專利名稱：混合式儲能系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及儲能裝置，特別是涉及可重新充電的混合式儲能裝置，其能用于便攜式電子裝置，提供高功率和具有高容量。
消費市場一直需求各種小型便攜式多功能電子裝置。這樣一些裝置的實例包含雙向無線電廣播接收機、光盤機(CD機)、蜂窩式電話，以及計算機裝置，這里僅所列舉幾種。隨著便攜式電子裝置不斷小型化，對于向這些裝置供電的小型化電源例如蓄電池的需求也在增加。很明顯，可以制造專用于指定類型的電氣裝置的儲能裝置，例如電化學(xué)蓄電池，然而，在保證儲能容量時的成本方面影響小巧性。因此，對于很多高功率應(yīng)用場合，其電源顯得太大，太重，或者不能長時間持續(xù)使用。
當一儲能裝置，例如蓄電池被放電，它就不能按照所需的量值提供電流。因此，即使蓄電池可以保存大量的電荷，它對于所連接的裝置也是無用的。當蓄電池所連接的裝置操作周期中需要高功率(例如電流脈沖)而在其它時間需要低得多的工作電流時，這一問題更會加重。當對于便攜式通信裝置例如數(shù)字式雙向無線電蜂窩式電話處于發(fā)射工作方式時就會出現(xiàn)這種情況。這些功率脈沖或沖擊明顯高于當裝置接收或處于備用方式時的電流輸出。
隨著蓄電池的外形尺寸的降低(以滿足產(chǎn)品設(shè)計的尺寸要求)，蓄電池的容量降低。如果裝置的使用者預(yù)先考慮到將遠離蓄電池充電裝置，為延長裝置使用時間就需要很多蓄電池?；蛘?，使用者需要攜帶便攜式高速充電裝置。然而，這是不合時宜的，因為充電裝置會增加重量。
先有技術(shù)試圖通過在應(yīng)用裝置中裝設(shè)電解電容器來滿足對高功率脈沖的要求。這樣帶來的缺點是明顯增加應(yīng)用裝置的尺寸，因為電解電容器通常是很大的圓柱形裝置。另外的試圖方案介紹在授予Anani等人的5439756號美國專利中，其中提供一種電能存儲裝置。在該US 5439756號美國專利中公開的裝置包含一蓄電池電極、電容器電極以及作為蓄電池和電容器兩者電極的配對電極的第三電極。該裝置還包含用于在蓄電池電極和電容器電極之間轉(zhuǎn)換該第三電極的電子裝置。
因此，需要一種電源，其能對于某些裝置所需的高功率脈沖提供足夠的電壓，同時，延長電源的使用壽命。這種裝置應(yīng)相對小，其尺寸和形狀都能適合于指定的應(yīng)用場合。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的混合式儲能裝置的電路圖；圖2是說明在便攜式數(shù)字通信裝置的工作周期中經(jīng)歷的功率需求的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的混合式儲能裝置的分解透視圖；圖4是將常規(guī)蓄電池與根據(jù)本發(fā)明的儲能裝置相比較的一系列放電曲線圖；圖5是將常規(guī)蓄電池與根據(jù)本發(fā)明的儲能裝置的電壓降相比較的曲線圖。
雖然，本說明書以限定看作為本發(fā)明的新穎性特征的權(quán)利要求結(jié)束，但確信通過結(jié)合附圖根據(jù)如下的介紹將會能更好地理解本發(fā)明。其中，相同的標號表示同一部件。
下面參照圖1，該圖中表示根據(jù)本發(fā)明的儲能裝置10的電路示意圖。裝置10包含第一儲能電源12，其具有高的儲能密度和長的使用能力，但是可能不能提供某些應(yīng)用場合所需的高功率。因此，第一儲能電源12可以是一個或多個常規(guī)的蓄電池單元，其實例包含但不局限于鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池，鎳一金屬氫化物蓄電池，鋰離子蓄電池、鋰聚合物蓄電池、鋰離子聚合物電解蓄電池、鋅空氣蓄電池，和它們的組合。另外，該蓄電池單元或單元組也可以用一次電池，例如常規(guī)的堿性蓄電池。該蓄電池單元或單元組配置在一電池封裝件中例如在圖3中所示。
