CN103201871B - 用于延长电池寿命的结构和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于延长一个或多个电池的使用寿命的电池套管，所述电池套管包括导电正极，其被构造使得当所述电池套管耦合到至少一个电池时，所述套管的导电正极用作为所述至少一个电池的新正极端子。

Description

用于延长电池寿命的结构和方法

相关申请案的交叉引用

本申请案要求于2010年9月20日申请的美国临时申请案第61/403,625号的权利，其内容以全文引用的方式并入本文以用于所有的目的。

发明背景

本发明通常涉及电池技术且更明确地说涉及用于延长电池（诸如一次性电池和可再充电电池）的使用寿命的技术。大多数消费类电子设备使用电池。电池根据干电池的一次电池、二次电池和可再充电电池予以分类。许多电子设备是灵敏的且需要极其精确的电压予以适当操作。在一些情况下，如果电池供应给电子设备的电压下降得太低，那么不仅所述设备提供不可靠的输出，而且低压也会损坏所述设备。这样，许多制造商制造的电子设备包括检测电池电压电平的电路，且如果电压电平下降到低于某一电平，那么电路会自动断开。例如，从未用过的新AA电池提供1.5V。随着电池电荷被使用所述电池的设备随时间消耗，电池电压开始下降。

使用一次性电池（诸如AA电池）的一些电子设备被设计以在电池电压下降达10%或大约这样时停止运行。这意味着当AA电池的电压下降到约1.4V或1.35V时，所述电池无法再被设备使用且必须用新电池更换。因此，介于0V到1.35V之间的全部电压被浪费，造成显著的低效。这类似于其中仅消耗10%的苏打瓶（按照常规），且其余被丢弃的情形。这明显是非常浪费且低效的。

影响电池成本的另一因素是制造电池时所使用的一些材料难以开采且在一些情况下被认为是稀土材料。由于一些材料仅在诸如中国的国家发现，且中国已经开始限制这些材料的出口，所以这些材料的价格不断上涨。

除了电池低效的不利经济影响之外，还存在明显的环境影响。每年大约有30亿电池售出。因为电池含有会找到途径进入我们的自然资源（诸如地下水）中的有毒材料，所以电池造成特殊的环境危害。电池也是无法被生物降解的。许多国家以及自治区具有关于电池回收的法律和地方条例。此外，与电池的制造和分布相关的碳足迹增加了关注度。开采这些材料、将它们放入电池、封装电池和将其它运送到全世界的过程花费大量能源并且产生大量温室气体。因此，改进电池的使用效率提供明显的经济效能以及环境益处。

因此，需要改进电池（诸如一次性电池和可再充电电池）效率的技术。

发明概要

本发明的实施方案提供用于显著提高电池寿命的技术。根据一个实施方案，用于延长一个或多个电池的使用寿命的电池套管包括导电正极和绝缘层，所述绝缘层延伸到所述导电电极下方使得当所述套管耦合到电池时，所述导电正极定位在所述电池的正极端子上方，且所述绝缘层电隔离所述导电正极与所述电池的正极端子。

在另一实施方案中，电池套管还包括导电负极，所述导电负极被构造使得当所述套管耦合到电池时，所述导电负极与所述电池的负极端子电接触。

在另一实施方案中，电池套管还包括电压调节电路，所述电压调节电路被调适以接收电池的正极端子和负极端子并在电连接到导电正极的输出端子上提供输出信号。

在另一实施方案中，电池套管还包括电压调节电路，所述电压调节电路被调适以接收由电池提供的正电压和负电压并且在所述电池的使用寿命期间在所述电池套管的导电正极上产生大致恒定的输出电压。

在另一实施方案中，电压调节器容置在接近导电正极的电池套管的上部中。在替代实施方案中，电压调节器容置在接近导电负极的电池套管的下部中。

在另一实施方案中，当电池套管耦合到电池时，所述套管的导电正极用作为所述电池的新正极端子。

在另一实施方案中，电池套管被构造使得当所述套管耦合到电池时，所述电池的正极端子被绝缘层覆盖使得所述正极端子无法从外部电接达。

在又一实施方案中，电池套管被构造使得当所述套管耦合到电池时，所述电池的负极端子可从外部电接达。

根据本发明的另一实施方案，用于延长一个或多个电池的使用寿命的电池套管包括导电正极，所述导电正极被构造使得当所述电池套管耦合到至少一个电池时，所述套管的导电正极用作为所述至少一个电池的新正极端子。

