CN1303524A - 带内置控制器的电池 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种带延长电池寿命的内置控制器的多单元电池。控制器可通过将电池电压转换为大于电子设备的截止电压的输出电压,将单元电压转换为小于电池电化学标称电压的输出电压,或者通过保护电化学单元不受峰值电流冲击来延长电池寿命。控制器还可以包括接地电路,它可忽略虚拟接地从而使转换器可以工作在较低的单元电压下。电池可以是一个单元的电池、通用的单个单元电池、多单元电池或多单元混合电池。多单元电池的每个单元可以串联或并联。此外,每个单元包含控制器,能够完成一个或多个功能以延长单元寿命。

Description

带内置控制器的电池
发明领域
本发明涉及电池，特别涉及带内置控制器延长使用寿命的电池。
背景技术
在收音机、密致盘播放机、照相机、蜂窝网电话、电子游戏机、玩具、寻呼机和计算机装置等便携式电子装置中，消费者通常使用一次性电池和再充电(二次)电池。当一次性电池的使用寿命超过了，通常就丢弃电池。典型的一次性电池的使用寿命往往只允许使用电池总蓄电量的40～70％左右。一旦耗用了初始贮能部分，电池一般无法提供足够的电压来驱动普通的电子线路。在这类电池过了有效寿命期后，尽管电池还留有其蓄电量的约30～60％，消费者还是一丢了事。因此，通过更深程度的安全放电来延长一次性电池的使用寿命，在电池丢弃前让电子装置使用电池更多的蓄电量，就可减少浪费。
然而，再充电电池的总寿命主要取决于充电循环的次数与效率。再充电电池在每次放电循环后可以充电再使用。正如一次性电池那样，在使用了一定比率的电池蓄电量后，电池一般无法提供足够的电压驱动电子线路。因此，如果电池采取深度放电，就可延长再充电电池的每次放电循环。然而，再充电电池的放电程度对其以后充电的次数与效率有影响。一般而言，增大再充电电化学电池的放电深度，就减少了其可以经受的充电循环次数。然而，特定类型再充电化学电池的最佳放电特性，变化很大。例如在镍镉(NiCd)电池中，最好作深度放电，否则由于电池的“记忆”效应，其电池在未耗尽的情况下充电，导致以后充电时有效容量降低。然而，锂电池作深度放电会损坏电化学单元。有效地控制特定单元的充放电循环，使充电循环总次数达到最大，电化学单元每次放电循环恢复的能量也最佳，就能更好地延长再充电化学单元的使用寿命。
此外，消费者经常要求更小更轻的便携式电子装置。将这类装置做得更小更轻的主要障碍之一，就是要向装置供电的电池的尺寸与重量。事实上，由于电子线路的工作速度更快，结构更复杂，甚至要求比以前更大的电流，因而对电池的需求更大了。然而，如果功能增多、速度增高要求更频繁地调换电池或对电池再充电，消费者将不会接受功能更强的超小型化装置。因此，为了制造更快速更复杂的电子装置而不降低其有效寿命，电子装置就要求使用更有效的电池，而且电池本身能更好地利用贮存能量。
某些更昂贵的电子装置包括装置中的稳压器电路，诸如开关转换器(如DC/DC转换器)，用于转换和/或稳定电池的输出电压。在这类装置中，通常串接了多个单一单元电池，转换器将这些电池的总电压转换成负载电路要求的电压。转换器能延长电池的工作时间，其做法是在电池放电初始部分降低电池输出电压(否则会提供更高电压，从而提供比负载电路的要求更多的功率)，而在电池放电后期部分提高电池输出电压(否则电池会耗尽，因为输出电压低于负载电路要求的电压)。
然而，在电子装置中配备转换器的方法有若干缺点。首先，在电子装置中安装转换器较为昂贵，因为每一家制造商对少量生产的产品都有特殊的电路设计，因此成本较高。其次，电池供应商并不控制与特定电池配用的转换器类型，因而转换器对每类电化学单元的特定电化学特性并未实现优化。再次，不同类型的电化学单元(如碱电池、锂电池等)具有不同的电化学特性与标称电压，不易互换。另外，转换器在电子装置中占据着宝贵的空间。而且，某些电子装置可以用线性调压器取代DC/DC转换器等更有效的开关转换器。此外，含开关转换器的电子装置会产生电磁干扰(EMI)，对射频(RF)发射机等电子装置中相邻的电路有不利影响。然而，通过将转换器装入电池，EMI源可远离其它对EMI敏感的电路，并可被电池导电的容器屏蔽。
现有电压转换器的另一个问题是，尤其对碱性、锌-碳、镍镉(NiCd)、镍金属氢氧化物(NiMH)和氧化银电池而言，为了提供足够的电压驱动转换器，通常要用多个电化学单元。为此，现有转换器往往要求多个电化学单元串接起来提供足够的电压驱动转换器，然后再将电压降到电子装置所需的电平。这样，根据转换器的输入电压要求，即使电子装置本身只需一个单一单元工作，但它必须装上若干电化学单元，因而浪费了空间，增加了重量，不利于电子装置进一步超小型化。
因此，为使寿命最长，要求最佳地利用再充电电池贮存的电荷，并在电池充电之前优化放电深度。通过将电池设计成更好地利用其贮存的能量，电子装置也能使用更小或更少的电池，使便携式电子装置进一步超小型化。
发明内容
本发明提供的电池，通过在充电前优化使用一次性或再充电电池贮存的电荷而具有更长的使用寿命。该电池有一内置控制器，它包括一只能在低于一般电子装置阈值的电压工作的转换器。控制器更有效地调节电化学单元的电压，可作受控的放电，即放电深度最佳，从而延长电池寿命。控制器较佳的设置在混合模硅芯片上，该芯片系定制设计，用特定类型的电化学单元如碱性、镍镉(NiCd)、镍金属氢氧化物(NiMH)、锂、锂离子、密封型铅酸(SLA)、氧化银或混合单元操作，或用特定的电子装置操作。
控制器通过下列方法监控提供给负载的电能以最佳地延长电池寿命：(1)接通和关闭DC/DC转换器；(2)当输入电压低于一般电子装置能工作的电压时，保持要求的最小输出电压；(3)减小电池输出阻抗；(4)确定最佳放电深度；(5)提供最佳充电顺序；(6)无需控制器增加给定电化学单元可以提供的放电电流；(7)即使电流超过转换器最大输出电流，通过利用旁路模式在单元安全限内提供大放电电流；(8)测量剩余的单元容量；以及(9)向单元电容指示器/’燃料’计提供操作控制信号。
在一较佳实施例中，在多单元一次性电池或再充电电池(如标准9伏电池)外壳内安装了单只控制器。与将控制器装在电子装置里的情况相比，本发明的这一方面有若干明显的优点。首先，电池设计者可利用特定类型电化学单元的特定电化学特性。其次，如果装置只对含特定类型电化学单元(如锂)的电池要求用转换器改变和/或稳定电池输出电压，而对含其它类型电化学单元(如NiCd、SLA)的电池不要求配用转换器，并且转换器与要求转换器的电池(如锂电池)集成在一起，就能设计出无DC/DC转换器的电子装置，从而实现更小的电路设计，防止与转换器关联的损耗影响不要求转换器的电池。
在一特定的较佳实施例中，控制器装在AAA、AA、C、D单一单元电池或棱柱形电池的容器里面，或装在棱柱形等多单元电池每个单元或标准9伏电池的容器里面。本发明的这一方面具有上述将单个控制器装在多单元电池里的诸优点，并且还有更多的优点。首先，控制器可定制成配合特定类型的电化学单元以利用其特定的电化学反应。其次，通过改变或稳定输出电压或内部阻抗以满足设计成以标准电池工作的电子装置的要求，可以互换使用具有不同类型电化学单元的电池。例如，这两种优点在满足标准1.5伏AA电池的封装与电气要求的高效锂单元中，使用一内置控制器将单元标称电压从约2.8～4.0伏减至约1.5伏输出电压而实现了。通过应用锂单元更高的单元电压，设计者能大大增加电池工作时间。而且，在每个电池单元中设置控制器，能比现在更有效地控制每个单元。控制器可监控每个一次性电化学单元的放电状态，确保电子装置关闭前使每个单元完全耗尽。控制器还能监控每个再充电电化学单元的放电循环，确保单元放电到使电池提供可能的最长使用寿命的程度，并提高单元的安全性，防止记忆效应、短路或有害深度放电的情况。控制器还能直接监控电池中每个再充电电化学单元的充电循环，防止过充电或短路等状况，以延长循环寿命，提高电池安全性。单个单元的充电状态也可以直接(视觉、音频、振动等指示器)或经“智能”设备接口告知消费者。
控制器还能多样性使用本发明的电池。本发明的电池无论是否配用于如上述具有截止电压的电气、机电或电子装置，均比已知的电池更具优点。对于电气、机电和电子设备或电器，本发明的电池将保持其峰值性能直到电池寿命尾声。电池利用控制器，实际电压对时间放电曲线可以仿真典型的放电曲线(不会立即停止工作)。
由于大量销售的电池比为每类电子装置设计的单个调节器或转换器更便于廉价地生产芯片，所以还能更经济地制造控制器芯片。
一种较佳实施例的DC/DC转换器是一种高效、超低输入电压和中等功率的转换器，它应用了脉宽或相移调制和脉冲跳变低占空因数控制方法。
本发明的其它特点与优点将参照本发明的较佳实施例予以描述。
附图简述
虽然本说明书最后的权项具体指出和明确申明了有关本发明的要点，但是通过下面结合附图所作的描述，相信能更好地理解本发明。
图1是典型柱形电池结构的透视图。
图2是另一柱形电池结构的透视图。
图3是再一柱形电池结构的剖视图。
图4是本发明电池的方框图。
图4A是图4电池一较佳实施例的方框图。
图4B是图4电池另一较佳实施例的方框图。
图4C是图4电池再一较佳实施例的方框图。
图5A是本发明电池一较佳实施例的局部拓展的剖视图。
图5B是本发明电池另一较佳实施例的局部拓展的剖视图。
图5C是本发明电池再一较佳实施例的局部拓展的透视图。
图6是本发明多单元电池一较佳实施例的部分剖面透视图。
图7是本发明电池另一较佳实施例方框图。
图8是本发明电池再一较佳实施例方框图。
图9是本发明电池另一较佳实施例方框图。
图9A是图9电池较佳实施例某一方面的一实施例示意图。
图9B是图9电池较佳实施例某一方面的另一较佳实施例方框图。
图10是本发明电池再一较佳实施例方框图。
图11是本发明电池另一较佳实施例方框图。
图12是本发明电池再一较佳实施例方框图。
图13是本发明电池另一较佳实施例的方框图与示意图的组合。
图14是一典型电池和本发明电池两个不同较佳实施例的放电特性曲线图。
图15是本发明电池再一较佳实施例的方框图与示意图组合。
图16是图15中充电子控制器一实施例方框图。
图17是图15中充电子控制器另一实施例方框图。
本发明的详细描述
本发明涉及单一单元电池与多单元电池。本发明的电池可以是一次性的或可充电的。术语“一次性”指打算在其有用蓄电量耗尽后予以废弃的电池或电化学单元(即不打算再充电或再使用)。在本说明书中可以互换使用的术语“再充电”与“二次”，指打算在其有用蓄电量耗尽后至少再充电一次的电池或电化学单元(即打算再使用至少一次)。术语“消费品”指准备用于消费者购买或使用的电子或电气装置中的电池。术语“单一单元”指具有单个独立封装的电化学单元的电池，如标准AA、AAA、C或D型电池，或指多单元电池(如标准9伏电池或蜂窝电话或膝上计算机使用的电池)中的单一单元。术语“电池”指有端子和单个电化学单元的容器，或指有端子和基本上至少包含两个或多个电化学单元的外壳(如标准9伏电池或蜂窝电话或膝上计算机使用的电池)。如果每个单元都有其自己的容器，就不必用外壳完全封闭电化学单元。例如，便携式电话电池可包含两个或多个电化学单元，每个单元有其自己的容器，用皱缩包装塑料包装在一起，塑料把各容器保持在一起，但可以不完全封闭各个单元容器。
