電池系統和使用此系統的周期性運轉裝置的制作方法

專利名稱：電池系統和使用此系統的周期性運轉裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一電池系統和一周期性運轉裝置。前者由一個電池向負載提供電能，后者使用此系統來周期性地驅動負載。
這種類型的通常的電池系統包括兩個電池系統。一個電池系統是由原電池或蓄電池向負載提供電能(這以后叫做第一電池系統)，另一個電池系統是把太陽能電池的電能充入蓄電池中，并將蓄電池的電能供給負載(這以后叫做第二電池系統)。
這種通常的電池系統有以下缺陷。
一般，包括用于第一電池系統中的原電池或蓄電池的電池是由化學反應(例如氧化還原反應)來產生電能的，這個系統具有如下的特征。
就原電池而論，隨著放出電能的增加，即放出電流的增加，化學反應變得更加劇烈，從而加快了內部電極材料等的損壞，導致了放電時間(持續時間)的縮短。此外，超出某一值的放電電流也將導致持續時間的劇烈下跌。
就蓄電池而論，如原電池那樣，它的持續時間隨放電電流增加而成比例地劇烈縮短。隨著放電深度(與放電電流對于蓄電池的額定容量之比有關)的增加，用蓄電池來充電和放電的次數(循環次數)將減少。
本發明的設計考慮到上述技術的現狀，它的目的在于提供了這樣一個電池系統，即通過調整從電池向負載的放電電流，隨著蓄電池的循環次數的增加，使它的原電池或蓄電池的持續時間延長，并且它還提供運用此電池系統的周期性運動裝置。
依照本發明的第一個方面，利用一個電池系統將電能中原電池或蓄電池提供給負載來實現以上目的，此系統包括一個由原電池或蓄電池組成的電池組；一個用來儲存電池中的電能的雙層電容器；一個限制電阻，用來限制由電池組提供給雙層電容器的電能；以及一個放電控制器，當對雙層電容進行充電時，在預定的操作過程中這樣使雙層電容器將電能周期性地放給負載，從而使雙層電容器的電能釋放給負載的放電時間短于用電能向雙層電容器充電的時間，以及使放電電流大于充電電流。
當由電池組充電后的雙層電容器釋放電能給負載時，放電控制器在預定的操作過程中間歇性地給負載提供了一個大于充電電流的放電電流，同時放電時間也短于充電時間。因此，電池組以一個小電流用較長時間給雙層電容器充電。這時，充電電流(即由電池組流出的放電電流)由限制電阻和雙層電容器來平滑，從而調整從電池看得的流向負載的放電電流。而且，充給雙層電容器的電能(充電時間×充電電流)與從那里放出的電能(放電時間×放電電流)是相等的。因此，通過縮短雙層電容器的放電時間，可使向雙層電容器的充電時間得以延長。這樣就有可能增加在周期性運轉的一個循環中提供給負載的功率。
這樣，放電控制器完成了這樣的控制，即使得由雙層電容器對負載放電的時間比由電池組向雙層電容器充電的時間短，由此，延長了電池組向雙層電容器充電的時間。這時，電池組對雙層電容器的充電電流由限制電阻和雙層電容器來平滑，這就調節了由電池組流向負載的放電電流。這樣實現了電池組持續時間的延長而且保證了它的長壽命。
放電控制器最好提供這樣的控制，即放電時間為T1，充電時間為T2，其總和為負載的一個驅動周期T(＝T1＋T2)，放電時間T1就是負載的驅動周期T的1％(占空比K＝0.01)。
電池組最好還包括可由將光能轉化為電能的太陽能電池來充電的蓄電池。
在上述結構中，雙層電容器由蓄電池充電，而蓄電池再由太陽能電池充電。當雙層電容器對負載釋放出電能時，放電控制器就在預定的循環中周期性地為負載提供一個大于充電電流的放電電流，并且此放電電流的放電時間短于充電時間。因此，電池組以小電流長時間給雙層電容器充電。這時，充電電流(即電池組流出的放電電流)由限制電阻和雙層電容器來平滑，從而調整了從電池看得的流向負載的放電電流。即，蓄電池的放電深度降低。而且，用來給雙層電容器充電的電能(充電時間×充電電流)與從那里放出的電能(放電時間×放電電流)是相等的。因此，通過縮短雙層電容器的放電時間，可延長向雙層電容器充電的時間，這樣使得在周期性運轉的一個周期中供給負載的功率可能增加。
這樣，放電控制器可產生這樣的控制，即使得雙層電容器對負載的放電時間，比蓄電池對雙層電容器的充電的時間短，從而延長了蓄電池對雙層電容器充電的時間。這時，由蓄電池對雙層電容器的充電電流由限制電阻和雙層電容器來平滑，這樣調節了從蓄電池流向負載的放電電流。即，放電深度下降。這樣就實現了蓄電池持續時間的延長以及它的循環次數的增加，從而保證了它的長壽命。
依據本發明此電池系統最好還包括一個串在太陽能電池與蓄電池之間，防止反向電流的二極管。
在多云情況下，例如，太陽能電池的電動勢可能小于在蓄電池的相對端處電壓，上述二極管起到防止由蓄電池流向太陽能電池的反向電流的作用。這樣，儲存在畜電池中的電能可以無損耗地(通過雙層電容器)提供給負載。
防止反向電流的二極管最好由肖特基二極管組成。
一般二極管的正向電壓VF為0.6伏，而肖特基二極管具有數量級為0.3伏的正向電壓，用來抑制由太陽能電池產生的電壓的降低。結果，由太陽能電池產生的電能可以無損耗地加到雙層電容器中。
放電控制器最好可實現這樣的控制，即放電時間為T1，充電時間為T2，其總和就是負載的驅動周期T(＝T1＋T2)時，放電時間T1是負載驅動周期T的5％(占空比K＝0.05)。
