KR20010042433A

KR20010042433A - 배터리 서비스 런타임 연장을 위한 내장 제어기를 구비한배터리

Info

Publication number: KR20010042433A
Application number: KR1020007011023A
Authority: KR
Inventors: 갈스테인블라디미르; 네브리긱드래갠다닐로
Original assignee: 데이비드 엠 모이어; 더 프록터 앤드 갬블 캄파니
Priority date: 1998-04-02
Filing date: 1999-04-01
Publication date: 2001-05-25
Also published as: WO1999052167A1; ZA200005268B; CO4840553A1; AR015259A1; BR9909340A; CA2326737A1; PE20000715A1; ID27727A; HUP0101679A2; AU3464499A; JP2008034398A; NO20004965L; JP2002510852A; EP1070364A1; CN1248351C; TR200003629T2; IL138750A0; AU749855B2; US6118248A; KR100397202B1

Abstract

배터리의 서비스 런타임을 연장하는 내장 제어기를 갖는 배충전 배터리가 설명된다. 예컨대, 제어기는 충전 사이클의 수와 효율을 극대화하기 위해 최적의 방전 깊이에서 방전 사이클을 종료시킴으로써 재충전 배터리의 서비스 런타임을 연장시킬 수 있다. 또한, 제어기는 재충전 배터리의 각 전기화학 셀의 충전 사이클을 제어할 수 있다. 재충전 배터리는 단일 셀 배터리, 유니버설 단일 셀 배터리, 복수의 셀 배터리 또는 복수의 셀 하이브리드 배터리일 수 있다. 각 개별 셀은 바람직하게 셀의 방전 및 충전 사이클을 제어하는 내장 제어기를 구비하고 있다. 또한, 재충전 배터리는 원격 충전 시스템을 포함할 수도 있다.

Description

배터리 서비스 런타임 연장을 위한 내장 제어기를 구비한 배터리{BATTERY HAVING A BUILT-IN CONTROLLER TO EXTEND BATTERY SERVICE RUN TIME}

소비자들은 라디오, 컴팩트 디스크 플레이어, 카메라, 셀룰러폰, 전자게임, 장난감, 페이저 및 컴퓨터 장치와 같은 휴대용 전자장치에서 1 차 및 재충전(2차) 배터리를 사용한다. 1차 배터리의 서비스 런타임이 초과될 때, 보통 배터리는 버려진다. 전형적인 1차 배터리의 서비스 런타임은 일반적으로 전체 배터리 저장용량의 약 40 내지 70%의 이용만을 허용한다. 일단 초기에 저장된 에너지에서 그 만큼이 사용되면, 배터리는 일반적으로 전형적인 전자회로를 구동하는데 충분한 에너지를 공급할 수 없다. 이 배터리들의 유용한 수명이 소비되었을 때, 소비자들은 배터리가 그 저장용량의 약 30 내지 60%를 여전히 포함하고 있더라도 배터리를 버리는 것이 보통이다. 따라서, 안전한 더 깊은 방전을 허용함으로써 1차 배터리의 서비스 런타임을 확장하는 것은 배터리들을 버리기 전에 전자장치들이 배터리의 저장용량을 더 사용하도록 허용함으로써 쓰레기를 줄인다.

그러나 재충전 배터리의 전체 수명은 주로 충전사이클의 횟수와 효율에 의존한다. 재충전 배터리들은 각각의 방전사이클 후에 충전되고 재사용될 수 있다. 1차 배터리처럼, 배터리 저장용량의 임의의 퍼센트가 사용되면, 배터리는 전자회로를 구동하기에 충분한 전압을 공급할 수 없는 것이 전형적이다. 따라서, 재충전 배터리의 각각의 방전사이클은 배터리의 더 깊은 방전이 제공되면 확장될 수 있다. 그러나, 재충전 배터리의 방전의 레벨은 재충전 배터리의 장래 전하(future charge)의 효율 및 갯수에 영향을 미친다. 일반적으로, 재충전 전기화학전지의 방전깊이가 증가함에 따라, 재충전 전기화학전지가 경험할 수 있는 충전사이클수는 감소한다. 그러나, 특정 형태의 재충전 전기화학전지의 최적방전 특성은 폭 넓게 변한다. 니켈 카드뮴("NiCd") 배터리에서, 예를 들면, 더 깊은 방전이 바람직한데, 그 이유는 그렇지 않으면 배터리가 적절히 고갈되지 않은 채로 충전되는 경우 "메모리" 효과를 야기시켜 장래 전하들에 대하여 유용한 용량을 감소시킬 수 있기 때문이다. 그러나 리튬 배터리의 깊은 방전은 전기화학전지를 손상시킬 수 있다. 재충전 전기화학전지의 서비스 런타임은 특정 전지의 방전 및 충전사이클을 효율적으로 제어함으로써 일반적으로 더 잘 확장될 수 있어 전체 충전사이클수는 최대로 될 수 있고 전기화학전지의 각각의 방전사이클로부터 회복된 에너지량도 최적화된다.

또한, 소비자들은 지속적으로 더욱 소형 및 경량의 휴대용 전자장치들을 요구한다. 이 장치들을 더욱 소형경량으로 만드는데 있어 주요한 장애들중 하나는 장치에 전원을 공급하기 위하여 필요한 배터리의 크기와 무게이다. 사실, 전자회로들이 더욱 고속으로 되고 더욱 복잡해짐에 따라, 그들은 보통 그전보다 더 많은 전류를 필요로 하는 것이 보통이므로, 배터리에 대한 필요는 더욱 커진다. 그러나, 소비자들은 만일 증가된 기능과 속도로 인하여 더욱 빈번히 배터리를 교체하거나 재충전할 필요가 있다면, 더 강력하고 소형화된 장치들을 원하지 않을 것이다. 따라서, 유용한 수명을 감소시키지 않고 더욱 빠르고 더욱 복잡한 전자장치들을 만들기 위하여, 전자장치들은 더욱 효율적으로 배터리를 사용할 필요가 있고/거나 배터리 그 자체는 저장된 에너지의 더욱 확대된 이용을 제공할 필요가 있다.

일부 더욱 비싼 전자장치들은, 배터리의 출력전압을 변환하고/거나 안정화시키기 위하여 장치에서 스위칭 컨버터(예를 들면, DC/DC 컨버터)같은 전압조정회로를 포함한다. 이 장치들에서, 복수의 단일 셀 배터리들이 직렬로 연결되는 것이 일반적이고, 이 배터리들의 총 전압은 컨버터에 의해서 부하회로에 필요한 전압으로 변환된다. 컨버터는 배터리가 더 많은 전압을 공급하고, 그에 따라 부하회로가 요구하는 것보다 더 많은 파워를 공급하는 경우에 배터리 방전의 초기 부분에서 배터리 출력전압을 낮춤으로써, 그리고/또는 출력전압이 부하회로가 요구하는 것보다 더 낮기 때문에 배터리가 고갈되는 경우에 배터리 방전의 나중 부분에서 배터리 출력전압을 높임으로써 배터리의 런타임을 확장할 수 있다.

그러나, 전자장치에서 컨버터를 구비하는 접근은 몇 가지 단점이 있다. 첫째, 장치제조자들 마다 비교적 제한된 양으로 만들어지는 특정의 회로설계를 하므로, 컨버터를 전자장치에 위치시키는데 비교적 비용이 많이 들게 되므로, 개인비용이 더 많이 든다. 둘째, 배터리 공급자들은, 특정의 배터리와 함께 사용될 컨버터의 형태를 통제하지 못한다. 따라서, 컨버터는 각 형태의 전기화학전지의 특정의 전기화학 특성에 대하여 최적화되지 않는다. 셋째, 알카라인 및 리튬 전지같은 상이한 형태의 전기화학전지는 상이한 전기화학 특성 및 공칭전압을 가지므로, 쉽게 상호교환될 수 없다. 또한, 컨버터들은 전자장치에서 귀중한 공간을 차지한다. 또한, 어떤 전자장치들은 DC/DC 컨버터같은 더 효율적인 스위칭 컨버터들 대신 선형 조정기를 사용할 수 있다. 또한, 스위칭 컨버터를 포함하는 전자장치들은 라디오 주파수(RF) 트랜스미터와 같은 전자장치에서 근접 회로에 역효과를 미칠 수 있는 전자기 간섭(electromagnetic interference, EMI)을 생성할 수 있다. 그러나, 컨버터를 배터리에 위치시킴으로써, EMI의 소스는 EMI 민감성 전자장치들로부터 더 멀리 위치될 수 있고/거나 배터리의 도전성 컨테이너에 의해서 봉해질 수 있다.

현재의 전압 컨버터의 또 다른 문제는, 특히 알카라인(alkaline), 아연-탄소(zinc-carbon), 니켈 카드뮴(nickel cadmium, NiCd) 및 산화은(silver oxide) 배터리에 대하여, 컨버터를 구동하는데 충분한 전압을 제공하기 위하여 복수의 전기화학전지들을 필요로 하는 것이 보통이라는 점이다. 이 문제를 해결하기 위하여, 현재의 컨버터는 컨버터를 구동하는데 충분한 전압을 제공하기 위하여 직렬로 연결된 복수의 전기화학전지들을 필요로 하는 것이 보통인데, 그렇게 하여 전자장치에 의해 요구되는 레벨로 전압을 낮출 수 있다. 따라서, 컨버터의 입력전압 요건으로 인하여, 전자장치는, 전자장치 그 자체가 오직 단일의 전지를 동작시킬 필요가 있을 지라도, 몇 개의 전기화학전지들을 포함해야 한다. 이로 인하여 공간과 무게가 낭비되고 전자장치를 더 소형화할 수 없게 된다.

따라서, 그 서비스 런타임을 최대로 하기 위하여 배터리를 교환하기 전에 재충전 배터리의 저장된 전하를 최적으로 사용하고 방전깊이를 최적화할 필요가 존재한다. 그 저장된 에너지의 사용을 더욱 확장하도록 배터리를 설계함으로써, 전자장치들은 휴대용 전자장치들을 더욱 소형화하기 위하여 더 작거나 더 적은 수의 배터리들을 사용할 수도 있다.

발명의 개요

본 발명은 교체하기 전에 재충전 배터리의 저장된 전하를 최적으로 사용함으로써 더 긴 서비스 런타임을 제공하는 배터리를 제공한다. 배터리는, 전형적인 전자장치의 전압 임계치 이하에서 동작할 수 있는 컨버터를 포함하는 내장 제어기를 구비한다. 제어기는 배터리의 서비스 런타임을 확장하기 위하여 더욱 효율적으로 전기화학전지의 전압을 조정하고 제어된 방전 또는 최적의 방전깊이를 허용한다. 제어기는, 알카라인, 니켈 카드뮴("NiCd"), 리튬이온, 밀폐된 납산(sealed lead-acid, "SLA"), 산화은 또는 하이브리드 전지같은 특정 형태의 전기화학전지 또는 특정의 전자장치로 동작하기 위하여 커스텀 설계된(custom designed) 혼합모드(mixed-mode) 실리콘 칩상에 배치되는 것이 바람직하다.

제어기는, (1) DC/DC 컨버터를 턴온 및 턴오프, (2) 입력전압이 전형적인 전자장치가 동작하는 것 이하인 경우 최소로 요구되는 출력전압을 유지하고, (3) 배터리 출력임피던스를 낮추고, (4) 최적 방전길이를 결정하고, (5) 최적 충전 시퀀스를 제공함으로써 부하로의 파워전달을 모니터하고 제어하여 배터리 서비스 런타임을 최적으로 확장한다.

바람직한 실시예에서, 단일의 제어기가 복수 전지 1차 또는 재충전 배터리(예를 들면, 표준 9 볼트 배터리)의 하우징내에 탑재된다. 본 발명의 본 측면은 전자장치에 제어기를 위치시키는 것에 비하여 명백한 몇 가지 장점들을 제공한다. 첫째, 특정 형태의 전기화학전지의 특정의 전기화학 특성을 배터리 설계자들이 이용하도록 허용한다. 둘째, 만일 배터리 출력전압을 변경 및/또는 안정시키기 위하여 특정 형태의 전기화학전지(예를 들면, 리튬)를 포함하는 배터리를 위해서만 컨버터를 필요로 하고, 또 다른 형태의 전기화학전지(예를 들면, NiCd, SLA)를 포함하는 배터리에 대해서는 그렇지 않으며, 컨버터가 컨버터를 필요로 하는 배터리(예를 들면, 리튬 배터리)로 집적된다면, 전자장치는 DC/DC 컨버터 없이 설계될 수 있다. 이것은 더 작은 회로설계를 허용하고 컨버터와 연관된 손실이 컨버터를 필요로하지 않는 배터리에 영향을 미치지 않도록 한다.

특히 바람직한 실시예에서는, 제어기는, AAA, AA, C, D 또는 프리즈마틱 (prismatic)배터리의 내부, 또는 프리즈마틱 또는 표준 9 볼트 배터리같은 복수-전지 배터리의 각각의 전지의 컨테이너 내부에 탑재된다. 본 발명의 본 측면은 복수-전지 배터리에서 단일의 제어기를 설치하는 것에 대한 전술된 장점들을 제공하고 또 다른 장점들을 제공한다. 첫째, 제어기가 특정 형태의 전기화학전지에 커스텀 매치되어 그 특정의 전기화학 반응을 이용하는 것을 허용한다. 둘째, 표준 배터리 셀 상에서 동작하도록 설계된 전자장치의 요건들을 충족하도록 내부임피던스나 출력전압을 변경 또는 안정시킴으로서 상호교환적으로 이용될 상이한 형태의 전기화학 셀들을 구비한 배터리들을 고려한다. 이 장점들 모두는, 예를 들면, 약 2.8 내지 약 4.0 볼트의 범위로부터 약 1.5 볼트의 출력전압으로 공칭전지전압을 낮추기 위하여 내장 제어기를 이용함으로써 표준 1.5 볼트 AA 배터리의 전기적 요건 및 패키징을 만족시키는 매우 효율적인 리튬전지에서 얻어진다. 리튬전지의 더 높은 전지전압을 이용함으로써, 설계자는 실질적으로 배터리 런타임을 증가시킬 수 있다. 또한, 각각의 배터리 전지에 제어기를 제공함으로서 현재 이용가능한 것보다 모든 전지에 대한 더욱 효율적인 제어를 제공한다. 제어기는 각각의 1차 전기화학전지에서 방전조건을 모니터하고 제어하며 전자장치를 끄기 전에 각각의 전지가 완전히 고갈되는 것을 확실히 할 수 있다. 제어기는, 메모리 효과, 단락회로 또는 해로운 깊은 방전같은 상태를 막기 위하여 전지의 안정성을 향상시키고 배터리의 가능한 최장의 서비스 런타임을 제공하는 수준으로 전지가 방전되는지를 확실히 하기 위하여 각각의 재충전 전기화학전지에서 방전사이클을 모니터하거나 제어할 수도 있다. 제어기는 또한, 배터리의 사이클 수명을 증가시키고 안정성을 향상시키기 위하여 과충전이나 회로단락같은 상태를 막도록 배터리에 있는 각각의 재충전 전기화학전지의 충전사이클을 직접 모니터하고 제어할 수 있다.

제어기는 또한 본 발명의 배터리의 보편적인 사용을 허용한다. 본 발명의 배터리는, 전자장치나 전술된 것같은 컷오프 전압을 갖는 전기 또는 전자장치와 함께 사용되는 것에 무관하게 공지된 배터리에 비하여 장점들을 제공한다.

큰 볼륨의 배터리 세일즈는, 개별 조정기나 컨버터 설계가 각 형태의 전자장치에 대하여 만들어질 수 있는 것보다 칩의 덜 비싼 생산을 허용하므로 제어기 칩은 또한 더욱 경제적으로 만들어질 수 잇다.

DC/DC 컨버터의 바람직한 실시예는 펄스폭과 위상시프트 변조 제어구성을 이용하는 거의 인덕터가 없는 고주파, 고효율, 초저 입력전압 및 중간파워 컨버터이다.

본 발명의 다른 특성들 및 장점들은 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명에 관하여 설명된다.

본 명세서가 특히 본발명으로서 간주되는 주제를 지적하고 명백히 청구하는 청구항으로 종결되지만, 본 발명은 부가된 도면들과 함께, 이하의 상세한 설명으로부터 더 잘 이해될 수 있는 것으로 믿어진다.

본 발명은 배터리에 관한 것으로, 특히 배터리 서비스 런타임(service run time)을 확장하기 위하여 내장 제어기를 구비한 배터리에 관한 것이다.

도 1 은 전형적인 실린더형 배터리 구조의 투시도.

도 2 는 또 다른 전형적인 실린더형 배터리 구조의 투시도.

도 3 은 또 다른 전형적인 실린더형 배터리 구조의 단면도.

도 4 는 본 발명의 배터리의 블럭도.

도 4a 는 도 4 에서 도시된 배터리의 바람직한 일 실시예의 블럭도.

도 4b 는 도 4 에서 도시된 배터리의 또 다른 바람직한 실시에의 블럭도.

도 4c 는 도 4 에서 도시된 배터리의 또 다른 바람직한 실시에의 블럭도.

도 5a 는 본 발명의 배터리의 바람직한 일 실시예의 부분단면도.

도 5b 는 본 발명의 배터리의 또 다른 바람직한 실시예의 부분단면도.

도 5c 는 본 발명의 배터리의 또 다른 바라직한 실시예의 부분단면도.

도 6 은 본 발명의 복수의 셀 배터리의 바람직한 일 실시예의 부분적으로 단면도인, 투시도.

도 7 은 본 발명의 배터리의 또 다른 바람직한 실시예의 블럭도.

도 8 은 본 발명의 배터리의 또 다른 바람직한 실시예의 블럭도.

도 9 는 본 발명의 배터리의 또 다른 바람직한 실시예의 블럭도.

도 9a 는 도 9 의 배터리의 바람직한 실시예의 일 측면의 일 실시예의 구성도.

도 9b 는 도 9 의 배터리의 바람직한 실시에의 일 측면의 또 다른 바람직한 실시예의 블럭도.

도 10 은 본 발명의 배터리의 또 다른 바람직한 실시예의 블럭도.

도 11 은 본 발명의 배터리의 또 다른 바람직한 실시예의 블럭도.

도 12 는 본 발명의 배터리의 또 다른 바람직한 실시예의 블럭도.

도 13 은 본 발명의 배터리의 또 다른 바람직한 실시예의 구성도 및 블럭도의 조합을 도시하는 도면.

도 14 는 본 발명의 배터리의 상이한 두 바람직한 실시예 및 전형적인 배터리에 대한 방전특성 곡선의 그래프.

도 15 는 본 발명의 배터리의 또 다른 바람직한 실시예의 구성도와 블럭도의 조합.

도 16 은 도 15 에서 설명된 것 같은 충전 서브-제어기의 일 실시예의 블럭도.

도 17 은 도 15 에서 설명된 것 같은 충전 서브-제어기의 또 다른 실시예의 블럭도.

본 발명은 단일 셀 및 복수의 셀 배터리에 관한 것이다. 용어 "1차(primary)"는 본 출원에서 사용되고 그 사용 가능한 전기적 저장용량이 고갈된 후 방전되도록 의도된(즉, 재충전되거나 그렇지 않으면 재사용되도록 의도된 것은 아님)전기화학전지 또는 배터리를 의미한다. 용어 "재충전(rechargeable)" 및 "2차(secondary)"는 본 출원에서는 상호교환적으로 사용되고 그 사용가능한 전기적인 저장용량이 고갈된 후 1회 이상 재충전되도록 의도된(즉, 1회 이상 재사용되도록 의도됨)전기화학전지 또는 배터리를 의미한다. 본 출원에서 용어 "소비자"는 소비자에 의해서 구매되거나 사용된 전자 또는 전기장치에서 사용되도록 의도된 배터리를 의미한다. 용어 "단일 셀(single-cell)"는, AA, AAA, C 또는 D 형 배터리 같은 개별적으로 패키지된 단일 전기화학전지를 구비한 배터리, 또는 복수의 셀 배터리의 단일 셀(예를 들면, 표준 9 볼트 배터리 또는 셀룰러 전화기 또는 랩탑 컴퓨터를 위한 배터리 같은)를 구비한 배터리를 의미한다. 본 출원에서 사용된 것 같이, 용어 "배터리"는 터미널 및 단일 전기화학전지를 구비한 컨테이너, 또는 터미널과 둘 이상의 전기화학전지를 적어도 실질적으로 포함하는 하우징을 의미한다(예를 들면, 표준 9 볼트 배터리 또는 셀룰러 전화기나 랩탑 컴퓨터를 위한 배터리). 전기화학전지들은, 각각의 셀이 그 자체의 개별 컨테이너를 갖는다면, 하우징에 의해서 완전히 둘러싸일 필요는 없다. 휴대용 전화기 배터리는, 예를 들어, 둘 이상의 전기화학전지를 포함할 수 있는데 각각은 그 자체의 개별적인 컨테이너를 구비하고, 개별적인 컨테이너들을 함께 유지하지만 전지의 개별적인 컨테이너들을 완전히 둘러싸지 않을 수도 있는 슈링크-랩 플라스틱 재료(shrink-wrap plastic material)에서 함께 패키지된다. 본 출원에서 사용된 것 같이, 용어 "하이브리드 배터리"는 둘 이상의 전기화학 셀을 포함하는 복수의 전지 배터리를 포함하는데 그 전지들중 적어도 둘은 상이한 전극, 상이한 쌍의 전극들 또는 상이한 전해질(electrolyte)을 구비한다.

