JP2002510850A - 内蔵コントローラを有するバッテリ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 バッテリの実行時間を延ばす内蔵コントローラを有する多セル・バッテリを開示する。このコントローラは例えば、セル電圧を電子装置のカットオフ電圧よりも高い出力電圧に変換することによって、またはセル電圧をバッテリの電気化学セルの公称電圧よりも低い出力電圧に変換することによって、または電気化学セルを電流ピークから守ることによって、バッテリの実行時間を延ばすことができる。このコントローラはさらに、仮想接地を提供する接地バイアス回路を含むことができ、これによって変換器はより低いセル電圧で動作することができるようになる。このバッテリを、単一セル・バッテリ、ユニバーサル単一セル・バッテリ、多セル・バッテリまたは多セル・ハイブリッド・バッテリとすることができる。多セル・バッテリの個々のセルは直列または並列に接続することができる。さらに個々のセルがそれぞれのセルの中に、セルの実行時間を延ばすための１つまたは複数の機能を実行することができるコントローラを備えてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （発明の分野） 本発明はバッテリに関し、詳細にはバッテリの供給実行時間（ｓｅｒｖｉｃｅ ｒｕｎ ｔｉｍｅ）を延長するための内蔵コントローラを有するバッテリに関
する。

【０００２】 （発明の背景） 消費者は、ラジオ、コンパクト・ディスク・プレーヤ、カメラ、携帯電話、電
子ゲーム、玩具、ポケット・ベル、コンピュータ装置などの携帯用電子装置中で
一次バッテリおよび再充電可能（二次）バッテリを使用している。一次バッテリ
は通常、供給実行時間が終わると廃棄される。一般的な一次バッテリではその供
給実行時間内に、バッテリの合計蓄電容量の約４０〜７０％しか使用することが
できない。初期蓄積エネルギーのうちこの部分を使用してしまうと、バッテリは
一般に、一般的な電子回路を駆動するのに十分な電圧を供給することができない
。バッテリの有効寿命が尽きると、これらのバッテリがなおその蓄電容量の約３
０〜６０％を含んでいようと、消費者は普通これらのバッテリを廃棄してしまう
。したがって、より深い放電を安全に実施できるようにすることによって一次バ
ッテリの供給実行時間を延ばすことができれば、廃棄前に電子装置がバッテリの
蓄電容量をより多く使用できるようになり、廃棄物は減る。

【０００３】 再充電可能バッテリの全寿命は主に、充電サイクルの回数および効率によって
決まる。再充電可能バッテリは各放電サイクル後に充電し再使用することができ
る。一次バッテリの場合と同様に蓄電容量のうち一定の割合が使用されると、バ
ッテリは一般に電子回路を駆動するのに十分な電圧を供給することができない。
したがって、バッテリをより深く放電することができれば再充電可能バッテリの
各放電サイクルを延ばすことができる。しかし再充電可能バッテリの放電レベル
は、バッテリの将来の充電回数および効率に影響を与える。一般に、再充電可能
電気化学セルの放電深度が増大するにつれ、再充電可能電気化学セルに実施する
ことができる充電サイクルの回数は減少する。しかし、特定の種類の再充電可能
電気化学セル間で最適放電特性は幅広く変化する。例えばニッケル・カドミウム
（「ＮｉＣｄ」）バッテリでは深い放電が好ましい。これは、適切に使い切る前
に充電した場合にバッテリが「メモリ」効果を発現し、その結果、将来の充電に
使用可能な容量が低減する可能性があるためである。しかしリチウム・バッテリ
の深い放電は電気化学セルにダメージを与える可能性がある。再充電可能電気化
学セルの供給実行時間の延長は一般に、その特定のセルの充放電サイクルを効率
的に制御し、充電サイクルの合計回数が最大になり、さらに電気化学セルのそれ
ぞれの放電サイクルから回収されるエネルギー量が最適化されるようにすること
によって達成することができる。

【０００４】 加えて消費者はより小型、より軽量の携帯用電子装置を絶えず求めている。こ
れらの装置を小型化、軽量化する際の主要な障害の１つは、装置への給電に必要
なバッテリのサイズおよび重量である。実際、電子回路が高速化、複雑化するに
つれ、電子回路は以前よりもいっそう多くの電流を必要とするようになり、した
がってバッテリに対する要求はいっそう大きくなる。しかし、機能および速度が
向上してもバッテリを頻繁に交換または再充電する必要がある場合には、消費者
は、より強力で小型化された装置を受け入れないだろう。したがって有効寿命を
短縮することなくより高速かつより複雑な電子装置を構築するためには、電子装
置がバッテリをより効率的に使用し、かつ／またはバッテリ自体がより高い蓄積
エネルギー利用率を提供することが必要である。

【０００５】 より高価な電子装置の中には、バッテリの出力電圧を変換し、かつ／または安
定化するスイッチング変換器（例えばＤＣ／ＤＣ変換器）などの電圧調整回路を
装置内に含むものがある。これらの装置では、複数の単一セル・バッテリが一般
に直列に接続され、変換器によってこれらのバッテリの合計電圧が負荷回路が必
要とする電圧へと変換される。変換器は、負荷回路が必要とするよりも高い電圧
、したがって負荷回路が必要とするよりも多くの電力をバッテリが供給するバッ
テリ放電の初期においてバッテリの出力電圧を下げ、かつ／または負荷回路が必
要とするよりも出力電圧が小さいためバッテリが消耗しているバッテリ放電のそ
の後の部分においてバッテリの出力電圧を上げることよって、バッテリの実行時
間を延ばすことができる。

【０００６】 しかし、電子装置内に変換器を配置する方法にはいくつかの欠点がある。第１
に、装置メーカはメーカごとに、比較的に限られた量で製作され、したがって個
々のコストが高くなる特定の回路設計を有するため、変換器を電子装置の中に配
置すると比較的に費用がかさむ。第２に、バッテリの供給業者は、特定のバッテ
リとともに使用される変換器の種類をコントロールすることができない。したが
って変換器は、それぞれの種類の電気化学セルの特定の電気化学特性に対して最
適化されたものとならない。第３に、アルカリ・セル、リチウム・セルなどの異
なる種類の電気化学セルは異なる電気化学特性および公称電圧を有し、したがっ
て容易に相互交換できるというものではない。その上、変換器は電子装置内の貴
重なスペースを占有する。さらに、電子装置によっては、より効率的なＤＣ／Ｄ
Ｃ変換器などのスイッチング変換器ではなく線形調整器を使用している場合があ
り、その上、スイッチング変換器を含む電子装置は、無線周波（ＲＦ）送信機な
どの電子装置内の隣接する回路に不利な影響を及ぼす可能性がある電磁干渉（Ｅ
ＭＩ）を引き起こす可能性がある。しかし、変換器をバッテリ内に配置すること
によって、ＥＭＩ源を、ＥＭＩに敏感な他の電子回路からより遠くに配置し、か
つ／またはＥＭＩ源をバッテリの導電性容器で遮へいすることができる。

【０００７】 現在の電圧変換器の他の問題点は、変換器を駆動するのに十分な電圧を供給す
るために変換器が一般に複数の電気化学セルを必要とすることであり、特にアル
カリ、亜鉛−炭素、ニッケル・カドミウム（ＮｉＣｄ）、ニッケル金属水和物（
ＮｉＭＨ）、酸化銀バッテリに関してそうである。この問題を回避するため、現
在の変換器は普通、変換器を駆動するのに十分な電圧を供給するため直列に接続
された複数の電気化学セルを必要とする。変換器は次いでこの電圧を、電子装置
が必要とするレベルにまで下げることができる。したがって変換器のこの入力電
圧要求のため電子装置は、たとえ電子装置自体がその動作に１つのセルしか必要
ないとしても複数の電気化学セルを含まなければならない。その結果、無駄なス
ペースおよび重量が生じ、電子装置のさらなる小型化が妨げられる。

【０００８】 したがって、供給実行時間を最大にするため、再充電可能バッテリを充電する
前にバッテリの蓄積電荷を最適に使用し、放電深度を最適化する必要がある。蓄
積エネルギーの利用率が高まるようにバッテリを設計することによって、電子装
置はより小型のバッテリを使用すること、またはより少ない数のバッテリを使用
することができ、携帯用電子装置をさらに小型化することが可能となる。

【０００９】 （発明の概要） 本発明は、一次または再充電可能バッテリの蓄積電荷を充電前に最適に使用す
ることによって供給実行時間がより長いバッテリを提供する。このバッテリは、
一般的な電子装置の電圧しきい値よりも低い電圧で動作することができる変換器
を含む内蔵コントローラを有する。このコントローラは、バッテリの供給実行時
間を延ばすため電気化学セルの電圧をより効率的に調整し、制御された放電また
は最適放電深度を可能にする。コントローラは、アルカリ、ニッケル・カドミウ
ム（「ＮｉＣｄ」）、ニッケル金属水和物（「ＮｉＭＨ」）、リチウム、リチウ
ム・イオン、密封鉛−酸（「ＳＬＡ」）、酸化銀、ハイブリッド・セルなどの特
定の種類の電気化学セルまたは特定の電子装置とともに動作するようにカスタム
設計された混合モード・シリコン・チップ上に配置されることが好ましい。

【００１０】 コントローラは、負荷への電力送達をモニタおよび制御し、（１）ＤＣ／ＤＣ
変換器をオン／オフし、（２）一般的な電子装置が動作することができる電圧よ
りも入力電圧が低いときに最小必要出力電圧を維持し、（３）バッテリの出力イ
ンピーダンスを下げ、（４）最適放電深度を決定し、（５）最適充電シーケンス
を提供し、（６）所与の電気化学セルがコントローラなしで供給することができ
る放電電流を増大させ、（７）セルの安全限界の内側の高い放電電流を、たとえ
この電流が変換器の最大出力電流を上回る場合であっても迂回モードを使用して
提供し、（８）残存セル容量を測定し、（９）動作制御信号をセル容量指示器／
「燃料」ゲージに供給することによってバッテリ供給実行時間を最適に延長する
。

【００１１】 好ましい一実施形態では、一次または再充電可能多セル・バッテリ（例えば標
準９ボルト・バッテリ）のハウジング内に単一のコントローラが装着される。本
発明のこの態様は、電子装置内にコントローラを配置することに優るいくつかの
明白な利点を提供する。第１に、バッテリ設計者が、特定の種類の電気化学セル
の特定の電気化学特性を利用することが可能になる。第２に、装置が、バッテリ
の出力電圧を変更し、かつ／または安定化する特定の種類の電気化学セル（例え
ばリチウム・セル）を含むバッテリ用の変換器だけを必要とし、他の種類の電気
化学セル（例えばＮｉＣｄ、ＳＬＡセル）を含むバッテリ用の変換器を必要とせ
ず、その変換器が、その変換器を必要とするバッテリ（すなわちリチウム・バッ
テリ）と統合される場合に、電子装置をＤＣ／ＤＣ変換器なしで設計することが
できる。これによってより小さな回路設計が可能となり、変換器に関連した損失
が変換器を必要としないバッテリに影響を及ぼすことがなくなる。

【００１２】 特に好ましい一実施形態では、コントローラが、ＡＡＡ、ＡＡ、Ｃ、Ｄ型、角
柱形バッテリなどの単一セル・バッテリの容器内、または角柱形または標準９ボ
ルト・バッテリなどの多セル・バッテリのそれぞれのセルの容器内に装着される
。本発明のこの態様は、多セル・バッテリの中に単一のコントローラを配置する
先に挙げた態様の利点を提供し、さらに多くの利点を提供する。第１に、特定の
種類の電気化学セルの電気化学反応を利用するため、コントローラを、その電気
化学セルに対してカスタム・マッチングさせることができる。第２に、標準バッ
テリで動作するように設計された電子装置の要求を満たすよう出力電圧または内
部インピーダンスを変更または安定化することによって、異なる種類の電気化学
セルを有するバッテリを互換可能に使用することができるようになる。これらの
両利点は、例えば、内蔵コントローラを使用して約２．８〜約４．０ボルトの範
囲の公称セル電圧を約１．５ボルトの出力電圧に下げることによって、標準１．
５ボルトＡＡバッテリのパッケージング要件および電気的な要件を満足する超効
率的リチウム・セルで達成される。リチウム・セルのより高いセル電圧を利用す
ることによって、設計者は、バッテリ実行時間を実質的に延長することができる
。さらに、それぞれのバッテリ・セルの中にコントローラを配置することによっ
て、現在可能なものよりもはるかに有効な制御があらゆるセルに関して可能とな
る。このコントローラは、それぞれの一次電気化学セルの放電状態をモニタおよ
び制御することができ、電子装置が動作を停止する前にそれぞれのセルが完全に
使い尽くされることが保証される。コントローラはさらに、それぞれの再充電可
能電気化学セルの放電サイクルをモニタおよび制御して、バッテリの供給実行時
間が可能な最長のものとなり、セルの安全性が向上してメモリ効果、短絡または
有害な深い放電などの状態が起こらないレベルまでセルが放電されることを保証
する。コントローラはさらに、バッテリ内のそれぞれの再充電可能電気化学セル
の充電サイクルを直接にモニタおよび制御して過充電、短絡などの状態を防ぎ、
これによってサイクル寿命を延ばし、バッテリの安全性を向上させる。単一のセ
ルの充電状態を直接に（可視、可聴、振動指示器など）または「スマート」装置
インタフェースを介して消費者に知らせることもできる。

【００１３】 コントローラはさらに、本発明のバッテリの汎用的な使用を可能にする。本発
明のバッテリは、先に挙げたようなカットオフ電圧を有する電気、電気機械また
は電子装置とともに使用するか、または電気装置とともに使用するかに関わらず
、周知のバッテリに優る利点を提供する。電気、電気機械、電子装置または機器
の場合、本発明のバッテリはそれらのピーク性能を、バッテリ供給実行時間の最
後まで維持する。バッテリとともにコントローラを利用すると、実際の電圧対時
間放電曲線の末尾が、（供給の即時終了のない）一般的な放電プロファイルをエ
ミュレートするような輪郭を描く。

【００１４】 バッテリの販売が拡大することによって、チップの生産のほうが、個々の調整
器または変換器設計をそれぞれの種類の電子装置に対して実施するよりもはるか
に安くなるため、コントローラ・チップをより経済的に製作することができる。

【００１５】 ＤＣ／ＤＣ変換器の好ましい一実施形態は、パルス幅またはパルス位相変調お
よびパルス・スキップ低デューティ制御方式をスタート・ストップ発振制御方式
とともに利用する高効率、超低入力電圧かつ中電力の変換器である。

【００１６】 本発明のその他の特徴および利点は、本発明の好ましい実施形態の説明に関し
て説明する。

【００１７】 本明細書は、本発明とみなされる内容を具体的に指摘し、明確に請求する請求
項をもって結論とするが、本発明の理解は、以下の説明を添付図面と関連させて
理解することによって深まるであろう。

【００１８】 （発明の詳細な説明） 本発明は、単一セルおよび多セル・バッテリに関する。本発明のバッテリが一
次バッテリであることもあり、または再充電可能バッテリであることもある。本
出願では「一次」という用語が使用され、この用語は、その使用可能な蓄電容量
を使い尽くした後は廃棄される予定の（すなわち再充電または再使用される予定
のない）バッテリまたは電気化学セルを指す。本出願では「再充電可能」という
用語と「二次」という用語が相互交換可能に使用され、その使用可能な蓄電容量
を使い尽くした後に少なくとも１度は再充電される予定の（すなわち少なくとも
１度は再使用される予定の）バッテリまたは電気化学セルを指す。本出願の「消
費者」という用語は、消費者によって購入または使用された電子または電気装置
中で使用される予定のバッテリを指す。「単一セル」という用語は、標準ＡＡ、
ＡＡＡ、Ｃ、Ｄ型バッテリなどの個別にパッケージングされた単一の電気化学セ
ルを有するバッテリ、または多セル・バッテリ（例えば標準９ボルト・バッテリ
、携帯電話またはラップトップ・コンピュータ用のバッテリなど）中の単一セル
を指す。本出願で使用される「バッテリ」という用語は、端子および単一の電気
化学セルを有する容器、または端子を有し、２つ以上の電気化学セルを少なくと
も実質的に含むハウジング（例えば標準９ボルト・バッテリ、携帯電話またはラ
ップトップ・コンピュータ用のバッテリなど）を指す。セル自体がそれぞれに個
々の容器を有している場合、複数の電気化学セルがハウジングによって完全に包
囲されている必要はない。例えば携帯電話のバッテリは、それぞれが個別に容器
を有し、これらの個別容器を一体に保持する収縮包装用プラスティック材料の中
に一緒にパッケージングされた２つ以上の電気化学セルを含むが、これらのセル
の個別容器を完全に包囲しているわけではない。

【００１９】 本出願で使用される用語「ハイブリッド・バッテリ」には、２つ以上のボルタ
・セルを含み、そのうちの少なくとも２つが、光起電力、燃料、熱、電気化学、
電気機械などの互いに異なる流電気機構、異なる電極、異なる電極対、または異
なる電解質を有する多セル・バッテリが含まれる。本出願で使用される用語「バ
ッテリ・セル」は、電気化学セルを含むバッテリ内で使用されるボルタ・セル全
般を指すのに使用される。さらにボルタ・セルとエレクトロボルタ・セルは相互
交換可能に使用され、化学的機構を含むさまざまな物理的電気発生機構を示す。
さらにハイブリッド・セルは、スーパーまたはウルトラ・コンデンサ、高効率イ
ンダクタ、低容量二次セルなどの、セル電圧および放電特性を向上させる追加の
エネルギー蓄積部品を含むことができる。これらのハイブリッド・セル部品は、
ラベル、シール、中空端子などの不活性セル構造部品を置き換えるように製作す
ることができる。