术语“混合电池”包括含有两个或多个伏打电池的多单元电池，其中至少有两个单元具有不同的伏打机理，如光生伏打、燃料、热、电化学、机电等机理，或诸如一根不同的电极、一对不同的电极或不同的电解液。术语“电池单元”用来指称电池中使用的伏打电池，包括电化学电池。而且伏打或光生伏打电池可以互换使用并且描述各种产生电力的物理机构。此外，混合电池可以包含附加的能量存储单元(例如超级或超电容、高效电感或低容量二次电池)，改进单元电压和电流放电特性。混合电池单元可以代替无源单元构造的单元，例如标签、密封、空心端子等。
术语“控制器”指一种电路，它接收至少一个输入信号，并提供至少一个是该输入信号函数的输出信号。“DC/DC转换器”与“转换器”可互换使用，指一种开关型即斩波器控制型DC/DC转换器，还有DC/AC转换器，将输入直流电压转换成所需的直流输出电压。DC/DC转换器是通常提供调节输出的功率电子线路。转换器可提供升压电平、降压电平或同一电平的调节电压。本领域中有许多不同类型的DC/DC转换器。本发明打算尽量使用已知的转换器，即线性调节器，虽然优点不多，但是可替代本申请中描述的较佳转换器，能工作于低于典型电子装置能工作的电压电平。
电子装置的“截止电压”是连接到电池的电气或电子装置在低于该电压时无法工作的电压。因此，“截止电压”与装置相关，即该电平取决于装置的最小工作电压(功能极点)或工作频率(如必须在规定的时间周期内对电容器充电)。大多数电子装置的截止电压范围为约1～1.2伏，有些电子装置的截止电压可低达约0.9伏。带有电钟、电机与机电继电器等机械运动部件的电气装置，也有一个必须提供足够大的电流以产生强得足以移动机械部件的电磁场的截止电压。另一些电气装置(如闪光灯)通常没有装置的截止电压，但是随着向其供电的电池电压下降，输出功率(如灯泡光强)也将下降。
如果单个电化学单元正向具有截止电压的装置供电，该电化学单元就“承受”该装置的截止电压，因而电池必须提供大于或等于该装置截止电压的输出电压，否则装置将不工作。然而，如果两个或多个串联的电化学单元正对装置供电，即该装置电气连接在正输入端与负输入端之间，则每个电化学单元“承受”该装置的部分截止电压。例如，若两个串接的电化学单元在对装置供电，每个单元就“承受”该装置一半的截止电压。然而，如用三个串接的电化学单元向装置供电，则每个单元只“承受”装置截止电压的三分之一。这样，若n个串接的单元正向装置供电，则每个单元“承受”该装置的部分截止电压，可定义为截止电压除以n，而n是整数。然而，若两个或多个并联的电化学单元向电子装置供电，各单元仍“承受”装置的全部截止电压。另外，在应用中，若两个或多个单元串接后再与另外的一个或多个单元并联，则每个串接的单元“承受”同样一部分截止电压，好像串接的单元只是向装置供电的单元一样。
本发明的一个方面是延长电池“寿命”。对一次性电池而言，“电池寿命”与“电池工作时间”可互换使用，它被定义为电池输出电压跌到低于电池对其供电的装置的最小工作电压(即装置的截止电压)之前的放电循环时间。“单元工作时间”取决于电化学单元本身，耗尽单元全部的电化学能量，“电池工作时间”则依赖于电池在其中使用的装置。例如，当电池输出电压跌至低于1伏时，虽然电化学单元可能还有至少其贮能量的50％，但是截止电压约1伏的电子装置将不工作。该例中，“电池工作时间”已过了，因为它不再能提供足够的电压驱动电子装置，电池通常就丢弃了。然而，“单元工作时间”还没有过去，因为单元还具有剩余的电化学能量。
然而，再充电电池有多次充放电循环。在再充电电池中，“循环寿命”定义为能实现的充放电循环次数。再充电电池的“电池工作时间”指再充电电池的输出电压跌到低于该电池正对其供电的装置的截止电压之前的单次放电循环时间，或停止放电提供更长电池循环寿命的时间。然而，再充电电池的“电池寿命”指充放电循环总次数，其中的每次放电循环都有一段最佳工作时间。再充电电化学单元的“单元工作时间”是在该单元的单次放电循环期间，单元在负载条件下实现最佳放电深度所需的时间。如上所述，再充电电池的“循环寿命”是再充电单元经历的放电深度的函数。放电深度增大，电池工作时间也增长，但是循环寿命与电池寿命缩短了。反之，放电深度减小，电池工作时间也减短，而循环寿命与电池寿命却延长了。然而，从装置使用的观点来看，电池工作时间缩短是不适宜的。因此，对再充电电池的每种特定的电化学特性与设计而言，可以优化放电深度与循环寿命之间的比率，以便达到更长的电池寿命。例如，再充电电池寿命的一种优化方法是对提供的累计能量加以比较，该能量可定义为在特定放电深度实现的循环寿命(即循环次数)与每次循环中恢复的能量的乘积。
在本应用中，电化学单元无论是一次性还是再充电单元，也可使用“电化学单元的有用寿命”或“单元有用寿命”的术语，且对应于电池工作时间，“单元有用寿命”是该单元在特定放电循环中不再有用之前的时间，因为电化学单元不再能提供足够的电压驱动对其供电的装置。如果单一单元电池的“单元工作时间”延长或缩短了，就必须分别延长或缩短“单元有用寿命”与“电池工作时间”。另外，单一单元电池的“电池工作时间”与“单元有用寿命”可以互换，如果单一单元电池的“电池工作时间”或“单元有用寿命”延长或缩短了，则也要分别延长或缩短另一个。然而，相反地，多单元电池中特定电化学单元的“单元有用寿命”不一定与多单元电池的“电池工作时间”互换，因为即使多单元电池的电池工作时间过了以后，特定电化学单元仍可具有剩余的有用寿命。同样地，若多单元电池中特定电化学单元的“单元工作时间”延长或缩短了，则不必延长或缩短“电池工作时间”，因为“电池工作时间”可依赖于电池中另一个或另几个单元的单元电压。
再充电电化学单元的“最佳放电深度”指使该单元的充放电循环次数最多、每次放电循环的工作时间最优的单元剩余容量。如果单元在低于该单元的“最佳放电深度”(如SLA单元的1.6伏)放电，再充电电化学单元的寿命会大大缩短。例如，锂离子单元的深度放电会损坏该单元，并降低该单元以后充电的次数与效率。然而，镍镉(NiCd)电化学单元为了防止“记忆”效应缩短单元寿命，可以在以后的放电循环中减少单元的工作时间，最好作更深度的放电。
“电气连接”和“电气耦合”指让连续电流流动的连接或耦合。“电子连接”指在电流通路中包括了晶体管或二极管等电子器件的连接。本申请中把“电子连接”视作“电气连接”的子集，因而虽然把每个“电子连接”视作“电气连接”，但是并不把每个“电气连接”视作“电子连接”。
本发明的电池包括一个或多个控制器，它通过在一次性或再充电电池的放电循环中优化能量恢复，在再充电电池的情况下通过使放电循环次数最多，可延长电池寿命。如在本发明一实施例中，控制器可执行下述的一种或多种功能：(1)放电控制，(2)充电控制，(3)紧急断开控制，在短路、极性相反、充电(一次性电池)或旁路控制器(如果负载需要的电池安全电流超过剩余能量的容量和临界水平)时断开单元。电化学单元可以封装在单一单元电池内或多单元电池内。多单元电池可包括两个或多个同类电化学单元，或在混合电池中包括两种或多种不同类的电化学单元。本发明的多单元电池可包含电气上串联和/或并联的电化学单元。单一单元电池的控制器可在单元容器里面与电化学单元电气串联和/或并联，封装在至少部分包含单元容器的外壳里面，或附着于容器、外壳或标牌或任何其它粘贴到容器或外壳的结构。多单元电池的控制器可与相对单一单元电池描述的一个或多个独立单元一起封装，和/或与组合的多个单元一起封装，使控制器与组合的电化学单元串联或并联。
本发明的电池控制器可执行上述的一种或多种功能，此外还可执行其它功能。本发明的电池控制器可包含一个执行每种所需功能的电路，或可以包含执行一种或多种所需功能的独立的子控制器。此外，各子控制器可以共享诸如向各子控制器提供控制信号的检测电路等电路。
在附图中，定义单元的标号的最后两位数字对于可比较单元的其他附图是相同的，前面1～2位数字对应图号。例如图1-3中的容器12与图5A中的容器212可比。
图1-3示出典型的柱形电池10结构，为便于讨论已作了简化。每种柱形电池10结构具有以不同配置安排的同一基本结构元件。在每种情况中，该结构包括具有护套或侧壁14的容器12、包括正端子20的顶盖16和包括负端子22的底盖18。容器12包封单个电化学单元30。图1配置可用于柱形单一锌碳电化学单元30电池10。在该配置中，整个顶盖16是导电的，形成电池10的正端子20。绝缘衬垫或密封件24使导电顶盖16与电化学单元30绝缘。电极或集流器26将电池10的外部正端子20和电化学单元30的阴极(正电极)32作电气连接。底盖18也整体导电，形成电池10的外部负端子22。底盖电气连接到电化学单元30的阳极(负电极)34。分离器28置于阳极与阴极之间，提供离子通过电解液传导的途径。例如，锌碳电池就这样封装在这类配置中。
图2示出另一种电池设计，其中的绝缘衬垫或密封件24使底盖18与电化学单元30绝缘。此时，整个顶盖16导电并形成电池的正端子20。顶盖16电气连接至电化学单元30的阴极32。同样导电的底盖18形成电池的负端子22。底盖18经集流器26电气连接至电池单元30的阳极34。分离器28置于阳极与阴极之间，提供离子通过电解液传导的途径。例如，一次性与再充电碱性(锌/二氧化锰)电池就以这种配置封装。
图3示出再一种电池设计，其中把电化学单元30形成“螺旋绕制胶辊”结构。在该设计中，以“层迭型”结构相互靠近设置四层。这种“层迭型”结构可以例如包含下列次序的层：阴极层32、第一分离器层28、阳极层34和第二分离器层28。或者，第二分离器层28不设置在阴极32与阳极34层之间，可用绝缘层代替。然后将这种“层迭型”结构卷成柱形螺旋绕制的胶辊形式置于电池10的容器12内。绝缘衬垫或密封件24使顶盖16与电化学单元30绝缘。此时，整个顶盖16导电并形成电池10的正端子20。顶盖16经集流器26与导体33电气连接至电化学单元30的阴极层32。同样导电的底盖18形成电池的负端子22。底盖18经导电底板19电气连接至电池单元30的阳极34。分离器层28置于阴极层32与阳极层34之间，提供离子通过电解液传导的途径。侧壁14接至顶盖16与底盖18。此时，侧壁14最好由聚合物等非导电材料形成。然而，如果侧壁14与至少正端子20和/或负端子22绝缘，因而不会在两端子间造成短路，那么侧壁也可用金属等导电材料制成。例如，诸如一次性锂二氧化锰(MuO2)电池、再充电锂离子与镍镉(NiCd)电池等一次性和再充电锂电池通常以这类配置封装。
每个这样的单元还可包括各种形式的安全孔、操作时要求空气交换的电化学单元30的操作孔、容量指示器、标牌等等，这些在本领域中是众所周知的。此外，单元可构造成其它已知的结构，诸如钮扣单元、硬币单元、棱柱单元、平板、双极板或厚/薄膜单元等等。