본 출원에서 사용된 것 같은 용어 "제어기"는 하나 이상의 입력신호를 받고 입력신호의 함수인 하나 이상의 출력신호를 제공하는 회로를 의미한다. 용어 "DC/DC 컨버터"와 '컨버터"는 본 출원에서 상호교환적으로 사용되고 스위칭형, 즉 입력 DC 전압을 소정의 DC 출력전압으로 변환하는 초퍼제어(chopper-controlled) DC/DC 컨버터를 의미한다. DC/DC 컨버터는 조정된 출력을 종종 제공하는 파워 전자회로이다. 컨버터는 스텝-업 전압레벨, 스텝-다운 전압레벨 또는 거의 동일한 레벨의 조정된 전압을 제공할 수 있다. 많은 상이한 형태의 DC/DC 컨버터가 공지되어 있다. 본 발명은, 비록 장점이 적더라도, 본 출원에서 설명되고 전형적인 전자장치가 동작할 수 있는 이하의 전압레벨에서 동작할 수 있는 바람직한 컨버터에 대한 가능한 대체물로서 공지된 컨버터 또는 선형 조정기를 사용할 것을 고려한다.

전자장치의 "컷오프 전압"은 그 이하에서는 배터리에 연결된 전기 또는 전자장치가 동작할 수 없는 전압이다. 따라서, "컷오프 전압"은 장치에 종속적인데, 즉 레벨은 장치의 최소 동작전압(기능적인 종점)이나 동작의 주파수에 의존한다(예를 들면, 소정의 시간주기내에 커패시터를 충전할 수 있어야 함). 대부분의 전자장치들은 약 1 볼트 내지 약 1.2 볼트의 범위에서 컷오프 전압을 갖고, 전자장치들중 일부는 약 0.9 볼트정도로 낮은 컷오프 전압을 갖는다. 전기적인 클럭, 모터 및 전기기기적 릴레이같은 기계적 가동부를 갖는 전기장치는 또한 기계부를 가동할 만큼 충분히 강력한 전자기장을 생성하기 위하여 충분한 전류를 제공하기 위하여 필요한 컷오프 전압을 갖는다. 플래시라이트같은 다른 전기장치들은 일반적으로 장치 컷오프 전압을 갖지 않지만, 배터리 전원공급의 전압이 감소함에 따라서, 출력 파워(예를 들면, 전구의 세기)도 감소한다.

만일 단일의 전기화학전지가 컷오프 전압을 갖는 장치에 전원을 공급하고 있다면, 배터리는 장치의 컷오프 전압 이상의 출력전압을 공급해야하고 그렇지 않으면 장치가 셧다운된다는 점에서 장치의 컷오프 전압에 "종속"된다. 그러나, 만일 직렬로 배치된 둘 이상의 전기화학전지가 장치에 전원을 공급하고 있다면, 즉, 양의 입력 터미널과 음의 입력 터미널 사이에 전기적으로 연결되어 있다면, 각각의 전기화학전지는 장치의 컷오프 전압의 일부에 "종속"된다. 예를 들면, 만일 두 전기화학전지들이 직렬로 연결되고, 장치에 전원을 공급한다면, 각각의 셀은 장치의 컷오프 전압의 절반에 "종속"된다. 그러나, 만일 세 개의 전기화학전지들이 직렬로 연결되고 장치에 전원을 공급하기 위하여 사용된다면, 각각의 전기화학전지는 장치의 컷오프 전압의 3분의 1에만 "종속"된다. 따라서, 만일 직렬로 "n" 개의 전지들이 연결되고 장치에 전원을 공급한다면, 각각의 셀은 n(n 은 정수)으로 나누어진 컷오프 전압으로서 정의될 수 있는 장치의 컷오프 전압의 일부에 "종속"된다. 만일 둘 이상의 전기화학전지들이 병렬로 연결되어 전자장치에 전원을 공급한다면, 각각의 셀은 여전히 장치의 풀(full) 컷오프 전압에 "종속"된다. 본 출원에서는 또한, 만일 둘 이상의 전기화학전지들이 직렬로 연결되고, 그 직렬연결이 하나 이상의 다른 전기화학전지들과 병렬로 연결되면, 직렬 연결된 전지들 각각은, 직렬로 연결된 전기화학전지들은 오직 장치에 전원을 공급하는 전기화학전지들인 것처럼 컷오프 전압의 동일한 부분에 "종속"된다.

본 발명의 일 측면은 배터리의 "서비스 런타임"을 확장하는 것이다. 1차 배터리의 경우, "배터리 서비스 런타임" 및 "배터리 런타임"은 상호교환 가능하고, 배터리가 전원을 공급하는 장치의 최소 동작전압, 즉 그 장치의 컷오프 전압 이하로 배터리의 출력전압이 떨어질 때까지 방전사이클의 시간으로서 정의된다. "전지 런타임"이 전기화학전지 그 자체에 의존하는, 즉 전지의 전기화학적 에너지를 모두 소모하는 한편, "배터리 런타임"은 그것이 사용되는 장치에 의존한다. 예를 들어, 약 1 볼트의 컷오프 전압을 갖는 전자장치는, 비록 전기화학전지가 그 에너지 저장용량의 약 50% 이상이 남아있더라도 1 볼트 이하로 배터리 출력전압이 떨어지면 셧다운된다. 본 실시예에서, 더 이상 전자장치를 구동할 만큼 충분한 에너지를 제공할 수 없으므로, "배터리 런타임"이 경과하고 배터리는 일반적으로 버려진다. 그러나, 전지가 잔류하는 전기화학적 에너지를 가지므로, "전지 런타임"은 경과하지 않는다.

그러나, 재충전 배터리는 복수의 충전/방전사이클을 갖는다. 재충전 배터리에서는, "사이클 수명"은 획득될 수 있는 충전/방전사이클수로서 정의된다. 재충전 배터리의 "배터리 런타임"은, 재충전 배터리의 출력전압이 배터리가 전원을 공급하는 장치의 컷오프 전압 이하로 떨어지거나 방전이 중지되어 배터리의 더 큰 사이클 수명을 제공할 때까지 단일의 방전사이클의 시간을 의미한다. 그러나, 재충전 배터리의 "배터리 서비스 런타임"은 전체 충전/방전사이클수를 의미하는데 여기서 각각의 방전사이클은 최적의 런타임을 갖는다. 재충전 전기화학전지의 "전지 런타임"은 전지가 그 전지의 단일의 방전사이클동안 부하상태에서 최적의 방전깊이를 성취하기 위하여 필요한 시간이다. 상기 논의된 바대로, 재충전 배터리의 "사이클 수명"은 재충전 전지가 경험하는 방전의 깊이의 함수이다. 방전의 깊이가 증가함에 따라, 배터리 런타임도 증가하지만, 사이클 수명과 배터리 서비스 런타임은 감소한다. 대조적으로, 방전의 깊이가 감소함에 따라, 배터리 런타임도 감소하지만, 사이클 수명과 배터리 서비스 런타임은 증가한다. 그러나, 장치사용의 관점에서, 더 짧은 배터리 런타임은 불편하다. 따라서, 재충전 배터리의 각각의 특정 전기화학 및 설계에 대하여 방전깊이와 사이클 수명 사이의 비는 더 큰 배터리 서비스 런타임을 허용하도록 최적화될 수 있다. 예를 들어, 재충전 배터리의 서비스 런타임을 최적화시키는 가능한 방법은 특정의 방전깊이에서 성취된 사이클 수명(즉, 사이클수)과 그 사이클 각각에서 회복된 에너지량의 곱으로서 정의될 수 있는, 전달된 누적에너지를 비교하는 것이다.

본 출원에서는, 용어 "전기화학전지의 유용한 수명" 또는 "전지 유용수명"은 또한 전기화학전지가 1차이거나 재충전 전지이거나에 관계없이 사용되고, "전지 유용수명"은, 전기화학전지가 전원을 공급하는 장치를 구동하는데 충분한 전압을 더 이상 제공할 수 없으므로 특정의 방전사이클에서 더이상 전지가 유용하지 않게 될 때까지의 시간이라는 점에서 배터리 런타임에 대응한다. 만일 단일 셀 배터리에서 "전지 런타임"이 확장되거나 감소되면, "전지 유용수명" 및 "배터리 런타임"도 각각 확장되거나 감소될 필요가 있다. 또한, 단일 셀 배터리의 용어 "배터리 런타임" 및 "전지 유용수명"은 만일 단일 셀 배터리의 "배터리 런타임"이나 "전지 유용수명"이 확장되거나 감소되면 다른 것도 역시 각각 확장되거나 감소된다는 점에서 라는 점에서 상호교환적이다. 그러나, 대조적으로, 복수의 셀 배터리에서 특정의 전기화학전지의 용어 "전지 유용수명"은, 특정의 전기화학전지는 복수의 셀 배터리의 배터리 런타임이 경과한 후에도 잔류하는 유용한 수명을 여전히 가지므로 그 복수의 셀 배터리에 대한 용어 "배터리 런타임"과 반드시 상호교환적일 필요는 없다. 마찬가지로, 만일 복수의 셀 배터리에서 특정의 전기화학전지의 "전지 런타임"이 확장되거나 감소된다면, "배터리 런타임"이 배터리의 하나 이상의 전지의 전지전압에 의존할 수 있으므로 "배터리 런타임"은 반드시 확장되거나 감소될 필요는 없다.

본 발명에서 사용되는 재충전 전기화학전지의 "방전의 최적깊이"나 "최적 방전깊이"는 충전/방전사이클을 최대로 하고 그 전지의 각각의 방전사이클에 대한 런타임을 최적화시키는 전지 전압을 의미한다. 재충전 전기화학전지의 서비스 런타임은 그 전지에 대한 "최적 방전깊이" 이하로 전지가 방전되면 급격하게 짧아질 수 있다(예를 들면 SLA 전지의 경우 약 1.6 볼트). 예를 들어, 리튬이온 전지의 깊은 방전은 전지를 손상시키고 그 전지의 장래전하 사이클수 및 효율을 감소시킬 수 있다. 그러나, 니켈 카드뮴("NiCd") 전기화학전지는 "메모리" 효과가 장래 방전사이클에서 그 전지의 런타임을 감소시킴으로써 그 전지의 수명을 단축시키는 것을 막기 위하여 더욱 깊이 방전되는 것이 바람직하다.

용어 "전기적으로 접속된"과 "전기적 접속"은 연속적인 전류의 흐름을 허용하는 접속을 의미한다. 용어 "전자적으로 접속된"과 "전자적 접속"은 트랜지스터나 다이오드 같은 전자장치가 전류경로에 포함되는 접속을 의미한다. 본 출원에서 "전자적 접속"은 "전기적 접속"의 부분집합으로 간주되어 모든 "전자적 접속"은 "전기적 접속"으로 간주되는 한편, 모든 "전기적 접속"이 "전자적 접속"으로 간주되지는 않는다.

본 발명의 배터리는 1차 또는 재충전 배터리의 방전사이클에서 에너지 회복을 최적화하고, 재충전 배터리의 경우에, 방전사이클수를 최대로 함으로써 배터리의 서비스 런타임을 확장하는 하나 이상의 제어기를 포함한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 예를 들어, 제어기가 다음의 기능들, 즉 (1) 방전제어, (2)충전제어, (3) 비상 분리 제어중 하나 이상을 수행할 수 있다. 전기화학 셀(들)은 단일 셀 또는 복수의 셀 배터리로 패키지화될 수 있다. 복수의 셀 배터리는 둘 이상의 동일한 형태의 전기화학전지를 포함하거나, 하이브리드 배터리에서 둘 이상의 상이한 유형의 전기화학전지를 포함할 수 있다. 본 발명의 복수의 셀 배터리는 직렬 및/또는 병렬로 전기적으로 배열된 전기화학전지들을 포함할 수 있다. 단일셀 배터리의 제어기(들)는 전지의 컨테이너 내부에 전기화학전지와 직렬 및/또는 병렬로 전기적으로 접속될 수 있고, 전지의 컨테이너를 적어도 부분적으로 포함하는 하우징내에 패키지되거나, 컨테이너, 하우징, 또는 라벨이나 컨테이너 또는 하우징에 부가된 임의의 다른 구조에 부착될 수 있다. 복수의 셀 배터리의 제어기(들)는 단일 셀 배터리에 대하여 설명된 대로 하나 이상의 개별 셀과 함께 패키지될 수 있고/거나 복수의 셀들의 조합과 함께 패키지되어 제어기가 전기화학전지들의 조합과 직렬 또는 병렬로 접속될 수 있다.

본 발명의 배터리의 제어기는 전술된 기능들중 하나 이상을 수행할 수 있고, 전술된 기능들에 부가하여 다른 기능들도 수행할 수 있다. 본 발명의 배터리의 제어기는 소정의 기능들 각각을 수행하는 회로를 포함할 수 있거나, 소정의 기능들중 하나 이상을 각각 수행하는 개별적인 서브 제어기를 포함할 수 있다. 또한, 서브 제어기는 제어신호들을 개별적인 서브 제어기로 제공할 수 있는 센싱회로같은 회로를 공유할 수 있다.

도 1-3 는 의논을 목적으로 간략화된 전형적인 실린더형 배터리 (10) 구조를 도시한다. 각각의 실린더형 배터리 (10)는 상이한 구성으로 배치된 동일한 기본구성 요소들을 갖는다. 각각의 경우에서, 구조는 재킷(jacket) 또는 측벽 (14)을 구비한 컨테이너 (12), 양의 터미널 (20) 을 포함하는 상부 캡 (top cap, 16), 음의 터미널 (22) 을 포함하는 바닥 캡 (bottom cap, 18) 을 포함한다. 컨테이너 (12) 는 단일 전기화학전지 (30) 를 둘러싼다. 도 1 은 실린더형, 단일 아연-탄소 전기화학전지 (30) 배터리 (10) 를 위하여 사용될 수 있는 구성을 도시한다. 본 구성에서, 전체 상부 캡 (16) 은 도전성이고 배터리 (10) 의 양의 터미널 (20) 을 형성한다. 절연 와셔 또는 씰(insulating washer or seal, 24)은 전기화학전지 (30) 로부터 도전성 상부 캡 (16) 을 절연시킨다. 전극 또는 전류 콜렉터 (26) 는 배터리 (10) 의 외부 양의 터미널 (20) 을 전기화학전지 (30) 의 캐소드 (양의 전극, 32) 와 전기적으로 접속한다. 바닥 캡 (18) 은 또한 전체적으로 도전성이고 배터리(10)의 외부 음의 터미널(22)을 형성한다. 바닥 캡은 전기화학전지 (30) 의 애노드 (음의 전극, 34) 에 전기적으로 접속된다. 애노드 (34) 와 캐소드 (32) 사이에 분리기 (28) 가 배치되고 전해질을 통한 이온도전을 위한 수단을 제공한다. 예를 들어, 아연-탄소 배터리는 전형적으로 이러한 형태의 배열로 패키지된다.

도 2 는 대안의 배터리 설계를 도시하는데, 여기서 절연 와셔 또는 씰 (25)은 바닥 캡 (18) 을 전기화학전지 (30) 로부터 절연하는 것을 도시한다. 이 경우, 전체 상부 캡 (16) 은 도전성이고 배터리의 양의 터미널 (20) 을 형성한다. 상부 캡 (16) 은 전기화학전지 (30) 의 캐소드 (32) 에 전기적으로 접속된다. 역시 도전성인 바닥 캡 (18)은 배터리의 음의 터미널 (22) 을 형성한다. 바닥 캡 (18) 은 전류 콜렉터 (26) 를 통하여 배터리 전지 (30) 의 애노드 (34) 에 전기적으로 접속된다. 애노드와 캐소드 사이에 분리기 (28) 가 배치되고 전해질을 통한 이온도전을 위한 수단을 제공한다. 예를 들어, 1차 및 재충전 알카라인(아연/망간 이산화물) 배터리들은 이런 형태의 배열로 패키지되는 것이 전형적이다.

도 3 은 전기화학전지 (30) 가 "나선형으로 감긴 젤리 롤(spirally wound jelly roll)" 구조로 형성되는 또 다른 대안의 배터리 설계를 도시한다. 이 설계에서, 4개의 층들이 "적층형" 구조로 서로 인접하여 배치된다. 이 "적층형" 구조는, 예를 들어, 캐소드층 (32), 제 1 분리층 (28), 애노드층 (34) 및 제 2 분리층 (28) 순서의 층들을 포함할 수 있다. 대안으로, 캐소드 (32) 와 애노드 (34) 층 사이에 배치되지 않은 제 2 분리층 (28) 은 절연층에 의해 대체될 수 있다. 그 다음, 이 "적층형태" 구조는 실린더형 나선형으로 감긴 젤리 롤 구성으로 롤(roll)되고 배터리 (10) 의 컨테이너 내에 위치된다. 절연와셔 또는 씰 (24) 은 상부 캡 (16) 을 전기화학전지 (30) 로부터 절연시키는 것을 도시한다. 이 경우, 전체 상부 캡 (16) 은 도전성이고 배터리 (10) 의 양의 터미널 (20) 을 형성한다. 상부 캡 (16) 은 전기화학전지 (30) 의 캐소드층 (32) 으로 전류 콜렉터 (26) 를 통하여 전기적으로 접속된다. 역시 도전성인 바닥 캡 (18) 은 배터리의 음의 터미널 (22) 을 형성한다. 바닥 캡 (18) 은 도전성 바닥 플레이트 (19) 를 통하여 배터리전지 (30) 의 애노드 (34) 에 전기적으로 접속된다. 분리층 (28) 은 캐소드층 (32) 과 애노드층 (34) 사이에 배치되고 전해질을 통한 이온도전을 위한 수단을 제공한다. 측벽 (14) 은 상부 캡 (16) 과 바닥 캡 (18) 모두에 접속되는 것으로 도시된다. 이 경우, 측벽 (14) 은 폴리머와 같은 비도전성 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 그러나, 측벽은 만일 측벽 (14) 이 적어도 양의 터미널 (20) 및/또는 음의 터미널 (22) 로부터 절연되어 두 터미널 사이에 단락회로를 생성하지 않으면 금속같은 도전성재료로 만들어질 수도 있다. 예를 들면, 1차 리튬 망간이산화물(MnO₂) 배터리, 재충전 리튬이온 및 니켈카드뮴(NiCd) 배터리 같은 1차 및 재충전 리튬 배터리들은 종종 이 형태의 배치로 패키지된다.

이 셀들의 각각은 또한 공지되어 있는, 다양한 형태의 안전벤트(safety vent), 동작을 위하여 공기 교환을 필요로 하는 전기화학전지를 위한 동작벤트(operating vent), 용량표시기, 라벨 등을 포함할 수 있다. 또한, 전지들은 버튼 전지, 코인 전지, 프리즈마틱 전지, 플렛-플레이트 또는 바이폴라-플레이트 등과 같은 공지된 다른 구조들로 구성될 수 있다.

본 발명의 목적을 위하여, 배터리 "컨테이너" (12) 는 단일 전기화학전지 (30) 를 수용한다. 컨테이너 (12) 는, 환경 및 복수의 셀 배터리에서의 임의의 다른 전기화학 셀들로부터 전기화학전지 (30) 의 전해질과 분리기, 두 전극 (32, 34) 을 보호하고 절연시키며 전기화학전지 (30) 로부터의 전기적 에너지를 컨테이너의 외부에 제공하는데 필요한 모든 요소들을 포함한다. 따라서, 도 1 및 2 의 컨테이너 (12) 는 측벽 (14), 상부 및 바닥 캡 (16, 18), 전지 (30) 의 전기적인 접속을 위한 양 및 음의 터미널 (20, 22) 을 포함한다. 복수의 셀 배터리에서, 콘테이너는 단일의 전기화학전지 (30) 를 포함하는 개별적인 구조일 수 있고, 이 컨테이너 (12) 는 복수의 셀 배터리내의 복수의 개별 컨테이너들중 하나일 수 있다. 또한, 컨테이너 (12) 는, 하우징이 배터리의 각각의 다른 전지 및 환경으로부터 하나의 전기화학전지 (30) 의 전해질 및 전극들을 완전히 분리한다면 복수의 셀 배터리의 하우징부에 의해서 형성될 수 있다. 컨테이너 (12) 는 금속같은 도전성 재료와 플라스틱이나 폴리머같은 절연재료를 조합하여 만들어질 수 있다.

그러나, 컨테이너 (12) 는, 각각 그 고유의 전극과 전해질을 포함하는 개별적으로 분리된 고립 셀들을 포함하는 복수의 셀 배터리 하우징과 구별된다. 예를 들면, 표준 알카라인 9 볼트 배터리 하우징은, 도 6 에서 도시된 것처럼, 각각 그 고유의 컨테이너 (612) 를 구비하는 6 개의 개별 알카라인전지 (630) 를 포함한다. 그러나, 일부 리튬 9 볼트 배터리에서, 배터리의 하우징은 전기화학전지의 전해질과 전극을 분리시키는 개별적인 체임버를 갖도록 형성되어, 하우징은 전체 복수의 셀 배터리를 위한 각각의 셀과 하우징에 대한 개별적인 컨테이너 (12) 들을 포함한다.

