專利名稱：帶內置控制器的電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及電池，特別涉及帶內置控制器延長使用壽命的電池。
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和再充電(二次)電池。當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動普通的電子線路。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。
然而，再充電電池的總壽命主要取決于充電循環的次數與效率。再充電電池在每次放電循環后可以充電再使用。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動電子線路。因此，如果電池采取深度放電，就可延長再充電電池的每次放電循環。然而，再充電電池的放電程度對其以后充電的次數與效率有影響。一般而言，增大再充電電化學電池的放電深度，就減少了其可以經受的充電循環次數。然而，特定類型再充電化學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，其電池在未耗盡的情況下充電，導致以后充電時有效容量降低。然而，鋰電池作深度放電會損壞電化學單元。有效地控制特定單元的充放電循環，使充電循環總次數達到最大，電化學單元每次放電循環恢復的能量也最佳，就能更好地延長再充電化學單元的使用壽命。
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或對電池再充電，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。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，尤其對堿性、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動轉換器，通常要用多個電化學單元。為此，現有轉換器往往要求多個電化學單元串接起來提供足夠的電壓驅動轉換器，然后再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，為使壽命最長，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化放電深度。通過將電池設計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一步超小型化。

發明內容
本發明提供的電池，通過在充電前優化使用一次性或再充電電池貯存的電荷而具有更長的使用壽命。該電池有一內置控制器，它包括一只能在低于一般電子裝置閾值的電壓工作的轉換器。控制器更有效地調節電化學單元的電壓，可作受控的放電，即放電深度最佳，從而延長電池壽命。控制器較佳的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、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控提供給負載的電能以最佳地延長電池壽命(1)接通和關閉DC/DC轉換器；(2)當輸入電壓低于一般電子裝置能工作的電壓時，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單元可以提供的放電電流；(7)即使電流超過轉換器最大輸出電流，通過利用旁路模式在單元安全限內提供大放電電流；(8)測量剩余的單元容量；以及(9)向單元電容指示器/’燃料’計提供操作控制信號。
在一較佳實施例中，在多單元一次性電池或再充電電池(如標準9伏電池)外殼內安裝了單只控制器。與將控制器裝在電子裝置里的情況相比，本發明的這一方面有若干明顯的優點。首先，電池設計者可利用特定類型電化學單元的特定電化學特性。其次，如果裝置只對含特定類型電化學單元(如鋰)的電池要求用轉換器改變和/或穩定電池輸出電壓，而對含其它類型電化學單元(如NiCd、SLA)的電池不要求配用轉換器，并且轉換器與要求轉換器的電池(如鋰電池)集成在一起，就能設計出無DC/DC轉換器的電子裝置，從而實現更小的電路設計，防止與轉換器關聯的損耗影響不要求轉換器的電池。
在一特定的較佳實施例中，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單元或標準9伏電池的容器里面。本發明的這一方面具有上述將單個控制器裝在多單元電池里的諸優點，并且還有更多的優點。首先，控制器可定制成配合特定類型的電化學單元以利用其特定的電化學反應。其次，通過改變或穩定輸出電壓或內部阻抗以滿足設計成以標準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單元的電池。例如，這兩種優點在滿足標準1.5伏AA電池的封裝與電氣要求的高效鋰單元中，使用一內置控制器將單元標稱電壓從約2.8～4.0伏減至約1.5伏輸出電壓而實現了。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。而且，在每個電池單元中設置控制器，能比現在更有效地控制每個單元。控制器可監控每個一次性電化學單元的放電狀態，確保電子裝置關閉前使每個單元完全耗盡。控制器還能監控每個再充電電化學單元的放電循環，確保單元放電到使電池提供可能的最長使用壽命的程度，并提高單元的安全性，防止記憶效應、短路或有害深度放電的情況。控制器還能直接監控電池中每個再充電電化學單元的充電循環，防止過充電或短路等狀況，以延長循環壽命，提高電池安全性。單個單元的充電狀態也可以直接(視覺、音頻、振動等指示器)或經“智能”設備接口告知消費者。
控制器還能多樣性使用本發明的電池。本發明的電池無論是否配用于如上述具有截止電壓的電氣、機電或電子裝置，均比已知的電池更具優點。對于電氣、機電和電子設備或電器，本發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，實際電壓對時間放電曲線可以仿真典型的放電曲線(不會立即停止工作)。
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轉換器是一種高效、超低輸入電壓和中等功率的轉換器，它應用了脈寬或相移調制和脈沖跳變低占空因數控制方法。
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4C是圖4電池再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。
圖15是本發明電池再一較佳實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施例方框圖。
圖17是圖15中充電子控制器另一實施例方框圖。
