JPH11512866A - ハイブリッド・エネルギ蓄積システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 二次バッテリまたは再充電可能なバッテリなどの第１エネルギ蓄積デバイス１２と、電気化学コンデンサなどの第２エネルギ蓄積デバイス１４とを含むハイブリッド・エネルギ蓄積システム１０を提供する。電気化学コンデンサは、例えば、パルス電力通信装置の電力条件を満たすために、間欠的なエネルギ・バーストを供給する。一般に、このような装置は、従来のバッテリ・セルが多くのサイクルで容易に供給できる以上の電力パルスを必要とする。第１および第２エネルギ蓄積デバイスは、デバイスの出力をアプリケーション装置に供給する前にデバイスの出力を調整する出力エレクトロニクスに結合してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】 ハイブリッド・エネルギ蓄積システム 技術分野 本発明は、一般にエネルギ蓄積デバイスに関し、さらに詳しくは、携帯電子装 置用に高電力および高容量を提供するハイブリッド再充電可能エネルギ蓄積デバ イスに関する。 発明の背景 消費者市場は、より多くの機能を有する小型・携帯電子装置を要求しつづけて いる。このような装置の例には、双方向および放送無線受信機，コンパクト・デ ィスク・プレーヤ，セルラ電話およびコンピュータ装置がある。携帯電子装置の 小型化が進むにつれて、この装置に給電するより小型のエネルギ源への需要が高 まっている。明らかに、電気化学バッテリ・セルなどの極めて小さいエネルギ蓄 積デバイスは電気装置用に作製できるかもしれないが、小型化にはエネルギ容量 の犠牲が伴う。そのため、多くの高電力用途では、エネルギ源は大きすぎるか、 重過ぎるか、あるいは十分に長持ちしない。 バッテリなどのエネルギ蓄積デバイスが放電すると、必 要なレベルで電流を供給できなくなる。従って、バッテリは十分な電荷を保持す るかもしれないが、このバッテリが装着されるデバイスにとって役に立たない。 この問題は、バッテリが装着されるデバイスが、本来はるかに低い動作電流しか 必要としないが、動作サイクルにおいて高電力（すなわち、電流パルス）を必要 とする場合に悪化する。これは、送信モード時におけるデジタル双方向無線装置 やセルラ電話などの携帯通信装置に該当する。これらの電力パルスまたはスパイ クは、装置の受信時またはスタンバイ・モード時よりも大幅に高い電流出力を必 要とする。 （製品設計者の寸法条件を満たすために）バッテリの物理的寸法が小さくなる につれて、バッテリの容量は低下する。その結果、装置利用者はバッテリ充電装 置から長時間離れる場合には多くのバッテリを必要とする。あるいは、利用者は 携帯可能な高速充電装置を持ち運んでもよい。しかし、これは充電装置に伴う追 加重量のために望ましくない）。 高電力スパイクに対処する従来の試みでは、アプリケーション装置において電 解質コンデンサ(electrolytic capacitor)を設けた。これには、電解質コンデン サは一般に非常に大きい円筒形のデバイスであるために、アプリケーション・デ バイスの寸法を大幅に大きくするという欠点があった。他の試みについては、An aiらによる米国特許第５，４３９，７５６号（以下「’７５６」とする。）に おいて説明されており、ここで電気エネルギ蓄積デバイスが提供される。’７５ ６号特許で開示されるデバイスは、バッテリ電極と、コンデンサ電極と、バッテ リ電極およびコンデンサ電極の両方の対電極(counter electrode)としての第３ 電極とを含む。また、このデバイスは、第３電極をバッテリ電極とコンデンサ電 極との間で切り替えるエレクトロニクスを含む。 従って、エネルギ源の有効寿命を延長しつつ、特定の装置に必要とされる高電 力パルス用の十分な電圧を供給できるエネルギ源が必要とされる。