本發明的另外一個方面提供了一個周期性運轉裝置，它可以由原電池或蓄電池來為負載提供電能，從而使負載周期性工作。此裝置包括一個由原電池或蓄電池組成的電池組；一個諸如充當負載的發光二極管等發光器件；一個雙層電容器，用來儲存來自電池組的電能；一個限制電阻，用來限制由電池組供給雙層電容器的電能；以及一個放電控制器，當向雙層電容器充電時，它在預定的操作過程中使雙層電容器將電能周期性地釋放給發光器件，以周期性地驅動發光器件，從而使雙層電容器對發光器件釋放電能的時間，比以電能向雙層電容器充電的時間短，并且使放電電流大于充電電流。
當由電池充電的雙層電容器將電能釋放給發光器件時，在預定的操作過程中放電控制器周期性地為發光器件提供一個大于充電電流的放電電流，而放電時間短于充電時間。所以，電池以小電流長時間向雙層電容器充電。這時，充電電流(即從電池流出的放電電流)由限制電阻和雙層電容器來平滑。從而，調節從電池看得的流向發光器件的電能。此外，用來給雙層電容器充電的電能(充電時間×充電電流)和從雙層電容器釋放的電能(放電時間×放電電流)是相等的。因此，通過縮短雙層電容器的放電時間，可以延長向雙層電容器充電的時間。這使得在周期運轉的一個周期中，加到發光器件上的功率可能得到提高。
由此可見，放電控制器可以實現這樣的控制，即可以使雙層電容器對發光器件放電的時間短于電池對雙層電容器的充電所用的時間，從而延長了電池向雙層電容器充電所用的時間。這時，從電池流到雙層電容器的充電電流由限制電阻和雙層電容器來平滑。從而調節從電池流向發光器件的放電電流，這樣就實現了電池持續時間的延長，以保證它的長壽命。
在本發明的一個較佳實施例中，裝置是一個信號/導向燈，它包括一沿其周圍排著許多發光二極管用作發光器件的管狀指示器，一裝配在指示器下且其中裝有雙層電容器、限制電阻及放電控制器的手柄，在柄周圍裝著一個用來提供或切斷從雙層電容器送到放電控制器的電能的開關，并且電池裝在貼在手柄底部的一個防水蓋所封閉的空間中，此外本裝置還包括一個用來包裹著指示器的保護罩。
在具有上述結構的信號/導向燈中(用來在晚間引起駕駛汽車者的注意)，放電控制器提供控制以延長電池的壽命。這就省去了替換廢電池，從而減少了對環境的不利影響。延長了的電池壽命帶來了經濟效益。
放電控制器最好產生這樣的控制結果，當放電時間為T1，充電時間為T2，而它們的總和是發光器件的一個驅動周期T(＝T1＋T2)時，使得放電時間T1變成驅動周期T的20％(占空比K＝0.2)。
本裝置最好還包含一用來檢測振動的振動檢測器件；和一用來檢測低于預定照度大小的環境照度的測光器件，為了在給雙層電容器充電時，使得雙層電容器在預先的操作過程中釋放電能給發光器件，使之周期性地工作，其中，只有當振動檢測器件和測光器件同處于工作狀態，放電控制器才會工作，從而使雙層電容器對發生器件釋放電能的放電時間短于給雙層電容器充電用的充電時間，以及使放電電流大于充電電流。
只有當振動檢測器件和測光器件都處于工作狀態時，由電池充電的雙層電容器才能釋放電能給發光器件。這時，放電控制器在預定的操作過程中周期性地給發光器件提供放電電流，它大于充電電流而放電時間短于充電時間。這就可能增加在周期性工作的一個周期中供給發光器件的功率。只有當振動檢測器件和測光器件同處于工作狀態時，發光器件才能周期性地工作，這就抑制了雙層電容器的放電和電池對雙層電容器的充電(即電池的放電電流)。這就導致了抑制電池消耗量的好處。
在本發明的另一個較佳實施例中，本裝置是一個自行車安全燈，它包括一主體部分和一散光鏡頭。主體部分包含有由用作發光器件的，安裝在其前部的發光二極管，和用作測光器件的，安裝在其外表面上部的光敏電阻，主體部分還包括雙層電容器、限制電阻、振動檢測器件和放電控制器，散光鏡頭是用來縱向地和橫向地發散由發光二極管發出的光。
在具有以上結構的自行車安全燈中(為保證夜間騎行的自行車的安全)，放電控制器提供控制以延長電池的壽命。只有當振動檢測器件和光敏電阻處于工作狀態時，發光二極管才發光。因此，在照度很低的條件下騎自行車時，發光二極管能自動發光，而不必接通電源開關。當自行車停下時，電源自動切斷。這就消除了由于騎車者忘記斷開電池開關而引起的電池的白白浪費。
光敏電阻最好由硫化鎘(CdS)光電導管組成。
硫化鎘光電導管的光譜響應特性接近于人的視覺敏感特性。因此，發光二極管就可依照人所感受到的亮或暗來發光和熄滅。
本裝置最好還包括一個通過振動檢測器件與雙層電容器相連的電解電容器，其中，當振動檢測器件不工作時，而發光器件工作時，使雙層電容器在一依據電解電容器的電容大小的時間間隔內預定的操作過程中周期性地給發光二極管提供電能。
當振動檢測器件不工作時，例如周圍光線很暗而自行車在交通信號燈處停下時，發光二極管根據與電解電容器的電容量相應的一段時間內，在預定的操作過程中周期性地發光。因此，當騎車者夜間等在交通信號燈處時，就能保障安全。
散光鏡頭最好在其一端面中心凹入，以形成兩個向底部延伸的傾斜面，而發光二極管放入散光鏡頭的另一端，使之對著底部。
從發光二極管發出的光線穿過散光鏡頭的底部向前傳播，它的一部分由斜面反射而向旁邊傳播。當不僅僅沿發光二極管發光的方向，而且還沿著與之垂直的方向傳播，這就提高了騎車安全性。
放電控制器最好還產生如下控制作用，當放電時間是T1，充電時間為T2，其總和是發光器件的一個工作周期T(＝T1＋T2)時，使得放電時間T1是發光器件工作周期T的5％(占空比＝0.05)。