本發明的詳細描述本發明涉及單一單元電池與多單元電池。本發明的電池可以是一次性的或可充電的。術語“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單元(即打算再使用至少一次)。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伏打電池的多單元電池，其中至少有兩個單元具有不同的伏打機理，如光生伏打、燃料、熱、電化學、機電等機理，或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“電池單元”用來指稱電池中使用的伏打電池，包括電化學電池。而且伏打或光生伏打電池可以互換使用并且描述各種產生電力的物理機構。此外，混合電池可以包含附加的能量存儲單元(例如超級或超電容、高效電感或低容量二次電池)，改進單元電壓和電流放電特性。混合電池單元可以代替無源單元構造的單元，例如標簽、密封、空心端子等。
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，還有DC/AC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，即線性調節器，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。
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)。大多數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。
如果單個電化學單元正向具有截止電壓的裝置供電，該電化學單元就“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，如果兩個或多個串聯的電化學單元正對裝置供電，即該裝置電氣連接在正輸入端與負輸入端之間，則每個電化學單元“承受”該裝置的部分截止電壓。例如，若兩個串接的電化學單元在對裝置供電，每個單元就“承受”該裝置一半的截止電壓。然而，如用三個串接的電化學單元向裝置供電，則每個單元只“承受”裝置截止電壓的三分之一。這樣，若n個串接的單元正向裝置供電，則每個單元“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。然而，若兩個或多個并聯的電化學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，在應用中，若兩個或多個單元串接后再與另外的一個或多個單元并聯，則每個串接的單元“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。
本發明的一個方面是延長電池“壽命”。對一次性電池而言，“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，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電壓驅動電子裝置，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。
然而，再充電電池有多次充放電循環。在再充電電池中，“循環壽命”定義為能實現的充放電循環次數。再充電電池的“電池工作時間”指再充電電池的輸出電壓跌到低于該電池正對其供電的裝置的截止電壓之前的單次放電循環時間，或停止放電提供更長電池循環壽命的時間。然而，再充電電池的“電池壽命”指充放電循環總次數，其中的每次放電循環都有一段最佳工作時間。再充電電化學單元的“單元工作時間”是在該單元的單次放電循環期間，單元在負載條件下實現最佳放電深度所需的時間。如上所述，再充電電池的“循環壽命”是再充電單元經歷的放電深度的函數。放電深度增大，電池工作時間也增長，但是循環壽命與電池壽命縮短了。反之，放電深度減小，電池工作時間也減短，而循環壽命與電池壽命卻延長了。然而，從裝置使用的觀點來看，電池工作時間縮短是不適宜的。因此，對再充電電池的每種特定的電化學特性與設計而言，可以優化放電深度與循環壽命之間的比率，以便達到更長的電池壽命。例如，再充電電池壽命的一種優化方法是對提供的累計能量加以比較，該能量可定義為在特定放電深度實現的循環壽命(即循環次數)與每次循環中恢復的能量的乘積。
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電化學單元的“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。
再充電電化學單元的“最佳放電深度”指使該單元的充放電循環次數最多、每次放電循環的工作時間最優的單元剩余容量。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，再充電電化學單元的壽命會大大縮短。例如，鋰離子單元的深度放電會損壞該單元，并降低該單元以后充電的次數與效率。然而，鎳鎘(NiCd)電化學單元為了防止“記憶”效應縮短單元壽命，可以在以后的放電循環中減少單元的工作時間，最好作更深度的放電。
“電氣連接”和“電氣耦合”指讓連續電流流動的連接或耦合。“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”。
本發明的電池包括一個或多個控制器，它通過在一次性或再充電電池的放電循環中優化能量恢復，在再充電電池的情況下通過使放電循環次數最多，可延長電池壽命。如在本發明一實施例中，控制器可執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)時斷開單元。電化學單元可以封裝在單一單元電池內或多單元電池內。多單元電池可包括兩個或多個同類電化學單元，或在混合電池中包括兩種或多種不同類的電化學單元。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。
本發明的電池控制器可執行上述的一種或多種功能，此外還可執行其它功能。本發明的電池控制器可包含一個執行每種所需功能的電路，或可以包含執行一種或多種所需功能的獨立的子控制器。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的檢測電路等電路。
在附圖中，定義單元的標號的最后兩位數字對于可比較單元的其他附圖是相同的，前面1～2位數字對應圖號。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12、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，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與導體33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、雙極板或厚/薄膜單元等等。
