SK14672000A3

SK14672000A3 - Primárna batéria so zabudovaným konvertorom

Info

Publication number: SK14672000A3
Application number: SK1467-2000A
Authority: SK
Inventors: Vladimir Gartstein; Dragan Danilo Nebrigic
Original assignee: The Procter & Gamble Company
Priority date: 1998-04-02
Filing date: 1999-04-01
Publication date: 2001-05-10
Also published as: ZA200005267B; PE20000716A1; AU750852B2; TR200003614T2; US6198250B1; ATE232020T1; CO4820451A1; CA2326707A1; DE69905146T2; TW434922B; DK1068650T3; IL138749A; IL138749A0; KR100383830B1; DE69905146D1; BR9909904A; KR20010042427A; EP1068650A1; NO20004964D0; AR018816A1

Description

Primárna batéria so zabudovaným regulátorom (DC/DC konvertor), predlžujúcim dobu behu batérie

Oblasť techniky

Prihlasovaný vynález sa týka primárnych batérií a najmä sa zameriava na primárnu batériu so zabudovaným regulátorom na predlžovanie prevádzkovej doby batérie.

Doterajší stav techniky

Spotrebitelia používajú primáme batérie a opakovateľne nabíjané batérie v prenosných elektronických prístrojoch, ako sú rozhlasové prijímače, prehrávače kompaktných diskov, fotoaparáty, videokamery, mobilné telefóny, elektronické hry, hračky, vreckové prijímače textových správ a počítačové zariadenia. Po uplynutí prevádzkovej doby sa primárna batéria obyčajne odkladá do odpadu. Prevádzková doba typickej primárnej batérie všeobecne umožňuje využívanie približne 40 % až 70 % celkovej akumulovanej kapacity batérie. Po využití časti pôvodne nahromadenej energie nemôže batéria celkove dodávať potrebné napätie na napájanie elektronického prístroja. Po uplynutí použiteľnej životnosti týchto batérií spotrebitelia obyčajne odkladajú batérie do odpadu, hoci takáto použitá batéria ešte obsahuje približne 30 % až 60 % svojej pôvodne akumulovanej kapacity. Preto predlžovanie prevádzkovej doby primárnej batérie na základe umožnenia bezpečného, hlbšieho vybíjania bude obmedzovať množstvo odpadu tým, že elektronické prístroje budú mať možnosť vo väčšej miere využívať nahromadenú energiu pred tým, ako dôjde k jej odloženiu do odpadu.

Spotrebitelia navyše sústavne vyžadujú menšie a ľahšie prenosné elektrické prístroje. Jednou z prvotných prekážok výroby týchto menších a ľahších prístrojov je veľkosť a hmotnosť batérií, ktoré sú potrebné na napájanie takýchto prístrojov. V skutočnosti platí, že čím je elektronický obvod rýchlejší a zložitejší, tým tieto prístroje vyžadujú viac elektrického prúdu ako predtým, a preto sú požiadavky na batérie dokonca väčšie. Spotrebitelia však nebudú akceptovať výkonnejšie a miniaturizované prístroje, pokiaľ bude zdokonalená funkčnosť a rýchlosť vyžadovať omnoho častejšie nahradzovanie batérií. Preto v záujme zostavovania rýchlejších a zložitejších elektronických zariadení bez skracovania ich použiteľnej životnosti tieto elektronické zariadenia potrebujú účinnejšie využiť batérie a/alebo vlastné batérie potrebujú viac využívať nahromadenú energiu.

Niektoré nákladnejšie elektronické prístroje obsahujú obvod napäťového regulátora, ako je menič rovnosmemého napätia (napríklad DC/DC konvertor) v zariadeniach na menenie a/alebo stabilizovanie výstupného napätia batérie. V týchto zariadeniach sa niekoľko samostatných článkov zapája všeobecne za sebou a konvertor prevádza napätie batérií na napätie, ktoré vyžaduje obvod daného zaťaženia. Konvertor môže predlžovať prevádzkovú dobu batérie na základe znižovania výstupného napätia batérie v počiatočnej fáze vybíjania batérie, kedy by inak batéria poskytovala vyššie napätie a tým aj viac energie, ako vyžaduje zaťažovaný obvod, a/alebo na základe zvyšovania výstupného napätia batérie v poslednej časti vybíjania batérie, kedy by inak bola batéria vyčerpaná, pretože napätie je nižšie, ako vyžaduje zaťažený obvod.

