Batterie beobachten und den Verwender über diesen Wert informieren, die Kosten des Austausches und die Elektrizität und die monatliche Miete für die Batterie berechnen. Bei Entgegennahme dieser Zahlung entweder bar oder durch Kreditkarte wird eine neue Batterie freigegeben und in dem Fahrzeug installiert. Wenn der Kunde die Batterie missbraucht oder erhitzt hat, wird dies von dem Ladegerät erkannt.
Das Steuersystem kann dazu eingerichtet werden, nicht nur den Energiepegel der Batterie zu identifizieren, sondern kann auch den verbleibenden Antriebsbereich basierend auf den jeweiligen Energieverbrauchswerten berechnen. Der Fahrer wird so wissen, wie viel Kilometer er noch auf der Grundlage der verbleibenden Energiemenge fahren kann.
Jede Ladeeinheit kann über ein telemetrisches System mit einem Betriebszentrum verbunden sein, das eine konstante Beobachtung aller Stationen in dem Netzwerk von Ladestationen beobachtet.
Das Leistungssteuersystem kann die Funktionen und Merkmale der Geschwindigkeit der Steuermodule einschließen, was bedeutet, dass der Fahrzeugmanager eine Geschwindigkeitssteuereinrichtung von dem Fahrzeug vermeiden kann und einfach den Ausgang über das Leistungssteuersystem kontrollieren kann. Dies reduziert Fahrzeugkosten, reduziert die Inanspruchnahme von Garantien des Herstellers und kann eine kontinuierliche Eigenschaftsbeobachtung über das telemetrische Kommunikationssystem vorsehen.
Das Leistungssteuersystem kann bei verschiedenen Batteriesystemen, etwa ventilgesteuerten Bleisteuerbatterien, Nickelmetallhydridbatterien und Redox-Gel-Battierien verwendet werden, wobei jedes System seinen Nutzen und seine besonderen Anwendungsgebiete hat.
Das Spannungssteuersystem kann auch verwendet werden, um die Standby-Eigenschaften von Leistungssystemen in entlegenen Gebieten zu haben, Lastaus gleich und Notfall-back-up Batteriesystemen. Ortsfeste Batteriesysteme, die in entfernten Gegenden verwendet werden, Leistungssysteme und Notfall-back-up-Anwendungen können über erhebliche Zeitdauern vollständig geladen bleiben. Da die Zellentladung bei verschiednen Raten des Leistungssteuersystems programmiert werden kann, um die einzelnen Zellbedingungen periodisch zu scannen und Zellausgleichs-Techniken zu verwenden zum internen Ausgleich der Zellen. Alternativ kann das Ladesystem auf einem Standby bleiben und können durch das Leistungssteuersystem gesteuert werden, falls erforderlich.

Claims

Eine Redox-Gel-Batterie mit wenigstens einer Zelle, bestehend aus: – einem positiven Gel-Elektrolyt mit reaktionsfähigen Ionen, die reduziert sind, aber während des Betriebs der Batterie keinem Phasenübergang unterliegen, – einem negativen Gel-Elektrolyt mit reaktionsfähigen Ionen, die oxidiert sind, aber während des Betriebs der Batterie keinem Phasenübergang unterliegen, – einer Membran, die das positive und das negative Gel voneinander trennt, – einer positiven Elektrode, die elektrisch mit dem positiven Gel-Elekrolyten verbunden ist und einer negativen Elektrode, die elektrisch mit dem negativen Gel-Elektrolyten verbunden ist, und – wobei die Gel-Elektrolyten in reaktionsfähigen Ionen überkonzentriert sind.
Eine Redox-Gel-Batterie nach Anspruch 1, die eine Cer/Chrom Redox-Gel-Batterie ist.
Eine Redox-Gel-Batterie nach Anspruch 1, die eine Cerchlorid/Chromchlorid Redox-Gel-Batterie ist.
Eine Redox-Gel-Batterie nach Anspruch 7, wobei das positive Gel-Elektrolyt Ce⁺⁺⁺⁺ Ionen und das negative Gel-Elektrolyt Cr⁺⁺ Ionen aufweist und während der Entladung die Ce⁺⁺⁺⁺ Ionen zu Ce⁺⁺⁺ Ionen reduziert und die Cr⁺⁺ Ionen zu Cr⁺⁺⁺ Ionen oxidiert werden.
Eine Redox-Gel-Batterie nach Anspruch 1, wobei jedes Gel ein Geliermittel beinhaltet.
Eine Redox-Gel-Batterie nach Anspruch 9, wobei das Geliermittel Silizium ist.
Eine Redox-Gel-Batterie nach Anspruch 1, wobei die Zelle zu einer Spirale gewunden ist.
Eine Redox-Gel-Batterie nach Anspruch 1, bestehend aus N Zellen und wobei benachbarte Zellen durch eine gemeinsamen Elektrode (16) getrennt sind und eine inerte negative Elektrode auf der Außenfläche der ersten Zelle und eine inerte positive Elektrode (11) auf der Außenfläche der Nten Zelle vorhanden ist.
Eine Redox-Gel-Batterie nach Anspruch 1, wobei die Elektroden inert sind.
Eine Redox-Gel-Batterie nach Anspruch 1, wobei die Elektroden nichtmetallisch sind.
Eine Redox-Gel-Batterie nach Anspruch 9, wobei die Elektroden nicht metallisch sind.