このような装 置は、比較的小さく、かつ特定の用途のために簡単に寸法および形状を決めるこ とができるものとする。 図面の簡単な説明 第１図は、本発明によるハイブリッド・エネルギ蓄積デバイスの回路図である 。 第２図は、携帯デジタル通信装置のデューティ・サイクル中に生じる電力条件 を示すチャートである。 第３図は、本発明によるハイブリッド・エネルギ蓄積デバイスの分解斜視図で ある。 第４図は、標準的なバッテリを本発明によるエネルギ蓄積デバイスと比較する 一連の放電曲線である。 第５図は、標準的なバッテリと本発明によるエネルギ蓄 積デバイスの電圧降下を比較するチャートである。 好適な実施例の詳細な説明 本明細書の最後で、新規と考えられる発明の特徴を明記する請求項を記載する が、本発明は図面とともに以下の説明から理解を深めることができよう。ただし 、同様な参照番号は図面を通じて用いられる。 ここで第１図を参照して、本発明によるエネルギ蓄積デバイス１０の回路図を 示す。デバイス１０は、高エネルギ密度および長い容量を有するが、特定の用途 で必要とされる高電力を供給できない第１エネルギ源１２を含む。そのため、第 １エネルギ源１２は、一つまたはそれ以上の従来のバッテリ・セルでもよく、そ の例には鉛酸バッテリ，ニッケル・カドミウム・バッテリ，ニッケル金属水素化 物バッテリ、リチウム・イオン・バッテリ，リチウム・ポリマ・バッテリ，リチ ウム・イオン・ポリマ電解質バッテリ，亜鉛空気電池(zinc air battery)および それらの組み合わせが含まれるが、それらに制限されない。バッテリ・セルは従 来のアルカリ・バッテリなどの一次バッテリでもよい。バッテリ・セルは、第３ 図に示すようなバッテリ・パック内に設けられる。 また、デバイス１０は、第１エネルギ源１２と並列に電気接続されるものが第 ２エネルギ源１４であることを示す。 第２エネルギ源は、特定の用途で必要とされるような高電力のバーストを供給で きる。そのため、第２エネルギ源１４は、好ましくは、電気化学コンデンサであ る。電気化学コンデンサ・デバイスは、一般に、ＲｕＯ₂などの金属酸化物材料 からなる少なくとも一つの電極を含む。また、第２電極は、同様なまたは異なる 金属酸化物でもよく、あるいはまったく別の種類の材料でもよい。この点、第２ 電極はポリアニル(polyanile)，ポリピロール(polypyrrole)，ポリウレタン，ポ リアクリルアントリム(polyacrylantrim(??))，ポリアクリロミド(polyacrylomi de)およびそれらの組み合わせなどのポリマでもよい。一方または両方の電極は 、炭素系材料から作製してもよい。電解質は、アルカリまたはプロトン導通でも よい。 好適な実施例では、コンデンサは第１電極と、第２電極と、それらの間に設け られた電解質とを含む薄いデバイスである。好適な実施例では、コンデンサは、 Ｂaiらによる米国特許出願第０８／４１５，９７６号"Ｅlectrochemical Ｃapac itor and Ｍethod of Ｍaking Ｓame"；Ｂaiらによる米国特許出願第０８／４１ ４，８１６号"Ｅlectrochemical Ｃharge Ｓtorage Ｄevice Ｈaving Ｃonstant Ｖoltage Ｄischarge"；Ｂaiらによる米国特許出願第０８／５１３，６４８号" Ｅlectrochemical Ｃell Ｈaving Ｓolid Ｐolymer Ｅlectrolyte and Ａsymmetrical Ｉnorganic Ｅlectrodes"；Ｈowardらによる米国特許出願第０８ ／３４０，９５７号"Ｐolymer Ｇel Ｅlectrolyte and Ｅlectrochemical Ｃapa citor Ｄevice Ｕsing Ｓame"；Ｈowardによる米国特許出願第０８／５０５，４ ２７号"Ｃonducting Ｐolymer