在一个实施方案中，电池套管还包括电压调节器，所述电压调节器被调适以接收由至少一个电池提供的电压并且在所述至少一个电池的使用寿命期间产生大致恒定的输出电压。

在另一实施方案中，电池套管还包括绝缘层，所述绝缘层延伸到导电电极下方使得当所述套管耦合到电池时，所述导电正极定位在所述电池的正极端子上方，且所述绝缘层电隔离所述导电正极与所述电池的正极端子。

在另一实施方案中，电池套管还包括导电负极，所述导电负极被构造使得当所述套管耦合到电池时，所述导电负极与所述电池的负极端子电接触。

附图简述

图1示出根据一个实施方案的电池调节系统110；

图2示出根据一个实施方案的电池套管的简图；

图3示出根据一个实施方案的耦合到电池的电池套管的侧视图；

图4示出电池套管的简图，其中调节电路根据一个实施方案沿着套管的底部放置；

图5是示出其中电池套管被调适以耦合到两个串联连接的电池的实施方案的简图；

图6A和图6B示出其中调节器和套管被调适使得套管将电池的正极端子连同被调节的输出电压一起提供到外部装置的又一实施方案；和

图7示出说明各个实施方案的优点的实际测量。

具体实施方式

在本发明实施方案的以下描述中，参考形成其一部分的附图，且其中通过举出说明性的特定实施方案来示出，其中可实行所述实施方案。这些实施方案被足够详细地描述使得本领域技术人员能够实行本发明，且应了解可使用其它实施方案并且在不脱离本公开内容的范围的情况下可作出过程、电或机械改变。因此，以下详细描述不具备限制意义。

图1示出根据一个实施方案的电池调节系统110。电池103的正极端子104连接到电压调节器105的输入端子101。电池103的接地端子100连接到电压调节器105的接地输入端子106。在一个实施方案中，电池的负极端子100需要被排程到实体定位有电压调节器105的地方。这可通过形成电池套管的一部分的柔性PCB实现，下文还会更详细地加以描述。电压调节器105的输出端子102提供电池调节系统110的输出。在电池103的正极端子104与电压调节器105的输出102之间放置有绝缘体。

接着描述电池调节系统110的操作。在系统110的一个示例性实施方案中，系统110的输出102被调节到1.5V。新的AA电池为调节器105提供处于1.5V到1.6V范围内的电压。调节器105的输出102接着被调节到1.5V，且因此电池调节系统110的输出固定为1.5V。在操作中，随着使用电池调节系统110的装置消耗来自电池103的电流，所述电池逐渐失去通过化学能存储方法原先放置在电池中的电荷。这造成由电池103输出的电压随时间下降。然而，虽然调节器的输入电压被降低到低于1.5V，但调节器105仍在输出端子102处保持提供恒定的1.5V。这有效地提供恒定电压给使用电池调节系统110的装置直到由电池103提供的电压被降低到电压调节器105可操作的最小值为止。在这个实例中，最小值会是约为0.7V到0.8V。这容许终端装置使用电池103达更长时间段。而且，电池中的更多存储电荷在被废弃之前被使用。

图2示出根据一个发明的电池套管200的简图。当耦合到电池103时，套管200覆盖所述电池的顶部端子104。套管200具有紧贴在电池103的上部周围的上部。套管200通常被设计以在耦合到电池时确保所述电池的总尺寸的最小增大。套管200含有绝缘体（未示出），所述绝缘体电隔离电池103的正极端子104与电池套管200的新正极端子204。套管200还包括底部区段，所述底部区段包括电连接到电池103的负极端子100的底部导体205。一条或多条导电迹线202将底部导体205排程到容置在套管200的上部中的调节电路（未示出）。

