帶內置控制器以延長電池壽命的一次性電池的制作方法

專利名稱：帶內置控制器以延長電池壽命的一次性電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及一次性電池，特別涉及帶內置控制器以延長使用壽命的一次性電池。
背景技術：
在收音機、密致盤播放機、照相機、蜂窩網電話、電子游戲機、玩具、尋呼機和計算機裝置等便攜式電子裝置中，消費者通常使用一次性電池。當一次性電池的使用壽命超過了，通常就丟棄電池。此時，往往只使用了電池總蓄電量的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動電子裝置。這樣，盡管電池還留有其蓄電量的約30～60％，消費者還是一丟了事。因此，通過更深程度的安全放電來延長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。
此外，消費者經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。事實上，由于電子線路的工作速度更快，結構更復雜，甚至要求比以前更大的電流，因而對電池的需求更大了。然而，如果功能增多、速度增高要求更頻繁地調換電池，消費者將不會接受功能更強的超小型化裝置。因此，為了制造更快速更復雜的電子裝置而不降低電池壽命，電子裝置就要求使用更有效的電池，或者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壓器電路，諸如開關轉換器(如DC/DC轉換器)，用于轉換和/或穩定電池的輸出電壓。在這類裝置中，通常串接了多個單一單元電池，轉換器將這些電池的總電壓轉換成負載電路要求的電壓。轉換器能延長電池的工作時間，其做法是在電池放電初始部分降低電池輸出電壓(否則會提供更高電壓，從而提供比負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(否則電池會耗盡，因為輸出電壓低于負載電路要求的電壓)。
然而，在電子裝置中配備轉換器的方法有若干缺點。首先，在電子裝置中安裝轉換器較為昂貴，因為每一家制造商對少量生產的產品都有特殊的電路設計，因此成本較高。其次，電池供應商并不控制與特定電池配用的轉換器類型，因而轉換器對每類電化學單元的特定電化學特性并未實現優化。再次，不同類型的電化學單元(如堿電池、鋰電池等)具有不同的電化學特性與標稱電壓，不易互換。另外，轉換器在電子裝置中占據著寶貴的空間并增大了重量。而且，某些電子裝置可以用線性調壓器取代DC/DC轉換器等更有效的開關轉換器。此外，含開關轉換器的電子裝置會產生電磁干擾(EMI)，對射頻(RF)發射機等電子裝置中相鄰的電路有不利影響。然而，通過將轉換器裝入電池，EMI源可遠離其它對EMI敏感的電路，并可被電池導電的容器屏蔽。
現有電壓轉換器的另一個問題是，為了提供足夠的電壓驅動轉換器，通常要用多個串接的電化學單元。然后轉換器會將電壓降到電子裝置所需的電平。這樣，根據轉換器的輸入電壓要求，即使電子裝置本身只需一個單一單元工作，但它必須裝上若干電化學單元，因而浪費了空間，增加了重量，不利于電子裝置進一步超小型化。
因此，要求在丟棄電池前更多地利用一次性電池貯存的電荷，并且電池占用的空間與重量更少，使便攜式電子裝置進一步超小型化。
此外，需要通過設計更為通用的電路設計降低電子設備的DC/DC轉換器的成本。
還需要設計一種可以利用特定類型電化學單元的特殊電化學性質的轉換器。
此外，還要求研制一種可互換電池，它包含帶不同標稱電壓或內部阻抗的電化學單元而不改變電化學單元本身的單元化學特性。
而且還需要研制一種混合電池，它可以使用封裝在同一電池內的不同類型的電化學單元。
而且還需要保護電子或電氣設備的敏感電路免遭開關轉換器的EMI干擾。

發明內容
本發明的一次性電池通過使用更多的貯存能量提供了更長的使用壽命。電池有一包括DC/DC轉換器的內置控制器，該轉換器能夠在低于一般電子裝置閾壓下工作。控制器更有效地調節電化學單元的電壓并且使電池可以安全地深度放電，從而使用更多電池存儲的能量。控制器較佳地設置在混合模硅芯片上，該芯片系定制設計，用特定類型的電化學單元如堿性、鋅-碳、鎳鎘(NiCd)、鋰、氧化銀、或混合單元操作，或用特定的電子裝置操作。
控制器比較好的是以下列方式監視和控制提供給負載的功率以優化延長電池壽命(1)接通和關閉DC/DC轉換器；(2)當輸入電壓低于電池供電的一般電子裝置的截止電壓時，保持要求的最小輸出電壓；(3)減小電池輸出阻抗。
在一特定的較佳實施例中，控制器裝在AAA、AA、C或D電池等單元一次性電池內(例如容器內)或者多單元一次性電池的每個單元(例如標準9伏電池)內。這提供了幾個明顯的優點。首先，它可以使電池設計者利用每種電化學單元的特定電化學特性。其次，它可以通過改變或穩定輸出電壓和/或輸出阻抗以滿足設計成以標準電化學單元工作的電子裝置的要求，可以互換使用不同類型的電化學單元。例如，電池設計者可以設計包含諸如鋰MnO2單元等鋰電化學單元的超高效鋰電池，它通過使標稱單元電壓從約2.8～4.0伏減至約1.5伏輸出電壓而無需減少鋰單元化學能量存儲，滿足了標準1.5伏AA電池的封裝與電氣要求。通過應用鋰單元更高的單元電壓，設計者能大大增加電池工作時間。第三，在單一單元或多單元電池中裝入轉換器電路能使設計的電子設備無需內部調壓器或轉換器。這有助于減少電子線路的大小和提供更為便宜、更小和更輕的便攜式電子裝置。此外，包含電化學單元的導電容器還在控制器電路周圍提供屏蔽層以保護鄰近的電子線路(例如射頻(rf)發射機和接收機)不受控制器的DC/DC轉換器的電磁干擾(EMI)。而且在每個電化學單元內提供控制器提供了對當前有售的電化學單元更為安全和有效的控制。控制器可以監視每個電化學單元內的條件并且確保每個電化學單元在電子裝置關閉之前盡可能地完全耗盡。
控制器還能在多種設備內使用本發明的電池。本發明的電池無論是配用于如上述具有截止電壓的電氣裝置或電子裝置還是配用于諸如閃光燈之類不具有截止電壓的電氣裝置，均比已知的電池更具優點。
由于大量銷售的電池比為每類電子裝置設計的單個調節器或轉換器更便于廉價地生產芯片，所以還能更經濟地制造控制器芯片。
一種較佳實施例的DC/DC轉換器是一種幾乎無電感器的高頻、高效、低輸入電壓和中等功率的轉換器，它應用了脈寬與相移調制控制方法。
本發明的其它特點與優點將參照本發明的較佳實施例予以描述。
附圖簡述雖然本說明書最后的權項具體指出和明確申明了有關本發明的要點，但是通過下面結合附圖所作的描述，相信能更好地理解本發明。


圖1是典型柱形電池結構的透視圖。
圖2是另一柱形電池結構的透視圖。
圖3是再一柱形電池結構的剖視圖。
圖4是本發明電池的方框圖。
圖4A是圖4電池一較佳實施例的方框圖。
圖4B是圖4電池另一較佳實施例的方框圖。
圖5A是本發明電池一較佳實施例的局部拓展的剖視圖。
圖5B是本發明電池另一較佳實施例的局部拓展的剖視圖。
圖5C是本發明電池再一較佳實施例的局部拓展的透視圖。
圖6是本發明多單元電池一較佳實施例的部分剖面透視圖。
圖7是本發明電池另一較佳實施例方框圖。
圖8是本發明電池再一較佳實施例方框圖。
圖9是本發明電池另一較佳實施例方框圖。
圖9A是圖9電池較佳實施例某一方面的一實施例示意圖。
圖9B是圖9電池較佳實施例某一方面的另一較佳實施例方框圖。
圖10是本發明電池再一較佳實施例方框圖。
圖11是本發明電池另一較佳實施例方框圖。
圖12是本發明電池再一較佳實施例方框圖。
圖13是本發明電池另一較佳實施例的方框圖與示意圖的組合。
圖14是一典型電池和本發明電池兩個不同較佳實施例的放電特性曲線圖。
