Beschreibung

Hybride Energieversorgungsschaltung, Verwendung einer hybriden Energieversorgungsschaltung und Verfahren zur Herstellung einer hybriden Energieversorgungsschaltung

Die Erfindung betrifft eine hybride Energieversorgung für elektrische Schaltungen, die spezifische Anforderungen an eine Energiequelle haben.

Moderne elektrische Bauelemente sollen möglichst kleine Ab ^¬ messungen haben und immer mehr elektrische Funktionen zur Verfügung stellen. Dazu benötigen sie Energiequellen, die eine möglichst spannungsstabile Versorgungsspannung zur Ver- fügung stellen, eine hohe Anzahl an Zyklen ohne Degradation durchhalten und kurze Reaktionszeiten auf Lade- bzw. Entladepulse aufweisen.

Es gibt die Möglichkeit, elektrische Geräte durch Batterien oder Akkumulatoren mit elektrischer Energie zu versorgen.

Batterien oder Akkumulatoren eignen sich gut für Anwendungen mit kontinuierlichem Laststrombetrieb. Problematisch sind Batterien bei Anwendungen mit gepulster Zusatzlast und/oder unregelmäßigem Ladezyklus.

Beim sogenannten Internet of Things (IOT) sollen eine Vielzahl unterschiedlicher elektrischer Geräte vorzugsweise über Funkverbindungen miteinander kommunizieren. Eine kontinuierliche Kommunikation ist dabei nicht notwendig. Speziell in Geräten, in denen Sensoren kontinuierlich laufen und eine

Kommunikation mit einer externen Umgebung in regelmäßigen o- der unregelmäßigen Abständen stattfinden soll, ist die Verwendung von Batterien problematisch. Werden die Batterien so ausgelegt, dass die kontinuierliche Last gut abgedeckt werden kann, wird eine Energieversorgung bei zusätzlicher Last problematisch. Wird eine Batterie so ausgelegt, dass sie auch zu ^¬ sätzliche Lasten stets bedienen kann, ist sie für die meiste Zeit überdimensioniert.

Es besteht deshalb der Wunsch nach einer Energieversorgungs- schaltung, die die oben genannten Spezifikationen erfüllt. Dazu wird im unabhängigen Anspruch eine hybride Energieversorgungsschaltung angegeben. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.

Die hybride Energieversorgungsschaltung umfasst einen ersten Energiespeicher und einen zweiten Energiespeicher. Der erste und der zweite Energiespeicher sind in einem Modul zusammen- gefasst und elektrisch verschaltet. Der erste Energiespeicher ist ein Festkörperakkumulator. Die Kombination zweier verschiedener Energiespeicher, von denen ein Energiespeicher ein Festkörperakkumulator ist, erlaubt es, elektrische Geräte mit einer kontinuierlichen Dau ^¬ erlast zu betreiben und gleichzeitig eine Energieversorgung mit einer ausreichenden Leistung für kurze Leistungsspitzen, z.B. gepulste Zusatzlasten, zur Verfügung zu stellen.

Die Verwendung eines Festkörperakkumulators als ersten Ener ^¬ giespeicher, der im Wesentlichen für eine kontinuierliche Dauerlast zuständig sein kann, bringt eine Menge an Vorteile mit sich: Festkörperakkumulatoren können in beinahe beliebiger Form hergestellt werden. Festkörperakkumulatoren weisen eine hohe Energiedichte auf und können deshalb mit kleinen Abmessungen bereitgestellt werden. Solche Akkumulatoren sind relativ unempfindlich gegenüber Beschädigungen und dem Verlust eines Elektrolyten, da kein flüssiger Elektrolyt vorhanden ist. Festkörperakkumulatoren können dabei zusätzlich aus Materialien bestehen, die mit Herstellungsprozessen für üb- rige Schaltungskomponenten kompatibel sind.

Speziell im Vergleich mit konventionellen Hybridsystemen aus Batterien oder konventionellen Akkumulatoren einerseits und Kondensatoren andererseits stellt die hier beschriebene hyb- ride Energieversorgungsschaltung eine Verbesserung dar.

Es ist somit entsprechend möglich, dass der zweite Energie ^¬ speicher ein Kondensator ist. Der zweite Energiespeicher kann ausgewählt sein aus einem Keramikkondensator, einem Mehrla- genkondensator, einem Mehrlagenkeramikkondensator und einem Doppellagenkondensator .

Solche Kondensatoren weisen ebenfalls eine hohe Energiedichte auf und erlauben das Fortführen des anhaltenden Trends zur Miniaturisierung elektrischer Geräte.