Ｅlectrodes for Ｅnergy Ｓtorage Ｄevices an d Ｍethod of Ｍaking Ｓame"；Ｌiらによる米国特許出願第０８／３５８，２９ ４号"Ｅlectrode Ｍaterial and Ｅlectrochemical Ｄevices Ｕsing Ｓame"； Ｌiらによる米国特許出願第０８／３９６，９９１号"Ｍodified Ｅlectrolyte f or Ｅlectrochemical Ｃells"；Ｌiらによる米国特許出願第０８／４９８，４５ ０号"Ｐolymer Ｅlectrodes for Ｅnergy Ｓtorage Ｄevices and Ｍethod of Ｍaking Ｓame"；Ｌianらによる米国特許出願第０８／２９７，０７４号"Ａmorp hous Ｃobalt Ａlloy electrodes for Ａqueous Ｅlectrochemical Ｄevices"； およびＬianらによる米国特許第５，４２９，８９５号"Ｎickel Ａlloy Ｅlectr odes for Ｅlectrochemical Ｄevices"のうちの一つまたは以上のもので開示さ れるように作製でき、これらの開示は本明細書に参考として含まれる。 第１および第２エネルギ源の出力に電気接続されるのは、第１および第２エネ ルギ源の出力を調整するように適応された電子回路１６である。従って、回路１ ６は、ＤＣ／Ｄ Ｃコンバータ，昇圧コンバータ(voltage step-up convertcr)，降圧コンバータ( voltage step-down converter)，スイッチ，ダイオード，マイクロプロセッサお よびそれらの組み合わせを含んでもよいが、それらに制限されない。他の電子回 路および／またはデバイスは、当業者に自明であろう。あるいは、回路１６は安 全性を提供し、負荷２０などの負荷に接続されるときに短絡がないようにできる 。この点について、この回路はダイオード，トランジスタまたはスイッチを含ん でもよい。 第１エネルギ源と第２エネルギ源との間には、任意で第２電子回路または部品 １８（点線部）が設けられる。回路１８は、第１エネルギ源を第２エネルギ源か ら電気的に切り離すために設けられる。これは、第２エネルギ源がコンデンサで あり、このコンデンサが高い漏れ電流を有する場合のように、特定の状況で望ま しいことがある。このような状況では、バッテリなどの第１エネルギ源は、エネ ルギ蓄積デバイス１０が使用中でないときにも、コンデンサを連続的に再充電す る。そのため、デバイス１０に蓄積されるエネルギはかなりの自己放電が生じる ことがある。従って、回路１８は、デバイス１０が負荷２０に接続されないとき に、第１および第２エネルギ源を切り離すことができる。よって、回路１８はダ イオード，トランジスタ，スイッチ，ＭＯＳＦＥＴまたはそれらの組み合わせで もよい。 上記のように、高電力スパイクまたはピークによって生 じる問題は、短い間欠的な高電力レベルを必要とするデバイスにおいて最も頻繁 に見られる。デジタル・セルラ電話，双方向無線装置およびトークバック・ペー ジャなどのパルス電力通信装置(pulsed power communication devices)は、いず れも関連エネルギ源についてこのような要求を行う。従って、本明細書で考察さ れる負荷２０は、上記の用途のように高電力スパイクを必要とする装置である。 他の例には、例えば、ドリル・ビットの回転を開始するために電力のバーストを 必要とする電動工具や、ディスク・ドライブまたはディスプレイ・バックライト を開始するパーソナル・コンピュータが含まれる。これらの装置におけるパルス はより遷移的であり、またデジタル通信において生じる均一で反復的なパルスで はない。 通信分野では、デジタル通信の登場以来、電力スパイク問題は深刻になってお り、特定の通信用途では、最大２０ミリ秒という比較的長い期間、１０Ｈｚ周波 数で、５アンペア台の電力パルスを必要とする。