本發明的詳細描述本發明涉及一次性單一單元電池與多單元電池。本發明的術語“一次性”指打算在其有用蓄電量耗盡否予以廢棄的電池或電化學單元(即不打算再充電或再使用)。術語“消費品”指準備用于消費者購買或使用的電子或電氣裝置中的電池。術語“單一單元”指具有單個獨立封裝的電化學單元的電池，如標準AA、AAA、C或D型電池，或指多單元電池(如標準9伏電池或蜂窩電話或膝上計算機使用的電池)中的單一單元。術語“電池”指有端子和單個電化學單元的容器，或指有端子和基本上至少包含兩個或多個電化學單元的外殼(如標準9伏電池或蜂窩電話或膝上計算機使用的電池)。如果每個單元都有其自己的容器，就不必用外殼完全封閉電化學單元。例如，便攜式電話電池可包含兩個或多個電化學單元，每個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單元容器。術語“混合電池”包括含有兩個或多個電化學單元的多單元電池，其中至少有兩個單元具有不同的電化學元件，諸如一根不同的電極、一對不同的電極或不同的電解液。
術語“控制器”指一種電路，它接收至少一個輸入信號，并提供至少一個是該輸入信號函數的輸出信號。“DC/DC轉換器”與“轉換器”可互換使用，指一種開關型即斬波器控制型DC/DC轉換器，將輸入直流電壓轉換成所需的直流輸出電壓。DC/DC轉換器是通常提供調節輸出的功率電子線路。轉換器可提供升壓電平、降壓電平或同一電平的調節電壓。本領域中有許多不同類型的DC/DC轉換器。本發明打算盡量使用已知的轉換器或線性調節器，雖然優點不多，但是可替代本申請中描述的較佳轉換器，能工作于低于典型電子裝置能工作的電壓電平。
“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無法工作的電壓。因此，“截止電壓”與裝置相關，即該電平取決于裝置的最小工作電壓(功能極點)或工作頻率(如必須在規定的時間周期內對電容器充電)。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約0.9伏。帶有電鐘、電機與機電繼電器等機械運動部件的電氣裝置，也有一個必須提供足夠大的電流以產生強得足以移動機械部件的電磁場的截止電壓。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)也將下降。
本發明的一個方面是延長電池“壽命”。“電池壽命”與“電池工作時間”可互換使用，它被定義為電池輸出電壓跌到低于電池對其供電的裝置的最小工作電壓(即裝置的截止電壓)之前的放電循環時間。“單元工作時間”取決于電化學單元本身，即耗盡單元全部的電化學能量，“電池工作時間”則依賴于電池在其中使用的裝置。例如，當電池輸出電壓跌至低于1伏時，雖然電化學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，“電池工作時間”已過了，因為它不再能提供足夠的能量驅動電子裝置，電池通常就丟棄了。然而，“單元工作時間”還沒有過去，因為單元還具有剩余的電化學能量。
在本應用中，電化學單元無論是一次性還是再充電單元，也可使用“電化學單元的有用壽命”或“單元有用壽命”的術語，且對應于電池工作時間，“單元有用壽命”是該單元在特定放電循環中不再有用之前的時間，因為電化學單元不再能提供足夠的電壓驅動對其供電的裝置。如果單一單元電池的“單元工作時間”延長或縮短了，就必須分別延長或縮短“單元有用壽命”與“電池工作時間”。另外，單一單元電池的“電池工作時間”與“單元有用壽命”可以互換，如果單一單元電池的“電池工作時間”或“單元有用壽命”延長或縮短了，則也要分別延長或縮短另一個。然而，相反地，多單元電池中特定電化學單元的“單元有用壽命”不一定與多單元電池的“電池工作時間”互換，因為即使多單元電池的電池工作時間過了以后，特定電化學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單元的“單元工作時間”延長或縮短了，則不必延長或縮短“電池工作時間”，因為“電池工作時間”可依賴于電池中另一個或另幾個單元的單元電壓。
“電氣連接的”和“電氣連接”指讓連續電流流動的連接。“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。本申請中把“電子連接”視作“電氣連接”的子集，因而雖然把每個“電子連接”視作“電氣連接”，但是并不把每個“電氣連接”視作“電子連接”。
圖1-3示出典型的柱形電池10結構，為便于討論已作了簡化。每種柱形電池10結構具有以不同配置安排的同一基本結構元件。在每種情況中，該結構包括具有護套或側壁14的容器、包括正端子20的頂蓋16和包括負端子22的底蓋18。容器12包封單個電化學單元30。圖1配置可用于柱形單一鋅碳電化學單元30電池10。在該配置中，整個頂蓋16是導電的，形成電池10的正端子20。絕緣襯墊或密封件24使導電頂蓋16與電化學單元30絕緣。電極或集流器26將電池10的外部正端子20和電化學單元30的陰極(正電極)32作電氣連接。底蓋18也整體導電，形成電池10的外部負端子22。底蓋電氣連接到電化學單元30的陽極(負電極)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示出另一種電池設計，其中的絕緣襯墊或密封件24使底蓋18與電化學單元30絕緣。此時，整個頂蓋16導電并形成電池的正端子20。頂蓋16電氣連接至電化學單元30的陰極32。同樣導電的底蓋18形成電池的負端子22。底蓋18經集流器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的途徑。例如，堿性(鋅/二氧化錳)電池就以這種配置封裝。
圖3示出再一種電池設計，其中把電化學單元30形成“螺旋繞制膠輥”結構。在該設計中，以“層迭型”結構相互靠近設置四層。這種“層迭型”結構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。或者，第二分離器層28不設置在陰極32與陽極34層之間，可用絕緣層代替。然后將這種“層迭型”結構卷成柱形螺旋繞制的膠輥形式置于電池10的容器12內。絕緣襯墊或密封件24使頂蓋16與電化學單元30絕緣。此時，整個頂蓋16導電并形成電池10的正端子20。頂蓋16經集流器26電氣連接至電化學單元30的陰極層32。同樣導電的底蓋18形成電池的負端子22。底蓋18經導電底板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的途徑。側壁14接至頂蓋16與底蓋18。此時，側壁14最好由聚合物等非導電材料形成。然而，如果側壁14與至少正端子20和/或負端子22絕緣，因而不會在兩端子間造成短路，那么側壁也可用金屬等導電材料制成。例如，諸如鋰二氧化錳(MuO2)電池等鋰電池通常以這類配置封裝。
每個這樣的單元還可包括各種形式的安全孔、操作時要求空氣交換的電化學單元30的操作孔、容量指示器、標牌等等，這些在本領域中是眾所周知的。此外，單元可構造成其它已知的結構，諸如鈕扣單元、硬幣單元、棱柱單元、平板或雙極板單元等等。
對于本發明的目的，電池“容器”12安裝了單個電化學單元30。容器12包括所有必要的元件將兩根電極32與34、分離器和電化學單元30的電解液與環境、多單元電池中的任何其它電化學單元絕緣和保護起來，并從電化學單元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與負端子22。在多單元電池中，容器可以是包含單個電化學單元30的獨立結構，容器12可以是多單元電池內多個獨立容器中的一個。或者，如果外殼將一個電化學單元的電極與電解液同環境與電池中每個其它單元完全隔離，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分開來，外殼包含的各自分開隔離的每個單元都包含其自己的電極與電解液。例如，標準的9伏堿電池外殼包封著六個獨立的堿單元，而每個單元有其自己的容器612，如圖6所示。然而，在某些9伏鋰電池中，形成的電池外殼具有隔離電化學單元的電極與電解液的各個腔室，因而外殼包括每個單元的各個容器12和整個電池的外殼。
