KR20010042427A - 전지 런타임을 연장하기 위한 내장형 제어기(ｄｃ/ｄｃ변환기)를 갖는 일차전지 - Google Patents

전지 런타임을 연장하기 위한 내장형 제어기(ｄｃ/ｄｃ변환기)를 갖는 일차전지 Download PDF

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Abstract

전지의 이용 런타임을 연장하는 내장형 제어기를 갖는 전지가 개시되어 있다. 제어기는, 예를 들어, 전자장치의 차단전압 보다 큰 출력전압으로 셀전압을 변환함으로써, 전지의 전기화학셀의 공칭전압 보다 작은 출력전압으로 셀전압을 변환함으로써, 또는 전류피크로부터 전기화학셀을 보호함으로써, 전지의 이용 런타임을 연장하게 된다. 또한, 제어기는, 변환기가 더 낮아진 셀전압에서 동작할 수 있도록 가상접지를 제공하는 접지 바이어스회로를 포함한다. 전지로는, 단일셀 전지, 일반형 단일셀 전지, 다중셀 전지 또는 다중셀 혼성형 전지 등이 있다.

Description

전지 런타임을 연장하기 위한 내장형 제어기(ＤＣ/ＤＣ 변환기)를 갖는 일차전지{PRIMARY BATTERY HAVING A BUILT-IN CONTROLLER (DC/DC CONVERTER) TO EXTEND BATTERY RUN TIME}
기술분야
본 발명은 일차전지에 관한 것으로, 더욱 자세하게는, 전지 런타임을 연장하기 위한 내장형 제어기를 갖는 일차전지에 관한 것이다.
소비자들은 라디오, CD 플레이어, 카메라, 이동 전화, 전자 게임, 장난감, 무선 호출기 및 컴퓨터 장치 등의 휴대용 전자장치에서 일차소비자전지를 이용한다. 이들 전지들의 런타임이 종료되면, 통상적으로 이들 전지들을 폐기하게 된다. 이 때, 일반 전지의 총 저장용량의 약 40 내지 70 % 정도만을 이용하게 된다. 초기 저장에너지의 그 부분을 이용한 후에는, 통상적으로 전지는, 전자장치를 구동하는 데에 충분한 전압을 공급할 수 없게 된다. 따라서, 전지가 자신의 저장용량의 약 30 내지 60 % 를 여전히 포함하고 있는 경우에도, 통상적으로 소비자들은 전지를 폐기하게 된다. 안전하며 더 깊은 방전을 제공하여 이들 전지들의 런타임을 연장하는 것은, 전지를 폐기하기 전에 전자장치가 전지의 전체 저장용량까지 이용하게 함으로써 폐기물을 감소시킬 수도 있다.
또한, 소비자들은 소형화 및 경량화된 휴대용 전자장치를 계속해서 요구하고 있다. 이들 장치들을 소형화 및 경량화하는 데에 있어서 중요한 장애물들 중의 하나의 장애물은 장치에 전력을 공급하는 데에 요구되는 전지의 크기 및 중량이다. 실제로는, 전자 회로들이 더 고속화되고 더 복잡해짐에 따라, 통상적으로 전자회로들은, 그들이 종래에 필요로 했던 전류보다 훨씬 더 많은 전류를 필요로 하므로, 전지에 대한 요구들도 계속 증가하고 있다. 그러나, 기능 및 속도를 향상시키기 위해 전지를 훨씬 더 자주 바꿔야 한다면, 소비자들은, 더 강력하며 소형화된 장치를 수용하지 않게 된다. 따라서, 전지 런타임을 감소시키지 않으면서 더 고속화되며 복잡한 전자장치를 제공하기 위해서는, 전자장치들이 전지를 더 효율적으로 이용하거나 또는 전지 자신이 저장 에너지를 더 효율적으로 이용할 필요가 있다.
소정의 훨씬 고가의 전자장치들은 하나 이상의 전지들의 출력 전류를 변환 및/또는 안정화하기 위해 장치 내에 스위칭 변환기(예를 들어, DC/DC 변환기) 등의 전압 조절회로를 포함한다. 이들 장치의 경우, 단일셀 전지들은 통상적으로 직렬로 접속되며, 변환기는 전지의 전압을 부하회로에 의해 요구되는 전압으로 변환한다. 전지 출력전압을 낮추지 않는 경우 부하 회로가 필요로 하는 것보다 더 많은 전압을 공급하여 더 많은 전력을 공급하게 되는 전지방전의 초기에 전지 출력전압을 낮춤으로써, 및/또는 부하 회로가 필요로 하는 것보다 출력 전압이 낮아지므로 전지 출력전압을 높이지 않는 경우 전지가 다 소모되는 전지방전의 후기에 전지 출력전압을 높임으로써, 변환기는 전지의 이용 런타임을 연장할 수 있게 된다.
그러나, 전자장치 내에 변환기를 갖는 접근 방법은, 몇 가지 결점들을 갖는다. 첫째로, 모든 장치 제조자들은 상대적으로 한정된 양으로 제조되는 특정 회로설계들을 가짐으로써 높은 개별 비용을 가지므로, 전자장치에 변환기들을 설치하는 것은 상대적으로 비싸게 된다. 둘째로, 전지 공급자들은 특정 전지에 이용되는 형태의 변환기에 대한 제어력을 가지고 있지 않다. 따라서, 각 종류의 전지셀의 특정 전기화학 특성에 대해 변환기를 최적화할 수 없게 된다. 셋째로, 알칼리 및 리튬 셀 등의 다른 형태의 전지셀은 다른 전기화학 특성 및 공칭 전압을 가지므로, 서로 쉽게 교환할 수 없게 된다. 또한, 변환기들은 유용한 공간을 차지하며 전자장치의 중량에 더해진다. 또한, 어떤 전자장치들은 DC/DC 변환기 등의, 더 효율적인 스위칭 변환기 대신에 선형 조절기를 이용할 수도 있다. 또한, 스위칭 변환기를 포함한 전자장치들은 무선 주파수("rf) 송신기 등의 전자장치에서 인접한 회로에 나쁜 영향을 끼치는 전자기간섭(EMI)을 발생시킬 수도 있다. 그러나, 전지내에 변환기를 설치함으로써, 전자기간섭(EMI)의 소스는 다른 EMI 민감 전자장치로부터 멀리 떨어져 설치될 수 있으며, 및/또는 전지의 도전성 용기에 의해 차폐될 수 있게 된다.
현재 전압 변환기의 다른 문제점은, 변환기를 구동하는 데에 충분한 구동 전압을 제공하기 위해 직렬로 접속된 다중 전기화학셀들을 필요로 한다는 것이다. 그 후, 변환기들은 전자장치에 의해 요구되는 레벨까지 전압을 낮추어야 한다. 따라서, 변환기의 입력전압 요구조건들로 인해, 전자장치 자신이 동작하는 데에 단지 단일셀을 필요로 하는 경우에도, 전자장치들은 여러 전기 화학셀들을 포함해야만 한다. 이로 인해, 전자장치의 공간 및 중량이 낭비되며 전자장치를 더 소형화시킬 수 없게 된다.
따라서, 전지를 버리기 전에 일차 소비자 전지의 저장 용량을 더 이용하며, 휴대용 전자장치를 더 소형화하기 위해 전지의 공간 및 중량을 덜 이용할 필요가 있다.
또한, 더 일반적인 회로설계를 설계함으로써 등의, 전자장치용 DC/DC 변환기의 비용을 줄일 필요가 있다.
또한, 특정 형태의 전기화학셀의 특정 전기화학 특성을 이용하게 되는 변환기를 설계할 필요가 있다.
또한, 전기화학셀들 자신셀의 화학적 성질을 바꾸지 않으면서 서로 다른 공칭 전압 또는 내부 저항을 갖는 전기화학셀을 갖는 교환가능한 전기를 개발할 필요가 있다.
또한, 동일 전지내에 포장되는 서로 다른 종류의 전기화학셀의 이용을 허용하는 혼성형 전지를 개발할 필요가 있다.
또한, 스위칭 변환기에 의한 EMI(전자기간섭)로부터 전자 또는 전기장치의 민감회로를 보호할 필요가 있다.
발명의 개요
본 발명은 자신의 저장에너지를 더 이용하여 더 길어진 런타임을 제공하는 일차전지에 관한 것이다. 전지는 일반적인 전자장치의 한계전압 이하에서 동작할 수 있는 DC/DC 변환기를 포함하는 내장형 제어기를 갖는다. 제어기는 셀전압을 더 효율적으로 제어하며 전지의 안전하며 깊은 방전을 허용하여, 전지의 저장에너지를 더 이용하게 된다. 제어기는, 알칼리, 아연-카본, NiCd, 리튬, 산화은 또는 혼성형셀 등의 특정 종류의 전기화학셀 또는 특정 전자장치로 동작하도록 주문 설계된 혼합-모드 실리콘칩 상에 설치되는 것이 바람직하다.
제어기는, (1) DC/DC 변환기를 턴온 및 턴오프함으로써; (2) 입력전압이 전지가 전력을 공급할 전자장치의 차단주파수 이하인 경우 최소 요구 출력전압을 유지함으로써; 및 (3) 전지 출력임피던스를 낮춤으로써 전지의 런타임을 최적으로 연장하기 위해 부하로의 전력 공급을 감시하며 제어하는 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에서, 제어기는 표준 AAA, AA, C 또는 D 전지(예를 들어, 용기내에)등의 단일셀 일차전지 내부에, 또는 표준 9 볼트 전지 등의 다중셀 일차전지의 각 셀 내부에 탑재된다. 이는 여러 다른 잇점들을 제공한다. 첫째로, 이로 인해, 전지 설계자는 전기화학셀의 각 형태의 특정 전기화학 특징들을 이용할 수 있게 된다. 둘째로, 이로 인해, 출력전압 및/또는 출력임피던스를 바꾸거나 안정화함으로써 상호 교환하여 이용되는 서로 다른 종류의 전기화학셀들을 허용하므로 표준 전기화학셀 상에서 동작하도록 설계된 전자장치의 요구조건들을 만족하게 된다. 예를 들어, 전지 설계자는, 리튬셀 화학에너지 저장을 감소시키지 않으면서 약 2.8 내지 약 4.0 볼트로부터 약 1.5 볼트의 범위 내에서 공칭 셀전압을 낮춤으로써 표준 1.5 볼트 AA 전지의 패키징 및 진기 요구조건들을 만족하는 리튬 MnO2셀 등의 리튬 전기화학셀을 함유하는 아주 효율적인 리튬 전지를 설계할 수도 있다. 리튬셀의 더 높은 셀전압을 이용함으로써, 설계자는 전지의 이용 런타임을 상당히 증가시킬 수 있다. 셋째로, 단일셀 또는 다중셀 전지내에 변환기회로를 설치함으로써, 내부 조절기 또는 변환기 없이 전자장치를 설계할 수 있다. 이로 인해, 전자장치의 크기를 줄일 수 있으며, 더 저렴하고, 소형화 및 경량화된 휴대용 전자장치를 제공할 수 있게 된다. 또한, 전기화학셀을 함유한 도전성 용기는 제어기회로 주위에 보호층을 제공하여, 제어기의 DC/DC 변환기에 의한 전자기간섭("EMI")으로부터 무선 주파수("rf) 송신기 및 수신기 등의 근방의 전자회로들을 보호하게 된다. 또한, 각 전기화학셀내에 제어기를 제공함으로써, 현재 가능한 것보다 모든 전기화학셀에 대한 더 안전하며 효율적인 제어를 제공하게 된다. 제어기는 각 전기화학셀내의 상태를 감시하여, 전자 장치가 정지되기 전에 가능한 완전히 각 전기화학셀을 소모하는 것을 보장하게 된다.
또한, 제어기는 본 발명의 전지를 넓은 범위의 장치들에 이용하는 것을 허용한다. 본 발명의 전지는, 상술한 것들과 같은 차단 주파수를 갖는 전기 또는 전자장치로 이용되든지 또는 플래시라이트 등의 차단 주파수를 갖지 않는 전기장치로 이용되든지에 관계 없이 공지된 전지들 보다 더 나은 잇점을 제공한다.
또한, 대량의 전지판매는, 각 형태의 전자장치에 대해 개별 조절기 또는 변환기 설계가 할 수 있는 것보다 칩을 훨씬 덜 비싸게 제조할 수 있으므로, 훨씬 더 경제적으로 제어기 칩을 제조할 수 있게 된다.
DC/DC 변환기의 한 바람직한 실시예는 펄스-폭 및 위상 편이 변조 제어방식을 이용하는 거의 무유도성, 고주파수, 고효율, 저입력 전압 및 중간 전력변환기이다.
본 발명의 다른 특징 및 잇점들은 본 발명의 바람직한 실시예의 설명을 참조하여 설명된다.
도면들의 간단한 설명
본원의 명세서는 본 발명으로 간주되는 주제를 특별히 지정하며 분명히 청구하는 청구항들로 결론에 도달하지만, 첨부된 도면들을 참조하여 다음의 설명으로부터 본 발명을 더 잘 이해할 수 있음을 알 수 있다.
도 1 은 전형적인 실린더형 전지구조의 투시도이다.
도 2 는 다른 전형적인 실린더형 전지구조의 투시도이다.
도 3 은 또 다른 전형적인 실린더형 전지구조의 단면도이다.
도 4 는 본 발명의 전지의 블록도이다.
도 4A 는 도 4 에 도시된 전지의 한 바람직한 실시예의 블록도이다.
도 4B 는 도 4 에 도시된 전지의 다른 바람직한 실시예의 블록도이다.
도 5A 는 본 발명의 전지의 바람직한 실시예의 부분 전개 단면도이다.
도 5B 는 본 발명의 전지의 다른 바람직한 실시예의 부분 전개 단면도이다.
도 5C 는 본 발명의 전지의 또 다른 바람직한 실시예의 부분 전개 단면도이다.
도 6 은 본 발명의 다중셀 전지의 바람직한 실시예의 부분 투시도이다.
도 7 은 본 발명의 전지의 다른 바람직한 실시예의 블록도이다.
도 8 은 본 발명의 전지의 또 다른 바람직한 실시예의 블록도이다.
도 9 는 본 발명의 전지의 다른 바람직한 실시예의 블록도이다.
도 9A 는 도 9 의 전지의 바람직한 실시예의 태양의 한 실시예의 개략 블록도이다.
도 9B 는 도 9 의 전지의 바람직한 실시예의 태양의 또 다른 바람직한 실시예의 블록도이다.
도 10 은 본 발명의 전지의 또 다른 바람직한 실시예의 블록도이다.
도 11 은 본 발명의 전지의 다른 바람직한 실시예의 블록도이다.
도 12 는 본 발명의 전지의 또 다른 바람직한 실시예의 블록도이다.
도 13 은 본 발명의 다른 바람직한 실시예의 블록도와 개략 도면의 조합이다.