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630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。每個堿性單元630具有連接外表正端子621的內部正端子620并具有連接外部負端子623的內部負電解622。每個堿性單元630包括以上述方式運行的控制器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和整個多單元電池的外殼611。
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，其標稱電壓各為約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。在本領域中還有其它的多單元電池結構，可用于安裝本發明的控制器640。例如，多單元電池包括棱柱形電池、具有獨立容器(至少是基本上皺縮包裝在一起)的電池、包含多個諸如攝錄像機(camcorder)等多個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經導電條245和導電側壁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)的陰極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DC/DC轉換器或電荷泵，但其缺點是虛擬地的電路復雜性較大，以便在單元電壓低時(＜1伏)讓控制器140的電壓轉換器更有效地連接工作。
圖4C示出本發明電池110的再一個實施例，其控制器集成電路140包括四個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和檢測電路105。其中檢測電路105根據連續或間斷檢測的工作參數和/或物理狀態，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。檢測電路105可測量電化學單元130的工作參數，如單元電壓、從單元提取的電流、單元電壓與電流的相移等，還可測量控制器集成電路140的工作參數，如輸出電壓與電流電平、充電電壓與電流電平等。另外，該檢測電路還可測量電化學單元的物理狀態，如溫度、壓力、pH、氫和/或氧濃度等。正如本領域所周知的或通過下述描述可知，檢測電路105可在充放電循環期間測量這類參數的任意組合，足以有效地監視電化學單元。
然而，本發明電池110的控制器集成電路140不必執行上述的每種功能。例如，控制器電路140可以只擁有二三個上述部分，諸如放電子控制器電路102與檢測電路105、充電子控制器電路104與檢測電路105、緊急子控制器電路106與檢測電路105，或上述的任一組合。或者，如果包含在控制器電路140特定實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含有其自己執行各別功能所必需的內部檢測電路，則控制器電路140可以不帶檢測電路105。此外，放電或充電子控制器電路102與104或兩者都可執行緊急子控制器106的功能。控制器電路140還可具有上述的一個或多個子控制器或檢測電路以及執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化使用再充電電池的貯能，提供更長的電池壽命。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)中電化學單元130的充電。當檢測電路105檢測不安全狀態時，諸如短路、反極性、過充電狀態或過放電狀態，緊急子控制器106就將電化學單元與電池端子斷開。緊急子控制器106還提供電氣連接，以在負載需要超過控制器可輸送電流的大安全電流時旁路放電控制器。
然而，在本發明一次性電池的一較佳實施例中，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和檢測電路105。檢測電路105最好連續地監視電化學單元130的工作參數和物理狀態。放電子控制器電路102最好提供電池110的一次性電化學單元130更安全更深度的放電，以在電池丟棄前提供更長的壽命。當檢測電路檢出不安全狀態時，緊急子控制器電路106最好將電化學單元與電池端子斷開，或者如果負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時提供旁路連接。
在本發明再充電電池的一較佳實施例中，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的電化學單元130的充電。檢測電路105最好連續地直接監視控制器電路140的工作參數和電化學單元130中的物理狀態，例如，它可以監視單元電壓、充電電流、電化學單元的內部阻抗、氫或氧濃度、pH值、溫度、壓力或本領域中已知的任何其它工作參數或物理狀態。
在一特定較佳實施例中，每個電化學單元有其自己的控制器集成電路140，可監視特定單元的狀態。通過直接監視每個特定單元的狀態，充電子控制器105可提供比已知的監視多電化學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通過應用單元的瞬時充電值與最大容量連續地優化充電狀態，使損耗減至最小。
每個控制器可包括一個或多個下述子控制器(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，本發明控制器的實際實現對每種功能不要求獨立的電路設施，因為控制器執行的多種功能可以而且最好組合到單個電路中。例如，每個子控制器可具有自己的內部檢測電路來測量控制器的一個或多個工作參數和/或電化學單元的物理狀態，或用獨立的檢測電路測量這些參數和/或狀態，并將它們和/或與這些參數和/或狀態相關的控制信號提供給一個或多個子控制器。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本發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一次性電化學單元或至少一個再充電單元(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或多個電化學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，使電化學單元盡量深地放電，可延長該電池的壽命。然而，在再充電電池中，則通過使電化學單元放電到最佳放電深度來延長電池壽命。這樣，如果再充電的電化學單元的最佳放電深度低于再充電電池正對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，就可延長再充電電池的壽命。