Avšak technický prístup uplatňovania konvertora v elektronickom prístroji má niekoľko nedostatkov. Prvým nedostatkom je to, že umiestňovanie konvertorov do elektronických prístrojov je pomerne drahé, pretože každý výrobca zariadenia má špecifické usporiadanie obvodov, ktoré sa vyrábajú v pomerne obmedzenom množstve, a takto vyžadujú vyššie individuálne náklady. Druhým nedostatkom je skutočnosť, že dodávatelia batérií nemajú možnosť kontrolovať typ konvertora, ktorý sa bude používať v kombinácii s konkrétnou batériou. Konvertory teda nie sú optimálne pripravené na špecifické elektrochemické vlastnosti jednotlivých typov elektrochemických článkov. Tretím problémom je to, že rozdielne typy batériových článkov, ako sú alkalické a lítiové články, majú rozdielne elektrochemické vlastnosti a menovité napätia, a preto ich vzájomné zamieňanie nie je ľahkou záležitosťou. Navyše konvertory zaberajú využiteľný priestor v elektronických prístrojoch a zvyšujú celkovú hmotnosť elektronických prístrojov. Namiesto výkonnejších meničov rovnosmemého prúdu, ako sú DC/DC konvertory, môžu niektoré elektronické prístroje používať tiež lineárne regulátory. Navyše elektronické prístroje, obsahujúce meniče rovnosmemého prúdu, môžu vytvárať elektromagnetickú interferenciu („EMI”), ktorá môže v elektronickom prístroji nežiadúcim spôsobom ovplyvňovať nadväzujúcu sústavu obvodov, ako je rádiofrekvenčný („rf’) vysielač. Avšak v dôsledku umiestnenia konvertora do batérie sa môže zdroj EMI nachádzať ďalej od ďalších elektronických prostriedkov, ktoré sú citlivé na účinky EMI, a/alebo sa tento zdroj môže odtieňovať vodivým krytom batérie.

Ďalší problém, ktorý súvisí s obvykle používanými konvertormi, spočíva v tom, že tieto konvertory typicky vyžadujú väčší počet sériovo zapojených elektrochemických článkov, v záujme vytvárania postačujúceho napätia na riadenie konvertora. Na základe toho môže konvertor znižovať napätie na takú úroveň, ktorú elektronický prístroj vyžaduje. Takto kvôli požiadavkám na vstupné napätie konvertora musí elektronický prístroj obsahovať niekoľko elektrochemických článkov, a to dokonca aj vtedy, keď vlastný elektronický prístroj môže pre svoju činnosť vyžadovať len jeden článok. Výsledkom toho je nežiadúci nárast rozmerov a hmotnosti, čo znemožňuje ďalšie miniaturizovanie elektronických prístrojov.

Preto existuje potreba väčšieho využívania nahromadenej kapacity spotrebiteľskej primárnej batérie pred tým, ako sa batéria odloží do odpadu, a potreba využívania menších priestorových požiadaviek a požiadaviek na hmotnosť v záujme ďalšieho miniaturizovania elektronických prístrojov.

Navyše existuje potreba znižovania nákladov súvisiacich sDC/DC konvertormi pre elektronické prístroje a toto znižovanie nákladov je možné dosahovať na základe konštruovania univerzálnejších usporiadaní obvodov.

Ďalej existuje potreba vytvoriť také konštrukčné riešenia konvertora, ktoré budú využívať výhody špecifických elektrochemických vlastností konkrétneho typu elektrochemického článku.

Existuje taktiež potreba vyvinutia vzájomne zameniteľných batérií, ktoré obsahujú elektrochemické články s rozdielnymi menovitými napätiami alebo vnútornou impedanciou bez toho, aby sa menila chemická podstata vlastných elektrochemických článkov.

Navyše ešte existuje potreba vyvinutia hybridných batérií, ktoré umožnia používanie rozdielnych typov elektrochemických článkov v zostave jednej a tej istej batérie.

Konečne existuje potreba ochrany citlivých zostáv obvodov v elektrickom zariadení alebo elektronickom prístroji pred účinkami elektromagnetickej interferencie („EMI”), spôsobovanej spínaním konvertora.