도 14 는 본 발명의 전지의 전형적인 전지 및 2개의 서로 다른 바람직한 실시예들에 대한 방전 특성 곡선의 그래프이다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 일차 단일셀 및 다중셀 전지에 관한 것이다. 이 명세서에서는 "일차" 라는 용어를 이용하며 이용가능한 전기 저장용량이 다 소모된 후에 폐기하게 되는(예를 들어, 재충전되거나 재사용되지 않는다) 전지 또는 전기화학셀을 지칭한다. 이 명세서에서 "소비자" 라는 용어는 소비자에 의해 구매되거나 이용되는 전자 또는 전기장치에서 이용하게 되는 전지를 지칭한다. "단일셀" 이란 용어는 표준 AA, AAA, C 또는 D 형 전지 등의 개별 포장된 단일 전기화학셀, 또는 (예를 들어, 이동 전화 또는 랩탑 컴퓨터용 표준 9 볼트 전지 또는 전지 등의)다중셀 전지내의 단일셀을 갖는 전지를 지칭한다. 이 명세서에 이용된 "전지" 라는 용어는, 단자 및 단일 전기화학셀을 갖는 용기, 또는 단자를 가지며 적어도 거의 2개 이상의 (예를 들어, 이동 전화 또는 랩탑 컴퓨터용 표준 9 볼트 전지 또는 전지)전기화학셀들을 함유하는 하우징을 지칭한다. 각 셀이 그 자신의 고유 용기를 갖는 경우 전기화학셀들을 하우징에 의해 완전히 둘러쌀 필요는 없다. 예를 들어, 휴대용 전화기 전지는, 그들 자신의 개별 용기를 각각 가지며 개별 용기들을 함께 유지하는 쉬링크랩 플라스틱 재료 내에 함께 포장되는 2개 이상의 전기화학셀들을 함유하지만, 셀들의 개별 용기를 완전하게 둘러싸지 않을 수도 있다. 이 명세서에서 이용된 바와 같이, "혼성형 전지" 이란 용어는, 그들 셀들의 적어도 2개의 셀들이 서로 다른 전극, 서로 다른 한 쌍의 전극들 또는 서로 다른 전해액 등의 서로 다른 전기화학 소자들을 갖는 2개 이상의 전기화학셀들을 함유하는 다중셀 전지를 포함한다.
이 명세서에서 이용된 "제어기" 라는 용어는, 적어도 하나의 입력신호를 수신하여 입력신호의 함수인 적어도 하나의 출력신호를 제공하는 회로를 지칭한다. "DC/DC 변환기" 및 "변환기" 라는 용어는 이 명세서에서 서로 교환하여 이용될 수 있으며, 예를 들어, 입력 DC 전압을 요구된 DC 출력전압으로 변환하는 초퍼-제어 DC/DC 변환기 등의 스위칭-형을 지칭한다. DC/DC 변환기는 조절된 출력을 종종 제공하는 전력 전자회로이다. 변환기는 상승된 전압레벨, 하강된 전압레벨 또는 거의 동일 레벨의 조절 전압을 제공할 수도 있다. 많은 다른 종류의 DC/DC 변환기들은 당해 기술분야에서 공지되어 있다. 본 발명은, 전형적인 전자장치들이 동작할 수 있는 전압레벨 이하에서 동작할 수 있는, 이 명세서에 개시된 바람직한 변환기들에 대한 대체물로서, 덜 유리하지만, 공지된 변환기 또는 선형 조절기의 이용을 고려하고 있다.
"차단 전압" 은 전지에 접속된 전기 또는 전자장치가 동작할 수 없는 전압 이하의 전압이다. 따라서, "차단 전압" 은 장치에 따라 다르며, 예를 들어, 레벨은 장치의 최소 동작전압(기능 종료점) 또는 (예를 들어, 소정 시간주기내에 커패시터를 충전시켜야 하는)동작 주파수에 따라 다르게 된다. 통상적으로, 전자장치들은 약 1 볼트 내지 약 1.2 볼트 범위의 차단 전압을 가지며, 어떤 전자장치의 경우에는 약 0.9 볼트처럼 낮은 차단 전압을 갖는다. 또한, 전기 클록, 모터 및 전기 릴레이 등의, 기계적인 이동부를 갖는 전기장치들은 기계적인 부분을 이동시키는 데에 충분히 큰 전자계를 생성하는 데에 충분한 전류를 제공할 필요가 있는 차단 전압을 갖는다. 통상적으로, 플래시라이트 등의, 다른 전기장치들은 장치 차단전압을 갖지 않으나, 전기장치를 구동하는 전지의 전압이 감소함에 따라, 출력전력(예를 들어, 벌브 세기) 또한 감소하게 된다.
본 발명의 한 태양은, 전지의 "이용 런타임"을 연장시키는 것이다. "전지 이용 런타임" 및 "전지 런타임" 은 서로 바꿔 이용할 수 있으며, 전지가 전력을 공급하는 장치의 최소 동작전압 이하로 전지의 출력전압이 떨어질 때까지, 예를 들어, 그 장치의 차단 전압까지 방전 사이클의 시간으로서 정의된다. "셀 런타임"은 예를 들어, 셀의 모든 전기화학 에너지를 다 소모하는 것과 같은, 전기화학셀 자신에 의존하지만, "전지 런타임" 은 전지를 이용하는 장치에 의존하게 된다. 남아 있는 적어도 50 % 의 자신의 에너지 저장용량을 전기화학셀이 갖는 경우에도, 전지 출력전압이 1 볼트이하로 떨어지게 되면, 예를 들어, 약 1 볼트의 차단 전압을 갖는 전자장치는 정지하게 된다. 이 예에서, 전자장치를 구동하는 데에 충분한 에너지를 전지가 더 이상 제공할 수 없으므로 "전지 런타임" 이 경과하며, 통상적으로 전지를 폐기하게 된다. 그러나, 셀은 남아있는 전기화학 에너지를 가지므로, "셀 런타임" 은 경과하지 않게 된다.
또한, 이 명세서에서, "전기화학셀의 유효 수명" 또는 "셀 유효 수명" 은, 전기화학셀이 일회용 셀 이거나 재충전가능 셀에 관계 없이 이용되며, 전력이 공급되는 장치를 구동하는 데에 충분한 전압을 전기화학셀이 더 이상 제공할 수 없기 때문에 특정 방전 사이클에서 셀을 더 이상 이용할 수 없게 되는 때까지의 시간이 "셀 유효 수명" 이란 점에서 전지 런타임에 대응하게 된다. 단일 셀 전지의 "셀 런타임"이 연장되거나 감소되는 경우, "셀 유효 수명" 및 "전지 런타임" 또한 각각 연장되거나 감소된다. 또한, 단일 셀 전지의 "전지 런타임" 또는 "셀 유효 수명" 이 연장되거나 감소되는 경우에는 다른 것 또한 각각 연장되거나 감소되므로, 단일 셀의 "전지 런타임" 및 "셀 유효 수명" 이란 용어를 서로 바꿔 이용할 수 있다. 그러나, 이와는 달리, 다중 셀 전지의 전지 런타임이 경과한 후에도 특정 전기화학셀이 여전히 남아 있는 유효 수명을 가지므로, 다중 셀 전지의 특정 전기화학셀의 "셀 유효 수명" 이란 용어를 "전지 런타임" 이란 용어와 반드시 바꿔 쓸 수 있는 것은 아니다. 이와 마찬가지로, "전지 런타임" 이 전지내의 하나 이상의 다른 셀들의 셀 전압에 따라 변하므로, 다중 셀 전지내의 특정 전기화학셀의 "셀 런타임" 이 연장되거나 감소되는 경우, "전지 런타임" 이 반드시 연장되거나 감소되는 것은 아니다.
"전기적으로 접속된" 및 "전기 접속" 이란 용어는 연속적인 전류 흐름을 허용하는 접속을 지칭한다. "전자적으로 접속된" 및 "전자 접속" 이란 용어는 트랜지스터 또는 다이오드 등의 전자장치가 전류 경로 내에 포함된 접속을 지칭한다. 이 명세서에서 "전자 접속" 은 "전기 접속" 의 부분집합으로 고려되므로, 모든 "전자 접속" 이 "전기 접속" 으로 될 수 있지만, 모든 "전기 접속" 이 "전자 접속" 으로 되는 것은 아니다.
도 1 내지 3 은 설명하기 위해 단순화한 전형적인 실린더형 전지 (10) 구조를 도시한다. 각 실린더형 전지 (10) 구조는 서로 다른 구성으로 배열된 동일한 기본 구성 요소들을 갖는다. 각 경우, 상기 구조는 재킷 또는 측벽 (14) 을 갖는 용기, 양극 단자 (20) 를 포함한 상부 캡 (16) 및 음극 단자 (22) 를 포함한 하부 캡 (18) 을 구비한다. 용기 (12) 는 단일 전기화학셀 (30) 을 둘러싼다. 도 1 은 실린더형, 단일 아연-카본 전기화학셀 (30) 전지 (10) 에 이용될 수 있는 구성을 도시한다. 이 구성에서, 전체 상부 캡 (16) 은 도전성이며 전지 (10) 의 양극 단자 (20) 를 형성한다. 절연 와셔 또는 실 (24) 은 도전성 상부 캡 (16) 을 전기화학셀 (30) 로부터 절연시킨다. 전극 또는 전류 컬렉터 (26) 는 전지 (10) 의 외부 양극 단자 (20) 와 전기화학셀 (30) 의 캐소드 (32; 양극 단자) 를 전기적으로 접속시킨다. 또한, 하부 캡 (18) 은 완전히 도전성이며 전지 (10) 의 외부 음극 단자 (22) 를 형성한다. 하부 캡은 전기화학셀 (30) 의 애노드 (34; 음극 전극) 에 전기적으로 접속된다. 분리기 (28) 는 애노드와 캐소드 사이에 설치되며 전해액을 통한 이온 도전 수단을 제공한다. 예를 들어, 아연-카본 전지는 통상적으로 이러한 배열형태로 포장된다.
도 2 는 전기화학셀 (30) 로부터 하부 캡 (18) 을 절연하는 절연 와셔 또는 실 (24) 이 도시되어 있는 다른 전지 설계를 도시한다. 이러한 경우, 전체 상부 캡 (16) 은 도전성이며 전지의 양극 단자 (20) 를 형성한다. 상부 캡 (16) 은 전기화학셀 (30) 의 캐소드 (32) 에 전기적으로 접속된다. 또한 도전성인 하부 캡 (18) 은 전지의 음극 단자 (22) 를 형성한다. 하부 캡 (18) 은 전류 컬렉터 (26) 를 경유하여 전지셀 (30) 의 애노드 (34) 에 전기적으로 접속된다. 분리기 (28) 는 애노드와 캐소드 사이에 설치되며, 전해액을 통한 이온 도전 수단을 제공한다. 예를 들어, 알칼리(아연/이산화망간)전지는, 통상적으로 이러한 배열형태로 포장된다.
도 3 은 "나선형으로 감긴 젤리 롤" 구조내에 전기화학셀 (30) 이 형성되는 다른 대안인 전지 설계를 도시한다. 이 설계에서, 4개의 층들은 "적층형" 구조로 서로 인접하여 배치된다. 이 "적층형" 구조는, 예를 들어 다음 순서대로 층들을 함유하게 된다: 캐소드층 (32), 제 1 분리층 (28), 애노드층 (34) 및 제 2 분리층 (28). 다른 방법으로는, 캐소드 (32) 와 애노드 (34) 층들간에 배치되지 않은 제 2 분리층 (28) 을 절연층으로 대체할 수 있다. 그 후, 이 "적층형" 구조는 나선형으로 감긴 실린더형 젤리 롤 구성으로 롤링되며 전지 (10) 의 용기내에 위치한다. 전기화학셀 (30) 로부터 상부 캡 (16) 을 절연하는 절연 와셔 또는 실 (24) 이 도시되어 있다. 이러한 경우, 전체 상부 캡 (16) 은 도전성이며 전지 (10) 의 양극 단자 (20) 를 형성한다. 상부 캡 (16) 은 전류 컬렉터 (26) 를 경유하여 전기화학셀 (30) 의 캐소드층 (32) 에 전기적으로 접속된다. 또한 도전성인 하부 캡 (18) 은 전지의 음극 단자 (22) 를 형성한다. 하부 캡 (18) 은 도전성 하부 플레이트 (19) 를 경유하여 전지셀 (30) 이 애노드 (34) 에 전기적으로 접속된다. 분리층 (28) 은 캐소드층 (32) 과 애노드층 (34) 사이에 배치되며 전해액을 통해 이온 도전 수단을 제공한다. 상부 캡 (16) 과 하부 캡 (18) 모두에 접속된 측벽 (14) 이 도시되어 있다. 이러한 경우, 폴리머 등의 비도전성 재료로 측벽 (14) 을 형성하는 것이 바람직하다. 그러나, 측벽 (14) 이 적어도 양극 단자 (20) 및/또는 음극 단자 (22) 로부터 절연되어 상기 두 단자간의 단락회로를 형성하지 않는 경우에는, 금속 등의 도전성 재료로 측벽을 형성할 수도 있다. 예를 들어, 리튬 이산화망간(MnO2)전지 등의 리튬 전지는, 통상적으로 이러한 배열형태로 포장된다.
또한, 이들 셀들의 각각은, 당해 기술분야에서 널리 공지되어 있는, 안전 벤트, 동작을 위해 공기 교환을 필요로 하는 전기화학셀용 동작 벤트, 용량 표시기, 라벨 등의 여러 형태들을 포함할 수도 있다. 또한, 버튼 셀, 코인 셀, 플랫-플레이트 또는 바이폴라-플레이트 등의 당해 기술분야에서 공지되어 있는 다른 구조들로도 상기 셀들을 구성할 수도 있다.
본 발명의 목적을 위해, 전지 "용기" (12) 는 단일 전기화학셀 (30) 을 수용한다. 용기 (12) 는 2개의 전극들 (32 및 34), 분리기 및 전기화학셀 (30) 의 전해액을 다중셀 전지내의 어느 다른 전기화학셀로부터 및 환경으로부터 절연하여 보호하며 용기외부의 전기화학셀 (30) 로부터 전기에너지를 제공하는 데에 필요한 모든 소자들을 포함한다. 따라서, 도 1 및 도 2 의 용기 (12) 는 측벽 (14), 상부 (16) 및 하부 (18) 캡, 및 셀 (30) 의 전기 접속을 제공하는 양극 (20) 및 음극 (22) 단자들을 포함한다. 다중셀 전지에서, 용기는 단일 전기화학셀 (30) 을 함유하는 개별 구조일 수 있으며, 이 용기 (12) 는 다중셀 전지내의 다중 개별 용기들 중에서 하나의 용기일 수도 있다. 다른 방법으로는, 하우징이 환경 및 전지내의 각 셀로부터 하나의 전기화학셀의 전해액 및 전극들을 절연하는 경우에는, 다중셀 전지의 하우징의 일부에 의해 용기 (12) 를 형성할 수도 있다. 금속 등의 도전성 재료 및 플라스틱 또는 폴리머 등의 절연 재료를 조합하여 용기 (12) 를 형성할 수도 있다.
그러나, 용기 (12) 는, 자신의 전극 및 전해액을 각각 함유하는 개별적으로 분리 절연된 셀들을 함유하는 다중셀 전지 하우징과는 구별된다. 예를 들어, 표준 알칼리 9 볼트 전지 하우징은, 도 6 에 도시된 바와 같이, 그 자신의 용기 (612) 를 각각 갖는 6개의 개별 알칼리 셀들을 둘러싼다. 그러나, 어떤 리튬 9 볼트 전지의 경우에는, 전기화학셀의 전극 및 전해액을 절연하는 개별 체임버를 전지의 하우징이 가짐으로써, 상기 하우징이 각 셀용 개별 용기 (12) 및 전체 전지용 하우징 모두를 구비하도록, 전지의 하우징을 형성하게 된다.