对于本发明的目的，电池“容器”12安装了单个电化学单元30。容器12包括所有必要的元件将两根电极32与34、分离器和电化学单元30的电解液与环境、多单元电池中的任何其它电化学单元绝缘和保护起来，并从电化学单元30向容器外面提供电能。这样，图1和2的容器12包括侧壁14、顶盖16与底盖18以及提供单元30电气连接的正端子20与负端子22。在多单元电池中，容器可以是包含单个电化学单元30的独立结构，容器12可以是多单元电池内多个独立容器中的一个。或者，如果外壳将一个电化学单元的电极与电解液同环境与电池中每个其它单元完全隔离，容器12可用多单元电池的一部分外壳形成。容器12可由金属等导电材料和塑料或聚合物等绝缘材料组合形成。
然而，容器12要与多单元电池外壳区分开来，外壳包含的各自分开隔离的每个单元630都包含其自己的电极与电解液。例如，标准的9伏碱电池外壳包封着六个独立的碱单元，而每个单元有其自己的容器612，如图6所示。每个碱性单元630具有连接外表正端子621的内部正端子620并具有连接外部负端子623的内部负电解622。每个碱性单元630包括以上述方式运行的控制器640。然而，在某些9伏锂电池中，形成的电池外壳611具有隔离电化学单元的电极与电解液的各个腔室，因而外壳包括每个单元的各个容器12和整个多单元电池的外壳611。
图6示出本发明的多单元9伏电池610的透视图和部分剖面，其中每个电化学单元630在单元各容器612里面都有一控制器640。本例中，电池610包含六个独立的电化学单元630，其标称电压各为约1.5伏。例如，电池610也可包含三个锂单元，各单元的标称电压约为3伏。在本领域中还有其它的多单元电池结构，可用于安装本发明的控制器640。例如，多单元电池包括棱柱形电池、具有独立容器(至少是基本上皱缩包装在一起)的电池、包含多个诸如摄录像机(camcorder)等多个单一单元容器的塑料外壳以及蜂窝电话电池。
图5A、5B、5C示出本发明三个单一单元柱形一次性电池实施例的部分拓展图。图5A中，控制器240置于电池210的顶盖216与绝缘衬垫224之间。控制器240的正输出端242电气连接至与之靠近的电池210的正端子220，其负输出端244电气连接至电池210的负端子222。本例中，控制器240的负输出端244经导电条245和导电侧壁214接至电池210的负端子222，侧壁214则与电池210导电底盖218的负端子222电气接触。此时，导电侧壁必须与顶盖216电气绝缘。控制器240的正输入端246经集流器226电气连接至电化学单元230的阴极232，其负输入端248经导电条237电气连接至电化学单元230的阳极234。或者，控制器240可置于底盖218与绝缘体225之间，或附着于、粘贴于或连接到电池容器或标牌的外面。
在图5B中，控制器340置于电池310的底盖318与绝缘体325之间，其负输出端344电气连接至直接靠近它的电池310的负端子322，正输出端342电气连接至电池310的正端子320。本例中，控制器340的正输出端342经导电侧壁314(与电池310导电顶盖316的正端子320电接触)接至电池310的正端子320，正输入端346经导电条336电气连接至电化学单元330的阴极332，负输入端348经集流器326(从底板319延伸入电化学单元330的阳极334)电气连接至电化学单元330的阳极334。在此情况下，若控制器340应用虚拟接地，则其集流器326与负输入端348必须同容器312的负端子322与控制器的负输出端344隔离。或者，控制器340可置于顶盖316与绝缘体324之间，或附着于、粘贴到或连接至电池的容器312或标牌外面。
在图5C中，在应用厚膜印刷工艺的包装板441或柔性印刷电路板(PCB)上形成控制器440，并将它置于电池410的侧壁414与阴极432之间的容器里面。控制器440的正输出端442经电池410的顶盖416电气连接至电池410的正端子420，负输出端444经底板419与底盖418电气连接至电池410的负端子422，正输入端446电气连接至电化学单元430(本例中直接靠近包含控制器440的包装板441)的阴极432，负输入端448经接触板431与集流器426(从接触板431延伸入电化学单元430的阳极434)电气连接至电化学单元430的阳极434。绝缘衬垫427使接触板431与阴极432相隔离。如图5C所示，绝缘衬垫还可在阳极434与接触板431之间延伸，因为集流器426提供了从阳极434至接触板431的连接。若控制器440应用虚拟接地，则接触板431也必须诸如用绝缘衬垫425同底板419与负端子422隔离。或者，也可将包装板441设置在容器412外面，围绕侧壁414外侧包装。在这类实施例中，标牌可覆盖包装板，或将标牌印在作为控制器本身的同一块包装板上。
图4、4A、4B示出本发明电池110不同实施例的方框图。图4示出本发明应用埋入集成控制器电路140的电池一实施例的方框图，该实施例较佳应用了具有数字与模拟元件的混合模集成电路。控制器电路也可应用专用集成电路(ASIC)、混合芯片设计、PC板或本领域已知的其它形式的电路制造技术制作。控制器电路140可装在电化学单元130的正电极132与负电极134和电池的正端子120与负端子122之间的电池容器112里面。这样，控制器140可将电化学单元130与容器的端子120和122连接起来或断开，改变或稳定加到电池端子120与122的单元130的输出电压或输出阻抗。图4A示出图4中本发明电池110的一较佳实施例。在图4A中，控制器140接至电化学单元130的正电极(阴极)132与电池容器112的正端子120之间。电化学单元130的负电极(阳极)134与电池容器112的负端子122同控制器140共享公共地。然而，图4B示出本发明电池110的另一较佳实施例，其中控制器140工作于虚拟地，不仅使电化学单元130的正电极132与容器112的正端子120隔离，还使电化学单元130的负电极134与容器112的负端子122隔离。
图4A与4B的各实施例有其自身的优缺点。例如，图4A的结构可采用更简单的电路设计，对电化学单元130、控制器140和电池容器112的负端子122有一公共地，但其缺点是要求转换器工作于低于实际的电化学单元电压电平，还要使用电感器元件。在图4B结构中，应用于电池容器112的负端子122的虚拟地使电化学单元130的负电极134与负载隔离，还允许使用DC/DC转换器或电荷泵，但其缺点是虚拟地的电路复杂性较大，以便在单元电压低时(＜1伏)让控制器140的电压转换器更有效地连接工作。
图4C示出本发明电池110的再一个实施例，其控制器集成电路140包括四个主要部分：放电子控制器电路102、充电子控制器电路104、紧急子控制器电路106和检测电路105。其中检测电路105根据连续或间断检测的工作参数和/或物理状态，向放电子控制器电路102和/或充电子控制器电路104提供压控信号。检测电路105可测量电化学单元130的工作参数，如单元电压、从单元提取的电流、单元电压与电流的相移等，还可测量控制器集成电路140的工作参数，如输出电压与电流电平、充电电压与电流电平等。另外，该检测电路还可测量电化学单元的物理状态，如温度、压力、pH、氢和/或氧浓度等。正如本领域所周知的或通过下述描述可知，检测电路105可在充放电循环期间测量这类参数的任意组合，足以有效地监视电化学单元。
然而，本发明电池110的控制器集成电路140不必执行上述的每种功能。例如，控制器电路140可以只拥有二三个上述部分，诸如放电子控制器电路102与检测电路105、充电子控制器电路104与检测电路105、紧急子控制器电路106与检测电路105，或上述的任一组合。或者，如果包含在控制器电路140特定实施例中的放电子控制器电路102、充电子控制器电路104和/或紧急子控制器电路106含有其自己执行各别功能所必需的内部检测电路，则控制器电路140可以不带检测电路105。此外，放电或充电子控制器电路102与104或两者都可执行紧急子控制器106的功能。控制器电路140还可具有上述的一个或多个子控制器或检测电路以及执行其它功能的其它子控制器。
放电子控制器电路102控制电池110中电化学单元130的放电，以便通过安全的深度放电使用更多的一次性电池贮能或在再充电前优化使用再充电电池的贮能，提供更长的电池寿命。充电子控制器电路104安全有效地控制电池110(集成有控制器电路140)中电化学单元130的充电。当检测电路105检测不安全状态时，诸如短路、反极性、过充电状态或过放电状态，紧急子控制器106就将电化学单元与电池端子断开。紧急子控制器106还提供电气连接，以在负载需要超过控制器可输送电流的大安全电流时旁路放电控制器。
然而，在本发明一次性电池的一较佳实施例中，控制器140最好包括放电子控制器电路102、紧急子控制器电路106和检测电路105。检测电路105最好连续地监视电化学单元130的工作参数和物理状态。放电子控制器电路102最好提供电池110的一次性电化学单元130更安全更深度的放电，以在电池丢弃前提供更长的寿命。当检测电路检出不安全状态时，紧急子控制器电路106最好将电化学单元与电池端子断开，或者如果负载所需电流超过控制器能力但是在安全单元放电电流范围内时提供旁路连接。
在本发明再充电电池的一较佳实施例中，控制器电路140可附带包括一充电子控制器电路104。该充电子控制器电路104安全有效地控制着集成有控制器电路140的电池110的电化学单元130的充电。检测电路105最好连续地直接监视控制器电路140的工作参数和电化学单元130中的物理状态，例如，它可以监视单元电压、充电电流、电化学单元的内部阻抗、氢或氧浓度、pH值、温度、压力或本领域中已知的任何其它工作参数或物理状态。
在一特定较佳实施例中，每个电化学单元有其自己的控制器集成电路140，可监视特定单元的状态。通过直接监视每个特定单元的状态，充电子控制器105可提供比已知的监视多电化学单元的电池的充电控制器更佳的安全性和效率。充电子控制器105通过应用单元的瞬时充电值与最大容量连续地优化充电状态，使损耗减至最小。
每个控制器可包括一个或多个下述子控制器：(1)放电子控制器，(2)充电子控制器和/或(3)紧急子控制器。为便于讨论，控制器功能均以子控制器来描述。然而，本发明控制器的实际实现对每种功能不要求独立的电路设施，因为控制器执行的多种功能可以而且最好组合到单个电路中。例如，每个子控制器可具有自己的内部检测电路来测量控制器的一个或多个工作参数和/或电化学单元的物理状态，或用独立的检测电路测量这些参数和/或状态，并将它们和/或与这些参数和/或状态相关的控制信号提供给一个或多个子控制器。另外，控制器可以有附加的或其它的子控制器，用于执行除上述功能以外的其它功能。
放电子控制器
放电子控制器能以若干方法之一延长本发明的一次性或再充电电池的寿命。首先，在多单元电池包含至少一个一次性电化学单元或至少一个再充电单元(最好在充电前完全放电，例如NiCd单元的放电最好达到约100％，但不再多放电)的情况下，子控制器可以让电池的一个或多个电化学单元被电子装置比一般更深地放电。例如，放电子控制器可以让单一单元电池放电到超过单元电压跌到低于该装置的截止电压的程度。在一次性电池的情况下，在丢弃电池前，使电化学单元尽量深地放电，可延长该电池的寿命。然而，在再充电电池中，则通过使电化学单元放电到最佳放电深度来延长电池寿命。这样，如果再充电的电化学单元的最佳放电深度低于再充电电池正对其供电的装置的截止电压，若该再充电单元可以放电到超出该装置的截止电压，就可延长再充电电池的寿命。
