专利名称：混合式储能系统的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及储能装置，特别是涉及可重新充电的混合式储能装置，其能用于便携式电子装置，提供高功率和具有高容量。
消费市场一直需求各种小型便携式多功能电子装置。这样一些装置的实例包含双向无线电广播接收机、光盘机(CD机)、蜂窝式电话，以及计算机装置，这里仅所列举几种。随着便携式电子装置不断小型化，对于向这些装置供电的小型化电源例如蓄电池的需求也在增加。很明显，可以制造专用于指定类型的电气装置的储能装置，例如电化学蓄电池，然而，在保证储能容量时的成本方面影响小巧性。因此，对于很多高功率应用场合，其电源显得太大，太重，或者不能长时间持续使用。
当一储能装置，例如蓄电池被放电，它就不能按照所需的量值提供电流。因此，即使蓄电池可以保存大量的电荷，它对于所连接的装置也是无用的。当蓄电池所连接的装置操作周期中需要高功率(例如电流脉冲)而在其它时间需要低得多的工作电流时，这一问题更会加重。当对于便携式通信装置例如数字式双向无线电蜂窝式电话处于发射工作方式时就会出现这种情况。这些功率脉冲或冲击明显高于当装置接收或处于备用方式时的电流输出。
随着蓄电池的外形尺寸的降低(以满足产品设计的尺寸要求)，蓄电池的容量降低。如果装置的使用者预先考虑到将远离蓄电池充电装置，为延长装置使用时间就需要很多蓄电池。或者，使用者需要携带便携式高速充电装置。然而，这是不合时宜的，因为充电装置会增加重量。
先有技术试图通过在应用装置中装设电解电容器来满足对高功率脉冲的要求。这样带来的缺点是明显增加应用装置的尺寸，因为电解电容器通常是很大的圆柱形装置。另外的试图方案介绍在授予Anani等人的5439756号美国专利中，其中提供一种电能存储装置。在该US 5439756号美国专利中公开的装置包含一蓄电池电极、电容器电极以及作为蓄电池和电容器两者电极的配对电极的第三电极。该装置还包含用于在蓄电池电极和电容器电极之间转换该第三电极的电子装置。
因此，需要一种电源，其能对于某些装置所需的高功率脉冲提供足够的电压，同时，延长电源的使用寿命。这种装置应相对小，其尺寸和形状都能适合于指定的应用场合。
图1是根据本发明的混合式储能装置的电路图；图2是说明在便携式数字通信装置的工作周期中经历的功率需求的示意图；图3是根据本发明的混合式储能装置的分解透视图；图4是将常规蓄电池与根据本发明的储能装置相比较的一系列放电曲线图；图5是将常规蓄电池与根据本发明的储能装置的电压降相比较的曲线图。
虽然，本说明书以限定看作为本发明的新颖性特征的权利要求结束，但确信通过结合附图根据如下的介绍将会能更好地理解本发明。其中，相同的标号表示同一部件。
下面参照图1，该图中表示根据本发明的储能装置10的电路示意图。装置10包含第一储能电源12，其具有高的储能密度和长的使用能力，但是可能不能提供某些应用场合所需的高功率。因此，第一储能电源12可以是一个或多个常规的蓄电池单元，其实例包含但不局限于铅酸蓄电池、镍镉蓄电池，镍一金属氢化物蓄电池，锂离子蓄电池、锂聚合物蓄电池、锂离子聚合物电解蓄电池、锌空气蓄电池，和它们的组合。另外，该蓄电池单元或单元组也可以用一次电池，例如常规的碱性蓄电池。该蓄电池单元或单元组配置在一电池封装件中例如在图3中所示。
图1中还表示与第一储能电源12相并连的第二储能电源14。第二储能电源可以产生高功率的脉冲，因为对于特定应用场合可能需要。因此，第二储能电源14最好是电化学电容器。该电化学电容器装置通常包含至少一个由金属氧化物例如RuO2制成的电极。第二电极可以由相似或不同的金属氧化物构成，或者完全由另一种类型的材料构成。在这方面，第二电极可以由聚合物例如聚缩苯胺(polyanile)、聚吡咯、聚氨酯、polyacrylantrim、聚丙烯酰胺以及它们的组合构成。一方或两方电极可以由此碳为基质的材料制成。电解质可以是碱性的或质子导电的。