도 5A, 도 5B 및 도 5C 는 단일셀 실린더형 일차전지에 관한 본 발명의 3개의 실시예들의 부분 전개도를 도시한다. 도 5A 에서, 제어기 (240) 는 전지 (210) 의 절연 와셔 (224) 와 상부 캡 (216) 사이에 설치된다. 제어기 (240) 의 양극 출력 (242) 은 전지 (210) 의 양극 단자 (220) 에 전기적으로 접속되어, 제어기 (240) 에 직접 인접하게 되며, 제어기 (240) 의 음극 출력은 전지 (210) 의 음극 단자 (222) 에 전기적으로 접속된다. 이 예에서, 제어기 (240) 의 음극 출력 (244) 은 도전성 측벽 (214) 을 경유하여 전지 (210) 의 음극 단자 (222) 에 접속되어, 전지 (210) 의 도전성 하부 캡 (218) 의 음극 단자 (222) 와 전기 접촉하게 된다. 이러한 경우, 도전성 측벽은 상부 캡 (216) 으로부터 전기적으로 절연되어야 한다. 제어기 (240) 의 양극 입력 (246) 은 전류 컬렉터 (226) 를 경유하여 전기화학셀 (230) 의 캐소드 (232) 에 전기적으로 접속된다. 제어기 (240) 의 음극 입력 (248) 은 도전성 스트립 (237) 을 경유하여 전기화학셀 (230) 이 애노드 (234) 에 전기적으로 접속된다. 다른 방법으로는, 제어기 (240) 는, 상부 캡 (218) 과 절연체 (225) 사이에 설치되거나, 또는 전지의 라벨 또는 용기의 외부에 부착, 고정 또는 결합될 수도 있다.
도 5B 에서, 제어기 (340) 는 전지 (310) 의 절연체 (325) 와 상부 캡 (318) 사이에 설치된다. 제어기 (340) 의 음극 출력 (344) 은 전지 (310) 의 음극 단자 (322) 에 전기적으로 접속되어, 제어기 (340) 에 바로 인접하게 되며, 제어기 (340) 의 양극 출력 (342) 은 전지 (310) 의 양극 단자 (320) 에 전기적으로 접속된다. 이 예에서, 제어기 (340) 의 양극 출력 (342) 은 도전성 측벽 (314) 을 경유하여 전지의 양극 단자 (320) 에 접속되어, 전지 (310) 의 도전성 상부 캡 (316) 의 양극 단자 (320) 와 전기 접촉하게 된다. 제어기 (340) 의 양극 입력 (346) 은 도전성 스트립 (336) 을 경유하여 전기화학셀 (330) 의 캐소드 (332) 에 전기적으로 접속된다. 제어기 (340) 의 음극 입력 (348) 은 전류 컬렉터 (326) 를 경유하여 전기화학셀 (330) 의 애노드 (334) 에 전기적으로 접속되어, 하부 플레이트 (319) 로부터 전기화학셀 (330) 의 애노드 (334) 로 연장하게 된다. 이러한 경우, 제어기 (340) 가 가상 접지를 이용하는 경우에는, 제어기 (340) 의 음극 입력 (348) 및 전류 컬렉터 (326) 는 용기 (312) 의 음극 단자 (322) 및 제어기 (340) 의 음극 출력 (344) 으로부터 절연되어야 한다. 다른 방법으로는, 제어기 (340) 는 상부 캡 (318) 과 절연체 (324) 사이에 설치되거나, 또는 전지의 라벨 또는 용기 (312) 의 외부에 부착, 고정 또는 결합될 수도 있다.
도 5C 에서, 제어기 (440) 는 박막 인쇄기술, 또는 유연한 인쇄 회로기판("PCBs)을 이용한 래퍼 (441) 상에 형성되며, 전지 (410) 의 캐소드 (432) 와 측벽 (414) 간의 용기내에 설치된다. 제어기 (440) 의 양극 출력 (442) 은 전지 (410) 의 상부 캡 (416) 을 경유하여 전지 (410) 의 양극 단자 (420) 에 전기적으로 접속되며, 제어기 (440) 의 음극 단자 (444) 는 하부 플레이트 (419) 및 하부 캡 (418) 을 경유하여 전지 (410) 의 음극 단자 (422) 에 전기적으로 접속된다. 제어기 (440) 의 양극 입력 (446) 은 전기화학셀 (430) 의 캐소드 (432) 에 전기적으로 접속되어, 이 예에서는 제어기 (440) 를 함유하는 래퍼 (441) 에 바로 인접하게 된다. 제어기 (440) 의 음극 입력 (448) 은 접촉 플레이트 (431) 및 전류 컬렉터 (426) 를 경유하여 전기화학셀 (430) 의 애노드 (434) 에 전기적으로 접속되어, 접촉 플레이트 (431) 로부터 전기화학셀 (430) 의 애노드 (434) 로 연장하게 된다. 절연 와셔 (427) 는 캐소드 (432) 로부터 접촉 플레이트 (431) 를 절연시킨다. 도 5C 에 도시된 바와 같이, 전류 컬렉터 (426) 가 애노드 (434) 로부터 접촉 플레이트 (431) 로의 접속을 제공하므로, 절연 와셔는 애노드 (434) 로부터 접촉 플레이트 (431) 사이에서 연장될 수도 있다. 제어기 (440) 가 가상 접지를 이용하는 경우, 절연 와셔 (425) 등에 의해, 하부 플레이트 (419) 와 음극 단자 (422) 로부터 접촉 플레이트 (431) 를 절연할 수도 있다. 다른 방법으로는, 측벽 (414) 의 외부 주위에 감겨진, 용기 (412) 의 외부 상에 래퍼 (441) 를 배치할 수도 있다. 상기 실시예들에서, 라벨은 래퍼를 피복하거나, 또는 라벨은 제어기 자신으로서 동일 래퍼 상에 인쇄될 수도 있다.
도 6 은 각 전기화학셀 (630) 이 셀들의 개별 용기 (612) 내에 제어기 (640) 를 갖는 본 발명의 다중셀 9 볼트 전지 (610) 의 부분 투시도이다. 이 실시예에서, 전지 (610) 는 약 1.5 볼트정도의 공칭전압을 각각 갖는 6개의 개별 전기화학셀 (630) 을 함유한다. 예를 들어, 전지 (610) 는 약 3 볼트정도의 공칭전압을 각각 갖는 3개의 리튬셀들을 함유할 수도 있다.
도 4, 도 4A 및 도 4B 는 본 발명의 전지 (110) 의 서로 다른 실시예들의 블록도를 도시한다. 도 4 는 임배딩되어 집적된 제어기 회로 (140) 를 이용한 본 발명의 전지의 한 실시예의 블록도를 도시한다. 이 실시예는 디지털 및 아날로그 구성요소를 모두 갖는 혼합모드 집적회로를 이용하는 것이 바람직하다. 다른 방법으로는, 응용 주문형 집적회로("ASIC"), 혼성형 칩 설계, PC 기판 또는 당해 기술분야에서 공지된 어느 다른 형태의 회로 제조기술을 이용하여 제어기 회로를 제조할 수 있다. 제어기 (140) 는 전기화학셀 (130) 의 양극 (132) 및 음극 (134) 전극들과 전지의 양극 (120) 및 음극 (122) 단자들 간의 전지 용기 (112) 내에 설치될 수 있다. 따라서, 제어기 (140) 는 용기 (112) 의 단자들 (120 및 122) 에 전기화학셀 (130) 을 접속시키거나 용기 (112) 의 단자들 (120 및 122) 로부터 전기화학셀 (130) 을 분리시킬 수 있으며, 전지 단자들 (120 및 122) 에 인가된 셀 (130) 의 출력 임피던스 또는 출력 전압을 바꾸거나 안정화할 수 있게 된다. 도 4A 는 도 4 에 도시된 본 발명의 전지 (110) 의 한 바람직한 실시예를 도시한다. 도 4A 에서, 제어기 (140) 는 전기화학셀 (130) 의 양극 전극 (132; 캐소드) 과 전지 용기 (112) 의 양극 단자 (120) 사이에 접속된다. 전기화학셀 (130) 의 음극전극 (134; 애노드) 과 전지 용기 (112) 의 음극 단자 (122) 는 제어기 (140) 와 공통 접지를 공유한다. 또한, 도 4B 는, 제어기 (140) 가 가상 접지 상에서 동작하며 용기 (112) 의 양극 단자 (120) 로부터 전기화학셀 (130) 의 양극 전극 (132) 을 절연할 뿐만 아니라 용기 (112) 의 음극 단자 (122) 로부터 전기화학셀 (130) 의 음극 전극 (134) 을 절연하는 본 발명의 전지 (110) 의 다른 바람직한 실시예를 도시한다.
도 4A 및 도 4B 에 도시된 실시예들 각각은, 그 자신의 잇점 및 불리한 점들을 가지고 있다. 예를 들어, 도 4A 의 구성은 전지 용기 (112) 의 전기화학셀 (130), 제어기 (140) 및 음극 단자 (122) 용 공통 접지를 갖는 더 간단해진 회로 설계를 허용한다. 그러나, 도 4A 의 구성은 진짜 전기화학셀 전압하에서 동작하는 변환기를 필요로 하는 불리한 점을 가지며, 분리된 인덕터 소자의 이용을 필요로 하게 된다. 도 4B 의 구성에서, 전지 용기 (112) 의 음극 단자 (122) 에 인가되는 가상 접지는 모두 부하로부터 전기화학셀 (130) 의 음극 전극 (134) 을 절연시키며 거의 무유도성 DC/DC 변환기의 이용을 허용하게 된다. 그러나, 이 구성은, 셀전압이 전기화학셀의 공칭전압레벨 이하로 되는 경우에도 제어기 (140) 의 전압이 더 효율적으로 계속해서 동작하도록 하기 위해 가상 접지의 증가된 회로복잡도를 필요로 하는 불리한 점을 가지고 있다.
본 발명의 일차전지는 전지의 이용 런타임을 연장하기 위한 제어기를 포함한다. 전기화학셀(들)은 단일셀 또는 다중셀 전지내에 포장될 수도 있다. 다중셀 전지들은 2개 이상의 동일 형태의 전기화학셀을 포함하거나, 혼성형 전지내에 2개 이상의 서로 다른 형태의 전기화학셀들 포함할 수도 있다. 본 발명의 다중셀 전지는 직렬 및/또는 병렬로 전기적으로 배열된 전기화학셀들을 함유할 수도 있다. 단일셀 전지의 제어기(들)는 셀 용기내의 전기화학셀(들)과 직렬 및/또는 병렬로 전기적으로 접속되며, 셀 용기를 적어도 부분적으로 함유하는 하우징내부에 포장되거나, 용기, 하우징, 또는 라벨 또는 용기 또는 하우징에 고정된 어느 다른 구조에 부착되게 된다. 다중셀 전지의 제어기(들)는 단일셀 전지에 대해 설명한 바와 같은 하나 이상의 개별 셀들을 따라 포장되며, 및/또는 다중셀들을 조합하여 포장되어, 제어기는 전기화학셀들을 조합하여 직렬로 또는 병렬로 접속되게 된다.
제어기는 본 발명의 일회용 전지의 이용 런타임을 여러 방법들 중의 한 방법으로 연장하게 된다. 첫째로, 제어기는, 그렇지 않은 경우에 가능한 것보다 전자장치에 의해 더 깊게 전지의 하나 이상의 전기화학셀(들)을 방전할 수 있도록 한다. 이 명세서에서, "깊은 방전" 이란 용어는 전기화학셀(들)의 정격 용량의 적어도 80 % 까지 전기화학셀(들)이 방전되는 것을 지칭한다. 또한, 이 명세서에서 "상당한 방전" 이란 용어는 전기화학셀(들)의 정격 용량의 적어도 70 % 까지 전기화학셀(들)이 방전되는 것을 지칭한다. 이 명세서에서 "상당한 방전" 이란 용어는 100 % 를 초과하여 전기화학셀(들)을 방전하여, 전압 반전에 이르게 되는 것을 지칭한다. 통상적으로, 예를 들어, 현재 판매중인 전형적인 알칼리 전지는, 전형적인 전자장치를 구동하기에 충분하지 않은 전압레벨까지 전기화학셀의 전압레벨이 떨어지기 전에 자신의 저장된 에너지용량의 약 40 내지 70 % 를 전송할 수 있다. 따라서, 본 발명의 제어기는, 전지가 차단되기 전에 약 70 % 이상의 방전을 할 수 있는 알칼리 셀을 제공하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 제어기가 약 80 % 이상의 방전레벨을 제공하게 된다. 더더욱 바람직하게는, 제어기가 약 90 % 이상의 방전레벨을 제공하며, 약 95 % 이상으로 되는 것이 가장 바람직하다.
제어기는, 전기화학셀(들)의 더 깊은 방전을 허용함으로써 전지의 이용 런타임을 연장하기 위해 셀 전압을 전지에 대한 소정 출력전압으로 변환하는 변환기를 포함할 수도 있다. 본 발명의 한 실시예에서, 제어기는 전지의 이용 런타임을 초과하여 셀전압을 소정 출력전압으로 계속해서 변환하게 된다. 전지 방전이 정상적으로 차단되는 장치의 차단전압 레벨까지 셀전압이 하강하면, 제어기를 구동하기 위한 최소 요구전압 이하로 전압레벨이 하강할 때까지, 제어기는, 전자장치를 계속해서 구동하기에 충분한 전지의 출력에서의 레벨까지 셀전압을 올리는데, 즉 상승시키게 된다. 따라서, 다른 전지의 제어기보다 더 낮은 전압에서 동작할 수 있는 제어기 설계를 갖는 전지는 더 깊게 방전될 수 있는 전지를 제공하게 된다.
본 발명의 바람직한 실시예들에서, 변환기는, 셀전압이 소정 전압레벨로 또는 소정 전압레벨이하로 하강하는 경우에만 동작하게 된다. 상기 실시예들에서는, 필요한 경우에만 변환기가 동작하므로 변환기의 내부 손실을 최소화할 수 있다. 소정 전압레벨은 전기화학셀의 공칭전압으로부터 전지가 동작하게 되는 장치들의 최고 차단전압까지의 범위로 되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 소정 전압레벨은, 전지가 동작하게 되는 장치들의 최고 차단전압보다 약간 높게 된다. 예를 들어, 소정 전압레벨은, 전지가 동작하게 되는 장치들의 최고 차단 전압정도 내지 상기 차단 전압에 약 0.2 를 더한 범위 내에 존재하며, 바람직하게는, 전지가 동작하게 되는 장치들의 최고 차단 전압정도 내지 상기 차단 전압에 약 0.15 를 더한 범위 내에 존재하며, 더욱 바람직하게는, 전지가 동작하게 되는 장치들의 최고 차단 전압정도 내지 상기 차단 전압에 약 0.1 를 더한 범위 내에 존재하고, 더더욱 바람직하게는, 전지가 동작하게 되는 장치들의 최고 차단 전압정도 내지 상기 차단 전압에 약 0.05 를 더한 범위 내에 존재하게 된다. 예를 들어, 약 1.5 볼트의 공칭전압을 갖는 전기화학셀은, 통상적으로 약 0.8 볼트 내지 약 1.8 볼트 범위의 소정 전압을 갖는다. 바람직하게는, 소정 전압이 약 0.9 볼트 내지 약 1.6 볼트 범위로 된다. 더욱 바람직하게는, 소정 전압이 약 0.9 볼트 내지 약 1.5 볼트 범위로 된다. 더 더욱 바람직하게는, 소정 전압이 약 0.9 볼트 내지 약 1.2 볼트 범위로 되며, 약 1.0 볼트 내지 약 1.2 볼트 범위로 되는 것이 가장 바람직하다. 전지가 동작하게 되는 장치들의 최고 차단주파수와 같거나 또는 약간 큰 전압레벨이 가장 바람직하다. 그러나, 약 3.0 볼트의 공칭전압을 갖는 전기화학셀로 동작하도록 설계된 제어기는, 통상적으로 약 2.0 볼트 내지 약 3.4 볼트 범위의 소정 전압을 갖게 된다. 바람직하게는, 소정 전압이 약 2.2 볼트 내지 약 3.2 볼트의 범위 내에 존재하게 된다. 더욱 바람직하게는, 소정 전압이 약 2.4 볼트 내지 약 3.2 볼트의 범위 내에 존재하게 된다. 더 더욱 바람직하게는, 소정 전압이 약 2.6 볼트 내지 약 3.2 볼트의 범위 내에 존재하게 되며, 약 2.8 볼트 내지 약 3.0 볼트의 범위 내에 존재하는 것이 가장 바람직하다. 전지가 동작하게 되는 장치들의 최고 차단주파수와 같거나 약간 큰 전압레벨이 가장 바람직하다.
