DE102011010360A1

DE102011010360A1 - Batterie- und Wasserstoffbrennstoffzellenladeregler

Info

Publication number: DE102011010360A1
Application number: DE102011010360A
Authority: DE
Inventors: Nicholas W. Mich. Pinto IV.; Paul W. Mich. Alexander; Nancy L. Mich. Johnson; Scott W. Mich. Jorgensen; Nilesh D. Mich. Mankame
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2011-02-04
Publication date: 2011-08-18
Anticipated expiration: 2031-02-05
Also published as: US8217629B2; CN102195311B; US20110199056A1; CN102195311A; DE102011010360B4

Abstract

Eine Ladereglerbaugruppe für einen Energiespeicher umfasst einen Aktor aus aktivem Material, der zum Bewegen eines Kontakts aus einer verbundenen Stellung, die Stromübertragung zwischen dem Kontakt und einem Leistungsbus gestattet, in eine getrennte Stellung, die Stromübertragung zwischen dem Kontakt und dem Leistungsbus verhindert, gestaltet ist. Der Aktor aus aktivem Material wird als Reaktion darauf eingekoppelt, dass eine Temperatur des Aktors aus aktivem Material über einen vorgegebenen Wert steigt. Das Bewegen des Kontakts in die getrennte Stellung verhindert eine weitere Stromübertragung in den oder aus dem Energiespeicher und verhindert dadurch eine weitere Erwärmung des Energiespeichers und verhindert eine mögliche Schädigung des Energiespeichers durch Überhitzen.

Description

FACHGEBIET
Die Erfindung betrifft allgemein einen Regler zum Regeln der Temperatur einer Batterie oder einer Wasserstoffbrennstoffzelle und ein Verfahren zum Regeln der Temperatur der Batterie oder der Wasserstoffbrennstoffzelle mit dem Regler.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Energiespeicher einschließlich, aber nicht begrenzt auf, Batterien und Wasserstoffbrennstoffzellen umfassen eine oder mehr Zellen, die während des Ladens und/oder während des Gebrauchs überhitzen können. Überhitzen von einer oder mehreren der Zellen des Energiespeichers, ob während des Ladens oder während des Gebrauchs, kann die Zelle beschädigen, was möglicherweise die Funktionsfähigkeit des Energiespeichers verringert und/oder die Lebenserwartung des Energiespeichers verringert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es wird eine Reglerbaugruppe zum Regeln eines Ladevorgangs für einen Energiespeicher offenbart. Die Reglerbaugruppe umfasst einen Leistungsbus, der zum Regeln eines Ladeflusses zu dem Energiespeicher gestaltet ist. Die Reglerbaugruppe umfasst weiterhin einen Kontakt. Der Kontakt ist zwischen einer verbundenen Stellung und einer getrennten Stellung beweglich. Der Kontakt ist mit dem Leistungsbus gekoppelt, wenn er sich in der verbundenen Stellung befindet, um den Ladefluss zu dem Energiespeicher zu gestatten. Der Kontakt ist von dem Leistungsbus entkoppelt, wenn er sich in der getrennten Stellung befindet, um den Ladefluss zu dem Energiespeicher zu verhindern. Die Reglerbaugruppe umfasst weiterhin eine Vorspannungseinrichtung. Die Vorspannungseinrichtung ist mit dem Kontakt gekoppelt und ist zum Vorspannen des Kontakts in die verbundene Stellung gestaltet. Die Reglerbaugruppe umfasst weiterhin einen Aktor. Der Aktor ist mit dem Kontakt gekoppelt und ist zum Bewegen des Kontakts aus einer von der verbundenen Stellung und der getrennten Stellung in die andere von der verbundenen Stellung und der getrennten Stellung gestaltet. Der Aktor bewegt den Kontakt, wenn ein Rückkopplungssignal von dem Energiespeicher gleich einem oder größer als ein vorgegebener Wert ist.
In einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Energiespeicher offenbart. Der Energiespeicher umfasst ein Gehäuse, das eine Zelle begrenzt. Der Energiespeicher umfasst weiterhin eine Reglerbaugruppe, die mit dem Gehäuse gekoppelt ist und zum Regeln eines Ladevorgangs der Zelle gestaltet ist. Die Reglerbaugruppe umfasst einen Leistungsbus. Der Leistungsbus ist zum Regeln eines Ladeflusses zu der Zelle gestaltet. Die Reglerbaugruppe umfasst weiterhin einen Kontakt, der zwischen einer verbundenen Stellung und einer getrennten Stellung beweglich ist. Der Kontakt ist mit dem Leistungsbus gekoppelt, wenn er sich in der verbundenen Stellung befindet, um den Ladefluss zu der Zelle zu gestatten. Der Kontakt ist von dem Leistungsbus entkoppelt, wenn er sich in der getrennten Stellung befindet, um den Ladefluss zu der Zelle zu verhindern. Die Reglerbaugruppe umfasst weiterhin eine Vorspannungseinrichtung, die mit dem Kontakt gekoppelt ist. Die Vorspannungseinrichtung ist zum Vorspannen des Kontakts in die verbundene Stellung gestaltet. Die Reglerbaugruppe umfasst weiterhin einen Aktor, der mit dem Kontakt gekoppelt ist. Der Aktor ist zum Bewegen des Kontakts aus der verbundenen Stellung in getrennte Stellung gestaltet. Der Aktor bewegt den Kontakt, wenn ein Rückkopplungssignal aus der Zelle gleich einem oder größer als ein vorgegebener Wert ist. Der Aktor ist so gestaltet, dass er der Vorspannungseinrichtung gestattet, den Kontakt aus der getrennten Stellung in die verbundene Stellung zu bewegen, wenn das Rückkopplungssignal aus der Zelle geringer ist als der vorgegebene Wert.
In einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Regeln eines Ladevorgangs für einen Energiespeicher offenbart. Der Energiespeicher umfasst eine Reglerbaugruppe mit einem Leistungsbus, einem Kontakt zum Einkuppeln des Leistungsbusses und einem Aktor aus aktivem Material, der zum Bewegen des Kontakts in die und aus der Kupplung mit dem Leistungsbus gestaltet ist. Das Verfahren umfasst das Erfassen eines Rückkopplungssignals aus dem Energiespeicher mit dem Aktor aus aktivem Material und das Einkuppeln des Aktors aus aktivem Material zum Bewegen des Kontakts aus einer verbundenen Stellung in eine getrennte Stellung als Reaktion darauf, dass das erfasste Rückkopplungssignal aus dem Energiespeicher auf ein Niveau steigt, das gleich einem oder größer als ein vorgegebener Wert ist. Die verbundene Stellung gestattet einen Ladefluss in den Energiespeicher. Die getrennte Stellung verhindert den Ladefluss in den Energiespeicher.
Folglich erfasst der Aktor aus aktivem Material das Rückkopplungssignal aus einer Zelle des Energiespeichers, wie z. B. eine Temperatur der Zelle und/oder des Energiespeichers. Wenn das Rückkopplungssignal, z. B. die Temperatur des Aktors aus aktivem Material, als Reaktion auf ein Ansteigen der Temperatur der Zelle des Energiespeichers während des Ladens, Entladens oder des Gebrauchs, auf oder über den vorgegebenen Wert steigt, bewegt der Aktor aus aktivem Material den Kontakt aus der verbundenen Stellung in die getrennte Stellung. Das Bewegen des Kontakts in die getrennte Stellung verhindert einen Ladefluss, z. B. einen elektrischen Strom, vom Fließen in die oder aus der Zelle und/oder den/dem Energiespeicher und verhindert dadurch, dass die Temperatur der Zelle weiter ansteigt. Das Hystereseverhalten der Umwandlung des Aktors aus aktivem Material ermöglicht es, dass die Temperatur der Zelle und/oder des Energiespeichers auf einen Wert unterhalb der vorgegebenen Triggerschwelle abkühlt, bevor der Aktor den Kontakt zurück in die verbundene Stellung bewegt, um den Ladefluss wiederherzustellen; dadurch werden die Zelle und der Energiespeicher vor Schädigung geschützt.
