Гибридная батарея

В изобретении предложена гибридная батарея. Гибридная батарея включает в себя основной источник питания и вспомогательный источник питания, подключенный параллельно основному источнику питания. Вспомогательный источник питания представляет собой конденсатор с двойным электрическим слоем, включающий в себя электрод на основе активированного угля. 014146 Область техники Настоящее изобретение относится к гибридной батарее высокой мощности, способной к разрядке переходным сильноточным импульсом, а конкретнее, к гибридной батарее высокой мощности, имеющей характеристики разряда сильноточным импульсом и длительного срока службы посредством гибридизации высокомощного конденсатора с двойным электрическим слоем, обладающего большой площадью поверхности, с параллельно включенной литиевой первичной батареей. Уровень техники За последнее время беспроводные системы связи значительно развились, тип мобильных приборов и оборудования изменился с аналогового на цифровой, а их функции стали значительно более сложными. В ответ на эту тенденцию от приборов беспроводной мобильной связи требуются такие характеристики, как высокая мощность, небольшой вес и тонкое конструктивное исполнение, низкая себестоимость единицы продукции, а особенно высокие переходные импульсные токи, протекающие в них для беспроводной передачи данных. Глобальная система мобильной связи (GSM) требует сильноточных импульсов в приблизительно 2 А и приблизительно 500 мкс. Помимо мобильных приборов при беспроводной связи характеристик переходных сильноточных импульсов требуют обычно и системы автоматического считывания показаний счетчиков (AMR). Были созданы системы AMR, способные считывать показания счетчиков беспроводным путем, поскольку измерительные счетчики, такие как водомер, изменились на цифровые. Источник питания, применяемый в системах AMR, должен характеризоваться высокой мощностью и долговечностью работы, что соответствует сильноточному импульсу, аналогично приборам беспроводной мобильной связи. Кроме того, так как системы AMR обычно устанавливаются вне помещений, в отличие от мобильных приборов, очень важно получить характеристики в широком диапазоне температур. Раскрытие изобретения Техническая проблема В традиционной системе с одной единственной батареей, которая является источником питания для мобильных приборов или систем AMR, характеризующихся сильноточными импульсами, собственное сопротивление из-за разряда высоким током генерирует падение напряжения, тем самым уменьшая напряжение питания, и из-за разряда высоким током существует ограничение по продолжительности срока службы. Это значительно увеличивает стоимость замены батареи. По этой причине внимание привлек вспомогательный источник питания для обеспечения переходной высокой мощности при использовании батареи в качестве основного источника питания. Когда вспомогательный источник питания для обеспечения переходной высокой мощности параллельно гибридизируют с батареей, служащей в качестве основного источника питания, к батарее прикладывается небольшая нагрузка. Соответственно, срок службы батареи значительно увеличивается и реализуется миниатюризация батареи, уменьшая себестоимость единицы продукции. На фиг. 1 представлена принципиальная схема гибридной батареи в соответствии с предшествующим аналогом 1. Обращаясь к фиг. 1, гибридная батарея 1 включает в себя первичную батарею 2 и обмоточный конденсатор 3, включенный параллельно первичной батарее 2 и работающий как вспомогательный источник питания. Обмоточный конденсатор 3 включает в себя электродную структуру, сформированную металлической пластиной, и имеет очень низкую плотность энергии по сравнению с конденсатором с двойным электрическим слоем (ДЭС-конденсатором), включающим в себя электрод на основе активированного угля. Здесь первичная батарея 2 имеет напряжение на зажимах V и собственное сопротивление Rb, а обмоточный конденсатор 3 имеет емкость С 3 и собственное сопротивление R3. Так как собственное сопротивление R3 обмоточного конденсатора 3 меньше, чем собственное сопротивление Rb первичной батареи 2, гибридная батарея 1 более выгодна по сильноточным импульсам, чем использование только первичной батареи 