圖5A、5B、5C示出本發明三個單一單元柱形一次性電池實施例的部分拓展圖。圖5A中，控制器240置于電池210的頂蓋216與絕緣襯墊224之間。控制器240的正輸出端242電氣連接至與之靠近的電池210的正端子220，其負輸出端244電氣連接至電池210的負端子222。本例中，控制器240的負輸出端244經導電側壁214接至電池210的負端子222，側壁214則與電池210導電底蓋218的負端子222電氣接觸。此時，導電側壁必須與頂蓋216電氣絕緣。控制器240的正輸入端246經集流器226電氣連接至電化學單元230的陰極232，其負輸入端248經導電條237電氣連接至電化學單元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，其負輸出端344電氣連接至直接靠近它的電池310的負端子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經導電側壁314(與電池310導電頂蓋316的正端子320電接觸)接至電池310的正端子320，正輸入端346經導電條336電氣連接至電化學單元330的陰極332，負輸入端348經集流器326(從底板319延伸入電化學單元330的陽極334)電氣連接至電化學單元330的陽極334。在此情況下，若控制器340應用虛擬接地，則其集流器326與負輸入端348必須同容器312的負端子322與控制器的負輸出端344隔離。或者，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或標牌外面。
在圖5C中，在應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的側壁414與陰極432之間的容器里面。控制器440的正輸出端442經電池410的頂蓋416電氣連接至電池410的正端子420，負輸出端444經底板419與底蓋418電氣連接至電池410的負端子422，正輸入端446電氣連接至電化學單元430(本例中直接靠近包含控制器440的包裝板441)的陰板432，負輸入端448經接觸板431與集流器426(從接觸板431延伸入電化學單元430的陽極434)電氣連接至電化學單元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，因為集流器426提供了從陽極434至接觸板431的連接。若控制器440應用虛擬接地，則接觸板431也必須諸如用絕緣襯墊425同底板419與負端子422隔離。或者，也可將包裝板441設置在容器412外面，圍繞側壁414外側包裝。在這類實施例中，標牌可覆蓋包裝板，或將標牌印在作為控制器本身的同一塊包裝板上。
圖6示出本發明的多單元9伏電池610的透視圖和部分剖面，其中每個電化學單元630在單元各容器612里面都有一控制器640。本例中，電池610包含六個獨立的電化學單元630，每個單元的標稱電壓各為約1.5伏。例如，電池610也可包含三個鋰單元，各單元的標稱電壓約為3伏。
圖4、4A、4B示出本發明電池110不同實施例的方框圖。圖4示出本發明應用埋入集成控制器電路140的電池一實施例的方框圖，該實施例較佳地應用了具有數字與模擬元件的混合模集成電路。控制器電路也可應用專用集成電路(ASIC)、混合芯片設計、PC板或本領域已知的其它形式的電路制造技術制作。控制器電路140可裝在電化學單元130的正電極132與負電極134和電池的正端子120與負端子122之間的電池容器112里面。這樣，控制器140可將電化學單元130與容器的端子120和122連接起來或斷開，改變或穩定加到電池端子120與122的單元130的輸出電壓或輸出阻抗。圖4A示出圖4中本發明電池110的一較佳實施例。在圖4A中，控制器140接至電化學單元130的正電極(陰極)132與電池容器112的正端子120之間。電化學單元130的負電極(陽極)134與電池容器112的負端子122同控制器140共享公共地。然而，圖4B示出本發明電池110的另一較佳實施例，其中控制器140工作于虛擬地，不僅使電化學單元130的正電極132與容器112的正端子120隔離，還使電化學單元130的負電極134與容器112的負端子122隔離。
圖4A與4B的各實施例有其自身的優缺點。例如，圖4A的結構可采用更簡單的電路設計，對電化學單元130、控制器140和電池容器112的負端子122有一公共地，但其缺點是要求轉換器工作于低于實際的電化學單元電壓電平，還要使用分立的電感器元件。在圖4B結構中，應用于電池容器112的負端子122的虛擬地使電化學單元130的負電極134與負載隔離，還允許使用幾乎無電感器的DC/DC轉換器，但其缺點是虛擬地的電路復雜性較大，以便在單元電壓低于電化學單元標稱電壓電平時讓控制器140的電壓更有效地連續工作。
本發明的一次性電池包括控制器，用于延長電池壽命。電化學單元可以封裝在單一單元或多單元電池內。多單元電池可以包括兩種或更多相同類型的電化學單元，或者在混合電池內包括兩種或更多不同類型的電化學單元。本發明的多單元電池可包含電氣上串聯和/或并聯的電化學單元。單一單元電池的控制器可在單元容器里面與電化學單元電氣串聯和/或并聯，封裝在至少部分包含單元容器的外殼里面，或附著于容器、外殼或標牌或任何其它粘貼到容器或外殼的結構。多單元電池的控制器可與相對單一單元電池描述的一個或多個獨立單元一起封裝，和/或與組合的多個單元一起封裝，使控制器與組合的電化學單元串聯或并聯。
控制器能以若干方法之一延長本發明的一次性電池的壽命。首先，控制器可以讓電池的一個或多個電化學單元被電子裝置比一般更深地放電。在本申請中，術語“深度放電”指讓電化學單元放電到至少為該電化學單元額定容量的80％。此外，術語“基本上放電”指讓電化學單元放電到至少為該電化學單元額定容量的70％。“過度放電”指將電化學單元放電超過100％，由此導致電壓反置。例如，日前市售的一般堿性電池，在電化學單元的電壓電平跌到不足以驅動一般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，本發明的控制器提供的堿性單元，在電池斷電前較佳地能作大于約70％的放電。更佳地，控制器提供大于約80％的放電程度。甚至還要佳地，控制器提供大于約90％的放電程度，而大于約95％則最佳。
控制器可包括一個轉換器，將單元電壓轉換到所需的電池的輸出電壓，這樣使電化學單元作較深的放電而延長電池壽命。在本發明一實施例中，控制器在電池的整個工作時間內可連續將單元電壓轉換到所需的輸出電壓。當單元電壓跌至電池放電通常停止的裝置截止電壓的電平時，控制器將單元電壓提升或增高到電池輸出足以繼續驅動該裝置的電平，直到電壓電平跌到低于驅動控制器所需的最小電壓。這樣，具有控制器設計的電池能工作于比另一電池的控制器更低的電壓電平，將提供能更深地放電的電池。
在本發明諸較佳實施例中，轉換器只在單元電壓跌至或低于預定電壓電平時才工作。在這些實施例中，轉換器內部損耗減至最小，因為轉換器只在必要時工作。預定電壓電平較佳地從電化學單元的標稱電壓到電池準備操作的這類裝置的最高截止電壓。更佳地，預定電壓電平稍大于這類裝置的最高截止電壓。例如，預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，標稱電壓為1.5伏的電化學單元，其預定電壓范圍通常為0.8～1.8伏。較佳地，該預定電壓范圍為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，設計成用標稱電壓為3.0伏的電化學單元工作的控制器，其預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。
當單元電壓跌到或低于預定電壓電平時，控制器接通轉換器，將單元電壓提升到足以驅動負載所需的輸出電壓。這樣就消除了在單元電壓高得足以驅動負載時轉換器不必要的內部損耗，然后允許電化學單元甚至在單元電壓跌到低于驅動負載所需的電平后繼續放電。控制器可以使用一個或多個控制機構，從單元電壓跌到預定電壓電平時接通轉換器的簡單的電壓比較器和電子開頭組合件到更復雜的下述之一的控制方法。