在本申请中，术语“深度放电”指让电化学单元放电到至少为该电化学单元额定容量的80％。此外，术语“基本上放电”指让电化学单元放电到至少为该电化学单元额定容量的70％。“过度放电”指将电化学单元放电超过100％，由此导致电压反置。例如，日前市售的一般碱性电池，在电化学单元的电压电平跌到不足以驱动规定的电子装置的电压电平之前，一般能提供其贮能量的约40～70％。因此，本发明的子控制器提供的碱性单元，在电池断电前较佳地能作大于约70％的放电。更佳地，子控制器提供大于约80％的放电程度。甚至还要佳地，子控制器提供大于约90％的放电程度，而大于约95％则最佳。
放电子控制器可包括一个转换器，将单元电压转换到所需的一次性或再充电电池的输出电压。在一次性电池中，这样使电化学单元作较深的放电而延长电池寿命。但在再充电电池中，转换器让控制器将再充电电池放电到最佳放电深度而与给定装置的截止电压无关。在本发明一实施例中，子控制器在电池的整个工作时间内可连续将单元电压转换到所需的输出电压。当单元电压跌到电池放电通常停止的装置截止电压的电平时，转换器将单元电压提升或增高到电池输出足以继续驱动该装置的电平，直到电压电平跌到低于驱动子控制器所需的最小电压，或跌到再充电电化学单元的最佳放电深度。这样，具有能工作于比另一电池的子控制器更低电压电平的子控制器设计的电池，将提供能更深地放电而与单元电压电平无关的电池。
对于混合电池，放电子控制器可以包含低压转换器，它将伏打电池的电压转换为一次性或可充电电池的所需输出电压。放电子控制器102可以在一次性或二次电池工作期间将伏打电池电压连续转换为所需的输出电压。因此具有子控制器设计(能够在比另一电池的子控制器更低的电压上工作)的混合电池将提供兼容许多伏打电池(例如光电池、燃料电池、热电池和机械电池)产生的低电压的电池。如果混合电池包含一次性电池，则伏打电池放电子控制器102可以提供附加的能量。放电子控制器也可以采用伏打单元对二次电池充电或提供附加能量。
在本发明诸较佳实施例中，转换器只在单元电压跌至或低于预定电压电平时才工作。在这些实施例中，转换器内部损耗减至最小，因为转换器只在必要时工作。预定电压电平较佳地从电化学单元的标称电压到电池准备操作的这类装置的最高截止电压。更佳地，预定电压电平稍大于这类装置的最高截止电压。例如，预定电压电平范围可以从这类装置的最高截止电压到0.2伏加该截止电压，较佳的从该最高截止电压到0.15伏加该截止电压，更佳地从该最高截止电压到0.1伏加该截止电压，甚至再更佳地从该最高截止电压到0.05伏加该截止电压。例如，标称电压为1.5伏的电化学单元，其预定电压范围通常为0.8～1.8伏。较佳地，该预定电压范围为0.9～1.6伏，更佳地为0.9～1.5伏，再佳地为0.9～1.2伏，而1.0～1.2伏甚至还要佳。电压电平稍大于或等于电池要操作的这类装置的最高截止电压，则是最佳的。然而，设计成用标称电压为3.0伏的电化学单元工作的子控制器，其预定电压电平范围通常为2.0～3.4伏，较佳地为2.2～3.2伏，更佳地为2.4～3.2伏，再佳地为2.6～3.2伏，还要佳地为2.8～3.0伏，而电压电平稍大于或等于这类装置的最高截止电压则最佳。
当单元电压跌到或低于预定电压电平时，放电子控制器接通转换器，将单元电压提升到足以驱动负载所需的输出电压。这样就消除了在单元电压高得足以驱动负载时转换器不必要的损耗，然后允许电化学单元甚至在单元电压跌到低于驱动负载所需的电平后继续放电，在一次性单元的情况下，直到单元电压达到转换器的最小工作电压，在再充电单元的情况下，直到单元的单元电压达到最佳放电深度。子控制器可以使用一个或多个控制机构，从单元电压跌到预定电压电平时接通转换器的简单的电压比较器和电子开关组合件到更复杂的下述之一的控制方法。
当用本发明对给定输出电压设计的通用电池对装置供电时，较佳地能延长该电池的寿命。本申请中使用的“通用”电池是一种可提供均匀或标准的输出电压而与单元电化学特性或伏打单元物理机理无关的电池。因此，本发明的电池较佳地设计成通过使电池输出电压保持为大于或等于给定装置的截止电压，直到一次性电化学单元的电压跌到低于子控制器不能再工作或再充电电化学单元跌到其最佳放电深度使内置子控制器关闭，从而延长其寿命。
本发明设计成对特定电子装置或截止电压相似的电子装置供电的电池，通过使预定电压电平与这些装置的截止电压更精密地匹配，可以专门设计成更有效地工作。
其次，通过使单元最佳地放电以提高充电循环的次数或效率，还可用放电子控制器延长再充电电化学单元的寿命。例如在密封型铅酸性单元中，深度放电会损坏单元和/或减低以后再充电循环的次数或效率。例如，子控制器可以控制特定类型再充电电化学单元的放电，从而在单元电压达到预定电压电平(该类或该特定电化学单元的最佳放电深度)时结束放电循环。例如在铅酸性再充电化学单元中，预定电压电平范围为0.7～1.6伏，更佳为0.7伏。如在锂MnO2再充电电化学单元中，预定电压电平范围为2.0～3.0伏，最佳为2.4伏。或者，当再充电电化学单元的内部阻抗达到对应于该类或该特定电化学单元所需的最大放电深度的预定阻抗级时，放电子控制器也可结束放电循环。这样，在本发明包含至少一个再充电电化学单元(最好不深度地放电超过最佳放电深度)的电池中，当单元电压达到预定电压电平或单元内部阻抗达到预定的或合适的内置化学传感器指示的内部阻抗级时，可用放电子控制器结束放电循环而延长电池寿命。
再次，放电子控制器还可降低其标称电压大于所需输出电压的电化学单元的单元电压和/或改变电池中电化学单元的输出阻抗。这样不仅延长了电池的工作时间，还使标称电压不同的电化学单元具有更大的互换性，设计者可利用标称电压更高的电化学单元更大的贮能潜力，而且便于设计者更改某种电化学单元的输出阻抗，以便使该阻抗匹配到所需的程度，增大该电化学单元与其它类型电化学单元的互换性和/或提高该电化学单元对特定类型负载的效率。此外，低效、对环境有害、昂贵且只因要求特定标称电压而使用的电化学单元，可用安全、更高效或更廉价的电化学单元代替，这类电化学单元的标称电压提高或降低后，或其输出阻抗改变后，可以满足要求的标称电压或应用所需的输出阻抗。
例如，标称电压为1.8伏或更高的电化学单元可以封装一个子控制器，将该较高的标称电压降至1.5伏的标准标称电平，使该电池可与1.5伏标称电压的电池互换。在一特定例子中，标称电压为3.0伏的一次性锂MnO2单元等标准锂单元，可以封装在带降压子控制器的电池中，因而电池的输出电压约1.5伏。这样提供的电池，其容量至少是具有一个标称电压为1.5伏电化学单元的电池的二倍，且容积一样。另外，还可提供一种高压锂单元，它与标准的碱性或锌碳单一单元电池完全可以互换，无需以化学方法降低锂单元的高电位。再者，再充电锂离子单元的标称电压约4.0伏，可以封装在带降压控制器电池中，使单一单元电池具有约1.4伏的输出电压。本发明的锂离子电池可同标准单一单元NiCd或NiMH再充电电池互换，可提供的二倍到三倍于同容积单一单元NiCd或NiMH电池的容量。
另外，具有锂离子、锰、锰空气和铝空气等电化学单元的电池，也具有高于1.8伏的标称电压，可同标称电压为1.5伏的标准电池互换使用。不仅不同类的电化学单元可以互换，而且不同类的电化学单元可在混合电池中封装在一起。这样，具有各种标称电压或内部阻抗的不同电化学单元的不同类电池可以互换使用，或可以制造具有不同类电化学单元和伏打单元(例如光电池、热电池、燃料电池、机械电池等)的混合电池。
或者，标称电压低于典型电子装置工作电压的电化学单元，可以配用具有内置升压转换器的放电子控制器来提升标称电压，这样具有这类电化学单元的电池可配用于要求比该单元提供的更高的电压电平的装置。此外，具有这类单元的电池还可与标准碱性或锌碳电化学单元互换使用，这样可以提供便于商品化的有用的电池，其电化学单元以前未考虑为消费者使用，因为标称电压在实用中太低了。
此外，标称电压低于典型电子设备工作电压的几个伏打单元可以与具有内置升压转换器的放电子控制器一起使用以增高标称电压。这使得具有这种类型伏打电池的混合电池可以与需要电压超过单元提供电压的设备一起使用。此外，具有这类单元的电池还可与标准碱性或锌碳电化学单元互换使用，这样可以提供便于商品化的有用的电池，其混合单元以前未考虑为消费者使用，因为标称电压在实用中太低了。
表1不是表示专用的，而是列出了可用于本发明电池中的示例性一次、二次与备用电化学单元。例如，标称电压或内部阻抗不同的不同类的一次性和/或再充电电化学单元，可以配用转换器构成一种通用的单一单元电池，具有与标准1.5伏碱性一次性或再充电电池或标准1.4伏NiCd再充电电池同样的输出电压。此外，一次性、二次性和/或备用单元可在本发明的混合多单元电池中一起使用。事实上，本发明使各类电化学单元之间和电化学单元与其它电源(如燃料电池、电容器等)之间比以前具有更大的互换性。在每个电化学单元里设置控制器，可调节不同类电化学单元的电学特性，诸如标称电压与输出阻抗等，以便用更多种类的单元制作可互换电池。电池可以专门设计成利用某种电化学单元的特定优点，同时仍保持与包含其它类单元的电池有互换性。另外，本发明通过将电化学单元的标称电压转换到标准的电压电平，可以建立新的标准电压电平。
对于产生电能的化学机构以外的物理装置，情况同样如此。典型的单个光电池、热电池、燃料电池和机械电池(例如PST)具有远远小于标准设备或其他电化学单元电压的输出电压。本发明使得可以将低压伏打单元与标准的电化学系统组合在一个混合单元或独立单元内以向要求等于或不同于混合单元或独立单元的电压的设备供电。
表1
电化学单元类型与标称电压
一次性单元
单元类型          标称电压    单元类型        标称电压
Mercad             0.9伏       锂FeS2           1.6伏
氧化汞             1.35伏      锰有机电解液     1.6伏
氧化汞加MnO2       1.4伏       锰MnO2           2.8伏
锌-空气            1.4伏       锂-固体电解液    2.8伏
碳-锌              1.5伏       锂MnO2           3.0伏
锌-氯化物          1.5伏       锂(CF)n          3.0伏
碱性MnO2           1.5伏       锂SO2            3.0伏
氧化银             1.5伏       锂SOCl2          3.6伏
二次性单元
单元类型          标称电压    单元类型        标称电压
银-镉               1.1伏      锌-溴            1.6伏
爱迪生(Fe-Ni氧化物) 1.2伏      高温Li(Al)-FeS2  1.7伏
