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Abstract

本发明提供了一种物理电池，包括设置在外壳内的储能单元，伸出外壳裸露在外壳上的电池正极和电池负极，所述的储能单元为超级电容器，所述的超级电容器的正、负极分别与所述的电池正极和电池负极电连接。本发明的物理电池中由于采用超级电容作为储能元件，实现充放电过程只进行物理反应，不进行化学反应，使电池使用寿命延长，且减少了充放电时间。

Description

一种物理电池
技术领域
本发明涉及电池领域，特别涉及一种储能单元为超级电容的只进行物理反应的物理电池。
背景技术
随着科学技术的发展，传统干电池（学名：原电池）已经发展成为一个大的家族，到目前为止已经约有100多种。常见的有普通锌-锰干电池、碱性锌-锰干电池、镁-锰干电池、锌-空气电池、锌-氧化汞电池、锌-氧化银电池、锂-锰电池等。 
根据资料证明：传统干电池用完后若弃之于自然界，对环境造成的污染是相当严重的，对人体的危害也不容忽视。因为电池中含有汞，外层金属锈蚀后，汞就会慢慢从电池中溢出来，进入土壤或地下水，再通过农作物或饮用水进入人体，将会损伤人的肾脏。一节一号电池能使一平方米的土地失去利用价值，对环境具有极强破坏力。
我国生产的电池有96％为锌锰电池和碱锰电池，其主要成分为锰、汞、锌、铬等重金属。废电池无论裸露在大气中还是深埋在地下，其重金属成分都会随渗液溢出，造成地下水和土壤的污染，日积月累，会严重危害人类健康。 
调查表明，一节七号电池弃入大自然后，可以污染60万升水，相当于一个人一生的用水量。
目前，市场上的干电池不论是可充电循环使用的还不可充电的在充放电过程中都是通过化学反应实现电能的转移，因此，对于可充电的干电池来说充放电的次数是有限的，寿命是在限的。
超级电容器（supercapacitor,ultracapacitor），通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。
由于超级电容器可以存储大量电能，因此，目前，有一些超级电容蓄电池，这种蓄电池充分地利用了超级电容的耐冲击、铅酸蓄电池本身容量大的特点，采用超级电容与铅酸蓄电池并联使用的超级电容蓄电池，但这种超级电容蓄电池不能替代目前的干电池。
发明内容
本发明的目的是为了克服目前超级电容蓄电池不能替代目前的干电池的不足，公开一种物理电池，该电池进行充放电过程中只进行物理反应，不会进行化学反应，且体积和外形与目前的干电池一致。
本发明的技术方案是：一种物理电池，包括设置在外壳内的储能单元，伸出外壳裸露在外壳上的电池正极和电池负极，所述的储能单元为超级电容器，所述的超级电容器的正、负极分别与所述的电池正极和电池负极电连接。
本发明的物理电池中由于采用超级电容作为储能元件，实现充放电过程只进行物理反应，不进行化学反应，使电池使用寿命延长，且减少了充放电时间。
本发明的优选方案中，在电池壳内还设置稳压电路，使电池输出在使用时(放电)时输出稳定，同时，在电池中还可以设置充放电保护电路，所述的充放电保护电路包括电压检测单元、保护开关和充放电隔离开关电路；所述的电压检测单元包括比较器、参考电压单元，所述的考电压单元与所述的超级电容器的正极分别与所述的比较器同相端和异相端相连，比较器的输出分别接所述的保护开关和充放电隔离开关电路，其中控制所述的保护开关是低电平有效，控制所述的充放电隔离开关电路是高电平有效；所述的保护开关设置在超级电容的正极与电池正极之间；所述的充放电隔离开关电路设置在所述的稳压电路输出与电池正极之间。这样，当充电电压高出限度时，通过断开保护开关停止充电对超级电容进行保护，如果负载大，输出电流大于限度时，通过断开充放电隔离开关电路，断开放电。
另外， 关于物理电池的外形，可以将外壳设置成圆柱形，使其符合标准AAAA、AAA、AA、A型，同样也可以设计成1号电池、2号电池、N 号电池、F号电池的尺寸等，
下面结合具体实施例对本发明作较为详细的描述。
附图说明
图1为本发明物理电池结构框图。
图2为本发明物理电池充放电保护电路原理框图。
图3为本发明物理电池输出稳压电路及充放电隔离开关电路。
图4为本发明的电压检测电路及充电保护电路。
具体实施方式
如图1所示，本实施例是一种可以替代目前替代传统干电池达到快速充电的物理电池。该物理电池，包括设置在外壳4内的储能单元1，伸出外壳裸露在外壳4上的电池正极3和电池负极5，储能单元1为超级电容器，超级电容器的正、负极分别与所述的电池正极3和电池负极5电连接。在外壳内还有电池充放电保护单元2，充放电保护单元2设置在超级电容1的正极与电池正极3之间，包括稳压电路、电压检测单元、保护开关和充放电隔离开关电路。如图2和图3所示。