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規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，本發明的子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，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轉換器，將單元電壓轉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，這樣使電化學單元作較深的放電而延長電池壽命。但在再充電電池中，轉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。在本發明一實施例中，子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。當單元電壓跌到電池放電通常停止的裝置截止電壓的電平時，轉換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子控制器所需的最小電壓，或跌到再充電電化學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計的電池，將提供能更深地放電而與單元電壓電平無關的電池。
對于混合電池，放電子控制器可以包含低壓轉換器，它將伏打電池的電壓轉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轉換為所需的輸出電壓。因此具有子控制器設計(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、熱電池和機械電池)產生的低電壓的電池。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二次電池充電或提供附加能量。
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子控制器，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，放電子控制器接通轉換器，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，在一次性單元的情況下，直到單元電壓達到轉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到最佳放電深度。子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關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或標準的輸出電壓而與單元電化學特性或伏打單元物理機理無關的電池。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裝置的截止電壓，直到一次性電化學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單元跌到其最佳放電深度使內置子控制器關閉，從而延長其壽命。
本發明設計成對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，可以專門設計成更有效地工作。
其次，通過使單元最佳地放電以提高充電循環的次數或效率，還可用放電子控制器延長再充電電化學單元的壽命。例如在密封型鉛酸性單元中，深度放電會損壞單元和/或減低以后再充電循環的次數或效率。例如，子控制器可以控制特定類型再充電電化學單元的放電，從而在單元電壓達到預定電壓電平(該類或該特定電化學單元的最佳放電深度)時結束放電循環。例如在鉛酸性再充電化學單元中，預定電壓電平范圍為0.7～1.6伏，更佳為0.7伏。如在鋰MnO2再充電電化學單元中，預定電壓電平范圍為2.0～3.0伏，最佳為2.4伏。或者，當再充電電化學單元的內部阻抗達到對應于該類或該特定電化學單元所需的最大放電深度的預定阻抗級時，放電子控制器也可結束放電循環。這樣，在本發明包含至少一個再充電電化學單元(最好不深度地放電超過最佳放電深度)的電池中，當單元電壓達到預定電壓電平或單元內部阻抗達到預定的或合適的內置化學傳感器指示的內部阻抗級時，可用放電子控制器結束放電循環而延長電池壽命。
再次，放電子控制器還可降低其標稱電壓大于所需輸出電壓的電化學單元的單元電壓和/或改變電池中電化學單元的輸出阻抗。這樣不僅延長了電池的工作時間，還使標稱電壓不同的電化學單元具有更大的互換性，設計者可利用標稱電壓更高的電化學單元更大的貯能潛力，而且便于設計者更改某種電化學單元的輸出阻抗，以便使該阻抗匹配到所需的程度，增大該電化學單元與其它類型電化學單元的互換性和/或提高該電化學單元對特定類型負載的效率。此外，低效、對環境有害、昂貴且只因要求特定標稱電壓而使用的電化學單元，可用安全、更高效或更廉價的電化學單元代替，這類電化學單元的標稱電壓提高或降低后，或其輸出阻抗改變后，可以滿足要求的標稱電壓或應用所需的輸出阻抗。
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子控制器，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伏的一次性鋰MnO2單元等標準鋰單元，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，還可提供一種高壓鋰單元，它與標準的堿性或鋅碳單一單元電池完全可以互換，無需以化學方法降低鋰單元的高電位。再者，再充電鋰離子單元的標稱電壓約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。本發明的鋰離子電池可同標準單一單元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和伏打單元(例如光電池、熱電池、燃料電池、機械電池等)的混合電池。
或者，標稱電壓低于典型電子裝置工作電壓的電化學單元，可以配用具有內置升壓轉換器的放電子控制器來提升標稱電壓，這樣具有這類電化學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。
此外，標稱電壓低于典型電子設備工作電壓的幾個伏打單元可以與具有內置升壓轉換器的放電子控制器一起使用以增高標稱電壓。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，其混合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。
