(57)【特許請求の範囲】
【請求項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を負荷に間欠的に接続するために、前記第１および第２エネルギ蓄積デバイスの間に直列に電気結合された回路であって、前記第１エネルギ蓄積デバイスおよび第２エネルギ蓄積デバイスが負荷に接続されていない時は、同第１エネルギ蓄積デバイスと第２エネルギ蓄積デバイスとを電気的に切り離す、回路と、
によって構成され
該負荷はパルス電力通信装置であ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。
【請求項２】
前記パルス電力通信装置は、少なくとも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１記載のハイブリッド・エネルギ蓄積システム。
【請求項３】
前記パルス電力通信装置は、少なくとも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１記載のハイブリッド・エネルギ蓄積システム。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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４記載のハイブリッド・エネルギ蓄積システム。
【請求項６】
前記第２電極は、導電性高分子からなる電極であることを特徴とする請求項４記載のハイブリッド・エネルギ蓄積システム。
【請求項７】
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；および
負荷が前記システムに接続されないときに前記第１エネルギ蓄積デバイスと第２エネルギ蓄積デバイスとを電気的に切り離すための、前記第１エネルギ蓄積デバイスおよび第２エネルギ蓄積デバイスの間に直列に電気結合された回路；
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。
【請求項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、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、
負荷が前記システムに接続されないときに前記第１エネルギ蓄積デバイスと第２エネルギ蓄積デバイスとを電気的に切り離すための、前記第１エネルギ蓄積デバイスと第２エネルギ蓄積デバイスとの間に直列に電気結合された回路と、
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。
【発明の詳細な説明】
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、Anai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。’７５６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（polyacrylomide）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 Capacitor and Method of Making Same”；Baiらによる米国特許出願第０８／４１４，８１６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 Capacitor Device Using Same”；Howardによる米国特許出願第０８／５０５，４２７号“Conducting Polymer Electrodes for Energy Storage Devices and Method of Making Same”；Liらによる米国特許出願第０８／３５８，２９４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 for Electrochemical Cells”；Liらによる米国特許出願第０８／４９８，４５０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“Amorphous 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 Electrodes for Electrochemical Deviccs”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１６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ，昇圧コンバータ（voltage step-up converter），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 Mobile）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３２，３４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、０℃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６８，７０，７２，７４，７６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１１６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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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