依據本發明的裝置還可包含一個用來檢測海水的有/無的海水檢測器件，其中只有當海水檢測器件檢測到海水時，放電控制器才工作，才能使雙層電容器充電時，在預定的操作過程中使雙層電容器對發光器件釋放電能，使之周期地工作，從而雙層電容器對發光器件放出電能的放電時間短于向雙層電容器充電的時間，以及使放電電流大于充電電流。
只有當海水檢測器件處于工作狀態時，由電池充電的雙層電容器才釋放電能給發光器件。這時，放電控制器在預定的操作過程中周期地給發光器件提供放電電流，它大于充電電流而放電時間短于充電時間。因此，電池以小電流長時間給雙層電容器充電。這時，充電電流(即由電池流出的放電電流)由限制電阻和雙層電容器來平滑，從而調整從電池看得的流向發光器件的放電電流。只有當海水檢測器件處于工作狀態時發光器件才能周期地工作，這就抑制了雙層電容器的放電和電池對雙層電容器的充電(即電池的放電電流)。這帶來了抑制電池消耗量的好處。
放電控制器最好產生了這樣的控制，當放電時間為T1，充電時間為T2，其總和是發光器件的一個工作周期T(T1＋T2)，使得放電時間T1是發光器件工作周期T的5％(占空比＝0.05)。
海水檢測器件最好包含兩個電極，每個電極的形狀約5毫米見方，相隔約5毫米。
具有以上結構的海水檢測器件，在空氣中其兩電極間電阻是1兆歐而在海水中約為10千歐。電阻值上的這一差別使得海水檢測成為可能。
電極最好給予防腐處理。
防腐處理可以保護電極免受海水腐蝕，從而防止其電阻值的變化，以使海水檢測器件可以使用很長一段時間。
在一較佳實施例中，本裝置是一水下誘魚燈，它包括上半部分和下半部分，在上半部分中裝有雙層電容器、限制電阻、海水檢測器件以及放電控制器，在其上端有一捕魚線連接頭，下半部分與上半部分相連并在其中裝有用作發光器件的發光二極管，和許多沿其周圍排列的魚鉤，在其下端有一捕魚線連接頭。
在具有上述結構的水下誘魚燈中(用以吸引生活在相當深海中的魚)放電控制器提供控制作用，以延長電池的壽命。此外，只有當海水檢測器件處于工作狀態時，即水下誘魚燈浸沒在海水中時發光二極管才發光。因此，電池消耗緩慢以獲得經濟效益。
為了說明本發明，在圖中示出了目前較佳的數種形式，但是，應該明白，本發明不只限于所示的明確的結構和裝置。


圖1是本發明第一個實施例中的電池系統的電路圖。
圖2A和圖2B是放電控制器的電路圖，以及顯示其工作狀態的時間圖。
圖3A和3B是電池系統的時間圖。
圖4是顯示不同電池的放電電流與持續時間的特性圖。
圖5是第二個實施例中的電池系統的電路圖。
圖6顯示的是蓄電池的放電深度和循環次數的特性圖。
圖7是第三個實施例中信號/導向燈的電路圖。
圖8是信號/導向燈的透視圖。
圖9是第四個實施例中自行車安全燈的電路圖。
圖10是自行車安全燈的透視圖。
圖11是散光鏡頭的平面圖。
圖12是第五個實施例中水下誘魚燈的電路圖。
圖13是水下誘魚燈的透視圖。
圖14是表示水下誘魚燈的用法的說明圖。
<第一個實施例>
圖1是第一個實施例中的電池系統的電路圖，圖2A是放電控制器的電路圖。圖2B為顯示放電控制器的工作情況的時間圖。圖3A和3B為表示電池系統的工作情況的時間圖。
參考圖1，數字1代表原電池或蓄電池，它的正極通過限制電阻2與雙層電容器3的一端相連，并且與后面將描述的放電控制器4的電源線Vcc相連，這里假定電池1給出放電電流IB，并且在限制電阻2和雙層電容器3的連接處(即放電控制器4電源線Vcc)給出電勢Vc。電池1的負極連接到雙層電容器的另一端以及放電控制器4的接地線GND。負載L接在放電控制器4的輸出線Vout和接地線GND之間。放電控制器4控制由雙層電容器提供給負載L的電流(放電電流)I0。
其次，參考圖2A，它表示了放電控制器4的線路圖。此放電控制器4包括多諧振蕩器(它是自勵的，以產生方波輸出)，它由電阻R1和R5、電容C1、晶體管Tr2、電阻R2和R3、電容C2和晶體管Tr1組成；一電流放大級電路，由電阻R4和晶體管Tr3組成，用來放大多諧振蕩器的輸出；以及用來限制供給與輸出線Vout相連之負載L的電流的電阻R6。代替限于多諧振蕩器，放電控制器可包括各種其它方波輸出電路中的任何一種，只要它能夠循環地驅動負載。例如，可以使用具有C-MOS倒相器的振蕩電路。
圖2B顯示了輸出至構造如上所述的放電控制器4的輸出線Vout的方波的一個例子，在圖2B中，記號T代表了方波輸出的一個周期。記號T1代表了這樣一段時間，在此期間電源放大級電路的晶體管Tr3處于導通狀態，以向負載L提供電流(負載驅動期)。記錄T2代表這樣一段時間，在此期間電流放大級電路的晶體管Tr3處于截止狀態，以不給負載L提供電流(負載非驅動期)。眾所周知，負載驅動期T1和負載非驅動期T2，以及負載工作周期T的近似值由以下的公式得出。負載驅動期T1=.0.069R2C2]]>負載非驅動期T2=.0.69R1C1]]>負載驅動周期T=.T1+T2]]>這樣設定放電控制器4的常數，使負載驅動期T1小于負載非驅動期T2。例如，負載驅動期T1是周期T的1％(占空比K)。假定，例如，負載驅動周期是1秒(即充電時間)，則負載驅動期T1是0.01秒(＝K·T)，并且負載非驅動期T2是0.99秒。對用蓄電池(例如鎳一鎘電池)，在充電時間T(＝1秒)中如此短暫的充電和放電是不可能的。只有使用雙層電容器3，才能夠在短時間內充電和放電。此雙層電容器3通過將電荷吸附至活性炭或從活性炭上解吸，來實現充電和放電，而且這樣它就可以重復使用，而不降低品質。