Die vorstehend genannten Eigenschaften und Vorteile sowie weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen leicht anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Ausführungsformen der Erfindung ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Energiespeichers mit einem darin eingebauten Laderegler,
2 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Ladegeräts mit einem Laderegler zum Laden eines Energiespeichers,
3 ist eine schematische Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform des Ladereglers in einer verbundenen Stellung,
4 ist eine schematische Schnittdarstellung der alternativen Ausführungsform des Ladereglers in einer getrennten Stellung,
5 ist eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten alternativen Ausführungsform des Ladereglers in einer verbundenen Stellung,
6 ist eine schematische Schnittdarstellung der zweiten alternativen Ausführungsform des Ladereglers in einer getrennten Stellung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf die Figuren ist ein Energiespeicher im Allgemeinen bei 20 gezeigt, wobei in sämtlichen Darstellungen gleiche Ziffern gleiche Teile bezeichnen. Der Energiespeicher 20 kann umfassen, ist aber nicht begrenzt auf, eines von einem Wasserstoffspeicher, einem Elektrizitätsspeicher, wie z. B. ein Lithium-Ionen-Akku, eine Bleibatterie oder eine andere Einrichtung, die zum Speichern von Elektrizität fähig ist, oder einer anderen Einrichtung, die zum Speichern einer Form von Energie fähig ist.
Der Energiespeicher 20 umfasst ein Gehäuse 22. Das Gehäuse 22 begrenzt mindestens eine Zelle 24. Typischerweise begrenzt das Gehäuse 22 mehrere Zellen 24, wobei jede der Zellen 24 zum Speichern von Elektrizität genutzt wird. Der Energiespeicher 20 kann eine beliebige geeignete Form, Größe und/oder Gestaltung umfassen, die für die vorgesehene Verwendung des Energiespeichers 20 geeignet ist.
Der Ladevorgang für Batterien, insbesondere für Lithium-Ionen-Akkus, ist intrinsisch endotherm (d. h. er absorbiert Wärme aus der Umgebung), während der Entladevorgang exotherm ist (d. h. er gibt Wärme an die Umgebung ab). Allerdings führt der Fluss von Wärme, die woanders im System freigesetzt wird (z. B. ohmsche Heizung, die an den Kontakten auftritt) in eine Zelle 24 während des Ladens dazu, dass die Temperatur der Zell 24 während des Ladens ebenfalls etwas ansteigt. Die meisten Lithium-Ionen-Akkus verwenden ein oder mehrere Schutzmerkmale, z. B. Materialien mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, die auf den Temperaturanstieg mit einem Anstieg des Widerstands reagieren, der die Zelle 24 daran hindern sich zu entladen, wenn sie überhitzt ist.
Ein viel versprechender Ansatz zum Speichern von Wasserstoff ist in Hydridform in Legierungen. Wasserstoffspeicherlegierungen (z. B. LaNi₅, FeTi, Mg₂Ni usw.) absorbieren und speichern große Mengen an Wasserstoff, ohne dass ihre eigene Struktur durch Bildung von Hydriden beeinträchtigt wird. Der Vorgang der Wasserstoffabsorption (d. h. das Laden) von solchen Legierungen wird von der Freisetzung von Wärme begleitet, während der Vorgang der Freisetzung des gespeicherten Wasserstoffs (d. h. das Entladen) von der Absorption von Wärme begleitet wird. Somit setzen Wasserstoffspeichereinheiten für Brennstoffzellen Wärme hauptsächlich während des Ladens frei.
Wie in 1 gezeigt umfasst der Energiespeicher 20 eine Reglerbaugruppe 26. Die Reglerbaugruppe 26 regelt einen Ladevorgang des Energiespeichers 20. Es ist zu bemerken, dass der Ladevorgang sowohl das Laden des Energiespeichers 20 als auch das Entladen des Energiespeichers 20 umfasst. Die Reglerbaugruppe 26 ist mit dem Gehäuse 22 gekoppelt und/oder mit diesem integriert ausgebildet. Die Reglerbaugruppe 26 ist zum Regeln einer Temperatur der Zelle 24 gestaltet. Genauer gesagt regelt die Reglerbaugruppe 26 einen Ladefluss in die oder aus der Zelle 24 anhand eines Rückkopplungssignals, wie z. B. einer Temperatur der Zelle 24.
Durch das Regeln des Ladeflusses zu der Zelle 24 kann somit die Temperatur der Zelle 24 ebenfalls geregelt werden. Die Reglerbaugruppe 26 kann mehrere Unterbaugruppen 28 umfassen, wobei jede Unterbaugruppe 28 zum Regeln einer der Zellen 24 des Energiespeichers 20 gestaltet ist. Wenn beispielsweise der Energiespeicher 20 einen Elektrizitätsspeicher umfasst, regelt die Reglerbaugruppe 26 den Fluss von Strom in den und aus dem Energiespeicher 20. Gleichermaßen regelt die Reglerbaugruppe 26 den Fluss von Wasserstoff in den Energiespeicher 20, wenn der Energiespeicher 20 einen Wasserstoffspeicher umfasst. Das Regeln des Stromflusses in den oder aus dem, bzw. des Wasserstoffflusses in den Energiespeicher 20 regelt somit die Temperatur des Energiespeichers 20. Folglich kann, wenn eine der Zellen 24 des Energiespeichers 29 überhitzt, die Reglerbaugruppe 26 den Stromfluss in die oder aus der, bzw. den Wasserstofffluss in die überhitzte Zelle 24 unterbrechen, um der Zelle 24 zu ermöglichen abzukühlen; hierdurch werden eine Schädigung der Zelle 24 und des Energiespeichers 20 verhindert.
Die Reglerbaugruppe 26 umfasst einen Leistungsbus 30. Der Leistungsbus 30 ist elektrisch von dem Gehäuse 22 isoliert. Der Leistungsbus 30 ist zum Regeln eines Ladeflusses in den und/oder aus dem Energiespeicher 20 gestaltet. Genauer gesagt, wenn der Energiespeicher 20 einen Elektrizitätsspeicher umfasst, dann ist der Leistungsbus zum Leiten eines elektrischen Stroms in jede oder aus jeder Zelle 24 des Energiespeichers 20 gestaltet. Es ist zu bemerken, dass die Reglerbaugruppe 26 einen positiven Bus (gezeigt) und einen negativen Bus (nicht gezeigt) umfassen kann.
Die Reglerbaugruppe 26 umfasst weiterhin einen Kontakt 32. Der Kontakt 32 ist zwischen einer verbundenen Stellung und einer getrennten Stellung beweglich. Wenn er sich in der verbundenen Stellung befindet, ist der Kontakt 32 elektrisch mit dem Leistungsbus 30 gekoppelt, um den Ladefluss zu dem oder aus dem Energiespeicher 20 zu gestatten, z. B. einen elektrischen Strom zwischen dem Leistungsbus 30 und dem Kontakt 32. Wenn er sich in der getrennten Stellung befindet, ist der Kontakt 32 von dem Leistungsbus 30 entkoppelt, um den Ladefluss in den oder aus dem Energiespeicher 20 zu verhindern. Folglich unterbricht die Bewegung des Kontakts 32 aus der verbundenen Stellung in die getrennte Stellung den Kontakt 32 zwischen dem Leistungsbus 30 und dem Kontakt 32 und verhindert dadurch einen Ladefluss in die oder aus der Zelle 24. Gleichermaßen stellt die Bewegung des Kontakts 32 aus der getrennten Stellung in die verbundene Stellung den Kontakt zwischen dem Leistungsbus 30 und dem Kontakt 32 wieder her und gestattet dadurch den Ladefluss in die oder aus der Zelle 24.