【００２０】 本出願で使用する用語「コントローラ」は、少なくとも１つの入力信号を受け
入れ、入力信号の関数である少なくとも１つの出力信号を供給する回路を指す。
用語「ＤＣ／ＤＣ変換器」と用語「変換器」は本出願では相互交換可能に使用さ
れ、入力ＤＣ電圧を必要な出力ＤＣ電圧に変換する、ＤＣ／ＡＣインバータとし
ても知られるスイッチング型の変換器、すなわちチョッパ制御ＤＣ／ＤＣ変換器
を指す。ＤＣ／ＤＣ変換器は、調整された出力を頻繁に供給するパワー・エレク
トロニック回路である。この変換器は、昇圧電圧レベル、降圧電圧レベル、また
はほぼ同じレベルの調整電圧を供給することができる。当技術分野では多くの異
なる種類のＤＣ／ＤＣ変換器が知られている。本発明は、一般的な電子装置が動
作することができる電圧よりも低い低電圧レベルで動作することができる本出願
に記載の好ましい変換器に代えてより不利な周知の変換器または線形調整器を可
能な限り使用することを企図する。

【００２１】 電子装置の「カットオフ電圧」とは、これよりも低いとバッテリに接続された
電気または電子装置が動作することができない電圧である。したがって「カット
オフ電圧」は装置依存である。すなわちこの電圧レベルは、装置の最小動作電圧
（機能上のエンドポイント）または動作周波数（例えば、所与の時間内にコンデ
ンサを充電できなければならない）に依存する。ほとんどの電子装置のカットオ
フ電圧は約１ボルト〜約１．２ボルトの範囲にあり、なかには約０．９ボルトと
カットオフ電圧が低いものもある。電気時計、電動機、電気機械式継電器など、
機械運動をする部品を有する電気装置はさらに、これらの機械部品を動かすのに
必要なだけの強さの電磁場を生み出すのに十分な電流を供給するのに必要なカッ
トオフ電圧を有する。フラッシュライトなどのその他の電気装置は装置カットオ
フ電圧を持たないが、装置に給電するバッテリの電圧が下がると出力パワー（例
えば電球の輝度）も低下する。

【００２２】 単一の電気化学セルがカットオフ電圧を有する装置に給電している場合、この
電気化学セルは装置のカットオフ電圧に「支配（ｓｕｂｊｅｃｔ ｔｏ）」され
、装置のカットオフ電圧以上の出力電圧を供給しなければならず、そうしないと
装置は動作を停止してしまう。しかし、直列に配置された２つの以上の電気化学
セルが装置に給電している場合、すなわちこれらが正入力端子と負入力端子の間
に電気的に接続されている場合には、それぞれの電気化学セルが装置のカットオ
フ電圧の一部分に「支配」される。例えば２つの電気化学セルが直列に接続され
、装置に給電している場合、それぞれのセルは装置のカットオフ電圧の１／２に
「支配」される。しかし３つの電気化学セルが直列に接続され、装置への給電に
使用される場合、それぞれの電気化学セルは装置のカットオフ電圧の１／３に「
支配」されるだけである。したがって「ｎ」個のセルが直列に接続され、装置に
給電している場合には、それぞれのセルが、カットオフ電圧を整数ｎで割った値
として定義される装置のカットオフ電圧の一部に「支配」される。しかし２つの
以上の電気化学セルが並列に接続され、電子装置に給電する場合、それぞれのセ
ルは依然として装置のカットオフ電圧全体に「支配」される。さらにこの応用で
は、２つの以上の電気化学セルが直列に接続され、この直列接続が他の１つまた
は複数の電気化学セルと並列に接続されている場合、直列接続されたそれぞれの
セルが、直列に接続されたセルだけが装置に給電している場合と同じカットオフ
電圧の部分に「支配」される。

【００２３】 本発明の一態様は、バッテリの「供給実行時間」を延長することにある。一次
バッテリについては「バッテリ供給実行時間」と「バッテリ実行時間」は相互に
交換可能であり、バッテリが給電している装置の最小動作電圧、すなわちその装
置のカットオフ電圧よりもバッテリの出力電圧が低下するまでの放電サイクルの
時間と定義される。「セル実行時間」は、電気化学セル自体、すなわちセルの電
気化学エネルギーの枯渇に依存するが、「バッテリ実行時間」はバッテリが使用
される装置に依存する。例えばカットオフ電圧が約１ボルトの電子装置は、たと
え電気化学セルにそのエネルギー蓄積容量の少なくとも５０％が残っているとし
ても、バッテリの出力電圧が１ボルトよりも下がったときに動作を停止する。こ
の例では、その電子装置を駆動するのに十分な電圧をバッテリがもはや供給する
ことができないため「バッテリ実行時間」は過ぎており、このバッテリは一般に
廃棄される。しかしセルに電気化学エネルギーは残っているので「セル実行時間
」はまだ過ぎていない。

【００２４】 しかし再充電可能バッテリは複数回の充電／放電サイクルを有する。再充電可
能バッテリでは、達成することができる充電／放電サイクル数として「サイクル
寿命」が定義される。再充電可能バッテリの「バッテリ実行時間」は、１回の放
電サイクルで、バッテリが給電している装置のカットオフ電圧よりも再充電可能
バッテリの出力電圧が低下するか、またはバッテリのサイクル寿命を延ばすため
に放電が停止されるまでの時間を指す。しかし再充電可能バッテリの「バッテリ
供給実行時間」は、それぞれの放電サイクルが最適な実行時間を有する充電／放
電サイクルの合計数を指す。再充電可能電気化学セルの「セル実行時間」は、負
荷条件下でセルが１回の放電サイクル中に最適放電深度を達成するまでに要する
時間である。先に論じたように、再充電可能バッテリの「サイクル寿命」は再充
電可能セルが経験する放電の深度の関数である。放電深度が増大するとバッテリ
実行時間も延びるが、サイクル寿命およびバッテリ供給実行時間は低下する。逆
に放電深度が低下するとバッテリ実行時間は短縮されるが、サイクル寿命および
バッテリ供給実行時間は増大する。しかし装置使用の観点からするとバッテリ実
行時間が短いのは不便である。したがって再充電可能バッテリの特定のそれぞれ
の電気化学性および設計に対して、バッテリ供給実行時間が大きくなるように放
電深度とサイクル寿命の比を最適化することができる。再充電可能バッテリのバ
ッテリ供給実行時間を最適化する１つの可能な方法は、特定の放電深度で得られ
たサイクル寿命（すなわちサイクル数）とそれらのそれぞれのサイクルで回収さ
れたエネルギー量との積として定義される送出累積エネルギーを比較することで
ある。

【００２５】 本出願ではさらに、電気化学セルが一次セルであるか再充電可能セルであるか
にかかわらず用語「電気化学セルの有効寿命」または「セル有効寿命」が使用さ
れ、バッテリ実行時間に対応する。「セル有効寿命」は、特定の放電サイクルで
、電気化学セルが、セルが給電している装置を駆動するのに十分な電圧をもはや
供給することができなくなり、セルが有効でなくなるまでの時間である。単一セ
ル・バッテリでは「セル実行時間」が延びるか、または短縮すれば、「セル有効
寿命」および「バッテリ実行時間」も必然的に延び、または短縮される。さらに
、単一セル・バッテリの用語「バッテリ実行時間」と「セル有効寿命」は相互に
交換可能であり、単一のセル・バッテリの「バッテリ実行時間」または「セル有
効寿命」が延びるか、または短縮されば、もう一方も延び、または短縮される。
しかし対照的に、多セル・バッテリ中の特定の電気化学セルの用語「セル有効寿
命」は、その多セル・バッテリの用語「バッテリ実行時間」とは必ずしも交換可
能ではない。これは、多セル・バッテリのバッテリ実行時間が経過した後でも、
その特定の電気化学セルの有効寿命がまだ残っている可能性があるためである。
同様に、多セル・バッテリ中の特定の電気化学セルの「セル実行時間」が延びる
か、または短縮された場合でも、「バッテリ実行時間」がそのバッテリ内の他の
１つまたは複数のセルのセル電圧によって決まる可能性があるため、「バッテリ
実行時間」が延びたり、または短縮されるとは限らない。

【００２６】 本出願で使用する再充電可能電気化学セルの「放電の最適深度」または「最適
放電深度」は、充電／放電サイクル数を最大にし、そのセルのそれぞれの放電サ
イクルでの実行時間を最適化するセルの残存容量のことを指す。再充電可能電気
化学セルを、そのセルの「最適放電深度」（例えばＳＬＡセルで約１．６ボルト
）よりも深くまで放電させた場合には、そのセルの供給実行時間が大幅に短縮さ
れる可能性がある。例えばリチウム・イオン・セルを深く放電させると、セルが
ダメージを受け、セルの将来の充電サイクル数および効率が低下する可能性があ
る。しかし、ニッケル・カドミウム（ＮｉＣｄ）電気化学セルでは、「メモリ」
効果によって将来の放電サイクルでのセルの実行時間が短縮し、これによってセ
ルの寿命が短くなることを防ぐために、より深くまで放電させるほうが好ましい
。

【００２７】 用語「電気的に接続される」、「電気接続」および「電気的に結合される」は
、連続して電流を流すことができる接続または結合を指す。用語「電子的に接続
される」および「電子接続」は、トランジスタ、ダイオードなどの電子装置が電
流経路上に含まれる接続を指す。本出願では「電子接続」を「電気接続」のサブ
セットと考える。すなわち「電子接続」は全て「電気接続」であるが、全ての「
電気接続」が「電子接続」であるわけではない。

【００２８】 本発明のバッテリは、一次または再充電可能バッテリの放電サイクルでエネル
ギー回収を最適化し、かつ再充電可能バッテリの場合に放電サイクル数を最大に
することによってバッテリの供給実行時間を延ばす１つまたは複数のコントロー
ラを含む。例えば本発明の一実施形態では、コントローラが、（１）放電制御機
能、（２）充電制御機能、（３）非常時制御機能（短絡、逆極性、充電（一次セ
ル）の場合にセルを切断したり、または負荷が、コントローラの送達可能な電流
速度を上回る安全なバッテリ電流を要求した場合にコントローラを迂回する）、
（４）セルの残存容量および残存エネルギーの限界レベルの通知機能、のうちの
１つまたは複数の機能を実行する。１つまたは複数の電気化学セルをパッケージ
ングして、単一セル・バッテリまたは多セル・バッテリとすることができる。多
セル・バッテリは、２つ以上の同じ種類の電気化学セルを含むこと、またはハイ
ブリッド・バッテリにおいて２つ以上の異なる種類の電気化学セルを含むことが
できる。本発明の多セル・バッテリは、直列および／または並列に電気的に配置
された電気化学セルを含むことができる。単一セル・バッテリのコントローラは
、セルの容器の内部の電気化学セルと直列および／または並列に電気的に接続す
ることができ、セルの容器を少なくとも部分的に含むハウジングの内部にパッケ
ージングするか、あるいは容器、ハウジング、ラベル、または容器もしくはハウ
ジングに貼付されたその他の構造に取り付けることができる。多セル・バッテリ
ではコントローラを、単一セル・バッテリに関して説明したのと同様に１つまた
は複数の個別セルとともにパッケージングすること、および／または複数の電気
化学セルの組合せとともにパッケージングし、コントローラがこの電気化学セル
の組合せと直列または並列に接続されるようにすることができる。

【００２９】 本発明のバッテリのコントローラは先に挙げた１つまたは複数の機能を実行す
ることができ、先に挙げた機能に加えてその他の機能も実行することができる。
本発明のバッテリのコントローラは、所望の機能のうちの１つをそれぞれ実行す
る１つの回路を含むこと、または所望の機能のうちの１つまたは複数をそれぞれ
実行する個別のサブコントローラを含むことができる。さらに、サブコントロー
ラは、個々のサブコントローラに制御信号を供給することができる検知回路など
の回路を共用することができる。

【００３０】 全図面を通して、構成部品を指定する数字の最後の２桁がその他の図の対比さ
れる構成部品に対しても繰り返され、その区別は、その図に対応する１または２
桁の数字を先頭に置くことによってなされる。例えば図１〜３で参照する容器１
２は、図５Ａの容器２１２と対比される。

【００３１】 図１〜３に一般的な円筒形バッテリ１０の構造を、議論の目的上簡略化して示
す。それぞれの円筒形バッテリ１０の構造は、異なる構成で配置された同じ基本
構造部品を有する。それぞれのケースで構造は、ジャケットまたは側壁１４を有
する容器１２、正端子２０を含む頂部キャップ１６、および負端子２２を含む底
部キャップ１８を含む。容器１２は、単一の電気化学セル３０を包囲する。図１
に、亜鉛−炭素電気化学セル３０から成る円筒形単一セル・バッテリ１０に対し
て使用することができる構成を示す。この構成では頂部キャップ１６全体が導電
性であり、バッテリ１０の正端子２０を形成する。絶縁座金またはシール２４が
導電性頂部キャップ１６を電気化学セル３０から絶縁する。電極または集電器２
６は、バッテリ１０の外部正端子２０と電気化学セル３０のカソード（正極）３
２とを電気的に接続する。底部キャップ１８も全体が導電性であり、バッテリ１
０の外部負端子２２を形成する。底部キャップは、電気化学セル３０のアノード
（負極）３４に電気的に接続される。アノード３４とカソード３２の間には隔離
板２８が配置され、電解質を介したイオン伝導手段を提供する。例えば亜鉛−炭
素バッテリは一般に、このタイプの配置でパッケージングされる。

【００３２】 図２に、底部キャップ１８を電気化学セル３０から絶縁する絶縁座金またはシ
ール２５が示された代替バッテリ設計を示す。このケースでは、頂部キャップ１
６全体が導電性であり、バッテリの正端子２０を形成する。頂部キャップ１６は
、電気化学セル３０のカソード３２に電気的に接続される。やはり導電性の底部
キャップ１８がバッテリの負端子２２を形成する。底部キャップ１８は、集電器
２６を介してバッテリ・セル３０のアノード３４に電気的に接続される。アノー
ドとカソードの間には隔離板２８が配置され、電解質を介したイオン伝導手段を
提供する。例えば、一次および再充電可能アルカリ（亜鉛／二酸化マンガン）バ
ッテリは一般に、このタイプの配置でパッケージングされる。

【００３３】 図３に、電気化学セル３０が「らせん巻きゼリー・ロール（ｓｐｉｒａｌｌｙ
ｗｏｕｎｄ ｊｅｌｌｙ ｒｏｌｌ）」構造として形成された他の代替バッテ
リ設計を示す。この設計では４つの層が、互いに隣接して「積層型」構造に配置
される。この「積層型」構造は例えば、カソード層３２、第１の隔離板層２８、
アノード層３４、第２の隔離板層２８をこの順番に含む。代替として、カソード
層３２とアノード層３４の間に配置されていない第２の隔離板層２８の代わりに
絶縁層を用いることができる。次いでこの「積層型」構造を巻いて、円筒形らせ
ん巻きゼリー・ロール構成とし、バッテリ１０の容器１２の中に配置する。頂部
キャップ１６を電気化学セル３０から絶縁する絶縁座金またはシール２４が示さ
れている。このケースでは頂部キャップ１６全体が導電性であり、バッテリ１０
の正端子２０を形成する。頂部キャップ１６は、集電器２６および導体３３を介
して電気化学セル３０のカソード層３２に電気的に接続される。やはり導電性の
底部キャップ１８がバッテリの負端子２２を形成する。底部キャップ１８は、導
電性底部プレート１９を介してバッテリ・セル３０のアノード３４に電気的に接
続される。カソード層３２とアノード層３４の間には隔離板２８が配置され、電
解液を介したイオン伝導手段を提供する。頂部キャップ１６と底部キャップ１８
の両方に接続された側壁１４が示されている。このケースでは側壁１４が、ポリ
マーなどの非導電性材料から形成されることが好ましい。しかし、側壁１４が少
なくとも正端子２０および／または負端子２２から絶縁され、これによって２つ
の端子間に短絡が生じない場合には、側壁を、金属などの導電材料から製作する
こともできる。例えば、一次リチウム二酸化マンガン（ＭｎＯ２）バッテリなど
の一次および再充電可能リチウム・バッテリ、ならびに再充電可能リチウム・イ
オン、ニッケル・カドミウム（ＮｉＣｄ）およびニッケル金属水和物（ＮｉＭＨ
）バッテリはしばしばこのタイプの配置でパッケージングされる。

【００３４】 これらのそれぞれのセルはさらに、当技術分野で周知のさまざまな形態の安全
ベント、動作に空気交換が必要な電気化学セル用の動作ベント、容量指示器、ラ
ベルなどを含むことができる。さらにこれらのセルを、ボタン形、コイン形、ま
たは角柱形のセル、フラット・プレート、バイポーラ・プレート、または厚膜／
薄膜をベースにしたセルなど、当技術分野で周知のその他の構造に構築すること
ができる。

【００３５】 本発明の目的上、バッテリ「容器」１２は単一の電気化学セル３０を収容する
。容器１２は、電気化学セル３０の２つの電極３２、３４、隔離板および電解質
を、環境および多セル・バッテリ中のその他の電気化学セルから絶縁および保護
し、電気化学セル３０から容器の外部に電気エネルギーを供給するのに必要な全
ての部品を含む。したがって図１および２の容器１２は側壁１４、頂部キャップ
１６、底部キャップ１８、ならびにセル３０の電気接続を提供する正端子２０お
よび負端子２２を含む。多セル・バッテリでは容器を、単一の電気化学セル３０
を含む個別構造とすることができ、この容器１２を、多セル・バッテリ内の複数
の個別容器の１つとすることができる。多セル・バッテリのハウジングが、１つ
の電気化学セル３０の電極および電解質を環境およびそのバッテリ中のその他の
それぞれのセルから完全に分離する場合には、代替として、容器１２をハウジン
グの一部によって形成することもできる。容器１２は、金属などの導電材料とプ
ラスチック、ポリマーなどの絶縁材料とを組み合せて製作することができる。

【００３６】 しかしこの容器１２は、電極および電解質をそれぞれ含む個々に分離された別
個のアルカリ・セル６３０を含む多セル・バッテリのハウジングと区別しなけれ
ばならない。例えば標準９ボルト・アルカリ・バッテリのハウジングは図６に示
すように、容器６１２をそれぞれ含む６つの個別のアルカリ・セル６３０を包囲
する。それぞれのアルカリ・セル６３０は、外部正端子６２１に接続された内部
正端子６２０および外部負端子６２３に接続された内部負極６２２を有する。そ
れぞれのアルカリ・セル６３０が、本明細書に記載の方法で動作するコントロー
ラ６４０を含むことが有利である。しかしいくつかの９ボルト・リチウム・バッ
テリでは、バッテリのハウジング６１１が、電気化学セル３０間で電極および電
解質を分離する複数の個別チャンバを有するように形成され、したがってハウジ
ングが、それぞれのセルに対する個々の容器１２と多セル・バッテリ６１０全体
に対するハウジング６１１の両方を兼ねる。

