專利名稱：帶內(nèi)置控制器的電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池，特別涉及帶內(nèi)置控制器延長(zhǎng)使用壽命的電池。
背景技術(shù)：
在收音機(jī)、密致盤播放機(jī)、照相機(jī)、蜂窩網(wǎng)電話、電子游戲機(jī)、玩具、尋呼機(jī)和計(jì)算機(jī)裝置等便攜式電子裝置中，消費(fèi)者通常使用一次性電池和再充電(二次)電池。當(dāng)一次性電池的使用壽命超過了，通常就丟棄電池。典型的一次性電池的使用壽命往往只允許使用電池總蓄電量的40～70％左右。一旦耗用了初始貯能部分，電池一般無法提供足夠的電壓來驅(qū)動(dòng)普通的電子線路。在這類電池過了有效壽命期后，盡管電池還留有其蓄電量的約30～60％，消費(fèi)者還是一丟了事。因此，通過更深程度的安全放電來延長(zhǎng)一次性電池的使用壽命，在電池丟棄前讓電子裝置使用電池更多的蓄電量，就可減少浪費(fèi)。
然而，再充電電池的總壽命主要取決于充電循環(huán)的次數(shù)與效率。再充電電池在每次放電循環(huán)后可以充電再使用。正如一次性電池那樣，在使用了一定比率的電池蓄電量后，電池一般無法提供足夠的電壓驅(qū)動(dòng)電子線路。因此，如果電池采取深度放電，就可延長(zhǎng)再充電電池的每次放電循環(huán)。然而，再充電電池的放電程度對(duì)其以后充電的次數(shù)與效率有影響。一般而言，增大再充電電化學(xué)電池的放電深度，就減少了其可以經(jīng)受的充電循環(huán)次數(shù)。然而，特定類型再充電化學(xué)電池的最佳放電特性，變化很大。例如在鎳鎘(NiCd)電池中，最好作深度放電，否則由于電池的“記憶”效應(yīng)，其電池在未耗盡的情況下充電，導(dǎo)致以后充電時(shí)有效容量降低。然而，鋰電池作深度放電會(huì)損壞電化學(xué)單元。有效地控制特定單元的充放電循環(huán)，使充電循環(huán)總次數(shù)達(dá)到最大，電化學(xué)單元每次放電循環(huán)恢復(fù)的能量也最佳，就能更好地延長(zhǎng)再充電化學(xué)單元的使用壽命。
此外，消費(fèi)者經(jīng)常要求更小更輕的便攜式電子裝置。將這類裝置做得更小更輕的主要障礙之一，就是要向裝置供電的電池的尺寸與重量。事實(shí)上，由于電子線路的工作速度更快，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，甚至要求比以前更大的電流，因而對(duì)電池的需求更大了。然而，如果功能增多、速度增高要求更頻繁地調(diào)換電池或?qū)﹄姵卦俪潆?，消費(fèi)者將不會(huì)接受功能更強(qiáng)的超小型化裝置。因此，為了制造更快速更復(fù)雜的電子裝置而不降低其有效壽命，電子裝置就要求使用更有效的電池，而且電池本身能更好地利用貯存能量。
某些更昂貴的電子裝置包括裝置中的穩(wěn)壓器電路，諸如開關(guān)轉(zhuǎn)換器(如DC/DC轉(zhuǎn)換器)，用于轉(zhuǎn)換和/或穩(wěn)定電池的輸出電壓。在這類裝置中，通常串接了多個(gè)單一單元電池，轉(zhuǎn)換器將這些電池的總電壓轉(zhuǎn)換成負(fù)載電路要求的電壓。轉(zhuǎn)換器能延長(zhǎng)電池的工作時(shí)間，其做法是在電池放電初始部分降低電池輸出電壓(否則會(huì)提供更高電壓，從而提供比負(fù)載電路的要求更多的功率)，而在電池放電后期部分提高電池輸出電壓(否則電池會(huì)耗盡，因?yàn)檩敵鲭妷旱陀谪?fù)載電路要求的電壓)。
然而，在電子裝置中配備轉(zhuǎn)換器的方法有若干缺點(diǎn)。首先，在電子裝置中安裝轉(zhuǎn)換器較為昂貴，因?yàn)槊恳患抑圃焐虒?duì)少量生產(chǎn)的產(chǎn)品都有特殊的電路設(shè)計(jì)，因此成本較高。其次，電池供應(yīng)商并不控制與特定電池配用的轉(zhuǎn)換器類型，因而轉(zhuǎn)換器對(duì)每類電化學(xué)單元的特定電化學(xué)特性并未實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。再次，不同類型的電化學(xué)單元(如堿電池、鋰電池等)具有不同的電化學(xué)特性與標(biāo)稱電壓，不易互換。另外，轉(zhuǎn)換器在電子裝置中占據(jù)著寶貴的空間。而且，某些電子裝置可以用線性調(diào)壓器取代DC/DC轉(zhuǎn)換器等更有效的開關(guān)轉(zhuǎn)換器。此外，含開關(guān)轉(zhuǎn)換器的電子裝置會(huì)產(chǎn)生電磁干擾(EMI)，對(duì)射頻(RF)發(fā)射機(jī)等電子裝置中相鄰的電路有不利影響。然而，通過將轉(zhuǎn)換器裝入電池，EMI源可遠(yuǎn)離其它對(duì)EMI敏感的電路，并可被電池導(dǎo)電的容器屏蔽。
現(xiàn)有電壓轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)問題是，尤其對(duì)堿性、鋅-碳、鎳鎘(NiCd)、鎳金屬氫氧化物(NiMH)和氧化銀電池而言，為了提供足夠的電壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器，通常要用多個(gè)電化學(xué)單元。為此，現(xiàn)有轉(zhuǎn)換器往往要求多個(gè)電化學(xué)單元串接起來提供足夠的電壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器，然后再將電壓降到電子裝置所需的電平。這樣，根據(jù)轉(zhuǎn)換器的輸入電壓要求，即使電子裝置本身只需一個(gè)單一單元工作，但它必須裝上若干電化學(xué)單元，因而浪費(fèi)了空間，增加了重量，不利于電子裝置進(jìn)一步超小型化。
因此，為使壽命最長(zhǎng)，要求最佳地利用再充電電池貯存的電荷，并在電池充電之前優(yōu)化放電深度。通過將電池設(shè)計(jì)成更好地利用其貯存的能量，電子裝置也能使用更小或更少的電池，使便攜式電子裝置進(jìn)一步超小型化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供的電池，通過在充電前優(yōu)化使用一次性或再充電電池貯存的電荷而具有更長(zhǎng)的使用壽命。該電池有一內(nèi)置控制器，它包括一只能在低于一般電子裝置閾值的電壓工作的轉(zhuǎn)換器?？刂破鞲行У卣{(diào)節(jié)電化學(xué)單元的電壓，可作受控的放電，即放電深度最佳，從而延長(zhǎng)電池壽命?？刂破鬏^佳的設(shè)置在混合模硅芯片上，該芯片系定制設(shè)計(jì)，用特定類型的電化學(xué)單元如堿性、鎳鎘(NiCd)、鎳金屬氫氧化物(NiMH)、鋰、鋰離子、密封型鉛酸(SLA)、氧化銀或混合單元操作，或用特定的電子裝置操作。
控制器通過下列方法監(jiān)控提供給負(fù)載的電能以最佳地延長(zhǎng)電池壽命(1)接通和關(guān)閉DC/DC轉(zhuǎn)換器；(2)當(dāng)輸入電壓低于一般電子裝置能工作的電壓時(shí)，保持要求的最小輸出電壓；(3)減小電池輸出阻抗；(4)確定最佳放電深度；(5)提供最佳充電順序；(6)無需控制器增加給定電化學(xué)單元可以提供的放電電流；(7)即使電流超過轉(zhuǎn)換器最大輸出電流，通過利用旁路模式在單元安全限內(nèi)提供大放電電流；(8)測(cè)量剩余的單元容量；以及(9)向單元電容指示器/’燃料’計(jì)提供操作控制信號(hào)。
在一較佳實(shí)施例中，在多單元一次性電池或再充電電池(如標(biāo)準(zhǔn)9伏電池)外殼內(nèi)安裝了單只控制器。與將控制器裝在電子裝置里的情況相比，本發(fā)明的這一方面有若干明顯的優(yōu)點(diǎn)。首先，電池設(shè)計(jì)者可利用特定類型電化學(xué)單元的特定電化學(xué)特性。其次，如果裝置只對(duì)含特定類型電化學(xué)單元(如鋰)的電池要求用轉(zhuǎn)換器改變和/或穩(wěn)定電池輸出電壓，而對(duì)含其它類型電化學(xué)單元(如NiCd、SLA)的電池不要求配用轉(zhuǎn)換器，并且轉(zhuǎn)換器與要求轉(zhuǎn)換器的電池(如鋰電池)集成在一起，就能設(shè)計(jì)出無DC/DC轉(zhuǎn)換器的電子裝置，從而實(shí)現(xiàn)更小的電路設(shè)計(jì)，防止與轉(zhuǎn)換器關(guān)聯(lián)的損耗影響不要求轉(zhuǎn)換器的電池。
在一特定的較佳實(shí)施例中，控制器裝在AAA、AA、C、D單一單元電池或棱柱形電池的容器里面，或裝在棱柱形等多單元電池每個(gè)單元或標(biāo)準(zhǔn)9伏電池的容器里面。本發(fā)明的這一方面具有上述將單個(gè)控制器裝在多單元電池里的諸優(yōu)點(diǎn)，并且還有更多的優(yōu)點(diǎn)。首先，控制器可定制成配合特定類型的電化學(xué)單元以利用其特定的電化學(xué)反應(yīng)。其次，通過改變或穩(wěn)定輸出電壓或內(nèi)部阻抗以滿足設(shè)計(jì)成以標(biāo)準(zhǔn)電池工作的電子裝置的要求，可以互換使用具有不同類型電化學(xué)單元的電池。例如，這兩種優(yōu)點(diǎn)在滿足標(biāo)準(zhǔn)1.5伏AA電池的封裝與電氣要求的高效鋰單元中，使用一內(nèi)置控制器將單元標(biāo)稱電壓從約2.8～4.0伏減至約1.5伏輸出電壓而實(shí)現(xiàn)了。通過應(yīng)用鋰單元更高的單元電壓，設(shè)計(jì)者能大大增加電池工作時(shí)間。而且，在每個(gè)電池單元中設(shè)置控制器，能比現(xiàn)在更有效地控制每個(gè)單元?？刂破骺杀O(jiān)控每個(gè)一次性電化學(xué)單元的放電狀態(tài)，確保電子裝置關(guān)閉前使每個(gè)單元完全耗盡?？刂破鬟€能監(jiān)控每個(gè)再充電電化學(xué)單元的放電循環(huán)，確保單元放電到使電池提供可能的最長(zhǎng)使用壽命的程度，并提高單元的安全性，防止記憶效應(yīng)、短路或有害深度放電的情況?？刂破鬟€能直接監(jiān)控電池中每個(gè)再充電電化學(xué)單元的充電循環(huán)，防止過充電或短路等狀況，以延長(zhǎng)循環(huán)壽命，提高電池安全性。單個(gè)單元的充電狀態(tài)也可以直接(視覺、音頻、振動(dòng)等指示器)或經(jīng)“智能”設(shè)備接口告知消費(fèi)者。
控制器還能多樣性使用本發(fā)明的電池。本發(fā)明的電池?zé)o論是否配用于如上述具有截止電壓的電氣、機(jī)電或電子裝置，均比已知的電池更具優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于電氣、機(jī)電和電子設(shè)備或電器，本發(fā)明的電池將保持其峰值性能直到電池壽命尾聲。電池利用控制器，實(shí)際電壓對(duì)時(shí)間放電曲線可以仿真典型的放電曲線(不會(huì)立即停止工作)。
由于大量銷售的電池比為每類電子裝置設(shè)計(jì)的單個(gè)調(diào)節(jié)器或轉(zhuǎn)換器更便于廉價(jià)地生產(chǎn)芯片，所以還能更經(jīng)濟(jì)地制造控制器芯片。
一種較佳實(shí)施例的DC/DC轉(zhuǎn)換器是一種高效、超低輸入電壓和中等功率的轉(zhuǎn)換器，它應(yīng)用了脈寬或相移調(diào)制和脈沖跳變低占空因數(shù)控制方法。
本發(fā)明的其它特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)將參照本發(fā)明的較佳實(shí)施例予以描述。
附圖簡(jiǎn)述雖然本說明書最后的權(quán)項(xiàng)具體指出和明確申明了有關(guān)本發(fā)明的要點(diǎn)，但是通過下面結(jié)合附圖所作的描述，相信能更好地理解本發(fā)明。


圖1是典型柱形電池結(jié)構(gòu)的透視圖。
圖2是另一柱形電池結(jié)構(gòu)的透視圖。
圖3是再一柱形電池結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖4是本發(fā)明電池的方框圖。
圖4A是圖4電池一較佳實(shí)施例的方框圖。
圖4B是圖4電池另一較佳實(shí)施例的方框圖。
圖4C是圖4電池再一較佳實(shí)施例的方框圖。
圖5A是本發(fā)明電池一較佳實(shí)施例的局部拓展的剖視圖。
圖5B是本發(fā)明電池另一較佳實(shí)施例的局部拓展的剖視圖。
圖5C是本發(fā)明電池再一較佳實(shí)施例的局部拓展的透視圖。
圖6是本發(fā)明多單元電池一較佳實(shí)施例的部分剖面透視圖。
圖7是本發(fā)明電池另一較佳實(shí)施例方框圖。
圖8是本發(fā)明電池再一較佳實(shí)施例方框圖。
圖9是本發(fā)明電池另一較佳實(shí)施例方框圖。
圖9A是圖9電池較佳實(shí)施例某一方面的一實(shí)施例示意圖。
圖9B是圖9電池較佳實(shí)施例某一方面的另一較佳實(shí)施例方框圖。
圖10是本發(fā)明電池再一較佳實(shí)施例方框圖。
圖11是本發(fā)明電池另一較佳實(shí)施例方框圖。
圖12是本發(fā)明電池再一較佳實(shí)施例方框圖。
圖13是本發(fā)明電池另一較佳實(shí)施例的方框圖與示意圖的組合。
圖14是一典型電池和本發(fā)明電池兩個(gè)不同較佳實(shí)施例的放電特性曲線圖。
圖15是本發(fā)明電池再一較佳實(shí)施例的方框圖與示意圖組合。
圖16是圖15中充電子控制器一實(shí)施例方框圖。
圖17是圖15中充電子控制器另一實(shí)施例方框圖。
本發(fā)明的詳細(xì)描述本發(fā)明涉及單一單元電池與多單元電池。本發(fā)明的電池可以是一次性的或可充電的。術(shù)語“一次性”指打算在其有用蓄電量耗盡后予以廢棄的電池或電化學(xué)單元(即不打算再充電或再使用)。在本說明書中可以互換使用的術(shù)語“再充電”與“二次”，指打算在其有用蓄電量耗盡后至少再充電一次的電池或電化學(xué)單元(即打算再使用至少一次)。術(shù)語“消費(fèi)品”指準(zhǔn)備用于消費(fèi)者購(gòu)買或使用的電子或電氣裝置中的電池。術(shù)語“單一單元”指具有單個(gè)獨(dú)立封裝的電化學(xué)單元的電池，如標(biāo)準(zhǔn)AA、AAA、C或D型電池，或指多單元電池(如標(biāo)準(zhǔn)9伏電池或蜂窩電話或膝上計(jì)算機(jī)使用的電池)中的單一單元。術(shù)語“電池”指有端子和單個(gè)電化學(xué)單元的容器，或指有端子和基本上至少包含兩個(gè)或多個(gè)電化學(xué)單元的外殼(如標(biāo)準(zhǔn)9伏電池或蜂窩電話或膝上計(jì)算機(jī)使用的電池)。如果每個(gè)單元都有其自己的容器，就不必用外殼完全封閉電化學(xué)單元。例如，便攜式電話電池可包含兩個(gè)或多個(gè)電化學(xué)單元，每個(gè)單元有其自己的容器，用皺縮包裝塑料包裝在一起，塑料把各容器保持在一起，但可以不完全封閉各個(gè)單元容器。
