(57)【要約】外部電力消費ユニットに電力を供給するのに適しているバッテリに代替負荷の接続のためのシステムおよび方法である。バッテリは、外部電力消費ユニットの望ましくない切断の場合に、バッテリに接続可能である電力消費要素に接続している。負荷感知ユニットがバッテリのアノードとカソードとの間に電気的負荷の「減少した負荷」状態を感知するときに、制御可能な切換ユニットは、アノードとカソードとの間に電力消費要素を接続するように構成される。【選択図】図２
2019503637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力消費ユニットに電力を供給するのに適していて、前記電力消費ユニットの望ましくない切断の場合に、外部電力消費要素に接続可能である、酸化を受ける金属アノードおよびカソードを備えるバッテリの代替負荷の接続のためのシステムであって、前記システムは、
前記アノードと前記カソードとの間に電気的に制御可能に結合される電力消費要素、
前記アノードと前記カソードとの間に前記電力消費要素の電気的接続を許容するように構成される制御可能な切換ユニット、および、
前記アノードと前記カソードとの間に電気的負荷の「減少した負荷」状態を感知するように構成される負荷感知ユニット、
を備え、
前記制御可能な切換ユニットは、前記負荷感知ユニットによる前記「減少した負荷」状態の感知に応答して、前記アノードと前記カソードとの間に前記電力消費要素を電気的に接続するのに適している、システム。
【請求項２】
前記電力消費要素は、負荷抵抗を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記制御可能な切換ユニットは、スイッチを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記制御可能な切換ユニットは、接触器を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記アノードは液体によって囲まれていて、前記電力消費要素は、前記アノードに接続するときに前記液体を加熱するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記電力消費要素は、発熱体を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
電源貯蔵装置であって、
カソードおよび、電気的負荷に結合される金属アノード、
前記アノードに電気的に制御可能に結合される電力消費要素、
前記アノードと前記カソードとの間に前記電力消費要素の電気的接続を許容するように構成される制御要素、および、
前記アノードと前記カソードとの間に前記電気的負荷の「減少した負荷」状態を感知するように構成される負荷感知ユニット、
を備え、
前記制御要素は、前記負荷感知ユニットによる前記「減少した負荷」状態の感知に応答して、前記アノードと前記カソードとの間に前記電力消費要素を電気的に接続するのに適している、電源貯蔵装置。
【請求項８】
前記電力消費要素は、負荷抵抗を含む、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記制御要素は、スイッチを含む、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記制御要素は、接触器を含む、請求項７に記載の装置。
【請求項１１】
前記アノードは液体によって囲まれていて、前記電力消費要素は、前記アノードに接続するときに前記液体を加熱するように構成される、請求項７に記載の装置。
【請求項１２】
前記電力消費要素は、発熱体を含む、請求項７に記載の装置。
【請求項１３】
方法であって、
金属アノードを有するバッテリに外部電力消費ユニットを接続するステップ、
前記バッテリの前記アノードとカソードとの間に制御可能なスイッチを介して電力消費要素を接続するステップ、
負荷感知ユニットによって、前記バッテリにより供給される電力を感知するステップ、および、
前記負荷感知ユニットによって「減少した負荷」が感知されるときに、前記アノードと前記カソードとの間に前記電力消費要素を接続するために前記制御可能なスイッチを起動させるステップ、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化を受けるバッテリに関する。より詳しくは、本発明は、突然の負荷減少の間、バッテリを保護するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的な市販の利用可能なバッテリは、貯蔵された化学エネルギーを電気エネルギーに変換するアノードおよびカソードを有し、そして、外部回路に接続されるときに、外部デバイスにエネルギーを供給する。この種のバッテリが外部回路に接続されるときに、イオンは（電流として）内部を移動することが可能であり、これにより、化学反応が完成されることを許容して、このように外部回路にエネルギーを送給する。
【０００３】