ＧＳＭ(Ｇeneral Ｓystems Ｍo bile)などの他の通信システムは、比較的狭いパルスおよび低い電力を必要とす るが、２００Ｈｚ台のより高い周波数で適用される。例えば、第２図は、例えば 、デジタル・セルラ電話のデューティ・サイクル中の電力消費を示す。具体的に は、第２図は、Ｘ軸に時間を表し、Ｙ軸にアンペア単位の電流を表すチャートを 示す。第２図に示すＧＳＭ電話のデューティ・サイクルは、約５．１ミリ 秒（ｍｓｅｃ）の長さである。デューティ・サイクル中に、６ボルトにて約１． ４２アンペアのピーク・バースト電流があり、これは約０．５（ｍｓｅｃ）だけ 必要とされる。デューティ・サイクルの平衡中に、平均電流は約０．２２アンペ アである。これは、４．６（ｍｓｅｃ）だけ必要とされる。デューティ・サイク ル全体の周波数は２００Ｈｚ以上であり、具体的には２１７Ｈｚである。第２図 におけるライン３０はデューティ・サイクルを表し、これは具体的に点３２，３ ４によって識別される。より詳しくは、点３２はデューティ・サイクルが開始す る点であり、第１サイクルの電流期間の開始と一致する。点３４は、第１サイク ルの終点であり、次のデューティ・サイクルの電流パルスの開始と一致する。 第２図に示すように、パルス電流の影響は、特定の極限状態においてより深刻 になる。例えば、リチウム・イオン・バッテリなどの特定の種類のバッテリは、 過剰な熱によって悪影響を受ける。特に、装置を高温で維持すると、電子直列抵 抗（ＥＳＲ：electronic series resistance）が大幅に増加する。そのため、リ チウム・イオン・セルの温度が高くなると、デジタル・セルラ電話で必要とされ るバースト電流に応答する能力が損なわれることがある 同様に、ニッケル金属水素化物バッテリは、低温ではフルパワーよりもかなり 低い電力（蓄積エネルギの４０％以下）しか提供できない。従って、０ＱＱＱＣ ほどの低い温 度では、ニッケル金属水素化物バッテリの性能は著しく損なわれるため、デジタ ル・セルラ電話に給電できない。 ここで第３図を参照して、本発明によるハイブリッド・エネルギ蓄積システム の分解斜視図を示す。ハイブリッド・システム５０は、ハウジング・ベース５２ とハウジング・カバー５４とを有するパワー・パックからなる。ハウジング・ベ ース５２は、平坦な底部５６と、そこから延在する４つの側壁５８，６０，６２ ，６４とを含む。この平坦な底部および側壁は、以下で説明するように第１およ び第２エネルギ源を嵌合するように適応される。 ハウジング・ベース内には、第１エネルギ源６６が配置される。第１エネルギ 源６６は、上記の種類の一つまたはそれ以上のバッテリである。図示のように、 第１エネルギ源は、当技術分野で周知なように直列に電気接続され、かつシュリ ンク・ラップにパッケージングされた５つの離散的なセル６８，７０，７２，７ ４，７６によって構成される。あるいは、バッテリは特定の用途用に並列に接続 してもよい。なお、５つのセルを示したが、特定の用途の電力用件に対処するた めに任意の数のバッテリを利用できることが理解される。また、５つのセルには 、以下で説明するようにセルをコンタクト・アセンブリ８８に結合するための導 電性リード７１，７３が設けられる。 第１エネルギ源６６に隣接して設けられるのは、第２エネルギ源８０であり、 これは電気化学コンデンサなどの高 電力エネルギ源である。第３図からわかるように、コンデンサは平坦で、実質的 に平面的なデバイスである。このようなコンデンサ・デバイスは、上記の共通に 譲渡された特許出願のうちの一つまたはそれ以上のものに基づいて作製すること ができ、これらの特許出願の開示は本明細書に参考として含まれる。コンデンサ ８０は、バッテリおよびエレクトロニクスに電気結合するための第１および第２ コンタクト８２，８４を含む。