術(shù)語“混合電池”包括含有兩個(gè)或多個(gè)伏打電池的多單元電池，其中至少有兩個(gè)單元具有不同的伏打機(jī)理，如光生伏打、燃料、熱、電化學(xué)、機(jī)電等機(jī)理，或諸如一根不同的電極、一對(duì)不同的電極或不同的電解液。術(shù)語“電池單元”用來指稱電池中使用的伏打電池，包括電化學(xué)電池。而且伏打或光生伏打電池可以互換使用并且描述各種產(chǎn)生電力的物理機(jī)構(gòu)。此外，混合電池可以包含附加的能量存儲(chǔ)單元(例如超級(jí)或超電容、高效電感或低容量二次電池)，改進(jìn)單元電壓和電流放電特性?；旌想姵貑卧梢源鏌o源單元構(gòu)造的單元，例如標(biāo)簽、密封、空心端子等。
術(shù)語“控制器”指一種電路，它接收至少一個(gè)輸入信號(hào)，并提供至少一個(gè)是該輸入信號(hào)函數(shù)的輸出信號(hào)?！癉C/DC轉(zhuǎn)換器”與“轉(zhuǎn)換器”可互換使用，指一種開關(guān)型即斬波器控制型DC/DC轉(zhuǎn)換器，還有DC/AC轉(zhuǎn)換器，將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換成所需的直流輸出電壓。DC/DC轉(zhuǎn)換器是通常提供調(diào)節(jié)輸出的功率電子線路。轉(zhuǎn)換器可提供升壓電平、降壓電平或同一電平的調(diào)節(jié)電壓。本領(lǐng)域中有許多不同類型的DC/DC轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明打算盡量使用已知的轉(zhuǎn)換器，即線性調(diào)節(jié)器，雖然優(yōu)點(diǎn)不多，但是可替代本申請(qǐng)中描述的較佳轉(zhuǎn)換器，能工作于低于典型電子裝置能工作的電壓電平。
電子裝置的“截止電壓”是連接到電池的電氣或電子裝置在低于該電壓時(shí)無法工作的電壓。因此，“截止電壓”與裝置相關(guān)，即該電平取決于裝置的最小工作電壓(功能極點(diǎn))或工作頻率(如必須在規(guī)定的時(shí)間周期內(nèi)對(duì)電容器充電)。大多數(shù)電子裝置的截止電壓范圍為約1～1.2伏，有些電子裝置的截止電壓可低達(dá)約0.9伏。帶有電鐘、電機(jī)與機(jī)電繼電器等機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的電氣裝置，也有一個(gè)必須提供足夠大的電流以產(chǎn)生強(qiáng)得足以移動(dòng)機(jī)械部件的電磁場(chǎng)的截止電壓。另一些電氣裝置(如閃光燈)通常沒有裝置的截止電壓，但是隨著向其供電的電池電壓下降，輸出功率(如燈泡光強(qiáng))也將下降。
如果單個(gè)電化學(xué)單元正向具有截止電壓的裝置供電，該電化學(xué)單元就“承受”該裝置的截止電壓，因而電池必須提供大于或等于該裝置截止電壓的輸出電壓，否則裝置將不工作。然而，如果兩個(gè)或多個(gè)串聯(lián)的電化學(xué)單元正對(duì)裝置供電，即該裝置電氣連接在正輸入端與負(fù)輸入端之間，則每個(gè)電化學(xué)單元“承受”該裝置的部分截止電壓。例如，若兩個(gè)串接的電化學(xué)單元在對(duì)裝置供電，每個(gè)單元就“承受”該裝置一半的截止電壓。然而，如用三個(gè)串接的電化學(xué)單元向裝置供電，則每個(gè)單元只“承受”裝置截止電壓的三分之一。這樣，若n個(gè)串接的單元正向裝置供電，則每個(gè)單元“承受”該裝置的部分截止電壓，可定義為截止電壓除以n，而n是整數(shù)。然而，若兩個(gè)或多個(gè)并聯(lián)的電化學(xué)單元向電子裝置供電，各單元仍“承受”裝置的全部截止電壓。另外，在應(yīng)用中，若兩個(gè)或多個(gè)單元串接后再與另外的一個(gè)或多個(gè)單元并聯(lián)，則每個(gè)串接的單元“承受”同樣一部分截止電壓，好像串接的單元只是向裝置供電的單元一樣。
本發(fā)明的一個(gè)方面是延長(zhǎng)電池“壽命”。對(duì)一次性電池而言，“電池壽命”與“電池工作時(shí)間”可互換使用，它被定義為電池輸出電壓跌到低于電池對(duì)其供電的裝置的最小工作電壓(即裝置的截止電壓)之前的放電循環(huán)時(shí)間。“單元工作時(shí)間”取決于電化學(xué)單元本身，耗盡單元全部的電化學(xué)能量，“電池工作時(shí)間”則依賴于電池在其中使用的裝置。例如，當(dāng)電池輸出電壓跌至低于1伏時(shí)，雖然電化學(xué)單元可能還有至少其貯能量的50％，但是截止電壓約1伏的電子裝置將不工作。該例中，“電池工作時(shí)間”已過了，因?yàn)樗辉倌芴峁┳銐虻碾妷候?qū)動(dòng)電子裝置，電池通常就丟棄了。然而，“單元工作時(shí)間”還沒有過去，因?yàn)閱卧€具有剩余的電化學(xué)能量。
然而，再充電電池有多次充放電循環(huán)。在再充電電池中，“循環(huán)壽命”定義為能實(shí)現(xiàn)的充放電循環(huán)次數(shù)。再充電電池的“電池工作時(shí)間”指再充電電池的輸出電壓跌到低于該電池正對(duì)其供電的裝置的截止電壓之前的單次放電循環(huán)時(shí)間，或停止放電提供更長(zhǎng)電池循環(huán)壽命的時(shí)間。然而，再充電電池的“電池壽命”指充放電循環(huán)總次數(shù)，其中的每次放電循環(huán)都有一段最佳工作時(shí)間。再充電電化學(xué)單元的“單元工作時(shí)間”是在該單元的單次放電循環(huán)期間，單元在負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)最佳放電深度所需的時(shí)間。如上所述，再充電電池的“循環(huán)壽命”是再充電單元經(jīng)歷的放電深度的函數(shù)。放電深度增大，電池工作時(shí)間也增長(zhǎng)，但是循環(huán)壽命與電池壽命縮短了。反之，放電深度減小，電池工作時(shí)間也減短，而循環(huán)壽命與電池壽命卻延長(zhǎng)了。然而，從裝置使用的觀點(diǎn)來看，電池工作時(shí)間縮短是不適宜的。因此，對(duì)再充電電池的每種特定的電化學(xué)特性與設(shè)計(jì)而言，可以優(yōu)化放電深度與循環(huán)壽命之間的比率，以便達(dá)到更長(zhǎng)的電池壽命。例如，再充電電池壽命的一種優(yōu)化方法是對(duì)提供的累計(jì)能量加以比較，該能量可定義為在特定放電深度實(shí)現(xiàn)的循環(huán)壽命(即循環(huán)次數(shù))與每次循環(huán)中恢復(fù)的能量的乘積。
在本應(yīng)用中，電化學(xué)單元無論是一次性還是再充電單元，也可使用“電化學(xué)單元的有用壽命”或“單元有用壽命”的術(shù)語，且對(duì)應(yīng)于電池工作時(shí)間，“單元有用壽命”是該單元在特定放電循環(huán)中不再有用之前的時(shí)間，因?yàn)殡娀瘜W(xué)單元不再能提供足夠的電壓驅(qū)動(dòng)對(duì)其供電的裝置。如果單一單元電池的“單元工作時(shí)間”延長(zhǎng)或縮短了，就必須分別延長(zhǎng)或縮短“單元有用壽命”與“電池工作時(shí)間”。另外，單一單元電池的“電池工作時(shí)間”與“單元有用壽命”可以互換，如果單一單元電池的“電池工作時(shí)間”或“單元有用壽命”延長(zhǎng)或縮短了，則也要分別延長(zhǎng)或縮短另一個(gè)。然而，相反地，多單元電池中特定電化學(xué)單元的“單元有用壽命”不一定與多單元電池的“電池工作時(shí)間”互換，因?yàn)榧词苟鄦卧姵氐碾姵毓ぷ鲿r(shí)間過了以后，特定電化學(xué)單元仍可具有剩余的有用壽命。同樣地，若多單元電池中特定電化學(xué)單元的“單元工作時(shí)間”延長(zhǎng)或縮短了，則不必延長(zhǎng)或縮短“電池工作時(shí)間”，因?yàn)椤半姵毓ぷ鲿r(shí)間”可依賴于電池中另一個(gè)或另幾個(gè)單元的單元電壓。
再充電電化學(xué)單元的“最佳放電深度”指使該單元的充放電循環(huán)次數(shù)最多、每次放電循環(huán)的工作時(shí)間最優(yōu)的單元剩余容量。如果單元在低于該單元的“最佳放電深度”(如SLA單元的1.6伏)放電，再充電電化學(xué)單元的壽命會(huì)大大縮短。例如，鋰離子單元的深度放電會(huì)損壞該單元，并降低該單元以后充電的次數(shù)與效率。然而，鎳鎘(NiCd)電化學(xué)單元為了防止“記憶”效應(yīng)縮短單元壽命，可以在以后的放電循環(huán)中減少單元的工作時(shí)間，最好作更深度的放電。
“電氣連接”和“電氣耦合”指讓連續(xù)電流流動(dòng)的連接或耦合。“電子連接”指在電流通路中包括了晶體管或二極管等電子器件的連接。本申請(qǐng)中把“電子連接”視作“電氣連接”的子集，因而雖然把每個(gè)“電子連接”視作“電氣連接”，但是并不把每個(gè)“電氣連接”視作“電子連接”。
本發(fā)明的電池包括一個(gè)或多個(gè)控制器，它通過在一次性或再充電電池的放電循環(huán)中優(yōu)化能量恢復(fù)，在再充電電池的情況下通過使放電循環(huán)次數(shù)最多，可延長(zhǎng)電池壽命。如在本發(fā)明一實(shí)施例中，控制器可執(zhí)行下述的一種或多種功能(1)放電控制，(2)充電控制，(3)緊急斷開控制，在短路、極性相反、充電(一次性電池)或旁路控制器(如果負(fù)載需要的電池安全電流超過剩余能量的容量和臨界水平)時(shí)斷開單元。電化學(xué)單元可以封裝在單一單元電池內(nèi)或多單元電池內(nèi)。多單元電池可包括兩個(gè)或多個(gè)同類電化學(xué)單元，或在混合電池中包括兩種或多種不同類的電化學(xué)單元。本發(fā)明的多單元電池可包含電氣上串聯(lián)和/或并聯(lián)的電化學(xué)單元。單一單元電池的控制器可在單元容器里面與電化學(xué)單元電氣串聯(lián)和/或并聯(lián)，封裝在至少部分包含單元容器的外殼里面，或附著于容器、外殼或標(biāo)牌或任何其它粘貼到容器或外殼的結(jié)構(gòu)。多單元電池的控制器可與相對(duì)單一單元電池描述的一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立單元一起封裝，和/或與組合的多個(gè)單元一起封裝，使控制器與組合的電化學(xué)單元串聯(lián)或并聯(lián)。
本發(fā)明的電池控制器可執(zhí)行上述的一種或多種功能，此外還可執(zhí)行其它功能。本發(fā)明的電池控制器可包含一個(gè)執(zhí)行每種所需功能的電路，或可以包含執(zhí)行一種或多種所需功能的獨(dú)立的子控制器。此外，各子控制器可以共享諸如向各子控制器提供控制信號(hào)的檢測(cè)電路等電路。
在附圖中，定義單元的標(biāo)號(hào)的最后兩位數(shù)字對(duì)于可比較單元的其他附圖是相同的，前面1～2位數(shù)字對(duì)應(yīng)圖號(hào)。例如圖1-3中的容器12與圖5A中的容器212可比。
圖1-3示出典型的柱形電池10結(jié)構(gòu)，為便于討論已作了簡(jiǎn)化。每種柱形電池10結(jié)構(gòu)具有以不同配置安排的同一基本結(jié)構(gòu)元件。在每種情況中，該結(jié)構(gòu)包括具有護(hù)套或側(cè)壁14的容器12、包括正端子20的頂蓋16和包括負(fù)端子22的底蓋18。容器12包封單個(gè)電化學(xué)單元30。圖1配置可用于柱形單一鋅碳電化學(xué)單元30電池10。在該配置中，整個(gè)頂蓋16是導(dǎo)電的，形成電池10的正端子20。絕緣襯墊或密封件24使導(dǎo)電頂蓋16與電化學(xué)單元30絕緣。電極或集流器26將電池10的外部正端子20和電化學(xué)單元30的陰極(正電極)32作電氣連接。底蓋18也整體導(dǎo)電，形成電池10的外部負(fù)端子22。底蓋電氣連接到電化學(xué)單元30的陽極(負(fù)電極)34。分離器28置于陽極與陰極之間，提供離子通過電解液傳導(dǎo)的途徑。例如，鋅碳電池就這樣封裝在這類配置中。
圖2示出另一種電池設(shè)計(jì)，其中的絕緣襯墊或密封件24使底蓋18與電化學(xué)單元30絕緣。此時(shí)，整個(gè)頂蓋16導(dǎo)電并形成電池的正端子20。頂蓋16電氣連接至電化學(xué)單元30的陰極32。同樣導(dǎo)電的底蓋18形成電池的負(fù)端子22。底蓋18經(jīng)集流器26電氣連接至電池單元30的陽極34。分離器28置于陽極與陰極之間，提供離子通過電解液傳導(dǎo)的途徑。例如，一次性與再充電堿性(鋅/二氧化錳)電池就以這種配置封裝。
圖3示出再一種電池設(shè)計(jì)，其中把電化學(xué)單元30形成“螺旋繞制膠輥”結(jié)構(gòu)。在該設(shè)計(jì)中，以“層迭型”結(jié)構(gòu)相互靠近設(shè)置四層。這種“層迭型”結(jié)構(gòu)可以例如包含下列次序的層陰極層32、第一分離器層28、陽極層34和第二分離器層28?；蛘?，第二分離器層28不設(shè)置在陰極32與陽極34層之間，可用絕緣層代替。然后將這種“層迭型”結(jié)構(gòu)卷成柱形螺旋繞制的膠輥形式置于電池10的容器12內(nèi)。絕緣襯墊或密封件24使頂蓋16與電化學(xué)單元30絕緣。此時(shí)，整個(gè)頂蓋16導(dǎo)電并形成電池10的正端子20。頂蓋16經(jīng)集流器26與導(dǎo)體33電氣連接至電化學(xué)單元30的陰極層32。同樣導(dǎo)電的底蓋18形成電池的負(fù)端子22。底蓋18經(jīng)導(dǎo)電底板19電氣連接至電池單元30的陽極34。分離器層28置于陰極層32與陽極層34之間，提供離子通過電解液傳導(dǎo)的途徑。側(cè)壁14接至頂蓋16與底蓋18。此時(shí)，側(cè)壁14最好由聚合物等非導(dǎo)電材料形成。然而，如果側(cè)壁14與至少正端子20和/或負(fù)端子22絕緣，因而不會(huì)在兩端子間造成短路，那么側(cè)壁也可用金屬等導(dǎo)電材料制成。例如，諸如一次性鋰二氧化錳(MuO2)電池、再充電鋰離子與鎳鎘(NiCd)電池等一次性和再充電鋰電池通常以這類配置封裝。
每個(gè)這樣的單元還可包括各種形式的安全孔、操作時(shí)要求空氣交換的電化學(xué)單元30的操作孔、容量指示器、標(biāo)牌等等，這些在本領(lǐng)域中是眾所周知的。此外，單元可構(gòu)造成其它已知的結(jié)構(gòu)，諸如鈕扣單元、硬幣單元、棱柱單元、平板、雙極板或厚/薄膜單元等等。