其次，參考圖3A和圖3B，圖3A所示是雙層電容器3兩極間的電壓Vc的時間圖。圖3B所示是對雙層電容器3充電的電流Ii和供給負載L的負載電流I0(放電電流)的時間圖。
如圖3A中實線所示，雙層電容器3處的電壓Vc可以由放電控制器4來改變。然而，電壓Vc可變到如雙點-劃線所示曲線，由限制電阻2和雙層電容器3來平滑。此外，如圖3B的實線所示，對雙層電容器3的充電電流Ii，從電池1輸出的放電電流IB給出的一個峰處下降。然而，充電電流Ii實際上也可被平滑如圖所示的雙點-劃線那樣變化。充電特性(充入電能)由以下公式表示，這里雙層電容器的電容量為C(法拉)，充電時間為T(秒)，對充電時間T來說，充電電流Ii有一平均值I′i。把晶體管Tr1和Tr2的集電極電阻R3和R5設定為大阻值從而才能使放電控制器4的電流損耗足夠小，與放電電流Io相比可以忽略。
C·VB＝I′i·T…(1)放電特性(放出電能)可由以下公式表示C·VB＝Io·K·T …(2)假定雙層電容器3的電容量C和電池1的電壓VB是不隨重復的充、放電而改變的，充入的電能和放出的電能是相等的。因此，由方程(1)和(2)可得以下方程，I′i·T＝Io·K·T∴I′i＝Io·K …(3)將占空比K＝0.01(1％)代入方程(3)，I′i＝0.01Io。因此，充電電流的平均值I′i是供給負載的電流Io的 。(乘以占空比K)。充入雙層電容器3的電能(充電時間×充電電流)和從那里放出的電能(放電時間×放電電流)是相等的。因此，通過縮短雙層電容器3的放電時間，可以延長對雙層電容器充電的時間。于是延長電池1對雙層電容器3的充電時間(即電池1的放電時間)就成為可能，這就使電池1的放電電流IB變小了。
雙層電容器相對兩端間的電壓Vc以基于限制電阻R2和其本身的電容決定的時間常數而增加，直到大體上達到電池1的輸出電壓VB(嚴格地說，要低限制電阻2上的電壓降)。這時充電電流Ii從電池1的輸出電流IB處于降而形成一個峰。充入雙層電容器3的電能(即由電池1放出的電能)，由方程(1)及圖3B中區域S2來表示。此外，充電電流Ii的平均值I′i由圖3B所示。相對端處的實際電壓Vc和放電電流Ii由限制電阻2和雙層電容器3來平滑，如圖3B雙點-劃線所示。
在負載非驅動期T2(＝T－KT)終止時，放電控制器4的晶體管Tr3變成“導通”狀態，從輸出線Vout向負載L提供放電電流Io。根據方程(3)，這個放電電流Io是平均充電電流的100倍。由雙層電容器3釋放的電能可以由圖3B中的區域S1表示。在負載驅動期T1(＝TK)終止時，重復由電池1向雙層電容器3充電和由雙層電容器3向負載L的放電。
如上所述，負載L不是直接由電池1接收電能供給，而是通過限制電阻2和雙層電容器3接收的。限制電阻2和雙層電容器3平滑來自電池1的放電電流IB，從而大大地降低了電池1的實際放電電流I′i(它就是從雙層電容器的放電電流Io用占空比K乘)以減輕落在電池1上的負荷。
下文將參考圖4對本發明的系統和通常的系統進行比較，圖4是表明不同電池放電電流和持續時間的特性曲線。在圖4中，圓圈中的標號1指出錳原電池的特性曲線，圓圈中標號2指出鋰原電池的特性曲線，而圓圈中的標號3指出鋰蓄電池的特性曲線。假定，例如，采用圓圈中標號1的錳原電池，在通常的系統中它給負載提供1安(1000毫安)的放電電流Io，并且負載L在占空比K為1％時周期性地工作，于是由電池直接輸出放電電流Io(＝1000毫安)，放電電流的持續時間是1小時，將1小時被占空比K(＝0.01)除，得出允許負載周期性工作的持續時間TP是100小時。在實施本發明的系統中，雙層電容器的放電電流是1000毫安，但電池的放電電流I′i(＝IB)是被占空比K( 倍)去乘，而變為10毫安。因此，持續時間TI是700小時，它是通常的系統的持續時間的7倍。如果持續時間相等，那么電池容量可以是 <第二個實施例>
圖5是第二個實施例的電池系統的電路圖。在圖5中，用相同的標號來表示與第一個實施例中的相同部分，而不再說明了。
標號5代表正端與蓄電池1的正端通過一反向電流保護二極管6相連的太陽能電池。當太陽能電池5受光照射時，在其相對端之間產生電壓VS，于是可得電流IS。當光照射太陽能電池5時，此電路開始大致以電流IS對蓄電池1充電，持續到蓄電池相對端之間的電壓VB與電壓VS相等。此外，當蓄電池1的相對端之間的電壓VB低于電壓VS時，蓄電池1由太陽能電池5充電。
例如，最好由肖特基二極管來構成反向電流保護二極管6，它具有很小的正向電壓，從而使得太陽能電池5產生的電壓VS保持得盡可能高。
在此實施例中，如在第一個實施例那樣，通過縮短雙層電容器3的放電時間，可以延長蓄電池1對雙層電容器3的充電時間，因此可以延長蓄電池1對雙層電容器3充電的時間，即蓄電池1的放電時間。這就使蓄電池1的放電電流變小，并且降低了蓄電池1的放電深度(相應于放電電流與蓄電池額定容量之比)。因此，蓄電池的循環次數(使用蓄電池來充、放電的次數)可能增加。
如上所述，負載L不直接由蓄電池1接收電能供給，而通過限制電阻2和雙層電容器3接收。限制電阻2和雙層電容器3可以平滑蓄電池1的放電電流IB，從而顯著地減小實際蓄電池1的放電電流I′i(即降低放電深度)(它是雙層電容器3的放電電流Io被占空比K除得的值)，以減輕落在蓄電池1上的負荷。