도 5a, 5b 및 5c 는 단일 셀 실린더형 1차 배터리에 대한 본 발명의 세 실시예들의 부분적인 분해도를 도시한다. 도 5a 에서, 제어기 (240) 는 배터리 (210) 의 상부 캡 (216) 과 절연 와셔 (224) 사이에 위치된다. 제어기 (240) 의 양의 출력 (242) 은 제어기 (240) 에 직접 인접한, 배터리 (210) 의 양의 터미널 (220) 에 전기적으로 접속되고, 제어기 (240) 의 음의 출력 (244) 은 배터리 (210) 의 음의 터미널 (222) 에 전기적으로 접속된다. 본 실시예에서, 제어기 (240) 의 음의 출력 (244) 은 배터리 (210) 의 도전성 바닥 캡 (218) 의 음의 터미널 (222) 과 전기적으로 접촉하고 있는 도전성 측벽 (214) 을 통하여 배터리 (210) 의 음의 터미널 (222) 에 접속된다. 이 경우, 도전성 측벽은 상부 캡 (216) 으로부터 전기적으로 절연되어야만 한다. 제어기 (240) 의 양의 입력 (246) 은 전류 콜렉터 (226) 를 통하여 전기화학전지 (230) 의 캐소드 (232) 에 전기적으로 접속된다. 제어기 (240) 의 음의 입력 (248) 은 도전성 스트립 (237)을 통하여 전기화학전지 (230) 의 애노드 (234) 에 전기적으로 접속된다. 또한, 제어기 (240) 는 바닥 캡 (218) 과 절연체 (225) 사이에 배치되거나, 배터리의 라벨 또는 컨테이너 외부에 부착, 첨부 또는 결합될 수 있다.

도 5b 에서는, 제어기 (340) 는 배터리 (310) 의 바닥 캡 (318) 과 절연체 (325) 사이에 배치된다. 제어기 (340) 의 음의 출력 (344) 은, 제어기 (340) 에 직접 인접한, 배터리 (310) 의 음의 터미널 (322) 에 전기적으로 접속되고, 제어기 (340) 의 양의 출력 (342) 은 배터리 (310) 의 양의 터미널 (320) 에 전기적으로 접속된다. 본 실시예에서, 제어기 (340) 의 양의 출력 (342) 은 배터리 (310) 의 도전성 상부 캡 (316) 의 양의 터미널 (320) 과 전기적으로 접촉되는 도전성 측벽 (314) 을 통하여 배터리 (310) 의 양의 터미널 (320) 에 접속된다. 제어기 (340) 의 양의 입력 (346) 은 도전성 스트립 (336) 을 통하여 전기화학전지 (330) 의 캐소드 (332) 에 전기적으로 접속된다. 제어기 (340) 의 음의 입력 (348) 은, 바닥 플레이트 (319) 로부터 전기화학전지 (330) 의 애노드 (334) 로 확장하는 전류 콜렉터 (326) 를 통해서 전기화학전지 (330) 의 애노드 (334) 에 전기적으로 접속된다. 그런 경우, 제어기 (340) 가 가상접지를 사용하면 제어기 (340) 의 음의 출력 (344) 및 컨테이너 (312) 의 음의 터미널 (322) 로부터 콜렉터 (340) 의 전류 콜렉터 (326) 와 음의 입력 (348) 은 절연되어야 한다. 대안적으로, 제어기 (340) 는 상부 캡 (316) 과 절연체 (324) 사이에 배치되거나, 배터리의 라벨이나 컨테이너 (312) 의 외부에 부착, 첨부 또는 결합될 수 있다.

도 5c 에서, 제어기 (440) 는 후막(thick film) 프린팅 기술, 또는 가요성 프린트 회로보드("PCBs")를 이용하여 래퍼 (wrapper, 441) 상에 형성될 수 있고, 배터리 (410) 의 캐소드 (432) 와 측벽 (414) 사이에서 컨테이너 내부에 위치된다. 제어기 (440) 의 양의 출력 (442) 은 배터리 (410) 의 상부 캡 (416) 을 통하여 배터리 (410) 의 양의 터미널 (420) 에 전기적으로 접속되고, 제어기 (440) 의 음의 출력 (444) 은 바닥 플레이트 (419) 및 바닥 캡 (418) 을 통하여 배터리 (410) 의 음의 터미널 (422) 에 전기적으로 접속된다. 제어기 (440) 의 양의 입력 (446)은, 본 실시에에서 제어기 (440) 를 포함하는 래퍼 (441) 에 직접 인접하는, 전기화학전지 (430) 의 캐소드 (432) 에 전기적으로 접속된다. 제어기 (440) 의 음의 입력 (448) 은 콘택트 플레이트 (431) 와 그로부터 전기화학전지 (430) 의 애노드 (434) 로 확장하는 전류 콜렉터 (426) 를 통하여 전기화학전지 (430) 의 애노드 (434) 에 전기적으로 접속된다. 절연 와셔 (427) 는 콘택트 플레이트 (431) 를 캐소드 (432) 로부터 분리한다. 도 5c 에 도시된 것처럼, 절연 와셔는 역시 애노드 (434) 와 콘택트 플레이트 (431) 사이에서 확장할 수 있는데 그 이유는 전류 콜렉터 (426) 가 애노드 (434) 로부터 콘택트 플레이트 (431) 로 접속을 제공하기 때문이다. 만일 콜렉터 (440) 가 가상접지를 사용하면, 콘택트 플레이트 (431)는 절연 와셔 (425) 에 의한 것처럼 바닥 플레이트 (419) 와 음의 터미널 (422) 로부터 절연되어야 한다. 대안적으로, 래퍼 (441) 는 컨테이너 (412) 의 외부에 배치되고, 측벽 (414) 의 외부 주위에 랩될 수도 있다. 그런 실시에에서, 라벨은 래퍼를 커버할 수 있거나, 라벨은 제어기 그 자체와 동일한 래퍼상에 프린트될 수 있다.

도 6 은 본 발명의 복수의 셀 9볼트 배터리 (610) 의, 부분 단면도인 투시도를 도시하고 있는데, 여기서 각 전기화학전지 (630) 는 전지의 개별 컨테이너 (612) 내부에 제어기 (640) 를 구비한다. 본 실시예에서,배터리 (610) 는 6개의 개별적인 전기화학전지 (640) 를 포함하는데, 각각은 대략 1.5 볼트의 공칭 전압을 갖는다. 예컨대, 배터리 (610) 는 또한 3개의 리튬 전지를 포함할 수 있는데, 각각 대략 3볼트의 공칭 전압을 갖는다. 다른 복수의 셀 배터리 구성들은 공지되어 있고, 본 발명의 제어기 (640) 를 수용하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 복수의 셀 배터리들은 프리즈마틱 배터리, 적어도 서로 실질적으로 슈링크-랩된(shrink-wrapped) 개별적인 컨테이너들을 갖는 배터리들, 캠코더같은 복수의 단일 셀 컨테이너들을 포함하는 플라스틱 하우징 및 셀룰러 전화기 배터리들을 포함한다.

도 4, 4a, 4b 는 본 발명의 배터리 (110) 의 상이한 실시예들의 블럭도를 도시한다. 도 4 는 매립된 집적 제어기 회로 (140) 를 이용하는 본 발명의 배터리 (110) 일 실시예의 블럭도를 도시한다. 본 실시예는 디지털 및 아날로그 성분을 모두 갖는 혼합모드 집적회로를 이용하는 것이 바람직하다. 제어기 회로는 대안적으로 특정의 집적회로("ASIC"), 하이브리드 칩 설계, PC 보드 또는 공지된 임의의 다른 형태의 회로제조기술을 이용하여 제조될 수 있다. 제어기 회로 (140) 는 전기화학전지 (130) 의 양 및 음의 전극 (132, 134) 사이와 배터리의 양 및 음의 터미널 (120, 122) 사이에서 배터리 컨테이너 (112) 내부에 위치될 수 있다. 따라서, 제어기 (140) 는 전기화학전지 (130) 를 컨테이너 (112) 의 터미널 (120, 122) 로 접속하거나 또는 그로부터 분리하고, 배터리 터미널 (120, 122)로 인가된 전지 (130) 의 출력전압이나 출력임피던스를 변형 또는 안정시킬 수 있다. 도 4a 는 도 4 에서 도시된 본 발명의 배터리 (110) 의 바람직한 일 실시예를 도시한다. 도 4a 에서, 제어기 (140) 는 전기화학전지 (130) 의 양의 전극 (캐소드, 132) 과 배터리 컨테이너 (112) 의 양의 터미널 (120) 사이에서 접속된다. 전기화학전지 (130) 의 음의 전극(애노드)과 배터리 컨테이너 (112) 의 음의 터미널 (122) 은 제어기 (140) 와 공통접지를 공유한다. 그러나 도 4b 는 본 발명의 배터리 (110) 의 대안의 바람직한 실시예를 도시하는데 여기서 제어기 (140) 는 가상접지에서 동작하고 전기화학전지 (130) 의 음의 전극 (134) 을 컨테이너 (112) 의 음의 터미널 (122) 로부터 분리시키고 아울러 전기화학전지 (130) 의 양의 전극 (132) 을 컨테이너 (112) 의 양의 단자 (120) 로부터 분리시킨다.

도 4a 및 4b 에서 도시된 각각의 실시예들은 그 자체의 장점 및 단점을 갖는다. 예를 들어, 도 4a 의 구성은 배터리 컨테이너 (112) 의 음의 터미널 (122), 제어기 (140) 및 볼타전지 (130) 를 위한 공통접지를 갖는 더 간단한 회로설계를 허용한다. 그러나, 도 4a 의 구성은 컨버터가 순(true) 전기화학 셀전압 레벨에서 작동할 필요가 있고 인덕터 소자를 사용할 필요가 있는 단점을 갖는다. 도 4b 의 구성에서, 배터리 컨테이너 (112) 의 음의 터미널 (122) 로 인가된 가상접지는 전기화학전지 (130) 의 음의 전극 (134) 을 부하로부터 분리하고 거의 인버터가 없는 DC/DC 컨버터의 사용을 허용한다. 그러나, 이 구성은 전지전압이 전기화학 셀의 공칭 전압 레벨 이하일 때 제어기(140)의 전압 컨버터가 더욱 효율적으로 동작을 지속하는 것을 허용하기 위하여 가상접지의 증가된 회로 복잡성을 필요로 하는 단점을 갖는다.

도 4c 는 집적 제어기 회로 (140) 를 갖는 본 발명의 배터리 (110) 의 또 다른 실시예를 도시하는데, 여기서 제어기 회로 (140) 는 방전 서브 제어기 회로 (102), 충전 서브 제어기 회로 (104), 비상 분리 서브 제어기 회로 (106), 및 지속적 또는 간헐적으로 센스된 동작 파라미터 및/또는 물리적 상태에 기초하여 방전 서브 제어기 회로 (102) 및/또는 방전 서브 제어기 회로 (104) 로 전압제어 신호를 제공하는 센싱회로 (sensing circuit, 105) 인 4 개의 주요한 구성요소를 포함한다. 센싱회로 (105) 는 전지전압, 전지로부터 도출된 전류, 전지전압과 전류 사이의 위상시프트, 등과 같은 전기화학전지 (130) 의 동작 파라미터를 측정할 수 있다. 또한, 센싱회로 (105) 는 출력전압과 전류레벨, 충전전압 및 전류레벨, 등과 같은 집적 제어기 회로 (140) 의 동작 파라미터를 측정할 수 있다. 또한, 센싱회로는 온도, 압력, 수소 및/또는 산소농도 등과 같은 전기화학전지의 물리적 상태를 측정할 수도 있다. 센싱회로 (105) 는, 공지되거나 이하에서 설명된 것처럼 충전이나 방전동안 전기화학전지를 효과적을 모니터하기에 충분한 이들의 임의의 조합을 측정할 수 있다.

그러나, 본발명의 배터리 (110) 의 집적 제어기 회로 (140) 는 전술된 기능들중 각각을 수행할 필요가 없다. 예를 들면, 제어기 회로 (140) 는 방전 서브 제어기 회로 (102) 와 센싱회로 (105), 충전 서브 제어기 회로 (104) 및 센싱회로 (105), 비상 분리 서브 제어기 회로 (106) 및 센싱회로 (105), 또는 이들의 임의의 조합같은 전술된 구성요소들중 둘 또는 셋만 구비할 수 있다. 또한, 제어기 회로 (140) 는, 만일 제어기 회로 (140) 의 특정의 실시예에 포함된 방전 서브 제어기 회로 (102), 충전 서브 제어기 회로 (104) 및/또는 비상 분리 서브 제어기 회로 (106) 가 그들 각각의 기능을 수행하는데 필요한 그 자체의 내부 센싱회로를 포함한다면 센싱회로 (105) 를 구비하지 않을 수 있다. 또한, 방전 서브 제어기 회로 (102), 충전 서브 제어기 회로 (104) 중 어느 하나, 또는 둘다는 비상 분리 서브 제어기 (106) 의 기능도 역시 수행할 수 있다. 제어기 회로 (140) 는 또한 전술된 기능 이외의 기능을 수행하는 다른 서브 제어기와 함께 전술된 센싱회로나 서브제어기의 하나 이상을 가질 수 있다.

방전 서브 제어기 회로 (102) 는, 안전한 깊은 방전을 제공하여 1차 배터리의 저장된 에너지를 더 사용하거나 재충전하기 전에 재충전 배터리의 저장된 에너지를 최적으로 사용함으로써 배터리의 더 긴 서비스 런타임을 제공하기 위하여 배터리 (110) 의 전기화학전지 (130) 의 방전을 제어한다. 충전 서브 제어기 회로 (104) 는 제어기 회로 (140) 가 집적된 배터리 (110) 의 전기화학전지(들) (130) 의 충전을 안전하고 효율적으로 제어한다. 비상 분리 서브 제어기(106)는 단락회로, 전극역전, 과충전상태, 또는 과방전상태와 같은 불안전한 상태를 센싱회로 (105) 가 검출하는 경우 배터리 터미널로부터 전기화학전지(들)를 분리한다.

그러나, 본 발명의 1차 배터리의 바람직한 일 실시예에서, 제어기 (140) 는 방전 서브 제어기 회로 (102), 비상 분리 서브 제어기 (106) 및 센싱회로 (105) 를 포함하는 것이 바람직하다. 센싱회로 (105) 는 전기화학전지 (130) 의 물리적 상태와 동작 파라미터를 지속적으로 모니터하는 것이 바람직하다. 방전 서브 제어기 회로 (102) 는, 배터리를 버리기 전에 더 긴 서비스 런타임을 제공하기 위하여 배터리 (110) 의 1차 전기화학전지(들) (130) 의 더 안전하고, 더 깊은 방전을 제공하는 것이 바람직하다. 비상 분리 서브 제어기 회로 (106) 는, 센싱회로가 불안전한 상태를 감지할 때 배터리 터미널로부터 전기화학전지(들)를 분리시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 재충전 배터리의 바람직한 일 실시에에서, 제어기 회로 (140) 는 추가적으로 충전 서브 제어기 회로 (104) 를 포함할 수 있다. 방전 서브 제어기 회로 (104) 는 제어기 회로 (140) 가 집적되어 있는 배터리 (110) 의 전기화학전지(들) (130) 의 충전을 안전하고 효율적으로 제어한다. 센싱회로 (105) 는 제어기 회로 (140) 의 동작 파라미터와 전기화학전지(들) (130) 의 물리적 상태들을 지속적으로 직접 모니터하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 센싱회로 (105) 는 셀 전압, 충전 전류, 전기화학전지(들)의 내부임피던스, 수소 또는 산소농도, 온도, 압력 또는 공지된 임의의 다른 동작 파라미터나 물리적 상태를 모니터할 수 있다.

특히 바람직한 실시에에서, 각각의 전기화학전지는 그 자체에 특정 셀의 상태를 모니터하는 집적 제어기 회로 (140) 를 갖는다. 각 특정 셀의 상태를 직접 모니터함으로서, 충전 서브 제어기 (105) 는, 복수의 전기화학전지들을 갖는 배터리를 모니터하는 공지된 충전 제어기보다 더 안전하고 더 효율적일 수 있다. 충전 서브 제어기 (105) 는 셀(들)의 순시 충전치와 셀의 최대용량을 이용하여 지속적으로 충전상태를 최적화함으로서 손실을 최소화할 수 있다.

각각의 제어기는 하나 이상의 다음의, (1) 방전 서브 제어기, (2) 충전 서브 제어기 및/또는 (3) 비상 분리 서브 제어기와 같은 서브 제어기들을 포함할 수 있다. 논의의 편의를 위해, 제어기 기능들은 서브 제어기에 대하여 설명된다. 그러나, 본 발명의 제어기의 실질적인 실현은 제어기에 의해서 수행되는 복수의 기능들은 단일의 회로로 결합될 수 있고, 바람직하므로 각각의 기능에 대한 독립적인 회로 실행을 필요로 하지 않는다. 예를 들어, 각각의 서브 제어기는 제어기의 하나 이상의 동작 파라미터 및/또는 전기화학전지의 물리적 상태를 측정하기 위하여 그 자체의 내부 센싱회로를 가질 수 있고, 또는 독립된 센싱회로가 파라미터 및/또는 상태를 측정하고 그들 및/또는 파라미터 및/또는 상태에 관련된 제어신호를 하나 이상의 서브 제어기에 제공할 수 있다. 더욱이, 제어기는 여기에 열거된 하나 이상의 기능들 이외에 다른 기능을 수행하는 추가적인 또는 대안의 서브 제어기들을 가질 수 있다.

방전 서브 제어기

방전 서브 제어기는 몇가지 방법들 중 하나로 본 발명의 1차 또는 재충전 배터리의 서비스 런타임을 확장할 수 있다. 첫째, 하나 이상의 1차 전기화학전지를 포함하는 복수의 셀 배터리, 또는 충전되기 전에 완전히 방전되는 것이 바람직한 하나 이상의 재충전 전지(예를 들어, NiCd 전지는 최대 약 100% (그 이상은 아님)까지 방전되는 것이 바람직함)의 경우, 서브 제어기는 배터리의 하나 이상의 전기화학전지가 다른 방식으로 가능하였을 것보다 전자장치에 의해 더 깊이 방전되도록 허용할 수 있다. 예를 들면, 방전 서브 제어기는, 단일 셀 배터리가 전지전압이 장치의 컷오프 전압 이하로 떨어지는 지점을 초과하여 방전하도록 허용할 수 있다. 1차 배터리의 경우, 배터리의 서비스 런타임은, 배터리를 버리기 전에 가능한 한 깊이 전기화학전지를 방전시킴으로써 증가될 수 있다. 그러나, 재충전 배터리에서는, 배터리 서비스 런타임은 최적방전 깊이로 전기화학전지를 방전시킴으로써 증가된다. 따라서, 만일 재충전 전기화학전지의 최적방전 깊이가, 재충전 배터리가 전원을 공급하는 장치의 컷오프 전압 이하로 되면, 재충전 배터리의 서비스 런타임은, 재충전 전지가 그 장치의 컷오프 전압을 초과하여 방전하도록 허용된다면 증가될 수 있다.

본 출원에서, 용어 "깊은 방전"은 전기화학전지가 전기화학전지의 정격용량의 80% 이상으로 방전되도록 허용하는 것을 의미한다. 또한, 본 출원에서 용어 "실질적 방전"은 전기화학전지가 전기화학전지의 정격용량의 70% 이상으로 방전되도록 허용하는 것이다. 본 출원에서 "과방전"은, 전압역전(voltage reversal)을 초래할 수 있는, 100% 를 초과하여 전기화학전지를 방전하는 것을 의미한다. 예를 들면, 오늘날 시장에서의 전형적인 알카라인 배터리는 일반적으로, 소정의 전자장치를 구동하는데 충분치 않은 전압레벨로 전기화학전지의 전압레벨이 떨어지기 전에 그 저장된 에너지 용량의 대략 40 내지 70%를 전달 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 서브 제어기는 배터리가 컷오프되기 전에 약 70% 이상의 방전을 할 수 있는 알카라인 전지를 제공하는 것이 바람직하다. 서브 제어기는 약 80% 이상의 방전 레벨을 제공하는 것이 더 바람직하다. 서브 제어기는 약 90% 이상의 방전레벨을 제공하는 것이 더 더욱 바람직하고, 약 95% 이상의 방전레벨을 제공하는 것이 가장 바람직하다.