對(duì)于本發(fā)明的目的，電池“容器”12安裝了單個(gè)電化學(xué)單元30。容器12包括所有必要的元件將兩根電極32與34、分離器和電化學(xué)單元30的電解液與環(huán)境、多單元電池中的任何其它電化學(xué)單元絕緣和保護(hù)起來，并從電化學(xué)單元30向容器外面提供電能。這樣，圖1和2的容器12包括側(cè)壁14、頂蓋16與底蓋18以及提供單元30電氣連接的正端子20與負(fù)端子22。在多單元電池中，容器可以是包含單個(gè)電化學(xué)單元30的獨(dú)立結(jié)構(gòu)，容器12可以是多單元電池內(nèi)多個(gè)獨(dú)立容器中的一個(gè)。或者，如果外殼將一個(gè)電化學(xué)單元的電極與電解液同環(huán)境與電池中每個(gè)其它單元完全隔離，容器12可用多單元電池的一部分外殼形成。容器12可由金屬等導(dǎo)電材料和塑料或聚合物等絕緣材料組合形成。
然而，容器12要與多單元電池外殼區(qū)分開來，外殼包含的各自分開隔離的每個(gè)單元630都包含其自己的電極與電解液。例如，標(biāo)準(zhǔn)的9伏堿電池外殼包封著六個(gè)獨(dú)立的堿單元，而每個(gè)單元有其自己的容器612，如圖6所示。每個(gè)堿性單元630具有連接外表正端子621的內(nèi)部正端子620并具有連接外部負(fù)端子623的內(nèi)部負(fù)電解622。每個(gè)堿性單元630包括以上述方式運(yùn)行的控制器640。然而，在某些9伏鋰電池中，形成的電池外殼611具有隔離電化學(xué)單元的電極與電解液的各個(gè)腔室，因而外殼包括每個(gè)單元的各個(gè)容器12和整個(gè)多單元電池的外殼611。
圖6示出本發(fā)明的多單元9伏電池610的透視圖和部分剖面，其中每個(gè)電化學(xué)單元630在單元各容器612里面都有一控制器640。本例中，電池610包含六個(gè)獨(dú)立的電化學(xué)單元630，其標(biāo)稱電壓各為約1.5伏。例如，電池610也可包含三個(gè)鋰單元，各單元的標(biāo)稱電壓約為3伏。在本領(lǐng)域中還有其它的多單元電池結(jié)構(gòu)，可用于安裝本發(fā)明的控制器640。例如，多單元電池包括棱柱形電池、具有獨(dú)立容器(至少是基本上皺縮包裝在一起)的電池、包含多個(gè)諸如攝錄像機(jī)(camcorder)等多個(gè)單一單元容器的塑料外殼以及蜂窩電話電池。
圖5A、5B、5C示出本發(fā)明三個(gè)單一單元柱形一次性電池實(shí)施例的部分拓展圖。圖5A中，控制器240置于電池210的頂蓋216與絕緣襯墊224之間?？刂破?40的正輸出端242電氣連接至與之靠近的電池210的正端子220，其負(fù)輸出端244電氣連接至電池210的負(fù)端子222。本例中，控制器240的負(fù)輸出端244經(jīng)導(dǎo)電條245和導(dǎo)電側(cè)壁214接至電池210的負(fù)端子222，側(cè)壁214則與電池210導(dǎo)電底蓋218的負(fù)端子222電氣接觸。此時(shí)，導(dǎo)電側(cè)壁必須與頂蓋216電氣絕緣?？刂破?40的正輸入端246經(jīng)集流器226電氣連接至電化學(xué)單元230的陰極232，其負(fù)輸入端248經(jīng)導(dǎo)電條237電氣連接至電化學(xué)單元230的陽極234。或者，控制器240可置于底蓋218與絕緣體225之間，或附著于、粘貼于或連接到電池容器或標(biāo)牌的外面。
在圖5B中，控制器340置于電池310的底蓋318與絕緣體325之間，其負(fù)輸出端344電氣連接至直接靠近它的電池310的負(fù)端子322，正輸出端342電氣連接至電池310的正端子320。本例中，控制器340的正輸出端342經(jīng)導(dǎo)電側(cè)壁314(與電池310導(dǎo)電頂蓋316的正端子320電接觸)接至電池310的正端子320，正輸入端346經(jīng)導(dǎo)電條336電氣連接至電化學(xué)單元330的陰極332，負(fù)輸入端348經(jīng)集流器326(從底板319延伸入電化學(xué)單元330的陽極334)電氣連接至電化學(xué)單元330的陽極334。在此情況下，若控制器340應(yīng)用虛擬接地，則其集流器326與負(fù)輸入端348必須同容器312的負(fù)端子322與控制器的負(fù)輸出端344隔離?；蛘?，控制器340可置于頂蓋316與絕緣體324之間，或附著于、粘貼到或連接至電池的容器312或標(biāo)牌外面。
在圖5C中，在應(yīng)用厚膜印刷工藝的包裝板441或柔性印刷電路板(PCB)上形成控制器440，并將它置于電池410的側(cè)壁414與陰極432之間的容器里面?？刂破?40的正輸出端442經(jīng)電池410的頂蓋416電氣連接至電池410的正端子420，負(fù)輸出端444經(jīng)底板419與底蓋418電氣連接至電池410的負(fù)端子422，正輸入端446電氣連接至電化學(xué)單元430(本例中直接靠近包含控制器440的包裝板441)的陰極432，負(fù)輸入端448經(jīng)接觸板431與集流器426(從接觸板431延伸入電化學(xué)單元430的陽極434)電氣連接至電化學(xué)單元430的陽極434。絕緣襯墊427使接觸板431與陰極432相隔離。如圖5C所示，絕緣襯墊還可在陽極434與接觸板431之間延伸，因?yàn)榧髌?26提供了從陽極434至接觸板431的連接。若控制器440應(yīng)用虛擬接地，則接觸板431也必須諸如用絕緣襯墊425同底板419與負(fù)端子422隔離?；蛘撸部蓪b板441設(shè)置在容器412外面，圍繞側(cè)壁414外側(cè)包裝。在這類實(shí)施例中，標(biāo)牌可覆蓋包裝板，或?qū)?biāo)牌印在作為控制器本身的同一塊包裝板上。
圖4、4A、4B示出本發(fā)明電池110不同實(shí)施例的方框圖。圖4示出本發(fā)明應(yīng)用埋入集成控制器電路140的電池一實(shí)施例的方框圖，該實(shí)施例較佳應(yīng)用了具有數(shù)字與模擬元件的混合模集成電路。控制器電路也可應(yīng)用專用集成電路(ASIC)、混合芯片設(shè)計(jì)、PC板或本領(lǐng)域已知的其它形式的電路制造技術(shù)制作?？刂破麟娐?40可裝在電化學(xué)單元130的正電極132與負(fù)電極134和電池的正端子120與負(fù)端子122之間的電池容器112里面。這樣，控制器140可將電化學(xué)單元130與容器的端子120和122連接起來或斷開，改變或穩(wěn)定加到電池端子120與122的單元130的輸出電壓或輸出阻抗。圖4A示出圖4中本發(fā)明電池110的一較佳實(shí)施例。在圖4A中，控制器140接至電化學(xué)單元130的正電極(陰極)132與電池容器112的正端子120之間。電化學(xué)單元130的負(fù)電極(陽極)134與電池容器112的負(fù)端子122同控制器140共享公共地。然而，圖4B示出本發(fā)明電池110的另一較佳實(shí)施例，其中控制器140工作于虛擬地，不僅使電化學(xué)單元130的正電極132與容器112的正端子120隔離，還使電化學(xué)單元130的負(fù)電極134與容器112的負(fù)端子122隔離。
圖4A與4B的各實(shí)施例有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)。例如，圖4A的結(jié)構(gòu)可采用更簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)，對(duì)電化學(xué)單元130、控制器140和電池容器112的負(fù)端子122有一公共地，但其缺點(diǎn)是要求轉(zhuǎn)換器工作于低于實(shí)際的電化學(xué)單元電壓電平，還要使用電感器元件。在圖4B結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用于電池容器112的負(fù)端子122的虛擬地使電化學(xué)單元130的負(fù)電極134與負(fù)載隔離，還允許使用DC/DC轉(zhuǎn)換器或電荷泵，但其缺點(diǎn)是虛擬地的電路復(fù)雜性較大，以便在單元電壓低時(shí)(＜1伏)讓控制器140的電壓轉(zhuǎn)換器更有效地連接工作。
圖4C示出本發(fā)明電池110的再一個(gè)實(shí)施例，其控制器集成電路140包括四個(gè)主要部分放電子控制器電路102、充電子控制器電路104、緊急子控制器電路106和檢測(cè)電路105。其中檢測(cè)電路105根據(jù)連續(xù)或間斷檢測(cè)的工作參數(shù)和/或物理狀態(tài)，向放電子控制器電路102和/或充電子控制器電路104提供壓控信號(hào)。檢測(cè)電路105可測(cè)量電化學(xué)單元130的工作參數(shù)，如單元電壓、從單元提取的電流、單元電壓與電流的相移等，還可測(cè)量控制器集成電路140的工作參數(shù)，如輸出電壓與電流電平、充電電壓與電流電平等。另外，該檢測(cè)電路還可測(cè)量電化學(xué)單元的物理狀態(tài)，如溫度、壓力、pH、氫和/或氧濃度等。正如本領(lǐng)域所周知的或通過下述描述可知，檢測(cè)電路105可在充放電循環(huán)期間測(cè)量這類參數(shù)的任意組合，足以有效地監(jiān)視電化學(xué)單元。
然而，本發(fā)明電池110的控制器集成電路140不必執(zhí)行上述的每種功能。例如，控制器電路140可以只擁有二三個(gè)上述部分，諸如放電子控制器電路102與檢測(cè)電路105、充電子控制器電路104與檢測(cè)電路105、緊急子控制器電路106與檢測(cè)電路105，或上述的任一組合?；蛘?，如果包含在控制器電路140特定實(shí)施例中的放電子控制器電路102、充電子控制器電路104和/或緊急子控制器電路106含有其自己執(zhí)行各別功能所必需的內(nèi)部檢測(cè)電路，則控制器電路140可以不帶檢測(cè)電路105。此外，放電或充電子控制器電路102與104或兩者都可執(zhí)行緊急子控制器106的功能?？刂破麟娐?40還可具有上述的一個(gè)或多個(gè)子控制器或檢測(cè)電路以及執(zhí)行其它功能的其它子控制器。
放電子控制器電路102控制電池110中電化學(xué)單元130的放電，以便通過安全的深度放電使用更多的一次性電池貯能或在再充電前優(yōu)化使用再充電電池的貯能，提供更長(zhǎng)的電池壽命。充電子控制器電路104安全有效地控制電池110(集成有控制器電路140)中電化學(xué)單元130的充電。當(dāng)檢測(cè)電路105檢測(cè)不安全狀態(tài)時(shí)，諸如短路、反極性、過充電狀態(tài)或過放電狀態(tài)，緊急子控制器106就將電化學(xué)單元與電池端子斷開。緊急子控制器106還提供電氣連接，以在負(fù)載需要超過控制器可輸送電流的大安全電流時(shí)旁路放電控制器。
然而，在本發(fā)明一次性電池的一較佳實(shí)施例中，控制器140最好包括放電子控制器電路102、緊急子控制器電路106和檢測(cè)電路105。檢測(cè)電路105最好連續(xù)地監(jiān)視電化學(xué)單元130的工作參數(shù)和物理狀態(tài)。放電子控制器電路102最好提供電池110的一次性電化學(xué)單元130更安全更深度的放電，以在電池丟棄前提供更長(zhǎng)的壽命。當(dāng)檢測(cè)電路檢出不安全狀態(tài)時(shí)，緊急子控制器電路106最好將電化學(xué)單元與電池端子斷開，或者如果負(fù)載所需電流超過控制器能力但是在安全單元放電電流范圍內(nèi)時(shí)提供旁路連接。
在本發(fā)明再充電電池的一較佳實(shí)施例中，控制器電路140可附帶包括一充電子控制器電路104。該充電子控制器電路104安全有效地控制著集成有控制器電路140的電池110的電化學(xué)單元130的充電。檢測(cè)電路105最好連續(xù)地直接監(jiān)視控制器電路140的工作參數(shù)和電化學(xué)單元130中的物理狀態(tài)，例如，它可以監(jiān)視單元電壓、充電電流、電化學(xué)單元的內(nèi)部阻抗、氫或氧濃度、pH值、溫度、壓力或本領(lǐng)域中已知的任何其它工作參數(shù)或物理狀態(tài)。
在一特定較佳實(shí)施例中，每個(gè)電化學(xué)單元有其自己的控制器集成電路140，可監(jiān)視特定單元的狀態(tài)。通過直接監(jiān)視每個(gè)特定單元的狀態(tài)，充電子控制器105可提供比已知的監(jiān)視多電化學(xué)單元的電池的充電控制器更佳的安全性和效率。充電子控制器105通過應(yīng)用單元的瞬時(shí)充電值與最大容量連續(xù)地優(yōu)化充電狀態(tài)，使損耗減至最小。
每個(gè)控制器可包括一個(gè)或多個(gè)下述子控制器(1)放電子控制器，(2)充電子控制器和/或(3)緊急子控制器。為便于討論，控制器功能均以子控制器來描述。然而，本發(fā)明控制器的實(shí)際實(shí)現(xiàn)對(duì)每種功能不要求獨(dú)立的電路設(shè)施，因?yàn)榭刂破鲌?zhí)行的多種功能可以而且最好組合到單個(gè)電路中。例如，每個(gè)子控制器可具有自己的內(nèi)部檢測(cè)電路來測(cè)量控制器的一個(gè)或多個(gè)工作參數(shù)和/或電化學(xué)單元的物理狀態(tài)，或用獨(dú)立的檢測(cè)電路測(cè)量這些參數(shù)和/或狀態(tài)，并將它們和/或與這些參數(shù)和/或狀態(tài)相關(guān)的控制信號(hào)提供給一個(gè)或多個(gè)子控制器。另外，控制器可以有附加的或其它的子控制器，用于執(zhí)行除上述功能以外的其它功能。
放電子控制器放電子控制器能以若干方法之一延長(zhǎng)本發(fā)明的一次性或再充電電池的壽命。首先，在多單元電池包含至少一個(gè)一次性電化學(xué)單元或至少一個(gè)再充電單元(最好在充電前完全放電，例如NiCd單元的放電最好達(dá)到約100％，但不再多放電)的情況下，子控制器可以讓電池的一個(gè)或多個(gè)電化學(xué)單元被電子裝置比一般更深地放電。例如，放電子控制器可以讓單一單元電池放電到超過單元電壓跌到低于該裝置的截止電壓的程度。在一次性電池的情況下，在丟棄電池前，使電化學(xué)單元盡量深地放電，可延長(zhǎng)該電池的壽命。然而，在再充電電池中，則通過使電化學(xué)單元放電到最佳放電深度來延長(zhǎng)電池壽命。這樣，如果再充電的電化學(xué)單元的最佳放電深度低于再充電電池正對(duì)其供電的裝置的截止電壓，若該再充電單元可以放電到超出該裝置的截止電壓，就可延長(zhǎng)再充電電池的壽命。
在本申請(qǐng)中，術(shù)語“深度放電”指讓電化學(xué)單元放電到至少為該電化學(xué)單元額定容量的80％。此外，術(shù)語“基本上放電”指讓電化學(xué)單元放電到至少為該電化學(xué)單元額定容量的70％?！斑^度放電”指將電化學(xué)單元放電超過100％，由此導(dǎo)致電壓反置。例如，日前市售的一般堿性電池，在電化學(xué)單元的電壓電平跌到不足以驅(qū)動(dòng)規(guī)定的電子裝置的電壓電平之前，一般能提供其貯能量的約40～70％。因此，本發(fā)明的子控制器提供的堿性單元，在電池?cái)嚯娗拜^佳地能作大于約70％的放電。更佳地，子控制器提供大于約80％的放電程度。甚至還要佳地，子控制器提供大于約90％的放電程度，而大于約95％則最佳。