表1不是表示專用的，而是列出了可用于本發明電池中的示例性一次、二次與備用電化學單元。例如，標稱電壓或內部阻抗不同的不同類的一次性和/或再充電電化學單元，可以配用轉換器構成一種通用的單一單元電池，具有與標準1.5伏堿性一次性或再充電電池或標準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明的混合多單元電池中一起使用。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。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，同時仍保持與包含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。
對于產生電能的化學機構以外的物理裝置，情況同樣如此。典型的單個光電池、熱電池、燃料電池和機械電池(例如PST)具有遠遠小于標準設備或其他電化學單元電壓的輸出電壓。本發明使得可以將低壓伏打單元與標準的電化學系統組合在一個混合單元或獨立單元內以向要求等于或不同于混合單元或獨立單元的電壓的設備供電。
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伏氧化銀 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伏備用單元單元類型 標稱電壓 單元類型標稱電壓氯化亞銅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。每個電化學單元的放電子控制器提供同樣的標稱輸出電壓，可配置成串并聯電氣結構。當單元為并聯結構時，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的電化學單元，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。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-空氣與超級電容器等的組合。還有，混合電池還可包含上述一個或多個單元或電源的任意一種組合。
另外，放電子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，子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、NiCd、SLA、金屬混合物與鋅-空氣單元等電化學單元有害。
放電子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。
單個放電子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，子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，同一個子控制器既能監視單元電壓和輸出負載電流，又能接通轉換器。或者，子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，子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，則子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。
本發明涉及專用電池和標準消費類電池，如AAA、AA、C或D單元和9伏電池。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光電池、熱電池、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一次性或再充電電池，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。另外，一次性與再充電電池還能互換使用。例如，如果膝上計算機的再充電電池耗盡了，用戶可以購買一次性電池用上幾小時，直到用戶對再充電電池充好電。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別，也可購買廉價的電池。
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。
本發明還涉及標準消費電池，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，標準一次性或再充電電池可用于目前只使用定制設計電池的場合。例如，消費者可根據其要求購買一個或多個標準一次性或再充電電池，把電池直接裝入膝上計算機、攝錄像機、蜂窩電話和其它便攜式電子設備。如上所述，隨著標準電池制造量的增大，單位成本將迅速降低，價格更加合適的電池最終可取代專門設計的再充電電池。
為了延長最佳放電深度相對低的一次性或再充電電池的壽命，隨著電路制造技術的發展，可將放電子控制器設計成工作于甚至更低的電壓。例如，可將放電子控制器設計成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，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單元最深度放電或使再充電電化學單元優化放電降至低的最佳放電深度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，放電子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子控制器中，子控制器最好能工作于至少高達1.6達的輸入電壓。更佳地，放電子控制器能工作于至少高達1.8伏的輸入電壓。這樣，較佳的子控制器應能在最小0.8伏到至少1.6伏的電壓范圍內工作。然而，該子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，放電子控制器設計成配用一個標稱電壓為3.0伏的電化學單元，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，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，在本發明一較佳實施例中，放電子控制器設計成配用一個4.0伏標稱電壓的電化學單元，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伏標稱電壓的電化學單元一起使用時所需的電壓電平甚至更高。在電化學單元的標稱電壓為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，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，本發明的電池用放電子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子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)并執行全部功能，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以及剩余容量指示器。