Die Reglerbaugruppe 26 umfasst weiterhin eine Vorspannungseinrichtung 34. Die Vorspannungseinrichtung 34 ist mit dem Kontakt 32 gekoppelt und zum Vorspannen des Kontakts 32 in die verbundene Stellung gestaltet. Wie gezeigt umfasst die Vorspannungseinrichtung eine Schraubenfeder. Es ist jedoch zu bemerken, dass die Vorspannungseinrichtung 34 eine andere Einrichtung umfassen kann, die in der Lage ist, den Kontakt 32 in die verbundene Stellung gegen den Leistungsbus 30 vorzuspannen. Die Vorspannungseinrichtung 34 kann ein elektrisch leitendes Material umfassen, das zum Leiten von Elektrizität von dem Kontakt 32 in die Zelle 24 gestaltet ist. Das elektrisch leitende Material kann jedes geeignete Material umfassen, das fähig ist, einen elektrischen Strom zu leiten und zur Anordnung mit der Zelle 24 des Energiespeichers 20 geeignet ist. Bei Wasserstoffspeichern leitet die Vorspannungseinrichtung 34 den Fluss von Wasserstoff in die oder aus der Zelle 24 unter Umständen nicht direkt, stattdessen, kann die Vorspannungseinrichtung 34 ein Durchflusselement regeln, z. B. ein Regulierventil, das den Fluss von Wasserstoff reguliert.
Die Reglerbaugruppe 26 umfasst weiterhin eine Basis 36. Die Basis 36 ist gegenüber dem Kontakt 32 angeordnet, wobei die Vorspannungseinrichtung 34 zwischen dem Kontakt 32 und der Basis 36 angeordnet ist. Die Basis 36 widersteht einer Bewegung der Vorspannungseinrichtung 34 und stellt einen Halt bereit, gegen den die Vorspannungseinrichtung 34 reagiert, um den Kontakt 32 in die verbundene Stellung zu treiben.
Die Reglerbaugruppe 26 umfasst weiterhin einen Aktor 38. Der Aktor 38 ist mit dem Kontakt 32 gekoppelt. Genauer gesagt erstreckt sich ein Verbindungsstück 40 zwischen dem Aktor 38 und dem Kontakt 32 und verbindet diese miteinander. Das Verbindungsstück 40 umfasst ein nichtleitfähiges Material, um zu gewährleisten, dass kein Strom von dem Kontakt 32 in die Zelle 24 und zu dem Aktor 38 übertragen wird.
Der Kontakt 32, die Vorspannungseinrichtung 34, die Basis 36, der Aktor 38 und das Verbindungsstück 40 können zusammen als eine Einheit hergestellt werden, um die Unterbaugruppen 28 zu begrenzen, wobei jede Unterbaugruppe 28 die Temperatur von einer der Zellen 24 des Energiespeichers 20 reguliert.
Der Aktor 38 ist so gestaltet, dass er den Kontakt 32 aus der verbundenen Stellung in die getrennte Stellung bewegt, wenn ein Rückkopplungssignal aus dem Energiespeicher 20 gleich einem oder größer als ein vorgegebener Wert ist. Das Rückkopplungssignal kann eine Temperatur der Zelle 24 und/oder des Energiespeichers 20 umfassen, einen pH-Wert der Zelle 24 und/oder des Energiespeichers 20, einen Widerstand der Zelle 24 und/oder des Energiespeichers 20 oder ein anderes Signal, das kennzeichnend für die Funktionsfähigkeit der Zelle 24 und/oder des Energiespeichers 20 ist. Somit wandelt der Aktor 38 das Rückkopplungssignal direkt in mechanische Arbeit um, die dazu führt, dass der Kontakt 32 aus der verbundenen Stellung in die getrennte Stellung bewegt wird. Der Aktor ist zudem so gestaltet, dass er der Vorspannungseinrichtung gestattet, den Kontakt 32 aus der getrennten Stellung in die verbundene Stellung zu bewegen, wenn das Rückkopplungssignal aus dem Energiespeicher 20 geringer ist als der vorbestimmte Wert. Folglich kuppelt sich, wenn das Rückkopplungssignal aus der Zelle 24 über den vorgegebenen Wert steigt, der Aktor ein und bewegt den Kontakt 32 in die getrennte Stellung, um eine Stromübertragung in die Zelle 24 zu verhindern, wodurch eine mögliche Schädigung der Zelle 24 aufgrund überhöhter Temperaturen verhindert wird. Wenn das Rückkopplungssignal unter das vorgegebene Niveau fällt, kuppelt sich der Aktor aus und gestattet der Vorspannungseinrichtung 34 den Kontakt 32 zurück in Kupplung mit dem Leistungsbus 30 zu bewegen, um die Stromübertragung in die Zelle 24 wiederherzustellen und dadurch den Betrieb der Zelle 24 wiederherzustellen.
Der Aktor 38 umfasst ein aktives Material. Das aktive Material/die aktiven Materialien), das/die nachstehend ausführlicher beschrieben wird/werden, kann/können umfassen, ist/sind aber nicht beschränkt auf, eine Formgedächtnislegierung, ein thermoreguliertes Magnetelement, ein elektroaktives Polymer, ein thermotropes flüssigkristallines Elastomer oder ein formveränderndes Polymer. Bevorzugt ist das aktive Material so gestaltet, dass es den Kontakt bewegt, wenn es auf den vorgegebenen Wert erwärmt oder abgekühlt wird. Der vorgegebene Wert kann auf jede Temperatur eingestellt werden, die geeignet ist, eine Schädigung der Zelle 24 und/oder des Energiespeichers 20 zu vermeiden. Der vorgegebene Wert hängt von dem spezifischen Typ des Energiespeichers 20 und den darin verwendeten Materialien ab. Deshalb kann das spezifische aktive Material, das für der Aktor 38 verwendet wird, anhand des gewünschten vorgegebenen Wertes und des Rückkopplungssignals ausgewählt werden. Wie gezeigt, zieht sich das aktive Material bei Erwärmung auf oder über den vorgegebenen Wert zusammen und dehnt sich unter der Einwirkung der Vorspannungseinrichtung 34 aus, d. h. nimmt eine ursprüngliche Länge wieder an, wenn es unter den vorgegebenen Wert abgekühlt wird. Es ist jedoch zu bemerken, dass der Aktor 38 und das aktive Material des Aktors 38, in jeder geeigneten Weise gestaltet sein können, die fähig ist, den Kontakt 32 aus der verbundenen Stellung in die getrennte Stellung zu bewegen.
Unter Bezugnahme auf 2 ist eine Ladestation 42 zum Laden des Energiespeichers 20 gezeigt. Die in 2 gezeigten Elemente, die ähnlich zu den mit Bezug auf 1 beschriebenen Elementen sind, umfassen dieselben Referenzziffern wie in 1 verwendet.
Die Ladestation 42 umfasst die Ladereglerbaugruppe 26. Folglich ist die Reglerbaugruppe 26 in der in 2 gezeigten Ausführungsform nicht mit dem Energiespeicher 20 integriert ausgebildet. Stattdessen ist die Reglerbaugruppe 26 so gestaltet, dass sie während des Ladens des Energiespeichers 20 loslösbar mit dem Energiespeicher 20 gekoppelt ist und anschließend von dem Energiespeicher 20 entfernt wird, sobald der Energiespeicher 20 geladen ist.
Um das loslösbare Koppeln der Reglerbaugruppe 26 mit dem Energiespeicher 20 zu erleichtern, umfasst jede Unterbaugruppe 28 der Reglerbaugruppe 26 eine Sonde 44. Die Sonde 44 ist mit der Basis 36 verbunden und setzt sich daraus fort. Der Aktor 38 und mindestens ein Teil des Verbindungsstücks 40 sind innerhalb der Sonde 44 angeordnet. Die Sonde 44 ist zum Einsetzen in die Zelle 24 des Energiespeichers 20 gestaltet. Bei thermisch aktivierten aktiven Materialien erfasst die Sonde 44 die Temperatur der Zelle 24 und leitet die Temperatur an der Aktor 38. Genauer gesagt, wenn die Temperatur der Zelle 24 steigt, erwärmt sich die Sonde 44 und erwärmt dadurch der Aktor 38. Sobald der Aktor 38 sich auf den vorgegebenen Wert erwärmt hat, kuppelt sich wie oben beschrieben der Aktor 38 ein und bewegt den Kontakt 32 in die getrennte Stellung. Wenn die Zelle 24 und damit die Sonde 44 abkühlt, kühlt der Aktor 38 ab; dies gestattet es wie oben beschrieben der Vorspannungseinrichtung 34 den Kontakt 32 zurück in die verbundene Stellung zu bewegen. Bei durch pH-Wert oder Ionenkonzentration aktivierten aktiven Materialien ist die Sonde 44 aus einem Material hergestellt, das die Weiterleitung dieser Stimuli über die Wände der Sonde 44 gestattet.
In einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Regeln eines Ladevorgangs für den Energiespeicher 20 offenbart. Wie oben beschrieben kann der Ladevorgang sowohl das Laden des Energiespeichers 20 als auch/oder das Entladen des Energiespeichers 20 umfassen. Der Energiespeicher 20 kann eine einzelne Zelle 24 eines Energiespeichers 20 umfassen oder kann alternativ sämtliche Zellen 24 des Energiespeichers 20 umfassen. Der Ladevorgang des Energiespeichers 20 wird mittels der oben beschriebenen Reglerbaugruppe geregelt. Das Verfahren umfasst das Anordnen des Aktors 38 aus aktivem Material innerhalb oder in der Nähe des Energiespeichers 20, um das Rückkopplungssignal aus dem Energiespeicher 20 zu erfassen. Wie oben beschrieben kann der Aktor 38 aus aktivem Material integriert mit dem Energiespeicher 20 ausgebildet sein oder kann Teil der Ladestation 42 sein; im letzteren Fall beinhaltet das Anordnen des Aktors 38 aus aktivem Material innerhalb des Energiespeichers 20 das Einsetzen des Aktors 38 aus aktivem Material in die Zelle 24 des Energiespeichers 20.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Erfassen des Rückkopplungssignals aus dem Energiespeicher 20. Wie oben beschrieben wird der Aktor 38 aus aktivem Material verwendet, um das Rückkopplungssignal aus dem Energiespeicher 20 zu erfassen, und im engeren Sinne, um die Temperatur der Zelle 24 zu erfassen, innerhalb derer der Aktor 38 aus aktivem Material angeordnet ist. Wenn die Temperatur der Zelle 24 und/oder des Energiespeichers 20 steigt, steigt die Temperatur des Aktors 38 aus aktivem Material. Wenn die Temperatur der Zelle 24 und/oder des Energiespeichers 20 sinkt, sinkt die Temperatur des Aktors 38 aus aktivem Material ebenfalls.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Einkuppeln des Aktors 38 aus aktivem Material als Reaktion auf das erfasste Rückkopplungssignal, z. B. darauf, dass die erfasste Temperatur des Energiespeichers 20 auf ein Niveau steigt, das gleich einem oder größer als ein vorgegebener Wert ist. Wenn der Energiespeicher einen Elektrizitätsspeicher umfasst, wie in den Figuren gezeigt, wird der Aktor 38 aus aktivem Material eingekuppelt, um den Kontakt 32 aus der verbundenen Stellung, die Stromübertragung zwischen dem Leistungsbus 30 und dem Kontakt 32 gestattet, in die getrennte Stellung zu bewegen, die Stromübertragung zwischen dem Leistungsbus 30 und dem Kontakt 32 verhindert. Folglich unterbricht der Aktor 38, sobald die Temperatur des Aktors 38 aus aktivem Material auf einen Wert steigt, der gleich dem oder größer als der vorgegebene Temperaturwert ist, die elektrische Verbindung zwischen dem Leistungsbus 30 und dem Kontakt 32, um eine Stromübertragung in die Zelle 24 und/oder den Energiespeicher 20 zu verhindern und dadurch zu verhindern, dass die Temperatur der Zelle 24 und/oder des Energiespeichers 20 weiter ansteigt und möglicherweise die Zelle 24 und/oder den Energiespeicher 20 schädigt.
Wie oben beschrieben kann der Aktor 38 aus aktivem Material ein Formgedächtnislegierungsmaterial umfassen, ist aber nicht darauf beschränkt. Das Einkuppeln des Aktors 38 aus aktivem Material kann umfassen, ist aber nicht beschränkt auf, das Zusammenziehen des Aktors 38 aus aktivem Material als Reaktion darauf, dass die Temperatur des Formgedächtnislegierungsmaterials auf ein Niveau steigt, das gleich einem oder größer als ein vorgegebener Wert ist. Es ist zu bemerken, dass der Aktor 38 aus aktivem Material sich in einer von der Kontraktion verschiedenen Weise bewegen kann, wenn er auf den vorgegebenen Temperaturwert erwärmt wird, und dass der Aktor 38 aus aktivem Material so gestaltet sein kann, dass er den Kontakt 32 als Reaktion auf eine andere, von der Kontraktion verschiedenen Bewegung des aktiven Materials bewegt.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Vorspannen des Kontakts 32 aus der getrennten Stellung in die verbundene Stellung mit der Vorspannungseinrichtung 34 als Reaktion darauf, dass das erfasste Rückkopplungssignal aus, z. B. die erfasste Temperatur, aus dem Energiespeicher 20 unterhalb den vorgegebenen Wert fällt. Folglich kehrt die Formgedächtnislegierung, sobald die Temperatur des Aktors 38 aus aktivem Material auf einen Wert unterhalb des vorgegebenen Temperaturwertes absinkt, wie durch die Hysteresekurve der Formgedächtnislegierung geregelt, zu einer ursprünglichen Form zurück und gestattet dadurch der Vorspannungseinrichtung 34, den Kontakt 32 zurück in die verbundene Stellung vorzuspannen, um den Ladefluss in die Zelle 24 und/oder den Energiespeicher 20 wiederherzustellen.
Das Verfahren kann weiterhin das Informieren eines Fahrzeug- oder Durchflussreglers vor dem Einkuppeln des Aktors 38 aus aktivem Material umfassen, wenn das erfasste Rückkopplungssignal auf einen Wert im Bereich des vorgegebenen Werts steigt. Der Fahrzeug- oder Durchflussregler kann einen Rechner mit einem Prozessor, Speicher, Software und jedem anderen Bestandteil umfassen, der notwendig ist, um die verschiedenen Systeme des Fahrzeugs zu regeln und mit ihnen zu kommunizieren. Die Reglerbaugruppe 26 kann so gestaltet sein, dass sie in Kommunikation mit dem Fahrzeug- oder Durchflussregler steht, um Informationen an den Fahrzeug- oder Durchflussregler zu liefern. Der Fahrzeug- oder Durchflussregler kann zum Regeln des Energiespeichers 20 gestaltet sein. Beispielsweise kann der Fahrzeug- oder Durchflussregler so gestaltet sein, dass er die Geschwindigkeit regelt, mit welcher der Ladefluss, z. B. ein elektrischer Strom oder ein Wasserstoffstrom, aus dem Energiespeicher bezogen wird oder in ihn eingespeist wird. Durch das Regeln der Geschwindigkeit des Ladeflusses kann der Fahrzeug- oder Durchflussregler die Temperatur des Energiespeichers 20 regeln. Folglich kann die an den Fahrzeugregler gesendete Information anzeigen, dass der Energiespeicher 20 sich dem vorgegebenem Wert nähert, an dem der Aktor 38 eingreift, um die Zelle 24 und/oder den Energiespeicher 20 zu trennen. Deshalb kann der Fahrzeugregler arbeiten, um den Energiespeicher 20 so zu regeln, dass er seine Temperatur verringert, bevor der Aktor 38 den Kontakt 32 in die getrennte Stellung bewegt, d. h. den Ladefluss unterbricht.
Das Rückkopplungssignal an den Fahrzeugregler kann z. B. einen Widerstand des aktiven Materials in dem Aktor 38 umfassen. Wenn der Widerstand des aktiven Materials auf einen Wert im Bereich, z. B. einem voreingestellten Prozentwert, des vorgegebenen Werts ansteigt, kann der Fahrzeugregler eingreifen, um den Strom zu verringern, der zu dem Energiespeicher 20 fließt. Alternativ kann das aktive Material des Aktors 38 ein zweistufiges aktives Material umfassen, wobei das aktive Material zwei Stufen umfasst. Die erste Stufe wird bei einer ersten Temperatur oder einem ersten Widerstand ausgelöst, um den Fahrzeugregler zu informieren, dass der Energiespeicher 20 sich dem vorgegebenen Wert nähert. Die zweite Stufe wird bei einer zweiten Temperatur oder einem zweiten Widerstand ausgelöst, die/der dem vorgegebenen Wert entspricht.