Festkörperakkumulatoren stellen eine spannungsstabile Energiequelle dar. Kondensatoren zeichnen sich durch eine hohe Zyklenfestigkeit und schnelle Reaktion auf Lade- und Entlade- pulse aus.

Die beschriebene hybride Energieversorgungsschaltung ist da ^¬ bei wartungsneutral, das heißt sie weist nicht mehr Wartung als konventionelle hybride Energieversorgungsschaltungen auf. Vielmehr ermöglicht sie eine kleinere Bauform und aufgrund des Verzichts auf einen flüssigen Elektrolyten sind die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit verbessert. Es ist möglich, dass die Energieversorgungsschaltung zusätzlich einen ASIC-Chip (ASIC = application-specific integrated circuit = anwendungsspezifische integrierte Schaltung) zum Steuern oder zum Regeln eines Lade- oder Entladeprozesses aufweist.

Solche ASICs können für eine bestimmte Anwendung auf be ^¬ stimmte Parameter, z.B. Energieeffizienz optimiert sein. Eine solche Schaltung ermöglicht es, den Akkumulator vor einer Tiefenentladung oder vor einer Überbeanspruchung beim Laden zu schützen.

Die Schaltung im ASIC-Chip ist dabei mit dem ersten Energiespeicher und dem zweiten Energiespeicher elektrisch gekop- pelt.

Der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher sind ebenfalls elektrisch miteinander gekoppelt. Es ist denkbar, dass die beiden Energiespeicher in Serie oder - vorzugsweise - parallel verschaltet sind.

Beide Energiespeicher können dabei mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss verschaltet sein, über die die hybride Energieversorgungsschaltung geladen werden kann und über die die Energieversorgungsschaltung elektrische Energie an eine Schaltungsumgebung abgeben kann.

Es ist möglich, dass der erste Energiespeicher als ein erstes SMD-Bauelement (SMD = surface mounted device = oberflächen- montiertes Schaltungselement) ausgeführt ist. Der zweite Energiespeicher ist als ein zweites SMD-Bauelement ausge ^¬ führt. Das erste und das zweite SMD-Bauelement sind überei- nander oder nebeneinander angeordnet und miteinander verschaltet. Alternativ ist es möglich, dass der erste Energie ^¬ speicher und der zweite Energiespeicher zusammen als ein Mehrlagensystem in einem Vielschichtprozess monolithisch her- gestellt sind.

Ein Mehrlagensystem hat dabei eine Vielzahl übereinander angeordneter Lagen aus unterschiedlichen Materialien. Dabei können sich dielektrische Schichten und elektrisch leitende Schichten abwechseln.

Ein kapazitives Element beispielsweise kann eine Vielzahl an Elektrodenlagen in Metallisierungsebenen mit dazwischen angeordneten dielektrischen Schichten aufweisen. Übereinander an- geordnete, benachbarte Elektrodenlagen sind dabei abwechselnd mit jeweils einer von zwei Anschlusselektroden verschaltet.

Analog dazu kann ein Festkörperakkumulator ebenfalls übereinander angeordnete Schichtenlagen aus strukturierten Elektro- denlagen und dazwischen angeordneten Elektrolytlagen aufweisen .

Herstellungsprozesse für Mehrlagensysteme, z.B. HTCC- Schichtenstapel (HTCC = High temperature cofire ceramics) o- der LTCC-Mehrlagensysteme (LTCC = Low temperature cofire ce ^¬ ramics) werden durch entsprechende bekannte und gut be ^¬ herrschbare Vielschichtprozesse hergestellt.

Es ist möglich, einen Satz aus Materialien zu finden, mit dem einerseits ein Mehrlagenkondensator und andererseits ein

Festkörperakkumulator hergestellt werden kann. Dabei sind die Materialien vorzugsweise so ausgesucht, dass sie zu Verfahren zur Herstellung von solchen Mehrlagenkomponenten kompatibel sind .

Es wurde also herausgefunden, dass Mehrlagenkeramiksubstrate hergestellt werden können die sowohl Kondensatoren als auch Festkörperakkumulatoren beinhalten. Dadurch können extreme Energie- und Leistungsdichten erhalten werden.

Aber auch die übereinander Anordnung von SMD-Bauelementen in Form von Kondensatoren und Festkörperakkumulatoren erlauben eine extrem hohe Energie- und Leistungsdichte.

Es ist bevorzugt, wenn der Festkörperakkumulator reflow-ge- eignet ist. Das heißt, der Festkörperakkumulator ist ther- misch so stabil, dass er die Temperaturen beim Durchlaufen eines reflow-Löt-Prozesses aushält, ohne Schaden zu nehmen.