在一优选实施例中，该电容器是一种薄型器件，包括第一电极，第二电极和置于其间的电解质。在一优选实施例中，可以按照如下的一个或多个美国专利申请中介绍的内容制造该电容器，这些美国专利申请有Bai等人的08/415976号申请，题为“电化学电容器及其制造方法”；Bai等人的08/414816号申请，题为“恒定电压放电的电化学电荷存储装置”；Bai等人的08/513648号申请，题为“具有固态聚合物电解质和不对称无机材料电极的电化学电池”；Howard等人的08/340957号申请，题为“聚合物胶质电解质和利用该电解质的电化学电容器装置”；Haward的08/505427号申请，题为“用于储能装置的导电聚合物电极及其制造方法”；Li等人的08/358294号申请，题为“电极材料和利用该电极的电化学装置”；Li等人的08/396991号申请，题为“用于电化学电池的改进电解质”；Li等人的08/498450号申请，题为“用于储能装置的聚合物电极和其制造方法”；Lian等人的08/297074号申请，题为“用于水性电化学装置的非晶态钴合金电极”；以及还有授予Lian等人的5429895号美国专利，题为“用于电化学装置的镍合金电极”；这里引用它们，可供参考。
适用于调节第一和第二储能电源输出的电子电路装置16电连接到第一和第二储能电源输出端。相应地，电路装置16可以包含但不局限于DC-DC变换器，升压式电压变换器、降压式电压变换器、开关、二极管、微处理器以及它们的组合。其它的电子电路和/或装置由本领域普通技术人员提出设计。另外，电路装置16可以设有保护装置，以保证当连接到负载例如负载20上时不会发生短路。在这方面，电路可以包括二极管、晶体管或开关。
第二电子电路装置或组件18(按虚线部分表示)可选择配置在第一和第二储能电源之间。设立电路装置18用于电路上将第一储能电源和第二储能电源断开。在某些情况下例如当第二储能电源是电容器以及该电容器具有高的泄漏电流时这一点可能是需要的。在这种解决方案中，第一储能电源例如蓄电池即使当储能装置10未使用时将会连续向电容器放电。因此，存储在装置10中的能量可能产生明显的自放电。因此，当装置10未连接到负载20上时，电路装置18可以将第一和第二储能装置断开。因此，电路装置18可以是一或多个二极管，晶体管、开关、MOSFET以及它们的组合。
正如上面所指出的，与高功率冲击或尖峰相关的问题在需要短暂的断续出现的高功率量值的装置中特别频繁地遇到。脉冲功率式通信装置，例如数字式蜂窝电话、双向无线电装置以及回话式传呼机全都对与之相关的储能电源有这样的要求。因此，在这里所说的负载20是指需要高功率脉冲的装置，例如为上述那些应用装置。其它的实例包含需要脉冲功率的各种高功率工具，例如起动旋转的钻头，或起动磁盘磁动器或背景光显示的个人计算机。在这些装置中的脉冲更是短暂的，不均匀的，在数字通信中为重复发生的脉冲。
在通信领域高功率冲击的问题已经变得日益严重，这是由于数字通信的出现，其中某些通信应用装置按照10赫的频率出现的5安量级的功率脉冲，持续时间相对长，例如高达20毫秒。其它的通信系统例如GSM(通用移动通信系统)具有相对窄的脉冲和较低的电流，但是按照较高的频率(200赫量级)出现。例如，图2表示在数字蜂窝式电话的工作周期内的功率消耗情况。更确切地说，图2表示的曲线图其中表示沿S轴代表的时间与沿Y轴代表的以安为单位的电流之间的关系。对于在图2中所表示的GSM电话的工作周期长约5.1毫秒。在工作周期内，在6伏电源下峰值脉冲电流约1.42安，持续约0.5毫秒。在工作周期的平衡期(balance)内，所示的平均电流约0.22安，要求持续4.6毫秒。整个工作周期出现的频率超过200赫，特别是217赫。在图2中的曲线30表示工作周期，由点32和34具体限定。更确切地说，点32是工作周期起始点，与第一周期中电流周期的起始同时出现。点34是第一周期的终点，与下一个工作周期的电流脉冲的起始同时出现。