【００３７】 図６に、それぞれの電気化学セル６３０がセルの個別容器６１２の内部にコン
トローラ６４０を有する本発明の９ボルト多セル・バッテリ６１０の部分断面透
視図を示す。この実施形態ではバッテリ６１０が、公称電圧がそれぞれ約１．５
ボルトの６つの個別電気化学セル６３０を含む。バッテリ６１０が例えば、公称
電圧がそれぞれ約３ボルトの３つのリチウム・セルを含むこともある。当技術分
野ではその他の多セル・バッテリ構造も知られており、それらを使用して本発明
のコントローラ６４０を収容してもよい。多セル・バッテリには例えば、少なく
とも実質的に一体に収縮包装された個別容器および複数の単一セル容器を含むプ
ラスチック・ハウジングを有する、ビデオカメラや携帯電話のバッテリなどの角
柱形バッテリが含まれる。

【００３８】 図５Ａ、５Ｂおよび５Ｃに、円筒形単一セル一次バッテリ２１０、３１０およ
び４１０の本発明の３つの実施形態の部分分解図を示す。図５Ａでは、バッテリ
２１０の頂部キャップ２１６と絶縁座金２２４の間にコントローラ２４０が配置
されている。コントローラ２４０の正出力２４２は、コントローラ２４０に直接
に隣接したバッテリ２１０の正端子２２０に電気的に接続され、コントローラ２
４０の負出力２４４はバッテリ２１０の負端子２２２に電気的に接続される。こ
の例では、コントローラ２４０の負出力２４４が、導電性ストリップ２４５およ
びバッテリ２１０の導電性底部キャップ２１８の負端子２２２と電気的に接触し
た導電性側壁２１４を介してバッテリ２１０の負端子２２２に接続される。この
ケースでは導電性側壁が、頂部キャップ２１６から電気的に絶縁されていなけれ
ばならない。コントローラ２４０の正入力２４６は、集電器２２６を介して電気
化学セル２３０のカソード２３２に電気的に接続される。コントローラ２４０の
負入力２４８は、導電性ストリップ２３７を介して電気化学セル２３０のアノー
ド２３４に電気的に接続される。代替としてコントローラ２４０を、底部キャッ
プ２１８と絶縁体２２５の間に配置するか、あるいはバッテリの容器またはラベ
ルの外側に取り付けるか、貼り付けるか、または接合してもよい。隔離板２２８
が、電気化学セル２３０の電解質を介したアノード伝導間に配置される。

【００３９】 図５Ｂではコントローラ３４０が、バッテリ３１０の底部キャップ３１８と絶
縁体３２５の間に配置されている。コントローラ３４０の負出力３４４は、コン
トローラ３４０と直に隣接したバッテリ３１０の負端子３２２に電気的に接続さ
れ、コントローラ３４０の正出力３４２はバッテリ３１０の正端子３２０に電気
的に接続される。この例では、コントローラ３４０の正出力３４２が、バッテリ
３１０の導電性頂部キャップ３１６の正端子３２０と電気的に接触した導電性側
壁３１４を介してバッテリ３１０の正端子３２０に接続される。コントローラ３
４０の正入力３４６は、導電性ストリップ３３６を介して電気化学セル３３０の
カソード３３２に電気的に接続される。コントローラ３４０の負入力３４８は、
電気化学セル３３０の底部プレート３１９からアノード３３４の中に延びる集電
器３２６を介して電気化学セル３３０のアノード３３４に電気的に接続される。
このようなケースでは、コントローラ３４０が仮想接地を使用する場合に、集電
器３２６およびコントローラ３４０の負入力３４８が、容器３１２の負端子３２
２およびコントローラ３４０の負出力３４４から絶縁されていなければならない
。代替としてコントローラ３４０を、頂部キャップ３１６と絶縁体３２４の間に
配置するか、あるいは容器３１２の外側またはバッテリのラベルに取り付けるか
、貼り付けるか、または接合してもよい。隔離板３２８は、電気化学セル３３０
の電解質を介したアノード伝導間に配置される。

【００４０】 図５Ｃではコントローラ４４０が、厚膜印刷技術を使用したラッパ（ｗｒａｐ
ｐｅｒ）または可撓性プリント回路板（「ＰＣＢ」）４４１上に形成され、容器
の内側の側壁４１４とバッテリ４１０のカソード４３２の間に配置されている。
コントローラ４４０の正出力４４２は、バッテリ４１０の頂部キャップ４１６を
介してバッテリ４１０の正端子４２０に電気的に接続され、コントローラ４４０
の負出力４４４は、底部プレート４１９および底部キャップ４１８を介してバッ
テリ４１０の負端子４２２に電気的に接続される。コントローラ４４０の正入力
４４６は、この例ではコントローラ４４０を含むラッパ４４１に直に隣接した電
気化学セル４３０のカソード４３２に電気的に接続される。コントローラ４４０
の負入力４４８は、接点プレート４３１および接点プレート４３１から電気化学
セル４３０のアノード４３４の中に延びる集電器４２６を介して電気化学セル４
３０のアノード４３４に電気的に接続される。絶縁座金４２７が、接点プレート
４３１をカソード４３２から分離する。集電器４２６がアノード４３４から接点
プレート４３１への接続を提供するため、図５Ｃに示すように絶縁座金がアノー
ド４３４と接点プレート４３１の間に延びていてもよい。コントローラ４４０が
仮想接地を使用する場合には、接点プレート４３１も、底部プレート４１９およ
び負端子４２２から絶縁座金４２５などによって絶縁されていなければならない
。代替としてラッパ４４１を、側壁４１４の外周に巻きつけて容器４１２の外側
に配置してもよい。このような実施形態ではラッパを覆ってラベルを付けるか、
またはコントローラ自体と同じラッパ上にラベルを印刷する。

【００４１】 図４、４Ａおよび４Ｂに、本発明のバッテリ１１０のさまざまな実施形態のブ
ロック図を示す。図４に、埋込み型内蔵コントローラ回路１４０を利用する本発
明のバッテリ１１０の一実施形態のブロック図を示す。この実施形態では、ディ
ジタルとアナログの両方の構成部品を有する混合モード集積回路を利用すること
が好ましい。代替としてこのコントローラ回路を、特定用途向け集積回路（「Ａ
ＳＩＣ」）、ハイブリッド・チップ設計、ＰＣボードまたは当技術分野で周知の
その他の形態の回路製作技術を使用して製作することができる。コントローラ回
路１４０は、バッテリ容器１１２の内部の電気化学セル１３０の正極１３２、負
極１３４とバッテリの正端子１２０、負端子１２２との間に配置することができ
る。したがってコントローラ１４０は、電気化学セル１３０を容器１１２の端子
１２０、１２２に接続すること、または電気化学セル１３０を容器１１２の端子
１２０、１２２から切断すること、あるいはバッテリ端子１２０、１２２に適用
されるセル１３０の出力電圧または出力インピーダンスを変更すること、または
安定させることができる。図４Ａに、図４に示した本発明のバッテリ１１０の好
ましい一実施形態を示す。図４Ａではコントローラ１４０が、電気化学セル１３
０の正極（カソード）１３２とバッテリ容器１１２の正端子１２０の間に接続さ
れている。電気化学セル１３０の負極（アノード）１３４およびバッテリ容器１
１２の負端子１２２は、コントローラ１４０と接地を共用する。図４Ｂに、コン
トローラ１４０が仮想接地上で動作し、電気化学セル１３０の負極１３４を容器
１１２の負端子１２２から分離し、さらに電気化学セル１３０の正極１３２を容
器１１２の正の端子１２０から分離する本発明のバッテリ１１０の好ましい代替
実施形態を示す。

【００４２】 図４Ａおよび４Ｂに示した実施形態はそれぞれ利点および欠点を有する。例え
ば図４Ａの構成では、ボルタ・セル１３０、コントローラ１４０およびバッテリ
容器１１２の負端子１２２用の共通接地を有するより単純な回路設計が可能であ
る。しかし図４Ａの構成には、真のセル電圧レベル下で機能する変換器が必要で
あるという欠点があり、誘導部品の使用が必要となる可能性がある。図４Ｂの構
成ではバッテリ容器１１２の負端子１２２に適用された仮想接地が、電気化学セ
ル１３０の負極１３４を負荷から分離し、ＤＣ／ＤＣ変換器またはチャージ・ポ
ンプの使用を可能にする。しかしこの構成には、セル電圧が低い（＜１Ｖ）とき
にコントローラ１４０の電圧変換器がより効率的に動作するようにするため、仮
想接地の回路をより複雑にする必要があるという欠点がある。

【００４３】 図４Ｃに、内蔵コントローラ回路１４０を有する本発明のバッテリ１１０の他
の実施形態を示す。コントローラ回路１４０は４つの主要構成部品、すなわち放
電サブコントローラ回路１０２、充電サブコントローラ回路１０４、非常時サブ
コントローラ回路１０６、および連続的または断続的に検知した動作パラメータ
および／または物理状態に基づいて放電サブコントローラ回路１０２および／ま
たは充電サブコントローラ回路１０４に電圧制御信号を供給する検知回路１０５
を含む。検知回路１０５は、セル電圧、セルから引き出された電流、セルの電圧
と電流の間の位相シフトなどの電気化学セル１３０の動作パラメータを測定する
ことができる。さらに検知回路１０５は、出力電圧レベル、出力電流レベル、充
電電圧レベル、充電電流レベルなどの内蔵コントローラ回路１４０の動作パラメ
ータを測定することもできる。さらに検知回路は、温度、圧力、ｐＨ、水素およ
び／または酸素濃度などの電気化学セルの物理的な状態も測定することができる
。当技術分野で周知のように、または後に説明するように、検知回路１０５はこ
れらのパラメータまたは状態を、充電または放電サイクル中に電気化学セルを効
果的にモニタするのに足る任意の組合せで測定することができる。

【００４４】 しかし本発明のバッテリ１１０の内蔵コントローラ回路１４０が先に挙げたそ
れぞれの機能を実行する必要はない。コントローラ回路１４０は例えば、先に挙
げた構成部品のうち、放電サブコントローラ回路１０２と検知回路１０５、充電
サブコントローラ回路１０４と検知回路１０５、非常時サブコントローラ回路１
０６と検知回路１０５、またはこれらの任意の組合せなど、２つまたは３つの部
品だけを有するのでもよい。あるいは、コントローラ回路１４０の特定の実施形
態に含まれる放電サブコントローラ回路１０２、充電サブコントローラ回路１０
４および／または非常時サブコントローラ回路１０６自体が、これらのそれぞれ
の機能を実行するの必要な内部検知回路を含む場合には、コントローラ回路１４
０が検知回路１０５を持たなくてもよい。さらに、放電サブコントローラ回路１
０２または充電サブコントローラ回路１０４、あるいはその両方が非常時サブコ
ントローラ１０６の機能をも実行してもよい。コントローラ回路１４０は、先に
挙げた１つまたは複数のサブコントローラまたは検知回路、ならびに先に挙げた
機能の他の機能を実行するその他のサブコントローラを有することができる。

【００４５】 放電サブコントローラ回路１０２は、安全な深い放電を実施して一次バッテリ
の蓄積エネルギーをより多く使用することによって、または再充電可能バッテリ
の蓄積エネルギーを再充電前に最適に使用することによってバッテリの供給実行
時間を延ばすため、バッテリ１１０の電気化学セル１３０の放電を制御する。充
電サブコントローラ回路１０４は、コントローラ回路１４０が内蔵されたバッテ
リ１１０の電気化学セル１３０の充電を安全かつ効率的に制御する。非常時サブ
コントローラ１０６は、検知回路１０５が短絡、逆極性、過充電状態、過放電状
態などの危険な状態を検出したときに電気化学セルをバッテリ端子から切断する
。非常時サブコントローラ１０６はさらに、安全だがコントローラの送出可能電
流速度を超える大電流を負荷が要求したときに放電コントローラを迂回するため
の電気接続を提供する。

【００４６】 しかし本発明の一次バッテリの好ましい実施形態では、コントローラ１４０が
放電サブコントローラ回路１０２、非常時サブコントローラ１０６および検知回
路１０５を含むことが好ましい。検知回路１０５は、電気化学セル１３０の動作
パラメータおよび物理状態を連続的にモニタすることが好ましい。放電サブコン
トローラ回路１０２は、バッテリを廃棄する前の供給実行時間を延ばすためにバ
ッテリ１１０の一次電気化学セル１３０をより安全かつより深く放電させること
が好ましい。非常時サブコントローラ回路１０６は、検知回路が危険な状態を検
出したとき、または安全なセル放電電流範囲内にあるがコントローラの能力を上
回る電流速度を負荷が要求した場合に検知回路が迂回接続を選択したときに、電
気化学セルをバッテリ端子１２０、１２２から切断することが好ましい。

【００４７】 本発明の再充電可能バッテリ１１０の好ましい一実施形態ではコントローラ回
路１４０がさらに、充電サブコントローラ回路１０４を含む。充電サブコントロ
ーラ回路１０４は、コントローラ回路１４０が内蔵されたバッテリ１１０の電気
化学セル１３０の充電を安全かつ効率的に制御する。検知回路１０５は、コント
ローラ回路１４０の動作パラメータおよび電気化学セル１３０の物理状態を連続
的かつ直接にモニタすることが好ましい。検知回路１０５は例えば、セル電圧、
充電電流、電気化学セルの内部インピーダンス、水素または酸素濃度、ｐＨ、温
度、圧力、あるいは当技術分野で周知のその他の動作パラメータまたは物理状態
をモニタすることができる。

【００４８】 特に好ましい一実施形態では、それぞれの電気化学セルがその特定のセルの状
態をモニタする内蔵コントローラ回路１４０を有する。それぞれの特定のセルの
状態を直接にモニタすることによって充電サブコントローラ１０５は、複数の電
気化学セルを有するバッテリをモニタする周知の充電コントローラよりも大きな
安全および効率を提供することができる。充電サブコントローラ１０５は、セル
の瞬時充電値およびセルの最大容量を利用して充電状態を連続的に最適化するこ
とにより、損失を最小限に抑える。

【００４９】 それぞれのコントローラは、（１）放電サブコントローラ１０２、（２）充電
サブコントローラ１０４および／または（３）非常時サブコントローラ１０６の
うち、１つまたは複数のサブコントローラを含むことができる。議論を分かりや
すくするためコントローラの諸機能を、サブコントローラに関して説明する。し
かし本発明のコントローラ１４０を実際に実現する際には、それぞれの機能に対
して独立した回路を実装する必要はない。コントローラが実行する複数の機能を
結合して単一の回路とすることができ、またそのほうが好ましいからである。例
えばそれぞれのサブコントローラが、コントローラの１つまたは複数の動作パラ
メータおよび／または電気化学セルの１つまたは複数の物理状態を測定する独自
の内部検知回路を備えてもよいし、あるいは独立した検知回路が、これらのパラ
メータおよび／または状態を測定し、これらのパラメータおよび／または状態な
らびに／あるいはこれらに関係した制御信号を１つまたは複数のサブコントロー
ラに供給してもよい。さらにコントローラは、本明細書で挙げた１つまたは複数
の機能に加えてその他の機能を実行する追加または代替のサブコントローラを備
えてもよい。

【００５０】 放電サブコントローラ 放電サブコントローラ１０２は、本発明の一次または再充電可能バッテリの供
給実行時間を複数の方法の１つで延ばすことができる。第１に、少なくとも１つ
の一次電気化学セル、または充電する前に完全に放電させておくことが好ましい
（例えばＮｉＣｄセルは約１００％まで放電させることが好ましい。ただしそれ
を超える放電は好ましくない）少なくとも１つの再充電可能セルを含む多セル・
バッテリの場合、放電サブコントローラは、バッテリの１つまたは複数の電気化
学セルを普通ならば可能な深度よりも深く電子装置が放電させることができるよ
うにする。例えば放電サブコントローラは、単一セル・バッテリが、装置のカッ
トオフ電圧よりもセル電圧が下がった点を越えて放電することができるようにす
る。一次バッテリの場合、バッテリを廃棄する前に電気化学セルを可能な限り深
く放電させることによって、バッテリの供給実行時間を延ばすことができる。し
かし再充電可能バッテリでは、電気化学セルを最適放電深度まで放電させること
によってバッテリ供給実行時間を延ばす。したがって、再充電可能電気化学セル
の最適放電深度が、この再充電可能バッテリが給電している装置のカットオフ電
圧よりも低い場合、再充電可能セルをその装置のカットオフ電圧を越えて放電さ
せることができれば、再充電可能バッテリの供給実行時間を延ばすことができる
。

【００５１】 本出願において用語「深い放電」とは、電気化学セルを、その電気化学セルの
定格容量の少なくとも８０％まで放電させることを指す。さらに、本出願で用語
「かなりの放電」は、電気化学セルをその電気化学セルの定格容量の少なくとも
７０％まで放電させることを指す。「過放電」は本出願では、電圧反転につなが
る可能性がある１００％を超える電気化学セルの放電を指す。例えば現在市販さ
れている一般的なアルカリ・バッテリは一般に、電気化学セルの電圧レベルが所
与の電子装置を駆動するには不十分な電圧レベルに落ちる前までにその蓄積エネ
ルギー容量の約４０〜７０％を送出することができる。したがって本発明のサブ
コントローラが、バッテリが給電を停止する前に約７０％超の放電が可能なアル
カリ・セルを提供することが好ましい。放電サブコントローラが約８０％を超え
る放電レベルを提供することがより好ましい。放電サブコントローラが約９０％
を超える放電レベルを提供することがより好ましく、約９５％を超える放電レベ
ルを提供することが最も好ましい。