图3示出根据一个实施方案的耦合到电池103的套管300的侧视图。套管300围绕电池103的顶部，且具有通过绝缘体312而与电池103的正极端子104绝缘的顶部导体电极304。在这个实施方案中，调节器105容置在套管300的上部中。延伸在套管300中的导电迹线306将调节器105的输入端子101连接到电池103的正极端子104。延伸在套管300中的另一条导电迹线310将电池103的负极端子100连接到调节器105的输入端子106。延伸在套管300中的又第三条导电迹线将调节器105的输出端子102连接到套管的顶部导体电极304。导电迹线306、308和310相互绝缘。如更早描述，在操作中，顶部导体电极304用作为电池的“新”正极端子。

在图4示出的替代实施方案中，调节器405放置在套管400的底部，接近当电池103被插入套管400中时定位有电池103的负极端子100的地方。在这个实施方案中，电池103的正极端子104由延伸穿过套管400到位有调节器405的套管底部的导电迹线412所排程。排程到所述底部的导电迹线412连接到调节器405的输入端子101，且调节器405的另一输入106接收电池103的负极端子100，其存在于套管400的底部。电压调节器405的输出端子102接着由导电迹线414向上排程并且连接到套管400的顶部导体电极404。如在先前实施方案中，所述套管的顶部导体电极404通过绝缘层410而与电池103的正极端子104绝缘。在这个实施方案中，两条导电迹线412、414延伸在套管400的上部与下部之间。

图5示出其中套管500被调适以耦合到两个串联连接的电池103A、103B的实施方案的简图。在这个示例性实施方案中，电池103A、103B是提供3V输出的AA电池。图5中示出调节器505位于套管500外部以最小化混乱度。在实践中，调节器505容置在套管500中。以类似于上述实施方案的方式来使用调节器505。如在前述实施方案中，随着所述两个电池的电压因使用而下降，调节器505提供等于新电池两倍电压的恒定调节电压。

图6A和图6B示出其中调节器和套管被调适使得所述套管将电池的正极端子连同被调节的输出电压一起提供到外部装置的又一实施方案。图6A示出电池103的正极端子104和负极端子100如何与电压调节器605互连。为清楚起见，调节器被示出为与套管分离，但在实作时调节器可容置在套管中。图6A还描绘使套管的底部电极612与电池103的负极端子100绝缘的绝缘体610。图6B更精确地反应调节器605的实体位置，其沿着套管的底部。在这个实施方案中，电压调节器605的输出102用作为电池的电压的连续电压。在电池是新的开始阶段，电压调节器605的输出102被设置为0V，或甚至是负的，来确保由套管提供到外部设备的电压保持在1.5V。随着电池电荷随时间下降，电压调节器605使其输出102处的电压维持大致等于1.5V—V_电池。换句话说，调节器监测由电池103提供的电压，且如果所述电压下降到低于调节电压，那么调节器产生电压来补偿电池电压的下降。例如，随着电池被使用且其电压下降到1.1V，电压调节器605在其输出102处提供0.4V的电压。

根据本发明的实施方案，当耦合到电池时，电池套管隔离所述电池的正极端子与外部装置，并且在操作期间将电池电压调节到恒定电压且取代原先的电池电压而将调节恒定提供到外部装置。这种电池套管的优点是即使在电池的输出电压下降到低于外部设备的可容许操作电压之后，所述外部设备仍继续接收恒定电压并因此继续操作且从电池汲取电荷。会持续这样直到电池的输出电压下降到低于电压调节系统可操作的范围的时候为止。在AA电池实例中，在无电池套管的情况下，当电池从1.5V下降到1.4V或1.35V时，所述电池必须被丢弃。然而，在具有套管的情况下，电池电压可下降到低至0.8V或0.7V，而外部设备继续视为1.5V。应注意电池套管的电流电平必须符合终端系统的电流需求。

如果我们考虑到这类装置在电池寿命方面的潜在利润，那么我们可见显著益处。举例而言，在上述实例中的AA电池会大概使用在1.5V至1.4V范围内的电池输出的相等电荷。这意味着在0.1V下降之后，电池的寿命结束。如果可使用电池直到其电压达到0.8V，那么在0.7V下降之后电池的寿命才结束。如果我们假设时间对电压下降是线性函数，那么在这个实例中，电池的寿命会提高达7倍。然而，不利的是时间对电压下降并非完全线性。相对于在较高电压下，在较低电压下电池电压下降达0.1V所花费的时间更长。这意味着如果从电池汲取恒定电流，那么相比于从1.5V放电到1.4V，电池会花费更久来从1.2V放电到1.1V。这意味着在上述实例中，电池寿命的提高范围甚至会高于7倍。