방전 서브 제어기는 셀 전압을 1차 또는 재충전 배터리의 소정의 출력전압으로 변환시키는 컨버터를 포함할 수 있다. 1차 배터리에서는, 이것은 전기화학전지(들)의 더 깊은 방전을 허용하고 따라서 배터리의 서비스 런타임을 확장한다. 그러나, 재충전 배터리에서, 컨버터는 제어기가 소정의 장치의 컷오프 전압과 무관한 최적의 방전깊이로 재충전 배터리를 방전시키도록 허용한다. 본 발명의 일 실시예에서, 서브 제어기는 전지전압을 배터리의 런타임을 통해 소정의 출력전압으로 지속적으로 변환할 수 있다. 전지전압이, 배터리 방전이 정상적으로 컷오프되는 장치 컷오프 전압 레벨까지 떨어질 때, 컨버터는 전지전압을 전압레벨이 서브 제어기를 구동하는데 필요한 최소 전압 이하로 떨어지거나 재충전 전기화학전지에 대한 최적의 방전깊이로 떨어질 때까지 장치를 지속적으로 구동하는데 충분한 배터리의 출력의 레벨로 승압(boost), 또는 스텝업(step-up)시킨다. 따라서, 또 다른 배터리의 서브 제어기보다 더 낮은 전압 레벨에서 동작할 수 있는 서브 제어기 설계를 갖는 배터리는 전지 전압레벨과 독립적으로 더욱 깊이 방전될 수 있는 배터리를 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 컨버터는 전지전압이 소정의 전압레벨 이하로 떨어질 때만 동작한다. 그런 실시예들에서, 컨버터의 내부 손실은, 컨버터가 필요한 경우에만 동작하기 때문에 최소화된다. 소정의 전압레벨은 전기화학전지의 정상전압으로부터 배터리가 동작하도록 의도된 장치의 클래스의 최상 컷오프 전압까지의 범위에서 있는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 소정의 전압레벨은 배터리가 동작하도록 의도된 장치의 클래스의 최상 컷오프 전압보다 약간 큰 것이다. 예를 들면, 소정의 전압레벨은 대략 배터리가 동작하도록 의도된 장치의 클래스의 최상 컷오프 전압 내지 그 컷오프 전압에 약 0.2 볼트를 합한 범위내에 있을 수 있고, 바람직하게는 대략 장치가 동작하도록 의도된 장치의 클래스의 최상 컷오프 전압 내지 그 컷오프 전압에 약 0.15 볼트를 합한 범위 내에 있을 수 있고, 더 바람직하게는 대략 배터리가 동작하도록 의도된 장치의 클래스의 최상 컷오프 전압 내지 그 컷오프 전압에 약 0.1 볼트를 합한 범위내에 있을 수 있고, 더 더욱 바람직하게는 대략 배터리가 동작하도록 의도된 장치의 클래스의 최상 컷오프 전압 내지 그 컷오프 전압에 약 0.05 볼트를 합한 범위 내에 있을 수 있다. 예를 들어, 약 1.5 볼트의 공칭전압을 갖는 전기화학전지는 일반적으로 약 0.8 볼트 내지 약 1.8 볼트의 범위인 소정의 전압을 갖는다. 바람직하게는 소정의 전압은 약 0.9 볼트 내지 약 1.6 볼트의 범위내에 있다. 더 바람직하게는, 소정의 전압은 약 0.9 볼트 내지 약 1.5 볼트의 범위내에 있다. 더 더욱 바람직하게는, 소정의 전압은 약 0.9 볼트 내지 약 1.2 볼트의 범위에 있으며 보다 바람직하게는 약 1.0 볼트 내지 약 1.2 볼트의 범위를 갖는다. 배터리가 동작하도록 의도된 장치의 클래스의 최상 컷오프 전압과 같거나 약간 큰 전압 레벨이 가장 바람직하다. 그러나 약 3.0 볼트의 공칭전압을 갖는 전기화학전지로 동작하도록 설계된 서브 제어기는 일반적으로 약 2.0 볼트 내지 약 3.4 볼트의 범위에 있는 소정의 전압레벨을 가질 수 있다. 바람직하게는, 소정의 전압은 약 2.2 볼트 내지 약 3.2 볼트의 범위에 있다. 더 바람직하게는, 소정의 전압은 약 2.4 볼트 내지 약 3.2 볼트의 범위에 있다. 더 더욱 바람직하게는, 소정의 전압은 약 2.6 볼트 내지 약 3.2 볼트의 범위에 있고, 보다 바람직하게는 약 2.8 볼트 내지 약 3.0 볼트의 범위에 있다. 배터리가 동작하도록 의도된 장치의 클래스의 최상 컷오프 전압과 동일하거나 약간 큰 전압레벨이 가장 바람직하다.

전지전압이 소정의 전압레벨 이하로 떨어질 때, 방전 서브 제어기는 컨버터를 턴온시키고 전지전압을 부하를 구동하는데 충분한 소정의 출력전압으로 승압시킨다. 이것은 전지전압이 부하를 구동할 만큼 충분히 높을 때 필요치 않은 컨버터의 손실을 제거하지만, 1차 전지의 경우 전지전압이 컨버터의 최소 동작전압에 도달할 때가지, 또는 재충전 전지의 경우 전지의 전지전압이 최적 방전깊이에 도달할 때까지 부하를 구동하기 위하여 필요한 레벨 이하로 전지전압이 떨어진 후에도 전기화학전지가 지속적으로 방전하도록 허용한다. 서브 제어기는, 전지전압이 소정의 전압레벨로 떨어질 때 컨버터를 턴온시키는 단일의 전압 컴패레이터 및 전자 스위치 조합으로부터 이하 설명되는 것들 같은 더욱 복잡한 제어구조까지의 많은 제어 메커니즘중 임의의 하나 이상을 사용할 수 있다.

출력전압을 위하여 설계된 본 발명의 유니버설 배터리는 장치에 전원을 공급하기 위하여 사용될 때 배터리의 서비스 런타임을 확장할 수 있는 것이 바람직하다. 본 출원에서 사용된 대로, "유니버설" 배터리는 셀 전기화학에 무관한 균일한 출력전압을 제공할 수 있는 배터리이다. 따라서, 본 발명의 배터리는 1차 전기화학전지(들)의 전압이 서브 제어기가 그 이하로는 더이상 동작할 수 없는 레벨까지 떨어질 때, 또는 재충전 전지화학전지가 그 최적 방전깊이로 떨어질 때 내장된 서브 제어기가 셧다운할 때까지 소정의 장치의 컷오프 전압과 일치하거나 그 이상인 레벨에서 배터리의 출력전압을 유지함으로써 그 서비스 런타임을 확장하도록 설계되는 것이 바람직하다. 유사한 컷오프 전압을 갖는 전자장치 또는 좁은 클래스 또는 특정의 전자장치에 전원을 공급하도록 설계된 본 발명의 배터리는 소정의 전압레벨을 그 장치(들)의 컷오프 전압(들)로 더 가깝게 매칭시킴으로써 더욱 효율적으로 동작하도록 특별히 설계될 수 있다.

둘째, 방전 서브 제어기(102)는 또한 충전사이클의 수나 효율을 증가시키기 위하여 전지를 최적으로 방전시킴으로서 재충전 전기화학전지의 서비스 런타임을 확장하도록 사용될 수 있다. 납축전지(sealed lead-acid)에서, 예를 들면, 깊은 방전은 전지를 손상시킬 수 있고 장래 재충전 사이클의 수 또는 효율을 감소시킬 수 있다. 예를 들면, 서브 제어기는 특정한 형태의 재충전 전기화학전지의 방전을 제어하여 전지전압이 그 특정의 전기화학전지의 그 형태에 대한 최적의 방전깊이인 소정의 전압레벨에 도달할 때 방전사이클이 중단된다. 예를 들어 재충전 전기화학 납축전지(lead-acid rechargeable electrochemical cell)에서, 소정의 전압 레벨은 약 0.7 볼트 내지 약 1.6 볼트의 범위이고, 바람직하게는 약 0.7 볼트이다. 예를 들어, 리튬 MnO₂재충전 전기화학전지에서, 소정의 전압레벨은 약 2.0 볼트 내지 약 3.0 볼트의 범위이고, 바람직하게는 약 2.4 볼트이다. 또한, 방전 서브 제어기는 재충전 전기화학전지의 내부임피던스가 그 특정의 전기화학전지의 그 형태에 대한 바람직한 최대 방전 레벨에 대응하는 소정의 임피던스 레벨에 도달할 때 방전사이클을 종료시킬 수 있다. 따라서, 최적의 방전깊이를 초과하여 깊이 방전되지 않는 것이 바람직한 하나 이상의 재충전 전기화학전지를 포함하는 본 발명의 배터리에서, 방전 서브 제어기는 전지전압이 소정의 전압레벨에 도달하거나 셀 내부임피던스가 소정의 내부임피던스에 도달할 때 방전사이클을 종료시킴으로써 배터리의 서비스 런타임을 증가시키기 위하여 사용될 수 있다.

셋째, 방전 서브 제어기는 또한 소정의 출력전압보다 더 큰 공칭전압을 갖는 전기화학전지(들)의 전지전압을 스텝다운시킬 수 있고/거나 배터리의 전기화학전지의 출력임피던스를 변경시킬 수 있다. 이것은 배터리의 런타임을 확장시킬뿐만 아니라, 상이한 공칭전압을 갖는 전기화학전지들간에 그렇지 않으면 가능하였을 것보다 더 큰 상호교환성을 허용하고, 설계자들이 더 높은 공칭전압을 갖는 전기화학전지의 더 큰 저장능력을 이용하도록 허용하고, 설계자들이 임피던스를 소정의 레벨로 매치시켜서 전기화학전지와 다른 형태의 전기화학전지들과의 상호교환성을 증가시키고/거나 특정 형태의 부하로 전기화학전지의 효율을 증가시키기 위하여 어떤 전기화학전지의 출력임피던스를 변경시키는 것을 허용한다. 또한, 비효율적이고, 환경에 해롭고, 비용이 많이 들며, 오직 특정의 공칭전압이 필요하기 때문에 일반적으로 사용되는, 수은 카드뮴전지같은, 전기화학전지들은 적용에 따라 요구되는 출력임피던스나 공칭전압을 충족하기 위하여 변형된 출력임피던스나 스텝업 또는 스텝다운된 공칭전압을 갖는 더 안전하고, 더 효율적이거나 더 싼 전기화학전지로 대체될 수 있다.

예를 들어, 약 1.8 볼트 또는 그 이상의 공칭전압을 갖는 전기화학전지는 이 더 높은 공칭전압을 약 1.5 볼트의 표준공칭레벨로 스텝다운시키는 서브 제어기로 패키지되어 배터리는 약 1.5 볼트의 공칭전압을 갖는 배터리와 상호교환적으로 사용될 수 있다. 일 특정예에서, 약 3.0 볼트의 공칭전압을 갖는 1차 리튬 MnO₂전지같은 표준 리튬전지는 스텝다운 서브 제어기를 구비한 배터리에 패키지될 수 있어서 배터리는 약 1.5 볼트의 출력전압을 갖는다. 이것은 동일한 볼륨과 약 1.5 볼트의 공칭전압을 갖는 전기화학전지를 갖는 배터리보다 2 배 이상의 용량을 갖는 배터리를 제공한다. 또한, 그것은 리튬 셀 화학 조성을 화학적으로 변경시킬 필요없이, 표준 알카라인이나 아연-탄소 단일 셀 배터리와 진정으로 상호교환 가능한 높은 전압의 리튬전지를 제공하며, 이것은 전지의 화학 에너지 저장을 감소시킨다. 또한, 재충전 리튬이온전지는 약 4.0 볼트의 공칭전압을 갖는다. 전지는 스텝다운 제어기를 구비한 배터리에 패키지될 수 있어 단일 셀 배터리는 약 1.4 볼트의 출력전압을 갖는다. 본 발명의 리튬이온 배터리는 표준 단일 셀 NiCd 재충전 배터리와 상호교환 가능하지만, 동일한 볼륨의 단일 셀 NiCd 배터리의 3배의 용량을 제공할 수 있다.

또한, 리튬이온, 마그네슘, 마그네슘 공기 및 알루미늄 공기같은 전기화학전지들을 갖는 배터리들은 또한 약 1.8 볼트를 넘는 공칭전압을 갖고 약 1.5 볼트의 공칭전압을 갖는 표준배터리와 상호교환적으로 사용될 수 있다. 상이한 형태의 전기화학전지들이 상호교환적으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 상이한 형태의 전기화학전지들은 하이브리드 배터리에 함께 패키지될 수 있다. 따라서, 다양한 공칭전압이나 내부임피던스를 갖는 상이한 전기화학전지들을 갖는 상이한 형태의 배터리들은 상호교환적으로 사용될 수 있고, 또는 하이브리드 배터리들은 다양한 형태의 전기화학전지를 갖도록 제조될 수 있다.

또한, 그 이하에서 전형적인 전자장치가 동작을 할 공칭전압을 갖는 전기화학전지는 공칭전압을 승압시키기 위하여 내장된 스텝업 컨버터를 갖는 방전 서브 제어기와 같이 사용될 수 있다. 이것은 이 형태의 전기화학전지가, 그렇지 않은 경우 전지가 제공하는 것보다 더 높은 전압레벨을 요구하는 장치와 같이 사용되도록 하는 배터리를 허용한다. 또한, 이 형태의 전지를 갖는 배터리는 또한 표준 알카라인이나 아연-탄소 전기화학전지와 상호교환적으로 사용될 수 있다. 이것은, 그렇지 않으면 공칭전압이 너무 낮아 실용적이지 못하므로 소비자의 사용을 고려하지 못했을 전기화학전지를 갖는 상업적으로-실행가능하고, 유용한 배터리들을 제공할 수 있다.

표 1 은 배타적인 것을 의도하지는 않지만, 본 발명의 배터리에서 사용될 수 있는 예시적인 1차, 2차 및 예비 전기화학전지를 열거한다. 예를 들면, 상이한 공칭전압이나 내부임피던스를 갖는 상이한 형태의 1 차 및/또는 재충전 전기화학전지는 표준 1.5 볼트 알카라인 1 차 또는 재충전 배터리나 표준 1.4 볼트 NiCd 재충전 배터리와 동일한 출력전압을 갖는 유니버설 단일 셀 배터리를 생성하기 위해 컨버터와 함께 사용될 수 있다. 또한, 1차, 2차 및/또는 예비전지들은 본 발명의 하이브리드 복수의 셀 배터리에서 함께 사용될 수 있다. 참으로, 본 발명은 다양한 형태의 전기화학전지들 사이, 그리고 전기화학전지들과 연료전지, 커패시터 등과 같은 대안의 전원 사이에 어느 때보다도 큰 상호교환성을 허용한다. 각각의 전기화학전지에 제어기를 위치시킴으로서, 상이한 형태의 전기화학전지의 출력임피던스와 공칭전압 같은 전기적 특성은, 상호교환적인 배터리들을 만드는데 더 다양한 전지들이 사용되는 것을 허용하기 위하여 조정될 수 있다. 배터리들은 특히 전기화학전지의 특정의 장점들을 이용하도록 설계될 수 있지만, 여전히 다른 형태의 전지를 포함하는 배터리들과의 상호교환성을 허용한다. 또한, 본 발명은 전기화학전지들의 공칭전압을 표준의 전압레벨로 변환시킴으로서 새로운 표준 전압레벨을 생성하기 위하여 사용될 수 있다.

또한, 그렇지 않으면 양립될 수 없는 전기화학전지들은 특정 형태의 적용에 대하여 특별히 설계된 하이브리드 배터리들에서 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 아연-공기 전기화학전지는 하이브리드 배터리에서 리튬전지와 병렬로 또는 직렬로 함께 사용될 수 있다. 아연-공기 전지는 약 1.5 볼트의 공칭전압과 매우 높은 에너지 밀도를 갖지만, 낮은, 정전류(steady current) 레벨만을 제공할 수 있다. 그러나, 리튬전지는 약 3.0 볼트의 공칭전압 레벨을 갖고 높은 전류 레벨의 짧은 버스트(burst)를 제공할 수 있다. 각각의 전기화학전지의 방전 서브 제어기는 동일한 공칭출력전압을 제공하고 직렬 또는 병렬 전기적 구성으로 배열을 허용한다. 전지들이 병렬로 구성될 때, 서브 제어기들은 또한 전지들이 서로 충전하는 것을 막는다. 각각의 전지에 대한 서브 제어기는 부하에 의해서 필요한 대로 전지들중 어느 것 또는 둘 다를 접속하거나 분리하도록 사용될 수 있다. 따라서, 부하가 낮은 파워모드에 있을 때, 아연-공기 전지는 일정한, 낮은 전류를 제공하도록 접속될 수 있고, 부하가 높은 파워모드에 있을 때, 리튬전지나 조합된 리튬 및 아연-공기 전지는 부하에 전원을 공급하는데 필요한 전류를 제공한다.

하이브리드 배터리들은 또한 1차 및 2차 전지, 1차 및 예비전지, 2차 및 예비전지, 또는 1차, 2차 및 예비전지같은 전기화학전지들의 많은 상이한 조합을 포함할 수 있다. 또한, 하이브리드 배터리는 연료 전지, 종래의 커패시터 또는 심지어 수퍼-커패시터같은 하나 이상의 또다른 전원들과 하나 이상의 전기화학전지들과의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하이브리드 배터리는 알카라인과 금속-공기 전지, 금속-공기 및 2차 전지, 금속-공기 전지 및 수퍼 커패시터같은 조합을 포함할 수 있다. 더욱이, 하이브리드 배터리들은 또한 전술된 전지들이나 전원들의 둘 이상의 임의의 조합을 포함할 수 있다.

또한, 방전 서브 제어기는 전기화학전지 구성요소의 동작을 손상시키고 전지전압을 낮출 수 있는 전류 피크로부터 전기화학전지를 보호함으로써 배터리의 서비스 런타임을 확장시킬 수 있다. 예를 들어, 서브 제어기는 높은 전류 요구가 전지에 메모리 효과를 생성하고 전기화학전지(들)의 런타임을 감소시키는 것을 막을 수 있다. 전류 피크는 또한 알카라인, 리튬, NiCd, SLA, 금속수소화물 및 아연-공기 전지같은 전기화학 셀들에 해롭다.

방전 서브 제어기는, 즉각적인 요구시 임시 저장이 이용될 수 있도록 서브 제어기의 출력에서 전하의 일시적 저장을 제공함으로써 전류 피크로부터 전기화학전지를 보호할 수 있다. 따라서, 전류 피크 요구는 전기화학전지에 도달하기 전에 완전히 제거되거나 상당히 감소될 수 있다. 이것은 전기화학전지가 직접 제공할 수 있는 것보다 더 높은 전류 피크를 제공하고 전지 구성요소에 손상을 끼칠 수 있는 전류 피크로부터 전기화학 셀을 보호한다. 임시 저장소자는 커패시터인 것이 바람직하다. 커패시터는 종래의 커패시터, 후막 인쇄 커패시터 또는 심지어 "수퍼 커패시터"와 같은 공지된 임의의 형태의 커패시터일 수 있다. 예를 들어, 도 13 는 컨테이너 (1312) 의 출력단자 (1320, 1322)에 걸쳐 접속된 커패시터 Cf 를 도시한다.

단일의 방전 서브 제어기는 전류 피크로부터 전지를 보호하고 전지전압을 소정의 출력전압으로 변환시킴으로써 배터리의 서비스 런타임을 확장시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 서브 제어기의 바람직한 실시예는 컨버터에 연관된 손실을 최소화하기 위하여 소정의 전압으로 전지전압이 떨어질 때 컨버터를 턴온한다. 동일한 서브 제어기는 전지전압과 출력부하 전류 둘다를 모니터하고 전지전압이 소정의 전압레벨에 도달하거나 부하전류가 소정의 전류레벨에 도달하면 컨버터를 턴온시킬 수 있다. 또한, 서브 제어기는 전지전압과 출력부하 전류 둘다를 모니터하고 필요한 부하전류의 공급이 컷오프 전압 레벨이하로 전지전압을 떨어뜨릴 것인지 결정할 수 있다. 후자의 예에서, 서브 제어기는 컨버터가 턴온되어야 하는지 결정하기 위하여 알고리즘으로 조합된 두 입력신호로 동작한다. 그러나, 전자의 예에서는, 서브 제어기는, 전지전압이 소정의 전압레벨로 떨어지거나, 출력부하 전류가 소정의 전류레벨로 상승하면 컨버터를 턴온한다. 다른 가능한 제어구성들과 함께, 이것은 이하 상세히 논의된다.

본 발명은 AAA, AA, C 또는 D 전지와 같은 표준 소비자 배터리뿐만 아니라 특수전지에 관한 것이다. 본 발명은 다양한 적용에서 사용될 수 있는 하이브리드 배터리, 및 특수 1차 배터리의 사용에 대하여 고찰한다. 충분한 주기의 시간을 통해 필요한 전류비(current rate)를 제공하는 1차 전지의 능력에 의해 현재 제한을 받고 있는 셀룰러 전화기, 랩탑 컴퓨터, 등과 같은 사용을 위해서 이 특수 배터리 및 하이브리드 배터리가 재충전 배터리를 대체하기 위하여 사용될 수 있는 것으로 기대된다. 또한, 전지의 출력임피던스와 출력전압을 개별적으로 제어할 수 있는 것으로부터 배터리 설계자는 상이한 형태의 전지들을 조합하여 사용하거나 연료 전지, 종래의 커패시터 또는 심지어 "수퍼 커패시터"와 같은 대안의 전원을 사용하는 전적으로 새로운 형태의 하이브리드 배터리를 설계할 수 있게 된다.