Unter Bezugnahme auf 3 und 4 ist eine alternative Ausführungsform der Reglerbaugruppe bei 50 gezeigt. Die alternative Ausführungsform der Reglerbaugruppe 50 ist besonders geeignet zum Regeln der Temperatur von mehreren der Energiespeicher 52, die in Reihe oder parallel zueinander angeordnet sind. Die alternative Ausführungsform der Reglerbaugruppe 50 umfasst einen Leistungsbus. Der Leistungsbus umfasst einen positiven Anschluss 54 und einen negativen Anschluss 56. Der positive Anschluss 54 und der negative Anschluss 56 sind zum Leiten, d. h. Bereitstellen eines elektrischen Stroms an jede Zelle des Energiespeichers 52 gestaltet. Wenn der Energiespeicher 52 einen Wasserstoffspeicher umfasst, dann entsprechen der positive Anschluss 54 und der negative Anschluss 56 den Zu- und Abflussleitungen für den Wasserstoff.
Die Reglerbaugruppe 50 umfasst weiterhin einen Kontakt 58. Der Kontakt 58 ist zwischen einer verbundenen Stellung, gezeigt in 3, und einer getrennten Stellung, gezeigt in 4, beweglich. Wenn er sich in der verbundenen Stellung befindet, koppelt der Kontakt 58 den Ladebus elektrisch mit den Zellenanschlüssen, um einen Stromfluss dazwischen zu ermöglichen. Wenn er sich in der getrennten Stellung befindet, wird der Kontakt 58 durch einen Wechselkontakt 66 (nachstehend beschrieben) ersetzt, der die Zelle von dem Leistungsbus 30 trennt und dadurch verhindert, dass der elektrische Strom in den oder aus dem Energiespeicher 52 fließt. Gleichermaßen ersetzt die Bewegung des Kontakt 58 aus der getrennten Stellung in die verbundene Stellung den Wechselkontakt 66 mit dem Kontakt 58, wodurch der Strom zwischen dem Ladebus und der Zelle wiederhergestellt wird und dadurch gestattet wird, dass der elektrische Strom in die oder aus der Zelle fließt. Im Fall eines Wasserstoffspeichers sind der Kontakt 58 und der Wechselkontakt 66 alternative Flussleitungen für Wasserstoff.
Die Reglerbaugruppe 50 umfasst weiterhin eine Vorspannungseinrichtung 60. Die Vorspannungseinrichtung 60 ist mit dem elektrisch isolierten Verbindungsstück 64 gekoppelt, das sowohl den Kontakt 58 als auch den Wechselkontakt 66 trägt. Die Vorspannungseinrichtung 60 ist zum Vorspannen des Kontakts 58 in die verbundene Stellung gestaltet. Die Reglerbaugruppe 50 umfasst weiterhin einen Aktor 62 aus aktivem Material. Der Aktor 62 aus aktivem Material ist mit dem Verbindungsstück 64 gekoppelt. Genauer gesagt, das Verbindungsstück 64 erstreckt sich zwischen dem Aktor 62 aus aktivem Material und der Vorspannungseinrichtung 60 und verbindet diese, wobei der Kontakt 58 an dem Verbindungsstück 64 befestigt ist.
Der Aktor 62 aus aktivem Material befindet sich in Wärmekontakt mit der Zelle 24 und ist so gestaltet, dass er den Kontakt 58 aus der verbundenen Stellung in die getrennte Stellung bewegt, wenn eine Temperatur des Energiespeichers 52 gleich einem oder größer als ein vorgegebener Wert ist. Der Aktor 62 aus aktivem Material ist zudem so gestaltet, dass er der Vorspannungseinrichtung 60 gestattet, den Kontakt 58 aus der getrennten Stellung in die verbundene Stellung zu bewegen, wenn die Temperatur des Energiespeichers geringer ist als der vorgegebene Wert. Folglich kuppelt sich der Aktor 62 aus aktivem Material ein, wenn die Temperatur der Zelle über den Vorgegebenen Wert steigt, und bewegt den Kontakt 58 in die getrennte Stellung, um eine Stromübertragung in den und aus dem Energiespeicher 52 zu verhindern, was eine mögliche Schädigung des Energiespeichers 52 aufgrund überhöhter Temperaturen verhindert. Wenn der Energiespeicher 52 abkühlt, kuppelt sich der Aktor 62 aus aktivem Material aus und gestattet der Vorspannungseinrichtung 60, den Kontakt 58 zurück in die Kopplung mit dem positiven Anschluss 54 und dem negativen Anschluss 56 zu bewegen, um eine Stromübertragung in den und aus dem Energiespeicher 52 wiederherzustellen und dadurch den Betrieb des Energiespeichers 52 wiederherzustellen. Wenn das aktive Material durch einen alternativen Stimulus, d. h. einen von der Temperatur verschiedenen Stimulus (z. B. pH-Wert oder Ionenkonzentration der Zelle 24) aktiviert wird, werden, wie oben beschrieben, geeignete Überträger zum Übertragen des Stimulus zu dem aktiven Material bereitgestellt. Wenn der Aktor 62 z. B. ein formveränderndes Polymer umfasst, dass sich als Reaktion auf die Konzentration einer bestimmten Sorte von Ionen, (die Teil des Lade- bzw. Entladevorgangs sind), zusammenzieht, wird das formverändernde Polymerelement in innigem physikalischen Kontakt mit dem Teil der Zelle angeordnet, der die Ionen enthält.
Das Verbindungsstück 64 umfasst weiterhin den Wechselkontakt 66. Der Wechselkontakt 66 ist so gestaltet, dass er sowohl den positiven Bus 54 als auch den negativen Bus 65 einkuppelt, wenn der Kontakt 58 sich in der getrennten Stellung befindet. Der elektrische Widerstand, den der Wechselkontakt 66 dem Stromfluss zwischen dem positiven Anschluss 54 und dem negativen Anschluss 56 des Ladebusses bietet, kann so ausgewählt werden, dass er einen Wert annimmt, der mit der Gestaltung der Zellen und dem Ladekreis verträglich ist. Speziell wird, wenn die Zelle in Reihe mit Nachbarzellen durch eine Ladequelle mit konstanter Spannung geladen wird, der Wechselkontakt 66 so gewählt, dass er dem Stromfluss einen geringen oder keinen Widerstand bietet, um die überhitzte Zelle faktisch „kurzzuschließen”. Wenn andererseits die Zelle in Parallelschaltung mit den Nachbarzellen durch eine konstante Spannungsquelle elektrisch geladen wird, wird der Wechselkontakt 66 so gewählt, dass er elektrisch isolierend ist, um so die überhitzte Zelle faktisch „im Leerlauf” laufen zu lassen. Falls es im Voraus nicht bekannt ist, ob die Zelle in Reihe mit oder parallel zu den benachbarten Zellen elektrisch geladen wird, kann der elektrische Widerstand, der durch den Wechselkontakt 66 geboten wird, so gewählt werden, dass er den Wert des idealen Widerstand der Zelle (d. h. neue Zelle, nicht überhitzt, während des Ladens) annimmt. Anhand der genauen Gestaltung des Ladekreises und der Position der überhitzten Zelle im Bezug auf die anderen Zellen können noch andere Werte für den elektrischen Widerstands des Wechselkontakts festgesetzt werden. Folglich moduliert der Wechselkontakt 66 den elektrischen Stromfluss aus dem positiven Anschluss 54 zu dem negativen Anschluss 56, wenn der Kontakt 58 sich in der getrennten Stellung befindet, während er den Elektrizitätsspeicher 52 von dem Ladebus isoliert. In einer ähnlichen Weise kann der Wechselkontakt bei Wasserstoffspeichern gestatten, dass eine bestimmte Zelle vollständig überbrückt oder abgedichtet wird, oder dem Wasserstoffstrom einen modulierten Widerstand bieten, der typisch für eine neue Zelle ist.