镍-镉               1.2伏      铝-空气          1.9伏
镍金属混合          1.2伏      铅-酸            2.0伏
镍氢                1.2伏      高温Na-S         2.0伏
银-锌               1.5伏      锂聚合物Li-V6O13 3.0伏
锌-空气             1.5伏      锂离子C-LixCoO2  4.0伏
镍-锌               1.6伏
备用单元
单元类型          标称电压     单元类型        标称电压
氯化亚铜            1.3伏      热Li-FeS2         2.0伏
锌/氧化银           1.5伏
此外，在对特定类型应用专门设计的混合电池中，可以一起使用其它不相容的电化学单元。例如，在混合电池中，锌-空气电化学单元可同锂单元一起串并联使用。锌-空气单元的标称电压约1.5伏，能量密度极高，但只能提供低的稳流电平。然而，锂单元的标称电压电平约3.0伏，可提供短暂的大电流。每个电化学单元的放电子控制器提供同样的标称输出电压，可配置成串并联电气结构。当单元为并联结构时，子控制器还可防止单元相互充电。各单元的子控制器可用来连接或断开负载所需的两种单元。这样，在负载处于小功率模式时，可把锌-空气单元接成提供稳定的小电流，而在负载处于大功率模式时，锂单元或锂与锌-空气单元可组合成提供负载所需的电流。
混合电池还可包含许多不同组合的电化学单元，诸如一次与二次单元、一次与备用单元、二次与备用单元，或者一次、二次与备用单元。另外，混合电池还可包含一个或多个电化学单元与一个或多个其它电源(如燃料电池、普通电容器或甚至超级电容器)的组合。例如，混合电池可包含诸如碱性与金属-空气单元、金属-空气与二次单元、金属-空气与超级电容器等的组合。还有，混合电池还可包含上述一个或多个单元或电源的任意一种组合。
另外，放电子控制器通过保护电化学单元不受电流峰(会影响电化学单元元件的工作并降低单元电压)的影响，还可延长电池寿命。例如，子控制器可以防止大电流需求在单元中产生记忆效应和缩短电化学单元的工作时间。电流峰还对碱性、锂、NiCd、SLA、金属混合物与锌-空气单元等电化学单元有害。
放电子控制器可保护电化学单元避免受电流峰影响，即将电荷暂存在其输出端，而在有即时需求时可应用暂存的电荷。因此，电流峰需求量在到达电化学单元前，已经完全消除或大大减弱了。这样使电池既能提供高于电化学单元直接能提供的电流峰，又保护了电化学单元免受对单元元件有害的电流峰的影响。暂存元件最好是电容器，它可以是本领域中已知的任何一类电容器，如普通电容器、厚膜印刷电容器或甚至“超级电容器”。例如，图13示出了接在容器1312的输出端1320与1322之间的电容器Cf。
单个放电子控制器最好通过保护单元免受电流峰影响并将单元电压转换到所需输出电压来延长电池寿命。例如，子控制器的一较佳实施例在单元电压跌到预定电压时接通转换器，以便将与转换器关联的损耗减至最小。如果单元电压达到预定电压电平或负载电流达到预定电流电平，同一个子控制器既能监视单元电压和输出负载电流，又能接通转换器。或者，子控制器可以监视单元电压与输出负载电流，还可确定提供所需的负载电流是否会将单元电压跌至低于截止电压电平。在后一例中，子控制器根据组合在算法里的两个输入信号而工作，以确定是否要接通转换器。但在前一例中，如果单元电压跌到预定电压电平或输出负载电流升到预定电流电平，则子控制器都要接通转换器。下面更详细地讨论这些方法和其它可能的控制方法。
本发明涉及专用电池和标准消费类电池，如AAA、AA、C或D单元和9伏电池。本发明打算使用专用一次性电池和可应用于各种场合的混合电池。期望这类专用电池和混合电池可用于替代用于蜂窝电话、膝上计算机等的再充电电池，而这类电池目前受制于一次性电池在足够长时间内提供所需电流速率的能力。此外，独立地控制单元的输出电压和输出阻抗的能力，使电池设计者能设计全新类型的混合电池，可在同一个混合电池内使用不同类的组合单元或光电池、热电池、燃料电池、普通电容器或甚至“超级电容器”等其它电源。
互换型电化学单元的增多还能让电池设计者提供标准的一次性或再充电电池，减少依赖于为蜂窝电话、膝上计算机、摄录像机、照相机等特定装置特地设计的电池。消费者可以方便地购买标准电池对蜂窝电话供电，正像现在购买闪光灯或磁带记录仪那样，不必购买专门为特定类型、品牌和/或型号的电子装置制造的电池。此外，随着标准电池制造量的增大，单位成本可迅速下降，最终有更多价格合适的电池可以取代专门设计的再充电电池。另外，一次性与再充电电池还能互换使用。例如，如果膝上计算机的再充电电池耗尽了，用户可以购买一次性电池用上几小时，直到用户对再充电电池充好电。如果用户不需要用更昂贵的电池使装置提供某种更高性能级别，也可购买廉价的电池。
用于胶卷上的电子标志技术也可用于指明电池中单元的准确类型、单元的额定容量和/或剩余容量、最大与最佳供流能力、电流充电电平、内部阻抗等，因而“灵巧”装置可读出该电子标志，优化其耗电状况而提高装置的性能，延长电池寿命。例如，早已用电子标志确定胶片速度的照相机，也可用电子标志技术及其电池使闪光的充电时间较慢或停用闪光，以便优化特定电池的寿命。膝上计算机也可用电子标志技术对特定电池确定最有效的工作参数，例如改变其工作速度可最佳地应用电池的剩余电荷持续用户期望的一段时间，或运用接通/关断电源技术保存电池能量。此外，摄录像机、蜂窝电话等也可利用电子标志优化电池的使用。
本发明还涉及标准消费电池，如AAA、AA、C或D单元和9伏电池。除了能与不同类一次性或甚至再充电电池互换的一次性电池以外，标准一次性或再充电电池可用于目前只使用定制设计电池的场合。例如，消费者可根据其要求购买一个或多个标准一次性或再充电电池，把电池直接装入膝上计算机、摄录像机、蜂窝电话和其它便携式电子设备。如上所述，随着标准电池制造量的增大，单位成本将迅速降低，价格更加合适的电池最终可取代专门设计的再充电电池。
为了延长最佳放电深度相对低的一次性或再充电电池的寿命，随着电路制造技术的发展，可将放电子控制器设计成工作于甚至更低的电压。例如，可将放电子控制器设计成在很低的电压电平下工作：在碳化硅(SiC)实施例中为0.1伏，在砷化镓(GaAs)实施例中为0.34伏，在普通硅基实施例中为0.54伏。此外，随着印制尺寸减小，这些最小工作电压也将随之降低。如在硅中，将电路印制减至0.18微米技术，可将最小工作电压从0.54伏减至0.4伏。如上所述，放电子控制器要求的最小工作电压越低，则放电子控制器为提供一次性电化学单元最深度放电或使再充电电化学单元优化放电降至低的最佳放电深度而能调节的单元电压就越低。这样，在本发明范围内，可以运用电路制造的不同进展将电池利用率提高到接近电化学单元贮电量的100％。然而，本发明硅基实施例的电池贮量潜力利用率可达到95％，与不带控制器的一次性电化学单元的平均利用率40～70％相比，已显得很高了。
例如在一硅基较佳实施例中，放电子控制器设计的工作电压低达1伏，更佳为0.85伏，再佳为0.8伏，还要佳为0.75伏、0.7伏甚至为0.65伏、0.6伏，而最佳为0.54伏。在为1.5伏标称电压的电化学单元设计的子控制器中，子控制器最好能工作于至少高达1.6达的输入电压。更佳地，放电子控制器能工作于至少高达1.8伏的输入电压。这样，较佳的子控制器应能在最小0.8伏到至少1.6伏的电压范围内工作。然而，该子控制器也能较佳地工作于该范围之外。
然而，在本发明一较佳实施例中，放电子控制器设计成配用一个标称电压为3.0伏的电化学单元，如一次性锂MnO2单元，子控制器的工作电压电平必须能高于在其与标称电压为1.5伏的电化学单元一起使用时要求的电压电平。在电化学单元的标称电压为3.0伏的情况下，放电子控制器的工作电压范围较佳为2.4～3.2伏，更佳为0.8～3.2伏、0.6～3.4伏、0.54～3.6伏，最佳为0.45～3.8伏。然而，子控制器也能较佳地工作于这些范围之外。
然而，在本发明一较佳实施例中，放电子控制器设计成配用一个4.0伏标称电压的电化学单元，如再充电锂离子单元，子控制器的工作电压电平必须比在与3.0或1.5伏标称电压的电化学单元一起使用时所需的电压电平甚至更高。在电化学单元的标称电压为4.0伏的情况下，放电子控制器的工作电压范围较佳为2.0～4.0伏，更佳为0.8伏到至少4.0伏。更佳地，子控制器能工作的输入电压范围为0.6伏到至少4.0伏、0.54伏到至少4.0伏，最佳为0.45伏到至少4.0伏，然而，也能较佳地工作于这些范围之外。
另一较佳实施例能与标称电压为1.5伏或3.0伏的电化学单元一起工作。本例中，放电子控制器能工作的最小输入电压为0.8伏，较佳为0.7伏，更佳为0.6伏，最佳为0.54伏，而最大输入电压至少为3.2伏，较佳为3.4伏，更佳为3.6伏，最佳为3.8伏。例如，放电子控制器能工作的范围为0.54～3.4伏，或0.54～3.8伏，或0.7～3.8伏等等。
本发明的电池在配用于闪光灯等没有截止电压的电气装置时，也比一般电池具有明显的优点。一般电池在放电时会降低电池的输出电压，因为电气装置的输出功率直接正比于电池提供的电压，所以其输出与电池输出电压成比例地下降。例如，随着电池输出电压的下降，闪光灯的光强会不断暗淡，直到电池完全放电。然而，本发明的电池用放电子控制器在整个电池放电循环中将单元电压调节成相对恒定的受控电压电平，直到单元电压降至低于该子控制器能够工作的电平。届时电池停止工作，电气装置也将停止工作。然而在放电循环过程中，电气装置能不断提供相对稳定的输出(如灯泡光强)并执行全部功能，直到电池停止工作。
本发明电池的一较佳实施例还包括向用户告知剩余电荷低以及剩余容量指示器。例如，当电化学单元电压达到预定值时，放电子控制器可将电化学单元与电池输出端子短时间间歇地断开与重接，这样可以提供可见、可听或装置可读的指示，表示电池快要停止工作了。另外，在电池寿命结束时，子控制器还能通过降低电池输出电压人为地重建加速电池放电的状态。例如，当电池蓄电量约为其额定容量的5％时，子控制器会开始跌落输出电压，这样可向用户提供指示，诸如磁带或密致盘播放机音量在减小，或向装置提供指示，而该装置也会相应地告诉用户。
图7示出本发明一实施例的方框图，其中放电子控制器702的DC/DC转换器750电气或较佳地电子连接在电化学单元730的正电极732与负电极734以及容器712的正端子720与负端子722之间。DC/DC转换器750将电化学单元730的正电极732与负电极734两端的单元电压转换到容器712的正端子720与负端子722上的输出电压，可在输出端子720与722上提供升压转换、降压转换、升降压转换或电压稳定。本例中，DC/DC转换器750在电池工作时间内工作于连续模式，将电化学单元730的输出电压转换成在容器端子720与722上的稳定输出电压。本例在输出端子720与722上稳定容器712的输出电压。提供稳定的输出电压，能让电子装置设计者减少电子装置电源管理电路的复杂性，而且还减小了装置的尺寸、重量和成本。