전기화학전지의 상호교환 가능한 형태의 증가는 또한 배터리 설계자가 표준 1차 또는 재충전 배터리를 제공하여 셀룰러 전화, 랩탑 컴퓨터, 캠코더, 카메라, 등과 같은 특정의 장치를 위해 설계된 배터리 커스텀(batteries custom)에 대한 의존성을 감소시키도록 허용한다. 특정한 형태, 상표 및/또는 모델의 전자장치를 위해 특별히 제조된 배터리를 구매하여야 하는 것 대신, 소비자가 현재 플래시라이트나 테이프 녹음기를 위하여 구매하는 것처럼, 소비자는 단순히 셀룰러 전화기에 전원을 공급하는 표준 배터리를 구매할 수 있다. 또한, 제조된 표준배터리의 수가 증가함에 따라서, 유닛당 비용은 급속히 감소하여, 특별히 설계된 재충전 배터리를 궁극적으로 대체할 수 있는 더욱 알맞은 배터리를 생산한다. 또한, 1차 및 재충전 배터리는 서로 상호교환적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 랩탑 컴퓨터의 재충전 배터리가 고갈되면, 사용자는 재충전 배터리를 충전시킬 때까지 몇 시간의 사용을 위해 지속할 1차 배터리를 구매할 수 있다. 사용자는 또한 훨씬 비싼 배터리를 구비한 장치에 의해 제공될 수 있는 어떤 높은 성능 레벨을 필요하지 않는 경우 덜 비싼 배터리를 구매할 수 있다.

사진필름, 등에서 사용되는 것 같은 전자 라벨링(labeling) 기술은 또한 배터리의 전지의 정확한 형태, 전지의 정격 및/또는 잔류용량 및 최적 전류전달 능력, 전류충전레벨, 내부임피던스 등을 지정하는데 사용될 수 있어서 "스마트" 장치는 전자 라벨링을 판독하고 그 소비를 최적화하여 장치의 성능 향상, 배터리의 서비스 런타임 확장 등이 가능하다. 예를 들어, 필름속도를 결정하기 위하여 전자 라벨링을 이미 이용하는 카메라도, 특정 배터리의 서비스 런타임을 최적화하기 위하여, 그것의 배터리로 전자 라벨링 기술을 이용하여 플래시의 더 느린 충전시간을 허용하고, 플래시의 사용을 중지시키는 것 등을 가능하게 한다. 랩탑도 전자 라벨링 기술을 이용하여, 예를 들면 사용자에 의해 소망되는 기간동안 배터리에서의 잔류전하를 가장 잘 이용하기 위하여 동작속도를 변화하키거나, 파워온/파워오프 기술을 이용하여 배터리의 에너지를 보존함으로써 특정 배터리에 대한 가장 효율적인 동작 파라미터를 결정한다. 또한, 캠코더, 셀룰러 전화기 등은 역시 전자 라벨링을 이용하여 배터리의 이용을 최적화한다.

또한, 본 발명은 AAA, AA, C 또는 D 전지들 및 9볼트 배터리와 같은 표준 소비자 배터리들에 관한 것이다. 상이한 유형의 1차 또는 심지어 배충전 배터리들과 상호 교환 가능한 1차 배터리들 이외에, 표준 1차 또는 재충전 배터리들은 오직 커스텀 설계된 배터리들만이 현재 이용가능한 응용에 대해서 응용할 수 있다. 이러한 필요에 따라 예컨대, 소비자들은 그들의 랩탑 컴퓨터, 캠코더, 셀룰러 전화기 및 다른 휴대 전자 기구에 직접 장착할 수 있는 하나 이상의 1차 또는 재충전 배터리들을 구입할 수 있다. 상술한 바와 같이, 제조된 표준 배터리들의 수가 증가될수록, 유닛 당 비용이 급격히 감소하여 마침내 더 많은 구입 가능한 배터리들로 특별히 설계된 재충전 배터리들을 대체할 수 있을 것이다.

1차 배터리들 또는 상대적으로 낮은 최적의 방전 깊이를 가진 재충전 배터리들의 서비스 런타임을 증가시키기 위해, 방전 서브 제어기는 회로 제조 기술이 진보함에 따라 심지어 낮은 전압에서도 동작하도록 설계될 수 있다. 예컨대, 방전 서브 제어기는 실리콘 카바이드(“SiC”) 실시예에서의 약 0.1볼트, 갈륨 비소(“GaAs”) 실시예에서의 약 0.34볼트 및 종래의 실리콘 기초의 실시예에서의 약 0.54 볼트의 전압만큼 낮은 전압 레벨에서 동작하도록 설계될 수 있다. 또한, 인쇄 크기가 감소하면서, 이러한 최소 동작 전압도 감소할 것이다. 예컨대, 실리콘에서, 회로 인쇄를 0.18미크론으로 기술로 감소시킴에 따라 약 0.54 내지 약 0.4볼트의 최소 동작 전압을 감소시킬 것이다. 상술한 바와 같이, 방전 서브 제어기의 최소 요구 동작 전압을 낮출수록, 1차 전기화학 셀의 가장 깊은 방전을 제공하기 위해서나 낮은 최적 방전 깊이까지 재충전 전기화학 셀을 최적으로 방전시키기 위해, 방전 서브 제어기는 셀 전압을 더 낮게 조절할 수 있다. 그러므로, 전기화학 셀의 저장된 전하의 약 100%까지 배터리 이용을 증가시키기 위해 회로 제조의 상이한 발전을 활용하는 것은 본 발명 내에서 이해될 수 있는 것이다. 그러나, 본 실리콘 기초의 실시예는 배터리 저장 전위의 95% 활용을 제공하고, 이것은 제어기를 갖지 않은 1차 전기화학 셀의 평균 40~70% 활용과 비교해서 상당히 높은 것이다.

예컨대, 실리콘 기초의 바람직한 일 실시예에서, 방전 제어기는 약 1볼트, 더 바람직하게는 0.85볼트, 좀더 바람직하게는 약 0.8볼트, 더욱 바람직하게는 0.75볼트, 보다 바람직하게는 0.7볼트, 좀더 보다 바람직하게는 0.65볼트, 좀더 더욱 보다 바람직하게는 0.6볼트, 가장 바람직한 것은 약 0.54볼트로 낮은 전압에서 동작할 수 있도록 설계된다. 약 1.5볼트의 공칭 전압을 갖는 전기화학 셀용으로 설계된 서브 제어기에서, 서브 제어기는 적어도 약 1.6볼트만큼 높은 입력 전압에서 동작할 수 있는 것이 바람직하다. 좀더 바람직하게는, 방전 서브 제어기가 적어도 약 1.8볼트만큼 높은 입력 전압에서 동작할 수 있는 것이다. 그러므로, 바람직한 서브 제어기는 최소 약 0.8볼트 내지 적어도 1.6볼트의 전압 범위에서 동작할 수 있어야 한다. 그러나, 서브 제어기는 바람직하게 이러한 범위를 벗어나서도 마찬가지로 동작할 수 있다.

그러나, 약 3.0볼트의 공칭 전압을 갖는 1차 리튬 MnO₂전지와 같은 전기화학 셀로 사용하기 위해 설계된 본 발명의 방전 서브 제어기의 바람직한 일 실시예에서, 서브 제어기는 약 1.5볼트의 공칭 전압을 갖는 전기화학 셀과 연관되어 사용된 방전 서브 제어기에 요구되는 것보다 더 높은 전압 레벨에서 동작할 수 있어야 한다. 약 3.0볼트의 공칭 전압을 갖는 전기화학 셀의 경우에, 바람직하게 방전 부제어기는 약 2.4볼트 내지 약 3.2볼트의 범위에서 동작할 수 있다. 더 바람직하게는, 서브 제어기가 약 0.8볼트 내지 적어도 약 3.2볼트의 전압 범위에서 동작할 수 있다. 좀더 바람직하게는, 서브 제어기가 약 0.6볼트 내지 적어도 약 3.4볼트의 범위의 입력 전압으로 동작할 수 있다. 더더욱 바람직하게는 서브 제어기가 약 0.54볼트 내지 적어도 약 3.6볼트 범위의 입력 전압으로 동작할 수 있고 가장 바람직한 것은 약 0.45볼트 내지 적어도 약 3.8볼트의 범위이다. 그러나, 서브 제어기는 바람직하게 이러한 범위를 벗어나서도 마찬가지로 동작할 수 있다.

그러나, 약 4.0볼트의 공칭 전압을 갖는 재충전 리튬 이온 전지와 같은 전기화학 셀로 사용하기 위해 설계된 본 발명의 방전 서브 제어기의 바람직한 일 실시예에서, 서브 제어기는 약 3.0 또는 약 1.5볼트의 공칭 전압을 갖는 전기화학 셀과 연관되어 사용된 방전 서브 제어기에 요구되는 것보다 좀더 높은 전압 레벨에서 동작할 수 있어야 한다. 약 4.0볼트의 공칭 전압을 갖는 전기화학 셀의 경우에, 바람직하게 방전 서브 제어기는 약 2.0볼트 내지 약 4.0볼트의 범위에서 동작할 수 있다. 더 바람직하게는, 서브 제어기가 약 0.8볼트 내지 적어도 약 4.0볼트의 전압 범위에서 동작할 수 있다. 좀더 바람직하게는, 서브 제어기가 약 0.6볼트 내지 적어도 약 4.0볼트의 범위의 입력 전압으로 동작할 수 있다. 더더욱 바람직하게는 서브 제어기가 약 0.54볼트 내지 적어도 약 4.0볼트 범위의 입력 전압으로 동작할 수 있고 가장 바람직한 것은 약 0.45볼트 내지 적어도 약 4.0볼트의 범위이다. 그러나, 서브 제어기는 바람직하게 이러한 범위를 벗어나서도 마찬가지로 동작할 수 있다.

또다른 바람직한 실시예는 약 1.5볼트 또는 약 3.0볼트의 공칭 전압을 갖는 전기화학 셀로 동작할 수 있다. 이 실시예에서, 방전 서브 제어기는 약 0.8볼트, 바람직하게는 약 0.7볼트, 더 바람직하게는 약 0.6볼트 및 가장 바람직하게는 약 0.54볼트의 최소 입력 전압으로 동작할 수 있고, 적어도 약 3.2볼트, 바람직하게는 약 3.4볼트, 더 바람직하게는 약 3.6볼트 및 가장 바람직하게는 약 3.8볼트의 최대 입력 전압으로 동작할 수 있다. 예컨대, 방전 서브 제어기는 약 0.54 볼트 내지 약 3.4볼트 또는 약 0.54볼트 내지 약 3.8볼트 또는 약 0.7볼트 내지 약 3.8볼트 등의 범위에서 동작할 수 있다.

또한, 본 발명의 배터리는 컷오프 전압을 갖지 않는 플래시라이트 등과 같은 전기 장치들과 사용될 때 종래의 배터리들과 구별되는 잇점을 가지고 있다. 종래의 배터리로는 배터리가 방전될 때, 배터리의 출력 전압은 감소한다. 전기 장치의 출력 전력이 배터리에 의해 공급된 전압에 직접적으로 비례하기 때문에, 전기 장치의 출력은 배터리 출력 전압에 비례해서 감소한다. 예컨대, 플래시라이트 전구의 밝기는 배터리가 완전히 방전될 때까지 배터리의 출력 전압이 감소함에 따라 계속해서 희미해지게 된다. 그러나, 본 발명의 배터리는 셀 전압이 서브 제어기가 동작할 수 있는 레벨 밑으로 감소할 때까지, 배터리의 전 방전 사이클에 걸쳐 제어된, 상대적으로 일정한 전압 레벨로 조절하는 방전 서브 제어기를 갖는다. 이 때, 배터리는 다 방전되고 전기 장치는 동작을 멈추게 될 것이다. 그러나, 방전 사이클 동안에, 전기 장치는 배터리가 다 방전될 때까지 상대적으로 안정된 출력(예컨대, 전구 밝기)을 계속해서 제공할 것이다.

또한, 본 발명의 배터리의 바람직한 실시예는 사용자에게 낮은 잔여 전하 경고 기능을 포함한다. 예컨대, 방전 서브 제어기는 전기화학 셀 전압이 소정치에 도달할 때 짧은 지속 시간 동안에 간헐적으로 배터리의 출력 단자로부터 전기화학 셀(들)을 분리하고 재연결시킬 수 있다. 이는 배터리가 막 다 방전되려고 한다는 볼수 있고, 들을 수 있거나 장치 판독가능한 표시를 제공할 수 있다. 또한, 서브 제어기는 배터리의 수명 말기에서 배터리의 출력 전압을 감소시킴으로써 빨라진 배터리 방전 상태의 조건들을 인위적으로 다시 형성할 수 있다. 예컨대, 서브 제어기는 배터리 제어 용량이 그것의 정격 용량의 약 5% 에 있을 때 출력 전압의 램프 다운(ramp down)을 시작할 수 있었다. 이는 테이프 또는 컴팩트 디스크 플레이어에서의 볼륨을 감소시키는 것과 같은 표시를 사용자에게 제공하거나 그에 따라 사용자에게 경고할 수 있는 표시를 장치에 제공할 수 있었다.

도 7 은 방전 서브 제어기 (702) 의 DC/DC 컨버터 (750) 가 전기적으로 또는 바람직하게는 전자적으로 전기화학 셀 (730) 의 양 전극 (732) 및 음 전극 (734) 과 컨테이너 (712) 의 양의 터미널 (720) 및 음의 터미널 (722) 사이에 접속이 되는 본 발명의 일 실시예의 블록도를 도시하고 있다. DC/DC 컨버터 (750) 는 전기화학 셀 (730) 의 양 전극 (732) 과 음 전극 (734) 에 걸친 전지 전압을 컨테이너 (712) 의 양의 터미널 (720) 과 음의 터미널 (722) 에서의 출력 전압으로 변환시킨다. DC/DC 컨버터 (750) 는 스텝 업, 스텝 다운, 스텝 업과 스텝 다운 모두, 또는 출력 단자들 (720, 722) 에서의 전압 안정화를 제공할 수 있다. 본 실시예에서, DC/DC 컨버터 (750) 는 전기화학 셀 (730) 의 출력 전압이 배터리의 런타임에 걸쳐 컨테이너의 단자들 (720, 722) 에서의 안정한 출력 전압으로 변환되는 연속 모드에서 동작한다. 본 실시예는 출력 단자들 (720, 722) 에서 컨테이너 (712) 의 출력 전압을 안정화시킨다. 안정한 출력 전압을 공급함으로써, 전자 장치 설계자가 전자 장치의 전력 관리 회로의 복잡도를 감소시키고 따라서 장치의 크기, 무게 및 비용도 감소시킨다.

DC/DC 컨버터 (750) 는 재충전 전기화학 셀의 경우에서의 전기화학 셀의 최적 방전 깊이나 1차 전기화학 셀의 경우에서 컨버터 (750) 의 전자 성분(Vbf)의 최소 순바이어스 전압아래로 전기화학 셀 (730) 의 전지 전압이 떨어질 때까지 계속해서 동작할 것이다. 전기화학 셀의 최적 방전 깊이 또는 DC/DC 컨버터 (750) 의 최소 스위칭 전압(Vbf)이, 배터리 (710) 가 전력을 공급하는 전자 장치의 컷오프 전압보다 낮을 때까지 제어기 (740) 는 컨테이너 (712) 의 단자들 (720, 722) 에서의 출력 전압을 전자 장치의 컷오프 전압 이상으로 유지시켜 전자 장치의 컷오프 전압을 초과하여 배터리 (710) 를 방전시킴으로서 배터리 (710) 의 서비스 런타임을 또한 연장시킬 것이다.

도 7 에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 일 실시예에서, 연속 모드에서 동작하는 DC/DC 컨버터 (750) 는 전기화학 셀 (730) 의 전지 전압을 컨테이너 (712) 의 출력 전압으로 떨어뜨리는 스텝 다운 컨버터일 수 있다. 스텝 다운 컨버터를 포함하는 방전 서브 제어기 (702) 의 일 실시에에서, 컨버터는 전기화학 셀 (730) 의 제 1 유형의 전압을 대략 전기화학 셀의 제 2 유형의 공칭 전압 레벨인 컨테이너 (712) 의 출력 전압으로 떨어뜨려, 전기화학 셀 (730) 의 제 1 유형을 포함하는 배터리가 전기화학 셀의 제 2 유형을 포함하는 배터리와 상호 교환할 수 있게 한다. 예컨대, 표준 1.5볼트 전지보다 더 높은 공칭 전압을 갖는 전기화학 셀은 전기화학 셀을 화학적으로 변경시킬 필요없이 표준 전지와 상호교환할 수 있는 전지를 제공하기 위해 연속적으로 동작하는 스텝 다운 컨버터와 조합하여 사용될 수 있다. 본 실시예는 전기화학 셀들의 상이한 유형들 사이의 상호교환성으로 가능하게 되고, 그렇지 않으면 화학전지 자체의 구조를 화학적으로 변경시켜 전지의 화학 에너지 저장을 감소시키지 않고도 가능하게 된다.

예컨대, 1차 또는 재충전 리튬 전지는 같은 용적의 알카라인 배터리보다 적어도 2배 이상의 용량을 제공하기 위해 표준 AA 배터리 패키지에서 사용될 수 있다. 1차 또는 재충전 리튬 MnO₂와 같은 리튬 전지는 약 3.0볼트의 공칭 전압을 가지고 약 1.5볼트의 공칭 전압을 갖는 표준 AA 알카라인 배터리와 보통 상호 교환적으로 사용될 수 없다. 또한, 약 4.0볼트의 공칭 전압을 갖는 리튬 이온 전지는 약 1.4볼트의 공칭 전압을 갖는 표준 NiCd 배터리와 보통 상호교환적으로 사용될 수 없다. 그러나, 배터리 설계자는 예컨대 표준 AA 알카라인 배터리와 상호교환적으로 사용될 수 있는 리튬 배터리를 생성하기 위해 약 1.5볼트의 공칭 전압을 갖는 리튬 배터리를 형성하기 위해 리튬 전기화학 셀의 화학 성질을 변경시켰다. 비록, 이러한 1.5볼트 리튬 배터리는 높은 전류 레벨들을 포토그래픽 플래시 로드 회로에 공급하는 능력을 여전히 갖고 있지만, 1.5볼트 리튬 전기화학 셀은 동일한 용적의 알카라인 전지에 대해 총 화학 에너지 저장면에서 실질적인 증가를 제공하지 않는다. 그러나, 본 발명은 약 3.0 또는 약 4.0볼트의 공칭 전압을 갖고 공칭 전압을 약 3.0 또는 약 4.0볼트로 변환시키는 제어기를 갖는 표준 1차 또는 재충전 리튬 전기화학 셀을 사용할 능력을 제공한다. 그러므로, 이러한 배터리는 화학적으로 변경된 1.5볼트 리튬 전지, 1.5볼트 알카라인 전지 또는 1.5볼트 또는 1.4볼트 배터리중 어느 것과도 완전히 상호교환 가능한 배터리에서의 1.4볼트 NiCd 배터리의 화학적 에너지 저장량의 거의 2배를 제공한다. 또,본 발명의 리튬 배터리는 1.5볼트의 화학적으로 변경된 리튬 전지를 포함하는 배터리와 동일한 높은 전류 레벨을 제공한다.

또한, 방전 서브 제어기 (702) 는 배터리 (710) 를 사용하는 플래시라이트와 같은 전기 장치의 성능을 최적화하기도 한다. 비록, 최소 동작 전압에서의 전자 장치처럼 전자 장치가 완전히 방전되지는 않지만, 플래시라이트 전구의 밝기와 같은 전기 장치의 성능은 입력 전압이 감소함에 따라 감소할 것이다. 그러므로, 안정한 배터리 (710) 출력 전압은 전기 장치 성능이 전기화학 셀 (730) 의 전압이 감소함에 따라 장치 성능이 감소하지 않고 배터리의 런타임에 걸쳐 일정하게 유지되도록 한다.

DC/DC 컨버터 (750) 는 펄스폭 변조(PWM), 펄스 진폭변조(PAM), 펄스 주파수 변조(PFM) 및 펄스 위상변조(PψM)를 포함하는 펄스 변조와 같은 많은 공지된 제어 방식중 하나 이상을 이용할 수 있고, 컨버터 (750) 의 동작 파라미터를 제어하기 위해 공진 컨버터 등을 이용할 수 있다. 본 발명의 컨버터 (750) 의 바람직한 실시예는 펄스폭 변조를 이용한다. 좀더 바람직한 실시예는 펄스폭 변조와 펄스 위상 변조를 조합하여 사용하고 이에 대해서는 하기에 상세히 설명한다.