圖1中還表示與第一儲能電源12相并連的第二儲能電源14。第二儲能電源可以產(chǎn)生高功率的脈沖，因為對于特定應(yīng)用場合可能需要。因此，第二儲能電源14最好是電化學(xué)電容器。該電化學(xué)電容器裝置通常包含至少一個由金屬氧化物例如RuO2制成的電極。第二電極可以由相似或不同的金屬氧化物構(gòu)成，或者完全由另一種類型的材料構(gòu)成。在這方面，第二電極可以由聚合物例如聚縮苯胺(polyanile)、聚吡咯、聚氨酯、polyacrylantrim、聚丙烯酰胺以及它們的組合構(gòu)成。一方或兩方電極可以由此碳為基質(zhì)的材料制成。電解質(zhì)可以是堿性的或質(zhì)子導(dǎo)電的。
在一優(yōu)選實施例中，該電容器是一種薄型器件，包括第一電極，第二電極和置于其間的電解質(zhì)。在一優(yōu)選實施例中，可以按照如下的一個或多個美國專利申請中介紹的內(nèi)容制造該電容器，這些美國專利申請有Bai等人的08/415976號申請，題為“電化學(xué)電容器及其制造方法”；Bai等人的08/414816號申請，題為“恒定電壓放電的電化學(xué)電荷存儲裝置”；Bai等人的08/513648號申請，題為“具有固態(tài)聚合物電解質(zhì)和不對稱無機材料電極的電化學(xué)電池”；Howard等人的08/340957號申請，題為“聚合物膠質(zhì)電解質(zhì)和利用該電解質(zhì)的電化學(xué)電容器裝置”；Haward的08/505427號申請，題為“用于儲能裝置的導(dǎo)電聚合物電極及其制造方法”；Li等人的08/358294號申請，題為“電極材料和利用該電極的電化學(xué)裝置”；Li等人的08/396991號申請，題為“用于電化學(xué)電池的改進電解質(zhì)”；Li等人的08/498450號申請，題為“用于儲能裝置的聚合物電極和其制造方法”；Lian等人的08/297074號申請，題為“用于水性電化學(xué)裝置的非晶態(tài)鈷合金電極”；以及還有授予Lian等人的5429895號美國專利，題為“用于電化學(xué)裝置的鎳合金電極”；這里引用它們，可供參考。
適用于調(diào)節(jié)第一和第二儲能電源輸出的電子電路裝置16電連接到第一和第二儲能電源輸出端。相應(yīng)地，電路裝置16可以包含但不局限于DC-DC變換器，升壓式電壓變換器、降壓式電壓變換器、開關(guān)、二極管、微處理器以及它們的組合。其它的電子電路和/或裝置由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員提出設(shè)計。另外，電路裝置16可以設(shè)有保護裝置，以保證當連接到負載例如負載20上時不會發(fā)生短路。在這方面，電路可以包括二極管、晶體管或開關(guān)。
第二電子電路裝置或組件18(按虛線部分表示)可選擇配置在第一和第二儲能電源之間。設(shè)立電路裝置18用于電路上將第一儲能電源和第二儲能電源斷開。在某些情況下例如當?shù)诙δ茈娫词请娙萜饕约霸撾娙萜骶哂懈叩男孤╇娏鲿r這一點可能是需要的。在這種解決方案中，第一儲能電源例如蓄電池即使當儲能裝置10未使用時將會連續(xù)向電容器放電。因此，存儲在裝置10中的能量可能產(chǎn)生明顯的自放電。因此，當裝置10未連接到負載20上時，電路裝置18可以將第一和第二儲能裝置斷開。因此，電路裝置18可以是一或多個二極管，晶體管、開關(guān)、MOSFET以及它們的組合。