放電子控制器可包括一個(gè)轉(zhuǎn)換器，將單元電壓轉(zhuǎn)換到所需的一次性或再充電電池的輸出電壓。在一次性電池中，這樣使電化學(xué)單元作較深的放電而延長(zhǎng)電池壽命。但在再充電電池中，轉(zhuǎn)換器讓控制器將再充電電池放電到最佳放電深度而與給定裝置的截止電壓無關(guān)。在本發(fā)明一實(shí)施例中，子控制器在電池的整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)可連續(xù)將單元電壓轉(zhuǎn)換到所需的輸出電壓。當(dāng)單元電壓跌到電池放電通常停止的裝置截止電壓的電平時(shí)，轉(zhuǎn)換器將單元電壓提升或增高到電池輸出足以繼續(xù)驅(qū)動(dòng)該裝置的電平，直到電壓電平跌到低于驅(qū)動(dòng)子控制器所需的最小電壓，或跌到再充電電化學(xué)單元的最佳放電深度。這樣，具有能工作于比另一電池的子控制器更低電壓電平的子控制器設(shè)計(jì)的電池，將提供能更深地放電而與單元電壓電平無關(guān)的電池。
對(duì)于混合電池，放電子控制器可以包含低壓轉(zhuǎn)換器，它將伏打電池的電壓轉(zhuǎn)換為一次性或可充電電池的所需輸出電壓。放電子控制器102可以在一次性或二次電池工作期間將伏打電池電壓連續(xù)轉(zhuǎn)換為所需的輸出電壓。因此具有子控制器設(shè)計(jì)(能夠在比另一電池的子控制器更低的電壓上工作)的混合電池將提供兼容許多伏打電池(例如光電池、燃料電池、熱電池和機(jī)械電池)產(chǎn)生的低電壓的電池。如果混合電池包含一次性電池，則伏打電池放電子控制器102可以提供附加的能量。放電子控制器也可以采用伏打單元對(duì)二次電池充電或提供附加能量。
在本發(fā)明諸較佳實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換器只在單元電壓跌至或低于預(yù)定電壓電平時(shí)才工作。在這些實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換器內(nèi)部損耗減至最小，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器只在必要時(shí)工作。預(yù)定電壓電平較佳地從電化學(xué)單元的標(biāo)稱電壓到電池準(zhǔn)備操作的這類裝置的最高截止電壓。更佳地，預(yù)定電壓電平稍大于這類裝置的最高截止電壓。例如，預(yù)定電壓電平范圍可以從這類裝置的最高截止電壓到0.2伏加該截止電壓，較佳的從該最高截止電壓到0.15伏加該截止電壓，更佳地從該最高截止電壓到0.1伏加該截止電壓，甚至再更佳地從該最高截止電壓到0.05伏加該截止電壓。例如，標(biāo)稱電壓為1.5伏的電化學(xué)單元，其預(yù)定電壓范圍通常為0.8～1.8伏。較佳地，該預(yù)定電壓范圍為0.9～1.6伏，更佳地為0.9～1.5伏，再佳地為0.9～1.2伏，而1.0～1.2伏甚至還要佳。電壓電平稍大于或等于電池要操作的這類裝置的最高截止電壓，則是最佳的。然而，設(shè)計(jì)成用標(biāo)稱電壓為3.0伏的電化學(xué)單元工作的子控制器，其預(yù)定電壓電平范圍通常為2.0～3.4伏，較佳地為2.2～3.2伏，更佳地為2.4～3.2伏，再佳地為2.6～3.2伏，還要佳地為2.8～3.0伏，而電壓電平稍大于或等于這類裝置的最高截止電壓則最佳。
當(dāng)單元電壓跌到或低于預(yù)定電壓電平時(shí)，放電子控制器接通轉(zhuǎn)換器，將單元電壓提升到足以驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需的輸出電壓。這樣就消除了在單元電壓高得足以驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)換器不必要的損耗，然后允許電化學(xué)單元甚至在單元電壓跌到低于驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需的電平后繼續(xù)放電，在一次性單元的情況下，直到單元電壓達(dá)到轉(zhuǎn)換器的最小工作電壓，在再充電單元的情況下，直到單元的單元電壓達(dá)到最佳放電深度。子控制器可以使用一個(gè)或多個(gè)控制機(jī)構(gòu)，從單元電壓跌到預(yù)定電壓電平時(shí)接通轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)單的電壓比較器和電子開關(guān)組合件到更復(fù)雜的下述之一的控制方法。
當(dāng)用本發(fā)明對(duì)給定輸出電壓設(shè)計(jì)的通用電池對(duì)裝置供電時(shí)，較佳地能延長(zhǎng)該電池的壽命。本申請(qǐng)中使用的“通用”電池是一種可提供均勻或標(biāo)準(zhǔn)的輸出電壓而與單元電化學(xué)特性或伏打單元物理機(jī)理無關(guān)的電池。因此，本發(fā)明的電池較佳地設(shè)計(jì)成通過使電池輸出電壓保持為大于或等于給定裝置的截止電壓，直到一次性電化學(xué)單元的電壓跌到低于子控制器不能再工作或再充電電化學(xué)單元跌到其最佳放電深度使內(nèi)置子控制器關(guān)閉，從而延長(zhǎng)其壽命。
本發(fā)明設(shè)計(jì)成對(duì)特定電子裝置或截止電壓相似的電子裝置供電的電池，通過使預(yù)定電壓電平與這些裝置的截止電壓更精密地匹配，可以專門設(shè)計(jì)成更有效地工作。
其次，通過使單元最佳地放電以提高充電循環(huán)的次數(shù)或效率，還可用放電子控制器延長(zhǎng)再充電電化學(xué)單元的壽命。例如在密封型鉛酸性單元中，深度放電會(huì)損壞單元和/或減低以后再充電循環(huán)的次數(shù)或效率。例如，子控制器可以控制特定類型再充電電化學(xué)單元的放電，從而在單元電壓達(dá)到預(yù)定電壓電平(該類或該特定電化學(xué)單元的最佳放電深度)時(shí)結(jié)束放電循環(huán)。例如在鉛酸性再充電化學(xué)單元中，預(yù)定電壓電平范圍為0.7～1.6伏，更佳為0.7伏。如在鋰MnO2再充電電化學(xué)單元中，預(yù)定電壓電平范圍為2.0～3.0伏，最佳為2.4伏?；蛘?，當(dāng)再充電電化學(xué)單元的內(nèi)部阻抗達(dá)到對(duì)應(yīng)于該類或該特定電化學(xué)單元所需的最大放電深度的預(yù)定阻抗級(jí)時(shí)，放電子控制器也可結(jié)束放電循環(huán)。這樣，在本發(fā)明包含至少一個(gè)再充電電化學(xué)單元(最好不深度地放電超過最佳放電深度)的電池中，當(dāng)單元電壓達(dá)到預(yù)定電壓電平或單元內(nèi)部阻抗達(dá)到預(yù)定的或合適的內(nèi)置化學(xué)傳感器指示的內(nèi)部阻抗級(jí)時(shí)，可用放電子控制器結(jié)束放電循環(huán)而延長(zhǎng)電池壽命。
再次，放電子控制器還可降低其標(biāo)稱電壓大于所需輸出電壓的電化學(xué)單元的單元電壓和/或改變電池中電化學(xué)單元的輸出阻抗。這樣不僅延長(zhǎng)了電池的工作時(shí)間，還使標(biāo)稱電壓不同的電化學(xué)單元具有更大的互換性，設(shè)計(jì)者可利用標(biāo)稱電壓更高的電化學(xué)單元更大的貯能潛力，而且便于設(shè)計(jì)者更改某種電化學(xué)單元的輸出阻抗，以便使該阻抗匹配到所需的程度，增大該電化學(xué)單元與其它類型電化學(xué)單元的互換性和/或提高該電化學(xué)單元對(duì)特定類型負(fù)載的效率。此外，低效、對(duì)環(huán)境有害、昂貴且只因要求特定標(biāo)稱電壓而使用的電化學(xué)單元，可用安全、更高效或更廉價(jià)的電化學(xué)單元代替，這類電化學(xué)單元的標(biāo)稱電壓提高或降低后，或其輸出阻抗改變后，可以滿足要求的標(biāo)稱電壓或應(yīng)用所需的輸出阻抗。
例如，標(biāo)稱電壓為1.8伏或更高的電化學(xué)單元可以封裝一個(gè)子控制器，將該較高的標(biāo)稱電壓降至1.5伏的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)稱電平，使該電池可與1.5伏標(biāo)稱電壓的電池互換。在一特定例子中，標(biāo)稱電壓為3.0伏的一次性鋰MnO2單元等標(biāo)準(zhǔn)鋰單元，可以封裝在帶降壓子控制器的電池中，因而電池的輸出電壓約1.5伏。這樣提供的電池，其容量至少是具有一個(gè)標(biāo)稱電壓為1.5伏電化學(xué)單元的電池的二倍，且容積一樣。另外，還可提供一種高壓鋰單元，它與標(biāo)準(zhǔn)的堿性或鋅碳單一單元電池完全可以互換，無需以化學(xué)方法降低鋰單元的高電位。再者，再充電鋰離子單元的標(biāo)稱電壓約4.0伏，可以封裝在帶降壓控制器電池中，使單一單元電池具有約1.4伏的輸出電壓。本發(fā)明的鋰離子電池可同標(biāo)準(zhǔn)單一單元NiCd或NiMH再充電電池互換，可提供的二倍到三倍于同容積單一單元NiCd或NiMH電池的容量。
另外，具有鋰離子、錳、錳空氣和鋁空氣等電化學(xué)單元的電池，也具有高于1.8伏的標(biāo)稱電壓，可同標(biāo)稱電壓為1.5伏的標(biāo)準(zhǔn)電池互換使用。不僅不同類的電化學(xué)單元可以互換，而且不同類的電化學(xué)單元可在混合電池中封裝在一起。這樣，具有各種標(biāo)稱電壓或內(nèi)部阻抗的不同電化學(xué)單元的不同類電池可以互換使用，或可以制造具有不同類電化學(xué)單元和伏打單元(例如光電池、熱電池、燃料電池、機(jī)械電池等)的混合電池。
或者，標(biāo)稱電壓低于典型電子裝置工作電壓的電化學(xué)單元，可以配用具有內(nèi)置升壓轉(zhuǎn)換器的放電子控制器來提升標(biāo)稱電壓，這樣具有這類電化學(xué)單元的電池可配用于要求比該單元提供的更高的電壓電平的裝置。此外，具有這類單元的電池還可與標(biāo)準(zhǔn)堿性或鋅碳電化學(xué)單元互換使用，這樣可以提供便于商品化的有用的電池，其電化學(xué)單元以前未考慮為消費(fèi)者使用，因?yàn)闃?biāo)稱電壓在實(shí)用中太低了。
此外，標(biāo)稱電壓低于典型電子設(shè)備工作電壓的幾個(gè)伏打單元可以與具有內(nèi)置升壓轉(zhuǎn)換器的放電子控制器一起使用以增高標(biāo)稱電壓。這使得具有這種類型伏打電池的混合電池可以與需要電壓超過單元提供電壓的設(shè)備一起使用。此外，具有這類單元的電池還可與標(biāo)準(zhǔn)堿性或鋅碳電化學(xué)單元互換使用，這樣可以提供便于商品化的有用的電池，其混合單元以前未考慮為消費(fèi)者使用，因?yàn)闃?biāo)稱電壓在實(shí)用中太低了。
表1不是表示專用的，而是列出了可用于本發(fā)明電池中的示例性一次、二次與備用電化學(xué)單元。例如，標(biāo)稱電壓或內(nèi)部阻抗不同的不同類的一次性和/或再充電電化學(xué)單元，可以配用轉(zhuǎn)換器構(gòu)成一種通用的單一單元電池，具有與標(biāo)準(zhǔn)1.5伏堿性一次性或再充電電池或標(biāo)準(zhǔn)1.4伏NiCd再充電電池同樣的輸出電壓。此外，一次性、二次性和/或備用單元可在本發(fā)明的混合多單元電池中一起使用。事實(shí)上，本發(fā)明使各類電化學(xué)單元之間和電化學(xué)單元與其它電源(如燃料電池、電容器等)之間比以前具有更大的互換性。在每個(gè)電化學(xué)單元里設(shè)置控制器，可調(diào)節(jié)不同類電化學(xué)單元的電學(xué)特性，諸如標(biāo)稱電壓與輸出阻抗等，以便用更多種類的單元制作可互換電池。電池可以專門設(shè)計(jì)成利用某種電化學(xué)單元的特定優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)仍保持與包含其它類單元的電池有互換性。另外，本發(fā)明通過將電化學(xué)單元的標(biāo)稱電壓轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)的電壓電平，可以建立新的標(biāo)準(zhǔn)電壓電平。
對(duì)于產(chǎn)生電能的化學(xué)機(jī)構(gòu)以外的物理裝置，情況同樣如此。典型的單個(gè)光電池、熱電池、燃料電池和機(jī)械電池(例如PST)具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備或其他電化學(xué)單元電壓的輸出電壓。本發(fā)明使得可以將低壓伏打單元與標(biāo)準(zhǔn)的電化學(xué)系統(tǒng)組合在一個(gè)混合單元或獨(dú)立單元內(nèi)以向要求等于或不同于混合單元或獨(dú)立單元的電壓的設(shè)備供電。
表1電化學(xué)單元類型與標(biāo)稱電壓一次性單元單元類型 標(biāo)稱電壓?jiǎn)卧愋蜆?biāo)稱電壓Mercad 0.9伏 鋰FeS21.6伏氧化汞 1.35伏 錳有機(jī)電解液 1.6伏氧化汞加MnO21.4伏 錳MnO22.8伏鋅-空氣1.4伏 鋰-固體電解液2.8伏碳-鋅 1.5伏 鋰MnO23.0伏鋅-氯化物 1.5伏 鋰(CF)n3.0伏堿性MnO21.5伏 鋰SO23.0伏氧化銀 1.5伏 鋰SOCl23.6伏二次性單元單元類型 標(biāo)稱電壓?jiǎn)卧愋蜆?biāo)稱電壓銀-鎘 1.1伏 鋅-溴1.6伏愛迪生(Fe-Ni氧化物) 1.2伏 高溫Li(Al)-FeS21.7伏鎳-鎘 1.2伏 鋁-空氣 1.9伏鎳金屬混合 1.2伏 鉛-酸2.0伏鎳氫1.2伏 高溫Na-S 2.0伏銀-鋅 1.5伏 鋰聚合物L(fēng)i-V6O133.0伏鋅-空氣 1.5伏 鋰離子C-LixCoO24.0伏鎳-鋅 1.6伏備用單元單元類型 標(biāo)稱電壓 單元類型標(biāo)稱電壓氯化亞銅1.3伏 熱Li-FeS22.0伏鋅/氧化銀 1.5伏此外，在對(duì)特定類型應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的混合電池中，可以一起使用其它不相容的電化學(xué)單元。例如，在混合電池中，鋅-空氣電化學(xué)單元可同鋰單元一起串并聯(lián)使用。鋅-空氣單元的標(biāo)稱電壓約1.5伏，能量密度極高，但只能提供低的穩(wěn)流電平。然而，鋰單元的標(biāo)稱電壓電平約3.0伏，可提供短暫的大電流。每個(gè)電化學(xué)單元的放電子控制器提供同樣的標(biāo)稱輸出電壓，可配置成串并聯(lián)電氣結(jié)構(gòu)。當(dāng)單元為并聯(lián)結(jié)構(gòu)時(shí)，子控制器還可防止單元相互充電。各單元的子控制器可用來連接或斷開負(fù)載所需的兩種單元。這樣，在負(fù)載處于小功率模式時(shí)，可把鋅-空氣單元接成提供穩(wěn)定的小電流，而在負(fù)載處于大功率模式時(shí)，鋰單元或鋰與鋅-空氣單元可組合成提供負(fù)載所需的電流。