DC/DC转换器750将不断工作，直到电化学单元730的单元电压跌到低于电化学单元的最佳放电深度(在再充电电化学单元的情况下)或低于转换器750中电子元件的最小正向偏压Vfb(在一次性电化学单元的情况下)。就电化学单元的最佳放电深度而言，即在DC/DC转换器750的最小开关电压Vfb低于电池710正在供电的电子装置的截止电压的条件下，控制器740通过使电池710放电超过电子装置的截止电压、将容器712的端子720与722上的输出电压保持高于电子装置的截止电压，也可延长电池710的寿命。
在图7所示本发明一较佳实施例中，工作于连续模式的DC/DC转换器750可以是降压转换器，将电化学单元730的单元电压降到容器712的输出电压。在一个包括降压转换器的放电子控制器702实施例中，转换器将第一类电化学单元730的电压降到容器712的输出电压，该电压接近第二类电化学单元的标称电压电平，因而包含第一类电化学单元730的电池可以同包含第二类电化学单元的电池互换。例如，标称电压高于标准1.5伏单元的电化学单元，能与降压转换器组合使用，而降压转换器连续地工作，由此提供的单元可与标准单元互换，不要求以化学方法更改该电化学单元。该实施例在不同类电化学单元之间提供了更大程度的互换性，而且无需以化学方法改变电化学单元本身的结构，不会减弱单元的化学能贮量。
例如，一次性或再充电锂单元可用于标准AA电池，提供的容量至少是同样容积的碱性电池的二倍以上。一次性或再充电锂MnO2等锂单元的标称电压约3.0伏，通常无法与标称电压为1.5伏的标准AA碱性电池互换使用。标称电压约4.0伏的锂离子单元一般也无法与标称电压为1.4伏的标准NiCd电池互换使用。然而，电池设计者创制了一些如LiFeS2等标称电压约1.6伏的新型锂电池，以便创制一种例如能与标准AA碱性电池互换使用的锂电池。这种1.6伏锂电池虽然仍能向照相闪光负载电路提供大电流，但是1.6伏锂电化学单元导致单位锂重量的化学能贮量大大减少。然而，本发明能使用标称电压约3.0伏或4.0伏的高压一次性或再充电锂电化学单元，并用控制器将标称电压降至约1.5伏或1.4伏。这样，在完全能与任何这类1.5伏或1.4伏电池互换的电池中，该电池提供的化学能贮量约是1.5伏碱性单元或1.4伏NiCd电池的二倍。另外，本发明的锂电池可提供与1.6伏LiFeS2单元同样大的电流。
另外，放电子控制器702还优化了诸如使用电池710的闪光灯等电气装置的性能。虽然电气装置不在最小工作电压下关闭电子装置，但是电气装置的性能(如闪光灯光强等)将随着输入电压降低而变差。因此，电池710稳定的输出电压可在电池工作时间内将电气装置的性能保持不变，它不会随电化学单元730的电压降低而变差。
DC/DC转换器750可以应用一种或多种已知的控制方法控制转换器750的工作参数，所述控制方法有脉冲调制，脉冲调制又包括脉宽调制(PWM)、脉幅调制(PAM)、脉频调制(PFM)和脉相调制(P4M)、脉冲跳变低占空因数控制、谐振转换器等。本发明的一较佳转换器实施例应用了脉宽调制法，一个甚至更佳的实施例应用了脉宽与脉相调制的组合，下面加以详细说明。
在应用于本发明电池的DC/DC转换器750较佳实施例中，由脉宽调制器控制的转换器驱动DC/DC转换器750。脉宽调制器产生占空因数变化的固定频率控制信号，例如DC/DC转换器关闭时，占空因数可以是零，在转换器满容量工作时为100％，根据负载要求和/或电化学单元730的剩余容量，占空因数则在零与100％之间变动。脉宽调制法具有至少一个用于产生占空因数的输入信号。在一实施例中，连续采样容器712的端子720和722上的输出电压，并与基准电压比较，误差校正信号用于改变DC/DC转换器的占空因数。此时，来自容器712的端子720和722上输出电压的负反馈环路令DC/DC转换器750提供稳定的输出电压。或者，DC/DC转换器750可应用单元电压(即电化学单元730的正电极732与负电极734两端的电压)等多个输入信号和输出电流来产生占空因数。本例中，监视单元电压和输出电流，DC/DC转换器750产生是这两个参数的函数的占空因数。
图8-11示出本发明的放电子控制器电路其它实施例的方框图。在每个实施例中，子控制器电路包括至少两个主要部分：(1)DC/DC转换器；和(2)转换器控制器，用于在电化学单元的电极与容器输出端子之间电气或较佳地电子连接与断开DC/DC转换器，因而只在DC/DC转换器必须把单元电压转换到驱动负载所需的电压时才使DC/DC转换器产生内部损耗。例如，只有在单元电压降到低于负载不再工作的预定电平时，才接通DC/DC转换器。或者，如果电子装置要求输入电压在一特定范围内，例如电池标称电压的10％内，那么转换器控制器可在单元电压偏出所需范围时接通DC/DC转换器，而在单元电压处于所需范围内时断开该转换器。
如在图8中，DC/DC转换器850电气连接在电化学单元830的正电极832与负电极834和容器812的正端子820与负端子822之间，而转换器控制器852也电气连接在这些电极和端子之间。本例中，转换器控制器852起着开关作用，它将电化学单元830直接接到容器812的输出端820和822，或将DC/DC转换器850接在电化学单元830和容器812输出端子820与822之间，连续地采样输出电压，并将其与一个或多个内部产生的阈电压比较。例如，如果容器812的输出电压降至低于阈压电平或偏离所需的阈压范围，控制器852就通过将DC/DC转换器850电气或电子连接在电化学单元830和容器812的输出端820与822之间而“接通”DC/DC转换器850。较佳地，阈压范围从电化学单元830的标称电压到该类电子装置(电池设计工作的装置)的最高截止电压。或者，控制器852连续采样电化学单元830的单元电压，并将它与阈压比较以控制DC/DC转换器850的操作。
在再充电电池的情况下，当单元电压达到电化学单元830的最佳放电深度时，控制器852最好也将电化学单元830与容器812的输出端子820与822断开，这样提供了电池的最大循环寿命，其中每次放电循环都有一段最佳的电池工作时间，因而可延长电池的寿命。
图9的放电子控制器902可以包括图8所示放电子控制器802的元件，但还包括电气连接在电化学单元930的电极932与934之间的接地偏置电路980，以及DC/DC转换器950、转换器控制器952和容器912的输出端子920与922。接地偏置电路980将负偏压电平Vnb提供给DC/DC转换器950和容器912的负输出端子922，这样把从单元电压加到DC/DC转换器950的电压提高到单元电压加负偏压电平Vnb的绝对值的电压电平，使转换器950工作于有效的电压电平，直到实际的单元电压跌到低于驱动接地偏置电路980所需的最小正偏压的电压电平。这样，转换器950可以比只用驱动转换器950的电化学单元930的单元电压更有效地从电化学单元930吸取更大的电流。在本发明电池910的一较佳实施例中，放电子控制器902的电化学单元标称电压约1.5伏，负偏压Vnb的范围最好为0～1伏，更佳为0.5伏，最佳为0.4伏。因此，对于约1.5伏标称电压的电化学单元而言，当单元电压跌到低于约1伏时，接地偏置电路980使转换器让电化学单元930更深地放电，并提高转换器950从电化学单元930提取电流的效率。
图9A示出的一示例性电荷泵988实施例，可用作本发明电池910中的接地偏置电路980。本实施例中，当开关S1和S3闭合、S2和S4打开时，电化学单元930的单元电压对电容器Ca充电。然后，当开S1和S3打开、S2和S4闭合时，电容器Ca上的电荷倒转而转移到电容器Cb，从而从电化学单元930的单元电压提供倒相的输出电压。或者，可用本领域中已知的任何合适的电荷泵电路代替图9A的电荷泵988。
在本发明一较佳实施例中，接地偏置电路980包括电荷泵电路986，如图9B所示，它包括时钟发生器987和一个或多个泵988。例如，在图9B所示电荷泵电路986的较佳实施例中，该电荷泵包括一种含四个小型泵989的双层结构和一个主泵990。然而，也可使用任何个数的小型泵989。例如，一较佳实施例的电荷泵电路986包括12个小型泵989和一个主泵。本例的小型泵和主泵由时钟发生器987产生的四个不同相位的控制信号991a、991b、991c和991d驱动，每个信号同一频率，但相位相互不同。例如，控制信号991a～991d相互的相移可以是90度。本例中，每个小型泵都提供控制信号991a～991d(时钟发生器产生)倒相的输出电压。主泵将多个小型泵的输出相加，并对电荷泵电路986提供输出信号，而电荷泵电路986处于与小型泵各输出电压同样的电压电平，但处于更大的电流电平，即所有12个小型泵提供的总电流。这一输出信号为DC/DC转换器950和容器912的输出负端子922提供了虚拟地。
在本发明的再一个方面中，电荷泵电路还包括电荷泵控制器992，它在单元电压跌到预定电压电平时才接通电荷泵电路986，以将与电荷泵电路986关联的损耗减至最小。例如，该控制器992的预定电压范围可以从电化学单元930的标称电压到电池910供电的电子装置的最高截止电压。预定电压更佳地比电子装置的截止电压大0.1伏，最佳是比截止电压大0.05伏。或者，电荷泵电路986可用接通DC/DC转换器950的同一个控制信号控制，使电荷泵电路仅在转换器工作时才工作。
另外，在具有再充电电化学单元的电池中的DC/DC转换器950和电荷泵电路986，较佳地在单元电压跌到最佳放电深度时断开，这样使再充电电化学单元最佳地放电，使单元的充电循环次数最多，效率最大。
再者，当接地偏置电路980断开时，应用于容器912的负输出端子922的虚拟地较佳地塌陷到电化学单元930负电极934的电压电平。这样，在接地偏置电路980不工作时，电池就工作于电化学单元930负电极934提供的标准接地结构。
或者，接地偏置电路980可以包括第二DC/DC转换器，如Buck-Boost转换器、Cuk转换器或线性调节器。此外，可将DC/DC转换器950与接地偏置电路980组合起来，并代之以单个转换器，如Buck-Boost转换器、推挽转换器或者将正输出电压移高并将负偏压移低的逆向转换器。
图10示出再一实施例的放电子控制器电路1002。本例中，DC/DC转换器1050能从相移检测电路1062等外部源接收校正控制信号。如上参照图7所述，DC/DC转换器1050运用脉宽调制器等控制法控制转换器1050的工作参数。本例中，放电子控制器电路1002包括与图9所示放电子控制器电路902同样的元件，但还包括相移检测电路1062，用于测量电极1032上单元电压交流分量与在电流检测电阻器Rc两端测得的从电化学单元1030吸取的电流之间的瞬时相移。转换器1050应用这一信号并结合其它内外部产生的控制信号产生占空因数。