其中，稳压电路设置在超级电容器与电池正极、电池负极之间，将超级电容器输出的电压稳压在电池输出电压指标范围内。该稳压电路将超级电容的输出稳压到1.5V输出，这是一节干电池的输出电压，如图3所示，稳压电路包括稳压芯片U3、电容C4、电容C9、电容C10和电感L1，稳压芯片U3的第1、2脚接地，第6脚EN脚接超级电容C8的正级，第3脚通过电容C9接地，电容C9为电解电容，超级电容C8的正极通过由电容C4和电感L1组成的LC底通滤波电路进入到稳压芯片U3的第4脚 ，稳压芯片U3的第5脚为稳压输出接电池的正极。在接入电池的正极之前还由充放电隔离开关电路控制是否接入，充放电隔离开关电路为一个开关管，它是一个MOS管Q1，在MOS管的源、漏极之间接入一个二极管，二极管的阳极接源极。MOS管Q1由电压检测单元输出的信号控制，当检测单元检测到电压高于设定电压时，开关断开，低于设定电压时，开关闭合。
电压检测单元包括比较器U2、参考电压单元，参考电压单元与超级电容器C8的正极分别与比较器U2同相端(1号引脚)和异相端(3号引脚)相连，比较器U2的输出(4号引脚)分别接保护开关和充放电隔离开关电路，其中控制保护开关是低电平有效，控制充放电隔离开关电路是高电平有效；保护开关设置在超级电容的正极与电池正极之间；充放电隔离开关电路设置在所述的稳压电路输出与电池正极之间。
参考电压单元中包括一个三端可调分流基准电源U1，U1与外围电路产生稳定的参考电压，该参考电压与超级电容C8的正极电压进行比较，如果C8的正极电压大则输出低电平，反之输出高电平，输出低电平时控制保护开关断开，充放电隔离开关电路闭合，反之，保护开关闭合，充放电隔离开关电路断开。
参考电压单元是以三端可调基准电源U1为中心，电池正极拉入的电压通过电阻R3接三端可调基准电源U1的阳极，三端可调基准电源U1的阴极接地，电阻R7设置在三端可调基准电源U1参考端与地之间，可调电阻R5设置在三端可调基准电源U1参考端与阳极之间，在三端可调基准电源U1的阴极和阳极之间并联电容C1，在可调电阻R5与电容C1的连接点上输出参考电压，根据调整可调电阻R5的大小，输出参考电压根据需要输出。
另外，目前，超级电容为了增加存储的电量，超级电容器的电压可以高于干电池的输出电压，一般干电池的输出电压为1.5V，超级电容器的耐压一般为2.7V-3V，当超级电容的容量200F时，此时，物理电池的体积为一般的5号电池AAAA电池大小，而物理电池本身的电压通过稳压电路(其实就是一个以U3为核心DC-DC电路)输出1.5V，则电池容量是100mAH左右，这样的物理电池的工作方式是，在检测电路检测到加到物理电池正极的电压高于3V时，通过保护开关断开超级电容阳极与电池正极片的连接，对超级电容器进行保护，如果电压稍低于3V，则保护开关闭合可以对超级电容器充电，当物理电池的正极片上电压低于充电电压时，电隔离开关电路闭合，稳压电路输出稳定的1.5V放电。
另外，在实际应用中，根据超级电容器C8的而压为3V，在检测到正极的电压在高于3V时，保护开关断开，当电池正极上接的电压高于1.5V时，保护开关闭合，外界对超级电容器充电，当电池正极接入到电路中时，通过检测正极的电压小于1.5V时，则通过闭合充放电隔离电路中的开关，输出稳定的1.5V电源。
实施例一：
本实施例中，物理电池的外壳为圆柱形，高度41.5±0.5mm，直径8.1±0.2mm， 外形为标准AAAA型。
实施例二：
本实施例中，物理电池的外壳为圆柱形，高度43.6±0.5mm，直径10.1±0.2mm；外形为标准AAA型。
实施例三：
本实施例中，物理电池的外壳为圆柱形，高度48.0±0.5mm，直径14.1±0.2mm；外形为标准AA型。
实施例四：
本实施例中，物理电池的外壳为圆柱形，高度49.0±0.5mm，直径16.8±0.2mm；外形为标准A型。
实施例五：
本实施例中，物理电池的外壳为圆柱形，高度42.0±0.5mm，直径22.1±0.2mm；外形为标准SC型。
实施例六：
本实施例中，物理电池的外壳为圆柱形，高度49.5±0.5mm，直径25.3±0.2mm；外形为标准C型。
实施例七：
本实施例中，物理电池的外壳为圆柱形，高度59.0±0.5mm，直径32.3±0.2mm；外形为标准1号电池。
实施例八：
本实施例中，物理电池的外壳为圆柱形，高度28.5±0.5mm，直径11.7±0.2mm；外形为标准N型
实施例九：
本实施例中，物理电池的外壳为圆柱形，高度89.0±0.5mm，直径32.3±0.2mm；外形为标准F型。 