假定向負載L的放電電流Io為50毫安，占空比是5％。
IB＝Ii＝50毫安×0.05＝2.5毫安若負載一天工作12小時，蓄電池1所需的容量由以下方程式表示，2.5毫安×12小時/天＝30毫安·小時/天若放電深度是10％，則蓄電池1所需的容量由下式表示30毫安·小時÷0.1＝300毫安·小時若太陽能電池5的損耗系數是0.6，而光照時間是3小時，則太陽能電池的輸出(IS)可由下式表達，30毫安·小時/(3小時＋0.6)＝8.33毫安考慮到雨天的充電情況，將此值乘以10。因此，太陽能電池可提供輸出IS為83毫安。
參考圖4將本發明的系統與通常的系統作一比較，其中圖4示出不同電池的放電電流和持續時間特性曲線。本實施例中的蓄電池1是圓圈中標號3所指的鋰蓄電池。
本實施例中的蓄電池1提供了2.5毫安的放電電流，由圖4得它的持續時間T1是35小時。這樣，一個蓄電池1的容量是2.5毫安×35小時＝87.5毫安·小時，使負載L一天工作12小時所需的蓄電池1的容量是300毫安·小時(放電深度10％)。蓄電池的數量為300毫安·小時/87.5毫安·小時＝3.4。即，用四個蓄電池并聯就足夠了。
另一方面，在通常的系統中，IB＝50毫安，由圖4得蓄電池1的放電持續時間為0.2小時。具有占空比K＝5％的放電持續時間TP＝0.2小時/0.05小時＝4小時。因此，一個蓄電池1的容量是50毫安×0.05×4小時＝10毫安·小時。使負載一天工作12小時所需的蓄電池1的容量為300毫安·小時。蓄電池的數量是300毫安·小時/10毫安·小時＝30。即，需要多達30個蓄電池相并聯。
其次，參考圖6，它是表示放電深度和循環次數的特性曲線。一般蓄電池的放電深度為30％～50％，這使得循環次數大約為100到300。在本實施例中，放電深度定為10％。這樣，根據圖4，循環次數大約為1000，它大約是在更大放電深度(30％至50％)下循環次數的3到10倍。當把放電深度降到低于10％時，可能得到大約3000次循環。即可以延長蓄電池的壽命。在由太陽能電池對蓄電池充電，并由蓄電池向負載提供電能來使負載工作的電池系統中，一般蓄電池具有維持10到20天的容量，以補償陽光少的天氣。這樣，此系統不可避免需要一大容量的蓄電池。然而，循環數是幾千的數量級，可以每天實行充、放電。不必對陽光少的天氣作補償，因而使蓄電池的容量可減少。因此，一個小容量的蓄電池就足夠了。此外，在雨天情況下，設定太陽能電池的輸出電流，可實現全天候電池系統。
<第三個實施例>
下文將描述信號/導向燈，它是運用第一個實施例中所描述的電池系統的周期性運作裝置的一個實例。圖7是信號/導向燈的電路圖，而圖8是透視圖，它顯示了信號/導向燈的外觀。此信號/導向燈是一個在晚上提醒駕車者留心馬路上的工程等類似的障礙物，或者指出一條行駛路線的裝置，并且它還運用了發光二極管或者類似器件來促使人們留心。
在圖7中，標號10代表開關，是用來啟動和停止雙層電容器3向放電控制器4和負載L提供電能的，此開關10閉合或打開以進行或中斷對放電控制器4和負載L提供電能。此信號/導向燈中的負載L包括15個用作發光器件的并聯的發光二極管，此信號/導向燈的電源是由兩個AA型的錳原電池串聯而成。舉例來說，可設置放電控制器4的周期T＝0.1秒，占空比K＝20％。
參考圖8，信號/導向燈包括在其上半部分形成的指示器11，用來引起駕車者等的注意。指示器11具有15個發光二極管(負載L)，排列在其周界上，指示器11外螺接一保護罩12，以保護發光二極管L免受雨水等的侵蝕。保護罩12給出不光滑的為外表面，以散射發光二極管L發出的光。此外信號/導向燈還包括一安裝在指示器11下面的手柄13，可讓使用者可以拿在手上。手柄13包括一裝在其底面上的防水蓋14，擰開蓋可以裝入電池1。信號/導向燈的開關10裝在手柄13的上部的周界部位。
本信號/導向燈的負載L(由15個發光二極管并聯而成)消耗100毫安的電流。即，放電電流Io＝1000毫安。取占空比K＝0.2，根據方程3，電池1的電流IB是200毫安。因此，從顯示放電電流和持續時間的圖4中的特性曲線可見，此信號/導向燈的電池1的持續時間TI為20小時。
在通常的信號/導向燈中，電池1的電流IB是1000毫安，因此它的持續時間是1小時。取占空比K＝0.2，電池1的持續時間TP＝1小時/0.2＝5小時。則本實施例中的信號/導向燈提供了四倍于(＝TI/TP)通常的信號/導向燈的持續時間。若工作時間相同，則電池1的容量可以減少到1/4。
當用作電源的電池在晚上用完時，則此信號/導向燈不能引起駕車者的注意。這對施工的人和駕車者都構成嚴重危險。因此，為穩當起見，不論目前使用的電池是否還有充足的能量，在使用前還是要換上一個新電池。換下的電池就扔掉了，這就提出了對環境有不利影響的問題。然而，對于本實施例，電池的壽命延長了，是通常系統的4倍，這就產生了經濟上的效益。
<第四個實施例>
下文將描述自行車安全燈，它是運用第一個實施例中所描述的電池系統的周期性工作裝置的又一個實施例。圖9是此自行車安全燈的電路圖，圖10是示出此自行車安全燈外觀的透視圖。此自行車安全燈是為了保證晚間騎車安全而裝在自行車的座墊或尾部擋泥板上的裝置。