셀전압이 소정 전압레벨로 또는 소정 전압레벨 이하로 하강하는 경우, 제어기는 변환기를 턴온하여 부하를 구동하는 데에 충분한 소정 출력전압으로 셀전압을 상승시킨다. 이로 인해, 부하를 구동하는 데에 셀전압이 충분히 높은 경우 필요하지 않은 변환기의 내부 손실을 제거하지만, 부하를 구동하는 데에 요구되는 레벨이하로 셀전압이 하강한 후에도 계속해서 전기화학셀이 방전할 수 있도록 한다. 제어기는, 셀전압이 소정의 전압레벨로 하강하는 경우 변환기를 턴온하는 간단한 전압비교기 및 전자스위치로부터 상술한 것들과 같은 더 복잡한 제어방식에 이르는 많은 제어 메커니즘 중에서 어느 하나 이상을 이용할 수도 있다.
소정 출력에 대해 설계된 본 발명의 보편적인 전지는, 이 전지가 장치에 전력을 공급하는 경우, 전지의 이용 런타임을 연장할 수 있는 것이 바람직하다. 이 명세서에서 이용된 바와 같이, "보편적인" 전지는 셀전기화학에 관계없이 균일한 출력전압을 제공할 수 있는 전지이다. 따라서, 본 발명의 전지는, 전기화학셀(들)의 전압이 제어기가 더 이상 동작할 수 없는 레벨 이하로 하강하여 내장형 제어기가 정지할 때까지 그 클래스의 전자 장치의 최고 차단 전압과 같거나 큰 레벨에서 전지의 출력전압을 유지함으로써 이용 런타임을 연장하도록, 설계되는 것이 바람직하다. 유사한 차단 전압을 갖는 특정 전자장치 또는 좁은 클래스 또는 전자장치에 전력을 공급하도록 설계된 본 발명의 전지는, 소정 전압레벨을 그들 장치(들)의 차단 전압에 더 가깝게 매칭함으로써 더 효율적으로 동작하도록 특별히 설계될 수도 있다.
둘째로, 제어기는, 소정 출력전압 이상의 공칭전압을 갖는 전기화학셀(들)의 셀전압을 하강시키거나 및/또는 전지의 전기화학셀(들)의 출력 임피던스를 바꿀수도 있다. 이로 인해, 전지의 이용 런타임을 연장할 뿐만 아니라, 다른 경우에 가능한 것보다 서로 다른 공칭전압을 갖는 전기화학셀들간의 더 큰 상호호환성을 허용하며, 설계자로 하여금 더 높은 공칭전압을 갖는 전기화학셀들의 더 큰 저장전위를 이용할 수 있게 하며, 소정레벨에 임피던스를 매칭하기 위해 임의의 전기화학셀의 출력 임피던스를 변경하여 설계자로 하여금 다른 형태의 전기화학셀들을 갖는 전기화학셀의 상호호환성을 증가시키며, 및/또한 특정 형태의 부하를 갖는 전기화학셀의 효율을 증가시킬 수 있게 된다. 또한, 비효율적이며, 환경에 위험하고, 값이 비싸며, 특정 공칭전압이 요구되므로 단지 통상적으로 이용되는, 수은 카드뮴셀 등의, 전기화학셀들을, 애플리케이션에 의해 요구되는 출력 임피던스 또는 요구 공칭 전압을 만족하기 위해 자신의 공칭전압이 상승되거나 하강되거나 또는 자신의 출력 임피던스가 변경된, 더 안전하며, 더 효율적이고 또는 더 값싼 전기화학셀들로 대체할 수도 있다.
예를 들어, 약 1.8 볼트 이상의 공칭전압을 갖는 전기화학셀은, 상기 높은 공칭전압을 약 1.5 볼트 정도의 표준 공칭레벨로 낮추어 약 1.5 볼트의 공칭전압을 갖는 전지와 서로 호환하여 본 발명의 전지를 이용할 수 있도록 하는 제어기와 함께 포장될 수 있다. 한 특정 예에서는, 약 3.0 볼트의 공칭전압을 갖는 리튬 Mno2셀 등의 표준 리튬 셀을 스텝 다운 제어기와 함께 포장하여, 상기 셀 및 제어기를 갖는 전지는 약 1.5 볼트의 공칭전압을 갖게 된다. 이로 인해, 약 1.5 볼트의 공칭전압을 가지며 동일한 체적인 전기화학셀을 전지 보다 적어도 2배 이상의 용량을 갖는 전지를 제공하게 된다. 또한, 리튬셀의 화학적 성질을 화학적으로 바꾸어 셀의 화학 에너지 저장을 감소시키지 않으면서, 표준 알칼리 또는 아연-카본 단일셀 전지와 적절하게 서로 호환할 수 있는 리튬셀도 제공하게 된다. 또한, 마그네슘, 마그네슘 에어, 알루미늄 에어 등의 전기화학셀들을 갖는 전지들 또한, 약 1.8 볼트 이상의 공칭전압을 가지며, 약 1.5 볼트의 공칭전압을 갖는 표준 전지와 서로 호환하여 이용될 수 있다. 서로 다른 형태의 전기화학셀들을 서로 호환하여 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 서로 다른 형태의 전기화학셀들을 혼성형 전지내에 함께 포장할 수 있다. 따라서, 여러 공칭전압 또는 내부 임피던스를 갖는 서로 다른 전기화학셀들을 갖는 여러 형태의 전지들을 서로 호환하여 이용할 수 있거나, 또는 여러 형태의 전기화학셀들을 갖는 혼성형 전지들을 제조할 수 있게 된다.
또한, 소정의 전자장치가 동작하는 전압이하의 공칭전압을 갖는 전기화학셀들은 공칭전압을 상승시키는 내장형 스텝 업 변환기를 갖는 제어기와 함께 이용될 수 있다. 이로 인해, 상기 형태의 전기화학셀을 갖는 전지는, 상기 셀이 다른 경우에 제공하는 것보다 더 높은 전압레벨을 필요로 하는 장치와 함께 이용될 수 있다. 또한, 상기 형태의 셀을 갖는 전지는 표준 알칼리 또는 아연-카본 전기화학셀과 서로 호환하여 이용될 수도 있다. 이로 인해, 공칭전압이 너무 낮아 비실용적이기 때문에 그렇지 않은 경우에는 소비자의 일회용으로 고려되지 않았을 전기화학셀들을 갖는 상업성이 있으며 이용가능한 전지들을 제공하게 된다.
본 발명에서 이용되는 전지 형태의 예들로서 아연-카본, 알칼리 및 리튬 전지들을 개시하고 있다. 테이블 1 에 나타낸 일차전지에 한정되지 않는 다른 형태의 전지들을 본 발명의 일차전지에 이용할 수도 있다. 또한, 제 2 전기화학셀들을 혼성형 전지내의 일차전지셀과 조합하여 이용할 수도 있다. 따라서, 본 발명은 여러 형태의 전기화학셀들간의 및 전기화학셀들과 연료셀, 커패시터 등의 대체 전력 공급수단간의 더 높은 상호호환성을 종래보다 더 허용하게 된다. 각 전기화학셀내에 제어기를 설치함으로써, 서로 다른 형태의 전기화학셀들의 공칭전압 및 출력 임피던스 등의 전기 특성들을 조절하여, 호환가능한 표준 크기 전지들을 제조하는 데에 더 많은 종류의 셀들을 이용할 수 있게 된다. 다른 형태의 셀들을 이용하는 전지들과의 호환을 계속해서 허용하면서, 전기화학셀의 특정 잇점을 이용하기 위해 전지를 특별하게 설계하게 된다.
테이블 1
전기화학셀 형태 및 공칭전압들
일차 셀들
셀 형태 공칭전압 셀 형태 공칭전압
머카드(Mercad) 0.9 볼트 리튬 FeS21.6 볼트
산화수은 1.35 볼트 마그네슘-유기전해액 1.6 볼트
MnO2를 갖는 산화수은 1.4 볼트 마그네슘 MnO22.8 볼트
아연-에어 1.4 볼트 리튬-고체전해액 2.8 볼트
카본-아연 1.5 볼트 리튬 MnO23.0 볼트
아연-염화물 1.5 볼트 리튬 (CF)n 3.0 볼트
알칼리 MnO21.5 볼트 리튬 SO23.0 볼트
은-산화물 1.5 볼트 리튬 SOCl23.6 볼트
2차 셀들
셀 형태 공칭전압 셀 형태 공칭전압
은-카드뮴 1.1 볼트 아연-브롬 1.6 볼트
에디슨(Fe-Ni 산화물) 1.2 볼트 고온 Li(Al)-FeS21.7 볼트
니켈-카드뮴 1.2 볼트 알루미늄-에어1.9 볼트
니켈 메탈 수소화물 1.2 볼트 납-산 2.0 볼트
니켈 수소 1.2 볼트 고온 Na-S2.0 볼트
은-아연 1.5 볼트 리튬-유기 Li-Mn023.0 볼트
아연-에어1.5 볼트 리튬-폴리머 Li-V60133.0 볼트
니켈-아연 1.6 볼트 리튬-이온 C-LiXCoO24.0 볼트
또한, 다른 경우에는 양립할 수 없는 전기화학셀들을 특정 형태의 애플리케이션에 대해 특별하게 설계된 혼성형 전지들과 함께 이용할 수도 있다. 예를 들어, 아연-에어 전기화학셀은 혼성형 전지내의 리튬셀과 병렬로 또는 직렬로 함께 이용될 수 있다. 아연-에어 셀은 약 1.5 볼트 정도의 공칭전압과 매우 높은 에너지 밀도를 가지지만, 낮고 일정한 전류레벨을 제공할 수 있다. 그러나, 리튬셀은 약 3.0 볼트 정도의 공칭전압을 가지며 고전류레벨의 짧은 방출을 제공할 수 있다. 각 전기화학셀의 제어기들은 동일한 공칭전압을 제공하며 병렬 또는 직렬 전기 구성으로 배열될 수 있다. 셀들이 병렬 구성인 경우, 제어기들 또한 셀들이 서로 서로 충전되는 것을 방지한다. 각 셀에 대한 제어기는, 부하에 의해 요구되는 셀들의 하나 또는 모두를 접속시키거나 분리시키는 데에 이용될 수 있다. 따라서, 부하가 낮은 전력모드인 경우에는, 아연-에어 셀을 접속하여 일정하고 낮은 전류를 공급할 수 있으며, 부하가 높은 전력모드인 경우에는, 리튬셀 또는 조합된 리튬과 아연-셀들을 제공하여 부하에 전력을 공급하는 데에 필요한 전류를 제공할 수 있게 된다.
또한, 혼성형 전지들은 알칼리 및 메탈-에어, 메탈-에어 및 제 2 셀, 메탈-에어 및 슈퍼 커패시터 등의 여러 서로 다른 형태의 전기화학셀들을 함유할 수 있다. 또한, 혼성형 전지는 일차 및 2차 셀들, 일차 및 준비셀들, 2차 및 준비셀들, 또는 일차, 2차 및 준비 셀들의 조합체를 함유할 수도 있다. 또한, 혼성형 전지는 하나 이상의 전기화학셀과 연료 셀, 종래 커패시터 또는 슈퍼-커패시터 등의 하나 이상의 대체 전력 공급수단의 조합체를 함유할 수도 있다. 또한, 혼성형 전지는 2개 이상의 상술한 셀들 또는 전력 공급수단의 소정의 조합체를 함유할 수도 있다.
또한, 제어기는 전기화학셀 구성요소들의 동작을 손상시키며 셀전압을 낮출 수 있는 전류피크로부터 전기화학셀(들)을 보호함으로써 전지의 런타임을 연장하게 된다. 예를 들어, 제어기는, 높은 전류 요구가 셀내의 메모리 효과를 발생시키며 전지의 런타임을 감소시키는 것을 방지하게 된다. 또한, 전류피크들은 알칼리, 리튬 및 아연-에어 셀들 등의 전기화학셀들에 해롭게 된다.
제어기는, 제어기의 출력에서 전기충전의 임시 저장을 제공하는 전류피크로부터 전기화학셀을 보호하여, 이 임시 저장을 요구시에 즉시 이용할 수 있도록 한다. 따라서, 전류피크 요구가 전기화학셀에 도달하기 전에, 전류피크 요구를 완전하게 제거하거나 상당히 감소시키게 된다. 이로 인해, 전지는, 전기화학셀(들)이 직접 제공할 수 있는 것보다 더 높은 전류피크를 제공할 수 있으며, 셀 구성요소들에 해로운 전류피크로부터 전기화학셀(들)을 보호할 수 있게 된다. 임시 저장요소로는 커패시터가 바람직하다. 상기 커패시터로는 종래 커패시터, 후막 인쇄 커패시터 또는 "슈퍼-커패시터" 등의 당해 기술분야에서 공지되어 있는 커패시터의 소정 형태로 된다. 예를 들어, 도 13 은 용기 (1312) 의 출력단자 (1320 및 1322) 을 가로질러 접속된 커패시터 (Cf) 를 도시한다.
전류피크에 대해 셀을 보호하며 셀 전압을 소정 출력전압으로 변환함으로써, 단일 제어기가 전지의 이용 런타임을 연장하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 변환기와 관련된 손실을 최소화하기 위해 소정 전압으로 셀전압이 하강하는 경우, 제어기의 바람직한 실시예는 변환기를 턴온할 수 있다. 셀전압이 소정 전압레벨에 도달하거나 부하전류가 소정 전류레벨에 도달하면, 상기 제어기는 셀전압 및 출력 부하전류를 모두 감시하여 변환기를 턴온하게 된다. 다른 방법으로는, 제어기는 셀전압과 출력 부하전류를 감시하여, 공급된 요구 부하전류가 차단 전압레벨 이하로 셀전압을 하강시키는지의 여부를 판단하게 된다. 후자의 예에서, 제어기는 알고리즘내에서 조합된 2개의 입력신호들 상에서 동작하여, 변환기가 턴온되었는지의 여부를 판단하게 된다. 그러나, 전자의 예에서는, 셀전압이 소정 전압레벨로 하강하거나, 또는 출력 부하전류가 소정 전류레벨로 상승하게 되면, 제어기가 변환기를 턴온하게 된다. 이하, 다른 가능한 제어방식과 함께 이들 방식들을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은, AAA, AA, C 또는 D 단일 표준셀 전지들 및 9 볼트 다중셀 전지들 등의 표준 소비자 일차전지들 뿐만 아니라 특수 일차 전지들에 관한 것이다. 본 발명은 여러 애플리케이션에서 이용될 수 있는 특수 일차전지들 및 혼성형 전지들의 이용을 고려하고 있다. 현재 일차전지의 성능으로 인해 제한되는 이동전화, 랩탑컴퓨터 등에 이용하는 충전용 전지들을 상기 특수 일차전지 및 혼성형 전지들로 대체하여 충분한 시간기간동안 요구되는 전류 레이트를 제공할 수 있게 된다. 또한, 셀들의 출력전압 및 출력 임피던스를 개별적으로 제어할 수 있게 됨으로써, 전지 설계자는, 여러 형태의 셀들의 조합 또는 연료셀들, 종래 커패시터 또는 "슈퍼-커패시터" 등의, 대체 전력 공급수단을 이용하는 완전히 새로운 형태의 혼성형 전지들을 설계할 수 있게 된다. 서로 호환할 수 있는 전기화학셀들의 형태가 증가함으로써, 전지 설계자들이 표준 전지들을 제공할 수 있어, 이동 전화, 랩탑 컴퓨터, 캠코더, 카메라 등의 특정 장치들 용으로 설계된 전지들에 대한 의존성을 감소시킬 수 있게 된다. 소비자는, 특정 형태, 브랜드 및/또는 모델의 전자 장치에 대해 특별하게 제조되는 전지를 구입할 필요 없이, 플래시라이트 또는 테이프레코더를 소비자가 구입하는 것과 아주 유사하게, 이동 전화에 전력을 공급하는 표준 전지들을 간단하게 구입할 수 있게 된다. 또한, 제조되는 표준 전지들의 갯수가 증가함에 따라, 단가는 급속하게 감소함으로써, 특수 설계된 재충전용 전지들을 대체할 수 있는 훨씬 더 가격이 알맞은 전지들로 된다.