Das Verbindungsstück 64 umfasst eine elektrisch nichtleitende Isolationsschicht 68, die den Wechselkontakt 66 umgibt und isoliert. Die nichtleitende Isolationsschicht 68 kann jedes für die spezifische Anwendung geeignete Material umfassen, das Stromübertragung zwischen dem Kontakt 58 und dem Wechselkontakt 66 verhindert. Für einen Wasserstoffspeicher stellen der Kontakt 58 und der Wechselkontakt 66 alternative Flussleitungen dar, die nicht miteinander verbunden sind.
Unter Bezugnahme auf 5 und 6, ist eine zweite alternative Ausführungsform des Ladereglers schematisch bei 70 gezeigt. 5 zeigt den Laderegler 70 in der verbundenen Stellung und 6 zeigt den Laderegler 70 in der getrennten Stellung. Der Laderegler 70 ist in eine Zelle 72 eines Energiespeichers eingebaut. Der Laderegler 70 umfasst einen oberen Kontakt 76, der benachbart und gegenüber von einem unteren Kontakt 78 angeordnet ist. Der obere Kontakt 76 kann für einen elektrischen Kontakt mit einem Lade- bzw. Entladebus (nicht gezeigt) zum Übertragen eines elektrischen Stroms zu der und/oder aus der Zelle 72 gestaltet sein. Der untere Kontakt 78 ist in elektrischem und Wärmekontakt mit einem Elektrolyt 80. Die verbundene Stellung gestattet Stromfluss zwischen dem oberen Kontakt 76 und dem unteren Kontakt 78. Die getrennte Stellung verhindert Stromfluss zwischen dem oberen Kontakt 76 und dem unteren Kontakt 78. Im Fall eines Wasserstoffspeichers stellt 5 eine offene Fließverbindung zwischen der Zell 72 (verbunden mit dem unteren Kontakt 78) und dem Leistungsbus (verbunden mit dem oberen Kontakt 76) dar, während 6 den Fall darstellt, wenn die Fließverbindung geschlossen ist.
Der Laderegler 70 umfasst weiterhin mindestens eine, aber bevorzugt ein Paar von Vorspannfedern 82. Die Vorspannfedern 82 sind zwischen dem oberen Kontakt 76 und dem unteren Kontakt 87 angeordnet und neigen dazu, den oberen Kontakt 76 und den unteren Kontakt 78 durch Vorspannen auseinander zu halten. Der Laderegler 70 umfasst weiterhin ein oberes Magnetelement 84 und ein unteres Magnetelement 86. Das untere Magnetelement 86 umfasst ein thermoreguliertes Magnetelement. Das thermoregulierte Magnetelement umfasst einen Curie-Punkt, unterhalb dessen sich das thermoregulierte Magnetelement in einem ferromagnetischen Zustand befindet und oberhalb dessen sich das thermoregulierte Magnetelement in einem paramagnetischen Zustand befindet. Es ist zu bemerken, dass das thermoregulierte Magnetelement von einem anderen Magneten angezogen wird, wenn das thermoregulierte Magnetelement sich in dem ferromagnetischen Zustand befindet, und das thermoregulierte Magnetelement von einem anderen Magneten nicht angezogen wird, wenn das thermoregulierte Magnetelement sich in dem paramagnetischen Zustand befindet.
Das obere Magnetelement 84 ist an dem oberen Kontakt 76 befestigt, und das untere Magnetelement 86 ist an dem unteren Kontakt 78 befestigt. Das obere Magnetelement 84 und das untere Magnetelement 86 erzeugen eine magnetische Kraft zwischen sich, die den oberen Kontakt 76 und den unteren Kontakt 78 zusammenzieht, wenn sich das untere Magnetelement sich in dem ferromagnetischen Zustand befindet, der eintritt, wenn die Temperatur der Zelle 72 unterhalb des Curie-Punkts des unteren Magnetelements 86 liegt. Das obere Magnetelement 84 kann einen Magneten mit einem Curie-Punkt umfassen, der weit über der normalen Betriebsbedingung der Zelle 72 liegt, um zu gewährleisten, dass das obere Magnetelement ununterbrochen in dem ferromagnetischen Zustand arbeitet. Der Curie-Punkt des unteren Magnetelements 86 ist jedoch so eingestellt, dass er annähernd gleich einer Überhitzungstemperatur der Zelle 72 ist. Folglich bleibt, wie in 5 gezeigt, wenn die Temperatur der Zelle 72 unterhalb der Überhitzungstemperatur liegt, das untere Magnetelement 86 in dem ferromagnetischen Zustand, und die magnetische Kraft, die zwischen dem oberen Magnetelement 84 und dem unteren Magnetelement 86 erzeugt wird, überwindet die durch die Vorspannfedern 82 erzeugte Vorspannkraft, um den oberen Kontakt 76 und den unteren Kontakt 78 in die verbundene Stellung zu bewegen. Wenn jedoch die Temperatur der Zelle 72 auf oder über die Überhitzungstemperatur steigt, steigt die Temperatur des unteren Magnetelements 86 auf oder über den Curie-Punkt des unteren Magnetelements und bewirkt dadurch, dass das untere Magnetelement in den paramagnetischen Zustand übergeht. Sobald sich das untere Magnetelement in dem paramagnetischen Zustand befindet, wird die magnetische Kraft zwischen dem oberen Magnetkontakt 84 und dem unteren Magnetkontakt 86 verringert oder beseitigt; dies gestattet es der Vorspannkraft der Vorspannfedern 82, den oberen Kontakt 76 und den unteren Kontakt in die getrennte Stellung zu bewegen, die in 6 gezeigt ist. Wenn die Temperatur der Zelle 72 unter die Überhitzungstemperatur fällt, geht das untere Magnetelement 86 wieder in den ferromagnetischen Zustand über und stellt so die magnetische Kraft zwischen dem oberen Magnetelement 84 und dem unteren Magnetelement 86 wieder her, wodurch bewirkt wird, dass der obere Kontakt 76 und der untere Kontakt 78 sich zurück in die verbundene Stellung bewegen. Bei Wasserstoffspeichern überwindet die Anziehungskraft zwischen dem unteren Magnetelement 86 und dem oberen Magnetelement 84 die Vorspannkraft der Vorspannfedern 82, um den Gaskanal zwischen der Zelle 72 und dem Leistungsbus offen zu halten, solange die Temperatur der Zelle 72, und damit jene des unteren Magnetelements 86, [niedriger ist als] der Curie-Punkt des unteren Magnetelements 86. Wenn die Temperatur der Zelle 72 über den Curie-Punkt des unteren Magnetelements 86 steigt, wird dieses paramagnetisch und die Vorspannkraft der Vorspannfedern 82 drückt den unteren Kontakt 78 von dem oberen Kontakt 76 weg, um so den Gaskanal zwischen der Zelle 72 und dem Leistungsbus zu schließen.
Bevorzugt umfasst das aktive Material des Aktors 62 aus aktivem Material eine Formgedächtnislegierung. Das aktive Material kann jedoch ein anderes aktives Material umfassen. Geeignete aktive Materialien umfassen, sind aber nicht begrenzt auf, Formgedächtnislegierungen (SMA), elektroaktive Polymere, formverändernde Polymere und thermoregulierte Magnetelemente.
Geeignete Formgedächtnislegierungen können einen Einweg-Formgedächtniseffekt zeigen, einen intrinsischen Zweiweg-Effekt oder einen extrinsischen Zweiweg-Formgedächtniseffekt, abhängig von der Legierungszusammensetzung und der Verarbeitungsgeschichte. Die beiden Phasen, die in Formgedächtnislegierungen auftreten, werden oft als Mertensit- bzw. Austenit-Phase bezeichnet. Die Martensit-Phase ist eine verhältnismäßig weiche und leicht verformbare Phase der Formgedächtnislegierungen, die im Allgemeinen bei niedrigeren Temperaturen vorliegt. Die Austenit-Phase, die stärkere Phase von Formgedächtnislegierungen, tritt bei höheren Temperaturen auf. Formgedächtnismaterialien, die aus Formgedächtnislegierungszusammensetzungen gebildet werden, die einen Einweg-Formgedächtniseffekt zeigen, bilden sich nicht automatisch zurück, und erfordern, abhängig von der Gestaltung des Formgedächtnismaterials, voraussichtlich eine externe mechanische Kraft, um die zuvor gezeigte Formausrichtung zurückzubilden. Formgedächtnismaterialien, die einen intrinsischen Formgedächtniseffekt zeigen, sind aus einer Formgedächtnislegierungszusammensetzung hergestellt, die [bewirkt, dass sie] sich automatisch selbst zurückbilden.