參考圖9，振動傳感器20的一端與雙層電容器3的正端相連，電解電容器21的一端與振動傳感器20的另一端相連。電解電容器21的另一端與放電控制器4的接地線GND相連。振動傳感器20可以是各種類型中的一種。在本實施例中，振動傳感器包括一可繞樞軸轉動的電極和一固定電極，可轉動電極的一端是固定在它上面，另一端附帶有重物。此振動傳感器20對應于本發明中的振動檢測裝置。
電阻器22和用作光檢測器件的光敏電阻23串聯在振動傳感器20和電解電容器21的節點上。一般，光敏電阻23是硫化鎘(CdS)或碲化鎘(CdTe)光電導管，它是具有隨著光照而阻值可變的光傳感器。雖然光敏電阻23可由各種類型中的一種來構成，但對用來檢測日落，最好選用硫化鎘光電導管，因為它的光譜響應特性接近于人的視覺敏感特性。晶體管24的基極連在電阻器22和光敏電阻23的節點上。晶體管24的集電極通過電阻器25連在雙層電容器3的正端上。晶體管24的發射極連在放電控制器4的接地線GND上。此外，晶體管24的集電極通過電阻器26與晶體管27的基極相連。晶體管27的發射極連到雙層電容器3的正端。晶體管27的集電極連到放電控制器4的電源線Vcc。用作發光器件的一發光二極管L連到放電控制器4的輸出端Vout上。例如，周期性地供給發光二極管L50毫安的正向電流。設定放電控制器4的不同的常數，以得到周期T＝0.5秒，占空比K＝0.05(5％)。
在此自行車安全燈中，只有當振動傳感器20和光敏電阻23同時工作時，發光二極管L才周期性地發光。即，當振動傳感器20檢測到振動時，電解電容器21連到雙層電容器3的正端上。然后，雙層電容器3對電解電容器21充電，電流流向電阻器22和光敏電阻23。在白天條件下，因為光敏電阻23的阻值為幾百歐姆的數量級，所以晶體管4不導通。日落以后，光敏電阻23的阻值變為幾百千歐姆的數量級，使得晶體管24處于導通狀態。隨著晶體管24的導通，電流流經電阻器25，使晶體管27變得導通，隨著晶體管27的導通，放電控制器4工作，以使發光二極管L周期性地工作。
電解電容器21與電阻22和光敏電阻23是并聯的。因此，晚上當自行車因交通信號燈而停下時，即當振動傳感器20不工作時，儲存在電解電容器21中的電能流向電阻器22和光敏電阻23，以維持晶體管24在一段由電解電容器的電容量確定的時間內導通。這樣，晚上當騎車人等在交通信號燈處時也可以保證安全。
參考圖10，光敏電阻23裝在自行車安全燈主殼體30的上表面上。發光二極管L裝在主殼體30的前部位置處，該處有一個由高折射率的樹脂做成的散光鏡頭31。正如在圖11的設計圖所示，散光鏡頭31在其一端向中間凹入，以形成兩個向底部31a延伸的斜面31b。發光二極管L嵌入鏡頭31的另一端，而與底面31a相對。從嵌在散光鏡頭31中的發光二極管L發出的光(在圖11中由箭頭示出)，主要穿過底面31a向前傳播，而有一小部分光由斜面31b反射，以從散光鏡頭31向側面傳播。因此，當有此散光鏡頭31的自行車安全燈的主殼體30裝在自行車的座墊或尾部泥板上時，增加了側面和后部的可見度以保證安全。
自行車安全燈一般帶有裝在車把上或安全燈上的電源開關，用來開燈和關燈。在此情況下，騎車人常常忘記關掉開關，從而浪費電池。因此，大多數騎車人騎車時不打開電源開關，而這樣做是危險的。然而，應用本實施例中的自行車安全燈時，由光敏電阻23在白天或晚上檢測亮暗情況，并且由振動傳感器20檢測自行車的使用情況，來免除打開電源開關的麻煩。由于不用電源開關，就避免了當騎車人忘記關掉電源開關而在需要時電池卻用完而引起的不便。
為了減小自行車安全燈的體積和減輕其重量，例如，電池1可由體積小且高密度型的鋰原電池來構成(圖4中標號2)。現在計算一下此電池可用的時間。假定發光二極管L消耗電流為50毫安，放電控制器4提供的周期T＝0.5秒，占空比為0.05(5％)。則對雙層電容器3的充電電流Ii(電池1的放電電流IB)由下式得到Ii＝50毫安×0.05＝2.5毫安由圖4的標號2，可得鋰原電池的持續時間TI為700小時，這樣，若自行車安全燈的使用率為每天十五分鐘，且電池1無自行放電，則此電池可用大約八年(700小時×60分/15＝2800天)。
其次，對通常的電池系統也做同樣的計算。電池1的放電電流IB為50毫安，因此它的持續時間不能由圖4的標號2的特性曲線來得出。這表明鋰原電池不能在如此大的電流下使用。假定對圖4的特性曲線作延長線，它的持續時間為0.1小時，發光二極管L以占空比K＝0.05發光，則持續時間TP是2小時(＝0.1小時/0.05)。這樣，本實施例具有延長電池壽命的優點，它的壽命是通常的系統的350倍(＝700H/2H)。
<第五個實施例>
下文將描述水下誘魚燈，它是運用第一個實施例中所描述的電池系統的周期性工作裝置的又一個實例。圖12是水下誘魚燈的電路圖，圖13是表示了水下誘魚燈外觀的透視圖。水下誘魚燈是一個用來吸引生活在相當深的海水(大約100米)中魚類(例如魷魚，彎刀魚和大海鰻)的發光燈。
參考圖12，放電控制器4′具有圖2A所示的電路，它把電流放大電路(晶體管Tr3和電阻器R6)給去除了，并且將電阻器R4和電阻器R5之間的接點作為輸出端Vout。用作海水檢測器件的海水傳感器40的一端40a與放電控制器4′的輸出端Vout相連。海水傳感器40的另一端40b通過晶體管41的偏置電阻42連到雙層電容器3的正端，并與晶體管41的基極相連。晶體管41的發射極連到雙層電容器3的正端上。晶體管41的集電極通過一限制電阻器43連到用作發光器件的發光二極管L上。