混合電池還可包含許多不同組合的電化學(xué)單元，諸如一次與二次單元、一次與備用單元、二次與備用單元，或者一次、二次與備用單元。另外，混合電池還可包含一個(gè)或多個(gè)電化學(xué)單元與一個(gè)或多個(gè)其它電源(如燃料電池、普通電容器或甚至超級(jí)電容器)的組合。例如，混合電池可包含諸如堿性與金屬-空氣單元、金屬-空氣與二次單元、金屬-空氣與超級(jí)電容器等的組合。還有，混合電池還可包含上述一個(gè)或多個(gè)單元或電源的任意一種組合。
另外，放電子控制器通過保護(hù)電化學(xué)單元不受電流峰(會(huì)影響電化學(xué)單元元件的工作并降低單元電壓)的影響，還可延長(zhǎng)電池壽命。例如，子控制器可以防止大電流需求在單元中產(chǎn)生記憶效應(yīng)和縮短電化學(xué)單元的工作時(shí)間。電流峰還對(duì)堿性、鋰、NiCd、SLA、金屬混合物與鋅-空氣單元等電化學(xué)單元有害。
放電子控制器可保護(hù)電化學(xué)單元避免受電流峰影響，即將電荷暫存在其輸出端，而在有即時(shí)需求時(shí)可應(yīng)用暫存的電荷。因此，電流峰需求量在到達(dá)電化學(xué)單元前，已經(jīng)完全消除或大大減弱了。這樣使電池既能提供高于電化學(xué)單元直接能提供的電流峰，又保護(hù)了電化學(xué)單元免受對(duì)單元元件有害的電流峰的影響。暫存元件最好是電容器，它可以是本領(lǐng)域中已知的任何一類電容器，如普通電容器、厚膜印刷電容器或甚至“超級(jí)電容器”。例如，圖13示出了接在容器1312的輸出端1320與1322之間的電容器Cf。
單個(gè)放電子控制器最好通過保護(hù)單元免受電流峰影響并將單元電壓轉(zhuǎn)換到所需輸出電壓來延長(zhǎng)電池壽命。例如，子控制器的一較佳實(shí)施例在單元電壓跌到預(yù)定電壓時(shí)接通轉(zhuǎn)換器，以便將與轉(zhuǎn)換器關(guān)聯(lián)的損耗減至最小。如果單元電壓達(dá)到預(yù)定電壓電平或負(fù)載電流達(dá)到預(yù)定電流電平，同一個(gè)子控制器既能監(jiān)視單元電壓和輸出負(fù)載電流，又能接通轉(zhuǎn)換器?；蛘?，子控制器可以監(jiān)視單元電壓與輸出負(fù)載電流，還可確定提供所需的負(fù)載電流是否會(huì)將單元電壓跌至低于截止電壓電平。在后一例中，子控制器根據(jù)組合在算法里的兩個(gè)輸入信號(hào)而工作，以確定是否要接通轉(zhuǎn)換器。但在前一例中，如果單元電壓跌到預(yù)定電壓電平或輸出負(fù)載電流升到預(yù)定電流電平，則子控制器都要接通轉(zhuǎn)換器。下面更詳細(xì)地討論這些方法和其它可能的控制方法。
本發(fā)明涉及專用電池和標(biāo)準(zhǔn)消費(fèi)類電池，如AAA、AA、C或D單元和9伏電池。本發(fā)明打算使用專用一次性電池和可應(yīng)用于各種場(chǎng)合的混合電池。期望這類專用電池和混合電池可用于替代用于蜂窩電話、膝上計(jì)算機(jī)等的再充電電池，而這類電池目前受制于一次性電池在足夠長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)提供所需電流速率的能力。此外，獨(dú)立地控制單元的輸出電壓和輸出阻抗的能力，使電池設(shè)計(jì)者能設(shè)計(jì)全新類型的混合電池，可在同一個(gè)混合電池內(nèi)使用不同類的組合單元或光電池、熱電池、燃料電池、普通電容器或甚至“超級(jí)電容器”等其它電源。
互換型電化學(xué)單元的增多還能讓電池設(shè)計(jì)者提供標(biāo)準(zhǔn)的一次性或再充電電池，減少依賴于為蜂窩電話、膝上計(jì)算機(jī)、攝錄像機(jī)、照相機(jī)等特定裝置特地設(shè)計(jì)的電池。消費(fèi)者可以方便地購(gòu)買標(biāo)準(zhǔn)電池對(duì)蜂窩電話供電，正像現(xiàn)在購(gòu)買閃光燈或磁帶記錄儀那樣，不必購(gòu)買專門為特定類型、品牌和/或型號(hào)的電子裝置制造的電池。此外，隨著標(biāo)準(zhǔn)電池制造量的增大，單位成本可迅速下降，最終有更多價(jià)格合適的電池可以取代專門設(shè)計(jì)的再充電電池。另外，一次性與再充電電池還能互換使用。例如，如果膝上計(jì)算機(jī)的再充電電池耗盡了，用戶可以購(gòu)買一次性電池用上幾小時(shí)，直到用戶對(duì)再充電電池充好電。如果用戶不需要用更昂貴的電池使裝置提供某種更高性能級(jí)別，也可購(gòu)買廉價(jià)的電池。
用于膠卷上的電子標(biāo)志技術(shù)也可用于指明電池中單元的準(zhǔn)確類型、單元的額定容量和/或剩余容量、最大與最佳供流能力、電流充電電平、內(nèi)部阻抗等，因而“靈巧”裝置可讀出該電子標(biāo)志，優(yōu)化其耗電狀況而提高裝置的性能，延長(zhǎng)電池壽命。例如，早已用電子標(biāo)志確定膠片速度的照相機(jī)，也可用電子標(biāo)志技術(shù)及其電池使閃光的充電時(shí)間較慢或停用閃光，以便優(yōu)化特定電池的壽命。膝上計(jì)算機(jī)也可用電子標(biāo)志技術(shù)對(duì)特定電池確定最有效的工作參數(shù)，例如改變其工作速度可最佳地應(yīng)用電池的剩余電荷持續(xù)用戶期望的一段時(shí)間，或運(yùn)用接通/關(guān)斷電源技術(shù)保存電池能量。此外，攝錄像機(jī)、蜂窩電話等也可利用電子標(biāo)志優(yōu)化電池的使用。
本發(fā)明還涉及標(biāo)準(zhǔn)消費(fèi)電池，如AAA、AA、C或D單元和9伏電池。除了能與不同類一次性或甚至再充電電池互換的一次性電池以外，標(biāo)準(zhǔn)一次性或再充電電池可用于目前只使用定制設(shè)計(jì)電池的場(chǎng)合。例如，消費(fèi)者可根據(jù)其要求購(gòu)買一個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)一次性或再充電電池，把電池直接裝入膝上計(jì)算機(jī)、攝錄像機(jī)、蜂窩電話和其它便攜式電子設(shè)備。如上所述，隨著標(biāo)準(zhǔn)電池制造量的增大，單位成本將迅速降低，價(jià)格更加合適的電池最終可取代專門設(shè)計(jì)的再充電電池。
為了延長(zhǎng)最佳放電深度相對(duì)低的一次性或再充電電池的壽命，隨著電路制造技術(shù)的發(fā)展，可將放電子控制器設(shè)計(jì)成工作于甚至更低的電壓。例如，可將放電子控制器設(shè)計(jì)成在很低的電壓電平下工作在碳化硅(SiC)實(shí)施例中為0.1伏，在砷化鎵(GaAs)實(shí)施例中為0.34伏，在普通硅基實(shí)施例中為0.54伏。此外，隨著印制尺寸減小，這些最小工作電壓也將隨之降低。如在硅中，將電路印制減至0.18微米技術(shù)，可將最小工作電壓從0.54伏減至0.4伏。如上所述，放電子控制器要求的最小工作電壓越低，則放電子控制器為提供一次性電化學(xué)單元最深度放電或使再充電電化學(xué)單元優(yōu)化放電降至低的最佳放電深度而能調(diào)節(jié)的單元電壓就越低。這樣，在本發(fā)明范圍內(nèi)，可以運(yùn)用電路制造的不同進(jìn)展將電池利用率提高到接近電化學(xué)單元貯電量的100％。然而，本發(fā)明硅基實(shí)施例的電池貯量潛力利用率可達(dá)到95％，與不帶控制器的一次性電化學(xué)單元的平均利用率40～70％相比，已顯得很高了。
例如在一硅基較佳實(shí)施例中，放電子控制器設(shè)計(jì)的工作電壓低達(dá)1伏，更佳為0.85伏，再佳為0.8伏，還要佳為0.75伏、0.7伏甚至為0.65伏、0.6伏，而最佳為0.54伏。在為1.5伏標(biāo)稱電壓的電化學(xué)單元設(shè)計(jì)的子控制器中，子控制器最好能工作于至少高達(dá)1.6達(dá)的輸入電壓。更佳地，放電子控制器能工作于至少高達(dá)1.8伏的輸入電壓。這樣，較佳的子控制器應(yīng)能在最小0.8伏到至少1.6伏的電壓范圍內(nèi)工作。然而，該子控制器也能較佳地工作于該范圍之外。
然而，在本發(fā)明一較佳實(shí)施例中，放電子控制器設(shè)計(jì)成配用一個(gè)標(biāo)稱電壓為3.0伏的電化學(xué)單元，如一次性鋰MnO2單元，子控制器的工作電壓電平必須能高于在其與標(biāo)稱電壓為1.5伏的電化學(xué)單元一起使用時(shí)要求的電壓電平。在電化學(xué)單元的標(biāo)稱電壓為3.0伏的情況下，放電子控制器的工作電壓范圍較佳為2.4～3.2伏，更佳為0.8～3.2伏、0.6～3.4伏、0.54～3.6伏，最佳為0.45～3.8伏。然而，子控制器也能較佳地工作于這些范圍之外。
然而，在本發(fā)明一較佳實(shí)施例中，放電子控制器設(shè)計(jì)成配用一個(gè)4.0伏標(biāo)稱電壓的電化學(xué)單元，如再充電鋰離子單元，子控制器的工作電壓電平必須比在與3.0或1.5伏標(biāo)稱電壓的電化學(xué)單元一起使用時(shí)所需的電壓電平甚至更高。在電化學(xué)單元的標(biāo)稱電壓為4.0伏的情況下，放電子控制器的工作電壓范圍較佳為2.0～4.0伏，更佳為0.8伏到至少4.0伏。更佳地，子控制器能工作的輸入電壓范圍為0.6伏到至少4.0伏、0.54伏到至少4.0伏，最佳為0.45伏到至少4.0伏，然而，也能較佳地工作于這些范圍之外。
另一較佳實(shí)施例能與標(biāo)稱電壓為1.5伏或3.0伏的電化學(xué)單元一起工作。本例中，放電子控制器能工作的最小輸入電壓為0.8伏，較佳為0.7伏，更佳為0.6伏，最佳為0.54伏，而最大輸入電壓至少為3.2伏，較佳為3.4伏，更佳為3.6伏，最佳為3.8伏。例如，放電子控制器能工作的范圍為0.54～3.4伏，或0.54～3.8伏，或0.7～3.8伏等等。
本發(fā)明的電池在配用于閃光燈等沒有截止電壓的電氣裝置時(shí)，也比一般電池具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。一般電池在放電時(shí)會(huì)降低電池的輸出電壓，因?yàn)殡姎庋b置的輸出功率直接正比于電池提供的電壓，所以其輸出與電池輸出電壓成比例地下降。例如，隨著電池輸出電壓的下降，閃光燈的光強(qiáng)會(huì)不斷暗淡，直到電池完全放電。然而，本發(fā)明的電池用放電子控制器在整個(gè)電池放電循環(huán)中將單元電壓調(diào)節(jié)成相對(duì)恒定的受控電壓電平，直到單元電壓降至低于該子控制器能夠工作的電平。屆時(shí)電池停止工作，電氣裝置也將停止工作。然而在放電循環(huán)過程中，電氣裝置能不斷提供相對(duì)穩(wěn)定的輸出(如燈泡光強(qiáng))并執(zhí)行全部功能，直到電池停止工作。
本發(fā)明電池的一較佳實(shí)施例還包括向用戶告知剩余電荷低以及剩余容量指示器。例如，當(dāng)電化學(xué)單元電壓達(dá)到預(yù)定值時(shí)，放電子控制器可將電化學(xué)單元與電池輸出端子短時(shí)間間歇地?cái)嚅_與重接，這樣可以提供可見、可聽或裝置可讀的指示，表示電池快要停止工作了。另外，在電池壽命結(jié)束時(shí)，子控制器還能通過降低電池輸出電壓人為地重建加速電池放電的狀態(tài)。例如，當(dāng)電池蓄電量約為其額定容量的5％時(shí)，子控制器會(huì)開始跌落輸出電壓，這樣可向用戶提供指示，諸如磁帶或密致盤播放機(jī)音量在減小，或向裝置提供指示，而該裝置也會(huì)相應(yīng)地告訴用戶。
圖7示出本發(fā)明一實(shí)施例的方框圖，其中放電子控制器702的DC/DC轉(zhuǎn)換器750電氣或較佳地電子連接在電化學(xué)單元730的正電極732與負(fù)電極734以及容器712的正端子720與負(fù)端子722之間。DC/DC轉(zhuǎn)換器750將電化學(xué)單元730的正電極732與負(fù)電極734兩端的單元電壓轉(zhuǎn)換到容器712的正端子720與負(fù)端子722上的輸出電壓，可在輸出端子720與722上提供升壓轉(zhuǎn)換、降壓轉(zhuǎn)換、升降壓轉(zhuǎn)換或電壓穩(wěn)定。本例中，DC/DC轉(zhuǎn)換器750在電池工作時(shí)間內(nèi)工作于連續(xù)模式，將電化學(xué)單元730的輸出電壓轉(zhuǎn)換成在容器端子720與722上的穩(wěn)定輸出電壓。本例在輸出端子720與722上穩(wěn)定容器712的輸出電壓。提供穩(wěn)定的輸出電壓，能讓電子裝置設(shè)計(jì)者減少電子裝置電源管理電路的復(fù)雜性，而且還減小了裝置的尺寸、重量和成本。
DC/DC轉(zhuǎn)換器750將不斷工作，直到電化學(xué)單元730的單元電壓跌到低于電化學(xué)單元的最佳放電深度(在再充電電化學(xué)單元的情況下)或低于轉(zhuǎn)換器750中電子元件的最小正向偏壓Vfb(在一次性電化學(xué)單元的情況下)。就電化學(xué)單元的最佳放電深度而言，即在DC/DC轉(zhuǎn)換器750的最小開關(guān)電壓Vfb低于電池710正在供電的電子裝置的截止電壓的條件下，控制器740通過使電池710放電超過電子裝置的截止電壓、將容器712的端子720與722上的輸出電壓保持高于電子裝置的截止電壓，也可延長(zhǎng)電池710的壽命。
在圖7所示本發(fā)明一較佳實(shí)施例中，工作于連續(xù)模式的DC/DC轉(zhuǎn)換器750可以是降壓轉(zhuǎn)換器，將電化學(xué)單元730的單元電壓降到容器712的輸出電壓。在一個(gè)包括降壓轉(zhuǎn)換器的放電子控制器702實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換器將第一類電化學(xué)單元730的電壓降到容器712的輸出電壓，該電壓接近第二類電化學(xué)單元的標(biāo)稱電壓電平，因而包含第一類電化學(xué)單元730的電池可以同包含第二類電化學(xué)單元的電池互換。例如，標(biāo)稱電壓高于標(biāo)準(zhǔn)1.5伏單元的電化學(xué)單元，能與降壓轉(zhuǎn)換器組合使用，而降壓轉(zhuǎn)換器連續(xù)地工作，由此提供的單元可與標(biāo)準(zhǔn)單元互換，不要求以化學(xué)方法更改該電化學(xué)單元。該實(shí)施例在不同類電化學(xué)單元之間提供了更大程度的互換性，而且無需以化學(xué)方法改變電化學(xué)單元本身的結(jié)構(gòu)，不會(huì)減弱單元的化學(xué)能貯量。