概して水性電解液については、金属空気バッテリは、純金属からつくられるアノード、および周囲空気の外部カソードも使用する電気化学セルである。金属空気バッテリの正常動作において、電気エネルギーは、金属アノードの酸化によってつくられる。電気化学反応に加えて、金属アノードは、腐食反応による電解液（例えばアルカリ性）と反応する。例えば、水性アルミニウム−空気バッテリにおいて、電気エネルギーを生み出す電気化学反応は、次式である。
４Ａｌ＋６Ｈ２０＋３０２＝＞４Ａｌ（０Ｈ）３
一方、腐食反応は次式である。
２Ａｌ＋６Ｈ２Ｏ＝＞２Ａｌ（０Ｈ）３＋３Ｈ２
【０００４】
腐食反応は、通常、熱の解放にも結果としてなる。加えて、腐食のための酸素（Ｏ２）が（カソードよりもむしろ）電解液からとられるので、したがって、腐食は、水素（Ｈ２）も生じる。両方の理由のために、腐食がバッテリで高い割合で存在する場合、腐食は危害を課すことができる。
【０００５】
通常、エネルギー生成および腐食は、金属アノードの表面を「争う（ｃｏｍｐｅｔｅ）」。したがって、セルから引き出す電流を増やして、これにより電気化学反応を増加させることは、腐食の割合を減少させ、そしてその逆もまた同じである。
【０００６】
金属空気バッテリは、さまざまなタイプ（例えば静置システムまたは電気自動車）の電気的負荷（本明細書において以下複数または単数）に接続していてよい。その動作の間、電気消費システムが問題（たとえば電気自動車の事故）を受ける場合、バッテリは、電気的負荷から突然切断されるかもしれない。この場合、電気化学反応は停止され、そして腐食は増加し、これにより、危害を引き起こす。
【０００７】
したがって、バッテリから負荷が急に切断される極限条件において、バッテリを保護する方法の必要性が起こる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
外部電力消費ユニットに電力を供給するのに適している、酸化を受ける金属アノードおよびカソードを備えるバッテリにおいて代替負荷の接続のためのシステムおよび方法が開示される。バッテリは、外部電力消費ユニットの望ましくない切断の場合に、バッテリに接続可能である電力消費要素に接続するのに適している。システムは、アノードとカソードとの間に電気的に制御可能に結合されてよい電力消費要素と、アノードとカソードとの間に電力消費要素の電気的接続を許容するように構成される制御可能な切換ユニットと、アノードとカソードとの間に電気的負荷の「減少した負荷」状態を感知するように構成される負荷感知ユニットであって、そして負荷感知ユニットによる「減少した負荷」状態の感知に応答して、アノードとカソードとの間に電力消費要素を電気的に接続するように構成される、負荷感知ユニットと、を備える。
【０００９】
いくらかの実施形態において、電力消費要素は負荷抵抗を含む。
【００１０】
いくらかの実施形態において、制御可能な切換ユニットはスイッチを含む。
【００１１】
いくらかの実施形態において、制御可能な切換ユニットは接触器を含む。
【００１２】
いくらかの実施形態において、アノードは液体によって囲まれていて、電力消費要素は、アノードに接続するときに液体を加熱するように構成される。
【００１３】
いくらかの実施形態において、電力消費要素は発熱体を含む。
【００１４】
いくらかの実施形態によれば、カソードおよび、電気的負荷に結合される金属アノードと、アノードとカソードとの間に電力消費要素の電気的接続を許容するように構成される制御要素と、アノードとカソードとの間に電気的負荷の「減少した負荷」状態を感知するように構成される負荷感知ユニットであって、そして負荷感知ユニットによる「減少した負荷」状態の感知に応答して、アノードとカソードとの間に電力消費要素を電気的に接続する、負荷感知ユニットと、を備える、電源貯蔵装置が開示される。
【００１５】
金属アノードを有するバッテリに外部電力消費ユニットを接続するステップ、バッテリのアノードとカソードとの間に制御可能なスイッチを介して電力消費要素を接続するステップ、負荷感知ユニットによって、バッテリにより供給される電力を感知するステップ、および、負荷感知ユニットによって「減少した負荷」が感知されるときに、アノードとカソードとの間に電力消費要素を接続するために制御可能なスイッチを起動させるステップ、を含む、金属アノードを有するバッテリの動作方法が開示される。
【００１６】
本発明として考えられる内容は、明細書の終わりの部分において特に指摘されて、明確に請求される。しかしながら、本発明は、その目的、特徴、および利点と共に、構造および動作方法の両方に関して、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を参照することで最もよく理解されてよい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、図１は、金属空気バッテリを有する市販の利用可能な電気システムを概略的に示す。
【図２】図２は、本発明の例示的実施形態による、バッテリの腐食の減少のためのシステムを概略的に示す。