또한, 사진용 필름 등에 이용되는 것과 같은 전자 라벨링 기술은, 전지내의 꼭 맞는 형태의 셀(들), 셀(들)의 정격 및/또는 남아있는 용량, 피크 및 최적 전류 전송 용량, 전류 충전레벨, 내부 임피던스 등을 지정하는 데에 이용될 수 있어, "스마트" 장치는 전자 라벨링을 판독하고 그 소비를 최적화하여 장치의 성능을 향상시키며 전지의 이용 런타임 등을 연장할 수 있게 된다. 예를 들어, 필름속도 등을 결정하는 전자 라벨링을 이미 이용하는 카메라는 자신의 전지들에 전자 라벨링 기술을 이용하여 플래시의 더 느린 충전시간을 허용하며, 플래시의 이용을 중지하여 특정 전지의 이용 런타임을 최적화할 수 있다. 또한, 랩탑 컴퓨터도, 예를 들어, 이용자에 의해 요구되는 내구성에 대해 전지내에 남아있는 충전용량을 가장 잘 이용하기 위해 자신의 동작 속도를 변화함으로써, 또는 전지의 에너지를 보존하기 위해 파워온/파워오프 기술을 이용함으로써, 특정 전지들에 대한 가장 효율적인 동작 변수들을 결정하는 데에, 전자 라벨링 기술을 이용한다. 또한, 캠코더, 이동 전화 등은 전자 라벨링을 이용하여 전지들의 이용을 최적화할 수 있다.
또한, 소비자의 요구에 따라 서로 다른 형태의 일차 또는 재충전용 전지들과 서로 호환하여 일차전지들을 이용할 수도 있다. 예를 들어, 랩탑 컴퓨터의 재충전용 전지가 소비되면, 이용자는, 이용자가 재충전용 전지를 충전할 수 있을 때까지 몇 시간동안 계속해서 이용할 수 있는 일차 전지들을 구입하게 된다. 예를 들어, 더 비싼 전지들을 갖는 장치에 의해 제공되는 소정의 더 높은 성능레벨을 이용자가 필요로 하지 않는 경우에는, 이용자는 덜 비싼 전지들을 구입할 수도 있다.
또한, 본 발명은, AAA, AA, C 또는 D 단일셀 전지들 및 9 볼트 다중셀 전지들 등의, 표준 소비자 일차 전지들에 관한 것이다. 예를 들어, 바람직한 실시예에서는, 약 1.5 볼트의 공칭전압을 갖는 전지로 동작하도록 제어기를 설계할 수 있으므로, 제어기는, 실리콘 카바이드("SiC")실시예의 경우 약 0.1 볼트, 갈륨비소("GaAs")실시예의 경우 약 0.34 볼트, 그리고 종래 실리콘을 기제로 한 실시예에서는 약 0.54 볼트의 낮은 전압레벨에서 동작할 수 있게 된다. 또한, 인쇄 크기가 감소함에 따라, 상기 최소 동작전압도 감소하게 된다. 예를 들어, 실리콘의 경우, 회로 인쇄를 0.18 마이크론 기술로 감소시킴으로써, 최소 동작전압을 약 0.54 볼트로부터 약 0.4 볼트로 감소시키게 된다. 상술한 바와 같이, 제어기의 최소 요구 동작전압이 더 낮아짐에 따라, 전기화학셀을 최대로 깊게 방전시키기 위해 제어기는 셀전압을 더 낮게 제어할 수 있다. 따라서, 전기화학셀에 저장된 충전전하의 약 100 % 까지 전지 이용을 증가시키기 위해 회로 제조시 서로 다른 어드밴스들을 이용하는 것은 본 발명의 범위 내에 있게 된다. 그러나, 전지 저장 전위의 약 95 % 까지의 이용을 제공하여, 제어기가 없는 평균 40-70 % 의 이용과 비교하여 상당히 높게 된다.
실리콘을 기제로 한 하나의 바람직한 실시예에서, 예를 들어, 제어기는 약 1 볼트 정도의 낮은 전압에서 동작하도록 설계되며, 더욱 바람직하게는, 약 0.85 볼트, 더 더욱 바람직하게는, 약 0.8 볼트, 더 더욱 바람직하게는, 약 0.75 볼트, 더 더욱 바람직하게는, 약 0.7 볼트, 더 더욱 바람직하게는, 약 0.65 볼트, 더 더욱 바람직하게는, 약 0.6 볼트의 낮은 전압에서 동작하도록 설계되며, 약 0.54 볼트로 되는 것이 가장 바람직하다. 약 1.5 볼트의 공칭전압을 갖는 전기화학셀용으로 설계된 제어기의 경우, 적어도 약 1.6 볼트 정도의 높은 입력전압에서 제어기가 동작할 수 있는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 제어기는 적어도 약 1.8 볼트 정도의 높은 입력전압에서 동작할 수 있다. 따라서, 바람직한 제어기는 약 0.8 볼트의 최소값 내지 적어도 1.6 볼트의 범위 내에서 동작할 수 있어야 한다. 그러나, 제어기는 상기 범위이외의 범위에서도 동작할 수 있으며, 바람직하게는 상기 범위이외의 범위에서도 동작하게 된다.
그러나, 약 3.0 볼트의 공칭전압을 갖는 전기화학셀로 이용하도록 설계된 본 발명의 제어기의 바람직한 실시예에의 경우, 상기 제어기는, 약 1.5 볼트의 공칭전압을 갖는 전기화학셀과 함께 이용되는 제어기에 요구되는 것보다 높은 전압레벨에서 동작할 수 있어야 한다. 약 3.0 볼트의 공칭전압을 갖는 전기화학셀의 경우, 제어기는 약 2.4 볼트 내지 약 3.2 볼트의 범위 내에서 동작할 수 있는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 제어기는 약 0.8 볼트 내지 적어도 약 3.2 볼트의 전압범위내에서 동작할 수 있게 된다. 더욱 바람직하게는, 제어기는 약 0.6 볼트 내지 적어도 약 3.4 볼트 범위의 입력전압으로 동작할 수 있게 된다. 더욱 더 바람직하게는, 제어기는 약 0.54 볼트 내지 적어도 약 3.6 볼트 범위의 입력전압으로 동작할 수 있게 되며, 약 0.45 볼트 내지 적어도 약 3.8 볼트의 범위로 되는 것이 가장 바람직하게 된다. 그러나, 제어기는 상기 범위이외의 범위에서도 동작할 수 있으며, 바람직하게는 상기 범위이외의 범위에서도 동작하게 된다.
다른 바람직한 실시예는 약 1.5 볼트 내지 약 3.0 볼트의 공칭전압을 갖는 전기화학셀로 동작할 수 있다. 상기 실시예에서 제어기는 약 0.8 볼트의 최소 입력전압으로 동작할 수 있으며, 바람직하게는, 0.7 볼트, 더욱 바람직하게는, 약 0.6 볼트, 그리고 가장 바람직하게는 약 0.54 볼트의 최소 입력전압으로 동작할 수 있으며, 그리고, 적어도 약 3.2 볼트의 최대 입력전압, 바람직하게는 약 3.4 볼트, 더욱 바람직하게는, 약 3.6 볼트, 그리고 가장 바람직하게는 약 3.8 볼트의 최대 입력전압으로 동작할 수 있다. 예를 들어, 제어기는 약 0.54 볼트 내지 약 3.4 볼트, 또는 약 0.54 볼트 내지 약 3.8 볼트, 또는 약 0.7 볼트 내지 약 3.8 볼트 범위 내에서 동작할 수 있다.
또한, 본 발명의 전지들은, 차단전압을 갖지 않는 플래시라이트 등의 전기장치들로 이용되는 경우 전형적인 전지들과는 구별되는 잇점들을 제공한다. 전형적인 전지의 경우, 전지가 방전됨에 따라 전지의 출력전압은 감소하게 된다. 전기장치의 출력전력은 전지에 의해 공급되는 전압에 정비례하므로, 전기장치의 출력은 전지 출력전압에 비례하여 감소하게 된다. 예를 들어, 전지가 완전히 방전될 때까지 전지의 출력전압이 감소함에 따라 플래시라이트 벌브의 세기는 계속해서 약해지게 된다. 그러나, 본 발명의 전지는, 제어기가 동작할 수 있는 레벨이하로 셀전압이 감소할 때까지 전지의 전체 방전 사이클 내내 비교적 일정하며, 제어되는 전압레벨로 셀전압을 조절하는 제어기를 갖는다. 그 때, 전지는 정지하게 되며, 전기장치는 동작을 멈추게 된다. 그러나, 방전사이클 중에는, 전지가 정지할 때까지, 전기장치는 비교적 일정한 출력(예를 들어, 벌브 세기)을 계속해서 제공하게 된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예는 이용자에 대한 저잔류 충전용량 경고를 포함한다. 예를 들어, 제어기는, 전기화학셀전압이 소정값에 도달하는 짧은 시간기간 동안 전지의 출력단자로부터 전기화학셀(들)을 일시적으로 분리하거나 재접속시키게 된다. 이로 인해, 전지가 지금 막 정지한다는 지시를 보고 듣거나 판독할 수 있는 장치를 제공하게 된다. 또한, 제어기는, 전지 런타임의 종료시에 전지의 출력전압을 감소시킴으로써 가속된 전지 방전 상태의 상태들을 인공적으로 재생성하게 된다. 예를 들어, 제어기는, 전지 저장용량이 자신의 정격 용량의 약 5 % 인 경우, 출력전압을 램핑다운하는 것을 개시하게 된다. 이로 인해, 테이프 또는 CD 플레이어에서 체적을 감소시키는 등의 이용자에 대한 지시를 제공하거나 장치에 대한 지시를 제공하여, 이용자에게 경고하게 된다.
도 7 은 전기화학셀 (730) 의 양극 (732) 및 음극 (734) 전극들과 용기 (712) 의 양극 (720) 및 음극 (722) 단자들간에 DC/DC 변환기 (750) 가 전기적으로, 바람직하게는 전자적으로 접속되는 본 발명의 하나의 바람직한 실시예의 블록도를 도시한다. DC/DC 변환기 (750) 는 전기화학셀 (730) 의 양극 (732) 및 음극 (734) 전극들을 가로지르는 셀전압을 용기 (712) 의 양극 (720) 및 음극 (722) 단자들에서의 출력전압으로 변환한다. DC/DC 변환기 (750) 는 출력단자들 (720 및 722) 에서 상향변환, 하향변환, 상향 및 하향 변환 모두, 또는 전압 안정화를 제공하게 된다. 이 실시예에서, DC/DC 변환기 (750) 는 연속 모드에서 동작하게 되며, 전기화학셀 (730) 의 출력전압이 전지의 이용 런타임 내내 용기의 단자들 (720 및 722) 에서의 안정한 출력전압으로 변환되게 된다. 상기 실시예는 출력단자들 (720 및 722) 에서의 용기 (712) 의 출력전압을 안정화시키게 된다. 안정한 출력전압을 공급함으로써, 전자장치 설계자로 하여금 전자 장치의 전력 관리 회로의 복잡성을 감소시키게 되므로, 장치들의 크기, 중량 및 비용도 감소시키게 된다.
DC/DC 변환기 (750) 는, 전기화학셀 (730) 의 셀전압이 변환기 (750) 의 전자 구성소자, Vfb 의 최소 순방향 바이어스전압 이하로 하강할 때까지 계속해서 동작하게 된다. DC/DC 변환기 (750) 의 최소 스위칭 전압, Vfb 가 전지가 전력을 공급하고 있는 전자장치의 차단전압 보다 낮은 범위까지, 용기 (720) 의 단자들 (720 및 722) 에서의 안정화된 출력전압이 전자장치의 차단전압을 초과하는 한 제어기 (740) 또한 전자장치의 차단전압을 초과하여 전지 (710) 의 이용 런타임을 연장하게 된다.
도 7 에 도시되어 있는 본 발명의 한 바람직한 실시예에서, 연속모드에서 동작하는 DC/DC 변환기 (750) 는, 전기화학셀 (730) 의 셀전압을 용기 (712) 의 출력전압으로 낮추는 스텝다운 변환기일 수 있다. 스텝다운 변환기를 포함하는 제어기 (740) 의 한 바람직한 실시예에서, 변환기는 전기화학셀 (730) 의 제 1 형태의 전압을 전기화학셀의 제 2 형태의 공칭전압 정도인 용기 (712) 의 출력전압으로 낮추어 제 1 형태의 전기화학셀 (730) 을 함유하는 전지는 제 2 형태의 전기화학셀을 함유하는 전지와 서로 호환할 수 있게 된다. 예를 들어, 표준 1.5 볼트 셀 보다 높은 공칭전압을 갖는 전기화학셀은 연속해서 동작하는 스텝다운변환기와 조합하여 이용될 수 있어 전기화학셀을 화학적으로 바꿀 필요가 없는 표준셀과 서로 호환할 수 있게 된다. 상기 실시예는, 전기화학셀 자신의 구조를 변경하거나 셀의 화학에너지 저장을 감소시키지 않으면서 그렇지 않은 경우에 가능한 것보다 서로 다른 형태의 전기화학셀들간의 더 큰 정도의 호환성을 제공하게 된다.
예를 들어, 리튬셀은 표준 AA 전지패키지에 이용되어 동일 체적의 알칼리 전지보다 적어도 2배 이상의 용량을 제공하게 된다. 리튬 Mn02 등의 리튬 셀은 약 3.0 볼트 정도의 공칭전압을 갖지만, 1.5 볼트 공칭 전압을 갖는 AA 알칼리 전지와는 정상적으로 서로 호환할 수 없다. 그러나, 전지 설계자들은, 예를 들어, 표준 AA 알칼리 전지와 서로 호환될 수 있는 리튬 전지를 생성하기 위해 약 1.5 볼트의 공칭전압을 갖는 리튬 전지들을 생성하는 리튬 전기화학셀의 화학반응을 변경하였다. 상기 1.5 볼트 리튬 전지는 사진 플래시 부하 회로에 높은 전류 레벨을 전송하는 능력을 여전히 갖고 있지만, 1.5 볼트 리튬 전기화학셀은 동일 체적의 알칼리셀 상에 총 화학 에너지 저장에서의 상당한 증가를 제공하지 않는다. 그러나, 본 발명은, 약 3 볼트의 공칭전압을 갖는 표준 리튬 전기화학셀 및 상기 공칭전압을 약 1.5 볼트로 변환하는 제어기를 이용하는 능력을 제공한다. 따라서, 상기 전지는, 어느 1.5 볼트전지와도 서로 완전히 호환될 수 있는 전지내에서 화학적으로 변경된 1.5 볼트 리튬셀 또는 1.5 볼트 알칼리셀을 함유하는 전지의 화학에너지 저장의 거의 2배를 제공하게 된다. 또한, 본 발명의 리튬 전지는 화학적으로 변경된 1.5 볼트 리튬셀을 함유하는 전지와 동일한 고전류레벨을 제공한다.