當用本發明對給定輸出電壓設計的通用電池對裝置供電時，較佳地能延長該電池的壽命。本申請中使用的“通用”電池是一種可提供均勻輸出電壓而與單元電化學特性無關的電池。因此，本發明的電池較佳地設計成通過使電池輸出電壓保持為大于或等于給定電子裝置的最高截止電壓，直到電化學單元的電壓跌到低于控制器不能再工作的電平將內置控制器關閉，從而延長其壽命。設計為向特定電子裝置或具有類似截止電壓的電子設備供電的本發明的電池可以特別設計為通過使預定電壓水平與這些裝置的截止電壓更緊密地匹配而高效運行。
其次，控制器也可以使標稱電壓大于所需輸出電壓的電化學單元的單元電壓臺階狀減小并且/或改變電池的電化學單元的輸出阻抗。這不禁延長了電池的壽命，而且使得具有不同標稱電壓的電化學單元具有更強的互換性，使得設計者利用具有較高標稱電壓的電化學單元的較大存儲潛力的優勢，并且使設計者可以改變某些電化學單元的輸出阻抗以使阻抗與所需水平匹配，從而增強電化學單元與其他類型電化學單元的互換性，并且/或提高帶特定類型負載的電化學單元的效率。此外，可以用安全、高效的電化學單元代替低效、危險的電化學單元以滿足所需的標稱電壓或輸出阻抗。
例如，標稱電壓為1.8伏或更高的電化學單元可以封裝一個控制器，將該較高的標稱電壓降至1.5伏的標準標稱電平，使該電池可與1.5伏標稱電壓的電池互換。在一特定例子中，標稱電壓為3.0伏的鋰MnO2單元等標準鋰單元，可以封裝一個降壓控制器，因而電池的標稱電壓約1.5伏。這樣提供的電池，其容量至少是具有一個標稱電壓為1.5伏電化學單元的電池的二倍，且容積一樣。另外，還可提供一種鋰單元，它與標準的堿性或鋅碳單一單元電池完全可以互換，無需以化學方法改變鋰單元的化學特性而減少單元的化學貯能。另外，具有錳、錳空氣和鋁空氣等電化學單元的電池，也具有高于1.8伏的標稱電壓，可同標稱電壓為1.5伏的標準電池互換使用。不僅不同類的電化學單元可以互換，而且不同類的電化學單元可在混合電池中封裝在一起。這樣，具有各種標稱電壓或內部阻抗的不同電化學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單元的混合電池。
此外，標稱電壓低于給定電子設備工作電壓的電化學單元可以與具有內置升壓轉換器的控制器一起使用以增高標稱電壓。這使得具有這種類型電化學單元的電池可以與需要電壓超過單元提供的設備一起使用。此外，具有這類單元的電池還可與標準堿性或鋅碳電化學單元互換使用，這樣可以提供便于商品化的有用的電池，其電化學單元以前未考慮為消費者使用，因為標稱電壓在實用中太低了。
鋅碳、堿性和鋰電池作為可用于本發明的電池類型示例作了討論。其他類型的電池(例如但不局限于表1中的一次性電池)也可用于本發明的一次性電池。二次性電化學單元也可以與混合電池中的一次性電化學單元組合使用。事實上，本發明使各類電化學單元之間和電化學單元與其它電源(如燃料電池、電容器等)之間比以前具有更大的互換性。通過在每個電化學單元里設置控制器，可調節不同類電化學單元的電學特性，諸如標稱電壓與輸出阻抗等，以便用更多種類的單元制作可互換的標準尺寸的電池。電池可以專門設計成利用某種電化學單元的特定優點，同時仍保持與使用其它類單元的電池有互換性。另外，本發明通過將電化學單元的標稱電壓轉換到標準的電壓電平，可以建立新的標準電壓電平。
表1電化學單元類型與標稱電壓一次性單元單元類型 標稱電壓單元類型標稱電壓Mercad 0.9伏 鋰FeS21.6伏氧化汞 1.35伏 錳有機電解液 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伏銀-氧化物 1.5伏 鋰SOCl23.6伏二次性單元單元類型 標稱電壓單元類型標稱電壓銀-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伏鋰-有機物3.0伏銀-鋅 1.5伏 鋰聚合物Li-V6O133.0伏鋅-空氣 1.5伏 鋰離子C-LixCoO24.0伏鎳-鋅 1.6伏此外，在對特定類型應用專門設計的混合電池中，可以一起使用其它不相容的電化學單元。例如，在混合電池中，鋅-空氣電化學單元可同鋰單元一起串并聯使用。鋅-空氣單元的標稱電壓約1.5伏，能量密度極高，但只能提供低的穩流電平。然而，鋰單元的標稱電壓電平約3.0伏，可提供短暫的大電流。每個電化學單元的控制器提供同樣的標準輸出電壓，可配置成串并聯電氣結構。當單元為并聯結構時，控制器還可防止單元相互充電。各單元的控制器可用來連接或斷開負載所需的兩種單元。這樣，在負載處于小功率模式時，可把鋅-空氣單元接成提供穩定的小電流，而在負載處于大功率模式時，鋰單元或鋰與鋅-空氣單元可組合成提供負載所需的電流。
混合電池還可包含許多不同組合物電化學單元，如堿性與金屬-空氣、金屬-空氣金屬空氣與超級電容器。再者，混合電池也可包含一次與二次單元、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。混合電池還可包含一個或多個電化學單元與一個或多個其它電源(如燃料電池、普通電容器或甚至超級電容器)的組合。還有，混合電池還可包含上述兩個或多個單元或電源的任意一種組合。
另外，控制器通過保護電化學單元不受電流峰(會影響電化學單元元件的工作并降低單元電壓)的影響，還可延長電池壽命。例如，控制器可以防止大電流需求在單元中產生記憶效應和縮短電化學單元的工作時間。電流峰還對堿性、鋰與鋅-空氣單元等電化學單元有害。
控制器可保護電化學單元避免受電流峰影響，即將電荷暫存在其輸出端，而在有即時需求時可應用暫存的電荷。因此，電流峰需求量在到達電化學單元前，已經完全消除或大大減弱了。這樣使電池既能提供高于電化學單元直接能提供的電流峰，又保護了電化學單元免受對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。
單個控制器最好通過保護單元免受電流峰影響并將單元電壓轉換到所需輸出電壓來延長電池壽命。例如，控制器的一較佳實施例在單元電壓跌到預定電壓時接通轉換器，以便將與轉換器關聯的損耗減至最小。如果單元電壓達到預定電壓電平或負載電流達到預定電流電平，同一個控制器既能監視單元電壓，又能監視輸出負載電流。或者，控制器可以監視單元電壓與輸出負載電流，還可確定提供所需的負載電流是否會將單元電壓跌至低于截止電壓電平。在后一例中，控制器根據組合在算法里的兩個輸入信號而工作，以確定是否要接通轉換器。但在前一例中，如果單元電壓跌到預定電壓電平或輸出負載電流升到預定電流電平，則控制器都要接通轉換器。下面更詳細地討論這些方法和其它可能的控制方法。
本發明涉及專用一次性電池和標準消費類一次性電池，如AAA、AA、C或D單一單元和9伏多單元電池。本發明打算使用專用一次性電池和可應用于各種場合的混合電池。期望這類專用一次性電池和混合電池可用于替代用于蜂窩電話、膝上計算機等的再充電電池，而這類電池目前受制于一次性電池在足夠長時間內提供所需電流速率的能力。此外，獨立地控制單元的輸出電壓和輸出阻抗的能力，使電池設計者能設計全新類型的混合電池，可在同一個混合電池內使用不同類的組合單元或燃料電池、普通電容器或甚至“超級電容器”等其它電源。互換型電化學單元的增多還能讓電池設計者提供標準的電池，減少依賴于為蜂窩電話、膝上計算機、攝錄像機、照相機等特定裝置特地設計的電池。消費者可以方便地購買標準電池對蜂窩電話供電，正像現在購買閃光燈或磁帶記錄儀那樣，不必購買專門為特定類型、品牌和/或型號的電子裝置制造的電池。此外，隨著標準電池制造量的增大，單位成本可迅速下降，最終有更多價格合適的電池可以取代專門設計的再充電電池。
用于膠卷上的電子標志技術也可用于指明電池中單元的準確類型、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、內部阻抗等，因而“靈巧”裝置可讀出該電子標志，優化其耗電狀況而提高裝置的性能，延長電池壽命。例如，早已用電子標志確定膠片速度的照相機，也可用電子標志技術及其電池使閃光的充電時間較慢或停用閃光，以便優化特定電池的壽命。膝上計算機也可用電子標志技術對特定電池確定最有效的工作參數，例如改變其工作速度可最佳地應用電池的剩余電荷持續用戶期望的一段時間，或運用接通/關斷電源技術保存電池能量。此外，攝錄像機、蜂窩電話等也可利用電子標志優化電池的使用。