【図３】図３は、本発明の例示的実施形態による、液コンテナを有するバッテリの腐食の減少のためのシステムを概略的に示す。
【図４】図４は、本発明の例示的実施形態による、液コンテナおよび発熱体を有するバッテリの腐食の減少のためのシステムを概略的に示す。
【図５】図５は、本発明の例示的実施形態による、液コンテナおよび発熱体を有する外部電気消費部を有するバッテリの腐食の減少のシステムを概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
例示の単純さおよび明確さのために、図に示される要素が必ずしも一定の比率で引かれたわけではないと認められる。例えば、要素のいくつかの寸法は、明確にするために他の要素と関連して誇張されてよい。さらに、適切であるとみなされる所で、参照番号は、対応するかまたは類似した要素を示すために図の中で繰り返されてよい。
【００１９】
以下の詳細な説明において、多数の具体的な詳細は、本発明の完全な理解を提供するために記載される。しかしながら、本発明がこれらの具体的な詳細なしで実践されてよいと、当業者によって理解される。他の例において、周知の方法、手順、および構成要素は、本発明を不明瞭にしないように詳述しなかった。
【００２０】
ここで図１を参照すると、図１は、全体を１００で示した、金属空気バッテリを有する市販の利用可能な電気システムを概略的に示す。市販の利用可能な電気システム１００は、金属空気バッテリ１０１（破線で示される）、および電力消費要素（または負荷）としての外部電気消費部１０３を備える。例えば、電車のエンジンは、エンジンを駆動する少なくとも１つの金属空気バッテリ１０１を有する外部電気消費部１０３としてのエンジンであり、それにより、エンジンは少なくとも１つの金属空気バッテリ１０１上の負荷として作用する。
【００２１】
図に示される電気回路は概略図であり、実際の電気回路を示すように設計されていない（例えば、カソードに接続しているラインは描画されない）と認められる。
【００２２】
金属空気バッテリ１０１は、金属アノードおよび空気カソードを有する少なくとも１つの金属空気セル１０２を備えてよい。突然の負荷減少（たとえば電車の故障）が生じた場合、金属空気セル１０２のアノードは、外部電気消費部１０３にもはや電気的に接続していなくて、このように、アノードは腐食による影響を受ける場合がある。したがって、この種の腐食を防止することは、有利である。
【００２３】
ここで図２を参照すると、図２は、本発明のいくらかの実施形態による、全体を２００で示した、バッテリの腐食の減少のためのシステムを概略的に示す。腐食減少システム２００は、少なくとも１つの金属空気セル１０２と外部電気消費部１０３との間に電気的に制御可能に結合される追加の電力消費要素２０２（例えば抵抗器）を有する変更された金属空気バッテリ２０１（破線で示される）を備える。
【００２４】
いくつかの実施形態では、金属空気セル１０２のアノードとカソードとの間の電力消費要素２０２の電気的結合は、制御可能な切換ユニット２０４で実行されてよい。制御可能な切換ユニット２０４は、金属空気セル１０２上の（電気消費部１０３からの）減少した負荷の発生に際して、金属空気セル１０２のアノードとカソードとの間に電力消費要素２０２の電気的接続を可能にするように構成される。
【００２５】
切換ユニット２０４が金属空気セル１０２のアノードとカソードとの間に電力消費要素２０２の電気的接続を可能にするときに、電気化学反応が続くように、金属空気セル１０２からの電気エネルギーは、電力消費要素２０２によって消費されてよい。
【００２６】
外部電気消費部１０３の負荷が取り除かれる場合、金属空気セル１０２の金属アノードが腐食を受ける点に留意する必要がある。したがって、金属空気バッテリの減少した負荷が生じた場合、増加した腐食の危険は、追加の（または代わりの）負荷が金属空気セル１０２に電気的に結合されるときに減少されて（または除去されてさえ）よい。
【００２７】
いくつかの実施形態において、制御可能な切換ユニット２０４は電気機械スイッチである。他の実施態様において、制御可能な切換ユニット２０４は接触器である。
【００２８】
いくらかの非限定的な実施形態において、腐食減少システム２００は、金属空気セル１０２のアノードとカソードとの間に減少した負荷状態の徴候を与えるように構成される負荷感知ユニット２０５をさらに備える。このように、負荷感知ユニット２０５からの減少した負荷状態の感知および指示に際して、金属空気セル１０２のアノードとカソードとの間に電力消費要素２０２の電気的接続を許容するように、信号（例えばデジタル信号）が切換ユニット２０４を通過してよい。
【００２９】
いくつかの実施形態において、切換ユニット２０４は、負荷感知ユニットなしで動作してよい。そうすると、突然の負荷減少に際して、電力消費要素２０２は、金属空気セル１０２のアノードとカソードとの間に自動的に接続されてよい。
【００３０】
システム２００の正常動作の間、すなわち（「減少した負荷状態」の徴候のない）バッテリ上の通常の負荷を有する間、追加の電力消費要素２０２は、金属空気セル１０２から切断されてよいと認められる。
【００３１】