2. Однако емкость С 3 обмоточного конденсатора 3 составляет менее чем несколько сотен мкФ и, таким образом, имеет ограничения по использованию в системе AMR с длительностью импульсов в несколько десятков миллисекунд. На фиг. 2 представлена принципиальная схема гибридной батареи в соответствии с предшествующим аналогом 2. Обращаясь к фиг. 2, гибридная батарея 4 включает в себя первичную батарею 2 и таблеточный конденсатор 5 с двойным электрическим слоем, используемый в качестве вспомогательного источника питания и подключенный параллельно первичной батарее 2. Емкость С 5 таблеточного конденсатора 5 с двойным электрическим слоем составляет несколько сотен мФ, что в несколько сотен раз больше, чем емкость обмоточного конденсатора 3 по фиг. 1, и, таким образом, достаточно для импульса. Однако таблеточный конденсатор 5 с двойным электрическим слоем имеет небольшую площадь электрода, ограничиваемую размером ячейки, и в такой структуре не может одновременно переноситься большое количество электрических зарядов. Поэтому таблеточный конденсатор 5 с двойным электрическим слоем имеет очень большое собственное сопротивление R5 в несколько десятков Ом, что является невыгодным по отношению к разряду сильноточным импульсом.-1 014146 На фиг. 3 представлена принципиальная схема гибридной батареи в соответствии с предшествующим аналогом 3. Обращаясь к фиг. 3, гибридная батарея 6 включает в себя первичную батарею 2 и высокомощную вторичную батарею 7, используемую в качестве вспомогательного источника питания. Емкость С 7 высокомощной вторичной батареи 7 в несколько сотен раз больше, чем емкость C5 таблеточного конденсатора 5 с двойным электрическим слоем. Кроме того, собственное сопротивление R7 вторичной батареи 7 имеет характеристику высокой мощности, соответствующую нескольким сотням мОм, из-за тонкопленочной конструкции электрода. Таким образом, гибридная батарея 6 представляет собой улучшенную систему по сравнению с гибридными батареями 1 и 4, представленными на фиг. 1 и 2. Однако, хотя вторичная батарея имеет прекрасные емкостные характеристики при химической реакции, вторичная батарея не может нормально работать в течение небольшого времени менее нескольких сотен миллисекунд, тем самым резко уменьшается ее емкость. В особенности вторичная батарея не может работать при -40 С, т.е. температурных условиях при использовании установленной вне помещения системы AMR, и таким образом имеет ограничения по применению. Техническое решение Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить гибридную батарею, которая удовлетворяет различным импульсным режимам в широком диапазоне температур, включая -40 С, путем использования первичной батареи, включающей в себя первичную батарею в качестве основного источника питания и высокомощный конденсатор с двойным электрическим слоем в качестве вспомогательного источника питания. Выгодные эффекты Гибридная батарея согласно настоящему изобретению включает в себя первичную батарею в качестве основного источника питания и высокомощный конденсатор с двойным электрическим слоем в качестве вспомогательного источника питания и может использоваться для различного оборудования беспроводной связи, такого как глобальная система мобильной связи, и системы автоматического считывания показаний счетчиков. При этом, так как потребление тока может быть значительно снижено и может выдаваться номинальное напряжение, такая гибридная батарея может обеспечивать электропитание стабильно в течение долгого времени и может использоваться в широком диапазоне температур. Краткое описание чертежей На фиг. 1 представлена принципиальная схема гибридной батареи в соответствии с предшествующим аналогом 1; на фиг. 2 - принципиальная схема гибридной батареи в соответствии с предшествующим аналогом 2; на фиг. 3 - принципиальная схема гибридной батареи в соответствии с предшествующим аналогом 3; на фиг. 4 - принципиальная схема гибридной батареи в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения; на фиг. 5 - вид, иллюстрирующий структуру пакетного конденсатора с двойным электрическим слоем, применяемого в одном варианте реализации настоящего изобретения; на фиг. 6 - вид, иллюстрирующий структуру обмоточного конденсатора