또한, 제어기 (740) 는 전지 (710) 를 이용하는 플래시라이트 등의 전기장치의 성능을 최적화시킨다. 전기장치가 최소 동작전압에서 전자장치와 같이 차단되지 않더라도, 플래시라이트 벌브 등의, 전기장치의 성능은 입력전압이 감소함에 따라 감소하게 된다. 따라서, 안정한 전지 (710) 출력전압은, 전기화학셀 (730) 의 전압이 감소함에 따라 장치 성능을 감소시키지 않으면서, 전기장치 성능이 전지의 이용 런타임 내내 일정하게 유지되도록 한다.
DC/DC 변환기 (750) 는, 펄스폭 변조("PWM"), 펄스진폭 변조("PAM"), 펄스주파수 변조("PFM") 및 펄스위상 변조("PψM") 공진 변환기 등을 더 포함할 수 있는 펄스 변조 등의 하나 이상의 여러 공지된 제어방식을 이용하여, 변환기 (750) 의 동작변수를 제어하게 된다. 본 발명의 변환기 (750) 의 바람직한 실시예는 펄스폭 변조를 이용한다. 더 바람직한 실시예는 이하 상세하게 설명되는 펄스폭 변조 및 펄스위상 변조의 조합을 이용한다.
본 발명의 전지에서 이용하기 위한 바람직한 실시예의 DC/DC 변환기 (750) 의 경우, 상기 변환기는 DC/DC 변환기 (750) 를 구동하는 펄스폭 변조기에 의해 제어된다. 펄스폭 변조기는, 작업량 주기가 변하는 고정된 주파수 제어 신호를 생성하게 된다. 예를 들어, 작업량 주기는 DC/DC 변환기가 오프일 때 제로로 되며, 변환기가 최대 용량으로 동작할 때는 100 % 이고, 전기화학셀 (730) 의 부하 요구 및/또는 잔류 용량에 따라 제로와 100 % 사이에서 변하게 된다. 펄스폭 변조방식은 작업량 주기를 생성하는 데에 이용되는 적어도 하나의 입력신호를 갖는다. 하나의 실시예에서는, 용기 (712) 의 단자들 (720 및 722) 에서의 출력전압이 계속해서 샘플링되어 기준전압과 비교된다. 에러 교정 신호는 DC/DC 변환기의 작업량 주기를 변경하는 데에 이용된다. 상기 경우, 용기 (712) 의 단자들 (720 및 722) 에서의 출력전압으로부터 부피드백 루프로 인해, DC/DC 변환기 (750) 는 안정된 출력전압을 공급하게 된다. 다른 방법으로는, DC/DC 변환기 (750) 는, 전기화학셀 (730) 의 양극 (732) 및 음극 (734) 전극들을 가로지르는 전압 등의 셀전압과 출력전류 등의 다중 입력신호들을 이용하여 작업량 주기를 생성할 수 있다. 상기 실시예에서는, 셀전압과 출력전류가 감시되며, DC/DC 변환기 (750) 는 이들 2개의 변수들의 함수인 작업량 주기를 생성한다.
도 8 내지 도 11 은 본 발명의 집적된 제어기 회로의 추가 실시예들의 블록도를 도시한다. 이들 각 실시예들의 경우, 집적된 제어기 회로는 적어도 2개의 주요 구성요소들을 포함한다: (1) DC/DC 변환기; 및 (2) 부하를 구동하는 데에 필요한 전압으로 셀전압을 변환하는 데에 DC/DC 변환기가 필요한 경우에만 DC/DC 변환기의 내부 손실이 발생하도록, 전기화학셀의 전극들과 용기의 출력단자들 사이에서 DC/DC 변환기를 전기적으로, 또는 바람직하게는 전자적으로, 접속시키거나 분리시키는 변환기 제어기. 예를 들어, DC/DC 변환기는, 부하가 더 이상 동작할 수 없는 소정 레벨이하로 셀전압이 떨어지는 경우에만 턴온된다. 다른 방법으로는, 전자장치가 전지의 공칭전압의 ± 10 % 등의 특정 범위내의 입력전압을 필요로 하는 경우, 예를 들어, 변환기 제어기는, 셀전압이 소정 범위밖에 존재하면 DC/DC 변환기를 턴"온" 시키지만, 셀전압이 소정 범위 내에 존재하면 변환기를 턴"오프"시킨다.
도 8 에서, 예를 들어, DC/DC 변환기 (850) 는 전기화학셀 (830) 의 양극 (832) 및 음극 (834) 단자들과 용기 (812) 의 양극 (820) 및 음극 (822) 단자들 사이에 전기적으로 접속된다. 또한, 변환기 제어기 (852) 도 전기화학셀 (830) 의 양극 (832) 및 음극 (834) 단자들과 용기 (812) 의 양극 (820) 및 음극 (822) 단자들 사이에 전기적으로 접속된다. 상기 예에서, 변환기 제어기 (852) 는, 전기화학셀 (830) 을 용기 (812) 의 출력단자들 (820 및 822) 에 직접 접속시키거나 용기 (812) 의 출력단자들 (820 및 822) 과 전기화학셀 (830) 사이에 DC/DC 변환기 (850) 를 접속시키는 스위치로서 기능한다. 변환기 제어기 (852) 는 출력전압을 계속해서 샘플링하여 이것을 하나 이상의 내부생성 한계전압들과 비교한다. 용기 (812) 의 출력전압이 한계전압 레벨 이하로 떨어지거나 한계전압의 소정범위 바깥에 존재하면, 예를 들어, 변환기 제어기 (852) 는 DC/DC 변환기 (850) 를 전기적으로 "턴온"시키거나, 또는 바람직하게는 용기 (812) 의 출력단자들 (820 및 822) 과 전기화학셀 (830) 사이에 DC/DC 변환기 (850) 를 전자적으로 접속시킨다. 한계전압은 전기화학셀 (830) 의 공칭전압 중간정도 내지 전지가 동작하도록 설계된 전자장치 클래스의 최대 차단전압 정도의 범위 내에 존재하는 것이 바람직하다. 다른 방법으로는, 변환기 제어기 (852) 는 전기화학셀 (830) 의 셀전압을 샘플링하며 그 전압을 한계전압과 비교하여 DC/DC 변환기 (850) 의 동작을 제어하게 된다.
도 9 의 제어기 (940) 는 도 8 에 도시된 제어기 (840) 의 소자들을 포함하지만, 전기화학셀 (930) 의 전극들 (932 및 934) 사이에 전기적으로 접속된 접지 바이어스 회로 (980), DC/DC 변환기 (950), 변환기 제어기 (952) 및 용기 (912) 의 출력단자들 (920 및 922) 을 더 포함하게 된다. 접지 바이어스 회로 (980) 는 음으로 바이어스된 전압레벨인 Vnb 를 DC/DC 변환기 (950) 에 제공하며 용기 (912) 의 음극 출력단자 (922) 에 제공한다. 이로 인해, DC/DC 변환기 (950) 에 인가된 전압을 셀전압으로부터 셀전압에 음으로 바이어스된 전압레벨 Vnb 의 절대값을 더한 전압레벨까지 상승시키게 된다. 이로 인해, 접지 바이어스 회로 (980) 를 구동하는 데에 필요한 최소 순방향 전압이하로 실제 셀전압이 하강할 때까지 변환기 (950) 는 유효 전압레벨에서 동작할 수 있게 된다. 따라서, 변환기 (950) 는, 변환기 (950) 를 구동하는 전기화학셀 (930) 의 셀전압만으로 가능했던 것보다 더 높은 전류레벨을 전기화학셀 (930) 로부터 더 효율적으로 끌어내게 된다. 약 1.5 볼트의 공칭전압을 갖는 전기화학셀을 갖는 본 발명의 전지 (910) 용 제어기 (940) 의 바람직한 실시예의 경우, 음으로 바이어스된 전압, Vnb 이 약 0 볼트와 약 1 볼트사이의 범위 내에 존재하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 음으로 바이어스된 전압, Vnb 가 약 0.5 볼트로 되며, 가장 바람직하게는 0.4 볼트로 된다. 따라서, 약 1.5 볼트의 공칭전압을 갖는 전기화학셀에 대해 셀전압이 약 1 볼트이하로 떨어질 때, 접지 바이어스 회로 (980) 로 인해, 변환기는 전기화학셀 (930) 을 더 깊게 방전시키며 전기화학셀 (930) 로부터 전류 추출시 변환기 (950) 의 효율을 증가시킬 수 있게 된다.
본 발명의 전지 (910) 내에 접지 바이어스회로 (980) 로서 이용될 수 있는 충전펌프 (988) 의 한 예시적인 실시예가 도 9A 에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 스위치 S1 및 S3 이 닫히고 S2 및 S4 가 개방되면, 전기화학셀 (930) 의 셀전압은 커패시터 (Ca) 를 충전하게 된다. 그 후, 스위치 S1 및 S3 이 개방되고, S2 및 S4 가 닫히면, 커패시터 (Ca) 상의 전하는 반전되어 커패시터 (Cb) 에 전송되어, 전기화학셀 (930) 의 셀전압으로부터 반전된 출력전압을 제공하게 된다. 다른 방법으로는, 도 9A 에 도시된 충전펌프 (988) 는 당해 기술분야에서 공지된 소정의 적합한 충전 펌프회로에 의해 대체될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 접지 바이어스 회로 (980) 는 충전펌프 회로 (986) 를 포함한다. 충전펌프 회로 (986) 는 도 9B 에 도시되어 있으며 클록 발생기 (987) 및 하나 이상의 펌프들 (988) 을 포함한다. 도 9B 에 도시된 충전펌프 회로 (986) 의 바람직한 실시예에서는, 예를 들어, 충전펌프는, 4개의 미니펌프 (989) 및 하나의 메인 펌프 (990) 를 포함한 2층 구성을 구비한다. 그러나, 소정 갯수의 미니펌프 (989) 를 이용할 수도 있다. 예를 들어, 충전펌프 회로 (986) 의 하나의 바람직한 실시예는, 12개의 미니펌프 (989) 및 하나의 메인 펌프를 포함한다. 이 실시예의 미니펌프 (989) 및 메인펌프 (990) 는, 동일한 주파수를 각각 갖는 클록 발생기 (987) 에 의해 발생된, 4개의 서로 다른 위상 제어 신호 (991a, 991b, 991c 및 991d) 에 의해 구동되지만, 서로 동상으로 시프트된다. 예를 들어, 제어 신호 (991a 내지 991d) 는 서로 90 도 각도의 위상으로 시프트된다. 이 실시예에서, 각 미니펌프 (989) 는 클록 발생기에 의해 발생된 제어 신호 (991a 내지 991d) 의 반전된 출력전압을 제공한다. 메인펌프 (990) 는 다중 미니펌프 (989) 의 출력들을 합산하여 미니펌프 (989) 의 각 출력전압과 동일 전압레벨에 존재하지만, 모든 12 개의 미니펌프 (989) 에 의해 제공된 전체 전류인 더 높아진 전류레벨에 존재하게 되는 충전 펌프회로 (986) 에 대한 출력신호를 제공한다. 상기 출력신호는 DC/DC 변환기 (950) 및 용기 (912) 의 출력 음극단자 (922) 에 대한 가상 접지를 제공한다.
본 발명의 다른 태양에서는, 충전 펌프회로는, 충전 펌프회로 (986) 와 관련된 손실을 최소화하기 위해 소정 전압레벨로 셀전압이 떨어질 때 충전 펌프회로 (986) 를 턴온시키는 충전펌프 제어기 (992) 를 더 포함한다. 예를 들어, 충전펌프 제어기 (992) 에 대한 소정 전압레벨은, 전기화학셀 (930) 의 공칭전압 정도 내지 전지 (910) 가 전력을 공급하도록 설계된 전자장치들 그룹의 최대 차단전압까지의 범위 내에 존재하게 된다. 더욱 바람직하게는, 소정의 전압레벨은 전지 (910) 가 전력을 공급하도록 설계된 전자장치들의 클래스의 최대 차단전압 보다 약간 더 높게 된다. 예를 들어, 소정의 전압레벨은 전지 (910) 가 동작하도록 설계된 전자장치들의 클래스의 최대 차단전압 보다 약 0.2 볼트 더 큰 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 소정 전압레벨은 상기 차단 전압 보다 약 0.15 보트 더 크게 된다. 더욱 더 바람직하게는, 소정 전압레벨은 상기 차단 전압 보다 약 0.1 볼트 더 크게 되며, 상기 차단 전압 보다 약 0.05 볼트 더 크게 되는 것이 가장 바람직하다. 다른 방법으로는, 충전펌프 회로 (986) 는 DC/DC 변환기 (950) 를 턴온시키는 동일한 제어신호에 의해 제어될 수 있어, 충전펌프 회로 (986) 는 변환기 (950) 가 동작할 때에만 동작할 수 있게 된다.
또한, 접지 바이어스 회로 (980) 이 턴오프되면, 용기 (912) 의 출력 음극 단자 (922) 에 인가된 가상 접지가 전기화학셀 (930) 의 음극 전극 (934) 의 전압레벨로 붕괴되는 것이 바람직하다. 따라서, 접지 바이어스 회로가 동작하지 않는 경우, 전지는 표준 전기화학셀 (930) 의 음극 전극 (934) 에 의해 제공된 표준 접지 구성으로 동작하게 된다.
다른 방법으로는, 접지 바이어스 회로 (980) 는 벅-부스트 변환기, 쿡 변환기 또는 선형 조절기 등의 제 2 DC/DC 변환기를 구비할 수도 있다. 또한, DC/DC 변환기 (950) 와 접지 바이어스 회로 (980) 를 조합할 수도 있으며, 양극 출력전압을 시프트 업하며 음극 바이어스를 시프트 다운하는 벅-부스트 변환기, 푸시-풀 변환기 또는 플라이백 변환기 등의 단일 변환기에 의해 대체될 수 있다.
도 10 은 본 발명의 제어기 회로 (1040) 의 또 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, DC/DC 변환기 (1050) 는 위상편이 센싱회로 (1062) 등의 외부 소스로부터 교정 제어신호를 수신할 수 있다. 도 7 을 참조하여 상술한 바와 같이, DC/DC 변환기 (1050) 는 펄스폭 변조기 등의 제어 방식을 이용하여 변환기 (1050) 의 동작변수를 제어하게 된다. 이 실시예에서, 제어기 회로 (1040) 는 도 9 에 도시된 제어기 (940) 와 동일한 소자들을 포함하지만, 전극 (1032) 의 셀전압의 AC 성분과 전류센싱 저항 (Rc) 을 가로질러 측정된 전기화학셀 (1030) 로부터 인출된 전류간의 순간 위상편이, ψ 를 측정하는 위상편이 센싱회로 (1062) 를 더 포함하게 된다. DC/DC 변환기 (1050) 는 다른 내부 또는 외부에서 생성된 제어신호를 조합한 상기 신호를 이용하여 작업량 주기를 생성한다.