正如上面所指出的，與高功率沖擊或尖峰相關(guān)的問題在需要短暫的斷續(xù)出現(xiàn)的高功率量值的裝置中特別頻繁地遇到。脈沖功率式通信裝置，例如數(shù)字式蜂窩電話、雙向無線電裝置以及回話式傳呼機全都對與之相關(guān)的儲能電源有這樣的要求。因此，在這里所說的負載20是指需要高功率脈沖的裝置，例如為上述那些應(yīng)用裝置。其它的實例包含需要脈沖功率的各種高功率工具，例如起動旋轉(zhuǎn)的鉆頭，或起動磁盤磁動器或背景光顯示的個人計算機。在這些裝置中的脈沖更是短暫的，不均勻的，在數(shù)字通信中為重復(fù)發(fā)生的脈沖。
在通信領(lǐng)域高功率沖擊的問題已經(jīng)變得日益嚴重，這是由于數(shù)字通信的出現(xiàn)，其中某些通信應(yīng)用裝置按照10赫的頻率出現(xiàn)的5安量級的功率脈沖，持續(xù)時間相對長，例如高達20毫秒。其它的通信系統(tǒng)例如GSM(通用移動通信系統(tǒng))具有相對窄的脈沖和較低的電流，但是按照較高的頻率(200赫量級)出現(xiàn)。例如，圖2表示在數(shù)字蜂窩式電話的工作周期內(nèi)的功率消耗情況。更確切地說，圖2表示的曲線圖其中表示沿S軸代表的時間與沿Y軸代表的以安為單位的電流之間的關(guān)系。對于在圖2中所表示的GSM電話的工作周期長約5.1毫秒。在工作周期內(nèi)，在6伏電源下峰值脈沖電流約1.42安，持續(xù)約0.5毫秒。在工作周期的平衡期(balance)內(nèi)，所示的平均電流約0.22安，要求持續(xù)4.6毫秒。整個工作周期出現(xiàn)的頻率超過200赫，特別是217赫。在圖2中的曲線30表示工作周期，由點32和34具體限定。更確切地說，點32是工作周期起始點，與第一周期中電流周期的起始同時出現(xiàn)。點34是第一周期的終點，與下一個工作周期的電流脈沖的起始同時出現(xiàn)。
如在圖2中所示，脈沖電流的影響在某些極端的條件下更為嚴重。例如某些類型的蓄電池例如鋰離子蓄電池由于過熱會產(chǎn)生有害影響。確切地說，當裝置持續(xù)處在升高的溫度下時，電子裝置的串聯(lián)電阻(ESR)明顯增加。因此，當鋰離子電池的溫度升高時，可能損害其響應(yīng)數(shù)字蜂窩式電話所需的脈沖電流的能力。
與之相似，鎳金屬氫化物蓄電池在低溫下可能提供比全額功率要低得多的功率(量級為少于儲能的40％)。因此，在溫度低至零度(℃)時，鎳金屬氫化物蓄電池的性能可能嚴重受損害，不能向數(shù)字蜂窩式電話供電。
下面參照圖3，該圖是根據(jù)本發(fā)明的混合式儲能系統(tǒng)的分解透視圖。該混合式系統(tǒng)50包含一電源封裝件，具有殼體基座52和殼體蓋板54。殼體基座52包含平底部分56和沿其延伸的4個側(cè)壁58、60、62、64。如下所述，平底部分和側(cè)壁適于嵌裝第一和第二儲能電源。
在殼體基座中配置有第一儲能電源66。第一儲能電源66是一或多個上述類型的蓄電池。這里所描述的第一儲能電源包含5個分立的電池單元68、70、72、74、76，彼此串聯(lián)并按本技術(shù)領(lǐng)域公知的方式按收縮包裝的形式封裝。可選擇地，對于特定應(yīng)用場合蓄電池元件可以并聯(lián)。還應(yīng)理解，雖然這里表示的是五個單元，但為了滿足特定應(yīng)用場合的功率需要可以采用其它數(shù)量的蓄電池。五個單元還裝有導(dǎo)電引線71、73，用于將各單元連接到接觸式組件88上，如下所述。