【００５２】 放電サブコントローラ１０２は、一次または再充電可能バッテリのセル電圧を
所望の出力電圧に変換する変換器を含むことができる。一次バッテリではこの変
換器によって、電気化学セルをより深く放電させることができるようになり、こ
れによってバッテリの供給実行時間が延びる。しかし再充電可能バッテリではこ
の変換器によって、コントローラが、所与の装置のカットオフ電圧から独立した
最適放電深度まで再充電可能バッテリを放電させることができるようになる。本
発明の一実施形態では放電サブコントローラが、バッテリの実行時間にわたって
セル電圧を所望の出力電圧に連続的に変換する。セル電圧が、バッテリ放電が普
通なら停止される装置のカットオフ電圧レベルまで低下すると、変換器は、バッ
テリの出力のところでこのセル電圧を装置を駆動し続けるのに十分なレベルまで
上昇させ、この操作を、セル電圧レベルが、放電サブコントローラを駆動するの
に最低限必要な電圧、または再充電可能電気化学セルでは最適放電深度を下回る
まで続ける。したがって、他のバッテリのサブコントローラよりも低い電圧レベ
ルで動作することができるサブコントローラ設計を有するバッテリは、セル電圧
レベルとは独立により深く放電することができるバッテリとなる。

【００５３】 ハイブリッド・セルの場合には放電サブコントローラが、一次または再充電可
能バッテリのボルタ・セルの電圧を所望の出力電圧に変換する低電圧変換器を含
むことができる。放電サブコントローラ１０２は、一次または二次バッテリの実
行時間にわたってボルタ・セルの電圧を所望の出力電圧に連続的に変換すること
ができる。したがって他のバッテリのサブコントローラよりも低い電圧レベルで
動作する能力を有するサブコントローラ設計を有するハイブリッド・バッテリは
、光、燃料、熱、機械セルなどの多くのボルタ・セルによって生成される一般的
な低電圧との互換性を有するバッテリとなる。このハイブリッド・バッテリが一
次セルを含む場合、ボルタ・セル放電サブコントローラ１０２は追加のエネルギ
ーを供給することができる。放電サブコントローラはボルタ・セルを使用して、
二次セルを充電したり、または追加のエネルギーを供給したりすることもできる
。

【００５４】 本発明の好ましい実施形態ではこの変換器が、セル電圧が所定の電圧レベル以
下に落ちたときにだけ動作する。このような実施形態では、変換器が必要なとき
にだけ動作するので変換器の内部損失が最小限に抑えられる。この所定の電圧レ
ベルが、電気化学セルの公称電圧から、そのバッテリが動作する対象である装置
クラスの最も高いカットオフ電圧までの範囲に含まれることが好ましい。この所
定の電圧レベルが、そのバッテリが動作する対象である装置クラスの最も高いカ
ットオフ電圧よりもわずかに大きいことがより好ましい。例えばこの所定の電圧
レベルを、そのバッテリが動作する対象である装置クラスの最も高いカットオフ
電圧付近からそのカットオフ電圧に約０．２ボルトを加えた電圧までの範囲に含
まれるものとすることができ、この所定の電圧レベルが、そのバッテリが動作す
る対象である装置クラスの最も高いカットオフ電圧付近からそのカットオフ電圧
に約０．１５ボルトを加えた電圧までの範囲に含まれることが好ましく、そのバ
ッテリが動作する対象である装置クラスの最も高いカットオフ電圧付近からその
カットオフ電圧に約０．１ボルトを加えた電圧までの範囲に含まれることがより
好ましく、そのバッテリが動作する対象である装置クラスの最も高いカットオフ
電圧付近からそのカットオフ電圧に約０．０５ボルトを加えた電圧までの範囲に
含まれることがより好ましい。例えば公称電圧が約１．５ボルトの電気化学セル
ではこの所定の電圧が一般に、約０．８ボルト〜約１．８ボルトの範囲に含まれ
る。この所定の電圧が約０．９ボルト〜約１．６ボルトの範囲に含まれることが
好ましい。この所定の電圧が約０．９ボルト〜約１．５ボルトの範囲に含まれる
ことがより好ましい。この所定の電圧が約０．９ボルト〜約１．２ボルトの範囲
に含まれることがより好ましく、約１．０ボルト〜約１．２ボルトの範囲に含ま
れることがより好ましい。そのバッテリが動作する対象である装置クラスの最も
高いカットオフ電圧に等しいか、またはこれよりもわずかに高い電圧レベルが最
も好ましい。しかし、公称電圧が約３．０ボルトの電気化学セルに対して動作す
るように設計されたサブコントローラではこの所定の電圧が一般に、約２．０ボ
ルト〜約３．４ボルトの範囲に含まれる。この所定の電圧が約２．２ボルト〜約
３．２ボルトの範囲に含まれることが好ましい。この所定の電圧が約２．４ボル
ト〜約３．２ボルトの範囲に含まれることがより好ましい。この所定の電圧が約
２．６ボルト〜約３．２ボルトの範囲に含まれることがより好ましく、約２．８
ボルト〜約３．０ボルトの範囲に含まれることがより好ましい。そのバッテリが
動作する対象である装置クラスの最も高いカットオフ電圧に等しいか、またはこ
れよりもわずかに高い電圧レベルが最も好ましい。

【００５５】 セル電圧がこの所定の電圧レベル以下に落ちると、放電サブコントローラはこ
の変換器をオンにし、セル電圧を、負荷を駆動するのに十分な所望の出力電圧ま
で上昇させる。これによって、セル電圧が負荷を駆動するのに十分に高いもので
あるときには必要のない変換器の損失が排除され、セル電圧が負荷を駆動するの
に必要なレベルよりも低下した後も、一次セルの場合にはセル電圧が変換器の最
小動作電圧に達するまで、再充電可能セルの場合にはセルのセル電圧が最適放電
深度に達するまで電気化学セルが放電し続けることができるようになる。放電サ
ブコントローラは、セル電圧が所定の電圧レベルよりも下がったときに変換器を
オンにする単純な電圧比較器と電子スイッチの組合せから、後に説明するような
より複雑な制御方式に至るまでのいくつかの制御機構のうち、１つまたは複数の
機構を使用することができる。

【００５６】 所与の出力電圧に対して設計された本発明のユニバーサル・バッテリは、装置
への給電に使用されたときに自体の供給実行時間を延ばすことができることが好
ましい。本出願で使用する「ユニバーサル」バッテリとは、セルの電気化学性ま
たはボルタ・セルの物理機構とは独立に均一なまたは標準的な出力電圧を供給す
ることができるバッテリである。したがって本発明のユニバーサル・バッテリは
、一次電気化学セルの電圧が、それよりも低いとサブコントローラがもはや動作
することができなくなるレベルにまで下がったとき、または再充電可能電気化学
セルの電圧がその最適放電深度まで下がったときに内蔵サブコントローラが動作
を停止するまで、バッテリの出力電圧を所与の装置のカットオフ電圧に等しいか
、またはそれよりも高いレベルに維持することによってその供給実行時間を延ば
すように設計されることが好ましい。特定の電子装置または同程度のカットオフ
電圧を有する狭いクラスの電子装置群に給電するように設計された本発明のバッ
テリは、所定の電圧レベルをこれらの装置のカットオフ電圧により密接に整合さ
せることによって、より効率的に動作するように特に設計することができる。

【００５７】 第２に、放電サブコントローラ１０２を使用し、セルの放電を最適化して充電
サイクルの回数または効率を増大させることによって、再充電可能電気化学セル
の供給実行時間を延ばすことができる。例えば密封鉛−酸セルでは、深い放電に
よってこのセルがダメージを受け、かつ／または将来の再充電サイクルの回数ま
たは効率が低減する可能性がある。例えば放電サブコントローラは、特定の種類
の再充電可能電気化学セルの放電を、セル電圧が、その特定の電気化学セルの最
適放電深度またはそのタイプの電気化学セルの最適放電深度である所定の電圧レ
ベルに達したときに放電サイクルが終わるように制御することができる。例えば
鉛−酸再充電可能電気化学セルではこの所定の電圧レベルが約０．７ボルト〜約
１．６ボルトの範囲に含まれることが好ましく、約０．７ボルトであることがよ
り好ましい。例えばリチウムＭｎＯ２再充電可能電気化学セルでは、この所定の
電圧レベルが約２．０ボルト〜約３．０ボルトの範囲に含まれることが好ましく
、約２．４ボルトであることが最も好ましい。あるいは放電サブコントローラが
、再充電可能電気化学セルの内部インピーダンスが、その特定の電気化学セルま
たはそのタイプの電気化学セルの最も高い最適放電深度に対応した所定のインピ
ーダンス・レベルに達したときに放電サイクルを終了させるものであってもよい
。したがって、最適放電深度よりも深く放電されないことが好ましい少なくとも
１つの再充電可能電気化学セルを含む本発明のバッテリでは、放電サブコントロ
ーラを使用し、セル電圧が所定の電圧レベルに達したとき、またはセルの内部イ
ンピーダンスが、適当な内蔵化学センサによって指示される所定の内部インピー
ダンス・レベルに達したとき、放電サイクルを終了させることによって、バッテ
リの供給実行時間を延ばすことができる。

【００５８】 第３に放電サブコントローラは、所望の出力電圧よりも高い公称電圧を有する
電気化学セルのセル電圧を下げ、かつ／またはバッテリの電気化学セルの出力イ
ンピーダンスを変更することができる。これによって、バッテリの実行時間が延
びるだけでなく、異なる公称電圧を有する電気化学セル間の互換性を通常可能で
あるよりも高めること、より高い公称電圧を有する電気化学セルのより高い蓄電
電位を設計者が利用できるようにすること、および設計者が、ある種の電気化学
セルの出力インピーダンスを変更して、このインピーダンスを所望のレベルに一
致させ、これによってその電気化学セルと他の種類の電気化学セルとの間の互換
性を増大させ、かつ／または特定の種類の負荷を用いたときのその電気化学セル
の効率を増大させること、ができるようになる。さらに、水銀カドミウム・セル
などのように、一般に特定の公称電圧が必要だという理由だけで使用されている
、効率の悪い、または環境に有害な、または高価であるなどの電気化学セルを、
その応用に必要な公称電圧または出力インピーダンスを満足するために公称電圧
を上昇または降下させた、あるいは出力インピーダンスを変更したより安全な、
またはより効率的な、またはより安価な電気化学セルで置き換えることができる
。

【００５９】 例えば、公称電流が約１．８ボルト以上の電気化学セルを、この高い公称電圧
を標準的な公称電圧レベルである約１．５ボルトまで下げるサブコントローラと
一緒にパッケージングし、これによってこのバッテリを、公称電圧が約１．５ボ
ルトのバッテリと互換可能に使用することができるようにすることが可能である
。具体的な１つの例として、一次リチウムＭｎＯ２セルなどの公称電圧が約３．
０ボルトの標準リチウム・セルを降圧サブコントローラとともにパッケージング
してバッテリとし、これによってこのバッテリの出力電圧を約１．５ボルトとす
ることができる。これによって、公称電圧が約１．５ボルトの電気化学セルを有
するバッテリの少なくとも２倍の容量を有し、ボリュームが同じバッテリが得ら
れる。さらに、リチウム・セルの高い電位を化学的に引き下げる必要なしに標準
アルカリまたは亜鉛−炭素単一セル・バッテリと真に互換可能な高電圧リチウム
・セルが得られる。また、再充電可能リチウム・イオン・セルの公称電圧は約４
．０ボルトである。このセルを降圧コントローラと一緒にパッケージングしてバ
ッテリとし、この単一セル・バッテリの出力電圧を約１．４ボルトにすることが
できる。この本発明のリチウム・イオン・バッテリは、標準ＮｉＣｄまたはＮｉ
ＭＨ再充電可能単一セル・バッテリと互換可能であり、同じボリュームを有する
ＮｉＣｄまたはＮｉＭＨ単一セル・バッテリの約２倍〜３倍の容量を提供するこ
とができる。

【００６０】 さらに、リチウム・イオン、マグネシウム、マグネシウム空気、アルミニウム
空気などの電気化学セルを有するバッテリの公称電圧は約１．８ボルト超であり
、これらのバッテリを、公称電圧が約１．５ボルトの標準バッテリと互換可能に
使用することができる。異なる種類の電気化学セルを互換可能に使用することが
できるだけでなく、異なる種類の電気化学セルを一緒にパッケージングしてハイ
ブリッド・バッテリとすることもできる。したがって、さまざまな公称電圧また
は内部インピーダンスを有する異なる電気化学セルを含む異なる種類のバッテリ
を互換可能に使用すること、あるいは異なる種類の電気化学セルおよび光、熱、
燃料、機械などのボルタ・セルを有するハイブリッド・バッテリを製造すること
ができる。

【００６１】 あるいは、一般的な電子装置が動作する電圧よりも低い公称電圧を有する電気
化学セルを内蔵昇圧変換器を有する放電サブコントローラ１０２とともに使用し
て公称電圧を押し上げることができる。これによって、この種の電気化学セルを
有するバッテリを、このサブコントローラを使用しない場合にこのセルが供給す
る電圧よりも高い電圧レベルを必要とする装置とともに使用することができるよ
うになる。さらにこの種のセルを有するバッテリを、標準アルカリまたは亜鉛−
炭素電気化学セルと互換可能に使用することもできる。これによって、公称電圧
が低すぎて実用的でなかったために普通なら消費者の使用に向けるとは考えられ
なかった電気化学セルを有するバッテリを、商業的に実現可能で使用に耐えるバ
ッテリとすることができる。

【００６２】 さらに、一般的な電子装置が動作する電圧よりも低い公称電圧を有するいくつ
かのボルタ・セルを、内蔵昇圧変換器を有する放電サブコントローラとともに使
用して公称電圧を押し上げることができる。これによって、この種のボルタ・セ
ルを有するハイブリッド・バッテリを、このサブコントローラを使用しない場合
にこのセルが供給する電圧よりも高い電圧レベルを必要とする装置とともに使用
することができるようになる。さらにこの種のセルを有するバッテリを、標準ア
ルカリまたは亜鉛−炭素電気化学セルと互換可能に使用することもできる。これ
によって、公称電圧が低すぎて実用的でなかったために普通なら消費者の使用に
向けるとは考えられなかったハイブリッド・セルを有するバッテリを、商業的に
実現可能で使用に耐えるバッテリとすることができる。

【００６３】 表１に、本発明のバッテリ中で使用することができる例示的な一次、二次およ
び保存型電気化学セルを挙げる。ただしこれらに限定されるわけではない。例え
ば、異なる公称電圧または内部インピーダンスを有する異なる種類の一次および
／または再充電可能電気化学セルを変換器とともに使用して、標準１．５ボルト
・アルカリ一次または再充電可能バッテリあるいは標準１．４ボルトＮｉＣｄ再
充電可能バッテリと同じ出力電圧を有するユニバーサル単一セル・バッテリを作
り出すことができる。さらに、一次、二次および／または保存型セルを、本発明
のハイブリッド多セル・バッテリ中で一緒に使用することができる。事実、本発
明は、さまざまな種類の電気化学セル間の互換性、および電気化学セルと燃料セ
ル、コンデンサなどの代替電源装置との間の互換性をこれまでになく高める。互
換可能バッテリを製作する際により多様なセルを使用できるようにするため、そ
れぞれの電気化学セルの中にコントローラを配置することによって、異なる種類
の電気化学セルの公称電圧、出力インピーダンスなどの電気特性を調整すること
ができる。その他の種類のセルを含むバッテリとの互換性を維持しつつ電気化学
セルの特定の利点を利用できるよう、バッテリを特別に設計することができる。
さらに本発明を使用し、電気化学セルの公称電圧を標準電圧レベルに変換するこ
とによって新たな標準電圧レベルを生み出すことができる。

【００６４】 同じことが、電気エネルギーの生成に使用される化学的機構以外の物理的機構
にも当てはまる。一般的な単一の光、熱、燃料および機械（例えばＰＳＴ）セル
の出力電圧は標準装置またはその他の電気化学セルの電圧よりもはるかに低い。
本発明は、単一のハイブリッド・セルまたは独立した複数のセルの中の低電圧ボ
ルタ・システムと標準電気化学システムを結合して、ハイブリッド・セルまたは
独立したセルと等しい電圧、またはこれらとは異なる電圧を必要とする装置に給
電することを可能にする。

【００６５】

【表１】

【００６６】 さらに、普通なら互換性のない電気化学セルを、特定の種類の応用のために特
別に設計されたハイブリッド・バッテリ中で一緒に使用することができる。例え
ば亜鉛−空気電気化学セルを、ハイブリッド・バッテリ中でリチウム・セルと並
列または直列に接続して一緒に使用することができる。亜鉛−空気セルは公称電
圧が約１．５ボルトであり、非常に高いエネルギー密度を持つが、低く安定した
電流レベルしか供給することができない。しかしリチウム・セルは、公称電圧が
約３．０ボルトであり、高い電流レベルの短バーストを供給することができる。
それぞれの電気化学セルの放電サブコントローラは同じ公称出力電圧を提供し、
並列または直列電気構成に配置することを可能にする。セルが並列構成であると
き、この放電サブコントローラはさらに、セルが相互に充電し合うことを防ぐ。
それぞれのセルの放電サブコントローラを使用して、負荷の必要に応じてどちら
か一方のセルまたは両方のセルを接続または切断することができる。したがって
負荷が低電力モードにあるときには、安定した小電流を供給するため亜鉛‐空気
セルを接続することができ、負荷が高電力モードにあるときにはリチウム・セル
単独で、またはリチウム・セルと亜鉛‐空気セルを組み合わせて、負荷に給電す
るのに必要な電流を供給することができる。

【００６７】 ハイブリッド・バッテリはさらに、一次セルと二次セル、一次セルと保存型セ
ル、二次セルと保存型セル、一次セルと二次セルと保存型セルなどの多くの異な
る組合せの電気化学セルを含むことができる。さらにハイブリッド・バッテリは
、１つまたは複数の電気化学セルと光、熱、燃料および機械セル、従来のコンデ
ンサ、さらにはスーパー／ウルトラ・コンデンサなどの１つまたは複数の追加電
源装置との組合せを含むことができる。例えばハイブリッド・バッテリは、アル
カリ・セルと金属−空気セル、金属−空気セルと二次セル、金属−空気セルとス
ーパー・コンデンサの組合せなどを含むことができる。ハイブリッド・バッテリ
はさらに、前述のセルまた電源装置のうちの２つ以上のセルまた電源装置の任意
の組合せを含むことができる。