Die Temperatur, bei der die Formgedächtnislegierung bei Erwärmen seine Hochtemperaturform annimmt, kann durch geringfügige Änderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch Wärmebehandlung angepasst werden. Bei Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen z. B. kann sie im Bereich von oberhalb von ca. 100°C bis unterhalb von ca. –100°C verändert werden. Der Formrückbildungsprozess tritt in einem Bereich von nur wenigen Grad auf, und der Beginn bzw. das Ende der Umwandlung können auf einen Bereich von innerhalb ein oder zwei Grad gesteuert werden, abhängig von der gewünschten Anwendung und der Legierungszusammensetzung. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung ändern sich über den Temperaturbereich, über den sich ihre Umwandlung erstreckt, stark und verleihen dem Formgedächtnismaterial typischerweise sowohl Formgedächtniseffekte als auch eine hohe Dämpfungsfähigkeit. Die hohe Eigendämpfungsfähigkeit der Formgedächtnislegierungen kann verwendet werden, um die energieabsorbierenden Eigenschaften weiter zu erhöhen.
Geeignete Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen, ohne Einschränkung, auf Nickel-Titan basierende Legierungen, auf Indium-Titan basierende Legierungen, auf Nickel-Aluminium basierende Legierungen, auf Nickel-Gallium basierende Legierungen, auf Kupfer basierende Legierungen (z. B. Kupfer-Zink-Legierungen, Kupfer-Aluminium-Legierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinn-Legierungen), auf Gold-Cadmium basierende Legierungen, auf Silber-Cadmium basierende Legierungen, auf Indium-Cadmium basierende Legierungen, auf Mangan-Kupfer basierende Legierungen, auf Eisen-Platin basierende Legierungen, auf Eisen-Palladium basierende Legierungen und dergleichen. Die Legierungen können binär, ternär, oder von beliebig höherer Ordnung sein, solange die Legierungszusammensetzung einen Formgedächtniseffekt zeigt, z. B. eine Änderung der Formausrichtung, der Dämpfungsfähigkeit und dergleichen. Beispielsweise ist eine auf Nickel-Titan basierende Legierung im Handel unter dem Warenzeichen NITINOL von Shape Memory Applications Inc. erhältlich.
Thermotrope flüssigkristalline Elastomere (liquid cristall elastomers, LCE) umfassen nematische flüssigkristalline Elastomere, die steife stäbchenartige molekulare Strukturelemente umfassen, die als Mesogene bezeichnet werden, die eine Orientierungsordnung aufweisen und in die Seitenketten und/oder das Rückgrad eines Elastomers eingegliedert sind, was zu der Bildung von Seitenketten- und/oder Hauptketten-LCE führt. Bei einem nematischen Einzelkristall-(oder Monodomänen-)LCE sind alle Mesogene im Bezug auf eine gemeinsame Achse, die als Direktor bezeichnet wird, in einer (im Durchschnitt) festen Neigung orientiert. Thermotrope LCE durchlaufen thermisch getriebene Phasenübergänge. Ein langer, dünner und schmaler Probekörper eines thermotropen Einzelkristall-Hauptketten-LCE weist bei Temperaturen unterhalb einer charakteristischen Temperatur, die als die T_n,i (nematisch-isotrope Phasenübergangstemperatur) bezeichnet wird, eine Grundlänge auf, die entlang des Direktors gemessen wird. Die nematische Ordnung der Mesogene beeinflusst die Konformationen der Polymerketten in dem Probenkörper und damit seine Grundlänge. Das Erwärmen des Probenkörpers auf eine Temperatur oberhalb der T_n,i führt zu einem nematisch-isotropen Phasenübergang. Die Mesogene verlieren die gesamte oder den Großteil ihrer Mittel- bis Fernordnung in der isotropen Phase, die daher Mesogene mit zufällig verteilten Orientierungen umfasst. Der Ordnungsverlust spiegelt sich in der Veränderung der Konformation der Polymerketten wider, die wiederum zu einer Änderung der makroskopischen Dimensionen des Probenkörpers führt. Typischerweise ist die Länge des Probenkörpers in der isotropen Phase geringer als seine Grundlänge. Somit können thermotrope nematische LCE als thermisch getriebene (kontraktile) Aktoren verwendet werden.
Das Verhalten kann man sich so vorstellen, dass die Mesogenanordnung ein Gerüst ergibt, das die Polymerkette „dehnt”, die an das Gerüst angeheftet ist. Wenn die Anordnung zerstört wird, bricht das Gerüst (nahezu vollständig) zusammen und bewirkt dadurch, dass der Polymerprobenkörper sich zusammenzieht. In der isotropen Phase verhält sich das LCE wie ein gewöhnliches Elastomer wie z. B. Gummi.
Elektroaktive Polymere (EAP) umfassen jene Polymermaterialien, die piezoelektrische, pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften als Reaktion auf elektrische oder mechanische Felder zeigen. Die Materialien erfordern im Allgemeinen die Anwendung von nachgiebigen Elektroden, die es den Polymerfilmen gestatten, sich als Reaktion auf angelegte elektrische Felder oder mechanische Belastungen in den Richtungen einer Ebene auszudehnen oder zusammenzuziehen. Ein Beispiel ein elektrostriktives Pfropfelastomer mit einem piezolektrischen Poly(vinylidenfluoridtrifluorethylen)copolymer. Diese Kombination besitzt die Fähigkeit, verschiedene ferroelektrisch-elektrostriktive molekulare Verbundstoffsysteme zu erzeugen. Diese können als piezoelektrischer Sensor oder sogar als elektrostriktiver Aktor betrieben werden. Die Aktivierung eines EAP-Elements verwendet bevorzugt ein elektrisches Signal, um eine Änderung der Formausrichtung bereitzustellen, die hinreichend ist, um eine Verschiebung bereitzustellen. Das Umkehren der Polarität der an das EAP angelegten Spannung kann einen reversiblen Verschlussmechanismus bereitstellen.
Materialien, die zur Anwendung als das elektroaktive Polymer geeignet sind können jedes im Wesentlichen isolierende Polymer oder Gummi (oder Kombinationen davon) umfassen, das sich als Reaktion auf eine elektrostatische Kraft verformt oder deren Verformung in einer Änderung im elektrischen Feld resultiert. Beispielhafte Materialien, die zur Verwendung als ein vorverformtes Polymer geeignet sind, umfassen Siliconelastomere, Acrylelastomere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere, die PVDF umfassen, druckempfindliche Klebstoffe, Fluorelastomere, Silicon- und Acrylgruppen-haltige Polymere und dergleichen. Silicon- und Acrylgruppen-haltige Polymere können z. B. Silicon- und Acrylgruppen-haltige Copolymere umfassen sowie Polymergemische, die ein Siliconelastomer und ein Acrylelastomer umfassen.
Materialien, die als ein elektroaktives Polymer verwendet werden, können anhand einer oder mehrerer Materialeigenschaften ausgewählt werden, wie z. B. eine hohe Durchbruchsfeldstärke, ein niedriges Elastizitätsmodul (für große oder kleine Verformungen), eine hohe Dielektrizitätskonstante und dergleichen. In einer Ausführungsform wird das Polymer so ausgewählt, dass es ein Elastizitätsmodul von höchstens ca. 100 MPa hat. In einer anderen Ausführungsform wird das Polymer so ausgewählt, dass es einen maximalen Stelldruck zwischen ca. 0,05 MPa und ca. 10 MPa hat und bevorzugt zwischen ca. 0,3 MPa und ca. 3 MPa. In einer anderen Ausführungsform wird das Polymer so ausgewählt, dass es eine Dielektrizitätskonstante zwischen ca. 2 und ca. 20 hat und bevorzugt zwischen ca. 2,5 und ca. 12. Die vorliegende Offenbarung soll nicht auf diese Bereiche beschränkt sein. Idealerweise wären Materialien mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als in den vorstehend genannten Bereichen wünschenswert, wenn die Materialien sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante als auch eine hohe dielektrische Festigkeit aufwiesen. In vielen Fällen können elektroaktive Polymere als dünne Filme hergestellt und installiert werden. Geeignete Dicken für diese dünnen Filme können unterhalb von 50 μm liegen.