設定放電控制器的各個常數，以得到周期T＝0.2秒，占空比K＝0.05(5％)。限制電阻器43的值為以提供發光二極管L大小為提供50毫安的正向電流所需的值。
海水傳感器40有電極40a和40b，它們的形狀都是每邊長約為5毫米的正方形，并且相隔約5毫米。由于電極40a和40b要接觸海水，因此最好首先對它們進行防腐處理，為使它們的阻值不會隨所受的腐蝕而改變。海水傳感器40的電極40a和40b之間的阻值在海水中大約為10千歐，在空氣中阻值大約是1兆歐。此外，當它們接觸雨水而不是海水時，它們之間的阻值大約為100千歐。這樣，海水傳感器40的阻值只有在海水中才下降，從而產生流經偏置電阻42的電流，以使晶體管41處于導通狀態。
參考圖13，水下誘魚燈包括上半部分50a和下半部分50b(后者是由一種用來透射從發光二極管L發出的光的材料構成)，在每一部分的一端都有捕魚線連接頭51。電池1、雙層電容器3、放電控制器4′和海水傳感器40都裝在上半部分50a中。海水傳感器40在上半部分50a的側面上，使電極40a和40b接觸到海水。在設計圖中，下半部分50b包括沿其周圍對稱地排列的四個魚鉤52。發光二極管裝在下半部分50b中。
如圖14所示，例如70個水下誘魚燈50是以間隔1米連接在捕魚線上的。這些誘魚燈50從捕魚船上吊入水中，最上面的一個捕魚燈50位于捕魚船下大約30米深處。因為此海水傳感器40如前所述只有在海水中才能工作，所以只有當水下誘魚燈放入水中時，發光二極管L才發光。那么，將慢慢使用電池1而產生經濟效益。使用此種水下誘魚燈的捕魚過程大約能持續12小時。此外，因為在使用小燈作為光源時，每次工作時電池要更換。然而，依據本實施例，由發光二極管作為光源，而且電池1的放電電流可以減小。那么可以壓縮電池1的消耗。
現在計算一下由鋰原電池(圖4中標號2)構成的電池1的持續時間。電池1的放電電流IB為2.5毫安(＝50毫安×0.05)，由圖4得持續時間TI是700小時。若一天工作12小時，此電池可用大約58天，(700小時/12小時＝58.3)(大約兩個月)。
在通常的系統中，電池1的放電電流IB為50毫安，那么它的持續時間不能由圖4標號2的特征曲線得出。這表明鋰原電池不能在如此大電流下使用。假定延長圖4的特性曲線得持續時間大約是0.1小時。而發光二極管L以占空比K＝0.05發光，則持續時間TP是2小時(＝0.1小時/0.05)，因此，此實施例具有延長電池壽命350(＝700小時/2小時)倍于通常的系統的優點。
壓力傳感器可串聯到海水傳感器40上，或者可以使用壓力傳感器來代替海水傳感器40，當水下誘魚燈50達到預定深度時，可以驅動發光二極管L。最好用一個機械膜型的簡單壓力傳感器。這樣的壓力傳感器可包括在振動膜不接觸海水的一側形成的導電電極，以及對著導電電極以一預定間隔安裝的一對電極。當水下誘魚燈50達到某一預定深度，具有如此結構的膜就發生變形，從而使導電電極移動，并與那一對電極接觸。則，當或僅當水下誘魚燈達到海水中某一深度時，才能使發光二極管L開始發光。這就達到更進一步壓縮電池1消耗的效果。
第三至第五個實施例已描述過了，即以用作負載的發光器件例如一個或多個發光二極管L來作示例。然而，負載可由不同的可周期性工作的操作機構或發聲器件中的任一種來構成，以代替一個或多個發光二極管。
信號/導向燈、自行車安全燈和水下誘魚燈都作為周期性工作裝置被描述過了。本發明不局限于這些燈，而還適用于不同的周期性工作裝置。這些裝置包括太陽能收音機、無線電收發報機、電池供電的打火機、泵、灑水器、電力驅動的百葉窗、平交道口欄水以及自動門。
本發明可以在不違背其精神或其主要特征的基礎上以其它的特殊形式來體現，因此在指定本發明的范圍時應參考附加的權利要求而不是參考以上的說明。
權利要求
1.由原電池或蓄電池向負載提供電能的電池系統，其特征在于包括一個由所述原電池或所述蓄電池組成的電池組；一個用來儲存由所述電池組放出的電能的雙層電容器；一個用來限制由該電池組供給該雙層電容器電能的限制電阻；以及放電控制設備，其作用是當向所述雙層電容器充電時，使所述雙層電容器在預定的操作過程中周期性地向所述負載釋放電能，從而使由所述雙層電容器向該負載釋放電能的放電時間小于向該雙層電容器充入電能的充電時間，并且使放電電流大于充電電流。
2.如權利要求1所述的一種電池系統，其特征在于該放電控制裝置提供了這樣的控制，當所述放電時間是T1，所述充電時間是T2，其總和是該負載工作周期T(＝T1＋T2)時，所述放電時間T1是所述負載的所述驅動周期的1％(占空比K＝0.01)。
3.如權利要求1所述的一種電池系統，其特征在于該電池組由可由把光能轉化為電能的太陽能電池充電的蓄電池來組成。
4.如權利要求3所述的一種電池系統，其特征在于還包括串聯在該太陽能電池和該蓄電池之間的反向電流保護二極管。
5.如權利要求4所述的一種電池系統，其特征在于該反向電流保護二極管由肖特基二極管構成
6.如權利要求3所述的一種電池系統，其特征在于該放電控制裝置產生了這樣的控制，當所述放電時間是T1，所述充電時間是T2，其總和是所述負載的驅動周期T(＝T1＋T2)時，所述放電時間T1是所述負載的所述驅動周期的5％(占空比K＝0.05)。