例如，當電化學單元電壓達到預定值時，放電子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，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。例如，當電池蓄電量約為其額定容量的5％時，子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，其中放電子控制器702的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電化學單元的最佳放電深度(在再充電電化學單元的情況下)或低于轉換器750中電子元件的最小正向偏壓Vfb(在一次性電化學單元的情況下)。就電化學單元的最佳放電深度而言，即在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放電子控制器702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，一次性或再充電鋰單元可用于標準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。一次性或再充電鋰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。標稱電壓約4.0伏的鋰離子單元一般也無法與標稱電壓為1.4伏的標準NiCd電池互換使用。然而，電池設計者創制了一些如LiFeS2等標稱電壓約1.6伏的新型鋰電池，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1.6伏鋰電池雖然仍能向照相閃光負載電路提供大電流，但是1.6伏鋰電化學單元導致單位鋰重量的化學能貯量大大減少。然而，本發明能使用標稱電壓約3.0伏或4.0伏的高壓一次性或再充電鋰電化學單元，并用控制器將標稱電壓降至約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，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(P4M)、脈沖跳變低占空因數控制、諧振轉換器等。本發明的一較佳轉換器實施例應用了脈寬調制法，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示出本發明的放電子控制器電路其它實施例的方框圖。在每個實施例中，子控制器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。
在再充電電池的情況下，當單元電壓達到電化學單元830的最佳放電深度時，控制器852最好也將電化學單元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壽命，其中每次放電循環都有一段最佳的電池工作時間，因而可延長電池的壽命。
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，放電子控制器902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，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才接通電荷泵電路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。
另外，在具有再充電電化學單元的電池中的DC/DC轉換器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斷開，這樣使再充電電化學單元最佳地放電，使單元的充電循環次數最多，效率最大。
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示出再一實施例的放電子控制器電路1002。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，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。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電阻器Rc和電化學單元1130的負端子1122，還連接到轉換器控制器1152。緊急電路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，緊急電路1182還可通過檢測電化學單元1130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，放電子控制器電路1102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。緊急電路1182也可以用于在電路檢測電路1183指示穩態電路率大于控制器1150可承受的電路時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可以向轉換器控制器1152發送信號以將電化學單元1130的電極1132和1134連接至旁路轉換器1150的輸出端子1120和1122。放電循環結束時，緊急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的較佳放電子控制器電路1202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電子連接和斷開。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放電子控制器電路內的不同元件。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和轉換器控制器1352。轉換器1350最好是一種高效、中功率轉換器，可工作于低于大多數電子裝置的閾壓。放電子控制器電路1302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。例如在堿性電池中，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或電流傳感器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。