例如，一次性或再充電鋰單元可用于標(biāo)準(zhǔn)AA電池，提供的容量至少是同樣容積的堿性電池的二倍以上。一次性或再充電鋰MnO2等鋰單元的標(biāo)稱電壓約3.0伏，通常無法與標(biāo)稱電壓為1.5伏的標(biāo)準(zhǔn)AA堿性電池互換使用。標(biāo)稱電壓約4.0伏的鋰離子單元一般也無法與標(biāo)稱電壓為1.4伏的標(biāo)準(zhǔn)NiCd電池互換使用。然而，電池設(shè)計(jì)者創(chuàng)制了一些如LiFeS2等標(biāo)稱電壓約1.6伏的新型鋰電池，以便創(chuàng)制一種例如能與標(biāo)準(zhǔn)AA堿性電池互換使用的鋰電池。這種1.6伏鋰電池雖然仍能向照相閃光負(fù)載電路提供大電流，但是1.6伏鋰電化學(xué)單元導(dǎo)致單位鋰重量的化學(xué)能貯量大大減少。然而，本發(fā)明能使用標(biāo)稱電壓約3.0伏或4.0伏的高壓一次性或再充電鋰電化學(xué)單元，并用控制器將標(biāo)稱電壓降至約1.5伏或1.4伏。這樣，在完全能與任何這類1.5伏或1.4伏電池互換的電池中，該電池提供的化學(xué)能貯量約是1.5伏堿性單元或1.4伏NiCd電池的二倍。另外，本發(fā)明的鋰電池可提供與1.6伏LiFeS2單元同樣大的電流。
另外，放電子控制器702還優(yōu)化了諸如使用電池710的閃光燈等電氣裝置的性能。雖然電氣裝置不在最小工作電壓下關(guān)閉電子裝置，但是電氣裝置的性能(如閃光燈光強(qiáng)等)將隨著輸入電壓降低而變差。因此，電池710穩(wěn)定的輸出電壓可在電池工作時(shí)間內(nèi)將電氣裝置的性能保持不變，它不會(huì)隨電化學(xué)單元730的電壓降低而變差。
DC/DC轉(zhuǎn)換器750可以應(yīng)用一種或多種已知的控制方法控制轉(zhuǎn)換器750的工作參數(shù)，所述控制方法有脈沖調(diào)制，脈沖調(diào)制又包括脈寬調(diào)制(PWM)、脈幅調(diào)制(PAM)、脈頻調(diào)制(PFM)和脈相調(diào)制(P4M)、脈沖跳變低占空因數(shù)控制、諧振轉(zhuǎn)換器等。本發(fā)明的一較佳轉(zhuǎn)換器實(shí)施例應(yīng)用了脈寬調(diào)制法，一個(gè)甚至更佳的實(shí)施例應(yīng)用了脈寬與脈相調(diào)制的組合，下面加以詳細(xì)說明。
在應(yīng)用于本發(fā)明電池的DC/DC轉(zhuǎn)換器750較佳實(shí)施例中，由脈寬調(diào)制器控制的轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)DC/DC轉(zhuǎn)換器750。脈寬調(diào)制器產(chǎn)生占空因數(shù)變化的固定頻率控制信號(hào)，例如DC/DC轉(zhuǎn)換器關(guān)閉時(shí)，占空因數(shù)可以是零，在轉(zhuǎn)換器滿容量工作時(shí)為100％，根據(jù)負(fù)載要求和/或電化學(xué)單元730的剩余容量，占空因數(shù)則在零與100％之間變動(dòng)。脈寬調(diào)制法具有至少一個(gè)用于產(chǎn)生占空因數(shù)的輸入信號(hào)。在一實(shí)施例中，連續(xù)采樣容器712的端子720和722上的輸出電壓，并與基準(zhǔn)電壓比較，誤差校正信號(hào)用于改變DC/DC轉(zhuǎn)換器的占空因數(shù)。此時(shí)，來自容器712的端子720和722上輸出電壓的負(fù)反饋環(huán)路令DC/DC轉(zhuǎn)換器750提供穩(wěn)定的輸出電壓?；蛘?，DC/DC轉(zhuǎn)換器750可應(yīng)用單元電壓(即電化學(xué)單元730的正電極732與負(fù)電極734兩端的電壓)等多個(gè)輸入信號(hào)和輸出電流來產(chǎn)生占空因數(shù)。本例中，監(jiān)視單元電壓和輸出電流，DC/DC轉(zhuǎn)換器750產(chǎn)生是這兩個(gè)參數(shù)的函數(shù)的占空因數(shù)。
圖8-11示出本發(fā)明的放電子控制器電路其它實(shí)施例的方框圖。在每個(gè)實(shí)施例中，子控制器電路包括至少兩個(gè)主要部分(1)DC/DC轉(zhuǎn)換器；和(2)轉(zhuǎn)換器控制器，用于在電化學(xué)單元的電極與容器輸出端子之間電氣或較佳地電子連接與斷開DC/DC轉(zhuǎn)換器，因而只在DC/DC轉(zhuǎn)換器必須把單元電壓轉(zhuǎn)換到驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需的電壓時(shí)才使DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生內(nèi)部損耗。例如，只有在單元電壓降到低于負(fù)載不再工作的預(yù)定電平時(shí)，才接通DC/DC轉(zhuǎn)換器?；蛘?，如果電子裝置要求輸入電壓在一特定范圍內(nèi)，例如電池標(biāo)稱電壓的10％內(nèi)，那么轉(zhuǎn)換器控制器可在單元電壓偏出所需范圍時(shí)接通DC/DC轉(zhuǎn)換器，而在單元電壓處于所需范圍內(nèi)時(shí)斷開該轉(zhuǎn)換器。
如在圖8中，DC/DC轉(zhuǎn)換器850電氣連接在電化學(xué)單元830的正電極832與負(fù)電極834和容器812的正端子820與負(fù)端子822之間，而轉(zhuǎn)換器控制器852也電氣連接在這些電極和端子之間。本例中，轉(zhuǎn)換器控制器852起著開關(guān)作用，它將電化學(xué)單元830直接接到容器812的輸出端820和822，或?qū)C/DC轉(zhuǎn)換器850接在電化學(xué)單元830和容器812輸出端子820與822之間，連續(xù)地采樣輸出電壓，并將其與一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部產(chǎn)生的閾電壓比較。例如，如果容器812的輸出電壓降至低于閾壓電平或偏離所需的閾壓范圍，控制器852就通過將DC/DC轉(zhuǎn)換器850電氣或電子連接在電化學(xué)單元830和容器812的輸出端820與822之間而“接通”DC/DC轉(zhuǎn)換器850。較佳地，閾壓范圍從電化學(xué)單元830的標(biāo)稱電壓到該類電子裝置(電池設(shè)計(jì)工作的裝置)的最高截止電壓?；蛘?，控制器852連續(xù)采樣電化學(xué)單元830的單元電壓，并將它與閾壓比較以控制DC/DC轉(zhuǎn)換器850的操作。
在再充電電池的情況下，當(dāng)單元電壓達(dá)到電化學(xué)單元830的最佳放電深度時(shí)，控制器852最好也將電化學(xué)單元830與容器812的輸出端子820與822斷開，這樣提供了電池的最大循環(huán)壽命，其中每次放電循環(huán)都有一段最佳的電池工作時(shí)間，因而可延長(zhǎng)電池的壽命。
圖9的放電子控制器902可以包括圖8所示放電子控制器802的元件，但還包括電氣連接在電化學(xué)單元930的電極932與934之間的接地偏置電路980，以及DC/DC轉(zhuǎn)換器950、轉(zhuǎn)換器控制器952和容器912的輸出端子920與922。接地偏置電路980將負(fù)偏壓電平Vnb提供給DC/DC轉(zhuǎn)換器950和容器912的負(fù)輸出端子922，這樣把從單元電壓加到DC/DC轉(zhuǎn)換器950的電壓提高到單元電壓加負(fù)偏壓電平Vnb的絕對(duì)值的電壓電平，使轉(zhuǎn)換器950工作于有效的電壓電平，直到實(shí)際的單元電壓跌到低于驅(qū)動(dòng)接地偏置電路980所需的最小正偏壓的電壓電平。這樣，轉(zhuǎn)換器950可以比只用驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器950的電化學(xué)單元930的單元電壓更有效地從電化學(xué)單元930吸取更大的電流。在本發(fā)明電池910的一較佳實(shí)施例中，放電子控制器902的電化學(xué)單元標(biāo)稱電壓約1.5伏，負(fù)偏壓Vnb的范圍最好為0～1伏，更佳為0.5伏，最佳為0.4伏。因此，對(duì)于約1.5伏標(biāo)稱電壓的電化學(xué)單元而言，當(dāng)單元電壓跌到低于約1伏時(shí)，接地偏置電路980使轉(zhuǎn)換器讓電化學(xué)單元930更深地放電，并提高轉(zhuǎn)換器950從電化學(xué)單元930提取電流的效率。
圖9A示出的一示例性電荷泵988實(shí)施例，可用作本發(fā)明電池910中的接地偏置電路980。本實(shí)施例中，當(dāng)開關(guān)S1和S3閉合、S2和S4打開時(shí)，電化學(xué)單元930的單元電壓對(duì)電容器Ca充電。然后，當(dāng)開S1和S3打開、S2和S4閉合時(shí)，電容器Ca上的電荷倒轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)移到電容器Cb，從而從電化學(xué)單元930的單元電壓提供倒相的輸出電壓?；蛘?，可用本領(lǐng)域中已知的任何合適的電荷泵電路代替圖9A的電荷泵988。
在本發(fā)明一較佳實(shí)施例中，接地偏置電路980包括電荷泵電路986，如圖9B所示，它包括時(shí)鐘發(fā)生器987和一個(gè)或多個(gè)泵988。例如，在圖9B所示電荷泵電路986的較佳實(shí)施例中，該電荷泵包括一種含四個(gè)小型泵989的雙層結(jié)構(gòu)和一個(gè)主泵990。然而，也可使用任何個(gè)數(shù)的小型泵989。例如，一較佳實(shí)施例的電荷泵電路986包括12個(gè)小型泵989和一個(gè)主泵。本例的小型泵和主泵由時(shí)鐘發(fā)生器987產(chǎn)生的四個(gè)不同相位的控制信號(hào)991a、991b、991c和991d驅(qū)動(dòng)，每個(gè)信號(hào)同一頻率，但相位相互不同。例如，控制信號(hào)991a～991d相互的相移可以是90度。本例中，每個(gè)小型泵都提供控制信號(hào)991a～991d(時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生)倒相的輸出電壓。主泵將多個(gè)小型泵的輸出相加，并對(duì)電荷泵電路986提供輸出信號(hào)，而電荷泵電路986處于與小型泵各輸出電壓同樣的電壓電平，但處于更大的電流電平，即所有12個(gè)小型泵提供的總電流。這一輸出信號(hào)為DC/DC轉(zhuǎn)換器950和容器912的輸出負(fù)端子922提供了虛擬地。
在本發(fā)明的再一個(gè)方面中，電荷泵電路還包括電荷泵控制器992，它在單元電壓跌到預(yù)定電壓電平時(shí)才接通電荷泵電路986，以將與電荷泵電路986關(guān)聯(lián)的損耗減至最小。例如，該控制器992的預(yù)定電壓范圍可以從電化學(xué)單元930的標(biāo)稱電壓到電池910供電的電子裝置的最高截止電壓。預(yù)定電壓更佳地比電子裝置的截止電壓大0.1伏，最佳是比截止電壓大0.05伏?；蛘?，電荷泵電路986可用接通DC/DC轉(zhuǎn)換器950的同一個(gè)控制信號(hào)控制，使電荷泵電路僅在轉(zhuǎn)換器工作時(shí)才工作。
另外，在具有再充電電化學(xué)單元的電池中的DC/DC轉(zhuǎn)換器950和電荷泵電路986，較佳地在單元電壓跌到最佳放電深度時(shí)斷開，這樣使再充電電化學(xué)單元最佳地放電，使單元的充電循環(huán)次數(shù)最多，效率最大。
再者，當(dāng)接地偏置電路980斷開時(shí)，應(yīng)用于容器912的負(fù)輸出端子922的虛擬地較佳地塌陷到電化學(xué)單元930負(fù)電極934的電壓電平。這樣，在接地偏置電路980不工作時(shí)，電池就工作于電化學(xué)單元930負(fù)電極934提供的標(biāo)準(zhǔn)接地結(jié)構(gòu)。
或者，接地偏置電路980可以包括第二DC/DC轉(zhuǎn)換器，如Buck-Boost轉(zhuǎn)換器、Cuk轉(zhuǎn)換器或線性調(diào)節(jié)器。此外，可將DC/DC轉(zhuǎn)換器950與接地偏置電路980組合起來，并代之以單個(gè)轉(zhuǎn)換器，如Buck-Boost轉(zhuǎn)換器、推挽轉(zhuǎn)換器或者將正輸出電壓移高并將負(fù)偏壓移低的逆向轉(zhuǎn)換器。
圖10示出再一實(shí)施例的放電子控制器電路1002。本例中，DC/DC轉(zhuǎn)換器1050能從相移檢測(cè)電路1062等外部源接收校正控制信號(hào)。如上參照?qǐng)D7所述，DC/DC轉(zhuǎn)換器1050運(yùn)用脈寬調(diào)制器等控制法控制轉(zhuǎn)換器1050的工作參數(shù)。本例中，放電子控制器電路1002包括與圖9所示放電子控制器電路902同樣的元件，但還包括相移檢測(cè)電路1062，用于測(cè)量電極1032上單元電壓交流分量與在電流檢測(cè)電阻器Rc兩端測(cè)得的從電化學(xué)單元1030吸取的電流之間的瞬時(shí)相移。轉(zhuǎn)換器1050應(yīng)用這一信號(hào)并結(jié)合其它內(nèi)外部產(chǎn)生的控制信號(hào)產(chǎn)生占空因數(shù)。
圖11實(shí)施例的放電子控制器1102可包括與圖10所示放電子控制器電路1002同樣的元件，但還包括緊急電路1182，該電路電氣連接到電流檢測(cè)電阻器Rc和電化學(xué)單元1130的負(fù)端子1122，還連接到轉(zhuǎn)換器控制器1152。緊急電路1182可向轉(zhuǎn)換器控制器1152發(fā)出一個(gè)或多個(gè)安全相關(guān)狀態(tài)信號(hào)，要求將電化學(xué)單元1130同容器1112的輸出端子1120與1122斷開，以便保護(hù)消費(fèi)者、電氣或電子裝置或者電化學(xué)單元本身。例如在短路或反極性時(shí)，緊急電路1182向轉(zhuǎn)換器控制器1152發(fā)出信號(hào)，以將電化學(xué)單元1030的電極1132與1134同容器1112的端子1120與1122斷開。此外，緊急電路1182還可通過檢測(cè)電化學(xué)單元1130的電壓和/或內(nèi)部阻抗，向轉(zhuǎn)換器控制器1152提供結(jié)束電化學(xué)單元1130放電循環(huán)的指示。例如，當(dāng)電化學(xué)單元1130的剩余容量跌到預(yù)定電平時(shí)，放電子控制器電路1102可以減小電流，當(dāng)其剩余容量達(dá)到預(yù)定值時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)將電化學(xué)單元1130的電極1132與1134同輸出端子1120與1122間歇地?cái)嚅_和重接，或提供某種其它可見、可聽或機(jī)器可讀的指示，表明電池快要停止工作了。緊急電路1182也可以用于在電路檢測(cè)電路1183指示穩(wěn)態(tài)電路率大于控制器1150可承受的電路時(shí)提供控制器旁路模式。如果該電流在單元1130安全邊緣，則緊急電路1182可以向轉(zhuǎn)換器控制器1152發(fā)送信號(hào)以將電化學(xué)單元1130的電極1132和1134連接至旁路轉(zhuǎn)換器1150的輸出端子1120和1122。放電循環(huán)結(jié)束時(shí)，緊急電路還可向轉(zhuǎn)換器控制器1152發(fā)一信號(hào)，使電化學(xué)單元1130與容器1112的端子1120和1122斷開，并且/或者使輸出端子1120與1122短接，以防放過電的電化學(xué)單元耗用其它與之串聯(lián)的單元的電流。