с двойным электрическим слоем, применяемого в одном варианте реализации настоящего изобретения; на фиг. 7 - график, показывающий характеристики падения напряжения в сравнительных примерах 1-3 и варианте реализации в эксперименте 1 для иллюстрирования эффекта настоящего изобретения; на фиг. 8 - график, показывающий потребление тока первичной батареи в сравнительных примерах 1-3 и варианте реализации в эксперименте 1 для иллюстрации эффекта настоящего изобретения; на фиг. 9 - график, показывающий характеристики падения напряжения в сравнительных примерах 1-3 и варианте реализации в эксперименте 2 для иллюстрации эффекта настоящего изобретения; на фиг. 10 - график, показывающий потребление тока первичной батареи в сравнительных примерах 1-3 и варианте реализации в эксперименте 2 для иллюстрации эффекта настоящего изобретения; на фиг. 11 - график, показывающий характеристики падения напряжения в сравнительных примерах 1-3 и варианте реализации в эксперименте 3 для иллюстрации эффекта настоящего изобретения; на фиг. 12 - график, показывающий потребление тока первичной батареи в сравнительных примерах 1-3 и варианте реализации в эксперименте 3 для иллюстрации эффекта настоящего изобретения; на фиг. 13 - график, показывающий характеристики падения напряжения в сравнительных примерах 1-3 и варианте реализации в эксперименте 4 для иллюстрации эффекта настоящего изобретения; на фиг. 14 - график, показывающий потребление тока первичной батареи в сравнительных примерах 1-3 и варианте реализации вэксперименте 4 для иллюстрации эффекта настоящего изобретения. Наилучший вариант реализации изобретения Для достижения вышеуказанных цели и преимуществ предложена гибридная батарея, включающая в себя основной источник питания и вспомогательный источник питания, подключенный параллельно основному источнику питания, причем гибридная батарея включает в себя в качестве вспомогательного источника питания конденсатор с двойным электрическим слоем, включающий в себя электрод на осно-2 014146 ве активированного угля. Основной источник питания может представлять собой литий-тионил-хлоридную батарею в качестве первичной (неперезаряжаемой) батареи. Электрод на основе активированного угля может содержать слой активного материала толщиной 10-40 мкм. Электрод на основе активированного угля может содержать 25-50 мас.% проводящего материала в расчете на общее содержание твердых веществ. Конденсатор с двойным электрическим слоем может быть пакетным или обмоточным. Вспомогательный источник питания может представлять собой множество соединенных друг с другом конденсаторов с двойным электрическим слоем. Теперь будут подробно описаны предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи. На фиг. 4 представлена принципиальная схема гибридной батареи в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, а на фиг. 5 представлен вид, иллюстрирующий структуру конденсатора с двойным электрическим слоем по фиг. 4. Обращаясь к фиг. 4, гибридная батарея 10 включает в себя первичную батарею 11 и конденсатор 12 с двойным электрическим слоем, включенный параллельно первичной батарее 11 и использующийся в качестве вспомогательного источника питания. В качестве первичной батареи 11 могут использоваться широко применяемые первичные батареи,но предпочтительно использовать катушечную литий-тионил-хлоридную батарею, которая включает в себя металлический литий с высокой плотностью энергии, угольный электрод, выполненный катушечным по типу, и неорганический электролит хлорида тионила (SOCl2). Катушечная литий-тионил-хлоридная батарея может выдавать ток в широком диапазоне температур в течение долгого времени за счет наличия высокой плотности энергии и прекрасной низкотемпературной работы и таким образом пригодна для основного источника питания для импульса. С другой стороны, так как ее мощностные характеристики не очень хорошие, плотность энергии значительно уменьшается при разряде сильным током. Однако такой недостаток может быть восполнен конденсатором 12 с двойным электрическим слоем. Кроме того, конденсатор 12 с двойным электрическим слоем может быть одним конденсатором с двойным электрическим слоем или же может представлять собой множество