而且一次性電池也可以根據消費者的需要與不同類型的一次性或者甚至是可充電電池互換使用。例如如果膝上型計算機的可充電電池已經用完，則用戶可以購買一次性電池使用幾個小時直到用戶可以對可充電電池充電。如果用戶不需要裝置用高價電池提供的較高性能，則他例如可以購買較便宜的電池。
本發明還涉及標準消費類一次性電池，如AAA、AA、C或D單一單元和9伏多單元電池。例如在較佳實施例中，控制器可以設計為工作在標稱電壓為1.5伏特左右的電池工作，從而使得控制器可以在很低的電壓電平下工作，在碳化硅(SiC)實施例中為0.1伏，在砷化鎵(GaAs)實施例中為0.34伏，在普通硅基實施例中為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，可將最小工作電壓從0.54伏減至0.4伏。如上所述，控制器要求的最小工作電壓越低，則控制器為提供電化學單元最深度放電而能調節的單元電壓就越低。這樣，在本發明范圍內，可以運用電路制造的不同進展將電池利用率提高到接近電化學單元貯電量的100％。然而，本發明硅基實施例的電池貯量潛力利用率可達到95％，與不帶控制器的一次性電化學單元的平均利用率40～70％相比，已顯得很高了。
例如在一硅基較佳實施例中，控制器設計的工作電壓低達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伏標稱電壓的電化學單元設計的控制器中，控制器最好能工作于至少高達1.6達的輸入電壓。更佳地，控制器能工作于至少高達1.8伏的輸入電壓。這樣，較佳的控制器應能在最小0.8伏到至少1.6伏的電壓范圍內工作。然而，該控制器也能較佳地工作于該范圍之外。
然而，在本發明一較佳實施例中，控制器設計成配用一個標稱電壓為3.0伏的電化學單元，控制器的工作電壓電平必須能高于在其與標稱電壓為1.5伏的電化學單元一起使用時要求的電壓電平。在電化學單元的標稱電壓為3.0伏的情況下，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，控制器也能較佳地工作于這些范圍之外。
另一較佳實施例能與標稱電壓為1.5伏或3.0伏的電化學單元一起工作。本例中，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，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。
本發明的電池在配用于閃光燈等沒有截止電壓的電氣裝置時，也比一般電池具有明顯的優點。一般電池在放電時會降低電池的輸出電壓，因為電氣裝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，閃光燈的光強會不斷暗淡，直到電池完全放電。然而，本發明的電池用控制器在整個電池放電循環中將單元電壓調節成相對恒定的受控電壓電平，直到單元電壓降至低于該控制器能夠工作的電平。屆時電池停止工作，電氣裝置也將停止工作。然而在放電循環過程中，電氣裝置能不斷提供相對穩定的輸出(如燈泡光強)，直到電池停止工作。
本發明電池的一較佳實施例還包括向用戶告知剩余電荷低。例如，當電化學單元電壓達到預定值時，控制器可將電化學單元與電池輸出端子短時間間歇地斷開與重接，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，在電池壽命結束時，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。例如，當電池蓄電量約為其額定容量的5％時，控制器會開始跌落輸出電壓，這樣可向用戶提供指示，諸如磁帶或密致盤播放機音量在減小，或向裝置提供指示，而該裝置也會相應地告訴用戶。
圖7示出本發明一實施例的方框圖，其中DC/DC轉換器750電氣或較佳地電子連接在電化學單元730的正電極732與負電極734以及容器712的正端子720與負端子722之間。DC/DC轉換器750將電化學單元730的正電極732與負電極734兩端的單元電壓轉換到容器712的正端子720與負端子722上的輸出電壓，可在輸出端子720與722上提供升壓轉換、降壓轉換、升降壓轉換或電壓穩定。本例中，DC/DC轉換器750在電池工作時間內工作于連續模式，將電化學單元730的輸出電壓轉換成在容器端子720與722上的穩定輸出電壓。本例在輸出端子720與722上穩定容器712的輸出電壓。提供穩定的輸出電壓，能讓電子裝置設計者減少電子裝置電源管理電路的復雜性，而且還減小了裝置的尺寸、重量和成本。
DC/DC轉換器750將不斷工作，直到電化學單元730的單元電壓跌到低于轉換器750中電子元件的最小正向偏壓Vfb在DC/DC轉換器750的最小開關電壓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，也可延長電池710的壽命。
在圖7所示本發明一較佳實施例中，工作于連續模式的DC/DC轉換器750可以是降壓轉換器，將電化學單元730的單元電壓降到容器712的輸出電壓。在一個包括降壓轉換器的控制器740實施例中，轉換器將第一類電化學單元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單元的標稱電壓電平，因而包含第一類電化學單元730的電池可以同包含第二類電化學單元的電池互換。例如，標稱電壓高于標準1.5伏單元的電化學單元，能與降壓轉換器組合使用，而降壓轉換器連續地工作，由此提供的單元可與標準單元互換，不要求以化學方法更改該電化學單元。該實施例在不同類電化學單元之間提供了更大程度的互換性，而且無需以化學方法改變電化學單元本身的結構，不會減弱單元的化學能貯量。
例如，鋰單元可用于標準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。鋰MnO2等鋰單元的標稱電壓約3.0伏，通常無法與標稱電壓為1.5伏的標準AA堿性電池互換使用。然而，電池設計者改變了鋰電化學單元的化學特性而做成標稱電壓約1.5伏的鋰電池，以便創制一種例如能與標準AA堿性電池互換使用的鋰電池。這種1.5伏鋰電池雖然仍能向照相閃光負載電路提供大電流，但是1.5伏鋰電化學單元并不提供比同容積堿性單元多得多的化學能總貯量。然而，本發明能使用標稱電壓約3.0伏的標準鋰電化學單元，并用控制器將標稱電壓降至約1.5伏。這樣，在完全能與任何1.5伏電池互換的電池中，該電池提供的化學能貯量約是含有以化學方法改變的1.5伏鋰單元或1.5伏堿性單元電池的二倍。另外，本發明的鋰電池可提供與含有1.5伏化學法更改鋰單元同樣大的電流。
另外，控制器740還優化了諸如使用電池710的電氣裝置的性能。雖然電氣裝置不在最小工作電壓下關閉電子裝置，但是電氣裝置的性能(如閃光燈光強等)將隨著輸入電壓降低而變差。因此，電池710穩定的輸出電壓可在電池工作時間內將電氣裝置的性能保持不變，它不會隨電化學單元730的電壓降低而變差。
DC/DC轉換器750可以應用一種或多種已知的控制方法控制轉換器750的工作參數，所述控制方法有脈沖調制、諧振轉換器等，脈沖調制又包括脈寬調制(PWM)、脈幅調制(PAM)、脈頻調制(PFM)和脈相調制(PψM)。一個甚至更佳的實施例應用了脈寬與脈相調制的組合，下面加以詳細說明。