본 발명의 배터리에 사용하기 위한 DC/DC 컨버터 (750) 의 바람직한 실시예에서, 컨버터는 DC/DC 컨버터 (750) 를 구동하기 위해 펄스폭 변조에 의해 제어된다. 펄스폭 변조기는 듀티 사이클이 변하는 고정된 주파수 제어 신호를 발생시킨다. 예컨대, DC/DC 컨버터가 오프일 때, 듀티 사이클은 0일 수 있고, 컨버터가 최대로 동작할 때는 100%일 수 있으며 로드의 요구 및/또는 전기화학 셀 (730) 의 잔여 용량에 따라 0과 100% 사이를 변화하게 된다. 펄스폭 변조 방식은 듀티 사이클을 발생시키기 위해 사용되는 적어도 하나의 입력 신호를 갖는다. 일 실시예에서, 컨테이너 (712) 의 단자들 (720, 722) 에서의 출력 전압은 계속해서 샘플되고 기준 전압과 비교된다. DC/DC 컨버터의 듀티 사이클을 변경시키기 위해 에러 정정 신호가 사용된다. 이러한 경우, 컨테이너 (712) 의 단자들 (720, 722) 에서의 출력 전압으로부터의 부귀환 루프는 DC/DC 컨버터 (750) 가 안정된 출력 전압을 제공하도록 한다. 한편, DC/DC 컨버터 (750) 는 셀 전압 즉, 전기화학 셀 (730) 의 양의 전극 (732) 과 음의 전극 (734) 에 걸친 전압과 같은 복수의 입력 신호들을 이용할 수 있고, 듀티 사이클을 발생시키기 위해 출력 전류를 이용할 수 있다. 본 실시예에서, 셀 전압과 출력 전류가 모니터되고, DC/DC 컨버터 (750) 는 이러한 2가지 파라미터들의 함수인 듀티 사이클을 발생시킨다.

도 8 내지 도 11 은 본 발명의 방전 서브 제어기 회로의 또다른 실시예의 블록도를 도시하고 있다. 이러한 실시예의 각각에서, 서브 제어기는 적어도 2개의 주 성분들 즉, (1) DC/DC 컨버터와 (2) 전기적으로 또는 바람직하게는 전자적으로 전기화학 셀의 전극들과 컨테이너의 출력 단자들 사이의 DC/DC 컨버터를 연결하고 분리시켜 셀 전압을 부하를 구동시키는데 필요한 전압으로 변경시키는데 DC/DC 컨버터가 필요할 때에만 DC/DC 컨버터의 내부 손실이 초래되도록 하는 컨버터 제어기를 포함한다. 예컨대, DC/DC 컨버터는 셀 전압이 부하가 더 이상 동작할 수 없는 소정의 레벨 미만으로 떨어질 때에만 턴온될 수 있다. 한편, 전자 장치가 예컨대 배터리의 공칭 전압의 ±10%와 같은 특정 범위 내의 입력 전압을 요구할 경우, 셀 전압이 요구되는 범위를 벗어나 있을 때 컨버터 제어기는 DC/DC 컨버터를 “on”으로 턴시킬 수 있지만, 셀 전압이 요구 범위 내에 있을 때에는 컨버터를 “off”시킬 수 있다.

예컨대 도 8 에서, DC/DC 컨버터 (850) 는 전기화학 셀 (830) 의 양의 전극 (832) 및 음의 전극 (834) 과 컨테이너 (812) 의 양의 터미널 (820) 및 음의 터미널 (822) 사이에 전기적으로 접속되어 있다. 또한 컨버터 제어기 (852) 는 전기화학 셀 (830) 의 양의 전극 (832) 및 음의 전극 (834) 과 컨테이너 (812) 의 양의 터미널 (820) 및 음의 터미널 (822) 사이에 전기적으로 접속되어 있다. 이러한 예에서, 컨버터 제어기 (852) 는 화학전기 셀 (830) 을 컨테이너 (812) 의 출력 단자들 (820, 822) 에 직접 접속시키거나 전기화학 셀 (830) 과 컨테이너 (812) 의 출력 단자들 (820, 822) 사이의 DC/DC 컨버터 (850) 를 접속시키는 스위치의 역할을 한다. 컨버터 제어기 (852) 는 계속해서 출력 전압을 샘플하고 그것을 하나 이상의 내부적으로 발생된 임계 전압들에 비교한다. 예컨대, 컨테이너 (812) 의 출력 전압이 임계 전압 레벨 미만으로 떨어지거나 임계 전압의 요구 범위를 벗어나면, 컨버터 제어기 (852) 는 전기적으로, 또는 바람직하게는 전자적으로 DC/DC 컨버터 (850) 를 턴온시켜 전기화학 셀 (830) 과 컨테이터 (812) 의 출력 단자들 (820, 822) 사이에 DC/DC 컨버터 (850) 를 접속시킨다. 임계 전압은 대략 전기화학 셀 (830) 의 공칭 전압으로부터 배터리가 동작하도록 설계된 전자 장치 종류들의 대략 가장 높은 컷오프 전압 사이의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 한편, 컨버터 제어기 (852) 는 계속해서 전기화학 셀 (830) 의 셀 전압을 샘플하여 그것을 DC/DC 컨버터 (850) 의 동작을 제어하기 위해 임계 전압과 비교한다.

또한, 재충전 배터리의 경우, 셀 전압이 대략 전기화학 셀 (830) 의 최적 방전 깊이에 도달할 때, 컨버터 제어기 (852) 는 전기화학 셀 (830) 을 컨테이너 (812) 의 출력 터미널 (820, 822) 로부터 분리시키는 것이 바람직하다. 이는 각 방전 사이클이 최적화된 배터리 런타임을 갖는 최대 사이클 수명을 배터리에 제공한다. 그러므로, 배터리의 서비스 런타임은 증가될 수 있다.

도 9 의 방전 서브 제어기 (902) 는 도 8 에 도시된 방전 서브 제어기 (802) 의 성분들을 포함할 수 있지만, 또한 전기화학 셀 (930) 의 전극들 (932, 934) 사이에 전기적으로 접속된 접지 바이어스 회로 (980), DC/DC 컨버터 (950), 컨버터 제어기 (952) 및 컨테이너 (912) 의 출력 단자들 (920, 922) 을 포함할 수 있다. 접지 바이어스 회로 (980) 는 DC/DC 컨버터 (950) 와 컨테이너 (912) 의 음의 출력 단자 (922) 에 음으로 바이어스된 전압 레벨(Vnb)을 제공한다. 이는 셀 전압으로부터 셀 전압과 음으로 바이어스된 전압 레벨(Vnb)의 절대값의 합의 전압 레벨까지 DC/DC 컨버터 (950) 에 인가되는 전압을 증가시킨다. 이는 실제 셀 전압이 접지 바이어스 회로 (980) 를 구동시키는데 필요한 최소 순 바이어스 전압 이하의전압 레벨로 떨어질 때까지 컨버터 (950) 가 효율적인 전압 레벨에서 동작하도록 한다. 그러므로, 컨버터 (950) 는 컨버터 (950) 를 구동시키는 전기화학 셀 (930) 의 셀 전압으로만 할 수 있는 전기화학 셀 (930) 로부터 더 높은 전류 레벨로 좀더 효율적으로 끌어올릴 수 있다. 대략 1.5볼트의 공칭 전압을 가지는 전기화학 셀을 갖는 본 발명의 배터리 (910) 에 대한 방전 서브 제어기 (902) 의 바람직한 실시예에서, 음으로 바이어스된 전압(Vnb)은 약 0볼트와 약 1볼트 사이의 범위에 있는 것이 바람직하다. 좀더 바람직하게는 음으로 바이어스된 전압(Vnb)이 약 0.5볼트, 가장 바람직하게는 0.4볼트이다. 그러므로, 접지 바이어스 회로 (980) 는 컨버터가 좀더 깊이 전기화학 셀 (930) 을 방전시키게 하여, 셀 전압이 약 1.5볼트의 공칭 전압을 갖는 전기화학 셀에 대해 약 1볼트 미만으로 떨어질 때 전기화학 셀 (930) 로부터 전류를 추출해내는데 있어 컨버터 (950) 의 효율을 증가시키게 한다.

본 발명의 배터리 (910) 에서 접지 바이어스 회로 (980) 로 사용될 수 있는 전하 펌프 (988) 의 일 실시예가 도 9a 에 도시되어 있다. 본 실시예에서, 스위치 (S1, S3) 가 닫힐 때 S2, S4 는 열리고, 전기화학 셀 (930) 의 셀 전압이 커패시터 (Ca) 를 충전시킨다. 그 다음, 스위치 (S1, S3) 가 열릴 때 S2, S4 는 닫히고, 커패시터 (Ca) 상의 전하는 반전되고 커패시터 (Cb) 로 전달되어 셀 전압으로부터의 반전된 출력 전압을 전기화학 셀 (930) 에 공급한다. 한편, 도 9a 에 도시된 전하 펌프 (988) 는 관련 분야의 공지된 어떠한 적절한 전하 펌프로도 대체될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 접지 바이어스 회로 (980) 는 전하 펌프 회로 (986) 를 포함한다. 도 9b 에 도시된 전하 펌프 회로 (986) 는 클록 제너레이터 (987) 와 하나 이상의 펌프 (988) 를 포함한다. 예컨대, 도 9b 에 도시된 전하 펌프 회로 (986) 의 바람직한 실시예에서, 전하 펌프는 4개의 미니 펌프 (989) 와 하나의 메인 펌프 (990) 를 포함하는 2층으로 된 구성을 포함한다. 그러나 어떠한 수의 미니 펌프들 (989) 이라도 사용될 수 있다. 예컨대, 전하 펌프 회로 (986) 의 바람직한 일 실시예는 12개의 미니 펌프 (989) 와 하나의 메인 펌프를 포함한다. 본 실시예의 미니 펌프 (989) 와 메인 펌프 (990) 는 각각 동일한 주파수를 갖는 클럭 제너레이터 (987) 에 의해 발생되지만 서로 위상면에서 시프트되는 4개의 상이한 위상 제어 신호들 (991a, 991b, 991c 및 991d) 에 의해 구동된다. 예컨대, 제어 신호 (991a 내지 991d) 는 서로 위상면에서 90°시프트될 수 있다. 본 실시예에서, 각각의 미니 펌프 (989) 는 클럭 제너레이터에 의해 발생되는 제어 신호들 (991a 내지 991d) 의 반전된 출력 전압을 제공한다. 메인 펌프 (990) 는 복수의 미니 펌프들 (989) 의 출력들을 합하여 미니 픔프들 (989) 의 개별 출력 전압들과 동일한 전압 레벨이지만 12개의 모든 미니 펌프들 (989) 에 의해 제공되는 전류의 총합인 더 높은 전류 레벨에 있는 전하 펌프 회로 (986) 에 출력 신호를 제공한다. 이러한 출력 신호는 DC/DC 컨버터 (950) 와 컨테이너 (912) 의 음의 출력 단자에 가상 접지를 제공한다.

본 발명의 또다른 측면에서, 전하 펌프 회로는 또한 전하 펌프 회로 (986) 와 연계된 손실을 최소화하기 위해 소정의 전압 레벨로 셀 전압이 떨어질 때에만 전하 펌프 회로 (986) 를 턴온시키는 전하 펌프 제어기 (992) 를 포함한다. 예컨대, 전하 펌프 제어기 (922) 에 대한 소정의 전압은 대략 전기화학 셀 (930) 의 공칭 전압으로부터 배터리 (910) 이 전력을 공급하도록 설계된 전자 장치 군의 대략 가장 높은 컷오프 전압까지의 범위내에 있을 수 있다. 소정의 전압은 전자 장치의 컷오프 전압보다 더 큰 약 0.1볼트인 것이 더 바람직하고, 컷오프 전압보다 더 큰 약 0.05볼트인 것이 가장 바람직하다. 한편, 전하 펌프 회로 (986) 는 DC/DC 컨버터 (950) 를 턴온시키는 동일한 제어 신호에 의해 제어되어 컨버터 (950) 가 동작할 때에만 전하 펌프 회로 (986) 가 동작할 수 있게 되었다.

또한, DC/DC 컨버터 (950) 와 재충전 전기화학 셀을 갖는 배터리에서의 전하 펌프 회로 (986) 는 셀 전압이 약 최적의 방전 깊이까지 떨어질 때 턴오프되는 것이 바람직하다. 이는 그 셀에 대한 최대수와 전하 사이클의 효율을 고려하기 위해 재충전 전기화학 셀이 최적으로 방전되도록 한다.

또, 접지 바이어스 회로 (980) 가 턴오프될 때, 컨테이너 (912) 의 음의 출력 단자 (922) 에 인가되는 가상 접지는 전기화학 셀 (930) 의 음의 전극 (934) 의 전압 레벨로 떨어지는 것이 바람직하다. 그러므로, 접지 바이어스 회로 (980) 가 동작하지 않을 때, 배터리는 전기화학 셀 (930) 의 음의 전극 (934) 에 의해 제공되는 표준 접지 구성으로 동작한다.

한편, 접지 바이어스 회로 (980) 는 Buck-Boost 컨버터, Cuk 컨버터 또는 선형 조정기와 같은 제 2 DC/DC 컨버터를 구비할 수 있다. 또한, DC/DC 컨버터 (950) 와 접지 바이어스 회로 (980) 는 결합되어 벅-부스트(Buck-Boost) 컨버터, 푸시-풀 컨버터 또는 양의 출력 전압을 시프트 업하고 음의 바이어스를 시프트 다운시키는 플라이백(flyback) 컨버터와 같은 단일 컨버터에 의해 대체될 수 있다.

도 10 은 본 발명의 방전 서브 제어기 회로 (1002) 의 또다른 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, DC/DC 컨버터 (1050) 는 위상 시프트 센싱 회로 (1062) 와 같은 외부 소스로부터 정정 제어 신호를 수신할 수 있다. 도 7 을 참조하여 상술한 바와 같이, DC/DC 컨버터 (1050) 는 컨버터 (1050) 의 동작 파라미터들을 제어하기 위해 펄스폭 변조기와 같은 제어 방식을 이용한다. 본 실시예에서, 방전 서브 제어기 회로 (1002) 는 도 9 에 도시된 방전 서브 제어기 회로 (902) 와 동일한 성분을 포함하지만, 전극 (1032) 에서의 셀 전압의 AC 성분과 전류 센싱 저항 (Rc)에 걸쳐 측정된 전기화학 셀 (1030) 로부터 나오는 전류 사이의 순시 위상 시프트 (ψ) 를 측정하는 위상 시프트 센싱 회로 (1062) 를 더 포함한다. DC/DC 컨버터 (1050) 는 듀티 사이클을 발생시키기 위해 이러한 신호를 다른 내부 또는 외부적으로 발생된 제어 신호들과 조합하여 사용한다.

도 11 에 도시된 실시예의 방전 서브 제어기 (1102) 는 도 10에 도시된 방전 서브 제어기 (1002) 와 동일한 성분들을 포함할 수 있지만, 전류 센싱 저항 (Rc), 전기화학 셀 (1130) 의 양극 (1132) 과 음극 (1122) 에 전기적으로 접속된 비상 분리 회로 (1182) 를 포함하고 또한 컨버터 제어기 (1152) 에도 접속되어 있다. 비상 분리 회로 (1182) 는 컨버터 제어기 (1152) 에 사용자, 전기 또는 전자 장치 또는 전기화학 셀 자체를 보호하기 위해 컨테이너 (1112) 의 출력 단자들 (1120, 1122) 로부터 전기화학 셀(들) (1130) 의 분리를 요구하는 하나 이상의 안전 관련 조건들의 신호를 할 수 있다. 예컨대, 단락 회로 또는 역극성의 경우에, 비상 분리 회로 (1182) 는 컨버터 제어기 (1152) 에 컨테이너 (1112) 의 단자들 (1120, 1122) 로부터 전기화학 셀 (1030) 의 전극들 (1132, 1134) 을 분리시킬 것의 신호를 한다. 또한, 비상 분리 회로 (1182) 는 전기화학 셀 (1130) 의 전압 및/또는 내부 임피던스를 감지함으로써 컨버터 제어기 (1152) 에 전기화학 셀 (1130) 의 방전 사이클의 끝을 알리는 표시를 제공한다. 예컨대, 방전 서브 제어기 (1102) 는 전기화학 셀 (1130) 의 잔여 용량이 소정 레벨로 떨어질 때 전류를 램프 다운시킬 수 있고, 전기화학 셀 (1130) 의 잔여 용량이 소정의 값에 도달할 때 짧은 지속 시간 동안에 출력 단자들 (1120, 1122) 로부터 전기화학 셀 (1130) 의 전극들 (1132, 1134) 을 간헐적으로 분리하고 재접속시키거나 배터리가 막 다 방전되려고 하는 것을 볼 수 있고, 들을 수 있거나 기계 판독가능한 표시를 제공할 수 있다. 방전 사이클의 말기에, 비상 분리 회로는 또한 전기화학 셀 (1130) 을 컨테이너 (1112) 의 단자들 (1120, 1122) 로부터 분리시키고/또는 방전된 전기화학 셀 (1130) 이 방전된 전기화학 셀 (1130) 과 직렬로 접속된 다른 셀들의 전류를 소모시키는 것을 방지하기 위해 출력 단자들 (1120, 1122) 을 단락시키라는 신호를 컨버터 제어기 (1152) 에 전송할 수 있다.

도 12 에 도시되는 바람직한 방전 서브 제어기 (1202) 는 컨테이너 (1212) 의 양의 터미널 (1220) 로부터 양의 전극 (1232) 을 전기적으로 접속하고 분리시킬 수 있는 동기 정류기 (1274) 를 갖는 DC/DC 컨버터 (1250) 를 포함한다. 동기 정류기 (1274) 의 스위치는 전기화학 셀 (1230) 의 양극 (1232) 또는 음극 (1234) 과 컨테이너의 출력 단자 (1220, 1222) 사이의 직접적인 전기 경로에서 컨버터 제어기 (852) 와 같은 부가적인 스위치에 대한 필요성을 제거한다. 또한, 동기 정류기 (1274) 는 내부 손실들을 감소시킴으로써 DC/DC 컨버터 (1250) 의 효율을 증가시킨다. 또, 본 실시예의 컨버터 제어기 (1252) 는 DC/DC 컨버터 (1250) 의 제어를 위해 부가적인 입력 신호들을 허용한다. 예컨대, 도 12 에 도시된 실시예에서, 컨버터 제어기 (1252) 는 도 10 에 관해 이전에 설명된 위상 시프트 측정에 더하여 온도, 압력 및 수소와 산소 농도와 같은 센서를 경유하여 내부 전기화학 셀의 환경을 모니터한다.

도 7 내지 도 12 는 본 발명의 점점 더 복잡한 회로를 도시한다. 이것들은 본 발명의 제어기의 중심 소자인 DC/DC 컨버터에 더하여 방전 서브 제어기 회로에 포함될 수 있는 상이한 성분들의 정돈된 설명을 제공하기 위해 이러한 순서로 주어지고 있다.

발표의 순서는 여러개의 상이한 소자들을 결합시키는 회로들에 있어서, 나중에 소개된 소자들이 본 발명의 범위 내에 있게 하기 위해서 이전 도면들에 관하여 설명된 모든 특징들을 가져야 하는 것을 의미하는 것은 아니다. 예컨대, 비상 분리 회로, 전하 표시기 회로, 위상 센싱 회로 및/또는 접지 바이어스 회로는 컨버터 제어기 또는 이들 소자들을 도시하는 도면들에 도시된 다른 소자들 없이 도 6 내지 도 11 의 회로들과 결합하여 사용될 수 있다.

본 발명의 배터리 (1310) 에서 사용하는 집적된 제어기 회로 (1340) 의 바람직한 실시예는 DC/DC 컨버터 (1350) 와 컨버터 제어기 (1352) 를 포함하고 도 13 에 도시되어 있다. 컨버터 (1350) 는 거의 인덕터가 없고, 고주파이며, 고효율 및 대부분의 전자 장치들의 임계 전압 아래에서 동작할 수 있는 중간 전력 컨버터인 것이 바람직하다. 바람직하게, 방전 부제어기 (1302) 는 DC/DC 컨버터 (1350) 와 컨테이너 (1312) 의 출력 단자 (1322) 에 전기화학 셀 (1330) 의 음의 전극 (1334) 의 전위 미만의 전위를 갖는 가상 접지를 제공하기 위해 도 9b 에 도시된 것과 같은 전하 펌프를 포함한다. 가상 접지는 DC/DC 컨버터 (1350) 를 구동하기 위해 이용 가능한 증가된 전압차를 제공하고 컨버터 (1350) 가 컨버터를 구동하는 셀 전압만으로 할 수 있는 것보다 전기화학 셀 (1330) 로부터 더 높은 전류 레벨을 좀더 효율적으로 끌어내도록 한다.

본 실시예에서, 컨버터 제어기 (1352) 는 바람직하게 펄스폭 변조와 펄스 위상 변조 제어 방식을 이용한다. 위상 시프트 센싱 회로 (1362) 는 셀 전압과 전기화학 셀 (1330) 의 양극 (1332) 과 음극 (1334) 에서 전기화학 셀 (1330) 로부터 끌어낸 전류를 측정하고 전압과 전류 사이의 순시 및/또는 연속 위상 시프트를 측정한다. 이들 위상 시프트는 전기화학 셀 (1330) 의 내부 임피던스를 정의하고 이는 전기화학 셀 (1330) 의 전하 용량의 함수이다. 예컨대, 알카라인 배터리에서 셀 폐쇄 회로 전압 강하에 의해 결정되는 전기화학 셀 (1330) 의 약 50% 방전 후에, 증가하는 내부 임피던스는 잔여 전기화학 셀 (1330) 용량을 표시한다. 위상 시프트 센싱 회로 (1362) 는 이들 신호들을 위상 선형 제어기 (1371) 에 제공한다. 그 다음, 위상 선형 제어기 (1371) 는 위상 시프트 센싱 회로 (1362) 에 의해 감지된 전압 (Vs) 과 위상 시프트에 선형으로 비례하는 출력 전압 제어 신호 V(psi) 를 펄스폭 변조와 펄스 위상 변조 제어 방식들의 조합을 이용하는 펄스 변조기 (1376) 에 제공한다. 펄스 변조기 (1376) 는 또한, 전압 제어 신호로서 저항 (Rs) 에 걸리는 전압 강하를 수신한다.