Da starke Dehnungen zum Auslenken von elektroaktiven Polymeren führen können, sollten an den Polymeren befestigte Elektroden ebenfalls ausgelenkt werden, ohne dass die mechanische oder elektrische Funktionsfähigkeit beeinträchtigt wird. Im Allgemeinen können zur Verwendung geeignete Elektroden von jeder Form und aus jedem Material sein, unter der Voraussetzung, dass sie in der Lage sind, ein elektroaktives Polymer mit einer geeigneten Spannung zu versorgen oder eine geeignete Spannung von einem elektroaktiven Polymer zu beziehen. Die Spannung kann entweder konstant sein oder sich mit der Zeit ändern. In einer Ausführungsform haften die Elektroden an einer Oberfläche des Polymers. Elektroden, die an dem Polymer haften, sind bevorzugt nachgiebig und passen sich an die sich ändernde Form des Polymers an. Folglich kann die vorliegende Offenbarung nachgiebige Elektroden umfassen, die sich an die Form eines elektroaktiven Polymers, an dem sie befestigt sind, anpassen. Die Elektroden können auf nur einem Teil eines elektroaktiven Polymers aufgetragen sein und entsprechend ihrer geometrischen Anordnung einen aktiven Bereich definieren. Verschiedene Arten von geeigneten Elektroden zur Verwendung mit der vorliegenden Offenbarung umfassen strukturierte Elektroden, die Metallspuren und Ladungsverteilungsschichten umfassen, texturierte Elektroden, die unterschiedliche Dimensionen in versetzten Ebenen umfassen, leitfähige Fette, wie z. B. Kohlenstofffette oder Silberfette, Kolloidsuspensionen, leitfähige Materialien mit hohem Geometrieverhältnis, wie z. B. Kohlenstofffasern und Kohlenstoffnanoröhren, sowie Gemische aus ionenleitfähigen Materialien.
Geeignete magnetische Materialien umfassen, sollen aber nicht beschränkt sein auf, weiche oder harte Magnete, Hämatit, Magnetit, magnetische Materialien basierend auf Eisen, Nickel und Kobalt, Legierungen der vorgenannten Materialien oder Kombinationen, die mindestens eins der vorgenannten Materialien umfassen, und dergleichen. Legierungen aus Eisen, Nickel und/oder Kobalt können Aluminium, Silicon, Kobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer enthalten.
Geeignete thermoregulierte Magnetelemente umfassen einen Curie-Punkt für das ferromagnetische Material, der die Temperatur darstellt, oberhalb derer das Material paramagnetisch wird. Eine Probe dieses Materials wird von einem Magneten angezogen, solange das Material sich unterhalb seines Curie-Punkts befindet. Wenn die Temperatur des Materials über den Curie-Punkt ansteigt, wird es paramagnetisch und wird nicht länger von dem Magneten angezogen. Wenn das Material unter seinen Curie-Punkt abkühlt, kehrt es in seinen ferromagnetischen Zustand zurück und wird wieder von dem Magneten angezogen. Dieses „Thermoregulationsverhalten” kann verwendet werden, um Batteriekontakte und Fließkanäle zu gestalten, die auf einen Anstieg der Zellentemperatur reagieren, indem sie eingreifen, um dem Temperaturanstieg entgegenzuwirken.
Zwei Dinge sind wesentlich bei dem gewählten thermoregulierten ferromagnetischen Material. Erstens sollte der Curie-Punkt entweder mit der kritischen Temperatur übereinstimmen, die für die Batterieanwendung benötigt wird, oder der Curie-Punkt des Materials sollte durch Änderung seiner Zusammensetzung anpassbar sein. Zweitens sollte das Material auf Wärme reagieren, die nur innerhalb der Zelle erzeugt wird (d. h. es sollten keine anderen Störmechanismen zur Erwärmung vorhanden sein, wie z. B. Wirbelstromerwärmung). Der Curie-Punkt einer Klasse von ferromagnetischen Materialien, Nickel-Zink-Ferriten [Ni_(1-x)Zn_xFe₂O₄], ist bekanntermaßen durch Zinksubstitution anpassbar – das Heraufsetzen des Zinkgehalts (d. h. x in der vorstehenden allgemeinen Formel) zulasten des Nickels setzt den Curie-Punkt herab. Diese Materialien zeigen zudem thermische Selbstregulierung, haben einen hohen elektrischen Widerstand, der Wirbelstromerwärmung minimiert, und sind umweltbeständig. Daher sind sie mögliche Kandidaten für die vorliegende Anwendung.
Während die besten Ausführungsformen der Erfindung ausführlich beschrieben wurden, sind für Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung verschiedene alternativer Gestaltungen und Ausführungsformen zum Ausführen der Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der anhängenden Patentansprüche erkennbar.

Claims

Reglerbaugruppe zum Regeln eines Ladevorgangs für einen Energiespeicher, welche Folgendes umfasst: einen Leistungsbus, der zum Regeln eine Ladeflusses zu dem Energiespeicher gestaltet ist, einen Kontakt, der zwischen einer verbundenen Stellung und einer getrennten Stellung beweglich ist, wobei der Kontakt mit dem Leistungsbus gekoppelt ist, wenn er sich in der verbundenen Stellung befindet, um den Ladefluss zu dem Energiespeicher zu gestatten, und der Kontakt von dem Leistungsbus entkoppelt ist, wenn er sich in der getrennten Stellung befindet, um den Ladefluss zu dem Energiespeicher zu verhindern, eine Vorspannungseinrichtung, die mit dem Kontakt gekoppelt ist und zum Vorspannen des Kontakts in eine von der verbundenen Stellung und der getrennten Stellung gestaltet ist, und einen Aktor, der mit dem Kontakt gekoppelt ist und zum Bewegen des Kontakts aus der einen von der verbundenen Stellung und der getrennten Stellung in die andere von der verbundenen Stellung und der getrennten Stellung gestaltet ist, wenn ein Rückkopplungssignal aus dem Energiespeicher gleich einem oder größer als ein vorgegebener Wert ist.
Reglerbaugruppe nach Anspruch 1, wobei das Rückkopplungssignal eines von einer Temperatur des Energiespeichers, einem pH-Wert des Energiespeichers und einem Widerstand des Energiespeichers umfasst.
Reglerbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der Aktor ein aktives Material umfasst, das so gestaltet ist, dass es den Kontakt bewegt, wenn es auf den vorgegebenen Wert erwärmt oder abgekühlt wird,.
Reglerbaugruppe nach Anspruch 2, wobei das aktive Material eines von einem Formgedächtnispolymer, einem thermoregulierten Magnetelement, einem elektroaktivem Polymer, einem thermotropen flüssigkristallinen Elastomer und einem formverändernden Polymer umfasst.
Reglerbaugruppe nach Anspruch 1, die weiterhin ein Verbindungsstück umfasst, das den Aktor und den Kontakt miteinander verbindet.
Reglerbaugruppe nach Anspruch 5, wobei das Verbindungsstück einen Wechselschalter umfasst, der so ausgelegt ist, dass er den Leistungsbusses einkuppelt, wenn der Kontakt sich in der getrennten Stellung befindet, zum Leiten des Ladeflusses aus dem Leistungsbus zu einer anderen Vorrichtung.
Reglerbaugruppe nach Anspruch 6, wobei der Wechselschalter ein nichtleitendes Isoliermaterial umfasst.
Reglerbaugruppe nach Anspruch 1, die weiterhin eine Basis umfasst, die gegenüber dem Kontakt angeordnet ist und wobei die Vorspannungseinrichtung zwischen dem Kontakt und der Basis angeordnet ist.
Reglerbaugruppe nach Anspruch 8, die weiterhin eine Sonde umfasst, die an der Basis befestigt ist und sich daraus fortsetzt, zum Erfassen eines Stimulus des Energiespeichers, wobei der Aktor innerhalb der Sonde angeordnet ist.