Es ist möglich, z. B. als Alternative zu einem in einem

Mehrlagenaufbau realisierten Element oder zusätzlich dazu, dass der zweite Energiespeicher ein normaler

Keramikkondensator, ein Kondensator vom MegaCap-Typ

(Bezeichnung des Unternehmens TDK) , ein Kondensator vom

CeraLink-Typ, insbesondere vom Ultrabar-Typ (Bezeichnungen des Unternehmens EPCOS) oder ein Kondensator von einem anderen UltraCap-Typ oder SuperCap-Typ oder ein

Keramikkondensator mit speziell hoher Kapazitätsdichte ist.

Es ist möglich, dass die Energieversorgungsschaltung ferner einen Varistor und/oder eine Diode, z.B. eine Zener-Diode, zum Begrenzen einer Spannung auf einen Minimalwert (z.B. beim Entladen) oder einen Maximalwert (z.B. beim Laden) umfasst. Ein Varistor ist dabei ein Schaltungselement mit einem elektrischen Widerstand, der von der angelegten Spannung abhängt. Der elektrische Widerstand sinkt dabei mit zunehmender angelegter Spannung.

Der Varistor ist dabei vorzugsweise parallel zum ersten Ener ^¬ giespeicher und/oder parallel zum zweiten Energiespeicher geschaltet . Wird eine Zener-Diode verwendet, so hilft diese ebenfalls zur Spannungsbegrenzung und/oder als Schutz gegen eine Überlastung .

Es ist entsprechend möglich, dass der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher direkt miteinander verschaltet, z.B. verlötet, sind.

Der erste und der zweite Energiespeicher können übereinander angeordnet oder nebeneinander angeordnet sein.

Es ist entsprechend auch möglich, dass der Festkörperakkumu ^¬ lator aus Materialien besteht, die mit einem Ko-Feuer-Pro- zess, z.B. zur Herstellung einer HTCC- oder LTCC- Mehrlagenkomponente, kompatibel sind.

Der Festkörperelektrolyt des Festkörperakkumulators kann da ^¬ bei aus folgenden Verbindungen ausgewählt sein:

Li _1+x Al _x Ti ₂ - _x (P0 ₄ )3 (0_ix_i0.6)

Lii.3Alo.3 i1. ₇ (P0 ₄ ) 3 , Lii.5Alo.5Ge1.5 (PO4) 3,

LI3PS4,

Li ₂ S-P ₂ S ₅ ,

L13PO4,

Li ₃ . ₅ Sio. ₅ Po. ₅ O ₄ ,

Das Material der Elektroden des Festkörperakkumulators kann dabei aus folgenden Materialien ausgewählt sein: L1VOPO ₄ und Li ₃ V ₂ (P04) ₃

Es ist möglich, die Energieversorgungsschaltung in einem elektrischen Bauelement, das zusätzlich einen HF-Sender, einen HF-Empfänger und/oder einen HF-Transceiver aufweist, zu verwenden .

Entsprechende Antennen und Frontend-Schaltungen können eben- falls vorhanden sein.

Ein Verfahren zur Herstellung einer hybriden Energieversorgungsschaltung umfasst das Kombinieren eines Kondensators mit einem Festkörperakkumulators in einem kompakten Modul.

Dabei ist es möglich, dass ein Lagensystem für den Kondensator und ein Lagensystem für den Festkörperakkumulator

in einem Vielschichtprozess zu einem monolithischen Modul zu ^¬ sammengeführt werden. Mit anderen Worten: Der Kondensator und der Festkörperakkumulator werden zusammen unter Verwendung von Prozessierungs- schritten für Vielschichtprozesse hergestellt, sodass ein kompaktes monolithisch integriertes Modul erhalten wird.

Elektrische Geräte mit einem derartigen hybriden Energieversorgungssystem bzw. das hybride Energieversorgungssystem eines solchen Geräts kann durch unterschiedliche Energiequellen geladen werden. Dazu gehören photovoltaische Ladungssysteme und piezoelektrische Generatoren. Solche und andere Ladungs ^¬ systeme unterscheiden sich z.B. von einem Ladegerät, das von einem Stromnetz gespeist wird, durch eine sehr variable Lade ^¬ leistung. Das hybride Energieversorgungssystem ist dabei leicht in der Lage den zugehörigen unregelmäßigen Ladestrom ohne thermische oder anderweitige Probleme aufzunehmen.