图11实施例的放电子控制器1102可包括与图10所示放电子控制器电路1002同样的元件，但还包括紧急电路1182，该电路电气连接到电流检测电阻器Rc和电化学单元1130的负端子1122，还连接到转换器控制器1152。紧急电路1182可向转换器控制器1152发出一个或多个安全相关状态信号，要求将电化学单元1130同容器1112的输出端子1120与1122断开，以便保护消费者、电气或电子装置或者电化学单元本身。例如在短路或反极性时，紧急电路1182向转换器控制器1152发出信号，以将电化学单元1030的电极1132与1134同容器1112的端子1120与1122断开。此外，紧急电路1182还可通过检测电化学单元1130的电压和/或内部阻抗，向转换器控制器1152提供结束电化学单元1130放电循环的指示。例如，当电化学单元1130的剩余容量跌到预定电平时，放电子控制器电路1102可以减小电流，当其剩余容量达到预定值时，在短时间内将电化学单元1130的电极1132与1134同输出端子1120与1122间歇地断开和重接，或提供某种其它可见、可听或机器可读的指示，表明电池快要停止工作了。紧急电路1182也可以用于在电路检测电路1183指示稳态电路率大于控制器1150可承受的电路时提供控制器旁路模式。如果该电流在单元1130安全边缘，则紧急电路1182可以向转换器控制器1152发送信号以将电化学单元1130的电极1132和1134连接至旁路转换器1150的输出端子1120和1122。放电循环结束时，紧急电路还可向转换器控制器1152发一信号，使电化学单元1130与容器1112的端子1120和1122断开，并且/或者使输出端子1120与1122短接，以防放过电的电化学单元耗用其它与之串联的单元的电流。
图12的较佳放电子控制器电路1202包括一个具有同步整流器1274的DC/DC转换器1250，整流器1274能使正电极1232与容器1212的正端子1220电子连接和断开。同步整流器1274的开关消除了在电化学单元1230的正电极1232或负电极1234和容器输出端子1220与1222之间直接电气通路中所需的转换器控制器852等附加开关。另外，同步整流器通过减少内部损耗而提高了DC/DC转换器1250的效率。本例的转换器控制器1252还可用附加输入信号控制DC/DC转换器。如在图12实施例中，除了前面对图10描述的相移测量以外，转换器控制器还通过诸传感器监视着内部电化学单元的环境，诸如温度、压力和氢氧浓度等。
图7-12示出本发明依次更加复杂的电路设计，除了构成本发明控制器的主要元件的DC/DC转换器以外，依次描绘了可能包含在放电子控制器电路内的不同元件。列出的次序并非暗示在结合多个不同元件的电路中较晚引入的元件必须具有对前面各图描述的所有特性才符合本发明的范围。例如，紧急电路、充电指示器电路、相位检测电路和/或接地偏置电路都可以与图6-11的电路组合使用而不设示出这类元件的图中显示的转换器控制器或其它元件。
用于本发明电池1310的一较佳实施例的控制器集成电路1340如图13所示，包括DC/DC转换器1350和转换器控制器1352。转换器1350最好是一种高效、中功率转换器，可工作于低于大多数电子装置的阈压。放电子控制器电路1302最好包括一个图9B所示那样的电荷泵，以便对DC/DC转换器1350和容器1312的输出端子1322提供虚拟地，其电位低于电化学单元1330负电极1334的电位。虚拟地提供一增大的压差以驱动DC/DC转换器，并使该转换器从电化学单元吸取比它仅用单元电压驱动转换器所能吸取的更高的电流电平。
在该实施例中，转换器控制器1352最好应用脉宽和脉相调制控制法。相移检测电路1362在电化学单元1330的正电极1332与负电极1334上测量单元电压和从电化学单元吸取的电流，并测量电压与电流间的瞬时和/或连续的相移，而这一相移限定了电化学单元的内部阻抗，该内部阻抗是电化学单元电荷量的函数。例如在碱性电池中，在电化学单元1330放电约50％后(由单元闭路压降决定)，增大的内部阻抗指出电化学单元1330的剩余容量。相移检测电路1362将这些信号提供给相位线性控制器1371。然后，后者将相移检测电路1362检测的电压Vs和线性正比于相移的输出压控信号V(psi)提供给应用脉宽与脉相调制组合控制法的脉冲调制器1376，而脉冲调制器1376还接收电阻器Rs两端作为压控信号的压降。
脉冲调制器1376组合使用压控信号驱动DC/DC转换器1350。当电压Vs高于预定阀压电平时，脉冲调制器使金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)M3保持闭合状态，而使MOSFET M4保持断开状态，这样通过MOSFETM3保持从电化学单元1330到负载的电流通路。此外，由于占空因数有效地保持在0％，所以与DC/DC转换器和转换器控制器有关的损耗减至最小。此时，闭合的MOSFET M3和电阻器Rs的直流损耗极低。例如，电阻器Rs的范围最好为0.01～0.1欧姆。
然而，当电压Vs低于预定阈压电平时，脉冲调制器接通，根据压控信号的组合状态调制DC/DC转换器的占空因数。Vs的幅值作为控制占空因数的第一控制信号而工作。电流检测电阻器Rs或电流传感器两端的压降是输出电流的函数，它作为第二控制信号而工作。最后，相位线性控制器1371产生的信号V(psi)(与单元电压的交流分量和从电化学单元1330吸取的电流之间的相移成线性比例)则是第三控制信号。具体而言，根据内部阻抗在电池工作时间内的变化情况，用V(psi)信号改变占空因数，而内部阻抗变化会影响转换器的效率和电池工作时间。如果Vs的瞬时和/或连续幅值下降，或者如果电阻器Rs两端的压降增大，并且/或者V(psi)控制信号的瞬时和/或连续幅值增大，脉冲调制器就提高占空因数。各变量的贡献按合适的控制算法予以权衡。
当脉冲调制器1376接通时，其振荡器就产生梯形或方波控制脉冲，较佳地占空因数为50％，频率范围为40KHz～1MHz，更佳为40KHz～600KHz，最佳为600KHz。脉冲调制器运用合适的控制算法改变MOSFET M3与M4输出控制信号的占空因数，大多数情况下，控制算法以同样的占空因数和相反的相位操作M3与M4。M3与M4最好是互补型大功率晶体管，其中M3最好是N沟道MOSFET，M4最好是P沟道MOSFET。完整的DC/DC转换器1350的结构在本质上是一个升压DC/DC转换器，在输出端有一同步整流器。此外，转换器1350通过用MOSFETM3代替不同步的肖特基二极管，将交直流损耗减至最小。独立的控制信号驱动M3和功率MOSFET M4。改变M3与M4控制信号之间的相位和/或占空因数，可改变容器1312的端子1320与1322间的输出电压。
根据一个或多个压控信号，诸如电压Vs、电阻器Rs两端的压降或电化学单元1330的内部阻抗等，脉冲调制器1376可以控制MOSFET M3和M4。例如，如果负载耗流很小，脉冲调制器产生的DC/DC转换器1350的占空因数就接近0％。然而，若负载耗流很大，则脉冲调制器产生的转换器1350的占空因数就接近100％。若负载耗流在这两个极点之间变动，脉冲调制器也改变DC/DC转换器的占空因数，以便提供负载要求的电流。
图14比较了电池B1和B3的示例性放电曲线，其中B1不带本发明的控制器，B2具有放电子控制器电路，其中的转换器工作于连续模式，B3也具有放电子控制器电路，其中的转换器在高于一般电子装置电池的截止电压接通。如图14所示，不带本发明控制器的电池B1不能用于在时刻t1具有截止电压Vc的电子装置。然而，电池B2的放电子控制器电路在整个电池工作时间里，不断地将电池输出电压提升至电压电平V2。当电池B2中电化学单元的单元电压降到电压电平Vd(放电子控制器电路的最小工作电压)时，电池B2的子控制器电路停止工作，电池输出电压在时刻t2降为零，结束电池B2的有效工作时间。如图14曲线所示，具有子控制器电路(其中转换器工作于连续模式)的电池B2，其有效工作时间延长时间为t2-t1。
然而，在电化学单元的单元电压达到预定电压电平Vp3之前，电池B3的控制器并不开始提升该电池的输出电压。预定电压电平Vp3的范围，较佳地为电化学单元的标称电压电平与电池供电的该类电子装置的最高截止电压之间，更佳地比电池供电的该类电子装置的最高截止电压Vc约大0.2伏，再佳地比最高截止电压Vc约大0.15伏，还要佳地比Vc约大0.1伏，而最佳是比Vc约大0.05伏。当单元电压达到预定电压电平Vp3时，电池B3的转换器则开始将输出电压提升到Vc+V的电平并使之稳定。电压电平V示于图14中，代表电池B3提升的输出电压与截止电压Vc的压差，其范围较佳地为0～0.4伏，更佳为0.2伏。于是电池B3继续输出，直到电化学单元的单元电压降到电压电平Vd(转换器的最小工作电压)，电池B3的控制器将停止工作。此时，电池输出电压在时刻t3跌为零，结束电池的有效工作时间。如图14的曲线所示，电池B3的有效工作时间延长量超过不带本发明转换器的电池B1为t3-t1。
图14还示出，在将电池接到同一个电子装置时，电池B3比B2更耐用。由于电池B2的转换器连续地工作，转换器的内部损耗消费了电池B2中电化学单元的一些能量，所以与控制器仅对一部分放电循环而工作的电池B3相比，电池B2的单元电压将在更短时间里达到转换器的最小工作电压Vd。这样，使选用的电池B3的预定电压Vp3优化成接近正被供电的电子装置的截止电压，就可最有效地应用电化学单元，并导致更大的电池工作时间延长。因此，电池B3的预定电压Vp3最好等于或略大于要对其供电的电子或电气装置的截止电压。例如，预定电压Vp3可以较佳地比截止电压约大0.2伏，更佳地约大0.15伏，再佳地约大0.1伏，最佳地约大0.05伏。
然而，若将电池设计成各种电子装置的通用电池，最好将预定电压Vp3选成等于或略大于该类电子装置的最高截止电压。例如，预定电压Vp3可以较佳地比该类电子装置的最高截止电压约大0.2伏，更佳地约大0.15伏，再佳地约大0.1伏，最佳地约大0.05伏。
图14的曲线还表示，与不带本发明控制器的电池B1相比，转换器的最小工作电压Vd越低，工作时间延长就越大。此外，电子装置的截止电压Vc与转换器最小工作电压Vd之差越大，本发明的控制器将更长地延长电池的工作时间，因为提升了电化学单元的单元电压。
另外，图14表明，装置截止不再是一次性或再充电电化学单元放电的限制因素。只要控制器能保持电池输出电压高于装置的截止电压，电池的电化学单元可继续放电。在一次性电池中，根据转换器的最小工作电压，这样能使单元尽可能完全地放电。但在再充电电池中，只要转换器能工作于小于或等于再充电电化学单元的最佳放电深度的单元电压，本发明能让最佳放电延长再充电电池的寿命而与装置的截止电压无关。
充电子控制器
充电子控制器电路也可延长本发明再充电电池的循环寿命。子控制器电路可通过逐一控制每个独立电化学单元的充电顺序来延长电池的循环寿命。这样，充电子控制器电路可根据特定单元的实际反馈优化各单元的充电，使每次充放电循环的次数与效率最大。例如，充电子控制器电路可直接监视各单元的单元电压和/或内部阻抗而控制各单元的充电，这样可让子控制器电路控制多个单一单元电池或一个或多个多单元电池中各独立电化学单元的充电循环。