在應用于本發明電池的DC/DC轉換器750較佳實施例中，由脈寬調制器控制的轉換器驅動DC/DC轉換器750。脈寬調制器產生占空因數變化的固定頻率控制信號，例如DC/DC轉換器關閉時，占空因數可以是零，在轉換器滿容量工作時為100％，根據負載要求和/或電化學單元730的剩余容量，占空因數則在零與100％之間變動。脈寬調制法具有至少一個用于產生占空因數的輸入信號。在一實施例中，連續采樣容器712的端子720和722上的輸出電壓，并與基準電壓比較，誤差校正信號用于改變DC/DC轉換器的占空因數。此時，來自容器712的端子720和722上輸出電壓的負反饋環路令DC/DC轉換器750提供穩定的輸出電壓。或者，DC/DC轉換器750可應用單元電壓(即電化學單元730的正電極732與負電極734兩端的電壓)等多個輸入信號和輸出電流來產生占空因數。本例中，監視單元電壓和輸出電流，DC/DC轉換器750產生是這兩個參數的函數的占空因數。
圖8-11示出本發明的控制器電路其它實施例的方框圖。在每個實施例中，控制器集成電路包括至少兩個主要部分(1)DC/DC轉換器；和(2)轉換器控制器，用于在電化學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轉換器，因而只在DC/DC轉換器必須把單元電壓轉換到驅動負載所需的電壓時才使DC/DC轉換器產生內部損耗。例如，只有在單元電壓降到低于負載不再工作的預定電平時，才接通DC/DC轉換器。或者，如果電子裝置要求輸入電壓在一特定范圍內，例如電池標稱電壓的±10％內，那么轉換器控制器可在單元電壓偏出所需范圍時接通DC/DC轉換器，而在單元電壓處于所需范圍內時斷開該轉換器。
如在圖8中，DC/DC轉換器850電氣連接在電化學單元830的正電極832與負電極834和容器812的正端子820與負端子822之間，而轉換器控制器852也電氣連接在這些電極和端子之間。本例中，轉換器控制器852起著開關作用，它將電化學單元830直接接到容器812的輸出端820和822，或將DC/DC轉換器850接在電化學單元830和容器812輸出端子820與822之間，連續地采樣輸出電壓，并將其與一個或多個內部產生的閾電壓比較。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轉換器850電氣或電子連接在電化學單元830和容器812的輸出端820與822之間而“接通”DC/DC轉換器850。較佳地，閾壓范圍從電化學單元830的標稱電壓到該類電子裝置(電池設計工作的裝置)的最高截止電壓。或者，控制器852連續采樣電化學單元830的單元電壓，并將它與閾壓比較以控制DC/DC轉換器850的操作。
圖9的控制器940可以包括圖8所示控制器840的元件，但還包括電氣連接在電化學單元930的電極932與934之間的接地偏置電路980，以及DC/DC轉換器950、轉換器控制器952和容器912的輸出端子920與922。接地偏置電路980將負偏壓電平Vnb提供給DC/DC轉換器950和容器912的負輸出端子922，這樣把從單元電壓加到DC/DC轉換器950的電壓提高到單元電壓加負偏壓電平Vnb的絕對值的電壓電平，使轉換器950工作于有效的電壓電平，直到實際的單元電壓跌到低于驅動接地偏置電路980所需的最小正偏壓的電壓電平。這樣，轉換器950可以比只用驅動轉換器950的電化學單元930的單元電壓更有效地從電化學單元930吸取更大的電流。在本發明電池910的一較佳實施例中，控制器940的電化學單元標稱電壓約1.5伏，負偏壓Vnb的范圍最好為0～1伏，更佳為0.5伏，更佳為0.5伏，最佳為0.4伏。因此，對于約1.5伏標稱電壓的電化學單元而言，當單元電壓跌到低于約1伏時，接地偏置電路980使轉換器讓電化學單元930更深地放電，并提高轉換器950從電化學單元930提取電流的效率。
圖9A示出的一示例性電荷泵988實施例，可用作本發明電池910中的接地偏置電路980。本實施例中，當開關S1和S3閉合、S2和S4打開時，電化學單元930的單元電壓對電容器Ca充電。然后，當開S1和S3打開、S2和S4閉合時，電容器Ca上的電荷倒轉而轉移到電容器Cb，從而從電化學單元930的單元電壓提供倒相的輸出電壓。或者，可用本領域中已知的任何合適的電荷泵電路代替圖9A的電荷泵988。
在本發明一較佳實施例中，接地偏置電路980包括電荷泵電路986，如圖9B所示，它包括時鐘發生器987和一個或多個泵988。例如，在圖9B所示電荷泵電路986的較佳實施例中，該電荷泵包括一種含四個小型泵989的雙層結構和一個主泵990。然而，也可使用任何個數的小型泵989。例如，一較佳實施例的電荷泵電路986包括12個小型泵989和一個主泵。本例的小型泵和主泵由時鐘發生器987產生的四個不同相位的控制信號991a、991b、991c和991d驅動，每個信號同一頻率，但相位相互不同。例如，控制信號991a～991d相互的相移可以是90度。本例中，每個小型泵都提供控制信號991a～991d(時鐘發生器產生)倒相的輸出電壓。主泵將多個小型泵的輸出相加，并對電荷泵電路986提供輸出信號，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個小型泵提供的總電流。這一輸出信號為DC/DC轉換器950和容器912的輸出負端子922提供了虛擬地。
在本發明的再一個方面中，電荷泵電路還包括電荷泵控制器992，它在單元電壓跌到預定電壓電平時接通電荷泵電路986，以將與電荷泵電路986關聯的損耗減至最小。例如，該控制器992的預定電壓范圍可以從電化學單元930的標稱電壓到電池910供電的電子裝置的最高截止電壓。預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。或者，電荷泵電路986可用接通DC/DC轉換器950的同一個控制信號控制，使電荷泵電路僅在轉換器工作時才工作。
再者，當接地偏置電路980斷開時，應用于容器912的負輸出端子922的虛擬地較佳地塌陷到電化學單元930負電極934的電壓電平。這樣，在接地偏置電路980不工作時，電池就工作于電化學單元930負電極934提供的標準接地結構。
或者，接地偏置電路980可以包括第二DC/DC轉換器，如Buck-Boost轉換器、Cuk轉換器或線性調節器。此外，可將DC/DC轉換器950與接地偏置電路980組合起來，并代之以單個轉換器，如Buck-Boost轉換器、推挽轉換器或者將正輸出電壓移高并將負偏壓移低的逆向轉換器。
圖10示出再一實施例的控制器電路1040。本例中，DC/DC轉換器1050能從相移檢測電路1062等外部源接收校正控制信號。如上參照圖7所述，DC/DC轉換器1050運用脈寬調制器等控制法控制轉換器1050的工作參數。本例中，控制器電路1040包括與圖9所示控制器電路940同樣的元件，但還包括相移檢測電路1062，用于測量電極1032上單元電壓交流分量與在電流檢測電阻器Rc兩端測得的從電化學單元1030吸取的電流之間的瞬時相移ψ。轉換器1050應用這一信號并結合其它內外部產生的控制信號產生占空因數。
圖11實施例的控制器1140可包括與圖10所示控制器電路1040同樣的元件，但還包括緊急斷開電路1182，該電路電氣連接到電流檢測電阻器Rc和電化學單元1130的正電極1132與負電極1122，還連接到轉換器控制器1152。緊急斷開電路1182可向轉換器控制器1152發出一個或多個安全相關狀態信號，要求將電化學單元1130同容器1112的輸出端子1120與1122斷開，以便保護消費者、電氣或電子裝置或者電化學單元本身。例如在短路或反極性時，緊急斷開電路1182向轉換器控制器1152發出信號，以將電化學單元1030的電極1132與1134同容器1112的端子1120與1122斷開。此外，緊急斷開電路1182還可通過檢測電化學單元1120的電壓和/或內部阻抗，向轉換器控制器1152提供結束電化學單元1130放電循環的指示。例如，當電化學單元1130的剩余容量跌到預定電平時，控制器電路1140可以減小電流，當其剩余容量達到預定值時，在短時間內將電化學單元1130的電極1132與1134同輸出端子1120與1122間歇地斷開和重接，或提供某種其它可見、可聽或機器可讀的指示，表明電池快要停止工作了。放電循環結束時，緊急斷開電路還可向轉換器控制器1152發一信號，使電化學單元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單元耗用其它與之串聯的單元的電流。