第二儲能電源80鄰近第一儲能電源66配置，其是一高功率儲能電源例如電化學(xué)電容器。由圖3可以看到，該電容器是扁平的(基本上為平面狀的)裝置。這樣一種電容器可以按照上述共同轉(zhuǎn)讓的專利申請中的一個工多個申請制造，這里引用它們，可供參考。電容器80包括第一和第二觸點82、84，用于電連接到蓄電池和電子裝置。提供一種基本上平面狀的能夠放出足夠的功率以滿足脈沖功率式通信裝置的要求的電化學(xué)電容器的能力對易于維持形狀因數(shù)是主要的；然而，電化學(xué)電容器的其它因素尺寸和形狀對使用也是同樣重要的。
上面參照圖1介紹了蓄電池和電容器電連接在一起，并連接到電子電路或組件上。電子裝置也可以包含用于將混合式儲能裝置電連接到負載的觸點。在這方面，電子裝置可以用接觸式組件88，例如接觸塊，多個分立的觸點，多個針式接觸件或者pogo針，或插入或接觸件。接觸式組件88通過在殼體基座和殼體蓋板中的一方或兩方中的開孔伸出。因此，殼體基座52包括開孔90，而殼體蓋板54包括開孔92。利用公知的技術(shù)例如扣鎖、粘接或超聲波焊接(僅列出幾種)將殼體蓋板固定殼體基座上，使第一和第二儲能電源封裝在殼體基座中。
負載(在這一實例中為便攜式通信裝置100，例如數(shù)字蜂窩式電話或雙向式無線電)鄰近裝置50配置。接觸式組件88將裝置50中的第一和第二儲能電源經(jīng)過負載上的觸點102連接到負載。
將在圖1-3中所示的裝置對比常規(guī)的鎳金屬氫化物(NiMH)電化學(xué)電池進行測試。其結(jié)果表示在圖4中，更確切地說，圖4表示將五個電池單元構(gòu)成的鎳金屬氫化物蓄電池與根據(jù)本發(fā)明的裝置在容量和阻抗兩方面與周期數(shù)的關(guān)系進行比較。按照恒定放電電流輸出達308周期對兩個裝置進行測試，在此之后測試數(shù)字GSM通信裝置的脈沖波形特性。
圖4中的上方兩條曲線表示對于兩種測試裝置的容量與周期數(shù)的關(guān)系，具體地說，本發(fā)明的混合式裝置以曲線110表示，而曲線112表示NiMH電池的特性。由對圖4的仔細分析可以認識到，對于NiMH裝置的容量急劇地下降，而混合式裝置的容量實際上有所改善。兩種裝置的阻抗特性同樣具有明顯的差別。具體地說，曲線114表示混合式裝置的阻抗明顯低于用曲線116表示的NiMH裝置的阻抗。因此從圖4可以認識到，如果一個裝置要滿足數(shù)字GSM裝置的高功率脈沖要求還有可利用的能量的話，NiMH裝置也是很小的。相反，混合式裝置對于相同的應(yīng)用場合明顯可持續(xù)更多的周期數(shù)。
下面參照圖5，圖中表示將標準的鎳金屬氫化物蓄電池與根據(jù)本發(fā)明的混合式裝置相對比的在電壓降與時間秒關(guān)系曲線方面驗證其差別的曲線。將每個裝置按照GSM工作周期例如參照圖2上面介紹的方式施加脈沖。由圖5可以認識到，以曲線120表示的標準鎳金屬氫化物蓄電池產(chǎn)生的電壓降明顯大于根據(jù)本發(fā)明的用曲線122表示的混合式裝置。因此可以認識到，如果或者是蓄電池或者是混合式裝置已經(jīng)運行在接近其安裝的蜂窩電話的截止電壓，如曲線120表示的大的電壓降將會引起通信裝置停機。對于廣大用戶這是一個不能接受的結(jié)果。
雖然，只對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了介紹，很明顯，本發(fā)明并不局限于此。在不脫離按照所提出的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的構(gòu)思和范圍的前提下，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以進行很多改進、變化和等效替換。