このように、腐食減少システム２００は、電力消費負荷１０２に電力を供給するのに適していて、電力消費負荷１０２の望ましくない切断の場合に、外部電力消費要素１０３に接続可能である、酸化を受ける金属アノードおよびカソードを備える、バッテリの代替負荷（すなわち電力消費要素２０２）の接続を許容するように構成される。
【００３２】
ここで図３を参照すると、図３は、本発明のいくらかの実施形態による、全体を３００で示した、液コンテナを有するバッテリの腐食の減少のためのシステムを概略的に示す。バッテリの電解液を含むために、いくらかの金属空気バッテリ３０１は、（例えばアルミニウム−空気システムの）電解液タンクのような液コンテナ３０２を含むと認められる。
【００３３】
電力消費要素２０２を液コンテナ３０２内部に配置することによって、（例えば負荷感知ユニット２０５からの）減少した負荷の指示に際して、液コンテナ３０２内部で液体を加熱もするように電力消費要素２０２に電流を向けることが可能でもよい。このように、電力は、液体の危険でない加熱の結果で金属空気セル１０２から消費され続ける。
【００３４】
液コンテナ３０２内部で電力消費要素２０２を使用することによって、バッテリ内の追加スペースを消費する要素の必要がないので、金属空気バッテリ３０１の寸法および重量の両方が節約されてよいと認められる。
【００３５】
例えばアルミニウム−空気バッテリが電解液セルの消耗により終了動作を始めてよい非常事態が生じた場合に、いくらかの金属空気バッテリは、終了手順を有する。いくらかの非限定的な実施形態において、終了手順の完了まで電力消費要素２０２を金属空気バッテリに接続したままに保つことによって、（増加した酸化を引き起こす）減少した負荷の発生は、防止されてよい。例えば、非常の場合には、電力消費要素２０２は、セルの消耗が続く限り金属空気バッテリに接続される。
【００３６】
ここで図４を参照すると、図４は、本発明のいくらかの実施形態による、全体を４００で示した、液コンテナおよび発熱体を有するバッテリの腐食の減少のためのシステムを概略的に示す。
【００３７】
いくつかの実施形態において、変更されたバッテリ４０１は、（金属空気セル１０２から誘導される電流に起因して）電解液の加熱を許容するように構成される専用の発熱体４０２として、電力消費要素を備えていてよい。したがって、発熱体４０２は、金属空気バッテリ４０１の空間および重量の両方を節約してよいと認められる。
【００３８】
ここで図５を参照すると、図５は、本発明のいくらかの実施形態による、全体を５００で示した、液コンテナ３０２および発熱体５０２を有する外部電気消費部５０３を有するバッテリの腐食の減少のシステムを概略的に示す。
【００３９】
いくつかの実施形態において、外部電気消費部５０３は、電力消費負荷５０９を含み、発熱体５０２も利用する。このように、外部電気消費部５０３の発熱体５０２は、追加の電力消費要素（たとえば図２の要素２０２）として使用されてよい。例えば、車両の加熱システムは、腐食を減らすために変更されたバッテリシステムとして、送風機５０９および発熱体５０２を液体タンク３０２の内部に含んでよい。
【００４０】
したがって、金属空気セル１０２のアノードとカソードとの間に発熱体５０２の電気的結合を許容するように、発熱体５０２は、切換ユニット２０４に電気的に接続していてよい。このように、減少した負荷（例えば電車のエンジンの故障）の指示に際して、金属空気セル１０２は、外部電気消費部５０３（例えばエンジン）に対する直接接続の代わりに発熱体５０２に結合されてよく、したがって金属空気バッテリ１０１を腐食から保護してよい。
【００４１】
金属空気バッテリが上で記載されたとはいえ、突然の負荷減少に際してバッテリを腐食の危険から保護するために、他のタイプのいかなるバッテリも類似の方法で変更されてよいと認められる。さらに、単一のバッテリが上で記載されたとはいえ、いかなる数のバッテリもバッテリを保護するために追加の電気的負荷に同様に結合されてよい。
【００４２】
本発明の特定の特徴が本明細書において例示されて記載されたとはいえ、多くの変更、代用、変化、および等価物が当業者に生じてもよい。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の要旨の範囲内に含まれるこれらのようなすべての変更および変形をカバーすることを意図していることが理解される。
【００４３】
各種実施形態が示された。これらの実施形態の各々は、示される他の実施形態からの特徴をもちろん含んでよく、そして、特に記載されていない実施形態は、本明細書に記載されているさまざまな特徴を含んでよい。
【図１】
2019503637.tif 000003
【図２】
2019503637.tif 000004
【図３】
2019503637.tif 000005
【図４】
2019503637.tif 000006
【図５】
2019503637.tif 000007
【国際調査報告】
2019503637.tif 000008
2019503637.tif 000009
2019503637.tif 000010