应注意调节电路具有特定效率，其减低电池寿命延长的程度，但寿命时间减少得相当小。在操作期间，调节器自身使用来自电池的特定电流量。许多可用的DC到DC变流器具有约95%的高效率。即，在由电池供应的电力中，5%被变流器使用且其余可用于终端用户。然而，当与700%的电池功率增益比较时，由于使用变流器引起的5%的效率损失可以忽略。还应注意变流器效率会随着电池电压因使用引起的下降而下降。举例而言，随着电池电压从1.5V下降到1V，变流器的效率会下降到低至50%到60%。然而，就现今丢弃电池的方法而言，50%效率仍是显著改进，这是因为电池电压已经下降到低于可操作电压范围（即1.4V到1.5V）。

本发明的经济效果受到青睐。虽然存在与实施本发明相关联的一些成本，但这种成本多于在将电池寿命延长到等于5个至7个电池时达到的成本节约的补偿。如在上文各个实施方案中描述，所述实施可在电池外部或者替代地，电池制造商可在制造过程期间在电池外壳内并入调节电路和相关连接件。然而，可附接的套管实施方案的额外优点在于其可反复使用。即，一旦套管内的电池完全用尽，用尽的电池会被抛弃且另一电池可被放置在套管内。因此，套管的成本散布在许多电池之间，因此最小化每个电池的额外成本。可附接的套管的额外益处（就其中调节器被并入电池内的实施方案而言）在于无需改变现有的电池制造过程、设备和工厂。

应注意，如果不是全部，那么大多数电子设备的电池盒无需被改进以容纳电池套管。虽然套管略微增加电池的高度，但电池盒中用以将电池固定在适当位置的弹簧可容纳增加的高度。弹簧的长度通常处于5毫米至10毫米的范围内。由于套管引起的电池高度增加约为1毫米。额外高度易于由弹簧容纳，所述弹簧在当具有套管的电池被插入到电池盒中时多压缩一毫米。当然，套管的厚度可因技术进步而降低。对于其中正极端子和负极端子都沿着电池的同一端定位的电池（诸如9V电池）而言，套管将对电池的尺寸产生甚至极小的影响。这是因为对于这些电池而言，套管仅仅是具有绝缘体来隔离电池的正极端子与电压调节器的输出的公母变流器。

在另一实施方案中，多个电池可串联放置且一个套管可包围电池列，如在图5中示出。如用图5的实施方案描述，串联连接电池的输出电压会被用作为到电压调节器的输入且由调节器提供的恒定输出电压被提供到外部装置。应注意这些串联连接电池的寿命比单一电池的情况增加得更多，如接着解释。当在无套管的情况下使用时，单一AA电池在其电压从1.5V下降到1.35V时会被抛弃。当与套管连用时，电池可使用到下降到0.8V。如果电池放电时间与电池的放电率线性相关，那么寿命延长时间会是0.7V/0.15V或多于4倍。相反，在其中两个AA电池串联连接且不使用套管的情况中，所述两个电池在串联连接电池的电压从3V下降到2.7V时必须被抛弃。当与套管连用时，串联连接电池可从3V使用到下降到0.8V。那么寿命延长时间会与(3-0.8)/(3-2.7)=2.2/0.3成比例，这引起超过7倍的电池寿命延长。这呈现了输出电压与时间之间的线性关系。然而，如上文解释，电池的非线性表现在于其从1.5V下降到1.4v达0.1V所花费的时间比其从1.3v到1.2v所花费的时间更短。这进一步不利地增加当使用套管时电池的寿命。

在又一实施方案中，本发明的装置与可再充电电池结合使用。可再充电电池存在一个现象称为阴影效应。如果电池少量放电且接着完全充电，且如果这个过程被重复多次，那么电池丧失其保持电荷的能力。当前实施方案使得可再充电电池能够操作更长时间且因此减少由终端使用者频繁再充电的需要。