【００６８】 さらに、放電サブコントローラは、電気化学セル構成部品の動作を阻害しセル
電圧を低下させる電流ピークから電気化学セルを保護することによってもバッテ
リの供給実行時間を延ばすことができる。例えば放電サブコントローラは、高い
電流需要によってセルにメモリ効果が発現し、電気化学セルの実行時間が短縮す
ることを防ぐことができる。電流ピークは、アルカリ、リチウム、ＮｉＣｄ、Ｓ
ＬＡ、金属水素化物、亜鉛−空気セルなどの電気化学セルにとっても有害である
。

【００６９】 放電サブコントローラは、急な需要があったときに利用できるように自体の出
力のところに電荷を一時的に蓄えることによって電気化学セルを電流ピークから
保護することができる。したがって電流ピーク需要は、電気化学セルに達する前
に完全に排除されるか、またはかなり低減される。これによって、電気化学セル
が直接に供給できるよりも高い電流ピークをバッテリが供給できるようになり、
セル構成部品に害を与える可能性がある電流ピークから電気化学セルが保護され
る。この一時蓄電部品がコンデンサであることが好ましい。このコンデンサは、
従来のコンデンサ、厚膜プリント・コンデンサ、「スーパー／ウルトラ・コンデ
ンサ」などの当技術分野で周知の任意の種類のコンデンサでよい。例として図１
３に、容器１３１２の出力端子１３２０と１３２２をまたいで接続されたコンデ
ンサＣｆを示す。

【００７０】 単一の放電サブコントローラは、セルを電流ピークから保護しセル電圧を所望
の出力電圧に変換することによって、バッテリの供給実行時間を延ばすことが好
ましい。例えば放電サブコントローラの好ましい一実施形態は、変換器に関連し
た損失を最小限に抑えるためセル電圧が所定の電圧まで下がったときに変換器を
オンにする。この同じサブコントローラは、セル電圧および出力負荷電流をモニ
タし、セル電圧が所定の電圧レベルに達するか、または負荷電流が所定の電流レ
ベルに達した場合に変換器をオンにすることができる。あるいは放電サブコント
ローラが、セル電圧および出力負荷電流をモニタし、必要な負荷電流の供給によ
ってセル電圧がカットオフ電圧レベルよりも下がるかどうかを判定してもよい。
後の例ではサブコントローラが、変換器をオンにすべきかどうかを判定するアル
ゴリズム中で結合された２つの入力信号を受けて動作している。しかし前の例で
は、セル電圧が所定の電圧レベルまで低下するか、または出力負荷電流が所定の
電流レベルまで上昇した場合にサブコントローラが変換器をオンにする。これら
については、その他の可能な制御方式とともに後にさらに詳細に論じる。

【００７１】 本発明は、特殊バッテリならびにＡＡＡＡ、ＡＡＡ、ＡＡ、ＣおよびＤ型セル
、９ボルト・バッテリなどの消費者向け標準バッテリに関する。本発明は、さま
ざまな応用で使用することができる特殊一次バッテリおよびハイブリッド・バッ
テリの使用を企図する。十分な期間にわたって必要な電流速度を提供する一次バ
ッテリの能力によって現在のところ限られているこれらの特殊バッテリおよびハ
イブリッド・バッテリを、携帯電話、ラップトップ・コンピュータなどで使用さ
れる再充電可能バッテリの代わりに使用することができることが予想される。さ
らに、セルの出力電圧と出力インピーダンスを個別に制御することができること
によって、バッテリ設計者が、異なる種類のセルを組み合わせて、または光、熱
、燃料および機械セル、従来のコンデンサ、さらには「スーパー／ウルトラ・コ
ンデンサ」などの代替電源装置を同じハイブリッド・バッテリ中で使用する全く
新しい種類のハイブリッド・バッテリを設計することができるようになる。

【００７２】 さらに、互換可能な電気化学セルの種類が増えることによって、バッテリ設計
者が携帯電話、ラップトップ・コンピュータ、ビデオカメラ、カメラなどの特定
の装置用にカスタム設計されたバッテリへの依存を減らす標準一次または再充電
可能バッテリを提供することができるようになる。消費者は、特定の種類、ブラ
ンドおよび／またはモデルの電子装置用に特に製造されたバッテリを購入する代
わりに、標準バッテリを、現在、フラッシュライトやテープ・レコーダ用に購入
しているのと同じように購入するだけで移動電話に給電することができる。さら
に、製造される標準バッテリの数が増加するにつれてバッテリ１つあたりのコス
トは急速に下がり、その結果バッテリの価格ははるかに手頃なものとなって、最
終的には特別に設計された再充電可能バッテリにとって代わることとなろう。さ
らに、一次バッテリと再充電可能バッテリを互換可能に使用することができる。
例えば、ラップトップ・コンピュータの再充電可能バッテリが切れた場合、ユー
ザは、再充電可能バッテリが充電されるまでの数時間はもつ一次バッテリを購入
すればよい。高価なバッテリを備えた装置を用いることにより提供されるある種
の高性能レベルを必要としない場合、ユーザは、それよりも安価なバッテリを購
入することができる。

【００７３】 写真フィルムなどで使用されている電子ラベリング技術を使用して、バッテリ
中のセルの正確な種類、セルの定格および／または残存容量、ピークおよび最適
電流送出能力、現在の充電レベル、内部インピーダンスなどを明示することがで
き、これによって「スマート」装置がこの電子ラベリングを読み、その消費を最
適化して、装置の性能を強化したり、バッテリの供給実行時間を延ばしたりする
ことが可能になる。例えば、既に電子ラベリングを利用してフィルム速度を決定
しているカメラでも、特定のバッテリの供給実行時間を最適化するため、電子ラ
ベリング技術をバッテリに利用してフラッシュの充電時間を遅くしたり、フラッ
シュの使用を止めたりすることができる。ラップトップ・コンピュータでも電子
ラベリング技術を利用し、例えば、ユーザが望む期間、バッテリの残りの電荷を
最もよく使用するためにその動作速度を変更することによって、またはバッテリ
のエネルギーを節約するために電源オン／電源オフ技術を利用することによって
、特定のバッテリの最も効率的な動作パラメータを決定することができる。さら
にビデオ・カメラ、携帯電話などでも電子ラベリングを利用して、バッテリの使
用を最適化することができる。

【００７４】 本発明はさらに、ＡＡＡ、ＡＡ、ＣおよびＤ型セル、９ボルト・バッテリなど
の消費者向け標準バッテリに関する。一次バッテリを、異なる種類の一次または
再充電可能バッテリと互換可能に使用できるのに加え、標準一次または再充電可
能バッテリを、現在のところカスタム設計されたバッテリだけしか使用できない
応用に対して使用可能にすることができる。例えば消費者は自分の必要に応じて
、１つまたは複数の一次または再充電可能標準バッテリを購入し、それを、ラッ
プトップ・コンピュータ、ビデオ・カメラ、携帯電話およびその他の携帯電子機
器に直接に装填することができる。先に述べたとおり、製造される標準バッテリ
の数が増加するにつれてバッテリ１つあたりのコストは急速に下がり、その結果
バッテリの価格ははるかに手頃なものとなって、最終的には特別に設計された再
充電可能バッテリにとって代わることとなろう。

【００７５】 最適放電深度が比較的に低い一次バッテリまたは再充電可能バッテリの供給実
行時間を延ばすため、回路製造技術が進歩するにつれいっそう低い電圧で動作す
る放電サブコントローラを設計することができる。放電サブコントローラを例え
ば、シリコンカーバイド（「ＳｉＣ」）実施形態では約０．１ボルト、ガリウム
・ヒ素（「ＧａＡｓ」）実施形態では約０．３４ボルト、従来のシリコン・ベー
スの実施形態では約０．５４ボルトという低い電圧レベルで動作するように設計
することができる。さらに、印刷サイズが縮小するにつれてこれらの最小動作電
圧も低下する。例えばシリコンでは、回路印刷が０．１８ミクロン技術にまで縮
小すると、最小動作電圧は約０．５４ボルトから約０．４ボルトに下がると考え
られる。先に説明したとおり、放電サブコントローラの最小必要動作電圧が低い
ほど、放電サブコントローラはセル電圧を低く調整することができ、これによっ
て一次電気化学セルでは最も深い放電を得ること、または再充電可能電気化学セ
ルではセルを低い最適放電深度まで最適に放電させることができる。したがって
、回路製作におけるさまざまな進歩を利用してバッテリの利用率を電気化学セル
の蓄積電荷のほぼ１００％にまで高めることも本発明は包含する。しかし本発明
のシリコン・ベースの実施形態では、バッテリの蓄電電位の最大９５％を使用す
ることができ、これは、コントローラのない一次電気化学セルの平均４０％〜７
０％の利用率と比べると非常に高い。

【００７６】 例えばシリコン・ベースの好ましい一実施形態では、放電サブコントローラ１
０２が約１ボルト、より好ましくは約０．８５ボルト、より好ましくは約０．８
ボルト、より好ましくは約０．７５ボルト、より好ましくは約０．７ボルト、よ
り好ましくは約０．６５ボルト、より好ましくは約０．６ボルト、最も好ましく
は約０．５４ボルトと低い電圧で動作するように設計される。公称電圧が約１．
５ボルトの電気化学セル用のサブコントローラの設計では、サブコントローラが
、少なくとも約１．６ボルトの入力電圧で動作することができることが好ましい
。この放電サブコントローラが、少なくとも約１．８ボルトの入力電圧で動作す
ることができることがより好ましい。したがって好ましいサブコントローラは、
最低約０．８ボルトから少なくとも１．６ボルトの電圧範囲で動作することがで
きなければならない。ただしこのサブコントローラがこの範囲の外側で動作して
もよく、またそのほうが好ましい。

【００７７】 しかし、公称電圧が約３．０ボルトの一次リチウムＭｎＯ２セルなどの電気化
学セル３０とともに使用するように設計された本発明の放電サブコントローラ１
０２の好ましい実施形態では、このサブコントローラが、公称電圧が約１．５ボ
ルトの電気化学セルとともに使用される放電サブコントローラに対して必要な電
圧レベルよりも高い電圧レベルで動作することができなければならない。公称電
圧が約３．０ボルトの電気化学セルの場合、放電サブコントローラは約２．４ボ
ルト〜約３．２ボルトの範囲で動作可能であることが好ましい。このサブコント
ローラが、約０．８ボルトから少なくとも約３．２ボルトの電圧範囲で動作可能
であることがより好ましい。このサブコントローラが、約０．６ボルトから少な
くとも約３．４ボルトの入力電圧範囲で動作可能であることがより好ましい。こ
のサブコントローラが、約０．５４ボルトから少なくとも約３．６ボルトの入力
電圧範囲で動作可能であることがより好ましく、約０．４５ボルトから少なくと
も約３．８ボルトの電圧範囲で動作することが最も好ましい。ただしこのサブコ
ントローラがこの範囲の外側で動作してもよく、またそのほうが好ましい。

【００７８】 しかし、公称電圧が約４．０ボルトの再充電可能リチウム・イオン・セルなど
の電気化学セル３０とともに使用するように設計された本発明の放電サブコント
ローラ１０２の好ましい実施形態では、このサブコントローラが、公称電圧が約
３．０または約１．５ボルトの電気化学セルとともに使用される放電サブコント
ローラに対して必要な電圧レベルよりもいっそう高い電圧レベルで動作すること
ができなければならない。公称電圧が約４．０ボルトの電気化学セルの場合、放
電サブコントローラは約２．０ボルト〜約４．０ボルトの範囲で動作することが
できることが好ましい。このサブコントローラが、約０．８ボルトから少なくと
も約４．０ボルトの電圧範囲で動作可能であることがより好ましい。このサブコ
ントローラが、約０．６ボルトから少なくとも約４．０ボルトの電圧範囲で動作
可能であることがより好ましい。このサブコントローラが、約０．５４ボルトか
ら少なくとも約４．０ボルトの入力電圧範囲で動作可能であることがより好まし
く、約０．４５ボルトから少なくとも約４．０ボルトの電圧範囲で動作可能であ
ることが最も好ましい。ただしこのサブコントローラがこの範囲の外側で動作し
てもよく、またそのほうが好ましい。

【００７９】 好ましい代替実施形態は、公称電圧が約１．５ボルトの電気化学セルとでも、
または公称電圧が約３．０ボルトの電気化学セルとでも動作することができる。
この実施形態では放電サブコントローラが約０．８ボルト、好ましくは約０．７
ボルト、より好ましくは０．６ボルト、最も好ましくは０．５４ボルトの最小入
力電圧、および少なくとも約３．２ボルト、好ましくは約３．４ボルト、より好
ましくは３．６ボルト、最も好ましくは３．８ボルトの最大入力電圧で動作する
ことができる。例えばこの放電サブコントローラは、約０．５４ボルト〜約３．
４ボルト、約０．５４ボルト〜約３．８ボルト、約０．７ボルト〜約３．８ボル
トなどの入力電圧範囲で動作することができる。

【００８０】 本発明のバッテリはさらに、カットオフ電圧を持たないフラッシュライトなど
の電気装置とともに使用したときに一般的なバッテリに優る明白な利点を有する
。一般的なバッテリではバッテリを放電させるとバッテリの出力電圧は低下する
。電気装置の出力パワーはバッテリが供給する電圧に正比例するため、電気装置
の出力はバッテリの出力電圧の低下に比例して低下する。例えば、バッテリの出
力電圧が低下するにつれてフラッシュライトの電球の輝度はバッテリが完全に放
電されるまで暗くなり続ける。しかし本発明のバッテリは、電気化学セル３０の
電圧がそれよりも低ければサブコントローラが動作することができるレベルに下
がるまでバッテリの放電サイクル全体を通してセル電圧を比較的に一定な制御さ
れた電圧レベルに調整する放電サブコントローラを有する。その時点でバッテリ
は給電を停止し、電気装置は動作を停止する。しかし放電サイクル中、電気装置
は、バッテリが給電を停止するまで、比較的に安定した出力（例えば電球の輝度
）および完全な機能を提供し続ける。

【００８１】 本発明のバッテリの好ましい一実施形態はさらに、ユーザへの低残存電荷警告
ならびに残存容量指示器を含む。例えば放電サブコントローラは、電気化学セル
の電圧が所定の値に達したときに電気化学セルをバッテリの出力端子から短時間
、断続的に切断し再接続することができる。これによって、バッテリ容量がなく
なりつつあることを示す可視、可聴、振動、または装置可読指示を提供すること
ができる。さらにこのサブコントローラは、バッテリ寿命の終わりにバッテリの
出力電圧を低下させることによって、加速されたバッテリ放電状態を故意に再現
することもできる。例えばこのサブコントローラは、バッテリの蓄電容量がその
定格容量の約５％となったときに出力電圧を徐々に低下させることができる。こ
れによって、テープまたはコンパクト・ディスク・プレーヤのボリュームが低下
するなどの指示をユーザに与えること、または指示を装置に与え、これに応じて
装置がユーザに警告することができるようにすることができる。

【００８２】 図７に、放電サブコントローラ７０２のＤＣ／ＤＣ変換器７５０が、電気化学
セル７３０の正極７３２、負極７３４と容器７１２の正端子７２０、負端子７２
２との間に電気的に、好ましくは電子的に接続された本発明の一実施形態のブロ
ック図を示す。ＤＣ／ＤＣ変換器７５０は、電気化学セル７３０の正極７３２と
負極７３４の間の電圧を容器７１２の正端子７２０と負端子７２２の出力電圧に
変換する。ＤＣ／ＤＣ変換器７５０は、昇圧変換、降圧変換、または昇圧変換と
降圧変換の両方、または出力端子７２０、７２２での電圧安定化を提供すること
ができる。この実施形態では、バッテリの実行時間を通して電気化学セル７３０
の出力電圧を、容器の端子７２０、７２２での安定な出力電圧に変換するＤＣ／
ＤＣ変換器７５０が連続モードで動作する。この実施形態は、容器７１２の出力
端子７２０、７２２での出力電圧を安定化する。安定な出力電圧が提供されるこ
とによって、電子装置の設計者は、電子装置の電力管理回路の複雑さを低下させ
ること、およびこれに対応して装置のサイズ、重量および費用を低下させること
ができる。

【００８３】 ＤＣ／ＤＣ変換器７５０は、再充電可能電気化学セルの場合には電気化学セル
７３０のセル電圧が電気化学セルの最適放電深度よりも下がるまで、一次電気化
学セルの場合には電気化学セル７３０のセル電圧が変換器７５０の電子構成部品
の最小順バイアス電圧Ｖｆｂよりも下がるまで動作し続ける。電気化学セルの最
適放電深度またはＤＣ／ＤＣ変換器７５０の最小スイッチング電圧Ｖｆｂが、バ
ッテリ７１０が給電中の電子装置のカットオフ電圧よりも低い範囲で、コントロ
ーラ７４０は、容器７１２の端子７２０、７２２での出力電圧を電子装置のカッ
トオフ電圧よりも高く維持することによって電子装置のカットオフ電圧を越えて
バッテリ７１０を放電させることで、バッテリ７１０の供給実行時間を延ばす。

【００８４】 図７に示す本発明の好ましい一実施形態では連続モードで動作するＤＣ／ＤＣ
変換器７５０が、電気化学セル７３０のセル電圧を容器７１２の出力電圧に下げ
る降圧変換器である。降圧変換器を含む放電サブコントローラ７０２の一実施形
態では、この変換器が、第１の種類の電気化学セル７３０の電圧を、ほぼ第２の
種類の電気化学セルの公称電圧レベルである容器７１２の出力電圧に下げ、その
ため第１の種類の電気化学セル７３０を含むバッテリが、第２の種類の電気化学
セルを含むバッテリと互換可能となる。例えば、標準１．５ボルト・セルよりも
高い公称電圧を有する電気化学セルを連続動作する降圧変換器と組み合わて使用
して、化学的に変更することなしに標準セルと互換可能のセルを提供することが
できる。この実施形態は、電気化学セル自体の構造を化学的に変更することなく
、かつセルの化学的エネルギー貯蔵を減らすことなく、異なる種類の電気化学セ
ル間の互換性を普通なら可能である程度よりも高めることを可能にする。