當脈沖調制器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和B3的示例性放電曲線，其中B1不帶本發明的控制器，B2具有放電子控制器電路，其中的轉換器工作于連續模式，B3也具有放電子控制器電路，其中的轉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的放電子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(放電子控制器電路的最小工作電壓)時，電池B2的子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，具有子控制器電路(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+V的電平并使之穩定。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轉換器的電池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，使選用的電池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。
另外，圖14表明，裝置截止不再是一次性或再充電電化學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，電池的電化學單元可繼續放電。在一次性電池中，根據轉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，只要轉換器能工作于小于或等于再充電電化學單元的最佳放電深度的單元電壓，本發明能讓最佳放電延長再充電電池的壽命而與裝置的截止電壓無關。
充電子控制器充電子控制器電路也可延長本發明再充電電池的循環壽命。子控制器電路可通過逐一控制每個獨立電化學單元的充電順序來延長電池的循環壽命。這樣，充電子控制器電路可根據特定單元的實際反饋優化各單元的充電，使每次充放電循環的次數與效率最大。例如，充電子控制器電路可直接監視各單元的單元電壓和/或內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單一單元電池或一個或多個多單元電池中各獨立電化學單元的充電循環。
充電子控制器電路在放電循環的“關閉時間”(即電化學單元不處于放電模式時)對電化學單元充電，也能延長諸如鉛酸性等最好不作深度放電的再充電電池的工作時間。例如，在這些單元放電的“關閉時間”內，控制器可讓充電子控制器電路對任何一個或多個獨立的單元充電。若“關閉時間”相對于放電的“打開時間”(即特定電化學單元正有效放電時)足夠長，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。如果占空因數足夠高而且裝置工作足夠長的持續時間，使得充電子控制器電路不能將電化學單元的充電保持高于預定電壓電平或低于特定的阻抗電平(對應于該類或特定電化學單元的所需最大放電深度)，則再充電電化學單元達到所需最大放電深度時，放電子控制器電路可以結束電池的放電循環。通過僅在單元電壓低于某一預定電壓電平(如單元的標稱電壓)時才對該單元充電，用任何其它方法確定本文所述的充電循環的結束，或通過本領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期間不讓單元的放電超過最佳放電深度，并在充電循環期間優化充電順序，可以優化再充電電化學單元的壽命。
充電循環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單元封裝在一起的另一電化學單元等內部電源。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，但是只能提供相對低的電流電平，提供了另一種特別有用的電源，可用來對再充電電化學單元充電，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或不接觸的隔離型充電系統對本發明電池充電。
本發明一較佳實施例的電池還可包括一種對用戶的全充電指示。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。或者，子控制器電路可以提供充電器系統或裝置可讀的指示，讓充電器系統或裝置相應地通知用戶。
圖15示出本發明電池的方框圖，它包括一個充電子控制器電路1504。充電子控制器電路1504最好集成在電池1510內，負責安全有效地控制從外部充電源或電路進入的功率信號，以便優化再充電電化學單元的充電循環。該充電子控制器電路根據從檢測電路105接收的輸入壓控制號和/或從其自己的內部檢測電路的反饋，控制從外部充電源進入的功率信號。例如，充電子控制器電路可以使用限定電化學單元1530內部阻抗的壓控信號V(psi)，該控制信號由相位線性控制器1571產生，已根據圖13作過描述。或者，充電子控制器電路可以用單元電壓或充電電流，或用內部阻抗、單元電壓與充電電流中的兩個或多個的組合來控制電化學單元的充電。此外，充電子控制器電路也可用電池1510容器1512內測得的物理狀態來優化對電化學單元的充電，這類物理狀態有氫濃度、氧濃度、溫度和/或壓力等。
當端子1520與1522的電壓高于電化學單元1530的單元電壓時，放電子控制器電路1502的脈沖調制器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的電流通路對電化學單元充電，M4防止在端子1520與1522間發生短路。脈沖調制器通過向接地偏置電路1580的時鐘發生器1587送一壓控信號，還可斷開接地偏置電路。如在圖9A的電荷泵例中，時鐘發生器987斷開開關S1與S2，閉合開關S3與S4，使虛擬地輸出塌陷到電化學單元930的負電極934的電位。或者，如果接地偏置電路1580包括一內部控制器，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)，內部控制器可通過直接控制時鐘發生器1587直接將端子1520與1522的電壓與電化學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單元負電極的電位。
在本發明一較佳實施例中，充電子控制器電路1504利用內部阻抗信息確定最有效的交流信號分布，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單元的內部充電的動態與靜態損耗減至最小，并對特定電化學單元控制可能的最快充電速率。此外，諸如氫/氧濃度、溫度、壓力等物理狀態傳感器能進一步優化充電狀態。
當充電子控制器電路504確定電化學單元已完全充電時，就斷開N溝道MOSFET M3，這就把電化學單元和容器1512的端子1520與1522斷開，由此與外部充電源或電路斷開。