如在图2中所示，脉冲电流的影响在某些极端的条件下更为严重。例如某些类型的蓄电池例如锂离子蓄电池由于过热会产生有害影响。确切地说，当装置持续处在升高的温度下时，电子装置的串联电阻(ESR)明显增加。因此，当锂离子电池的温度升高时，可能损害其响应数字蜂窝式电话所需的脉冲电流的能力。
与之相似，镍金属氢化物蓄电池在低温下可能提供比全额功率要低得多的功率(量级为少于储能的40％)。因此，在温度低至零度(℃)时，镍金属氢化物蓄电池的性能可能严重受损害，不能向数字蜂窝式电话供电。
下面参照图3，该图是根据本发明的混合式储能系统的分解透视图。该混合式系统50包含一电源封装件，具有壳体基座52和壳体盖板54。壳体基座52包含平底部分56和沿其延伸的4个侧壁58、60、62、64。如下所述，平底部分和侧壁适于嵌装第一和第二储能电源。
在壳体基座中配置有第一储能电源66。第一储能电源66是一或多个上述类型的蓄电池。这里所描述的第一储能电源包含5个分立的电池单元68、70、72、74、76，彼此串联并按本技术领域公知的方式按收缩包装的形式封装。可选择地，对于特定应用场合蓄电池元件可以并联。还应理解，虽然这里表示的是五个单元，但为了满足特定应用场合的功率需要可以采用其它数量的蓄电池。五个单元还装有导电引线71、73，用于将各单元连接到接触式组件88上，如下所述。
第二储能电源80邻近第一储能电源66配置，其是一高功率储能电源例如电化学电容器。由图3可以看到，该电容器是扁平的(基本上为平面状的)装置。这样一种电容器可以按照上述共同转让的专利申请中的一个工多个申请制造，这里引用它们，可供参考。电容器80包括第一和第二触点82、84，用于电连接到蓄电池和电子装置。提供一种基本上平面状的能够放出足够的功率以满足脉冲功率式通信装置的要求的电化学电容器的能力对易于维持形状因数是主要的；然而，电化学电容器的其它因素尺寸和形状对使用也是同样重要的。
上面参照图1介绍了蓄电池和电容器电连接在一起，并连接到电子电路或组件上。电子装置也可以包含用于将混合式储能装置电连接到负载的触点。在这方面，电子装置可以用接触式组件88，例如接触块，多个分立的触点，多个针式接触件或者pogo针，或插入或接触件。接触式组件88通过在壳体基座和壳体盖板中的一方或两方中的开孔伸出。因此，壳体基座52包括开孔90，而壳体盖板54包括开孔92。利用公知的技术例如扣锁、粘接或超声波焊接(仅列出几种)将壳体盖板固定壳体基座上，使第一和第二储能电源封装在壳体基座中。
负载(在这一实例中为便携式通信装置100，例如数字蜂窝式电话或双向式无线电)邻近装置50配置。接触式组件88将装置50中的第一和第二储能电源经过负载上的触点102连接到负载。
将在图1-3中所示的装置对比常规的镍金属氢化物(NiMH)电化学电池进行测试。其结果表示在图4中，更确切地说，图4表示将五个电池单元构成的镍金属氢化物蓄电池与根据本发明的装置在容量和阻抗两方面与周期数的关系进行比较。按照恒定放电电流输出达308周期对两个装置进行测试，在此之后测试数字GSM通信装置的脉冲波形特性。
图4中的上方两条曲线表示对于两种测试装置的容量与周期数的关系，具体地说，本发明的混合式装置以曲线110表示，而曲线112表示NiMH电池的特性。由对图4的仔细分析可以认识到，对于NiMH装置的容量急剧地下降，而混合式装置的容量实际上有所改善。两种装置的阻抗特性同样具有明显的差别。具体地说，曲线114表示混合式装置的阻抗明显低于用曲线116表示的NiMH装置的阻抗。因此从图4可以认识到，如果一个装置要满足数字GSM装置的高功率脉冲要求还有可利用的能量的话，NiMH装置也是很小的。相反，混合式装置对于相同的应用场合明显可持续更多的周期数。