【００８５】 例えば一次または再充電可能リチウム・セルを標準ＡＡバッテリ・パッケージ
で使用して、同じボリュームのアルカリ・バッテリの少なくとも２倍の容量を提
供することができる。一次または再充電可能リチウムＭｎＯ２などのリチウム・
セルは公称電圧が約３．０ボルトであり、公称電圧が約１．５ボルトの標準ＡＡ
アルカリ・バッテリと互換可能に使用することは普通ならできない。公称電圧が
約４．０ボルトのリチウム・イオン・セルも通常、公称電圧が約１．４ボルトの
標準ＮｉＣｄバッテリと互換可能に使用することはできない。しかし、例えば標
準ＡＡアルカリ・バッテリと互換可能に使用することができるリチウム・バッテ
リを得る目的で、公称電圧が約１．６ボルトの新しい種類のリチウム・バッテリ
（例えばＬｉＦｅＳ２）が作られた。この１．６ボルト・リチウム・バッテリは
、写真機のフラッシュ負荷などの用途向けの高い電流レベルを送達する能力を依
然として有するものの、この１．６ボルト・リチウム電気化学セルを使用すると
、リチウム重量あたりの化学エネルギー蓄積量が化学的に大幅に低減する。しか
し本発明は、公称電圧が約３．０または約４．０ボルトの一次または再充電可能
高電圧リチウム電気化学セル、およびこの公称電圧を約１．５ボルトまたは約１
．４ボルトに下げるコントローラの使用を可能にする。したがってこのバッテリ
は、１．５ボルト・アルカリ・セルまたは１．４ボルトＮｉＣｄバッテリの概ね
２倍の化学エネルギー蓄積量を有し、１．５ボルトまたは１．４ボルト・バッテ
リと完全に互換可能なバッテリとなる。さらに本発明のリチウム・バッテリは、
１．６ボルトＬｉＦｅＳ２セルと同じ高電流レベルを提供する。

【００８６】 さらに、放電サブコントローラ７０２は、バッテリ７１０を使用するフラッシ
ュライトなどの電気装置の性能を最適化する。電気装置は、最小動作電圧での電
子装置のようには動作停止しないが、フラッシュライト電球の輝度などの電気装
置の性能は入力電圧が下がるにつれて低下する。したがってバッテリ７１０の出
力電圧を安定に保つことによってバッテリの実行時間を通して装置の性能を一定
に保つことができ、電気化学セル７３０の電圧が下がっても電気装置の性能は低
下しない。

【００８７】 ＤＣ／ＤＣ変換器７５０は、パルス変調（パルス幅変調（「ＰＷＭ」）、パル
ス振幅変調（「ＰＡＭ」）、パルス周波数変調（「ＰＦＭ」）、パルス位相変調
（「ＰＭ」）など）、パルス・スキップ低デューティ制御方式、共振変換器など
の多数の周知の制御方式のうちの１つのまたは複数の方式を利用して、変換器７
５０の動作パラメータを制御することができる。本発明の変換器７５０の好まし
い一実施形態はパルス幅変調を利用する。いっそう好ましい実施形態は、後に詳
細に説明するパルス幅変調とパルス位相変調の組合せを利用する。

【００８８】 本発明のバッテリ内で使用するＤＣ／ＤＣ変換器７５０の好ましい一実施形態
では、変換器が、ＤＣ／ＤＣ変換器７５０を駆動するパルス幅変調器によって制
御される。パルス幅変調器は、デューティ・サイクルが変動する固定周波数制御
信号を生成する。デューティ・サイクルは例えば、ＤＣ／ＤＣ変換器がオフのと
きにゼロ、変換器が全能力で動作しているときに１００％であり、負荷の要求お
よび／または電気化学セル７３０の残存容量に応じてゼロと１００％の間を変化
する。パルス幅変調方式は、デューティ・サイクルを生成する目的に使用される
少なくとも１つの入力信号を有する。一実施形態では、容器７１２の端子７２０
、７２２のところでの出力電圧が連続的にサンプリングされ、基準電圧と比較さ
れる。ＤＣ／ＤＣ変換器のデューティ・サイクルを変更する目的に誤り訂正信号
が使用される。この例では、容器７１２の端子７２０、７２２の出力電圧からの
負帰還ループが、ＤＣ／ＤＣ変換器７５０が安定した出力電圧を供給することを
可能にする。代替としてＤＣ／ＤＣ変換器７５０は、セル電圧、すなわち電気化
学セル７３０の正極７３２と負極７３４の間の電圧、デューティ・サイクルを生
成する出力電流など、複数の入力信号を利用することができる。この実施形態で
はセル電圧および出力電流がモニタされ、ＤＣ／ＤＣ変換器７５０がこれらの２
つのパラメータに応じたデューティ・サイクルを生成する。

【００８９】 図８〜１１に、本発明の放電サブコントローラ回路の追加の実施形態のブロッ
ク図を示す。これらの実施形態では、放電サブコントローラ回路が少なくとも２
つの主要構成部品、すなわち（１）ＤＣ／ＤＣ変換器および（２）変換器コント
ローラを含む。変換器コントローラは、セル電圧を負荷を駆動するのに必要な電
圧に変換するためにＤＣ／ＤＣ変換器が必要であるときにだけＤＣ／ＤＣ変換器
の内部損失が生じるように、電気化学セルの電極と容器の出力端子の間でＤＣ／
ＤＣ変換器を電気的に、好ましくは電子的に接続／切断する。例えば、これより
低いと負荷が動作することができなくなる所定のレベルにまでセル電圧が下がっ
たときにのみＤＣ／ＤＣ変換器はオンになる。あるいは、電子装置が、例えばバ
ッテリの公称電圧の１０％など、特定の範囲の入力電圧を必要とする場合に、変
換器コントローラは、セル電圧がこの所望の範囲外にあるときにＤＣ／ＤＣ変換
器をオンにし、セル電圧がこの所望の範囲にあるときに変換器をオフにする。

【００９０】 例えば図８では、ＤＣ／ＤＣ変換器８５０が、電気化学セル８３０の正極８３
２、負極８３４と容器８１２の正端子８２０、負端子８２２の間に電気的に接続
されている。変換器コントローラ８５２も、電気化学セル８３０の正極８３２、
負極８３４と容器８１２の正端子８２０、負端子８２２の間に電気的に接続され
ている。この例では変換器コントローラ８５２が、電気化学セル８３０を容器８
１２の出力端子８２０、８２２に直接に接続したり、または電気化学セル８３０
と容器８１２の出力端子８２０、８２２の間にＤＣ／ＤＣ変換器８５０を接続し
たりするスイッチの役割を果たす。変換器コントローラ８５２は出力電圧を連続
的にサンプリングし、これを、内部的に生成した１つまたは複数のしきい電圧と
比較する。例えば容器８１２の出力電圧がこのしきい電圧レベルよりも下がった
場合、または所望のしきい電圧範囲の外側にある場合に、変換器コントローラ８
５２は、電気化学セル８３０と容器８１２の出力端子８２０、８２２の間にＤＣ
／ＤＣ変換器８５０を電気的に、好ましくは電子的に接続することによってＤＣ
／ＤＣ変換器８５０を「オン」にする。このしきい電圧が、電気化学セル８３０
の公称電圧付近からこのバッテリが動作するように設計された対象である電子装
置クラスの最も高いカットオフ電圧の付近までの範囲にあることが好ましい。代
替として変換器コントローラ８５２が、電気化学セル８３０のセル電圧を連続的
にサンプリングし、このセル電圧をしきい電圧と比較して、ＤＣ／ＤＣ変換器８
５０の動作を制御するのでもよい。

【００９１】 再充電可能バッテリの場合には、セル電圧が電気化学セル８３０の最適放電深
度にほぼ達したときに、変換器コントローラ８５２が電気化学セル８３０を容器
８１２の出力端子８２０、８２２から切断することが好ましい。これによって、
それぞれの放電サイクルのバッテリ実行時間が最適化され、バッテリのサイクル
寿命が最大となる。したがってバッテリの供給実行時間を延ばすことができる。

【００９２】 図９の放電サブコントローラ９０２は、図８に示した放電サブコントローラ８
０２の部品群を含むことができ、さらに、電気化学セル９３０の電極９３２、９
３４とＤＣ／ＤＣ変換器９５０、変換器コントローラ９５２、容器９１２の出力
端子９２０、９２２との間に電気的に接続された接地バイアス回路９８０を含む
。接地バイアス回路９８０は、負にバイアスされた電圧レベルＶｎｂをＤＣ／Ｄ
Ｃ変換器９５０および容器９１２の負出力端子９２２に印加する。これによって
、ＤＣ／ＤＣ変換器９５０に印加される電圧は、セル電圧から、セル電圧に負バ
イアス電圧レベルＶｎｂの絶対値を加えた電圧レベルに増大する。これによって
変換器９５０は、接地バイアス回路９８０を駆動するのに必要な最小順バイアス
電圧よりも実際のセル電圧が下がるまで、効率的な電圧レベルで動作することが
できるようになる。したがって変換器９５０は、電気化学セル９３０のセル電圧
だけで変換器９５０を駆動する場合に可能であるよりも高い電流レベルをより効
率的に電気化学セル９３０から引き出すことができる。公称電圧が約１．５ボル
トの電気化学セルを有する本発明のバッテリ９１０用の放電サブコントローラ９
０２の好ましい一実施形態では、負バイアス電圧Ｖｎｂが約０ボルト〜約１ボル
トの範囲にあることが好ましい。負バイアス電圧Ｖｎｂが約０．５ボルトである
ことがより好ましく、約０．４ボルトであることが最も好ましい。したがって接
地バイアス回路９８０は、変換器が、電気化学セル９３０をより深く放電させ、
公称電圧が約１．５ボルトの電気化学セルに対してセル電圧が約１ボルトよりも
下がったときに電気化学セル９３０から電流を引き出す際の変換器９５０の効率
を高めることを可能にする。

【００９３】 本発明のバッテリ９１０内で接地バイアス回路９８０として使用することがで
きるチャージ・ポンプ９８８の例示的な一実施形態を図９Ａに示す。この実施形
態では、スイッチＳ１およびＳ３が閉じ、Ｓ２およびＳ４が開いているときに電
気化学セル９３０のセル電圧がコンデンサＣａを充電する。次いでスイッチＳ１
およびＳ３を開き、Ｓ２およびＳ４を閉じると、コンデンサＣａ上の電荷は逆転
し、コンデンサＣｂに移動し、コンデンサＣｂは、電気化学セル９３０のセル電
圧とは逆の出力電圧を供給する。代替として、図９Ａに示したチャージ・ポンプ
９８８の代わりに当技術分野で周知の適当なチャージ・ポンプ回路を用いること
もできる。

【００９４】 本発明の好ましい一実施形態では、接地バイアス回路９８０がチャージ・ポン
プ回路９８６を含む。チャージ・ポンプ回路９８６は図９Ｂに示されており、ク
ロック発生器９８７および１つまたは複数のポンプ９８８を含む。例えば図９Ｂ
に示すチャージ・ポンプ回路９８６の好ましい一実施形態では、チャージ・ポン
プが、４つのミニ・ポンプ９８９および１つの主ポンプ９９０を含む２段構成を
含む。ただし任意の数のミニ・ポンプ９８９を使用することができる。例えばチ
ャージ・ポンプ回路９８６の好ましい一実施形態は、１２のミニ・ポンプ９８９
および１つの主ポンプを含む。この実施形態のミニ・ポンプ９８９および主ポン
プ９９０は、クロック発生器９８７によって生成される周波数は同じだが位相が
互いにずれた４つの異なる位相ずれ制御信号９９１ａ、９９１ｂ、９９１ｃ、９
９１ｄによって駆動される。制御信号９９１ａ〜９１１ｄの位相を例えば、互い
に９０度ずつずらすことができる。この実施形態ではそれぞれのミニ・ポンプ９
８９が、クロック発生器によって生成された制御信号９９１ａ〜９１１ｄを逆に
した出力電圧を供給する。主ポンプ９９０は、複数のミニ・ポンプ９８９の出力
を合計し、ミニ・ポンプ９８９の個々の出力電圧と同じ電圧レベルで、１２の全
てのミニ・ポンプ９８９が供給した電流の合計であるより高い電流レベルのチャ
ージ・ポンプ回路９８６出力信号を供給する。この出力信号は、ＤＣ／ＤＣ変換
器９５０および容器９１２の出力負端子９２２に対する仮想接地となる。

【００９５】 本発明の他の一態様ではチャージ・ポンプ回路がさらに、チャージ・ポンプ回
路９８６に関連した損失を最小限に抑えるためにセル電圧が所定の電圧レベルま
で下がったときにのみチャージ・ポンプ回路９８６をオンにするチャージ・ポン
プ・コントローラ９９２を含む。チャージ・ポンプ・コントローラ９９２のこの
所定の電圧を例えば、電気化学セル９３０の公称電圧付近からバッテリ９１０が
給電するように設計された対象である電子装置群の最も高いカットオフ電圧付近
までの範囲に含まれるものとすることができる。この所定の電圧が、電子装置の
カットオフ電圧よりも約０．１ボルト高いことが好ましく、カットオフ電圧より
も約０．０５ボルト高いことが最も好ましい。代替として、ＤＣ／ＤＣ変換器９
５０をオンにするのと同じ制御信号でチャージ・ポンプ回路９８６を制御して、
変換器９５０が動作中のときにだけチャージ・ポンプ回路９８６が動作するよう
にしてもよい。

【００９６】 さらに再充電可能電気化学セルを有するバッテリでは、ＤＣ／ＤＣ変換器９５
０とチャージ・ポンプ回路９８６がともに、セル電圧がほぼ最適放電深度に下が
ったときにオフになることが好ましい。これによって、この再充電可能電気化学
セルを最適に放電させることができ、これによってこのセルの充電サイクルの回
数および効率を最大にすることができる。

【００９７】 さらに、接地バイアス回路９８０がオフになったときに、容器９１２の出力負
端子９２２に印加された仮想接地が、電気化学セル９３０の負極９３４の電圧レ
ベルまで落ちることが好ましい。したがって接地バイアス回路９８０が動作して
いないとき、バッテリは、電気化学セル９３０の負極９３４によって提供される
標準接地構成で動作する。

【００９８】 代替として接地バイアス回路９８０は、バック−ブースト（Ｂｕｃｋ−Ｂｏｏ
ｓｔ）変換器、Ｃｕｋ変換器、線形調整器などの第２のＤＣ／ＤＣ変換器を備え
ることができる。さらに、ＤＣ／ＤＣ変換器９５０と接地バイアス回路９８０を
結合すること、およびこれらの代わりに、正の出力電圧をシフトアップし、負バ
イアスをシフトダウンさせる、バック−ブースト変換器、プッシュ−プル変換器
、フライバック変換器などの単一の変換器を用いることができる。

【００９９】 図１０に、本発明の放電サブコントローラ回路の他の実施形態１００２を示す
。この実施形態ではＤＣ／ＤＣ変換器１０５０が、位相シフト検知回路１０６２
などの外部源からの訂正制御信号を受け取る能力を有する。図７を参照して先に
説明したのと同様に、ＤＣ／ＤＣ変換器１０５０はパルス幅変調器などの制御方
式を利用して、変換器１０５０の動作パラメータを制御する。この実施形態では
、放電サブコントローラ回路１００２が図９に示した放電サブコントローラ回路
９０２と同じ部品を含み、さらに、電極１０３２でのセル電圧のＡＣ成分と電流
検知抵抗器Ｒｃの両端で測定した電気化学セル１０３０から引き出された電流の
ＡＣ成分との間の瞬時位相シフトを測定する位相シフト検知回路１０６２を含む
。ＤＣ／ＤＣ変換器１０５０はこの信号を、内部的にまたは外部的に生成された
他の制御信号と組み合わせて使用し、デューティ・サイクルを生成する。

【０１００】 図１１に示す実施形態の放電サブコントローラ１１０２は、図１０に示した放
電サブコントローラ１００２と同じ部品を含むことができ、さらに、電流検知抵
抗器Ｒｃの両端および電気化学セル１１３０の負端子１１２２に電気的に接続さ
れ、さらに変換器コントローラ１１５２に接続された非常時回路１１８２を含む
。非常時回路１１８２は、消費者、バッテリ１１１０を利用している電気または
電子装置、あるいは電気化学セル１１３０自体を保護するために容器１１１２の
出力端子１１２０、１１２２から電気化学セル１１３０を切断する必要がある安
全に関係した１つまたは複数の状態に応答して、変換器コントローラ１１５２に
信号を送ることができる。例えば短絡または逆極性の場合に非常時回路１１８２
は、電気化学セル１０３０の電極１１３２、１１３４を容器１１１２の端子１１
２０、１１２２から切断するよう求める信号を変換器コントローラ１１５２に送
る。さらに非常時回路１１８２は、電気化学セル１１３０の電圧および／または
内部インピーダンスを検知することによって電気化学セル１１３０の放電サイク
ルの終了の指示を変換器コントローラ１１５２に送ることもできる。放電サブコ
ントローラ１１０２は例えば、電気化学セル１１３０の残存容量が所定のレベル
へまで落ちたときに電流を徐々に低減させること、電気化学セル１１３０の残存
容量が所定の値に達したときに電気化学セルの電極１１３２、１１３４を出力端
子１１２０、１１２２から短時間の間断続的に切断／再接続すること、またはバ
ッテリが給電を停止しようとしていることを示すその他のなんらかの可視、可聴
、または装置可読指示を提供することができる。これとは別に非常時回路１１８
２を使用して、電流検知回路１１８３が、コントローラ１１５０が維持できる電
流速度よりも高い安定した電流速度を指示した場合にコントローラ迂回モードを
提供することもできる。この電流が、セル１１３０の安全限界の内側にある場合
に、非常時回路１１８２は変換器コントローラ１１５２に、変換器１１５０を迂
回して電気化学セル１１３０の電極１１３２、１１３４を出力端子１１２０、１
１２２に直接に接続するよう求める信号を送ることができる。放電サイクルの終
わりに非常時回路は、放電させた電気化学セル１１３０が電気化学セル１１３０
に直列に接続されたその他のセルの電流を消費しないように、電気化学セル１１
３０を容器１１１２の端子１１２０、１１２２から切断し、かつ／または出力端
子１１２０と１１２２を短絡することを求める信号を変換器コントローラ１１５
２に送ることができる。