圖12的較佳放電子控制器電路1202包括一個(gè)具有同步整流器1274的DC/DC轉(zhuǎn)換器1250，整流器1274能使正電極1232與容器1212的正端子1220電子連接和斷開。同步整流器1274的開關(guān)消除了在電化學(xué)單元1230的正電極1232或負(fù)電極1234和容器輸出端子1220與1222之間直接電氣通路中所需的轉(zhuǎn)換器控制器852等附加開關(guān)。另外，同步整流器通過減少內(nèi)部損耗而提高了DC/DC轉(zhuǎn)換器1250的效率。本例的轉(zhuǎn)換器控制器1252還可用附加輸入信號(hào)控制DC/DC轉(zhuǎn)換器。如在圖12實(shí)施例中，除了前面對(duì)圖10描述的相移測(cè)量以外，轉(zhuǎn)換器控制器還通過諸傳感器監(jiān)視著內(nèi)部電化學(xué)單元的環(huán)境，諸如溫度、壓力和氫氧濃度等。
圖7-12示出本發(fā)明依次更加復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，除了構(gòu)成本發(fā)明控制器的主要元件的DC/DC轉(zhuǎn)換器以外，依次描繪了可能包含在放電子控制器電路內(nèi)的不同元件。列出的次序并非暗示在結(jié)合多個(gè)不同元件的電路中較晚引入的元件必須具有對(duì)前面各圖描述的所有特性才符合本發(fā)明的范圍。例如，緊急電路、充電指示器電路、相位檢測(cè)電路和/或接地偏置電路都可以與圖6-11的電路組合使用而不設(shè)示出這類元件的圖中顯示的轉(zhuǎn)換器控制器或其它元件。
用于本發(fā)明電池1310的一較佳實(shí)施例的控制器集成電路1340如圖13所示，包括DC/DC轉(zhuǎn)換器1350和轉(zhuǎn)換器控制器1352。轉(zhuǎn)換器1350最好是一種高效、中功率轉(zhuǎn)換器，可工作于低于大多數(shù)電子裝置的閾壓。放電子控制器電路1302最好包括一個(gè)圖9B所示那樣的電荷泵，以便對(duì)DC/DC轉(zhuǎn)換器1350和容器1312的輸出端子1322提供虛擬地，其電位低于電化學(xué)單元1330負(fù)電極1334的電位。虛擬地提供一增大的壓差以驅(qū)動(dòng)DC/DC轉(zhuǎn)換器，并使該轉(zhuǎn)換器從電化學(xué)單元吸取比它僅用單元電壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器所能吸取的更高的電流電平。
在該實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換器控制器1352最好應(yīng)用脈寬和脈相調(diào)制控制法。相移檢測(cè)電路1362在電化學(xué)單元1330的正電極1332與負(fù)電極1334上測(cè)量單元電壓和從電化學(xué)單元吸取的電流，并測(cè)量電壓與電流間的瞬時(shí)和/或連續(xù)的相移，而這一相移限定了電化學(xué)單元的內(nèi)部阻抗，該內(nèi)部阻抗是電化學(xué)單元電荷量的函數(shù)。例如在堿性電池中，在電化學(xué)單元1330放電約50％后(由單元閉路壓降決定)，增大的內(nèi)部阻抗指出電化學(xué)單元1330的剩余容量。相移檢測(cè)電路1362將這些信號(hào)提供給相位線性控制器1371。然后，后者將相移檢測(cè)電路1362檢測(cè)的電壓Vs和線性正比于相移的輸出壓控信號(hào)V(psi)提供給應(yīng)用脈寬與脈相調(diào)制組合控制法的脈沖調(diào)制器1376，而脈沖調(diào)制器1376還接收電阻器Rs兩端作為壓控信號(hào)的壓降。
脈沖調(diào)制器1376組合使用壓控信號(hào)驅(qū)動(dòng)DC/DC轉(zhuǎn)換器1350。當(dāng)電壓Vs高于預(yù)定閥壓電平時(shí)，脈沖調(diào)制器使金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)M3保持閉合狀態(tài)，而使MOSFET M4保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，這樣通過MOSFETM3保持從電化學(xué)單元1330到負(fù)載的電流通路。此外，由于占空因數(shù)有效地保持在0％，所以與DC/DC轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換器控制器有關(guān)的損耗減至最小。此時(shí)，閉合的MOSFET M3和電阻器Rs的直流損耗極低。例如，電阻器Rs的范圍最好為0.01～0.1歐姆。
然而，當(dāng)電壓Vs低于預(yù)定閾壓電平時(shí)，脈沖調(diào)制器接通，根據(jù)壓控信號(hào)的組合狀態(tài)調(diào)制DC/DC轉(zhuǎn)換器的占空因數(shù)。Vs的幅值作為控制占空因數(shù)的第一控制信號(hào)而工作。電流檢測(cè)電阻器Rs或電流傳感器兩端的壓降是輸出電流的函數(shù)，它作為第二控制信號(hào)而工作。最后，相位線性控制器1371產(chǎn)生的信號(hào)V(psi)(與單元電壓的交流分量和從電化學(xué)單元1330吸取的電流之間的相移成線性比例)則是第三控制信號(hào)。具體而言，根據(jù)內(nèi)部阻抗在電池工作時(shí)間內(nèi)的變化情況，用V(psi)信號(hào)改變占空因數(shù)，而內(nèi)部阻抗變化會(huì)影響轉(zhuǎn)換器的效率和電池工作時(shí)間。如果Vs的瞬時(shí)和/或連續(xù)幅值下降，或者如果電阻器Rs兩端的壓降增大，并且/或者V(psi)控制信號(hào)的瞬時(shí)和/或連續(xù)幅值增大，脈沖調(diào)制器就提高占空因數(shù)。各變量的貢獻(xiàn)按合適的控制算法予以權(quán)衡。
當(dāng)脈沖調(diào)制器1376接通時(shí)，其振蕩器就產(chǎn)生梯形或方波控制脈沖，較佳地占空因數(shù)為50％，頻率范圍為40KHz～1MHz，更佳為40KHz～600KHz，最佳為600KHz。脈沖調(diào)制器運(yùn)用合適的控制算法改變MOSFET M3與M4輸出控制信號(hào)的占空因數(shù)，大多數(shù)情況下，控制算法以同樣的占空因數(shù)和相反的相位操作M3與M4。M3與M4最好是互補(bǔ)型大功率晶體管，其中M3最好是N溝道MOSFET，M4最好是P溝道MOSFET。完整的DC/DC轉(zhuǎn)換器1350的結(jié)構(gòu)在本質(zhì)上是一個(gè)升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，在輸出端有一同步整流器。此外，轉(zhuǎn)換器1350通過用MOSFETM3代替不同步的肖特基二極管，將交直流損耗減至最小。獨(dú)立的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)M3和功率MOSFET M4。改變M3與M4控制信號(hào)之間的相位和/或占空因數(shù)，可改變?nèi)萜?312的端子1320與1322間的輸出電壓。
根據(jù)一個(gè)或多個(gè)壓控信號(hào)，諸如電壓Vs、電阻器Rs兩端的壓降或電化學(xué)單元1330的內(nèi)部阻抗等，脈沖調(diào)制器1376可以控制MOSFET M3和M4。例如，如果負(fù)載耗流很小，脈沖調(diào)制器產(chǎn)生的DC/DC轉(zhuǎn)換器1350的占空因數(shù)就接近0％。然而，若負(fù)載耗流很大，則脈沖調(diào)制器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換器1350的占空因數(shù)就接近100％。若負(fù)載耗流在這兩個(gè)極點(diǎn)之間變動(dòng)，脈沖調(diào)制器也改變DC/DC轉(zhuǎn)換器的占空因數(shù)，以便提供負(fù)載要求的電流。
圖14比較了電池B1和B3的示例性放電曲線，其中B1不帶本發(fā)明的控制器，B2具有放電子控制器電路，其中的轉(zhuǎn)換器工作于連續(xù)模式，B3也具有放電子控制器電路，其中的轉(zhuǎn)換器在高于一般電子裝置電池的截止電壓接通。如圖14所示，不帶本發(fā)明控制器的電池B1不能用于在時(shí)刻t1具有截止電壓Vc的電子裝置。然而，電池B2的放電子控制器電路在整個(gè)電池工作時(shí)間里，不斷地將電池輸出電壓提升至電壓電平V2。當(dāng)電池B2中電化學(xué)單元的單元電壓降到電壓電平Vd(放電子控制器電路的最小工作電壓)時(shí)，電池B2的子控制器電路停止工作，電池輸出電壓在時(shí)刻t2降為零，結(jié)束電池B2的有效工作時(shí)間。如圖14曲線所示，具有子控制器電路(其中轉(zhuǎn)換器工作于連續(xù)模式)的電池B2，其有效工作時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)間為t2-t1。
然而，在電化學(xué)單元的單元電壓達(dá)到預(yù)定電壓電平Vp3之前，電池B3的控制器并不開始提升該電池的輸出電壓。預(yù)定電壓電平Vp3的范圍，較佳地為電化學(xué)單元的標(biāo)稱電壓電平與電池供電的該類電子裝置的最高截止電壓之間，更佳地比電池供電的該類電子裝置的最高截止電壓Vc約大0.2伏，再佳地比最高截止電壓Vc約大0.15伏，還要佳地比Vc約大0.1伏，而最佳是比Vc約大0.05伏。當(dāng)單元電壓達(dá)到預(yù)定電壓電平Vp3時(shí)，電池B3的轉(zhuǎn)換器則開始將輸出電壓提升到Vc+V的電平并使之穩(wěn)定。電壓電平V示于圖14中，代表電池B3提升的輸出電壓與截止電壓Vc的壓差，其范圍較佳地為0～0.4伏，更佳為0.2伏。于是電池B3繼續(xù)輸出，直到電化學(xué)單元的單元電壓降到電壓電平Vd(轉(zhuǎn)換器的最小工作電壓)，電池B3的控制器將停止工作。此時(shí)，電池輸出電壓在時(shí)刻t3跌為零，結(jié)束電池的有效工作時(shí)間。如圖14的曲線所示，電池B3的有效工作時(shí)間延長(zhǎng)量超過不帶本發(fā)明轉(zhuǎn)換器的電池B1為t3-t1。
圖14還示出，在將電池接到同一個(gè)電子裝置時(shí)，電池B3比B2更耐用。由于電池B2的轉(zhuǎn)換器連續(xù)地工作，轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部損耗消費(fèi)了電池B2中電化學(xué)單元的一些能量，所以與控制器僅對(duì)一部分放電循環(huán)而工作的電池B3相比，電池B2的單元電壓將在更短時(shí)間里達(dá)到轉(zhuǎn)換器的最小工作電壓Vd。這樣，使選用的電池B3的預(yù)定電壓Vp3優(yōu)化成接近正被供電的電子裝置的截止電壓，就可最有效地應(yīng)用電化學(xué)單元，并導(dǎo)致更大的電池工作時(shí)間延長(zhǎng)。因此，電池B3的預(yù)定電壓Vp3最好等于或略大于要對(duì)其供電的電子或電氣裝置的截止電壓。例如，預(yù)定電壓Vp3可以較佳地比截止電壓約大0.2伏，更佳地約大0.15伏，再佳地約大0.1伏，最佳地約大0.05伏。
然而，若將電池設(shè)計(jì)成各種電子裝置的通用電池，最好將預(yù)定電壓Vp3選成等于或略大于該類電子裝置的最高截止電壓。例如，預(yù)定電壓Vp3可以較佳地比該類電子裝置的最高截止電壓約大0.2伏，更佳地約大0.15伏，再佳地約大0.1伏，最佳地約大0.05伏。
圖14的曲線還表示，與不帶本發(fā)明控制器的電池B1相比，轉(zhuǎn)換器的最小工作電壓Vd越低，工作時(shí)間延長(zhǎng)就越大。此外，電子裝置的截止電壓Vc與轉(zhuǎn)換器最小工作電壓Vd之差越大，本發(fā)明的控制器將更長(zhǎng)地延長(zhǎng)電池的工作時(shí)間，因?yàn)樘嵘穗娀瘜W(xué)單元的單元電壓。
另外，圖14表明，裝置截止不再是一次性或再充電電化學(xué)單元放電的限制因素。只要控制器能保持電池輸出電壓高于裝置的截止電壓，電池的電化學(xué)單元可繼續(xù)放電。在一次性電池中，根據(jù)轉(zhuǎn)換器的最小工作電壓，這樣能使單元盡可能完全地放電。但在再充電電池中，只要轉(zhuǎn)換器能工作于小于或等于再充電電化學(xué)單元的最佳放電深度的單元電壓，本發(fā)明能讓最佳放電延長(zhǎng)再充電電池的壽命而與裝置的截止電壓無關(guān)。
充電子控制器充電子控制器電路也可延長(zhǎng)本發(fā)明再充電電池的循環(huán)壽命。子控制器電路可通過逐一控制每個(gè)獨(dú)立電化學(xué)單元的充電順序來延長(zhǎng)電池的循環(huán)壽命。這樣，充電子控制器電路可根據(jù)特定單元的實(shí)際反饋優(yōu)化各單元的充電，使每次充放電循環(huán)的次數(shù)與效率最大。例如，充電子控制器電路可直接監(jiān)視各單元的單元電壓和/或內(nèi)部阻抗而控制各單元的充電，這樣可讓子控制器電路控制多個(gè)單一單元電池或一個(gè)或多個(gè)多單元電池中各獨(dú)立電化學(xué)單元的充電循環(huán)。
充電子控制器電路在放電循環(huán)的“關(guān)閉時(shí)間”(即電化學(xué)單元不處于放電模式時(shí))對(duì)電化學(xué)單元充電，也能延長(zhǎng)諸如鉛酸性等最好不作深度放電的再充電電池的工作時(shí)間。例如，在這些單元放電的“關(guān)閉時(shí)間”內(nèi)，控制器可讓充電子控制器電路對(duì)任何一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的單元充電。若“關(guān)閉時(shí)間”相對(duì)于放電的“打開時(shí)間”(即特定電化學(xué)單元正有效放電時(shí))足夠長(zhǎng)，那么充電子控制器電路能將該單元保持成至少處于接近全充電的狀態(tài)。如果占空因數(shù)足夠高而且裝置工作足夠長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間，使得充電子控制器電路不能將電化學(xué)單元的充電保持高于預(yù)定電壓電平或低于特定的阻抗電平(對(duì)應(yīng)于該類或特定電化學(xué)單元的所需最大放電深度)，則再充電電化學(xué)單元達(dá)到所需最大放電深度時(shí)，放電子控制器電路可以結(jié)束電池的放電循環(huán)。通過僅在單元電壓低于某一預(yù)定電壓電平(如單元的標(biāo)稱電壓)時(shí)才對(duì)該單元充電，用任何其它方法確定本文所述的充電循環(huán)的結(jié)束，或通過本領(lǐng)域任一其它已知的手段，充電子控制器電路還能防止過充電。因此，控制器控制在放電循環(huán)期間不讓單元的放電超過最佳放電深度，并在充電循環(huán)期間優(yōu)化充電順序，可以優(yōu)化再充電電化學(xué)單元的壽命。