펄스 변조기 (1376) 는 DC/DC 컨버터 (1350) 를 구동하기 위해 전압 제어 신호들을 조합하여 사용한다. 전압 (Vs) 이 소정의 임계 전압 레벨 위에 있을 때, 펄스 변조기 (1376) 는 산화금속 반도체 전계 효과 트랜지스터(“MOSFET”;M3)를 닫힌 상태로, MOSFET M4를 열린 상태로 유지시킨다. 그러므로, 전기화학 셀 (1330) 로부터 부하로의 전류 경로는 MOSFET M3를 통해 유지된다. 또, DC/DC 컨버터 (1350) 와 컨버터 제어기 (1352) 에 연관된 손실은 듀티 사이클이 0%로 효과적으로 유지되므로 최소화된다. 이 경우, 닫힌 MOSFET M3와 저항 Rs의 DC 손실은 매우 낮다. 예컨대, 저항 Rs 은 약 0.01 내지 약 0.1옴(ohm)의 범위에 있는 것이 바람직하다.

그러나, 전압 Vs가 소정의 임계 전압 레벨 미만일 때, 펄스 변조기 (1376) 는 턴온되고 전압 제어 신호들의 조합에 기초하여 DC/DC 컨버터 (1350) 의 듀티 사이클을 변조시킨다. Vs의 진폭은 듀티 사이클을 제어하는 1차 제어 신호로 동작한다. 출력 전류의 함수인 전류 감지 저항 Rs 에 걸린 전압 강하는 제 2 제어 신호로서 동작한다. 마지막으로, 셀 전압의 AC 성분들과 전기화학 셀 (1330) 로부터 나온 전류 사이의 위상 시프트에 선형적으로 비례하는, 위상 선형 제어기 (1371) 에 의해 발생된 신호 V(psi) 는 제 3 제어 신호이다. 특히, V(psi) 신호는 배터리 런타임에 걸친 내부 임피던스 변화에 응답하여 듀티 사이클을 변경시키는데 사용되고, 이는 컨버터의 효율과 배터리 런타임에 영향을 미친다. 만약, 순시 및/또는 Vs의 연속적인 진폭이 감소하거나 저항 Rs에 걸친 전압 강하가 증가하면 펄스 변조는 듀티 사이클을 증가시키고/또는 V(psi) 제어 신호의 순시 및/또는 연속 진폭은 증가한다. 각 변수의 기여도는 적절한 제어 알고리즘에 따라 등급이 매겨진다.

펄스 변조기 (1376) 가 턴온될 때, 그것의 오실레이터는 사다리꼴 또는 정방형 파 제어 펄스들을 생성하고 그것들의 듀티 사이클은 50%, 주파수는 약 40㎑ 내지 약 1㎒의 범위를 가지는 것이 바람직하며, 좀더 바람직하게는 약 40㎑ 내지 약 600㎑의 범위이고, 일반적으로 가장 바람직한 것은 약 600㎑이다. 펄스 변조기 (1376) 는 MOSFET (M3, M4) 에 대한 출력 제어 신호의 듀티 사이클을 적절한 제어 알고리즘을 이용하여 변경시킨다. 가장 일반적으로, 제어 알고리즘은 동일한 듀티 사이클을 가지나 반대 위상을 갖는 M3와 M4를 작동시킨다. MOSFET (M3, M4) 는 M3가 N채널 MOSFET이고, M4가 P채널 MOSFET인 것이 바람직한 상보적으로 높은 전력 트랜지스터인 것이 바람직하다. 사실, 완전한 DC/DC 컨버터 (1350) 의 구성은 출력에서 동기화된 정류기를 갖춘 부스트 DC/DC 컨버터이다. 또한, 컨버터 (1350) 는 비동기 쇼트키 다이오드 대신에 MOSFET M3를 이용하여 AC, DC 손실을 최소화한다. 개별 제어 신호들은 M3와 전력 MOSFET M4를 구동시킨다. M3와 M4 제어 신호들 사이의 위상 및/또는 듀티 사이클을 변경시키면, 컨테이너 (1312) 의 단자들 (1320, 1322) 에 걸린 출력 전압을 변경시킨다.

펄스 변조기 (1376) 는, 전압 Vs, 저항 Rs에 걸린 전압 강하 또는 전기화학 셀 (1330) 의 내부 임피던스와 같은 하나 이상의 전압 제어 신호들에 기초하여 MOSFET (M3, M4) 을 제어할 수 있다. 만약, 예컨대 부하 전류 소모가 적으면, 펄스 변조기 (1376) 는 DC/DC 컨버터 (1350) 의 듀티 사이클을 거의 0%에 가깝게 발생시킨다. 그러나, 만약 부하 전류 소모가 많으면, 펄스 변조기 (1376) 는 DC/DC 컨버터 (1350) 의 듀티 사이클을 거의 100%에 가깝게 발생시킨다. 부하 전류 소모가 이들 2개의 종점 사이에서 변화하므로, 부하에 의해 요구되는 전류를 공급하기 위해 펄스 변조기 (1376) 는 DC/DC 컨버터의 듀티 사이클을 변화시킨다.

도 14 는 본 발명의 제어기를 갖지 않는 배터리 (B1), 컨버터가 연속 모드에서 동작하는 방전 서브 제어기를 갖는 본 발명의 배터리 (B2) 및 배터리가 설계되는 전형적인 전자 장치에 대한 배터리의 컷오프 전압 이상으로 컨버터가 턴온하는 방전 서브 제어기를 갖는 본 발명의 배터리 (B3) 에 대한 방전 곡선들의 예를 비교하고 있다. 도 14 에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제어기를 갖지 않는 배터리 (B1) 는 시각 t1 에서 컷오프 전압 Vc 를 갖는 전자 장치를 구현할 수 없다. 그러나, 배터리 (B2) 의 방전 서브 제어기는 배터리의 런타임 내내 배터리의 출력 전압을 전압 레벨 V2 로 계속해서 승압시킨다. 배터리 (B2) 의 전기화학 셀의 셀 전압이 방전 서브 제어기의 최소 동작 전압인 전압 레벨 Vd 로 떨어질 때, 배터리 (B2) 의 서브 제어기는 동작을 멈추고 시각 t2 에서, 0으로 배터리 출력 전압이 떨어져 배터리 B2 의 유효 런타임을 끝낸다. 도 14 의 그래프에 도시된 바와 같이, 연속 모드에서 컨버터가 동작하는 서브 제어기를 갖는 배터리 B2 의 유효 런타임 연장은 t2-t1이다.

그러나, 배터리 B3 의 제어기는 전기화학 셀의 셀 전압이 소정의 전압 레벨 Vp3 에 도달할 때까지 배터리의 출력 전압을 승압시키는 것을 시작하지 않는다. 소정의 전압 레벨 Vp3 는 전기화학 셀의 공칭 전압 레벨과 배터리가 전력을 공급하고자 하는 전자 장치들 부류중 가장 높은 컷오프 전압 사이의 범위에 있는 것이 바람직하다. 더 바람직한 것은, 소정의 전압 레벨 Vp3 가 배터리가 전력을 공급하고자 하는 전자 장치들의 부류중 가장 높은 컷오프 전압 Vc 보다 큰 약 0.2볼트인 것이다. 좀더 바람직한 것은 소정의 전압 레벨 Vp3 가 배터리가 전력을 공급하고자 하는 전자 장치들의 부류중 가장 높은 컷오프 전압 Vc 보다 큰 약 0.15볼트인 것이다. 더더욱 바람직한 것은, 소정의 전압 레벨 Vp3 가 배터리가 전력을 공급하고자 하는 전자 장치들의 부류중 가장 높은 컷오프 전압 Vc 보다 큰 약 0.1볼트인 것이고, 가장 바람직한 것은 Vc보다 큰 약 0.05볼트이다. 셀 전압이 소정의 전압 레벨 Vp3에 도달할 때, 배터리 B3 의 컨버터는 승압을 시작하거나 출력 전압을 Vc+ΔV의 레벨로 고정시킨다. 전압 레벨 ΔV는 도 14 에 표시되어 있고 배터리 B3 의 승압된 출력 전압과 컷오프 전압 Vc 사이의 전압차를 나타낸다. 전압 레벨 ΔV는 약 0볼트 내지 약 0.4볼트 사이의 범위에 있는 것이 바람직하고, 약 0.2볼트인 것이 더 바람직하다. 그 다음, 배터리 B3 는 전기화학 셀의 셀 전압이 컨버터의 최소 동작 전압인, 전압 레벨 Vd로 떨어질 때까지 출력을 계속해서 제공하여 배터리 B3 의 제어기가 동작을 멈추게 된다. 이 때, 배터리 출력 전압은 시각 t3 에서, 0으로 떨어져서 배터리 B3 의 유효 런타임을 끝낸다. 도 14 의 그래프에 도시된 바와 같이, 본 발명의 컨버터를 갖지 않는 배터리 B1 에 대한 배터리 B3 의 유효 런타임 연장은 t3-t1이다.

또한, 도 14 는 배터리 B3 가 그것들이 동일한 전자 장치에 접속되어 있을 때, 배터리 B2 보다 오래가는 것을 보여준다. 배터리 B2 의 컨버터가 계속해서 동작하기 때문에, 컨버터의 내부 손실은 배터리 B2 의 전기화학 셀의 에너지 용량의 일부를 소모하여, 배터리 B2 의 셀 전압은 제어기가 방전 사이클의 일부에서만 동작하는 배터리 B3 에 비해 더 짧은 시간에 컨버터 Vd 의 최소 동작 전압에 도달할 것이다. 그러므로, 배터리 B3 의 소정 전압 Vp3 을 전력이 공급되는 전자 장치의 컷오프 전압에 가깝게 최적으로 선택함으로써, 전기화학 셀을 가장 효과적으로 사용할 수 있게 하고 더 큰 배터리 런타임 연장을 가져온다. 그러므로, 배터리 B3 의 소정 전압은 전력이 공급되는 전자 또는 전기 장치의 컷오프 전압과 같거나 또는 약간 큰 것이 바람직하다. 예컨대, 소정의 전압 Vp3 은 컷오프 전압보다 약 0.2볼트 큰 것이 바람직할 수 있다. 더 바람직하게는, 소정 전압 Vp3 은 컷오프 전압보다 약 0.15볼트 더 큰 것이 바람직할 수 있다. 좀더 바랍직하게는, 소정 전압 Vp3 가 컷오프 전압보다 약 0.1볼트 더 큰 것이고, 컷오프 전압보다 약 0.05볼트 더 큰 것이 가장 바람직하다.

그러나, 만약 배터리가 다양한 전자 장치들에 사용되는 유니버설 배터리로 설계되면, 소정 전압 Vp3 는 전자 장치들의 그룹중 가장 높은 컷오프 전압과 같거나 약간 더 크게 되도록 설택되는 것이 바람직하다. 예컨대, 소정 전압 Vp3 는전자 장치들의 그룹중 가장 높은 컷오프 전압보다 약 0.2볼트 더 큰 것이 바람직할 수 있다. 더 바람직하게는, 소정 전압 Vp3 가 전자 장치들의 그룹중 가장 높은 컷오프 전압보다 약 0.15볼트 더 큰 것이다. 좀더 바람직한 것은, 소정 전압 Vp3 가 전자 장치들의 그룹중 가장 높은 컷오프 전압보다 약 0.1볼트 더 큰 것이고, 전자 장치들의 그룹중 가장 높은 컷오프 전압보다 약 0.05볼트 더 큰 것이 가장 바람직하다.

또한, 도 14 의 그래프는 컨버터 Vd 의 최소 동작 전압이 낮아질수록, 런타임 연장이 본 발명의 제어기를 갖지 않는 배터리 B1 에 비해 더 커진다는 것을 보여준다. 또한, 전자 장치의 컷오프 전압 Vc 와 컨버터의 최소 동작 전압 Vd 사이의 차가 클수록, 본 발명의 제어기는 전기화학 셀의 셀 전압을 승압시킴으로 인해 더 큰 배터리의 런타임 연장을 제공할 것이다.

또, 도 14 는 장치 컷오프가 1차 또는 재충전 전기화학 셀의 방전 인자를 제한하지 않는다는 것을 보여준다. 제어기가 장치의 컷오프 전압 이상으로 배터리의 출력 전압을 유지시킬 수 있는 한, 배터리의 전기화학 셀(들) 은 계속해서 방전할 수 있다. 1차 전지에서, 이는 셀(들)이 컨버터의 최소 동작 전압에 따라 가능한 완전히 방전되게 한다. 그러나, 재충전 배터리에서 본 발명은 컨버터가 재충전 전기화학 셀의 최적 방전 깊이 이하인 셀 전압에서 동작할 수 있는 한, 장치의 컷오프 전압과 무관하게 재충전 배터리의 서비스 런타임을 증가시키는 최적 방전을 허용한다.

전력 제어기를 가진 AA 알칼라인 배터리와 그렇지 않은 AA 알칼라인 배터리의 방전예(저항성 매체 부하, R=12ohms)

	제어기를 가진 배터리	배터리
시간(시)	폐회로 전압(V)	소비된 전력(mAh)	용량 백분율(%)	폐회로 전압(V)	소비된 전력(mAh)	용량 백분율(%)
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

표 2 는 컨버터가 연속 모드에서 동작하고 약 1.6볼트의 출력 전압으로 셀 전압을 승압시키는 내장 방전 서브 제어기를 갖는 본 발명의 AA 알카라인 배터리에 대한 방전 데이터와 본 발명의 제어기를 갖지 않는 전형적인 AA 알카라인 배터리를 비교한다. 이 표에서, 데이터는 출력 전압, 소모된 전력 및 배터리가 약 12옴의 중간 저항 부하에 접속될 때, 배터리의 런타임에 걸쳐 평균 약 125㎃가 나오는 매 시간마다의 잔여 용량(총 용량=2400㎃h)의 백분율을 보여준다. 표에 나타난 바와 같이, 컨버터를 가진 배터리의 출력 전압은 배터리의 런타임 동안에 1.6볼트로 일정하게 유지되는 반면, 제어기를 갖지 않는 배터리의 출력 전압은 그것의 런타임에 걸쳐 배터리의 공칭 전압으로부터 감소한다.

표 2 는 또한, 제어기를 갖지 않는 AA 배터리에 비해 내장 제어기를 갖는 본 발명의 배터리가 제공하는 2가지 구별되는 잇점을 보여준다. 첫번째는 약 1볼트의 컷오프 전압을 갖는 장치에 대해서 내장 방전 서브 제어기를 갖는 배터리는 약 10시간의 런타임을 갖는데 비해, 제어기를 갖지 않는 배터리는 출력 전압이 1볼트 아래로 떨어질 때, 최대 약 8시간 후에 장치에서의 동작을 멈추게 될 것이다. 그러므로, 이 예에서 방전 서브 제어기는 제어기를 갖지 않는 배터리에 비해 약 25% 런타임 연장을 제공한다. 두번째는 부하에 전달되는 전력과 장치가 셧 다운되기 전에 이용되는 배터리의 정격 용량의 백분율은 내장 방전 서브 제어기를 갖는 본 발명의 배터리에 있어서 훨씬 더 크다는 점이다. 일정한 전류 드레인 조건하에서, 본 발명의 제어기를 갖지 않는 배터리는 이 배터리의 전압이 감소함에 따라, 전류를 공급하는 셀의 능력이 비례해서 감소하기 때문에, 전자 장치가 셧 다운되기 전에, 훨씬 더 짧은 지속 시간을 갖게 될 것이다. 이는 내장 방전 서브 제어기를 갖는 배터리에 비해, 훨씬 더 큰 잇점을 낳는다.

그러나, 만약 장치가 약 1.1볼트의 컷오프 전압을 갖는다면, 표 2 는 방전 서브 제어기를 갖는 본 발명의 AA 배터리는 제어기를 갖지 않는 AA 배터리에 비해 훨씬 더 유리하게 동작한다는 것을 보여준다. 내장 방전 서브 제어기를 갖는 배터리는 약 10시간의 런타임을 여전히 가지는 반면에, 제어기를 갖지 않는 배터리는 출력 전압이 1.1볼트 아래로 떨어질 때 최대 약 6시간 후에 장치에서의 동작을 멈추게 될 것이다. 그러므로, 이 예에서, 방전 서브 제어기는 제어기를 갖지 않는 배터리에 비해 약 67%의 런타임 연장을 제공한다. 또한, 부하에 전달되는 전력과 장치가 셧다운되기 전에 이용되는 배터리의 정격 용량의 백분율 사이의 차이는 이전 예에서의 경우보다 훨씬 더 크다. 재차, 일정한 전류 드레인 조건 하에서, 본 발명의 제어기를 갖지 않는 배터리는 이 배터리의 출력 전압이 감소함에 따라, 전류를 공급하는 셀의 능력이 비례해서 감소하기 때문에, 전자 장치가 셧다운하기 전에 훨씬 더 짧은 지속 시간을 가질 수 있다. 이는 내장 방전 서브 제어기를 갖는 배터리에 비해 훨씬 더 큰 잇점을 갖게 한다.

충전 서브 제어기

또, 충전 서브 제어기는 본 발명의 재충전 배터리의 사이클 수명을 연장시킬 수 있다. 서브 제어기는 각 개별 전기화학 셀에 대해 전하 시퀀스를 개별적으로 제어함으로써 배터리의 사이클 수명을 연장시킬 수 있다. 그러므로, 충전 서브 제어기는 각 충전 및 방전 사이클의 수와 효율을 극대화하기 위해 특정 셀로부터의 실제 귀환에 기초한 각 셀의 충전을 최적화시킬 수 있다. 예컨대, 충전 서브 제어기는 셀 전압과/또는 각 셀의 내부 임피던스를 직접 모니터함으로써 각 셀의 충전을 제어할 수 있다. 이는 서브 제어기가 복수의 단일 셀 배터리들 또는 하나 이상의 복수의 셀 배터리들중 각 개별 전기화학 셀의 충전 사이클을 제어하도록 허용한다.

또한, 충전 서브 제어기는 방전 사이클의 “오프타임(off-time)”동안 즉, 전기화학 셀이 방전 모드에 있지 않을 때, 전기화학 셀(들)을 충전시킴으로써 깊이 방전되지 않는 것이 바람직한 납산 배터리와 같은 재충전 배터리의 런타임을 연장시킬 수 있다. 예컨대, 제어기는 충전 서브 제어기가 이들 셀(들)에 대한 방전 의 “오프타임”동안 어떠한 하나 이상의 개별 셀(들)을 충전시키도록 허용할 수 있다. 만약 “오프타임”이 방전의 “온타임(on-time)”즉, 특정 전기화학 세이 활발하게 방전될 때에 대하여 충분히 길다면, 충전 서브 제어기는 셀을 적어도 거의 완전 충전 조건에 가깝게 유지시킬 수 있다. 만약 듀티 사이클이 충분히 높고, 충전 서브 제어기가 전기화학 셀의 전하를 소정의 전압 레벨 이상, 또는 그러한 유형이나 특정 전기화학 셀의 최대 요구 방전 깊이에 해당하는 특정 임피던스 레벨 이하로 유지시킬 수 없는 충분한 지속 시간에 걸쳐 동작한다면, 방전 서브 제어기는 재충전 전기화학 셀(들)이 요구되는 최대 방전 깊이에 도달할 때 배터리의 방전 사이클을 끝낼 수 있다. 또한, 충전 서브 제어기는 이 명세서에 기술된 충전 사이클의 끝을 결정하는 어떠한 다른 방법에 의해서나 관련 분야에 공지된 어떠한 다른 방법들에 의해서 셀 전압이 셀의 공칭 전압과 같은 특정 소정 전압 레벨 이하에 있을 때, 오직 셀을 충전킴으로써만 과충전을 방지할 수 있다. 그러므로, 제어기는 셀이 방전 사이클 동안에 최적 방전 깊이 이상으로 방전되는 것을 허용하지 않고 충전 사이클 동안에 충전 시퀀스를 최적화함으로써 재충전 전기화학 셀들의 서비스 런타임을 최적화할 수 있다.