도 11 에 도시된 실시예의 제어기 (1040) 는 도 10 에 도시된 제어기 (1040) 와 동일한 구성요소를 포함하지만, 전류센싱 저항 (Rc), 전기화학셀 (1130) 의 양극 (1132) 및 음극 (1122) 전극들에 전기적으로 접속되며 변환기 제어기 (1152) 에 더 접속되는 비상 차단 회로 (1182) 를 더 포함하게 된다. 비상 차단회로 (1182) 는, 용기 (1112) 의 출력단자 (1120 및 1122) 로부터 전기화학셀(들) (1130) 의 분리를 요구하는 하나 이상의 안전에 관계된 조건들을 변환기 제어기 (1152) 에 신호할 수 있다. 예를 들어, 단락회로 또는 반전극성의 발생시, 비상 차단회로 (1182) 는 변환기 제어기 (1152) 에 신호하여 용기 (1112) 의 단자들 (1120 및 1122) 로부터 전기화학셀 (1030) 의 전극들 (1132 및 1134) 을 분리하게 된다. 또한, 비상 차단회로 (1182) 는, 전기화학셀 (1130) 의 전압 및/또는 내부 임피던스를 센싱함으로써, 전기화학셀 (1130) 의 방전 사이클의 종료지시를 변환기 제어기 (1152) 에 제공할 수도 있다. 예를 들어, 제어기 (1140) 는, 전기화학셀 (1130) 의 잔류용량이 소정 레벨로 떨어지면 전류를 램프 다운하며, 전기화학셀 (1130) 의 잔류용량이 소정값에 도달하게 되면 짧은 기간동안 출력단자 (1120 및 1122) 로부터 전기화학셀 (1130) 의 전극들 (1132 및 1134) 을 임시로 분리시키며 재접속시키거나, 또는 전지가 지금 막 정지한다는 지시를 보고 듣거나 판독할 수 있게 된다. 또한, 방전 사이클의 선단에서, 비상 차단회로는 변환기 제어기 (1152) 에 신호를 전송하여 용기 (1112) 의 단자들 (1120 및 1122) 로부터 전기화학셀 (1130) 을 분리시키거나 및/또는 출력 단자들 (1120 및 1122) 을 단락시켜 방전된 전기화학셀 (1130) 이 방전된 전기화학셀 (1130) 과 직렬로 접속된 다른 셀들의 전류를 소비하는 것을 방지하게 된다.
도 12 에 도시된 바람직한 제어기 (1240) 는 용기 (1212) 의 양극 단자 (122) 로부터 양극 전극 (1232) 을 전자적으로 접속시키며 분리시킬 수 있는 동기식 정류기 (1274) 를 갖는 DC/DC 변환기 (1250) 을 포함한다. 동기식 정류기 (1274) 의 스위치는 전기화학셀 (1230) 의 양극 (1232) 또는 음극 (1234) 전극들과 용기의 출력단자들 (1220 및 1222) 간의 직접적인 전기경로에서, 도 8 을 참조하여 상술한 변환기 제어기 (852) 등의 추가 스위치에 대한 필요성을 제거하게 된다. 또한, 동기식 정류기 (1274) 는 내부 손실을 감소시킴으로써 DC/DC 변환기 (1250) 의 효율을 증가시키게 된다. 또한, 이 실시예의 변환기 제어기 (1252) 는 DC/DC 변환기 (1250) 의 제어를 위한 추가 입력신호를 고려하게 된다. 예를 들어, 도 12 에 도시된 실시예에서, 변환기 제어기 (1252) 는 도 10 을 참조하여 상술한 위상편이 측정에 더하여 온도, 압력 및 수소 및 산소 농도 등의 센서를 통해 내부 전기화학셀의 환경을 감시하게 된다.
도 7 내지 도 12 는 본 발명의 더 복잡한 회로 설계를 단계적으로 도시한다. 본 발명의 제어기의 중심요소인 DC/DC 변환기에 더하여 집적된 제어기 회로내에 포함되는 서로 다른 소자들의 정리된 설명을 상기 순서대로 제공하게 된다. 설명의 순서는, 다중 개별 소자들을 조합한 회로에서 나중에 소개될 소자들이 본 발명의 범위 내에 있도록 하기 위해 이전 도면들을 참조하여 설명된 모든 특징들을 가져야만 함을 나타내려는 의도는 아니다. 예를 들어, 비상 차단회로, 충전 지시회로, 위상 센싱회로 및/또는 접지 바이어스회로는 이들 소자들을 도시한 도면들에 도시된 다른 소자들 또는 변환기 제어기 없이도 도 6 내지 도 11 의 회로들을 조합하여 이용될 수 있다.
본 발명의 전지 (1310) 에 이용하기 위한 집적된 제어기 회로 (1340) 의 바람직한 실시예는 DC/DC 변환기 (1350) 및 변환기 제어기 (1352) 를 포함하며 도 13 에 도시되어 있다. 변환기 (1350) 는 대부분의 전자장치들의 한계전압 이하에서 동작할 수 있는 거의 무유도성, 고주파수, 고효율 및 중간 전력 변환기인 것이 바람직하다. 제어기 (1340) 는 도 9B 에 도시된 것과 같은 충전펌프를 포함하여 전기화학셀 (1330) 의 음극 전극 (1334) 의 전위 이하의 전위를 갖는 가상 접지를 DC/DC 변환기 (1350) 및 용기 (1312) 의 출력단자 (1322) 에 공급하는 것이 바람직하다. 가상접지는 DC/DC 변환기 (1350) 를 구동하는 데에 이용가능한 증가된 전압 미분을 제공하며 변환기 (1350) 로 하여금 변환기를 구동하는 셀전압만으로 가능했던 것보다 전기화학셀 (133) 로부터 더 높은 전류레벨을 효율적으로 인출할 수 있게 한다.
이 실시예에서, 변환기 제어기 (1352) 는 펄스폭 및 펄스위상 변조 제어방식을 이용하는 것이 바람직하다. 위상편이 센싱회로 (1362) 는 전기화학셀 (1330) 의 양극 (1332) 및 음극 (1334) 전극들에서 전기화학셀 (1330) 로부터 인출된 셀전압 및 전류와 상기 전압과 전류간의 순간 및/또는 연속 위상편이를 측정한다. 상기 위상편이는 전기화학셀 (1330) 의 충전용량의 함수인 전기화학셀 (1330) 의 내부 임피던스를 정의한다. 셀 폐회로 전압강하에 의해 결정되는, 전기화학셀 (133) 의 약 50 % 의 방전후에, 증가한 내부 임피던스는 잔류 전기화학셀 (1330) 용량을 지시한다. 위상편이 센싱회로 (1362) 는 이들 신호들을 위상 선형 제어기 (1371) 에 제공한다. 그 후, 위상 선형 제어기 (1371) 는 위상편이 센싱회로 (1362) 에 의해 검출된 전압 Vs 와 위상편이에 선형으로 비례하는 출력전압 제어신호 V(psi) 를 펄스폭 변조 및 펄스위상 변조 제어방식의 조합을 이용하는 펄스 변조기 (1376) 에 제공하게 된다. 또한, 펄스 변조기 (1376) 는 전압제어신호로서 저항 (Rs) 을 가로지르는 전압 강하를 수신한다.
펄스 변조기 (1376) 는 DC/DC 변환기 (1350) 를 구동하기 위해 조합한 전압제어신호들을 이용한다. 전압 Vs 가 소정 한계전압 레벨을 초과하면, 펄스 변조기 (1376) 는 금속산화막 반도체 전계효과 트랜지스터("MOSFET") (M3) 를 닫힌 상태로 유지하며 MOSFET (M4) 를 개방 상태로 유지한다. 따라서, 전기화학셀 (1330) 로부터 부하까지의 전류경로는 MOSFET (M3) 를 경유하여 유지된다. 또한, 작업량 주기가 제로 퍼센트에서 효율적으로 유지되므로, DC/DC 변환기 (1350) 및 변환기 제어기 (1352) 와 관련된 손실들은 최소화된다. 상기 경우, 닫힌 MOSFET (M3) 및 저항 (Rs) 의 DC 손실들은 아주 낮게 된다. 예를 들어, 저항 (Rs) 은 약 0.01 내지 약 0.1 옴의 범위 내에 존재하는 것이 바람직하다.
그러나, 전압 Vs 가 소정의 한계 전압레벨 이하로 떨어지면, 펄스 변조기 (1376) 는 턴온되어 전압 제어신호들의 조합에 기초하여 DC/DC 변환기 (1350) 의 작업 주기량을 변조하게 된다. Vs 의 진폭은 작업량 주기를 제어하는 일차 제어신호로서 동작한다. 출력전류의 함수인 전류 센스 저항 (Rs) 을 가로지르는 전압강하는 제 2 제어신호로서 동작한다. 따라서, 전기화학셀 (1330) 로부터 인출된 셀전압 및 전류의 AC 성분들 간의 위상편이에 선형으로 비례하는, 위상 선형 제어기 (1371) 에 의해 생성된 신호 V(psi) 는 제 3 제어신호로 된다. 특히, V(psi) 신호는 전지 이용 런타임 내내 내부 임피던스에 응답하여 작업량 주기를 변경하는 데에 이용되어, 변환기의 효율 및 전지 이용 런타임에 영향을 주게 된다. Vs 의 순간 및/또는 연속 진폭이 감소하거나, 저항 (Rs) 을 가로지르는 전압강하가 증가하거나, 및/또는 V(phi)제어신호의 순간 및/또는 연속 진폭이 증가하면, 펄스 변조기는 작업량 주기를 증가시키게 된다. 각 변수의 조합은 적절한 제어알고리듬에 따라 가중된다.
펄스 변조기 (1376) 가 턴온되면, 자신의 오실레이터는, 바람직하게는 약 40 KHz 내지 약 1 MHz 의 범위내의 주파수, 더욱 바람직하게는 약 40 KHz 내지 약 600 KHz 의 범위내의 주파수, 가장 바람직하게는 통상적으로 약 600 KHz 의 주파수및 50 % 의 작업량 주기를 가지는 사다리꼴 또는 정방형 제어펄스들을 발생시키게 된다. 펄스 변조기 (1376) 는 적절한 제어 알고리즘을 이용하여 MOSFETs (M3 및 M4) 에 대한 출력제어신호의 작업량 주기를 변경하게 된다. 가장 통상적으로는, 제어알고리즘은 M3 및 M4 를 동일한 작업량 주기 그러나 반대 위상으로 동작시킨다. MOSFETs (M3 및 M4) 은, 바람직하게는 M3 가 N-채널 MOSFET 이며, 바람직하게는 M4 가 P-채널 MOSFET 인 상보형 고전력 트랜지스터인 것이 바람직하다. 본질적으로, 완전한 DC/DC 변환기 (1350) 의 구성은 출력에서 동기된 정류기를 갖는 부스트 DC/DC 변환기이다. 또한, 변환기 (1350) 는 비동기식 쇼트키 다이오드 대신 MOSFET (M3) 를 이용하여 AC 및 DC 손실들을 최소화시킨다. 개별 제어신호들은 M3 및 전력 MOSFET (M4) 를 구동시킨다. M3 와 M4 제어신호들 간의 작업량 주기 및/또는 위상을 변경함으로써 용기 (1312) 의 단자들 (1320 및 1322) 을 가로지르는 출력전압을 변경하게 된다.
펄스변조기 (1376) 는 저항 (Rs) 을 가로지르는 전압강하인 전압 Vs 또는 전기화학셀 (1330) 의 내부 임피던스 등의 하나 이상의 전압 제어신호들에 기초하여 MOSFETs (M3 및 M4) 를 제어하게 된다. 예를 들어, 부하전류 소비가 낮은 경우, 펄스변조기 (1376) 는 DC/DC 변환기 (1350) 의 작업량 주기를 제로 퍼센트에 가깝게 발생시킨다. 부하전류 소비가 높은 경우, 펄스변조기 (1376) 는 DC/DC 변환기 (1350) 의 작업량 주기를 100 % 에 가깝게 발생시킨다. 이들 2개의 종료점들간의 부하전류 소비가 변함에 따라, 펄스 변조기 (1376) 는 DC/DC 변환기의 작업량 주기를 변화시켜 부하에 의해 요구되는 전류를 공급하게 된다.
도 14 는 본 발명의 제어기를 갖지 않는 전지 (B1), 변환기가 연속 모드에서 동작하는 제어기를 갖는 본 발명의 전지 (B2) 및 전지가 설계된 소정의 전자장치에 대한 전지의 차단전압을 초과하여 변환기가 턴온되는 제어기를 갖는, 본 발명의 전지 (B3) 에 대한 예시적인 방전 곡선들을 비교하고 있다. 도 14 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제어기를 갖지 않는 전지 (B1) 는 시간 t1 에서 차단전압 Vc 를 갖는 전자장치에서 전기를 공급하지 않게 된다. 그러나, 전지 (B2) 의 제어기는 전지의 이용 런타임 내내 전지의 출력전압을 전압레벨 V2 로 상승시키게 된다. 전지 (B2) 의 전기화학셀의 셀전압이 제어기의 최소 동작전압인 전압레벨 Vd 로 하강하면, 전지 (B2) 의 제어기는 정지하며 전지 출력전압이 시간 t2 에서 제로로 떨어지게 되어, 전지 (B2) 의 유효 이용 런타임을 종료하게 된다. 도 14 에 도시된 바와 같이, 연속모드에서 변환기가 동작하는 제어기를 갖는 전지 (B2) 의 유효 이용 런타임 범위는 t2 내지 t1 으로 된다.
그러나, 전기화학셀의 셀전압이 소정의 전압레벨 Vp3 에 도달할 때까지 전지 (B3) 의 제어기는 전지의 출력전압을 증가시키는 것을 개시하지 않는다. 소정의 전압레벨 Vp3 는 전기화학셀의 공칭전압 레벨과 전지가 전력을 공급하게 되는 전자장치들의 클래스의 최대 차단전압 간의 범위 내에 존재하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 소정의 전압 레벨 Vp3 는 전지가 전력을 공급하게 되는 전자장치들의 클래스의 최대 차단전압인 Vc 보다 약 0.2 볼트 정도 높게 된다. 더 더욱 바람직하게는, 소정의 전압 레벨 Vp3 는 전지가 전력을 공급하게 되는 전자장치들의 클래스의 최대 차단전압인 Vc 보다 약 0.15 볼트 정도 높게 된다. 더욱 바람직하게는, 소정의 전압 레벨 Vp3 는 전지가 전력을 공급하게 되는 전자장치들의 클래스의 최대 차단전압인 Vc 보다 약 0.1 볼트 정도 높게 되며, Vc 보다 약 0.05 볼트 정도 높은 것이 가장 바람직하다. 셀전압이 소정의 전압레벨 Vp3 에 도달하게 되면, 전지 (B3) 의 변환기는 출력전압을 Vc ＋ ΔV 의 레벨로 상승시키거나 안정화시킨다. 전압레벨 ΔV 가 도 14 에 도시되어 있으며 전지 (B3) 의 상승된 출력전압과 차단전압 Vc 간의 전압차를 나타낸다. 전압레벨 ΔV 는 약 0 볼트 내지 약 0.4 볼트의 범위 내에 존재하는 것이 바람직하며, 약 0.2 볼트로 되는 것이 가장 바람직하게 된다. 그 후, 전기화학셀의 셀전압이 변환기의 최소 동작전압인 전압레벨 Vd 로 떨어질 때까지 전지 (B3) 는 출력을 계속해서 제공하게 되어, 전지 (B3) 의 제어기는 정지하게 된다. 이 때, 전지 출력전압은 시간 t3 에서 제로로 떨어지며, 전지 (B3) 의 유효 이용 런타임을 종료하게 된다. 도 14 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제어기를 갖지 않는 전지 (B1) 에 대한 전지 (B3) 의 유효 이용 런타임은 t3 내지 t1 으로 된다.