パルス電力通信装置の必要性を満たすために十分 な電力を放電できる実質的に平面的な電気化学コンデンサ・デバイスを提供でき ることは、フォーム・ファクタを容易に維持するために不可欠であるが、電気化 学コンデンサの他の寸法および形状も同様に機能する。 バッテリおよびコンデンサは、第１図で説明したように、互いに電気結合され 、かつ電子回路または部品にも結合される。エレクトロニクスは、ハイブリッド ・エネルギ蓄積デバイスを負荷に電気結合するためのコンタクトをさらに含んで もよい。この点について、エレクトロニクスは、例えば、コンタクト・ブロック ，複数の離散的なコンタクト，複数のコンタクト・ピンまたはポゴ・ピン(pogo pins)もしくはコンタクト・プラグなど、コンタクト・アセンブリ８８の一部で もよい。コンタクト・アセンブリ８８は、ハウジング・ベースおよびハウジング ・カバーのうちの一方または両方の開口部から突出する。従って、ハウジング・ ベース５２は開口部９０を含み、ハウジング・カバー５４ は開口部９２を含む。第１および第２エネルギ源は、ハウジング・カバーによっ てハウジング・ベース内に収容され、ハウジング・カバーは、例えば、インタロ ック用スナップ，接着剤または超音波溶接などの周知な方法によってハウジング ・ベースに固定される。 デバイス５０に隣接して配置されるのは負荷であり、この場合、デジタル・セ ルラ電話または双方向無線装置などの携帯通信装置１００である。コンタクト・ アセンブリ８８は、デバイス５０の第１および第２エネルギ源を負荷のコンタク ト１０２を介して負荷に電気接続する。 第１図ないし第３図に示すデバイスについて、従来のニッケル金属水素化物（ ＮｉＭＨ）電気化学セルで試験を行った。その結果を第４図に示す。具体的には 、第４図は、５セルのニッケル金属水素化物および本発明によるデバイスについ て、サイクル数に対する容量およびインピーダンスの両方を比較する。両方のデ バイスは、３０８サイクルまで一定の電流放電で試験し、それ以降は、デジタル ＧＳＭ通信装置のパルス分布特性を適用した。 第４図の上から２つの曲線は、２つの被験デバイスについてサイクル数に対す る容量を示し、具体的には、本発明のハイブリッド・デバイスはライン１１０に よって表され、ライン１１２はＮｉＭＨバッテリのみの性能を示す。第４図から わかるように、ＮｉＭＨデバイスの容量は著しく低下するが、ハイブリッド・デ バイスの容量は実際に改善す る。２つのデバイスのインピーダンス特性も、同様に著しい相違を示す。具体的 には、ライン１１４は、ハイブリッド・デバイスのインピーダンスがライン１１ ６によって示されるＮｉＭＨデバイスのインピーダンスよりも実質的に低いこと を示す。よって、第４図から、ＮｉＭＨデバイスでは、デジタルＧＳＭ装置の高 電力パルス条件を有するデバイスによって利用可能なエネルギはほとんど残って いないことがわかる。逆に、ハイブリッド・デバイスは、同じ用途で実質的に多 くのサイクル数を提供することが明白である。 ここで第５図を参照して、標準的なニッケル金属水素化物と本発明によるハイ ブリッド・デバイスについて、時間に対する電圧降下の差を実証するチャートを 示す。各デバイスは、第２図で示したようなＧＳＭデューティ・サイクルに基づ いてパルスを取った。第５図から、ライン１２０で示される標準的なニッケル金 属水素化物バッテリに生じる電圧降下は、ライン１２２で示される本発明による ハイブリッド・デバイスよりも著しく大きいことがわかる。従って、バッテリで あれ、ハイブリッド・デバイスであれ、エネルギ蓄積デバイスが装着されたセル ラ電話のカットオフ電圧付近ですでに動作中の場合には、ライン１２０で示され るような大きな電圧降下により、通信装置は動作停止してしまう。これはほとん どの利用者にとって許容できない。 以上、本発明の好適な実施例について図説したが、本発明はそれに制限されな いことは明白である。