충전 사이클에 대해서 교류 전력을 공급하는 것은 장치의 전력 코드와 같은 외부 공급이나 장치에서의 또다른 전기화학 셀이나 하이브리드 배터리에서의 재충전 전기화학 셀로 패키지화된 내부 공급을 포함할 수 있다. 예컨대, 1차 전지는 장치에서 또는 하이브리드 배터리에서의 재충전 전기화학 셀과 함께 패키지화될 수 있다. 고 에너지 밀도를 갖지만 상대적으로 낮은 전류 레벨들만을 제공할 수 있는 아연-공기 셀과 같은 금속-공기 셀은 재충전 전기화학 셀을 충전시키는데 사용될 수 있는 교류 전력 공급을 제공하는 특별한 잇점이 있다. 한편, 연료 전지와 같은 교류 전력 공급은 재충전 전기화학 셀용 충전 소스를 제공하는 하이브리드 배터리에 포함될 수 있다.

또한, 충전 서브 제어기는 접촉된 충전 시스템이나 본 발명의 배터리를 충전시키는 접촉이 없는 고립된 충전 시스템의 사용을 허용한다.

또, 본 발명의 배터리의 바람직한 실시예는 사용자에게로의 완전 충전 표시를 포함할 수 있다. 예컨대, 충전 서브 제어기는 배터리가 완전히 충전되었음을 사용자에게 알리는 가시 또는 가청 표시를 제공할 수 있다. 또한, 서브 제어기는 충전기 시스템 또는 장치 판독 가능 표시를 제공하여 그에 따라 충전기 시스템 또는 장치가 사용자에게 경고할 수 있도록 할 수 있다.

도 15 는 충전 서브 제어기 회로 (1504) 를 포함하는 본 발명의 배터리의 블록도를 도시한다. 충전 서브 제어기 회로 (1504) 는 배터리 (1510) 에 집적되는 것이 바람직하고 재충전 전기화학 셀 (1530) 의 충전 사이클을 최적화시키기 위해 외부 충전 또는 회로로부터 들어오는 전력 신호를 안전하고 효율적으로 제어하는 책임을 진다. 충전 서브 제어기 회로 (1504) 는 센싱 회로 (105) 와/또는 그것 자체의 내부 감지 회로로부터의 귀환으로부터 수신된 입력 제어 신호들에 기초하여 외부 충전 소스로부터 들어오는 전력 신호를 제어한다. 예컨대, 충전 서브 제어기 회로 (1504) 는 전기화학 셀 (1530) 의 내부 임피던스를 정의하는 전압 제어 신호 V(psi) 를 사용할 수 있었다. 이 제어 신호는 위상 선형 제어기 (1571) 에 의해 발생되고 도 13 에 대해서 설명된다. 또한, 충전 서브 제어기는 셀 전압 또는 충전 전류 또는 2개 이상의 내부 임피던스, 셀 전압 및 충전 전류의 조합에 의해 전기화학 셀 (1530) 의 충전를 제어할 수 있다. 또한, 수소 농도, 산소 농도, 온도 및/또는 압력과 같은 배터리 (1510) 의 컨테이너 (1512) 내에서 측정된 물리적인 조건들이 전기화학 셀 (1530) 을 최적으로 충전시키기 위해 충전 서브 제어기에 의해 사용될 수 있다.

단자 (1520, 1522) 에서의 전압이 전기화학 셀 (1530) 의 셀 전압보다 더 높으면, 방전 서브 제어기 (1502) 의 펄스 변조기 (1576) 는 N채널 MOSFET (M3)를 닫고 P채널 MOSFET (M4)를 연다. MOSFET (M3)는 전기화학 셀 (1530) 을 충전시키기 위해 단자 (1520, 1522) 로부터의 전류 경로를 형성하고 MOSFET (M4)는 단자 (1520, 1522) 사이의 회로 단락을 방지한다. 또한, 펄스 변조기 (1576) 는 전압 제어 신호를 접지 바이어스 회로 (1580) 의 클럭 제너레이터 (1587) 에 보냄으로서 접지 바이어스 회로 (1580) 를 턴오프시킬 수 있다. 예컨대, 도 9a의 전하 펌프 예에서 클럭 제너레이터 (987) 는 스위치 (S1, S2) 를 열고, 스위치 (S3, S4) 를 닫아서 가상 접지 출력을 전기화학 셀 (930) 의 음의 전극 (934) 전위로 떨어지게 한다. 또한, 만약 접지 바이어스 회로 (1580) 가 도 9b 의 전하 펌프 제어기 (992) 에 대해 설명된 것처럼 동작하는 전하 펌프 제어기 (1592) 와 같은 내부 제어기를 포함한다면, 내부 제어기는 단자들 (1520, 1522) 의 전압을 전기화학 셀 (1530) 의 셀 전압과 직접 비교하고 만약, 단자들 (1520, 1522) 에 걸린 전압이 클럭 제너레이터 (1587) 를 직접 제어하여 전기화학 셀 (1530) 의 셀 전압보다 더 크다면 접지 바이어스 회로 (1580) 를 셧오프시킨다. 이는 가상 접지 출력을 전지화학 전지 (1530) 의 음의 전극 (1534) 전위로 떨어뜨릴 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 충전 서브 제어기 회로 (1504) 는 진폭, 주파수, 하강 및 상승 엣지 등을 포함하는 가장 유용한 AC 신호 요소들을 결정하기 위해 내부 임피던스 정보를 사용한다. 그러므로, 서브 제어기는 전기화학 셀의 내부 충전 동적 및 정적 손실을 최소화하고 특별한 전기화학 셀에 대해서 가능한 가장 빠른 충전율에 대한 제어를 제공한다. 또한, 수소 및 산소 농도, 온도, 압력 등과 같은 물리적 조건 센서들은 충전 조건들을 더욱 최적화하는 능력을 제공할 수 있다.

충전 서브 제어기 회로 (1504) 가 완전히 충전된 전기화학 셀을 결정할 때, 충전 서브 제어기는 N채널 MOSFET (M3)을 연다. 이는 전기화학 셀 (1530) 을 컨테이너 (1512) 의 단자들 (1520, 1522) 로부터 분리시켜 외부 충전 소스나 회로로부터 분리시킨다.

전기화학 셀 (1530) 의 충전을 제어하기 위해 내부 임피던스를 이용함으로써, 전기화학 셀 (1530) 의 순수 이온 및 전자-임피던스 조건들에 기초한 충전 최적화를 이룩할 수 있게 한다. 각 컨테이너 (1512) 에서 충전 서브 제어기 (1504) 를 설치하여 서브 제어기들이 개별적으로 각 셀의 충전을 제어하기 때문에, 복수의 단일 셀 배터리들 또는 복수의 셀 배터리의 개별 전기화학 셀 (1530) 의 더 많은 제어를 제공한다. 전지 (1530) 는 다른 전기화학 셀들 (1530) 과 직렬/또는 병렬 구성으로 충전될 수 있다. 만약 셀들이 직렬로 충전되면, 충전 서브 제어기 (1504) 는 단자들 사이에 높은 임피던스 경로를 포함할 수 있어, 전기화학 셀 (1530) 이 완전히 충전될 때 서브 제어기 (1504) 는 충전 전류를 셀 (1530) 과 직렬로 접속된 다른 셀들로 분기시킬 수 있다. 그러나, 만약 셀들이 병렬로 접속되면 충전 서브 제어기 (1504) 는 충전 전류로부터 전기화학 셀 (1504) 을 분리시킬 수 있다. 복수의 셀 배터리의 각 전기화학 셀 (1504) 에 제어기를 설치하여 각 셀이 동일한 충전 전류로 충전되게 하고, 이것은 이러한 셀의 전기화학성에 무관하게 셀을 최적으로 충전시키기 위해 각 셀에서의 개별 제어기들에 의해 제어된다. 또한, 이러한 충전 서브 제어기는 셀들이 상이한 공칭 전압들을 갖고 있을지라도 하이브리드 배터리의 복수의 셀들을 충전시킬 수 있다.

도 16 은 도 15 에 도시된 본 발명의 배터리에 사용될 수 있는 충전 서브 제어기 회로 (1504) 구성의 일 실시예를 도시하고 있다. 본 실시예에서, 충전 서브 제어기 (1604) 는 유니버설 충전기 회로 (1677), 버스트 회로 (1678) 및 충전 제어 상태 머신 (1679) 를 포함한다. 충전 제어 상태 머신 (1679) 은 시험 전류 (Is) 와 전기화학 셀 (1530) 의 전극들 (1532, 1534) 에서의 시험 전압 (Vs) 을 형성하기 위해 버스트 회로 (1678) 를 사용한다. 도 13 을 참조하여 설명한 바와 같이, 위상 선형 제어기 (1571) 는 시험 전류 (Is) 와 시험 전압 (Vs) 사이의 위상 시프트를 감지한다. 바람직하게 버스트 회로 (1678) 는 버스트 구동기 (1668) 와 n채널 MOSFET (M1)을 포함한다. 버스트 구동기 (1668) 는 고주파 제어 펄스 신호를 형성하고 이것이 MOSFET (M1)을 구동시킨다. 시험 전류 (Is) 는 MOSFET M1을 통해 흐르고, 위상 선형 제어기 (1571) 는 시험 전류 (Is) 와 시험 전압 (Vs) 사이의 위상 시프트 각(ψ)을 감지한다. 위상 선형 제어기 (1571) 는 셀 전압의 AC 성분과 전기화학 셀 (1530) 로부터 충전 제어 상태 머신 (1679) 으로 공급되는 전류 사이의 위상 시프트에 선형적으로 비례하는 전압 제어 신호 V(psi)를 출력한다. 충전 제어 상태 머신 (1694) 은 위상 선형 제어기 (1571) 로부터의 이러한 제어 신호를 이용하여 AC 신호 특성을 제어한다. 전기화학 셀 (1530) 이 완전히 충전될 때, 펄스 변조기 (1576) 는 MOSFET (M3)을 분리시키고 번갈아 전기화학 셀 (1530) 을 컨테이너 (1512) 의 단자들 (1520, 1522) 로부터 분리시킨다.

도 17 은 도 15 에 도시된 전하 서브 제어기의 또다른 실시예를 도시하고 있으며, 이것은 외부 충전기 회로와 본 발명의 배터리 (1510) 사이의 어떠한 기계적인 접촉없이 전기화학 셀 (1530) 의 고립 충전을 허용한다. 본 실시예에서, 충전 서브 제어기 회로 (1704) 는 전기화학 셀 (1530) 을 충전시키기 위해 변압기의 2차 코일 역할을 하는 코일을 포함한다. 외부 충전 소스는 공기를 통해 충전 서브 제어기 회로 (1704) 의 2차 코일에 무선 연결로 결합될 수 있는 변압기의 1차 코일을 포함한다. 예컨대, 본 발명의 배터리는 배터리 (1510) 의 라벨 상에 인쇄된 와이어 코일을 구비하거나 충전 변압기의 2차 코일을 형성하기 위해, 컨테이너 또는 배터리 내에 포함될 수 있다. 본 실시예의 충전 회로는 약 20㎑ 내지 100㎑ 사이 범위의 주파수에서 동작하는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 약 40㎑ 내지 60㎑ 사이의 범위에 있는 것이며, 약 50㎑인 것이 가장 바람직하다. 외부 충전 소스로부터의 신호는 외부 충전 소스의 1차 코일을 경유하여 충전 서브 제어기 회로 (1704) 의 2차 코일 (1798) 에 전압을 가한다. 충전 제어 상태 머신 (1794) 은 재충전 전기화학 셀 (1530) 의 충전 사이클을 최적화하기 위해 유니버설 충전 회로 (1777) 를 제어한다. 만약 외부 충전기 회로가 약 50㎑의 주파수에서 동작하면, 변압기는 본 발명의 배터리로부터 약 1 내지 약 3 인치의 전기화학 셀의 충전을 허용하는 충분한 범위를 가지게 되고 따라서, 전기 또는 전자 장치로부터 배터리를 제거하지 않고 전기화학 셀의 충전을 허용할 것이다. 이는 장치로부터 제거되어져야만 하는 배터리들과는 구별되는 이득을 제공할 수 있다. 예컨대, 심박조율기와 같은 외과용의 이식 장치의 배터리는, 환자로부터 배터리를 수술하여 제거하지 않고 충전될 수 있다.

비상 분리 서브 제어기

또한, 제어기는 하나 이상의 안전 관련 조건들이 감지되는 경우에 배터리의 컨테이너의 단자들로부터 전기화학 셀을 분리시키는 비상 분리 기능을 수행할 수 있다. 제어기는 단락, 역극성, 과충전, 과방전, 고온, 압력 또는 수소 농도와 같은 불안전 조건들을 감지하는 독립적인 비상 분리 서브 제어기를 포함하여 배터리의 단자들로부터 전기화학 셀을 전기적으로 분리시킬 수 있다. 또한, 비상 분리 기능들은 방전 서브 제어기와/또는 충전 서브 제어기의 회로에 의해 수행될 수 있고, 이러한 제어기는 전기화학 셀을 배터리의 단자들로부터 분리시키기 위한 방전 서브 제어기와/또는 충전 서브 제어기에 신호를 하는 개별 센싱 회로를 포함할 수 있다.

Claims

(a) 양의 터미널 및 음의 터미널을 갖는 컨테이너;

(b) 상기 셀이 양의 전극, 음의 전극, 상기 셀의 양의 전극과 음의 전극에 걸쳐 측정된 셀 전압 및 공칭 전압을 가지며 상기 컨테이너 내에 배치된 재충전 전기화학 셀; 및

(c) 상기 컨테이너의 상기 양의 터미널과 상기 음의 터미널에 걸쳐 측정된 출력 전압을 형성하기 위해, 상기 셀의 상기 전극들과 상기 컨테이너의 상기 터미널들 사이에 전기적으로 접속된 제어기를 구비하며, 상기 제어기는 상기 셀의 상기 전극들과 상기 컨테이너의 상기 터미널들을 전기적으로 분리 즉, 바람직하게는 상기 방전 사이클 동안에 소정의 전압 레벨로 상기 셀 전압이 떨어질 때 상기 터미널들로부터 상기 전극들의 분리시킴으로써 상기 셀의 방전 사이클을 종료시키도록 사용되고, 상기 제어기가 상기 셀이 상기 셀 용량의 100%까지 충전되는지를 결정할 때 바람직하게는 외부 충전 회로의 충전 전류로부터 상기 셀의 상기 전극들을 전기적으로 분리시킴으로써 충전 사이클 동안에 상기 셀을 충전시키기 위한 외부 충전 회로의 충전 전류를 제어하도록 사용되며, 상기 제어기는 바람직하게 배터리의 방전 사이클 동안에 상기 출력 전압으로 상기 셀 전압을 변환시키고 충전 사이클 동안에 외부 충전지의 충전 전류를 셀 충전 전류로 변환시키도록 사용된 컨버터를 구비하고, 보다 바람직한 것은 상기 제어기가 양방향 컨버터를 포함하고, 상기 양방향 컨버터는 상기 방전 사이클 동안에 상기 셀 전압을 상기 출력 전압으로 변환시키고, 상기 충전 사이클 동안에는 외부 충전기의 충전 전류를 상기 셀 충전 전류로 변환시키도록 상기 제어기에 의해 제어되며,

상기 재충전 배터리는 단일 셀 배터리, 유니버설 단일 셀 배터리, 복수의 셀 배터리 및 복수의 셀 하이브리드 배터리로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 컷오프 전압 및 충전 전류를 공급하는 외부 충전기를 포함하는 장치를 가지고 사용할 수 있는 재충전 배터리.
제 1 항에 있어서,

상기 재충전 배터리는 상기 장치와 직렬로 정수개의 배터리중 하나로서 전기적으로 접속되도록 사용되고, 상기 출력 전압은 배터리의 상기 정수로 나누어진 장치의 컷오프 전압이거나 또는 그 이상이며, 및/또는 복수의 셀 배터리이고, 상기 배터리는 양의 출력 단자와 음의 출력 단자를 더 구비하며; 상기 컨테이너, 상기 셀 및 상기 제어기는 제 1 셀 유닛을 형성하며; 상기 제 1 셀 유닛은 상기 양의 출력 단자와 상기 음의 출력 단자 사이에 직렬로 전기적으로 접속된 정수개의 셀 유닛중 하나이며, 상기 출력 전압은 상기 정수개의 셀 유닛으로 나누어진 장치의 컷오프 전압 이상인 것을 특징으로 하는 재충전 배터리.
제 1 또는 제 2 항에 있어서,

상기 셀은 내부 임피던스를 더 구비하며, 상기 제어기는 상기 방전 사이클 동안에 상기 내부 임피던스에 의해 표시된 것처럼 소정의 방전 깊이까지 상기 셀이 방전될 때 상기 컨테이너의 상기 단자들로부터 상기 셀의 상기 전극들을 전기적으로 분리시키도록 사용되는 것을 특징으로 하는 재충전 배터리.
제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 컨테이너의 상기 단자들로부터 외부 충전기의 충전 전류를 받도록 사용되거나, 혹은 상기 제어기는 상기 충전 사이클 동안에 외부 충전기에 전자기적으로 결합되도록 사용되는 코일 소자를 포함하며, 상기 제어기는 상기 코일 소자로부터 외부 충전기의 충전 전류를 받도록 사용되는 것을 특징으로 하는 재충전 배터리.
제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 제어기는 상기 셀 전압, 상기 셀의 내부 임피던스, 상기 셀에서의 수소 가스 농도, 상기 셀의 온도 및 상기 셀에서의 가스 압력으로부터 선택된 그룹의 하나 이상의 조건들을 이용하여 셀 충전 레벨을 결정하는 것을 특징으로 하는 재충전 배터리.
(a) 1차 코일을 구비하며, 충전 전류를 공급하는 외부 충전기와,

(b) 재충전 배터리를 구비하며, 상기 재충전 배터리는

(ⅰ) 양의 터미널 및 음의 터미널을 갖는 컨테이너;

(ⅱ) 상기 컨테이너에 배치된 재충전 전기화학 셀로서, 상기 셀은 상기 컨테이너의 상기 양의 단자에 전기적으로 접속된 양의 전극, 상기 컨테이너의 상기 음의 단자에 전기적으로 접속된 음의 전극, 상기 셀의 상기 양의 전극과 상기 음의 전극에 걸쳐 측정된 셀 전압 및 공칭 전압을 갖는 재충전 전기화학 셀; 및

(ⅲ) 상기 셀의 상기 양의 전극과 상기 음의 전극에 전기적으로 접속되며, 충전 사이클 동안에 상기 외부 충전기의 상기 1차 코일과 전자기적으로 결합되도록 사용되는 2차 코일을 포함하는 제어기로서, 상기 2차 코일은 상기 외부 충전기의 상기 충전 전류를 받으며, 상기 충전 사이클 동안에 셀 충전 전류로 상기 외부 충전기의 상기 충전 전류를 제어하는 제어기를 구비하는 것을 특징으로 하는 원격 배터리 충전 시스템.
제 6 항에 있어서,

상기 제어기는 상기 컨테이너의 양의 단자와 상기 음의 단자에 걸쳐 측정된 출력 전압을 형성하기 위해 상기 셀의 상기 전극과 상기 컨테이너의 상기 단자 사이에 전기적으로 접속되도록 사용되는 것을 특징으로 하는 원격 배터리 충전 시스템.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,

상기 제어기는 방전 사이클 동안에 상기 컨테이너의 상기 단자로부터 상기 셀의 상기 전극을 전기적으로 분리시킴으로써 상기 배터리의 서비스 런타임을 연장시키도록 사용되는 것을 특징으로 하는 원격 배터리 충전 시스템.
제 6 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 제어기는 상기 충전 사이클 동안에 상기 외부 충전기의 상기 충전 전류를 셀 충전 전류로 변환시키고, 상기 방전 사이클 동안에 상기 셀 전압을 상기 출력 전압으로 변환시키는 양방향의 컨버터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 원격 배터리 충전 시스템.
재충전 배터리의 서비스 런타임 연장 방법으로서,

(a) (ⅰ) 양의 터미널 및 음의 터미널을 갖는 컨테이너,

(ⅱ) 상기 컨테이너 내에 배치되는 재충전 전기화학 셀로서, 상기 셀은 양의 전극, 음의 전극, 상기 셀의 상기 양의 전극과 상기 음의 전극에 걸쳐 측정된 셀 전압 및 공칭 전압을 가지는 재충전 전기화학 셀 및,

(ⅲ) 상기 컨테이너의 상기 양의 단자와 상기 음의 단자에 걸쳐 측정된 출력 전압을 형성하기 위해, 상기 셀의 상기 전극들과 상기 컨테이너의 상기 단자들 사이에 전기적으로 접속된 제어기를 구비하는 재충전 배터리를 제공하는 단계,

(b) 컷오프 전압을 갖는 장치에 상기 배터리를 전기적으로 접속시키는 단계 및

(c) 상기 배터리의 방전 깊이가 소정의 방전 레벨에 도달할 때, 상기 컨테이너의 상기 단자들로부터 상기 셀의 상기 전극을 전기적으로 분리시킴으로써 상기 배터리의 방전 사이클을 종료시키는 단계를 구비하고, 상기 소정의 방전 레벨은 최적의 방전 깊이인 것이 바람직하고, 보다 바람직한 것은 상기 최적 방전 레벨이 상기 장치의 상기 컷오프 전압보다 작으며,

또한 상기 방법은 바람직하게는

(d) 충전 전류를 받는 단계,

(e) 상기 셀을 충전시키기 위해 상기 충전 전류를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전 배터리의 서비스 런타임 연장 방법.