7.一種用來將原電池或蓄電池的電能提供給負載，并驅動該負載周期性工作的周期性工作裝置，其特征在于所述裝置包括一個由所述原電池或所述蓄電池組成的電池組；用作所述負載的發光裝置，例如發光二極管；一個用來存儲該電池組放出電能的雙層電容器；一個用來限制從該電池供給該雙層電容器的電能的限制電阻；以及放電控制設備，其作用是當向所述雙層電容器充電時，使所述雙層電容器在預定的操作過程中周期性地對所述發光裝置放電，從而使所述雙層電容器對所述發光裝置釋放電能的放電時間小于向所述雙層電容器充入電能的充電時間，并且使放電電流大于充電電流。
8.如權利要求7所述的一種裝置，其特征在于該裝置是一個信號/導向燈，它包括一用作所述發光裝置并在其周界上排列著許多發光二極管的管狀指示器；一裝在所述指示器下，并在其中裝有所述雙層電容器、所述限制電阻和所述放電控制裝置的手柄；一用來提供或切斷由所述雙層電容器向所述放電控制裝置的電能且裝在手柄外面的開關；以及裝在由貼于手柄底部的防水蓋形成的閉合空間中的所述電池組，還包括包圍著所述指示器的保護罩。
9.如權利要求7所述的一種裝置，其特征在于所述放電控制裝置提供了這樣的控制，當所述放電時間為T1，充電時間為T2，其總和為所述發光裝置的驅動周期T(＝T1＋T2)時，所述放電時間T1是所述驅動周期T的20％(占空比K＝0.2)。
10.如權利要求7所述的一種裝置，其特征在于還包括用來檢測振動的振動檢測裝置，和用來檢測低于一預定照度的環境照度的照明檢測裝置，其中，只有當所述振動檢測裝置和所述照明檢測裝置都處于工作狀態時，所述放電控制裝置才能工作，從而當給雙層電容器充電時，在預定的操作過程中周期性地使所述雙層電容器向所述發光裝置釋放電能以驅動其工作，從而使所述雙層電容器對所述發光裝置放電的放電時間小于向所述雙層電容器充電的充電時間，并且使放電電流大于充電電流。
11.如權利要求7所述的一種裝置，其特征在于該裝置是一個自行車安全燈，它包括一個主殼體部分，在其前部裝有用作所述發光裝置的發光二極管，在其外表面的頂部裝有用作所述照明檢測裝置的光敏電阻，所述主殼體包括所述雙層電容器、所述振動檢測裝置和所述放電控制裝置，以及一散光鏡頭，用以使從所述發光二極管發出的光縱向和橫向地向外發散。
12.如權利要求11所述的一種裝置，其特征在于該光敏電阻由硫化鎘光電導管來構成。
13.如權利要求11所述的一種裝置，其特征在于還包括一通過振動檢測裝置連到所述雙層電容器上的電解電容器，其中，當所述振動檢測裝置不工作且所述照明檢測裝置工作時，可使所述放電控制裝置工作，從而在預定的操作過程中使所述雙層電容器周期性地對所述發光二極管提供電能，其時間間隔依據該電解電容器的電容量。
14.如權利要求11所述的一種裝置，其特征在于，所述散光鏡頭的一頭向中間凹入，而形成兩個向底面延伸的斜面，所述發光二極管嵌入所述散光鏡頭的另一端，正對著所述底面。
15.如權利要求10所述的一種裝置，其特征在于所述放電控制裝置提供了這樣的控制，當所述放電時間為T1，所述充電時間為T2，其總和是該發光裝置的工作周期T(＝T1＋T2)時，所述放電時間T1是所述發光裝置的所述驅動周期T的5％(占空比K＝0.05)。
16.如權利要求7所述的一種裝置，其特征在于還包括用來檢測是否有海水的海水檢測裝置，其中，只有當所述海水檢測裝置檢測到海水時，所述放電控制裝置才能工作，從而當向該雙層電容器充電時，使所述雙層電容器在預定的操作過程中周期性地釋放電能來驅動所述發光裝置，這樣使所述雙層電容器對所述發光裝置放電的放電時間小于給所述雙層電容器充電的充電時間，并且使放電電流大于充電電流。
17.如權利要求16所述的一種裝置，其特征在于所述放電控制裝置提供這樣的控制，當所述放電時間為T1，所述充電時間為T2，其總和為所述發光裝置的驅動周期T(＝T1＋T2)時，所述放電時間T1是該發光裝置的所述驅動周期的5％(占空比K＝0.05)。
18.如權利要求16所述的一種裝置，其特征在于該海水檢測裝置包括兩個電極，形狀都是邊長大約為5毫米的正方形，并相隔大約5毫米的間隔。
19.如權利要求16所述的一種裝置，其特征在于所述電極經防腐處理。
20.如權利要求16所述的一種裝置，其特征在于所述裝置是一個水下誘魚燈，它包括上半部分，在其中裝有所述雙層電容器、所述限制電阻、所述海水檢測裝置和所述放電控制裝置，在其上端形成了捕魚線連接頭，下半部分與所述上半部分相連，并在其中含有用作所述發光裝置的發光二極管，在所述下半部分周界上排列著多個魚鉤，并且有一個捕魚線連接器在其下端形成。
全文摘要
一種電池系統，通過原電池或蓄電池向負載提供電能。此系統包括一個由原電池和蓄電池組成的電池組；一個用來存儲電池放出電能的雙層電容器；一個用來限制由電池對雙層電容器提供的電能的限制電阻；以及一個用來控制雙層電容器的放電控制器。當向雙層電容器充電時，此放電控制器使雙層電容器在預定的操作過程中周期性地向負載釋放電能，雙層電容器向負載放電的放電時間短于對雙層電容器充電的充電時間。同時，放電電流大于充電電流。
文檔編號H02J9/06GK1122055SQ95109810
公開日1996年5月8日 申請日期1995年8月17日 優先權日1994年9月8日
發明者藤井喬 申請人:沃達株式會社