圖12的較佳控制器電路1240包括一個具有同步整流器1274的DC/DC轉換器1250，整流器1274能使正電極1232與容器1212的正端子1220電氣連接和斷開。同步整流器1274的開關消除了在電化學單元1230的正電極1232或負電極1234和容器輸出端子1220與1222之間直接電氣通路中所需的轉換器控制器852等附加開關。另外，同步整流器通過減少內部損耗而提高了DC/DC轉換器1250的效率。本例的轉換器控制器1252還可用附加輸入信號控制DC/DC轉換器。如在圖12實施例中，除了前面對圖10描述的相移測量以外，轉換器控制器還通過諸傳感器監視著內部電化學單元的環境，諸如溫度、壓力和氫氧濃度等。
圖7-12示出本發明依次更加復雜的電路設計，除了構成本發明控制器的主要元件的DC/DC轉換器以外，依次描繪了可能包含在控制器集成電路內的不同元件。列出的次序并非暗示在結合多個不同元件的電路中較晚引入的元件必須具有對前面各圖描述的所有特性才符合本發明的范圍。例如，緊急斷開電路、充電指示器電路、相位檢測電路和/或接地偏置電路都可以與圖6-11的電路組合使用而不設示出這類元件的圖中顯示的轉換器控制器或其它元件。
用于本發明電池1310的一較佳實施例的控制器集成電路1340如圖13所示，包括DC/DC轉換器1350和轉換器控制1352。轉換器1350最好是一種幾乎無電感器的高頻、高效、中功率轉換器，可工作于低于大多數電子裝置的閾壓。控制器電路1340最好包括一個圖9B所示那樣的電荷泵，以便對DC/DC轉換器1350和容器1312的輸出端子1322提供虛擬地，其電位低于電化學單元1330負電極1334的電位。虛擬地提供一增大的壓差以驅動DC/DC轉換器，并使該轉換器從電化學單元吸取比它僅用單元電壓驅動轉換器所能吸取的更高的電流電平。
在該實施例中，轉換器控制器1352最好應用脈寬和脈相調制控制法。相移檢測電路1362在電化學單元1330的正電極1332與負電極1334上測量單元電壓和從電化學單元吸取的電流，并測量電壓與電流間的瞬時和/或連續的相移，而這一相移限定了電化學單元的內部阻抗，該內部阻抗是電化學單元電荷量的函數。在電化學單元1330放電約50％后(由單元閉路壓降決定)，增大的內部阻抗指出電化學單元1330的剩余容量。相移檢測電路1362將這些信號提供給相位線性控制器1371。然后，后者將相移檢測電路1362檢測的電壓Vs和線性正比于相移的輸出壓控信號V(psi)提供給應用脈寬與脈相調制組合控制法的脈沖調制器1376，而脈沖調制器1376還接收電阻器Rs兩端作為壓控信號的壓降。
脈沖調制器1376組合使用壓控信號驅動DC/DC轉換器1350。當電壓Vs高于預定閥壓電平時，脈沖調制器使金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)M3保持閉合狀態，而使MOSFET M4保持斷開狀態，這樣通過MOSFETM3保持從電化學單元1330到負載的電流通路。此外，由于占空因數有效地保持在0％，所以與DC/DC轉換器和轉換器控制器有關的損耗減至最小。此時，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，當電壓Vs低于預定閾壓電平時，脈沖調制器接通，根據壓控信號的組合狀態調制DC/DC轉換器的占空因數。Vs的幅值作為控制占空因數的第一控制信號而工作。電流檢測電阻器Rs兩端的壓降是輸出電流的函數，它作為第二控制信號而工作。最后，相位線性控制器1371產生的信號V(psi)(與單元電壓的交流分量和從電化學單元1330吸取的電流之間的相移成線性比例)則是第三控制信號。具體而言，根據內部阻抗在電池工作時間內的變化情況，用V(psi)信號改變占空因數，而內部阻抗變化會影響轉換器的效率和電池工作時間。如果Vs的瞬時和/或連續幅值下降，或者如果電阻器Rs兩端的壓降增大，并且/或者V(psi)控制信號的瞬時和/或連續幅值增大，脈沖調制器就提高占空因數。各變量的貢獻按合適的控制算法予以權衡。
當脈沖調器1376接通時，其振蕩器就產生梯形或方波控制脈沖，較佳地占空因數為50％，頻率范圍為40KHz～1MHz，更佳為40KHz～600KHz，最佳為600KHz。脈沖調制器運用合適的控制算法改變MOSFET M3與M4輸出控制信號的占空因數，大多數情況下，控制算法以同樣的占空因數和相反的相位操作M3與M4。M3與M4最好是互補型大功率晶體管，其中M3最好是N溝道MOSFET，M4最好是P溝道MOSFET。完整的DC/DC轉換器1350的結構在本質上是一個升壓DC/DC轉換器，在輸出端有一同步整流器。此外，轉換器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。獨立的控制信號驅動M3和功率MOSFET M4。改變M3與M4控制信號之間的相位和/或占空因數，可改變容器1312的端子1320與1322間的輸出電壓。
根據一個或多個壓控信號，諸如電壓Vs、電阻器Rs兩端的壓降或電化學單元1330的內部阻抗等，脈沖調制器1376可以控制MOSFET M3和M4。例如，如果負載耗流很小，脈沖調制器產生的DC/DC轉換器1350的占空因數就接近0％。然而，若負載耗流很大，則脈沖調制器產生的轉換器1350的占空因數就接近100％。若負載耗流在這兩個極點之間變動，脈沖調制器也改變DC/DC轉換器的占空因數，以便提供負載要求的電流。
圖14比較了電池B1(不帶本發明的控制器)、B2(具有控制器電路，其中的轉換器工作于連續模式)以及B3(也具有控制器電路，其中的轉換器在高于給定電子裝置電池的截止電壓接通)的示意性放電曲線。如圖14所示，不帶本發明控制器的電池B1不能用于在時刻t1具有截止電壓Vc的電子裝置。然而，電池B2的控制器電路在整個電池工作時間里，不斷地將電池輸出電壓提升至電壓電平V2。當電池B2中電化學單元的單元電壓降到電壓電平Vd(控制器電路的最小工作電壓)時，電池B2的控制器電路停止工作，電池輸出電壓在時刻t2降為零，結束電池B2的有效工作時間。如圖14曲線所示，具有控制器電路(其中轉換器工作于連續模式)的電池B2，其有效工作時間延長時間為t2-t1。
然而，在電化學單元的單元電壓達到預定電壓電平Vp3之前，電池B3的控制器并不開始提升該電池的輸出電壓。預定電壓電平Vp3的范圍，較佳地為電化學單元的標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的大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。當單元電壓達到預定電壓電平Vp3時，電池B3的轉換器則開始將輸出電壓提升到Vc+ΔV的電平并使之穩定。電壓電平ΔV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繼續輸出，直到電化學單元的單元電壓降到電壓電平Vd(轉換器的最小工作電壓)，電池B3的控制器將停止工作。此時，電池輸出電壓在時刻t3跌為零，結束電池的有效工作時間。如圖14的曲線所示，電池B3的有效工作時間延長量超過不帶本發明控制器的電池B1為t3-t1。
圖14還示出，在將電池接到同一個電子裝置時，電池B3比B2更耐用。由于電池B2的轉換器連續地工作，轉換器的內部損耗消費了電池B2中電化學單元的一些能量，所以與控制器僅對一部分放電循環而工作的電池B3相比，電池B2的單元電壓將在更短時間里達到轉換器的最小工作電壓Vd。這樣，把選用的電池B3的預定電壓Vp3優化成接近正被供電的電子裝置的截止電壓，就可最有效地應用電化學單元，并導致更大的電池工作時間延長。因此，電池B3的預定電壓Vp3最好等于或略大于要對其供電的電子或電氣裝置的截止電壓。例如，預定電壓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，若將電池設計成各種電子裝置的通用電池，最好將預定電壓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，與不帶本發明控制器的電池B1相比，轉換器的最小工作電壓Vd越低，工作時間延長就越大。此外，電子裝置的截止電壓Vc與轉換器最小工作電壓Vd之差越大，本發明的控制器將更長地延長電池的工作時間，因為提升了電化學單元的單元電壓。