多くの修正，変更，変形，代替および同等は、請求の範囲 で明記される本発明の精神および範囲から逸脱せずに、当業者に想起される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ハイブリッド・エネルギ蓄積システムであって： １アンペア以下の一定の電流出力を供給するために、鉛酸バッテリ，ニッケル ・カドミウム・バッテリ，ニッケル金属水素化物バッテリ、リチウム・イオン・ バッテリ，リチウム・ポリマ・バッテリおよびそれらの組み合わせからなるグル ープから選択される二次バッテリからなる第１エネルギ蓄積デバイス； １アンペアよりも大きい電流の間欠的なバーストを供給するために、電気化学 コンデンサ・デバイスからなる第２エネルギ蓄積デバイス；および 前記第１および第２エネルギ蓄積デバイスに電気結合され、前記第１および第 ２エネルギ蓄積デバイスの出力を調整し、かつ前記エネルギ蓄積デバイスを負荷 に電気結合する出力エレクトロニクス； によって構成されることを特徴とするハイブリッド・エネルギ蓄積システム。 ２．前記エネルギ蓄積システムは負荷に結合され、前記負荷はパルス電力通信 装置であることを特徴とする請求項１記載のハイブリッド・エネルギ蓄積システ ム。 ３．前記パルス電力通信装置は、少なくとも１０ミリ秒および１０Ｈｚの周波 数で、少なくとも５アンペアの電力パルスを必要とすることを特徴とする請求項 ２記載のハイ ブリッド・エネルギ蓄積システム。 ４．前記パルス電力通信装置は、少なくとも０．５６ミリ秒および２００Ｈｚ の周波数で、少なくとも１．０アンペアの電力パルスを必要とすることを特徴と する請求項２記載のハイブリッド・エネルギ蓄積システム。 ５．前記電気化学コンデンサは、第１電極と、第２電極と、これらの電極の間 に設けられた電解質とによって構成され、前記電極のうちの少なくとも一つは金 属酸化物電極であり、前記電解質はプロトン導通電解質であることを特徴とする 請求項１記載のハイブリッド・エネルギ蓄積システム。 ６．前記第２電極は、金属酸化物電極であることを特徴とする請求項５記載の ハイブリッド・エネルギ蓄積システム。 ７．前記第２電極は、導通ポリマ電極であることを特徴とする請求項５記載の ハイブリッド・エネルギ蓄積システム。 ８．パルス電力通信装置用のハイブリッド・エネルギ蓄積システムであって： １アンペア以下の一定の電流出力を供給するために、鉛酸バッテリ，ニッケル ・カドミウム・バッテリ，ニッケル金属水素化物バッテリ、リチウム・イオン・ バッテリ，リチウム・ポリマ・バッテリおよびそれらの組み合わせからなるグル ープから選択される二次バッテリからなる第１エ ネルギ蓄積デバイス；および 少なくとも１０ミリ秒および１０Ｈｚの周波数で、少なくとも５アンペアの電 流パルスを供給するために、実質的に平面的な電気化学コンデンサ・デバイスか らなる第２エネルギ蓄積デバイス； によって構成されることを特徴とするハイブリッド・エネルギ蓄積システム。 ９．パルス電力通信装置用のハイブリッド・エネルギ蓄積システムであって、 前記システムは、実質的に一定の電流出力を供給するために、鉛酸バッテリ，ニ ッケル・カドミウム・バッテリ，ニッケル金属水素化物バッテリ、リチウム・イ オン・バッテリ，リチウム・ポリマ・バッテリおよびそれらの組み合わせからな るグループから選択される二次バッテリからなる第１エネルギ蓄積デバイスと、 金属酸化物から作製される第１電極，金属酸化物または導通ポリマのいずれかか ら作製される第２電極および前記電極間に設けられる電解質を有する電気化学コ ンデンサからなる第２エネルギ蓄積デバイスであって、前記第２エネルギ蓄積デ バイスは、少なくとも１０ミリ秒および１０Ｈｚの周波数で、５アンペアの電力 パルスを供給する第２エネルギ蓄積デバイスとによって構成されることを特徴と するパルス電力通信装置用のハイブリッド・エネルギ蓄積システム。