Der Festkörperakkumulator kann aus solchen Materialien bestehen, die unempfindlich gegenüber einer tiefen Entladung, ggf. bis 0 V, sind. Ansonsten kann eine ASIC eine Tiefenentladung oder eine Überbeanspruchung beim Aufladen verhindern.

Das hybride Energieversorgungssystem kann zusätzliche Schaltungselemente, z.B. zusätzliche passive Schaltungselemente o- der zusätzliche aktive Schaltungselemente umfassen. In einem ASIC-Chip kann eine Wächterfunktion implementiert sein, um das Laden der Batterie, insbesondere bei unregelmäßigen

Ladungsimpulsen, zu optimieren.

Wichtige Funktionsprinzipien und Details bevorzugter Ausfüh- rungsformen sind in den schematischen Figuren näher erläutert .

Es zeigen: Figur 1 : ein Ersatzschaltbild einer hybriden

Energie ersorgungsSchaltung . Figur 2: eine mögliche Anordnung der Energiespeicher

nebeneinander .

Figur 3: eine mögliche Anordnung der Energiespeicher

übereinander .

Figur 4: die Verwendung eines Varistors.

Figur 5: die Verwendung einer ASIC. Figur 6: einen Querschnitt durch ein entsprechendes

Bauelement .

Figur 7: einen Querschnitt durch eine alternative Ausfüh ^¬ rungsform des Bauelements.

Figur 8: eine perspektivische Ansicht einer

Mehrlagenkomponente :

Figur 9: eine mögliche Verschaltung mit einer externen

Schaltung.

Figur 10: eine mögliche Verschaltung mit einer Ladeschaltung,

Figur 1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer hybriden Energiever- sorgungsschaltung HEVS, die einen ersten Energiespeicher ESI und einen zweiten Energiespeicher ES2 aufweist. Der erste Energiespeicher ESI und der zweite Energiespeicher ES2 sind parallel zueinander verschaltet. Beide Energiespeicher sind einem ersten Anschluss AI und einem zweiten A2 verschaltet. Über die beiden Anschlüsse AI, A2 kann die hybride Energie ^¬ versorgungsschaltung elektrische Energie an eine externe Schaltungsumgebung abgeben oder elektrische Energie von einer externen Schaltungsumgebung entgegennehmen.

Der erste Energiespeicher ESI ist dabei ein Festkörperakkumu ^¬ lator. Der zweite Energiespeicher ES2 ist vorzugsweise ein Kondensator .

Sowohl der erste Energiespeicher ESI als auch der zweite Energiespeicher ES2 können vorzugsweise als Mehrlagenkompo ^¬ nente mit Elektrodenlagen als strukturierte Elemente in Me ^¬ tallisierungslagen und dazwischen angeordneten dielektrischen Lagen oder Elektrolytlagen im Falle des Akkumulators aufwei ^¬ sen .

Figur 2 zeigt eine mögliche Nebeneinander-Anordnung des ersten Energiespeichers ESI relativ zum zweiten Energiespeicher ES2. Es ist bevorzugt, die Energiespeicher relative zueinan ^¬ der so anzuordnen, dass ein insgesamt möglichst kleiner Auf ^¬ bau erhalten wird. Sowohl der erste Energiespeicher als auch der zweite Energiespeicher sind vorzugsweise Mehrlagenkompo ^¬ nenten mit einem flächigen Aufbau, bei denen die Breite und die Tiefe jeweils deutlich höher als die Höhe sein können.

Figur 3 zeigt eine mögliche Anordnung der beiden Energiespei ^¬ cher übereinander. Insbesondere wenn die beiden Energiespeicher als flächige

Komponenten ausgeführt sind, ist es vorteilhaft beide Kompo ^¬ nenten übereinander anzuordnen. So können sowohl der erste Energiespeicher ESI als auch der zweite Energiespeicher ES2 als SMD-fähige Einzelkomponenten gefertigt werden. Anschließend können sie übereinander ange ^¬ ordnet und miteinander verlötet und dadurch elektrisch lei- tend verschaltet und mechanisch fest verbunden werden.

Figur 4 zeigt ein mögliches Ersatzschaltbild einer hybriden Energieversorgungsschaltung HEVS, bei der ein Varistor V parallel zum ersten Energiespeicher ESI und parallel zum zwei- ten Energiespeicher ES2 verschaltet ist. Der Varistor stellt dabei einen Schutz gegen ein Überladen dar, wenn die Energieversorgungsschaltung über die Anschlüsse AI, A2 geladen wird.

Kurze Spannungsspitzen bzw. Ladungsspitzen kann dabei der zweite Energiespeicher ES2 leicht auffangen.