充電循環(huán)的另一些電源可以包括裝置電源線等外部電源或裝置中的或在混合電池中與再充電電化學(xué)單元封裝在一起的另一電化學(xué)單元等內(nèi)部電源。例如，一次性單元可以封裝在裝置中，或在混合電池中與再充電電化學(xué)單元一起封裝。鋅-空氣單元等金屬-空氣單元，雖然能量密度很高，但是只能提供相對(duì)低的電流電平，提供了另一種特別有用的電源，可用來對(duì)再充電電化學(xué)單元充電，或者，可將燃料電池等另一種電源包括在混合電池中，作為再充電電化學(xué)單元的充電源。
此外，充電子控制器電路還可用接觸型充電系統(tǒng)或不接觸的隔離型充電系統(tǒng)對(duì)本發(fā)明電池充電。
本發(fā)明一較佳實(shí)施例的電池還可包括一種對(duì)用戶的全充電指示。例如，充電子控制器電路可向用戶提供一種可見或可聽的指示，表明電池完全充電了?；蛘撸涌刂破麟娐房梢蕴峁┏潆娖飨到y(tǒng)或裝置可讀的指示，讓充電器系統(tǒng)或裝置相應(yīng)地通知用戶。
圖15示出本發(fā)明電池的方框圖，它包括一個(gè)充電子控制器電路1504。充電子控制器電路1504最好集成在電池1510內(nèi)，負(fù)責(zé)安全有效地控制從外部充電源或電路進(jìn)入的功率信號(hào)，以便優(yōu)化再充電電化學(xué)單元的充電循環(huán)。該充電子控制器電路根據(jù)從檢測(cè)電路105接收的輸入壓控制號(hào)和/或從其自己的內(nèi)部檢測(cè)電路的反饋，控制從外部充電源進(jìn)入的功率信號(hào)。例如，充電子控制器電路可以使用限定電化學(xué)單元1530內(nèi)部阻抗的壓控信號(hào)V(psi)，該控制信號(hào)由相位線性控制器1571產(chǎn)生，已根據(jù)圖13作過描述?；蛘?，充電子控制器電路可以用單元電壓或充電電流，或用內(nèi)部阻抗、單元電壓與充電電流中的兩個(gè)或多個(gè)的組合來控制電化學(xué)單元的充電。此外，充電子控制器電路也可用電池1510容器1512內(nèi)測(cè)得的物理狀態(tài)來優(yōu)化對(duì)電化學(xué)單元的充電，這類物理狀態(tài)有氫濃度、氧濃度、溫度和/或壓力等。
當(dāng)端子1520與1522的電壓高于電化學(xué)單元1530的單元電壓時(shí)，放電子控制器電路1502的脈沖調(diào)制器1576就閉合N溝道MOSFEF M3并斷開P溝道MOSFET M4。M3建立一條始于端子1520與1522的電流通路對(duì)電化學(xué)單元充電，M4防止在端子1520與1522間發(fā)生短路。脈沖調(diào)制器通過向接地偏置電路1580的時(shí)鐘發(fā)生器1587送一壓控信號(hào)，還可斷開接地偏置電路。如在圖9A的電荷泵例中，時(shí)鐘發(fā)生器987斷開開關(guān)S1與S2，閉合開關(guān)S3與S4，使虛擬地輸出塌陷到電化學(xué)單元930的負(fù)電極934的電位?；蛘?，如果接地偏置電路1580包括一內(nèi)部控制器，諸如電荷泵控制器1592(已參照用9B的電荷泵控制器992描述了其工作狀況)，內(nèi)部控制器可通過直接控制時(shí)鐘發(fā)生器1587直接將端子1520與1522的電壓與電化學(xué)單元的單元電壓作比較，如果端子電壓大于單元電壓，就斷開接地偏置電路，由此將虛擬地輸出塌陷到電化學(xué)單元負(fù)電極的電位。
在本發(fā)明一較佳實(shí)施例中，充電子控制器電路1504利用內(nèi)部阻抗信息確定最有效的交流信號(hào)分布，包括幅值、頻率、下降沿與上升沿等。這樣，子控制器電路使電化學(xué)單元的內(nèi)部充電的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)損耗減至最小，并對(duì)特定電化學(xué)單元控制可能的最快充電速率。此外，諸如氫/氧濃度、溫度、壓力等物理狀態(tài)傳感器能進(jìn)一步優(yōu)化充電狀態(tài)。
當(dāng)充電子控制器電路504確定電化學(xué)單元已完全充電時(shí)，就斷開N溝道MOSFET M3，這就把電化學(xué)單元和容器1512的端子1520與1522斷開，由此與外部充電源或電路斷開。
根據(jù)電化學(xué)單元1530真實(shí)的電離與電阻抗?fàn)顟B(tài)，用內(nèi)部阻抗控制電化學(xué)單元的充電可實(shí)現(xiàn)充電優(yōu)化。在各容器1512中設(shè)置充電子控制器電路1504，更能控制多個(gè)單一單元電池或多單元電池的各個(gè)電化學(xué)單元1530，因?yàn)樽涌刂破麟娐犯髯钥刂浦總€(gè)單元的充電。單元1530能以與其它電化學(xué)單元串聯(lián)和/或并聯(lián)的結(jié)構(gòu)充電。若單元以串聯(lián)充電，充電子控制器電路1504可在端子間包括一條高阻抗通路，從而在電化學(xué)單元完全充電后，子控制器電路可將充電電流分流到與單元1530串聯(lián)的其它單元。然而，若單元是并聯(lián)的，充電子控制器電路可將電化學(xué)單元與充電電流斷開。在多單元電池的每個(gè)電化學(xué)單元中置一控制器，可讓每個(gè)單元用同樣的充電電流充電，而充電電流由各單元中的各個(gè)控制器控制，從而優(yōu)化對(duì)該單元的充電，且與單元的電化特性無關(guān)。即使各單元的標(biāo)稱電壓不同，該充電子控制器電路也可對(duì)混合電池的多個(gè)單元充電。
圖16示出的一個(gè)充電子控制器電路1504結(jié)構(gòu)實(shí)施例，可應(yīng)用于圖15所示本發(fā)明的電池中。本例中，充電子控制器電路1604包括通用充電器電路1677、猝發(fā)電路1678和充電控制狀態(tài)機(jī)1679。充電控制狀態(tài)機(jī)用猝發(fā)電路在電化學(xué)單元1530的電極1532與1534上產(chǎn)生測(cè)試電流Is和測(cè)試電壓Vs。像參照?qǐng)D13描述的那樣，相位線性控制器1571檢測(cè)測(cè)試電流Is與測(cè)試電壓Vs之間的相移。猝發(fā)電路最好包括猝發(fā)驅(qū)動(dòng)器1668和n溝道MOSFET M1，前者產(chǎn)生的高頻控制脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)M1的柵極。測(cè)試電流Is流過M1，相位線性控制器檢測(cè)測(cè)試電流Is與測(cè)試電壓Vs之間的相移角(4)。相位線性控制器向充電控制狀態(tài)機(jī)輸出壓控信號(hào)V(psi)，該信號(hào)同單元電壓中交流分量與從電化學(xué)單元1530吸取的電流之間的相移成線性比例關(guān)系。充電控制狀態(tài)機(jī)用來自相位線性控制器的這一控制信號(hào)控制交流充電信號(hào)分布。當(dāng)電化學(xué)單元完全充電時(shí)，脈沖調(diào)制器1576斷開M3，而后者又將電化學(xué)單元同容器的端子1520與1522斷開。
圖17示出圖15所示充電子控制器電路的另一實(shí)施例，可對(duì)電化學(xué)單元作隔離充電，且在外部充電器電路與本發(fā)明電池1510之間無任何機(jī)械接觸。本例中，充電子控制器電路1704包括一個(gè)用作變壓器次級(jí)線圈以對(duì)電化學(xué)單元1530充電的線圈。外部充電源包括變壓器初級(jí)線圈，可通過大氣以無線連接方式耦合到充電子控制器電路的次級(jí)線圈。例如，本發(fā)明的電池可在電池1510的標(biāo)志上或在容器內(nèi)包含一印刷線圈，或該電池形成充電變壓器的次級(jí)線圈。本例的充電電路的工作頻率范圍較佳為約20KHz～100KHz，更佳為40KHz～60KHz，最佳為約50KHz。來自外部充電源的信號(hào)經(jīng)外部充電源的初級(jí)線圈對(duì)充電子控制器電路的次級(jí)線圈1798賦能。充電控制狀態(tài)機(jī)控制通用充電器電路以優(yōu)化再充電電化學(xué)單元的充電循環(huán)。如果外部充電器電路工作于約50KHz的頻率，變壓器就足以離本發(fā)明電池約1～3英寸的距離對(duì)電化學(xué)單元充電，因而可對(duì)電化學(xué)單元原地充電，無需從電氣或電子裝置中取出電池，這比必須從裝置中取出電池具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。例如，諸如心臟起博器等手術(shù)埋置裝置中的電池，可無需以手術(shù)方法從病人體內(nèi)取出電池而充電。
緊急子控制器電路控制器還可執(zhí)行緊急功能，即在檢出一種或多種安全相關(guān)狀態(tài)時(shí)，可將電化學(xué)單元同電池容器的端子斷開并且/或在負(fù)載的需求電路大于轉(zhuǎn)換器能力但是仍然在特定電化學(xué)單元的運(yùn)行電流范圍內(nèi)時(shí)將電化學(xué)單元與旁路轉(zhuǎn)換器的輸出端子直接連接?？刂破骺梢园ㄒ粋€(gè)獨(dú)立的緊急子控制器電路，用于檢測(cè)不安全狀態(tài)，諸如短路、反極性、過充電、過放電、高溫、壓力或氫濃度等，并將電化學(xué)單元與電池端子電子斷開?；蛘?，緊急功能可由放電子控制器電路和/或充電子控制器電路實(shí)現(xiàn)，或者控制器可包括獨(dú)立的檢測(cè)電路，通知放電和/或充電子控制器電路將電化學(xué)單元與電池端子斷開。
權(quán)利要求
1．一種電池，其特征在于包括(a)具有正端子和負(fù)端子的容器；(b)置于所述容器內(nèi)的電池單元，所述單元具有正電極、負(fù)電極和在所述單元的所述正負(fù)電極間測(cè)得的單元電壓；(c)電氣連接在所述單元所述電極與所述容器所述端子之間的控制器，以形成來自單元的電壓的跨越所述容器的所述正端子與負(fù)端子之間的輸出電壓；以及(d)響應(yīng)所述電池預(yù)定條件的電路，在檢測(cè)到所述預(yù)定條件時(shí)，電路工作可以讓控制器輸出電壓脫離容器端子。
2．如權(quán)利要求1所述的電池，其特征在于所述電路是控制器的一部分并且可以在檢測(cè)到所述預(yù)定條件時(shí)使控制器的輸出電壓脫離容器正負(fù)端子。
3．如權(quán)利要求1或2所述的電池，其特征在于所述電路包括與所述單元耦合的電流傳感器以測(cè)量單元電流，電路根據(jù)電流傳感器響應(yīng)包括短路條件和反極性條件在內(nèi)的預(yù)定條件，并且在檢測(cè)到預(yù)定條件時(shí)脫離控制器的輸出電壓。
4．如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的電池，其特征在于所述電路用于監(jiān)視單元電壓和/或單元內(nèi)部阻抗，電路響應(yīng)包括單元電壓跌落至低于預(yù)定電壓電平和單元內(nèi)部阻抗超過預(yù)定阻抗之一的預(yù)定條件，電路在檢測(cè)到預(yù)定條件時(shí)脫離控制器的輸出電壓以通常防止單元的過放電。
5．如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的電池，其特征在于所述電路用于監(jiān)視單元電壓，電路響應(yīng)包括單元電壓超過預(yù)定電壓電平在內(nèi)的預(yù)定條件，電路在檢測(cè)到預(yù)定條件時(shí)脫離控制器的輸出電壓以通常防止單元的過充電。
6．如權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述的電池，其特征在于所述電路用于監(jiān)視所述容器內(nèi)的壓力，電路響應(yīng)包括容器壓力超過壓力限在內(nèi)的預(yù)定條件，電路在檢測(cè)到預(yù)定條件時(shí)脫離控制器的輸出電壓。
7．如權(quán)利要求1-6中任意一項(xiàng)所述的電池，其特征在于所述電路用于監(jiān)視所述容器內(nèi)的氫氣濃度，電路響應(yīng)包括容器氫氣濃度超過氫氣限在內(nèi)的預(yù)定條件，電路在檢測(cè)到預(yù)定條件時(shí)脫離控制器的輸出電壓。
8．如權(quán)利要求1-7中任意一項(xiàng)所述的電池，其特征在于所述電路用于監(jiān)視所述容器內(nèi)溫度，電路響應(yīng)包括容器溫度超過溫度限在內(nèi)的預(yù)定條件，電路在檢測(cè)到預(yù)定條件時(shí)脫離控制器的輸出電壓。
9．如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的電池，其特征在于所述預(yù)定條件包括附著在電池的負(fù)載的電路需求超過控制器的能力的條件，電路進(jìn)一步可在使控制器輸出電壓脫離容器端子時(shí)使單元直接與所述容器端子耦合以在容器端子上形成單元電壓。
10．一種延長(zhǎng)電池壽命的方法，其特征在于包括以下步驟(a)提供一種電池，包括(ⅰ)具有正端子和負(fù)端子的容器；(ⅱ)置于所述容器內(nèi)的電池單元，所述單元具有正電極、負(fù)電極和在所述單元的所述正負(fù)電極間測(cè)得的單元電壓；(b)使控制器電氣連接在所述單元所述電極與所述容器所述端子之間，以單元電壓形成跨越所述容器的所述正端子與負(fù)端子之間的輸出電壓；以及(c)響應(yīng)檢測(cè)到電池的預(yù)定條件，使控制器的輸出電壓脫離容器端子。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種帶延長(zhǎng)電池壽命的內(nèi)置控制器的多單元電池?？刂破骺赏ㄟ^將電池電壓轉(zhuǎn)換為大于電子設(shè)備的截止電壓的輸出電壓,將單元電壓轉(zhuǎn)換為小于電池電化學(xué)標(biāo)稱電壓的輸出電壓,或者通過保護(hù)電化學(xué)單元不受峰值電流沖擊來延長(zhǎng)電池壽命。控制器還可以包括接地電路,它可忽略虛擬接地從而使轉(zhuǎn)換器可以工作在較低的單元電壓下。電池可以是一個(gè)單元的電池、通用的單個(gè)單元電池、多單元電池或多單元混合電池。多單元電池的每個(gè)單元可以串聯(lián)或并聯(lián)。此外,每個(gè)單元包含控制器,能夠完成一個(gè)或多個(gè)功能以延長(zhǎng)單元壽命。
文檔編號(hào)H02J7/00GK1303524SQ99806888
公開日2001年7月11日 申請(qǐng)日期1999年4月1日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月2日
發(fā)明者V·加爾斯坦, D·D·內(nèi)布里?？?申請(qǐng)人:寶潔公司