下面参照图5，图中表示将标准的镍金属氢化物蓄电池与根据本发明的混合式装置相对比的在电压降与时间秒关系曲线方面验证其差别的曲线。将每个装置按照GSM工作周期例如参照图2上面介绍的方式施加脉冲。由图5可以认识到，以曲线120表示的标准镍金属氢化物蓄电池产生的电压降明显大于根据本发明的用曲线122表示的混合式装置。因此可以认识到，如果或者是蓄电池或者是混合式装置已经运行在接近其安装的蜂窝电话的截止电压，如曲线120表示的大的电压降将会引起通信装置停机。对于广大用户这是一个不能接受的结果。
虽然，只对本发明的优选实施例进行了介绍，很明显，本发明并不局限于此。在不脱离按照所提出的权利要求所限定的本发明的构思和范围的前提下，本技术领域的技术人员可以进行很多改进、变化和等效替换。
权利要求
1.一种混合式储能系统，包含第一储能装置，由一种二次蓄电池构成，用于提供基本恒定的功率输出，该蓄电池是由如下构成的组中选择的，该组包含铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍金属氢化物蓄电池、锂离子蓄电池、锂聚合物蓄电池、及它们的组合；第二储能装置，由高功率的电化学电容器装置组成，用于提供高电压输出的断续脉冲；以及输出用电子装置，电连接到所述第一和第二储能装置，用于调节输出和将所述储能装置电连接到负载。
2.如权利要求1所述的混合式储能系统，其中所述的负载是脉冲功率式通信装置。
3.如权利要求2所述的混合式储能系统，其中所述的脉冲功率式通信装置需要至少5安培、频率为10Hz、持续至少10毫秒的功率脉冲。
4.如权利要求2所述的混合式储能系统，其中所述脉冲功率式通信装置需要至少1.0安培、频率为200Hz的持续至少0.56毫秒的功率脉冲。
5.如权利要求1所述的混合式储能装置，其中所述的电化学电容器包含第一和第二电极及其间的电解质，以及其中至少一个所述电极是金属氧化物电极，电解质是质子导电式电解质。
6.如权利要求5所述的混合式储能系统，其中所述第二电极是金属氧化物电极。
7.如权利要求5所述的混合式储能系统，其中所述的第二电极是导电的聚合物电极。
8.如权利要求1所述的混合式储能系统，其中所述第一储能装置是镍金属氢化物蓄电池；所述第二储能装置是包含至少一个金属氧化物电极的电化学电容器。
9.一种混合式储能系统，用于脉冲功率式通信装置，所述系统包含第一储能装置，其为一二次蓄电池，由如下构成的组中选择的一种或多种蓄电池构成，该组包含铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍金属氢化物蓄电池、锂离子蓄电池、锂聚合物蓄电池，用于提供基本恒定的功率输出；第二储能装置，由电化学电容器构成，其具有由金属氧化物构成的第一电极，由金属氧化物或导电聚合物构成的第二电极；以及置于所述电极之间的电解质；所述第二储能装置提供5安培、频率为10Hz、持续至少10毫秒的功率脉冲。
全文摘要
一种混合式储能系统(10),包含例如为二次或可重新充电的蓄电池的第一储能装置以及例如为电化学电容器的第二储能装置。电化学电容器提供断续的高能脉冲以满足例如脉冲功率式通信装置的供电要求。这些装置通常需要超过常规蓄电池元件的功率脉冲,可以易于持续很多周期供电。第一和第二储能装置可连接到输出用电子装置,用以在向应用装置输送之前调节装置的输出。
文档编号H01M2/10GK1198257SQ96197286
公开日1998年11月4日 申请日期1996年9月20日 优先权日1995年9月27日
发明者乔治·托马斯, 乔治娜·莫尔 申请人:摩托罗拉公司