表2AA堿性電池放電舉例(帶和不帶電源控制器)(電阻媒體負載，R=12歐姆)


表2對本發明AA堿性電池與一般不含本發明控制器的AA堿性電池的放電數據作了比較，本發明AA堿性電池具有內置的控制器電路，其中轉換器工作于連續模式，并將單元電壓升到約1.6伏的輸出電壓。在電池工作時間內，當電池接至電阻性媒體負載(12歐姆，平均吸取約125mA電流)時，表中數據示出了輸出電壓、功耗和每小時剩余容量百分比(總容量=2400mAh)。如表所示，帶轉換器的電池的輸出電壓在電池工作時間恒定保持于1.6伏，而不帶控制器電池的輸出電壓在其工作時間內從電池的標稱電壓下降了。
與不帶控制器的AA電池相比，表2還表明，有內置控制器的本發明電池具有兩個優點。首先，對于截止電壓約1伏的裝置而言，有內置控制器電路的電池，工作時間約10小時，而不帶控制器電池，在最長約8小時輸出電壓跌到低于1伏后，就停止在裝置中工作。因此在本例中，控制器電路延長的工作時間比不帶控制器的電池約多25％。其次，對于有內置控制器電路的本發明電池，對負載提供的功率和電池在裝置停止工作前應用的額定容量百分比要高得多。在恒流耗用的條件下，不帶本發明控制器的電池，在電子裝置停止工作前的持續時間甚至更短，因為隨著這種電池輸出電壓的降低，單元的供流能力按比例下降了。因此，具有內置控制器電路電池有著更大的優點。
然而，表2說明，如果裝置的截止電壓約1.1伏，本發明有內置控制器電路的AA電池工作起來比不帶控制器的AA電池有更多的優點，前者的工作時間仍有約10小時，而后者最多在約6小時后在輸出電壓跌到低于1.1伏時停止在裝置中工作。因而在本例中，放電子控制器電路比不帶控制器的電池可延長約67％的工作時間。另外，在向負載提供的功率和裝置停止工作前應用電池額定容量的百分比方面，差異甚至比前一個例子更大。同樣地，在恒流耗用條件下，不帶本發明控制器的電池在電子裝置停止工作前的持續時間甚至更短，因為隨著這種電池輸出電壓下降，單元的供流能力也按比例下降了，因而具有內置控制器電路的電池具有更大的優點。
權利要求
1．一種運用于具有截止電壓的裝置的一次性電池，一次性電池的特征在于包括(a)具有正端子和負端子的容器；(b)置于所述容器內的一次性電化學單元，所述單元具有正電極、負電極、在所述單元的所述正負電極間測得的單元電壓以及標稱電壓；并且(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，以便形成在所述容器的所述正負端子間測得的輸出電壓，所述控制器提供一個或更多下列特征(ⅰ)包括適于在小于裝置截止電壓的單元電壓下工作的轉換器，從而使所述控制器通過將所述單元電壓轉換為所述輸出電壓延長電池壽命，使得輸出電壓大于裝置的截止電壓，(ⅱ)包括將所述單元電壓轉換為所述輸出電壓從而使所述輸出電壓小于所述單元的所述標稱電壓的轉換器，(ⅲ)包括將所述單元電壓轉換為所述輸出電壓的轉換器和提供電荷存儲以保護所述單元免遭峰值電流沖擊的電容器；其中一次性電池選自單一單元電池、通用單一單元電池、多單元電池和多單元混合電池中的一種。
2．如權利要求1所述的一次性電池，其特征在于所述一次性電池適于作為整數個電池之一與裝置電氣串聯，所述輸出電壓大于或等于裝置的截止電壓除以電池的所述整數，并且/或者，其中所述一次性電池是一種多單元電池，所述一次性電池還包括正輸出端子和負輸出端子；所述的容器、單元和控制器形成第一單元裝置；所述第一單元裝置是電氣串聯在所述正負輸出端子之間整數個單元裝置之一，所述輸出電壓大于或等于裝置的截止電壓除以單元裝置的所述整數。
3．如權利要求1或2所述的一次性電池，其特征在于所述控制器可以將所述單元電壓調節至至少0.6伏。
4．如權利要求1-3中任一項所述的一次性電池，其特征在于所述控制器適于在所述單元電壓跌至預定電壓電平時在所述單元的所述電極與所述容器的所述端子之間電氣連接所述轉換器，所述預定電壓電平比較好的是選自具有1.5伏特標稱電壓的單元的0.8-1.2伏特范圍、從裝置截止電壓到裝置截止電壓加上0.2伏特的范圍、從裝置截止電壓到所述單元所述標稱電壓的范圍內，以使所述單元在裝置的截止電壓對于包含1.5伏特標稱電壓的單元為1伏特時作深度放電，并且/或在所述單元為鋰單元并且裝置的截止電壓為2.4伏特時使所述單元至少放電90％。
5．如權利要求1-4中任一項所述的一次性電池，其特征在于所述轉換器進一步包括(ⅰ)電氣連接至所述單元的所述正負電極的控制電路，所述控制電路比較好的是包括脈沖調制器，更好的是所述脈沖調制器包括具有至少一個輸入控制信號的脈寬調制器，還要好的是所述脈沖調制器適于使所述轉換器從所述單元電氣斷開和使所述轉換器電氣連接至所述單元，還要好的是所述脈沖調制器適于至少部分根據來自所述單元的內部阻抗、抽取電流和所述輸出電壓中選擇的一個或多個控制信號，使所述轉換器從所述單元上電子斷開和使所述轉換器電子連接所述單元，還要好的是所述脈沖調制器適于當所述單元電壓跌至預定電壓電平時，使所述轉換器電子連接在所述單元的所述電極與所述容器的所述端子之間，所述預定電壓電平比較好的是在從裝置截止電壓到所述單元所述標稱電壓的范圍內；(ⅱ)電氣連接至所述控制電路的DC/AC驅動器；以及(ⅲ)電氣連接至所述DC/AC驅動器和所述容器的所述正負端子的同步整流器。
6．如權利要求1-5中任意一項所述的一次性電池，其特征在于所述控制器進一步包括(ⅳ)接地偏壓電路電氣連接至所述單元的所述正負電極，所述接地偏壓電路向所述轉換器和所述容器的所述負端子提供虛擬接地，所述接地偏壓電路最好包括電荷泵電路，并且所述虛擬接地比較好的是低于所述單元的所述負電極電壓電平的電壓水平。
7．如權利要求1-6中任意一項所述的一次性電池，其特征在于所述標稱電壓大于1.5伏特。
8．如權利要求1-7中任意一項所述的一次性電池，其特征在于所述單元為鋰單元，所述單元的所述標稱電壓在2.8伏特到4.0伏特的范圍內，并且所述控制器降低所述單元電壓從而使得所述輸出電壓在1.0-1.6伏特的范圍內。
9．如權利要求1-8中任意一項所述的一次性電池，其特征在于進一步包含裝置，它包括(a)正輸入端子；(b)電氣連接至所述正輸入端子的負輸入端子；以及(c)截止電壓。
10．一種延長一次性電池壽命的方法，其特征在于包含以下步驟(a)提供一種一次性電池，包括(ⅰ)具有正端子和負端子的容器；(ⅱ)置于所述容器內的電化學單元，所述單元具有正電極、負電極、在所述單元的所述正負電極間測得的單元電壓以及標稱電壓；并且(ⅲ)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，以便形成在所述容器的所述正負端子間測得的輸出電壓，所述控制器包括轉換器；(b)使所述一次性電池電氣連接至具有截止電壓的裝置；(c)使所述單元電壓轉換為所述輸出電壓，從而使得所述輸出電壓大于裝置的截止電壓。
全文摘要
本發明揭示了一種帶延長電池壽命的內置控制器的多單元電池。控制器可通過將電池電壓轉換為大于電子設備的截止電壓的輸出電壓,將單元電壓轉換為小于電池電化學標稱電壓的輸出電壓,或者通過保護電化學單元不受峰值電流沖擊來延長電池壽命。控制器還可以包括接地電路,它還包括虛擬接地從而使轉換器可以工作在較低的單元電壓下。電池可以是一個單元的電池、通用的單個單元電池、多單元電池或多單元混合電池。多單元電池的每個單元可以串聯或并聯。此外,每個單元包含控制器,能夠完成一個或多個功能以延長單元壽命。
文檔編號H02J7/00GK1303526SQ99806887
公開日2001年7月11日 申請日期1999年4月1日 優先權日1998年4月2日
發明者V·加爾斯坦, D·D·內布里希克 申請人:寶潔公司