Figur 5 zeigt die Verwendung einer ASIC (application-specific integrated circuit = anwendungsspezifische integrierte Schal ^¬ tung) . Die ASIC ist dabei mit den Energiespeichern und den beiden Anschlüssen AI, A2 verbunden und kann dazu benutzt werden, den Prozess des Ladens, bzw. den Prozess des Entla ^¬ dens, zu steuern.

Die ASIC kann dabei in einem ASIC-Chip eingebettet sein und darauf ausgelegt sein, einen möglichst geringen Energieverbrauch zu haben, d.h. möglichst energieeffizient zu arbeiten.

Figur 6 zeigt einen Querschnitt durch ein Bauelement, bei dem der erste Energiespeicher ESI und der zweite Energiespeicher ES2 in einem Trägersubstrat TS eingebettet sind. Ein ASIC- Chip ist an der Oberseite des Trägersubstrats angeordnet. Weitere Schaltungselemente SE können im Trägersubstrat einge- bettet sein. Über metallisierte Signalleitungen im Trägersub ^¬ strat oder an der Oberseite des Trägersubstrats und durch Durchkontaktierungen durch das Trägersubstrat können die verschiedenen Komponenten miteinander verschaltet sein.

Alternativ ist es auch möglich, dass der erste und/oder der zweite Energiespeicher oder weitere Schaltungselemente an der Oberseite des Trägersubstrats TS angeordnet und verschaltet sind .

Figur 7 zeigt in einem Querschnitt die Möglichkeit, die Kom ^¬ ponenten des ersten Energiespeichers ESI und die Komponenten des zweiten Energiespeichers ES2 monolithisch in einem Trägersubstrat TS zu integrieren.

Als Trägersubstrat kann dabei insbesondere ein keramisches Mehrlagensubstrat, z.B. ein LTCC-Substrat oder ein HTCC- Substrat, in Frage kommen. Figur 8 zeigt einen prinzipiellen Aufbau einer Mehrlagenkomponente in einer perspektivischen Ansicht eines zur besseren Visualisierung aufgeschnittenen Elements, dass z.B. den ersten Energiespeicher ESI oder den zweiten Energiespeicher ES2 darstellen kann. In einem dielektrischen Material DM sind Me- tallisierungslagen ML angeordnet. Die Metallisierungslagen ML stellen dabei Material für strukturierte Elektrodenlagen zur Verfügung. Die Elektrodenlagen sind übereinander angeordnet. Benachbarte Elektrodenlagen sind mit jeweils gegenüberliegenden Elektroden ELI, EL2 als Außenelektroden verbunden und verschaltet.

Figur 9 zeigt die Möglichkeit, externe Schaltungen oder ex ^¬ terne Schaltungsumgebungen ES über die beiden Anschlüsse AI, A2 mit elektrischer Energie zu versorgen. Eine kontinuierliche Dauerlast kann dabei im Wesentlichen vom ersten Energiespeicher ESI abgedeckt werden. Zusatzlasten, die eine hohe Leistung nötig machen, können durch den zweiten Energiespei- eher ES2 bedient werden.

Figur 10 zeigt die Möglichkeit, die Energiespeicher über eine Ladeschaltung LS über die Anschlüsse AI und A2 mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Ladeschaltung kann dabei thermische, photovoltaische oder piezoelektrische Generatoren umfassen. Zur Aufnahme eines unregelmäßigen Ladestromes hilft der zweite Energiespeicher ES2.

Die externe Schaltung kann dabei beispielsweise einen

Transceiver RXTX und eine Antenne ANT umfassen, um mit einer externen Funkumgebung zu kommunizieren.

Die hybride Energieversorgungsschaltung ist nicht auf die ge ^¬ zeigten Details der Ausführungsformen beschränkt. Sie kann weitere Schaltungselemente wie weitere Energiespeicher, wei ^¬ tere integrierte Schaltungen und weitere Schalter sowie wei ^¬ tere Anschlüsse aufweisen.

Bezugs zeichenliste

AI, A2 : erster, zweiter Anschluss

ASIC: application-specific integrated circuit = an- wendungsspezifische integrierte Schaltung

DM: dielektrisches Material

ELI, EL2 : Außenelektroden einer Mehrlagenkomponente

ES: externe Schaltung

ESI: erste Energiespeicher

ES2 : zweite Energiespeicher

HEVS : hybride Energieversorgungsschaltung

LS: Ladeschaltung

ML: Metallisierungslage

SE : weitere Schaltungselemente

TS: Trägersubstrat

V: Varistor