또한, 도 14 는, 전지들이 동일한 전자장치에 접속되는 경우 전지 (B3) 가 전지 (B2) 보다 오랜 수명을 갖는 것을 나타낸다. 전지 (B2) 의 변환기가 계속해서 동작하기 때문에, 변환기의 내부 손실이 전지 (B2) 의 전기화학셀의 에너지 용량의 일부를 소비함으로써, 전지 (B2) 의 셀전압은, 방전 사이클의 일부분에서만 제어기가 동작하게 되는 전지 (B3) 와 비교하여 더 짧아진 시간 내에 변환기의 최소 동작전압인 Vd 에 도달하게 된다. 따라서, 전지 (B3) 가 전력을 공급하는 전자장치의 차단전압에 가깝게 전지 (B3) 의 소정 전압 Vp3 의 섹션을 최적화함으로써, 전기화학셀을 가장 효율적으로 이용하게 되며 전지의 이용 런타임을 더 많이 연장시키게 된다. 따라서, 전지 (B3) 의 소정 전압 Vp3 은 전력을 공급하게 되는 전자 또는 전기장치의 차단전압과 같거나 약간 더 크게 되는 것이 바람직하게 된다. 예를 들어, 소정 전압 Vp3 은 차단전압 보다 약 0.2 볼트 더 높은 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 소정 전압 Vp3 은 차단전압 보다 약 0.15 볼트 더 높은 것이 바람직하다. 더 더욱 바람직하게는, 소정 전압 Vp3 은 차단전압 보다 약 0.1 볼트 더 높은 것이 바람직하며, 차단전압 보다 약 0.05 볼트 더 높은 것이 가장 바람직하게 된다.
그러나, 여러 전자장치에 대해 표준 전지로서 전지를 설계하는 경우, 소정 전압 Vp3 은 전자장치들의 그 그룹의 최대 차단전압과 같거나 약간 더 크게 선택되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 소정 전압 Vp3 은 전자장치들의 그 그룹의 최대 차단전압 보다 약 0.2 볼트 더 크게 되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 소정 전압 Vp3 은 전자장치들의 그 그룹의 최대 차단전압 보다 약 0.15 볼트 더 큰 것이 바람직하다. 더 더욱 바람직하게는, 소정 전압 Vp3 은 전자장치들의 그 그룹의 최대 차단전압 보다 약 0.1 볼트 더 큰 것이 바람직하며, 전자장치들의 그 그룹의 최대 차단전압 보다 약 0.05 볼트 더 큰 것이 가장 바람직하다.
또한, 도 14 의 그래프들은, 변환기의 최소 동작전압인 Vd 가 더 낮아짐에 따라, 본 발명의 제어기를 갖지 않는 전지 (B1) 와 비교하여 이용 런타임 기간이 더 연장됨을 나타낸다. 또한, 전자장치의 차단전압인 Vc 와 변환기의 최소 동작전압인 Vd 간의 차이가 더 커짐에 따라, 본 발명의 제어기는, 전기화학셀의 셀전압의 상승으로 인해 더 연장된 전지의 이용 런타임을 제공하게 된다.
테이블 2
전력 제어기를 갖는 및 전력 제어기를 갖지 않는 AA 알칼리 전지들 방전의 예
(저항 매체 부하, R = 12 옴)
제어기를 갖는 전지 전지
시간(시간; Hours) 폐쇄회로 전압(V) 소비된 전력(mAh) % 정격용량 폐쇄회로 전압(V) 소비된 전력(mAh) % 정격용량
0 1.6 0 100 1.5 0 100
1 1.6 107 96 1.4 76 97
2 1.6 321 87 1.3 209 91
3 1.6 642 73 1.2 386 84
4 1.6 856 64 1.2 499 79
5 1.6 1070 55 1.1 609 75
6 1.6 1285 46 1.1 707 71
7 1.6 1499 38 1.0 797 67
8 1.6 1713 29 1.0 877 63
9 1.6 1931 20 0.9 945 61
10 1.6 2145 11 0.9 1009 58
11 0.0 2145 11 0.7 1047 56
테이블 2 는, 변환기가 연속모드에서 동작하며 셀전압을 약 1.6 볼트의 출력전압으로 상승시키는 내장형 제어기를 갖는 본 발명의 AA 알칼리 전지와 본 발명의 제어기를 갖지 않는 전형적인 AA 알칼리 전지에 대한 방전 데이터를 비교하고 있다. 상기 테이블에서, 데이터는, 전지의 이용 런타임 내내 평균적으로 약 125 mA 를 인출하는 약 12 옴의 매체 저항 부하에 전지들이 접속되는 각 시간에 대한 출력전압, 소비된 전력 및 잔류용량의 퍼센트(전체용량 = 2400 mAh)를 나타낸다. 테이블이 나타내는 바와 같이, 변환기를 갖는 전지의 출력전압은 전지의 이용 런타임 동안 1.6 볼트로 일정하게 유지되지만, 제어기를 갖지 않는 전지의 출력전압은 자신의 이용 런타임 내내 전지의 공칭전압으로부터 감소하게 된다.
테이블 2 는, 제어기를 갖지 않는 AA 전지 보다 내장형 제어기를 갖는 본 발명의 전지가 2개의 잇점들을 제공하는 것을 더 나타낸다. 첫번째로, 약 1 볼트의 차단전압을 갖는 장치의 경우, 내장형 제어기를 갖는 전지는 약 10 시간의 런타임을 갖지만, 제어기가 없는 전지는 출력전압이 1 볼트 이하로 떨어지는 약 최대 8 시간후에 장치 내에서 동작을 정지하게 된다. 따라서, 이 예에서, 본 발명의 제어기는 제어기를 갖지 않는 전지 보다 약 25 % 의 이용 런타임 연장을 제공하게 된다. 두 번째로, 상기 장치가 정지하기 전에 이용되는 전지의 정격용량의 퍼센트 및 부하에 전송되는 전력은 내장형 제어기를 갖는 본 발명의 전지에서 더 커지게 된다. 일정한 전류드레인 조건에서, 본 발명의 제어기가 없는 전지는, 상기 전지의 출력전압이 감소하기 때문에 전자장치가 정지하기 전에 훨씬 더 짧아진 지속기간을 갖게 되며, 전류를 전송하는 셀의 능력도 비례하여 감소하게 된다. 이로 인해, 내장형 제어기를 갖는 전지의 경우에는 훨씬 더 큰 잇점을 갖게 된다.
그러나, 상기 장치가 약 1.1 볼트의 차단전압을 갖는 경우, 테이블 2 는, 내장형 제어기를 갖는 본 발명의 전지가 제어기를 갖지 않는 AA 전지 보다 훨씬 더 유리하게 동작하는 것을 나타낸다. 내장형 제어기를 갖는 전지는 약 10 시간의 런타임을 갖지만, 제어기가 없는 전지는, 출력전압이 1.1 볼트 이하로 떨어지면 최대 약 6 시간후에 장치 내에서 동작을 정지하게 된다. 따라서, 이 예에서, 본 발명의 제어기는, 제어기를 갖지 않는 전지 보다 약 67 % 의 이용 런타임 연장을 제공하게 된다. 또한, 상기 장치가 정지하기 전에 이용된 전지의 정격 용량의 백분율과 부하에 전송된 전력에서의 차이는 이전 예에서 보다 훨씬 더 커지게 된다. 다시, 일정한 전류 드레인 조건하에서, 본 발명의 제어기가 없는 전지는, 상기 전지의 출력전압이 감소하므로 전자장치가 정지하기 전에 훨씬 더 짧은 지속기간을 갖게 되며, 전류를 전송하는 셀의 능력도 비례하여 감소하게 된다. 이로 인해, 내장형 제어기를 갖는 전지의 경우에는 훨씬 더 큰 잇점을 갖게 된다.

Claims (10)

  1. 차단전압을 갖는 장치에 유용한 일차전지로서,
    상기 일차전지는,
    (a) 양극 단자 및 음극 단자를 갖는 용기;
    (b) 상기 용기내에 배치되며, 양극 전극, 음극 전극, 상기 셀의 상기 양극과 상기 음극 전극들을 가로질러 측정된 셀전압, 및 공칭전압을 갖는 상기 일차 전기화학셀; 및
    (c) 상기 셀의 상기 전극들과 상기 용기의 상기 단자들 사이에 전기적으로 접속되어 상기 용기의 상기 양극 및 상기 음극 단자들을 가로질러 측정된 출력전압을 생성하는 제어기를 구비하되, 상기 제어기는,
    (ⅰ) 상기 출력전압이 장치의 차단전압 보다 크도록 하기 위해 상기 셀전압을 상기 출력전압으로 변환함으로써 전지의 이용 런타임을 상기 제어기가 연장시키도록, 장치의 차단전압 이하의 셀전압에서 동작하도록 적응된 변환기;
    (ⅱ) 상기 출력전압이 상기 셀의 상기 공칭전압보다 작도록 상기 셀전압을 상기 출력전압으로 변환하는 변환기; 및
    (ⅲ) 상기 셀 전압을 상기 출력전압으로 변환하는 변환기 및 전류 피크로부터 상기 셀을 보호하기 위해 전기 전하의 저장을 제공하는 커패시터 중 하나 이상을 포함하며,
    상기 일차전지는 단일 셀 전지, 일반형 단일 셀 전지, 다중셀 전지 및 다중 셀 혼성형 전지 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 일차전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 일차전지는 상기 장치와 직렬로 정수 갯수의 전지들 중에서 하나의 전지로서 전기적으로 접속되도록 적응되며, 상기 출력전압은 상기 정수 갯수의 전지들에 의해 분할된 장치의 차단 전압과 같거나 더 크게 되며, 및/또는 상기 일차전지는 다중셀 전지이며, 상기 일차전지는 양극 출력단자 및 음극 출력단자, 상기 용기, 상기 셀 및 제 1 셀 유닛을 형성하는 상기 제어기를 더 구비하며, 상기 제 1 셀 유닛은 상기 양극 출력 단자와 상기 음극 출력 단자 사이에 직렬로 전기적으로 접속된 정수 갯수의 셀 유닛들 중 하나이며, 상기 출력전압은 상기 정수 갯수의 셀 유닛들에 의해 분할된 장치의 차단전압 이상인 것을 특징으로 하는 일차전지.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 셀전압을 적어도 0.6 볼트 아래로 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 일차전지.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 셀전압이 소정 전압레벨로 하강하면 상기 용기의 상기 단자들과 상기 셀의 상기 전극들 사이에 상기 변환기를 전기적으로 접속하도록 적응되며, 바람직하게는, 상기 소정전압은 1.5 볼트의 공칭전압을 갖는 셀에 대해 0.8 볼트 내지 1.2 볼트의 범위, 상기 장치의 차단전압 내지 상기 장치의 차단전압에 0.2 볼트를 더한 범위, 상기 장치의 차단전압 내지 상기 셀의 상기 공칭전압의 범위로 이루어진 그룹 중에서 선택되어, 1.5 볼트의 공칭전압을 갖는 셀에 대해 상기 장치의 차단전압이 1 볼트로 되면 상기 셀의 깊은 방전을 허용하게 되며, 및/또는 상기 셀이 리튬셀이고 상기 장치의 차단전압이 2.4 볼트로 되면 상기 셀의 적어도 90 % 의 방전을 허용하게 되는 것을 특징으로 하는 일차전지.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 변환기는,
    (ⅰ) 상기 셀의 상기 양극 및 상기 음극 전극들에 전기적으로 접속된 제어회로;
    (ⅱ) 상기 제어회로에 전기적으로 접속된 DC/AC 구동기; 및
    (ⅲ) 상기 DC/AC 구동기와 상기 용기의 상기 양극 및 상기 음극 단자들에 전기적으로 접속된 동기식 정류기를 더 구비하되,
    상기 제어회로는 펄스 변조기를 포함하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는, 상기 펄스 변조기는 적어도 하나의 입력 제어신호를 갖는 펄스폭 변조기를 포함하며, 더욱 바람직하게는 상기 펄스 변조기는 상기 셀로부터 상기 변환기를 전자적으로 분리시키며 상기 셀에 상기 변환기를 전자적으로 접속시키도록 적응되며, 더욱 바람직하게는 상기 펄스 변조기는, 상기 셀의 내부 임피던스, 드레인 전류 및 상기 출력전압의 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 제어신호들에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 셀로부터 상기 변환기를 전자적으로 분리시키며 상기 셀에 상기 변환기를 전자적으로 접속시키도록 적응되며, 더욱 바람직하게는, 상기 펄스 변조기는, 상기 셀이 소정 전압레벨로 떨어질 때 상기 셀의 상기 전극들과 상기 용기의 상기 단자들 사이에 상기 변환기를 전자적으로 접속시키도록 적응되며, 바람직하게는, 상기 소정 전압레벨은 상기 장치의 차단 전압으로부터 상기 셀의 상기 공칭전압 정도까지의 범위 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 일차전지.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기는 (ⅳ) 상기 셀의 상기 양극 및 상기 음극 전극들에 전기적으로 접속된 접지 바이어스회로를 더 구비하되, 상기 접지 바이어스회로는 상기 용기의 상기 음극 단자와 상기 변환기에 가상 접지를 제공하며, 바람직하게는 상기 접지 바이어스회로는 충전펌프 회로를 포함하며, 바람직하게는 상기 가상 접지는 상기 셀의 상기 음극 전극의 전압레벨 이하의 전압레벨로 되는 것을 특징으로 하는 일차전지.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 공칭전압은 1.5 볼트 보다 큰 것을 특징으로 하는 일차전지.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 셀은 리튬셀이며, 상기 셀의 상기 공칭전압은 2.8 볼트 내지 4.0 볼트의 범위 내에 존재하며, 상기 제어기는 상기 셀전압을 스텝 다운시켜 상기 출력전압이 1.0 볼트 내지 1.6 볼트의 범위 내에 존재하게 되는 것을 특징으로 하는 일차전지.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    (a) 양극 입력단자;
    (b) 상기 양극 입력단자에 전기적으로 접속된 음극 입력단자; 및
    (c) 차단전압을 포함한 장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 일차전지.
  10. 일차전지의 이용 런타임을 연장하는 방법으로서,
    상기 방법은,
    (a) (ⅰ) 양극 단자 및 음극 단자를 갖는 용기;
    (ⅱ) 상기 용기내에 배치되며, 양극 전극, 음극 전극, 셀의 상기 양극과 상기 음극 전극들을 가로질러 측정된 셀전압, 및 공칭전압을 갖는 상기 전기화학셀; 및
    (ⅲ) 상기 셀의 상기 전극들과 상기 용기의 상기 단자들 사이에 전기적으로 접속되어 상기 용기의 상기 양극 및 상기 음극 단자들을 가로질러 측정된 출력전압을 생성하며, 변환기를 포함하는 상기 제어기를 구비한 일차전지를 제공하는 단계;
    (b) 차단전압을 갖는 장치에 상기 일차전지를 전기적으로 접속시키는 단계;
    (c) 상기 출력전압이 상기 장치의 차단전압 보다 크도록 상기 셀전압을 상기 출력전압으로 변환하는 단계들에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
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