конденсаторов с двойным электрическим слоем, подключенных последовательно или параллельно и представленных эквивалентно. Конденсатор 12 с двойным электрическим слоем предпочтительно является обмоточным или пакетным конденсатором, имеющим электродную структуру с большой площадью, где может одновременно переноситься большое количество электрических зарядов для обеспечения большой емкости C12 и низкого собственного сопротивления R12. На фиг. 5 представлен вид, иллюстрирующий структуру пакетного конденсатора с двойным электрическим слоем. Обращаясь к фиг. 5, два электрода 21 и 22 на основе активированного угля со сформированным на них металлическим токосъемником 23 и сепаратор 24 уложены поочередно друг на друга в виде пакета, погружены в электролит и герметично изолированы в корпусе. На фиг. 6 представлен вид, иллюстрирующий структуру обмоточного конденсатора с двойным электрическим слоем. Обращаясь к фиг. 6, электроды 33 и 34 на основе активированного угля со связанным с ними металлическим токосъемником и сепараторы 31 и 32, помещенные между этими электродами 33 и 34 на основе активированного угля, расположены поочередно, намотаны в форме рулона, погружены в электролит и герметично изолированы в корпусе. В представленных на фиг. 5 и 6 конденсаторах с двойным электрическим слоем только ионы могут проводиться между погруженными в электролит электродами, а между ними помещен пористый сепаратор для изоляции и предотвращения короткого замыкания. Кроме того, положительные и отрицательные электрические заряды, распределенные по поверхностям раздела между электродами и электролитом,образуют двойной слой при приложении напряжения. При этом, так как на электродах на основе активированного угля с максимальной площадью поверхности накапливается большое количество электрических зарядов, емкость C12 гибридной батареи 10 составляет несколько сотен мФ, что является очень большим значением по сравнению с обмоточным конденсатором 3. Более того, конденсатор 12 с двойным электрическим слоем обладает собственным сопротивлением R12 в несколько десятков мОм, и электрические заряды абсорбируются на поверхности электрода и отделяются от нее для протекания в нем зарядки и разрядки в отличие от вторичной батареи 7. Поэтому конденсатор 12 с двойным электрическим слоем имеет высокую скорость реакции и таким образом пригоден для источника питания для импульсов, требующих высоких скоростей зарядки/разрядки, и удовлетворяет различным импульсным режимам в широком диапазоне температур, включая -40 С. В то время как на электродах таблеточного конденсатора 5 с двойным электрическим слоем в соответствии с предшествующим аналогом 2 формируется слой активного материала толщиной несколько сотен микрометров, на электродах конденсатора 12 с двойным электрическим слоем формируется слой активного материала с небольшой толщиной в 10-40 мкм. Толщина электродов конденсатора с двойным-3 014146 электрическим слоем непосредственно связана с длиной пробега электрических зарядов при зарядке/разрядке. Для того чтобы получить высокие мощностные характеристики, длина пробега электрических зарядов должна быть минимизирована для увеличения скоростей зарядки/разрядки. Когда толщина слоя активного материала составляет больше 40 мкм, величина сопротивления увеличивается. С другой стороны, когда его толщина составляет меньше 10 мкм, расстояние между электродами становится очень маленьким, и электрические заряды, сформированные на поверхности раздела электродов, отделяются друг от друга. Также конденсатор 12 с двойным электрическим слоем предпочтительно содержит 25-50 мас.% проводящего материала в расчете на содержание твердых веществ в его электроде. Электроды, содержащие 25-50 мас.