【０１０１】 図１２に示す好ましい放電サブコントローラ１２０２は、容器１２１２の正端
子１２２０から正極１２３２を電子的に接続／切断することができる同期整流器
１２７４を有するＤＣ／ＤＣ変換器１２５０を含む。同期整流器１２７４のスイ
ッチは、電気化学セル１２３０の正極１２３２または負極１２３４と容器の出力
端子１２２０および１２２２との間の直通電気経路上に変換器コントローラ８５
２などの追加のスイッチを配置する必要性を排除する。さらに同期整流器１２７
４は、内部損失を減らすことによってＤＣ／ＤＣ変換器１２５０の効率を向上さ
せる。この実施形態の変換器コントローラ１２５２ではさらに、ＤＣ／ＤＣ変換
器１２５０を制御するための追加の入力信号を使用できる。例えば、図１２に示
した実施形態では変換器コントローラ１２５２が、図１０を参照して先に説明し
た位相シフト測定に加えて、温度、圧力、水素濃度、酸素濃度センサなどのセン
サ（図示せず）を介して電気化学セルの内部環境をモニタする。

【０１０２】 図７〜１２は、本発明の回路設計をより複雑なものへと順に示したものである
。これらの図をこの順番に示したのは、本発明のコントローラの中心部品である
ＤＣ／ＤＣ変換器以外に放電サブコントローラ回路に含めることができる種々の
部品を順序立てて説明するためである。提示順は、複数の異なる部品を結合した
回路に後になって導入された部品がそれよりも前の図を参照して説明した全ての
特徴を有していなければ本発明の範囲には入らないということを暗示しようとし
たものではない。例えば、非常時回路、電荷指示回路、位相検知回路および／ま
たは接地バイアス回路を、これらの部品を示す図に示した変換器コントローラま
たはその他の部品なしでも図６〜１１の回路と組み合わせて使用することができ
る。

【０１０３】 本発明のバッテリ１３１０中で使用する内蔵コントローラ回路の好ましい一実
施形態１３４０は、ＤＣ／ＤＣ変換器１３５０および変換器コントローラ１３５
２を含み、図１３に示されている。変換器１３５０は、ほとんどの電子装置のし
きい電圧よりも低い電圧で動作することができる高効率かつ中電力の変換器であ
ることが好ましい。放電サブコントローラ１３０２は、電気化学セル１３３０の
負極１３３４の電位よりも低い電位を有する仮想接地をＤＣ／ＤＣ変換器１３５
０および容器１３１２の出力端子１３２２に供給する、図９Ｂに示したものなど
のチャージ・ポンプを含むことが好ましい。仮想接地は、ＤＣ／ＤＣ変換器１３
５０を駆動する目的に使用可能な電圧差を増大させ、変換器１３５０が、セル電
圧だけで変換器を駆動する場合に可能であるよりも高い電流レベルをより効率的
に電気化学セル１３３０から引き出すことを可能にする。

【０１０４】 この実施形態では変換器コントローラ１３５２が、パルス幅変調／パルス位相
変調制御方式を利用することが好ましい。位相シフト検知回路１３６２は、電気
化学セル１３３０の正極１３３２、負極１３３４のところでのセル電圧および電
気化学セル１３３０から引き出された電流、ならびにこの電圧と電流の間の瞬時
および／または連続位相シフトを測定する。この位相シフトは、電気化学セル１
３３０の電荷容量の関数である電気化学セル１３３０の内部インピーダンスを規
定する。例えばアルカリ・バッテリでは、セルの閉路電圧降下によって決定され
る電気化学セル１３３０の約５０％放電後の内部インピーダンスの増大は、電気
化学セル１３３０の残存容量を指示する。位相シフト検知回路１３６２はこれら
の信号を位相線形コントローラ１３７１に送る。位相線形コントローラ１３７１
は次いで、位相シフト検知回路１３６２によって検知された電圧Ｖｓおよび位相
シフトに正比例した出力電圧制御信号Ｖ（ｐｓｉ）を、パルス幅変調およびパル
ス位相変調制御方式を組み合わせて利用するパルス変調器１３７６に送る。パル
ス変調器１３７６は、抵抗器Ｒｓの両端間の電圧降下を電圧制御信号として受け
取る。

【０１０５】 パルス変調器１３７６はこれらの電圧制御信号を組み合わせて使用して、ＤＣ
／ＤＣ変換器１３５０を駆動する。電圧Ｖｓが所定のしきい電圧レベルよりも高
いとき、パルス変調器１３７６は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（「
ＭＯＳＦＥＴ」）Ｍ３を閉状態に、ＭＯＳＦＥＴ Ｍ４を開状態に維持する。し
たがって、電気化学セル１３３０から負荷までの電流経路はＭＯＳＦＥＴ Ｍ３
を介して維持される。さらに、デューティ・サイクルが０パーセントに効果的に
維持されるため、ＤＣ／ＤＣ変換器１３５０および変換器コントローラ１３５２
に関連した損失は最小限に抑えられる。この場合、閉じたＭＯＳＦＥＴ Ｍ３お
よび抵抗器ＲｓのＤＣ損失は極めて低い。例えば抵抗Ｒｓは、約０．０１〜約０
．１オームの範囲に含まれることが好ましい。

【０１０６】 電圧Ｖｓが所定のしきい電圧レベルよりも低いとき、パルス変調器１３７６は
オンになり、前述の電圧制御信号の組合せに基づいてＤＣ／ＤＣ変換器１３５０
のデューティ・サイクルを変調する。Ｖｓの振幅は、デューティ・サイクルを制
御する第１の制御信号として機能する。出力電流の関数である電流検知抵抗器Ｒ
ｓまたは電流センサの両端間の電圧降下は、第２の制御信号として機能する。最
後に、位相線形コントローラ１３７１によって生成され、セル電圧と電気化学セ
ル１３３０から引き出された電流のＡＣ成分間の位相シフトに正比例する信号Ｖ
（ｐｓｉ）は第３の制御信号である。具体的にはＶ（ｐｓｉ）信号は、変換器の
効率およびバッテリ実行時間に影響するデューティ・サイクルを、バッテリ実行
時間を通した内部インピーダンスの変化に応答して変更する目的に使用される。
パルス変調器は、Ｖｓの瞬時および／または連続振幅が低下した場合、あるいは
抵抗器Ｒｓの両端間の電圧降下が増大し、かつ／または制御信号Ｖ（ｐｓｉ）の
瞬時および／または連続振幅が増大した場合に、デューティ・サイクルを増大さ
せる。それぞれの変数の寄与は、適当な制御アルゴリズムに基づいて重み付けさ
れる。

【０１０７】 パルス変調器１３７６がオンになるとその発振器が、デューティ・サイクルが
５０％、周波数が約４０ｋＨｚ〜約１ＭＨｚの範囲にあることが好ましい台形ま
たは方形波の制御パルスを生成する。周波数は、約４０ｋＨｚ〜約６００ｋＨｚ
の範囲にあることがより好ましく、一般に約６００ｋＨｚであることが最も好ま
しい。パルス変調器１３７６は、ＭＯＳＦＥＴ Ｍ３およびＭ４に対する出力制
御信号のデューティ・サイクルを適当な制御アルゴリズムを利用して変更する。
最も一般的にはこの制御アルゴリズムがＭ３およびＭ４を、同じデューティ・サ
イクル、逆位相で動作させる。ＭＯＳＦＥＴ Ｍ３およびＭ４は、相補型高電力
トランジスタであることが好ましく、Ｍ３がＮチャネルＭＯＳＦＥＴ、Ｍ４がＰ
チャネルＭＯＳＦＥＴであることが好ましい。完全なＤＣ／ＤＣ変換器１３５０
の構成は本質的に、出力に同期整流器を備えたブーストＤＣ／ＤＣ変換器である
。さらに変換器１３５０は、非同期ショットキー・ダイオードの代わりにＭＯＳ
ＦＥＴ Ｍ３を使用することによってＡＣおよびＤＣ損失を最小限に抑える。別
個の制御信号がＭ３およびパワーＭＯＳＦＥＴ Ｍ４を駆動する。Ｍ３の制御信
号とＭ４の制御信号の間の位相および／またはデューティ・サイクルが変更され
ると、容器１３１２の端子１３２０と１３２２の間の出力電圧が変更される。

【０１０８】 パルス変調器１３７６は、電圧Ｖｓ、抵抗器Ｒｓの両端間の電圧降下、電気化
学セル１３３０の内部インピーダンスなどの１つまたは複数の電圧制御信号に基
づいてＭＯＳＦＥＴ Ｍ３およびＭ４を制御することができる。例えば負荷の電
力消費量が低い場合、パルス変調器１３７６は、ＤＣ／ＤＣ変換器１３５０のデ
ューティ・サイクルを０パーセントに近くする。負荷の電力消費量が高い場合に
は、パルス変調器１３７６は、ＤＣ／ＤＣ変換器１３５０のデューティ・サイク
ルを１００％に近くする。負荷の電力消費量がこれらの２つのエンドポイント間
を変動すると、パルス変調器１３７６はＤＣ／ＤＣ変換器のデューティ・サイク
ルを変化させて負荷が要求する電流を供給する。

【０１０９】 図１４に、本発明のコントローラを持たないバッテリＢ１、変換器が連続モー
ドで動作する放電サブコントローラを有する本発明のバッテリＢ２、およびバッ
テリの設計対象である一般的な電子装置に対するバッテリのカットオフ電圧より
も高い電圧で変換器がオンになる放電サブコントローラを有する本発明のバッテ
リＢ３の例示的な放電曲線の比較を示す。図１４に示すように、本発明のコント
ローラを持たないバッテリＢ１は、カットオフ電圧Ｖｃを有する電子装置内で時
刻ｔ１に機能しなくなる。しかしバッテリＢ２の放電サブコントローラは、バッ
テリの実行時間の間ずっとバッテリの出力電圧を電圧レベルＶ２まで連続的に押
し上げる。バッテリＢ２の電気化学セルのセル電圧が放電サブコントローラの最
小動作電圧レベルＶｄまで落ちると、バッテリＢ２の放電サブコントローラは動
作を停止し、バッテリの出力電圧が時刻ｔ２にゼロまで下がり、バッテリＢ２の
有効実行時間は終了となる。図１４のグラフに示すように、変換器が連続モード
で動作するサブコントローラを有するバッテリＢ２の有効実行時間の延長分はｔ
２−ｔ１である。

【０１１０】 しかし、バッテリＢ３のコントローラは、電気化学セルのセル電圧が所定の電
圧レベルＶｐ３に達するまでバッテリの出力電圧の押上げを開始しない。所定の
電圧レベルＶｐ３は、電気化学セルの公称電圧レベルとバッテリが給電する予定
の電子装置クラスの最も高いカットオフ電圧との間にあることが好ましい。所定
の電圧レベルＶｐ３が、バッテリが給電する予定の電子装置クラスの最も高いカ
ットオフ電圧Ｖｃよりも約０．２ボルト高いことがより好ましい。所定の電圧レ
ベルＶｐ３が、バッテリが給電する予定の電子装置クラスの最も高いカットオフ
電圧Ｖｃよりも約０．１５ボルト高いことがより好ましい。所定の電圧レベルＶ
ｐ３が、バッテリが給電する予定の電子装置クラスの最も高いカットオフ電圧Ｖ
ｃよりも約０．１ボルト高いことがより好ましく、Ｖｃよりも約０．０５ボルト
高いことが最も好ましい。セル電圧が所定の電圧レベルＶｐ３に達すると、バッ
テリＢ３の変換器は、出力電圧を電圧レベルＶｃ＋ΔＶに押し上げるか、または
このレベルに安定化することを開始する。電圧レベルΔＶは図１４に示されてお
り、押し上げられたバッテリＢ３の出力電圧とカットオフ電圧Ｖｃの間の電圧差
を表す。この電圧レベルΔＶが約０ボルト〜約０．４ボルトまでの範囲に含まれ
ることが好ましく、約０．２ボルトであることがより好ましい。その後、バッテ
リＢ３は、電気化学セルのセル電圧が変換器の最小動作電圧Ｖｄまで下がり、バ
ッテリＢ３のコントローラが動作を停止するまで出力を供給し続ける。コントロ
ーラが動作を停止した時刻ｔ３に、バッテリ出力電圧は０まで落ち、バッテリＢ
３の有効実行時間は終わる。図１４のグラフに示すように、本発明の変換器を持
たないバッテリＢ１に対するバッテリＢ３の有効実行時間の延長分はｔ３−ｔ１
である。

【０１１１】 図１４はさらに、同じ電子装置に接続したときにバッテリＢ３がバッテリＢ２
よりも長持ちすることを示している。バッテリＢ２の変換器は連続して動作する
ため、変換器の内部損失がバッテリＢ２の電気化学セルのエネルギー容量の一部
を消費し、したがって、放電サイクルの一時期にしかコントローラが動作しない
バッテリＢ３に比べバッテリＢ２のセル電圧は、より短い時間で変換器の最小動
作電圧Ｖｄに達する。このように、バッテリＢ３の所定の電圧Ｖｐ３の選択を最
適化する、すなわちこのバッテリが給電している電子装置のカットオフ電圧に近
い値を選択することによって、電気化学セルが最も効率的に使用され、バッテリ
実行時間の延長分がより大きくなる。したがって、バッテリＢ３の所定の電圧Ｖ
ｐ３が、このバッテリが給電する予定の電子または電気装置のカットオフ電圧に
等しいか、またはそれよりもわずかに高いことが好ましい。例えば、所定の電圧
Ｖｐ３がカットオフ電圧よりも約０．２ボルト高いことが好ましい。所定の電圧
Ｖｐ３がカットオフ電圧よりも約０．１５ボルト高いことがより好ましい。所定
の電圧Ｖｐ３がカットオフ電圧よりも約０．１ボルト高いことがより好ましく、
カットオフ電圧よりも約０．０５ボルト高いことが最も好ましい。

【０１１２】 しかし、バッテリが、さまざまな電子装置に対応するユニバーサル・バッテリ
として設計されている場合には、所定の電圧Ｖｐ３が、この電子装置群の最も高
いカットオフ電圧に等しいか、またはそれよりもわずかに高くなるように選択さ
れることが好ましい。例えば、所定の電圧Ｖｐ３が、その電子装置群の最も高い
カットオフ電圧よりも約０．２ボルト高いことが好ましい。所定の電圧Ｖｐ３が
、その電子装置群の最も高いカットオフ電圧よりも約０．１５ボルト高いことが
より好ましい。所定の電圧Ｖｐ３が、その電子装置群の最も高いカットオフ電圧
よりも約０．１ボルト高いことがより好ましく、その電子装置群の最も高いカッ
トオフ電圧よりも約０．０５ボルト高いことが最も好ましい。

【０１１３】 図１４のグラフはさらに、変換器の最小動作電圧Ｖｄが低いほど、本発明のコ
ントローラを持たないバッテリＢ１と比較した場合の実行時間の延長分が長いこ
とを示している。さらに、電子装置のカットオフ電圧Ｖｃと変換器の最小動作電
圧Ｖｄの差が大きいほど、電気化学セルのセル電圧の押上げのため、本発明のコ
ントローラによって達成されるバッテリの実行時間の延長分は長くなる。

【０１１４】 さらに図１４は、装置のカットオフ電圧がもはや一次または再充電可能電気化
学セルの放電の制限因子ではないことも示している。コントローラがバッテリの
出力電圧を装置のカットオフ電圧よりも高く維持することができる限り、バッテ
リの電気化学セルは放電を続けることができる。一次バッテリではこれによって
、変換器の最小動作電圧に応じセルをできる限り完全に放電させることができる
ようになる。再充電可能バッテリでは本発明によって、再充電可能電気化学セル
の最適放電深度に等しいか、またはこれよりも低いセル電圧で変換器が動作する
ことができる限り、装置のカットオフ電圧から独立した再充電可能バッテリの供
給実行時間を延長する最適放電が可能になる。

【０１１５】 充電サブコントローラ 充電サブコントローラ１０４も、本発明の再充電可能バッテリのサイクル寿命
を延ばすことができる。充電サブコントローラは、個々のそれぞれの電気化学セ
ルの充電シーケンスを個別に制御することによってバッテリのサイクル寿命を延
ばすことができる。したがって充電サブコントローラは、その特定のセルからの
実際のフィードバックに基づいてそれぞれのセルの充電を最適化し、それぞれの
充電および放電サイクルの回数および効率を最大にすることができる。充電サブ
コントローラは例えば、それぞれのセルのセル電圧および／または内部インピー
ダンスを直接にモニタすることによってそれぞれのセルの充電を制御する。これ
によって充電サブコントローラは、複数の単一セル・バッテリあるいは１つまた
は複数の多セル・バッテリの個々のそれぞれの電気化学セルの充電サイクルを制
御することができる。

【０１１６】 充電サブコントローラ１０４はさらに、放電サイクルの「オフタイム」中に、
すなわち電気化学セルが放電モードではないときに電気化学セルを充電すること
によって、鉛−酸バッテリなどの深く放電させないほうが好ましい再充電可能バ
ッテリの実行時間を延ばすことができる。例えば、コントローラは、それらのセ
ルの放電の「オフタイム」中に充電サブコントローラが１つまたは複数の個別セ
ルを充電することを可能にする。放電の「オフタイム」が、放電の「オンタイム
」、すなわち特定の電気化学セルがアクティブに放電している時間に比べ十分に
長い場合、充電サブコントローラは、セルを少なくともフル充電に近い状態に維
持することができる。デューティ・サイクルが十分に大きく、充電サブコントロ
ーラが、電気化学セルの充電を所定の電圧レベルよりも高く、またはその特定の
電気化学セルまたはその種類の電気化学セルの所望の最大放電深度に対応する特
定のインピーダンス・レベルよりも低く維持することができないような十分な期
間にわたって装置が動作する場合、放電サブコントローラは、再充電可能電気化
学セルが所望の最大放電深度に達したときにバッテリの放電サイクルを終了させ
ることができる。充電サブコントローラはさらに、充電サイクルの終了を決定す
る本出願に記載のその他の方法、または当技術分野で周知のその他の手段によっ
てセルの公称電圧などのある所定の電圧レベルよりもセル電圧が下がったときに
だけセルを充電することによって過充電を防ぐことができる。したがってコント
ローラは、放電サイクル中にセルが最適放電深度を越えて放電しないようにし、
充電サイクル中の充電シーケンスを最適化することによって、再充電可能電気化
学セルの供給実行時間を最適化することができる。