充电子控制器电路在放电循环的“关闭时间”(即电化学单元不处于放电模式时)对电化学单元充电，也能延长诸如铅酸性等最好不作深度放电的再充电电池的工作时间。例如，在这些单元放电的“关闭时间”内，控制器可让充电子控制器电路对任何一个或多个独立的单元充电。若“关闭时间”相对于放电的“打开时间”(即特定电化学单元正有效放电时)足够长，那么充电子控制器电路能将该单元保持成至少处于接近全充电的状态。如果占空因数足够高而且装置工作足够长的持续时间，使得充电子控制器电路不能将电化学单元的充电保持高于预定电压电平或低于特定的阻抗电平(对应于该类或特定电化学单元的所需最大放电深度)，则再充电电化学单元达到所需最大放电深度时，放电子控制器电路可以结束电池的放电循环。通过仅在单元电压低于某一预定电压电平(如单元的标称电压)时才对该单元充电，用任何其它方法确定本文所述的充电循环的结束，或通过本领域任一其它已知的手段，充电子控制器电路还能防止过充电。因此，控制器控制在放电循环期间不让单元的放电超过最佳放电深度，并在充电循环期间优化充电顺序，可以优化再充电电化学单元的寿命。
充电循环的另一些电源可以包括装置电源线等外部电源或装置中的或在混合电池中与再充电电化学单元封装在一起的另一电化学单元等内部电源。例如，一次性单元可以封装在装置中，或在混合电池中与再充电电化学单元一起封装。锌-空气单元等金属-空气单元，虽然能量密度很高，但是只能提供相对低的电流电平，提供了另一种特别有用的电源，可用来对再充电电化学单元充电，或者，可将燃料电池等另一种电源包括在混合电池中，作为再充电电化学单元的充电源。
此外，充电子控制器电路还可用接触型充电系统或不接触的隔离型充电系统对本发明电池充电。
本发明一较佳实施例的电池还可包括一种对用户的全充电指示。例如，充电子控制器电路可向用户提供一种可见或可听的指示，表明电池完全充电了。或者，子控制器电路可以提供充电器系统或装置可读的指示，让充电器系统或装置相应地通知用户。
图15示出本发明电池的方框图，它包括一个充电子控制器电路1504。充电子控制器电路1504最好集成在电池1510内，负责安全有效地控制从外部充电源或电路进入的功率信号，以便优化再充电电化学单元的充电循环。该充电子控制器电路根据从检测电路105接收的输入压控制号和/或从其自己的内部检测电路的反馈，控制从外部充电源进入的功率信号。例如，充电子控制器电路可以使用限定电化学单元1530内部阻抗的压控信号V(psi)，该控制信号由相位线性控制器1571产生，已根据图13作过描述。或者，充电子控制器电路可以用单元电压或充电电流，或用内部阻抗、单元电压与充电电流中的两个或多个的组合来控制电化学单元的充电。此外，充电子控制器电路也可用电池1510容器1512内测得的物理状态来优化对电化学单元的充电，这类物理状态有氢浓度、氧浓度、温度和/或压力等。
当端子1520与1522的电压高于电化学单元1530的单元电压时，放电子控制器电路1502的脉冲调制器1576就闭合N沟道MOSFEF M3并断开P沟道MOSFET M4。M3建立一条始于端子1520与1522的电流通路对电化学单元充电，M4防止在端子1520与1522间发生短路。脉冲调制器通过向接地偏置电路1580的时钟发生器1587送一压控信号，还可断开接地偏置电路。如在图9A的电荷泵例中，时钟发生器987断开开关S1与S2，闭合开关S3与S4，使虚拟地输出塌陷到电化学单元930的负电极934的电位。或者，如果接地偏置电路1580包括一内部控制器，诸如电荷泵控制器1592(已参照用9B的电荷泵控制器992描述了其工作状况)，内部控制器可通过直接控制时钟发生器1587直接将端子1520与1522的电压与电化学单元的单元电压作比较，如果端子电压大于单元电压，就断开接地偏置电路，由此将虚拟地输出塌陷到电化学单元负电极的电位。
在本发明一较佳实施例中，充电子控制器电路1504利用内部阻抗信息确定最有效的交流信号分布，包括幅值、频率、下降沿与上升沿等。这样，子控制器电路使电化学单元的内部充电的动态与静态损耗减至最小，并对特定电化学单元控制可能的最快充电速率。此外，诸如氢/氧浓度、温度、压力等物理状态传感器能进一步优化充电状态。
当充电子控制器电路504确定电化学单元已完全充电时，就断开N沟道MOSFET M3，这就把电化学单元和容器1512的端子1520与1522断开，由此与外部充电源或电路断开。
根据电化学单元1530真实的电离与电阻抗状态，用内部阻抗控制电化学单元的充电可实现充电优化。在各容器1512中设置充电子控制器电路1504，更能控制多个单一单元电池或多单元电池的各个电化学单元1530，因为子控制器电路各自控制着每个单元的充电。单元1530能以与其它电化学单元串联和/或并联的结构充电。若单元以串联充电，充电子控制器电路1504可在端子间包括一条高阻抗通路，从而在电化学单元完全充电后，子控制器电路可将充电电流分流到与单元1530串联的其它单元。然而，若单元是并联的，充电子控制器电路可将电化学单元与充电电流断开。在多单元电池的每个电化学单元中置一控制器，可让每个单元用同样的充电电流充电，而充电电流由各单元中的各个控制器控制，从而优化对该单元的充电，且与单元的电化特性无关。即使各单元的标称电压不同，该充电子控制器电路也可对混合电池的多个单元充电。
图16示出的一个充电子控制器电路1504结构实施例，可应用于图15所示本发明的电池中。本例中，充电子控制器电路1604包括通用充电器电路1677、猝发电路1678和充电控制状态机1679。充电控制状态机用猝发电路在电化学单元1530的电极1532与1534上产生测试电流Is和测试电压Vs。像参照图13描述的那样，相位线性控制器1571检测测试电流Is与测试电压Vs之间的相移。猝发电路最好包括猝发驱动器1668和n沟道MOSFET M1，前者产生的高频控制脉冲信号驱动M1的栅极。测试电流Is流过M1，相位线性控制器检测测试电流Is与测试电压Vs之间的相移角(4)。相位线性控制器向充电控制状态机输出压控信号V(psi)，该信号同单元电压中交流分量与从电化学单元1530吸取的电流之间的相移成线性比例关系。充电控制状态机用来自相位线性控制器的这一控制信号控制交流充电信号分布。当电化学单元完全充电时，脉冲调制器1576断开M3，而后者又将电化学单元同容器的端子1520与1522断开。
图17示出图15所示充电子控制器电路的另一实施例，可对电化学单元作隔离充电，且在外部充电器电路与本发明电池1510之间无任何机械接触。本例中，充电子控制器电路1704包括一个用作变压器次级线圈以对电化学单元1530充电的线圈。外部充电源包括变压器初级线圈，可通过大气以无线连接方式耦合到充电子控制器电路的次级线圈。例如，本发明的电池可在电池1510的标志上或在容器内包含一印刷线圈，或该电池形成充电变压器的次级线圈。本例的充电电路的工作频率范围较佳为约20KHz～100KHz，更佳为40KHz～60KHz，最佳为约50KHz。来自外部充电源的信号经外部充电源的初级线圈对充电子控制器电路的次级线圈1798赋能。充电控制状态机控制通用充电器电路以优化再充电电化学单元的充电循环。如果外部充电器电路工作于约50KHz的频率，变压器就足以离本发明电池约1～3英寸的距离对电化学单元充电，因而可对电化学单元原地充电，无需从电气或电子装置中取出电池，这比必须从装置中取出电池具有明显的优点。例如，诸如心脏起博器等手术埋置装置中的电池，可无需以手术方法从病人体内取出电池而充电。
紧急子控制器电路
控制器还可执行紧急功能，即在检出一种或多种安全相关状态时，可将电化学单元同电池容器的端子断开并且/或在负载的需求电路大于转换器能力但是仍然在特定电化学单元的运行电流范围内时将电化学单元与旁路转换器的输出端子直接连接。控制器可以包括一个独立的紧急子控制器电路，用于检测不安全状态，诸如短路、反极性、过充电、过放电、高温、压力或氢浓度等，并将电化学单元与电池端子电子断开。或者，紧急功能可由放电子控制器电路和/或充电子控制器电路实现，或者控制器可包括独立的检测电路，通知放电和/或充电子控制器电路将电化学单元与电池端子断开。

Claims (10)

1．一种电池，其特征在于包括：
(a)具有正端子和负端子的容器；
(b)置于所述容器内的电池单元，所述单元具有正电极、负电极和在所述单元的所述正负电极间测得的单元电压；
(c)电气连接在所述单元所述电极与所述容器所述端子之间的控制器，以形成来自单元的电压的跨越所述容器的所述正端子与负端子之间的输出电压；以及
(d)响应所述电池预定条件的电路，在检测到所述预定条件时，电路工作可以让控制器输出电压脱离容器端子。
2．如权利要求1所述的电池，其特征在于所述电路是控制器的一部分并且可以在检测到所述预定条件时使控制器的输出电压脱离容器正负端子。
3．如权利要求1或2所述的电池，其特征在于所述电路包括与所述单元耦合的电流传感器以测量单元电流，电路根据电流传感器响应包括短路条件和反极性条件在内的预定条件，并且在检测到预定条件时脱离控制器的输出电压。
4．如权利要求1-3中任一项所述的电池，其特征在于所述电路用于监视单元电压和/或单元内部阻抗，电路响应包括单元电压跌落至低于预定电压电平和单元内部阻抗超过预定阻抗之一的预定条件，电路在检测到预定条件时脱离控制器的输出电压以通常防止单元的过放电。
5．如权利要求1-4中任一项所述的电池，其特征在于所述电路用于监视单元电压，电路响应包括单元电压超过预定电压电平在内的预定条件，电路在检测到预定条件时脱离控制器的输出电压以通常防止单元的过充电。
6．如权利要求1-5中任意一项所述的电池，其特征在于所述电路用于监视所述容器内的压力，电路响应包括容器压力超过压力限在内的预定条件，电路在检测到预定条件时脱离控制器的输出电压。
7．如权利要求1-6中任意一项所述的电池，其特征在于所述电路用于监视所述容器内的氢气浓度，电路响应包括容器氢气浓度超过氢气限在内的预定条件，电路在检测到预定条件时脱离控制器的输出电压。
8．如权利要求1-7中任意一项所述的电池，其特征在于所述电路用于监视所述容器内温度，电路响应包括容器温度超过温度限在内的预定条件，电路在检测到预定条件时脱离控制器的输出电压。
9．如权利要求1-8中任一项所述的电池，其特征在于所述预定条件包括附着在电池的负载的电路需求超过控制器的能力的条件，电路进一步可在使控制器输出电压脱离容器端子时使单元直接与所述容器端子耦合以在容器端子上形成单元电压。
10．一种延长电池寿命的方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)提供一种电池，包括：
(ⅰ)具有正端子和负端子的容器；
(ⅱ)置于所述容器内的电池单元，所述单元具有正电极、负电极和在
所述单元的所述正负电极间测得的单元电压；
(b)使控制器电气连接在所述单元所述电极与所述容器所述端子之间，以单元电压形成跨越所述容器的所述正端子与负端子之间的输出电压；以及
(c)响应检测到电池的预定条件，使控制器的输出电压脱离容器端子。
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