另一已知的现象是如果容许可再充电电池放电超过特定限制，那么可被充电的次数明显减少。当前实施方案包括电压检测系统，其检测电池何时达到下限且切断输出电压，因此增加电池可被充电的次数。

在一个实施方案中，金属上印刷硅技术可用以实施套管、调节电路和其关联的连接件。存在使用不同于硅的材料来处理电路的新技术。在一些情况中印刷在不锈钢上的这些印刷硅的种类可用以定形包围电池的套管。还会容许更好的导热性。

在又一实施方案中，柔性PCB可用以将端子从电池的一侧排程到另一侧。这些柔性薄层会容许套管是极薄的。

在又一实施方案中，调节系统的效率可被调整使得当所述系统容许调节系统的最大电流输出量为十分高时，所述效率在终端系统通常运行的输出电流电平下为最大值。举例而言，如果在远程控制系统中使用电池，其中远程控制系统的平均电流消耗是50mA，那么增压系统（其可为DC到DC变流系统）的输出电流电平被设定为尽可能高。

图7示出说明各个实施方案的优点的测量。三个通用的AA电池商标（松下、金霸王、索尼）被选择用于测量。汲取固定50mA电流的主动负载电路被放置在这些电池的输出端，且随时间测量每个电池的电压。水平取数示出时间且垂直取数示出电池电压。这些新电池的起始电压是1.6V。列出了电池达到1.39V所花费的时间量，其是许多电子设备停止运行的情况。松下电池花费6.3个小时来达到所述电平，而索尼电池花费4.5个小时。根据本发明的实施方案，当与调节器结合使用时，松下电池在停止提供1.5V之前花费27.9个小时，且当与调节器连用时，索尼电池在停止提供1.5V之前花费32个小时。因此，在具有调节器的情况下，在电池需要被更换之前其多花费4.5倍到7倍。因此，需要被制造和随后废弃的电池的总数量会减少达4倍到7倍。如果我们考虑到萃取所有电池材料的碳足迹、其制造的碳足迹、其运输到存储的碳足迹、其封装的碳足迹以及掩埋在我们的垃圾中全部有毒材料，那么这会对我们地球产生重大影响。

虽然本文已经说明和描述特定实施方案，但本领域一般技术人员将了解被计算或设计以达到相同目的的任何配置可替代示出的特定实施方案。本领域一般技术人员将显而易知本公开内容的许多改编。因此，这个申请案意欲涵盖本公开内容的任何改编或变更。

Claims (7)

1.一种用于延长一个或多个电池的使用寿命的电池套管，其包括：

导电正极；和

绝缘层，其延伸到所述导电正极下方使得当所述电池套管耦合到电池时，所述导电正极定位在所述电池的正极端子上方，且所述绝缘层电隔离所述导电正极与所述电池的所述正极端子；

导电负极，所述导电负极被构造使得当所述电池套管耦合到电池时所述导电负极与所述电池的负极端子电接触；以及

电压调节电路，所述电压调节电路被调适以在所述电池套管耦合到电池时接收由电池的正极端子和负极端子所提供的正电压和负电压并且在电连接到所述导电正极的输出端子上提供输出信号。

2.根据权利要求1所述的电池套管，其中所述输出信号在所述电池的使用寿命期间是大致恒定的输出电压。

3.根据权利要求1所述的电池套管，其中所述电压调节器容置在接近所述导电正极的所述电池套管的上部中。

4.根据权利要求1所述的电池套管，其中所述电压调节器容置在接近所述导电负极的所述电池套管的下部中。

5.根据权利要求1所述的电池套管，其中所述电池套管被构造使得当所述套管耦合到电池时，所述电池的所述负极端子可从外部电接达，且所述电池的所述正极端子由所述绝缘层覆盖使得所述正极端子无法从外部电接达且所述套管的所述导电正极用作所述电池的新正极端子。

6.一种用于延长一个或多个电池的使用寿命的电池调节系统，其包括：

根据权利要求1所述的电池套管，其中所述输出信号被提供到电池操作装置。

7.根据权利要求6所述的电池调节系统，其中所述一个或多个电池是一个或多个一次性电池或一个或多个可再充电电池。