% проводящего материала, могут иметь характеристики высокой мощности по сравнению с конденсатором с двойным электрическим слоем, содержащим 25% или менее проводящего материала. Также при уменьшении относительного содержания активированного угля микропористая структура электродов становится меньше, а деформация микропористой структуры, вызванная повторяющимися разрядками/зарядками, минимизируется, значительно улучшая их циклические характеристики. Однако когда содержание проводящего материала превышает 50%, емкостные характеристики снижаются слишком сильно для того, чтобы соответствовать импульсным характеристикам. Поэтому содержание проводящего материала предпочтительно лежит в диапазоне от 25 до 50%. В представленной ниже табл. 1 показаны технические характеристики гибридной батареи 1 (здесь и далее называемой сравнительным примером 1) по фиг. 1, гибридной батареи 4 (здесь и далее называемой сравнительным примером 2) по фиг. 2, гибридной батареи 6 (здесь и далее называемой сравнительным примером 3) по фиг. 3, а также гибридной батареи 10 (здесь и далее называемой вариантом реализации) по фиг. 4 при комнатной температуре 25 С. Первичная батарея, используемая в качестве основного источника питания в сравнительных примерах 1, 2 и 3 и в варианте реализации, представляет собой литийтионил-хлоридную батарею с высокой плотностью энергии, продукция SB-D02 настоящего заявителя. Таблица 1 В представленной ниже табл. 2 показаны переходные характеристики вспомогательного источника питания при разряде постоянным током с силой тока 40 мА при комнатной температуре в 25 С и при низкой температуре в -40 С в течение 1 с. Таблица 2 Обращаясь к табл. 1 и 2, таблеточный ДЭС-конденсатор, который является вспомогательным источником питания в сравнительном примере 2, и вторичная литиевая батарея, которая является вспомогательным источником питания в сравнительном примере 3, очень сильно отличаются по техническим характеристикам в табл. 1 и переходным характеристикам в табл. 2. Это обусловлено тем, что их мощностные характеристики не очень хороши по сравнению с другими вспомогательными источниками питания. В представленной ниже табл. 3 показаны рабочие характеристики сравнительных примеров и варианта реализации по импульсным характеристикам и изменению температуры. На фиг. 7-14 представлены графики для сравнения этих рабочих характеристик сравнительных примеров и варианта реализации. Таблица 3 Эксперимент 1 выполняют с использованием тока 0,1 А при температуре 25 С в течение 50 мс. Эксперимент 2 выполняют с использованием тока 1 А при температуре 25 С в течение 50 мс. Эксперимент 3 выполняют с использованием тока 0,1 А при температуре -40 С в течение 50 мс. Эксперимент 4 выполняют с использованием тока 1 А при температуре -40 С в течение 50 мс. На фиг. 7 и 8 представлены результаты эксперимента 1, на фиг. 9 и 10 - результаты эксперимента 2,на фиг. 11 и 12 - результаты эксперимента 3, а на фиг. 13 и 14 - результаты эксперимента 4. Обращаясь к табл. 3, падение напряжения и потребление тока в варианте реализации настоящего изобретения очень малы вне независимости от величины тока и изменения температуры. В табл. 3 NG означает, что гибридная батарея не может быть использована в качестве источника питания, когда напряжение на зажимах устанавливается равным 3,67 В при разомкнутом состоянии гибридной батареи и происходит падение напряжения на 0,67 В или более при подаче импульсной мощности. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Гибридная батарея, содержащая основной источник питания в виде первичной батареи и вспомогательный источник питания, подключенный параллельно основному источнику питания, причем гибридная батарея содержит в качестве вспомогательного источника питания конденсатор с двойным электрическим слоем, включающий в себя электрод на основе активированного угля, при этом электрод на основе активированного угля включает в себя слой активного материала с толщиной 10-40 мкм. 2. Гибридная батарея по п.1, в которой конденсатор с двойным электрическим слоем является пакетным. 3. Гибридная батарея по п.1, в которой конденсатор с двойным электрическим слоем является катушечным. 4. Гибридная батарея по любому из пп.1-3, в которой основной источник питания представляет собой литий-тионил-хлоридную батарею в качестве первичной батареи. 5. Гибридная батарея по любому из пп.1-3, в которой электрод на основе активированного угля содержит 25-50 мас.% проводящего материала в расчете на общее содержание твердых веществ.-6 014146 6. Гибридная батарея по любому из пп.1-3, в которой вспомогательный источник питания представляет собой множество соединенных друг с другом конденсаторов с двойным электрическим слоем.