權(quán)利要求
1.一種混合式儲能系統(tǒng)，包含第一儲能裝置，由一種二次蓄電池構(gòu)成，用于提供基本恒定的功率輸出，該蓄電池是由如下構(gòu)成的組中選擇的，該組包含鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳金屬氫化物蓄電池、鋰離子蓄電池、鋰聚合物蓄電池、及它們的組合；第二儲能裝置，由高功率的電化學(xué)電容器裝置組成，用于提供高電壓輸出的斷續(xù)脈沖；以及輸出用電子裝置，電連接到所述第一和第二儲能裝置，用于調(diào)節(jié)輸出和將所述儲能裝置電連接到負載。
2.如權(quán)利要求1所述的混合式儲能系統(tǒng)，其中所述的負載是脈沖功率式通信裝置。
3.如權(quán)利要求2所述的混合式儲能系統(tǒng)，其中所述的脈沖功率式通信裝置需要至少5安培、頻率為10Hz、持續(xù)至少10毫秒的功率脈沖。
4.如權(quán)利要求2所述的混合式儲能系統(tǒng)，其中所述脈沖功率式通信裝置需要至少1.0安培、頻率為200Hz的持續(xù)至少0.56毫秒的功率脈沖。
5.如權(quán)利要求1所述的混合式儲能裝置，其中所述的電化學(xué)電容器包含第一和第二電極及其間的電解質(zhì)，以及其中至少一個所述電極是金屬氧化物電極，電解質(zhì)是質(zhì)子導(dǎo)電式電解質(zhì)。
6.如權(quán)利要求5所述的混合式儲能系統(tǒng)，其中所述第二電極是金屬氧化物電極。
7.如權(quán)利要求5所述的混合式儲能系統(tǒng)，其中所述的第二電極是導(dǎo)電的聚合物電極。
8.如權(quán)利要求1所述的混合式儲能系統(tǒng)，其中所述第一儲能裝置是鎳金屬氫化物蓄電池；所述第二儲能裝置是包含至少一個金屬氧化物電極的電化學(xué)電容器。
9.一種混合式儲能系統(tǒng)，用于脈沖功率式通信裝置，所述系統(tǒng)包含第一儲能裝置，其為一二次蓄電池，由如下構(gòu)成的組中選擇的一種或多種蓄電池構(gòu)成，該組包含鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳金屬氫化物蓄電池、鋰離子蓄電池、鋰聚合物蓄電池，用于提供基本恒定的功率輸出；第二儲能裝置，由電化學(xué)電容器構(gòu)成，其具有由金屬氧化物構(gòu)成的第一電極，由金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔飿?gòu)成的第二電極；以及置于所述電極之間的電解質(zhì)；所述第二儲能裝置提供5安培、頻率為10Hz、持續(xù)至少10毫秒的功率脈沖。
全文摘要
一種混合式儲能系統(tǒng)(10),包含例如為二次或可重新充電的蓄電池的第一儲能裝置以及例如為電化學(xué)電容器的第二儲能裝置。電化學(xué)電容器提供斷續(xù)的高能脈沖以滿足例如脈沖功率式通信裝置的供電要求。這些裝置通常需要超過常規(guī)蓄電池元件的功率脈沖,可以易于持續(xù)很多周期供電。第一和第二儲能裝置可連接到輸出用電子裝置,用以在向應(yīng)用裝置輸送之前調(diào)節(jié)裝置的輸出。
文檔編號H01M2/10GK1198257SQ96197286
公開日1998年11月4日 申請日期1996年9月20日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月27日
發(fā)明者喬治·托馬斯, 喬治娜·莫爾 申請人:摩托羅拉公司