根據電化學單元1530真實的電離與電阻抗狀態，用內部阻抗控制電化學單元的充電可實現充電優化。在各容器1512中設置充電子控制器電路1504，更能控制多個單一單元電池或多單元電池的各個電化學單元1530，因為子控制器電路各自控制著每個單元的充電。單元1530能以與其它電化學單元串聯和/或并聯的結構充電。若單元以串聯充電，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串聯的其它單元。然而，若單元是并聯的，充電子控制器電路可將電化學單元與充電電流斷開。在多單元電池的每個電化學單元中置一控制器，可讓每個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控制器控制，從而優化對該單元的充電，且與單元的電化特性無關。即使各單元的標稱電壓不同，該充電子控制器電路也可對混合電池的多個單元充電。
圖16示出的一個充電子控制器電路1504結構實施例，可應用于圖15所示本發明的電池中。本例中，充電子控制器電路1604包括通用充電器電路1677、猝發電路1678和充電控制狀態機1679。充電控制狀態機用猝發電路在電化學單元1530的電極1532與1534上產生測試電流Is和測試電壓Vs。像參照圖13描述的那樣，相位線性控制器1571檢測測試電流Is與測試電壓Vs之間的相移。猝發電路最好包括猝發驅動器1668和n溝道MOSFET M1，前者產生的高頻控制脈沖信號驅動M1的柵極。測試電流Is流過M1，相位線性控制器檢測測試電流Is與測試電壓Vs之間的相移角(4)。相位線性控制器向充電控制狀態機輸出壓控信號V(psi)，該信號同單元電壓中交流分量與從電化學單元1530吸取的電流之間的相移成線性比例關系。充電控制狀態機用來自相位線性控制器的這一控制信號控制交流充電信號分布。當電化學單元完全充電時，脈沖調制器1576斷開M3，而后者又將電化學單元同容器的端子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施例，可對電化學單元作隔離充電，且在外部充電器電路與本發明電池1510之間無任何機械接觸。本例中，充電子控制器電路1704包括一個用作變壓器次級線圈以對電化學單元1530充電的線圈。外部充電源包括變壓器初級線圈，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線圈。例如，本發明的電池可在電池1510的標志上或在容器內包含一印刷線圈，或該電池形成充電變壓器的次級線圈。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經外部充電源的初級線圈對充電子控制器電路的次級線圈1798賦能。充電控制狀態機控制通用充電器電路以優化再充電電化學單元的充電循環。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明電池約1～3英寸的距離對電化學單元充電，因而可對電化學單元原地充電，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點。例如，諸如心臟起博器等手術埋置裝置中的電池，可無需以手術方法從病人體內取出電池而充電。
緊急子控制器電路控制器還可執行緊急功能，即在檢出一種或多種安全相關狀態時，可將電化學單元同電池容器的端子斷開并且/或在負載的需求電路大于轉換器能力但是仍然在特定電化學單元的運行電流范圍內時將電化學單元與旁路轉換器的輸出端子直接連接。控制器可以包括一個獨立的緊急子控制器電路，用于檢測不安全狀態，諸如短路、反極性、過充電、過放電、高溫、壓力或氫濃度等，并將電化學單元與電池端子電子斷開。或者，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現，或者控制器可包括獨立的檢測電路，通知放電和/或充電子控制器電路將電化學單元與電池端子斷開。
權利要求
1．一種電池，其特征在于包括(a)具有正端子和負端子的容器；(b)置于所述容器內的電池單元，所述單元具有正電極、負電極和在所述單元的所述正負電極間測得的單元電壓；(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端子之間的輸出電壓；以及(d)響應所述電池預定條件的電路，在檢測到所述預定條件時，電路工作可以讓控制器輸出電壓脫離容器端子。
2．如權利要求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到所述預定條件時使控制器的輸出電壓脫離容器正負端子。
3．如權利要求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量單元電流，電路根據電流傳感器響應包括短路條件和反極性條件在內的預定條件，并且在檢測到預定條件時脫離控制器的輸出電壓。
4．如權利要求1-3中任一項所述的電池，其特征在于所述電路用于監視單元電壓和/或單元內部阻抗，電路響應包括單元電壓跌落至低于預定電壓電平和單元內部阻抗超過預定阻抗之一的預定條件，電路在檢測到預定條件時脫離控制器的輸出電壓以通常防止單元的過放電。
5．如權利要求1-4中任一項所述的電池，其特征在于所述電路用于監視單元電壓，電路響應包括單元電壓超過預定電壓電平在內的預定條件，電路在檢測到預定條件時脫離控制器的輸出電壓以通常防止單元的過充電。
6．如權利要求1-5中任意一項所述的電池，其特征在于所述電路用于監視所述容器內的壓力，電路響應包括容器壓力超過壓力限在內的預定條件，電路在檢測到預定條件時脫離控制器的輸出電壓。
7．如權利要求1-6中任意一項所述的電池，其特征在于所述電路用于監視所述容器內的氫氣濃度，電路響應包括容器氫氣濃度超過氫氣限在內的預定條件，電路在檢測到預定條件時脫離控制器的輸出電壓。
8．如權利要求1-7中任意一項所述的電池，其特征在于所述電路用于監視所述容器內溫度，電路響應包括容器溫度超過溫度限在內的預定條件，電路在檢測到預定條件時脫離控制器的輸出電壓。
9．如權利要求1-8中任一項所述的電池，其特征在于所述預定條件包括附著在電池的負載的電路需求超過控制器的能力的條件，電路進一步可在使控制器輸出電壓脫離容器端子時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)具有正端子和負端子的容器；(ⅱ)置于所述容器內的電池單元，所述單元具有正電極、負電極和在所述單元的所述正負電極間測得的單元電壓；(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端子之間的輸出電壓；以及(c)響應檢測到電池的預定條件，使控制器的輸出電壓脫離容器端子。
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,它可忽略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H02J7/00GK1303524SQ99806888
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