【０１１７】 充電サイクル用の代替電源装置には、装置の電源コードなどの外部電源、また
は装置内の他の電気化学セル、その再充電可能電気化学セルとともにハイブリッ
ド・バッテリ中にパッケージングされた他の電気化学セルなどの内部電源が含ま
れる。例えば一次セルを、装置内にパッケージングしたり、または再充電可能電
気化学セルとともにハイブリッド・バッテリ中にパッケージングすることができ
る。エネルギー密度は高いが比較的に低い電流レベルしか提供することができな
い亜鉛−空気セルなどの金属−空気セルは、再充電可能電気化学セルの充電に使
用することができる特に有利な代替電源装置となる。代替として、再充電可能電
気化学セルに充電源を提供するため、燃料セルなどの代替電源装置をハイブリッ
ド・バッテリ中に含めることができる。

【０１１８】 さらに、充電サブコントローラは、本発明のバッテリを充電するのに接触型充
電システムと非接触分離型充電システムのどちらでも使用することができる。

【０１１９】 本発明のバッテリの好ましい一実施形態は、ユーザへのフル充電の指示を含む
。この充電サブコントローラは例えば、バッテリが完全に充電されたことをユー
ザに指示する可視または可聴指示を提供する。代替として充電サブコントローラ
が充電システム可読または装置可読の指示を提供し、それに応じて充電システム
または装置がユーザに警告するようにしてもよい。

【０１２０】 図１５に、充電サブコントローラ回路１５０４を含む本発明のバッテリのブロ
ック図を示す。充電サブコントローラ回路１５０４は、バッテリ１５１０に内蔵
されることが好ましく、再充電可能電気化学セル１５３０の充電サイクルを最適
化するために外部充電源または回路からの着信電力信号を安全かつ効率的に制御
する責任を負う。充電サブコントローラ回路１５０４は、検知回路１０５から受
け取った入力電圧制御信号および／または自体の内部検知回路からのフィードバ
ックに基づいて、外部充電源からの着信電力信号を制御する。例えば充電サブコ
ントローラ１５０４は、電気化学セル１５３０の内部インピーダンスを規定する
電圧制御信号Ｖ（ｐｓｉ）を制御する。この制御信号は、位相線形コントローラ
１５７１によって生成される信号であり、図１３に関して説明されている。代替
として充電サブコントローラが、セル電圧または充電電流によって、あるいは内
部インピーダンス、セル電圧および充電電流のうちの２つ以上の組合せによって
電気化学セル１５３０の充電を制御してもよい。さらに、バッテリ１５１０の容
器１５１２内で測定された水素濃度、酸素濃度、温度および／または圧力などの
物理状態を充電サブコントローラが使用して、電気化学セル１５３０を最適に充
電することができる。

【０１２１】 端子１５２０、１５２２の電圧が電気化学セル１５３０のセル電圧よりも高い
とき、放電サブコントローラ１５０２のパルス変調器１５７６はＮチャネルＭＯ
ＳＦＥＴ Ｍ３を閉じ、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ Ｍ４を開く。ＭＯＳＦＥＴ
Ｍ３は、端子１５２０、１５２２からの電流経路を生成して電気化学セル１５３
０を充電し、ＭＯＳＦＥＴ Ｍ４は端子１５２０と１５２２の間の短絡を防ぐ。
パルス変調器１５７６はさらに、接地バイアス回路１５８０のクロック発生器１
５８７に電圧制御信号を送ることによって、接地バイアス回路１５８０をオフに
することができる。例えば図９Ａのチャージ・ポンプの例では、クロック発生器
９８７がスイッチＳ１、Ｓ２を開き、スイッチＳ３、Ｓ４を閉じて、仮想接地出
力を電気化学セル９３０の負極９３４の電位まで落とす。代替として接地バイア
ス回路１５８０が、図９Ｂのチャージ・ポンプ・コントローラ９９２に関して説
明したように動作するチャージ・ポンプ・コントローラ１５９２など内部コント
ローラを含む場合には、この内部コントローラが、端子１５２０、１５２２の電
圧を電気化学セル１５３０のセル電圧と直接に比較し、端子１５２０と１５２２
の間の電圧が電気化学セル１５３０のセル電圧よりも高い場合にクロック発生器
１５８７を直接に制御することによって接地バイアス回路１５８０の動作を停止
させてもよい。これによって仮想接地出力は、電気化学セル１５３０の負極１５
３４の電位に落ちる。

【０１２２】 本発明の好ましい一実施形態では、充電サブコントローラ回路１５０４が内部
インピーダンス情報を使用して、振幅、周波数、立下がりエッジおよび立上がり
エッジを含む最も効率的なＡＣ信号プロファイルを決定する。したがってこの充
電サブコントローラは、電気化学セルの動的および静的な内部充電損失を最小限
に抑え、特定の電気化学セルに対する可能な最も速い充電速度の制御を提供する
。さらに、水素濃度、酸素濃度、温度、圧力などの物理状態センサによって、充
電状態をさらに最適化する能力を得ることができる。

【０１２３】 電気化学セルが完全に充電されたと判定すると、充電サブコントローラ回路１
５０４はＮチャネルＭＯＳＦＥＴ Ｍ３を開く。これによって電気化学セル１５
３０が容器１５１２の端子１５２０、１５２２から切断され、したがって外部充
電源または回路から切断される。

【０１２４】 電気化学セル１５３０の充電の制御に内部インピーダンスを利用することによ
って、電気化学セル１５３０の真のイオンおよび電気インピーダンス状態に基づ
く充電の最適化が可能になる。充電サブコントローラ１５０４をそれぞれの容器
１５１２内に配置すると、充電サブコントローラがそれぞれのセルの充電を個々
に制御することになるので、複数の単一セル・バッテリまたは多セル・バッテリ
の個々の電気化学セル１５３０の制御が向上する。セル１５３０を、その他の電
気化学セル１５３０と直列および／または並列構成に配置して充電することがで
きる。直列構成でセルを充電する場合、充電サブコントローラ１５０４は端子間
に高インピーダンス経路を含み、そのため電気化学セル１５３０が完全に充電さ
れたときに充電サブコントローラ１５０４は、セル１５３０と直列に接続された
その他のセルに充電電流を分流することができる。セルが並列に接続されている
場合、充電サブコントローラ１５０４は電気化学セル１５０４を充電電流から切
断することができる。多セル・バッテリのそれぞれの電気化学セルの中にコント
ローラを配置すると、同じ充電電流を、それぞれのセルの中の個々のコントロー
ラでそのセルが最適に充電されるように制御することによって、そのセルの電気
化学性に関係なくそれぞれのセルを充電することができる。さらにこの充電サブ
コントローラは、セルの公称電圧が異なっているときでもハイブリッド・バッテ
リの複数のセルを充電することができる。

【０１２５】 図１６に、図１５に示した本発明のバッテリ中で使用することができる充電サ
ブコントローラ回路１５０４の構成の一実施形態を示す。この実施形態では充電
サブコントローラ回路１６０４が、ユニバーサル充電回路１６７７、バースト回
路１６７８および充電制御状態機械１６７９を含む。充電制御状態機械１６７９
はバースト回路１６７８を使用して、電気化学セル１５３０の電極１５３２およ
び１５３４のところに試験電流Ｉｓおよび試験電圧Ｖｓを生成させる。図１３を
参照して説明したように位相線形コントローラ１５７１は、試験電流Ｉｓと試験
電圧Ｖｓの間の位相シフトを検出する。バースト回路１６７８は、バースト・ド
ライバ１６６８およびｎチャネルＭＯＳＦＥＴ Ｍ１を含むことが好ましい。バ
ースト・ドライバ１６６８は、ＭＯＳＦＥＴ Ｍ１のゲートを駆動する高周波制
御パルス信号を生成する。試験電流ＩｓがＭＯＳＦＥＴ Ｍ１を流れ、位相線形
コントローラ１５７１が試験電流Ｉｓと試験電圧Ｖｓの間の位相シフト角（）を
検出する。位相線形コントローラ１５７１は、セル電圧と電気化学セル１５３０
から引き出された電流のＡＣ成分間の位相シフトに正比例した電圧制御信号Ｖ（
ｐｓｉ）を充電制御状態機械１６７９に出力する。充電制御状態機械１６９４は
、位相線形コントローラ１５７１からのこの制御信号を使用してＡＣ充電信号プ
ロファイルを制御する。電気化学セル１５３０が完全に充電されると、パルス変
調器１５７６はＭＯＳＦＥＴ Ｍ３を切断し、ＭＯＳＦＥＴ Ｍ３は、容器１５
１２の端子１５２０、１５２２から電気化学セル１５３０を切断する。

【０１２６】 図１７に、外部充電回路と本発明のバッテリ１５１０の間に機械的な接触が一
切ない電気化学セル１５３０の分離充電を可能にする、図１５に示した充電サブ
コントローラ回路の代替実施形態を示す。この実施形態では充電サブコントロー
ラ回路１７０４が、電気化学セル１５３０を充電するための変圧器の二次コイル
の働きをするコイルを含む。外部充電源は、空気を介した無線接続で充電サブコ
ントローラ回路１７０４の二次コイルに結合することができる変圧器の一次コイ
ルを含む。本発明のバッテリは例えば、充電変圧器の二次コイルを形成するプリ
ント配線コイルをバッテリ１５１０のラベル上に含むこと、または容器またはバ
ッテリの中に含むことができる。この実施形態の充電回路は、約２０ｋＨｚ〜約
１００ｋＨｚの範囲の一周波数で動作することが好ましく、約４０ｋＨｚ〜６０
ｋＨｚの範囲の一周波数で動作することがより好ましく、周波数約５０ｋＨｚで
動作することが最も好ましい。外部充電源からの信号が、外部充電源の一次コイ
ルを介して充電サブコントローラ回路１７０４の二次コイル１７９８に給電する
。充電制御状態機械１７９４は、ユニバーサル充電回路１７７７を制御して再充
電可能電気化学セル１５３０の充電サイクルを最適化する。外部充電回路が周波
数約５０ｋＨｚで動作する場合、この変圧器は、本発明のバッテリから約１〜約
３インチ（約２．５〜約７．６センチ）離れたところから電気化学セルを充電す
るのに十分な作用範囲を有し、そのため電気または電子装置からバッテリを取り
外さずにそのままの位置で電気化学セルを充電することができる。このことは、
装置から取り外さなければならないバッテリに優る明白な利点である。例えば、
手術によって埋め込まれたペースメーカなどの装置のバッテリを、手術によって
患者から外科的に取り出さなくとも充電することができる。

【０１２７】 非常時サブコントローラ コントローラはさらに、安全に関係した１つまたは複数の状態を検出した場合
に電気化学セルをバッテリの容器の端子から切断し、かつ／または負荷が要求し
た電流が変換器の能力を超えてはいるが、なお特定の電気化学セル動作電流範囲
内にある場合に、変換器を迂回して電気化学セルを出力端子に直接に接続する、
非常時機能を実行することができる。コントローラは、短絡、逆極性、過充電、
過放電、高温、高圧力、高水素濃度などの危険な状態を検出し、電気化学セルを
バッテリの端子から電子的に切断する独立した非常時サブコントローラを含むこ
とができる。代替として、放電サブコントローラおよび／または充電サブコント
ローラの回路によって非常時機能を実行してもよく、あるいは電気化学セルをバ
ッテリの端子から切断するよう求める信号を放電サブコントローラおよび／また
は充電サブコントローラに送る別個の検知回路をコントローラが含んでもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 一般的な円筒形バッテリ構造の透視図である。

【図２】 一般的な他の円筒形バッテリ構造の透視図である。

【図３】 一般的な他の円筒形バッテリ構造の断面図である。

【図４】 本発明のバッテリのブロック図である。

【図４Ａ】 図４に示したバッテリの好ましい一実施形態のブロック図である。

【図４Ｂ】 図４に示したバッテリの他の好ましい実施形態のブロック図である。

【図４Ｃ】 図４に示したバッテリの他の好ましい実施形態のブロック図である。

【図５Ａ】 本発明のバッテリの好ましい実施形態の部分分解断面図である。

【図５Ｂ】 本発明のバッテリの好ましい他の実施形態の部分分解断面図である。

【図５Ｃ】 本発明のバッテリの好ましい他の実施形態の部分分解透視図である。

【図６】 本発明の多セル・バッテリの好ましい実施形態の部分断面透視図である。

【図７】 本発明のバッテリの好ましい他の実施形態のブロック図である。

【図８】 本発明のバッテリの好ましい他の実施形態のブロック図である。

【図９】 本発明のバッテリの好ましい他の実施形態のブロック図である。

【図９Ａ】 図９のバッテリの好ましい実施形態の一態様の一実施形態の概略図である。

【図９Ｂ】 図９のバッテリの好ましい実施形態の一態様の好ましい他の実施形態のブロッ
ク図である。

【図１０】 本発明のバッテリの好ましい他の実施形態のブロック図である。

【図１１】 本発明のバッテリの好ましい他の実施形態のブロック図である。

【図１２】 本発明のバッテリの好ましい他の実施形態のブロック図である。

【図１３】 本発明のバッテリの好ましい他の実施形態のブロック図／概略図である。

【図１４】 一般的なバッテリおよび本発明のバッテリの異なる２つの好ましい実施形態の
放電特性曲線のグラフである。

【図１５】 本発明のバッテリの好ましい他の実施形態のブロック図／概略図である。

【図１６】 図１５に示した充電サブコントローラの一実施形態のブロック図である。

【図１７】 図１５に示した充電サブコントローラの他の実施形態のブロック図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，Ｇ Ｈ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ， ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，Ｚ Ｗ (71)出願人 ＯＮＥ ＰＲＯＣＴＥＲ ＆ ＧＡＮＢＬ Ｅ ＰＬＡＺＡ，ＣＩＮＣＩＮＮＡＴＩ， ＯＨＩＯ，ＵＮＩＴＥＤ ＳＴＡＴＥＳ ＯＦ ＡＭＥＲＩＣＡ (72)発明者 ネブリジック，ドラゴン ダニロ アメリカ合衆国オハイオ州、インディア ン、スプリングス、ミル、クレスト、ドラ イブ 4115 Ｆターム(参考） 5H025 AA08 MM01 MM07 5H030 AA03 AA04 AA06 AS05 BB01 BB21 FF24 FF44 FF51

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）正端子および負端子を有する容器と、 （ｂ）前記容器の中に配置され、正極、負極、および前記正極と前記負極の間
   で測定されるセル電圧を有するバッテリ・セルと、 （ｃ）前記セルの前記電極と前記容器の前記端子の間に電気的に結合され、セ
   ル電圧から、容器の正端子と負端子の間の出力電圧を形成するコントローラと、 （ｄ）前記バッテリの所定の状態に応答する回路であって、前記所定の状態を
   検出したときにコントローラの出力電圧を容器の端子から切断するように動作す
   る回路と を備えることを特徴とするバッテリ。
2. 【請求項２】 前記回路がコントローラの一部であり、前記所定の状態を検
   出したときにコントローラの出力電圧を容器の前記正端子および負端子から切断
   するように動作する、請求項１に記載のバッテリ。
3. 【請求項３】 前記回路が、前記セルに結合されたセル電流を測定するため
   の電流センサを含み、電流センサに基づいて短絡状態と逆極性状態のうちの一方
   を含む所定の状態に応答し、所定の状態を検出したときにコントローラの出力電
   圧を切断する、請求項１または２に記載のバッテリ。
4. 【請求項４】 前記回路が、セル電圧および／またはセルの内部インピーダ
   ンスをモニタするように動作し、セル電圧が所定の電圧レベルよりも下がった状
   態とセルの内部インピーダンスが所定のインピーダンスを上回った状態の一方を
   含む所定の状態に応答し、所定の状態を検出したときに一般にセルの過放電を防
   ぐためコントローラの出力電圧を切断する、請求項１から３のいずれか一項に記
   載のバッテリ。
5. 【請求項５】 前記回路が、セル電圧をモニタするように動作し、セル電圧
   が所定の電圧レベルを上回った状態を含む所定の状態に応答し、所定の状態を検
   出したときに一般にセルの過充電を防ぐためコントローラの出力電圧を切断する
   、請求項１から４のいずれか一項に記載のバッテリ。
6. 【請求項６】 前記回路が、前記容器内の圧力をモニタするように動作し、
   容器の圧力が圧力限界値を上回った状態を含む所定の状態に応答し、所定の状態
   を検出したときにコントローラの出力電圧を切断する、請求項１から５のいずれ
   か一項に記載のバッテリ。
7. 【請求項７】 前記回路が、前記容器内の水素濃度をモニタするように動作
   し、容器の水素濃度が水素限界値を上回った状態を含む所定の状態に応答し、所
   定の状態を検出したときにコントローラの出力電圧を切断する、請求項１から６
   のいずれか一項に記載のバッテリ。
8. 【請求項８】 前記回路が、前記容器内の温度をモニタするように動作し、
   容器の温度が温度限界値を上回った状態を含む所定の状態に応答し、所定の状態
   を検出したときにコントローラの出力電圧を切断する、請求項１から７のいずれ
   か一項に記載のバッテリ。
9. 【請求項９】 前記所定の状態が、バッテリに取り付けられた負荷の電流要
   求がコントローラの能力を上回った状態を含み、前記回路がさらに、コントロー
   ラの出力電圧を容器の端子から切断した後に、容器端子のところにセル電圧を形
   成するため前記容器端子にセルを直接に結合するように動作する、請求項１から
   ８のいずれか一項に記載のバッテリ。
10. 【請求項１０】 バッテリの有効寿命を延ばす方法であって、 （ａ）（ｉ）正端子および負端子を有する容器と、 （ｉｉ）前記容器の中に配置され、正極、負極、および前記正極と前記負極の
    間で測定されるセル電圧を有するバッテリ・セル を含むバッテリを提供する段階と、 （ｂ）前記セルの前記電極と前記容器の前記端子の間にコントローラを電気的
    に結合して、セル電圧から容器の正端子と負端子の間の出力電圧を形成する段階
    と、 （ｃ）バッテリの所定の状態の検出に応答して、コントローラの出力電圧を容
    器の端子から切断する段階と を特徴とする方法。