Claims (7)

1.一种物理电池，包括设置在外壳内的储能单元，伸出外壳裸露在外壳上的电池正极和电池负极，其特征在于：所述的储能单元(1)为超级电容器，所述的超级电容器的正、负极分别与所述的电池正极(3)和电池负极(5)电连接。
2.根据权利要求1所述的物理电池，其特征在于：还包括稳压电路，所述的稳压电路设置在所述的超级电容器与所述的电池正极、电池负极之间，将超级电容器输出的电压稳压在电池输出电压指标范围内。
3.根据权利要求2所述的物理电池，其特征在于：其特征在于：还包括充放电保护电路，所述的充放电保护电路包括电压检测单元、保护开关和充放电隔离开关电路；
所述的电压检测单元包括比较器、参考电压单元，所述的考电压单元与所述的超级电容器的正极分别与所述的比较器同相端和异相端相连，比较器的输出分别接所述的保护开关和充放电隔离开关电路，其中控制所述的保护开关是低电平有效，控制所述的充放电隔离开关电路是高电平有效；
所述的保护开关设置在超级电容的正极与电池正极之间；所述的充放电隔离开关电路设置在所述的稳压电路输出与电池正极之间。
4.根据权利要求1至3中任一所述的物理电池，其特征在于：所述的外壳(4)为空心圆柱体，电池正极(3)为设置在外壳(4)顶端的金属帽；电池负极(5)为嵌合在外壳(4)底部的金属片，所述的空心圆柱体的长度为28-90mm，直径为8-32mm，所述的超级电容器为超大比表面积的活性炭或氧化物材料卷绕而成的。
5.根据权利要求4所述的物理电池，其特征在于：所述的外壳(4)为标准AAAA型或者AAA型、AA型、A型。
6.根据权利要求4所述的物理电池，其特征在于：所述的外壳(4)为标准1号电池或者2号电池的尺寸。
7.根据权利要求4所述的物理电池，其特征在于：所述的外壳(4)为标准N号电池或者F号电池的尺寸。
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