Podstata vynálezu

Prihlasovaný vynález poskytuje primárnu batériu, ktorá vykazuje dlhšiu dobu behu na základe dokonalejšieho využívania jej nahromadenej energie. Batéria má zabudovaný regulátor, ktorý obsahuje DC/DC konvertor, vykazujúci schopnosť činnosti pod prahovou hodnotou napätia typických elektronických prístrojov. Regulátor účinnejšie reguluje napätie elektrochemického článku a bezpečné, hlboké vybíjanie batérie v záujme využívania väčšej miery nahromadenej energie. Regulátor sa výhodne umiestňuje na silikónovom čipe zmiešaného typu, ktorého konštrukčné usporiadanie sa účelovo prispôsobuje pre činnosť s konkrétnym typom elektrochemického Článku, ako je alkalický článok, nikelkadmiový („NiCd”) článok, lítiový článok, článok obsahujúci oxid striebra alebo hybridný článok, prípadne s konkrétnym elektronickým prístrojom.

Regulátor výhodne monitoruje a riadi dodávanie elektrického prúdu do zaťaženého obvodu tak, aby sa optimálne predlžovala doba behu batérie, a táto monitorovacia riadiaca činnosť regulátora sa uskutočňuje na základe (1) zapínania a vypínania DC/DC konvertora; (2) udržiavania minimálne vyžadovaného výstupného napätia vtedy, keď je vstupné napätie nižšie ako závemé napätie elektronických prístrojov, na napájanie ktorých je daná batéria určená; a (3) znižovanie výstupnej impedancie batérie.

V uprednostňovanom uskutočnení sa regulátor zabudováva vo vnútri (napríklad vo vnútri puzdra) jednočlánkovej primárnej batérie, ako je štandardná AAA, AA, C alebo D batéria, alebo vo vnútri každého článku viacčlánkovej primárnej batérie, ako je štandardná 9 V batéria. Toto poskytuje niekoľko významných výhod. Po prvé, táto skutočnosť poskytuje tvorcovi konštrukčného usporiadania batérie možnosť využitia špecifických elektrotechnických charakteristík konkrétneho typu elektrochemického článku. Po druhé, táto skutočnosť umožňuje, aby batérie, ktoré majú rozdielne typy elektrochemických článkov, boli používané vymeniteľné na základe alebo menenia alebo stabilizovania výstupného napätia a/alebo vnútornej impedancie na účely spĺňania požiadaviek elektronických prístrojov, ktoré sú konštruované na napájanie zo štandardných batérií. Tvorca konštrukčného usporiadania batérie môže napríklad zostaviť vysoko výkonnú lítiovú batériu, ktorá obsahuje lítiový elektrochemický článok, ako je článok typu lítium MnO₂, a ktorý spĺňa elektrické požiadavky a požiadavky hermetického uzavretia štandardnej AA batérie, na základe znižovania menovitého napätia článku z rozsahu medzi približne 2,8 V a približne 4,0 V na výstupné napätie približne 1,5 V bez znižovania nahromadenej chemickej energie lítiového článku. Na základe využitia vyššieho napätia lítiového článku môže konštruktér podstatne predĺžiť prevádzkovú dobu batérie. Po tretie, umiestnenie obvodu konvertora vjednočlánkovej alebo viacčlánkovej batérii umožňuje zostavovanie elektronických prístrojov, ktorých konštrukčné usporiadanie neobsahuje vnútorné regulátory alebo konvertory. Toto umožňuje zmenšovanie rozmerov elektronického vybavenia a výrobu lacnejších a menších prenosných elektronických prístrojov s menšou hmotnosťou. Navyše vodivé puzdro obsahujúce elektrochemický článok taktiež vytvára kryciu vrstvu okolo obvodu regulátora, ktorá chráni v blízkosti sa nachádzajúce elektronické obvody, ako sú rádiofrekvenčné (”rf”) vysielače a prijímače pred elektromagnetickou interferenciou („EMI”) spôsobovanou činnosťou DC/DC konvertora regulátora. Umiestňovanie konvertora do každého elektrochemického článku taktiež vytvára podmienky pre bezpečnejšiu a účinnejšiu kontrolu nad každým elektrochemickým článkom a pred vypnutím elektronického prístroja zabezpečuje maximálne možné vyčerpanie elektrochemického článku.

Regulátory tiež umožňujú používanie batérií podľa prihlasovaného vynálezu v širokej stupnici zariadení a prístrojov. Batérie podľa prihlasovaného vynálezu poskytujú rad výhod v porovnaní so známymi batériami bez ohľadu na to, či sa používajú s elektrickými alebo elektronickými prístrojmi, ktoré majú záverné napätie ako už uvedené prístroje, alebo s elektrickými zariadeniami, ktoré záverné napätie nemajú a ku ktorým napríklad patrí zábleskové svetlo.

Čipy regulátora sa taktiež môžu vyhotovovať úspornejšie, pretože veľký objem predajov batérií umožňuje lacnejšiu výrobu čipov, než je to v prípade ojedinelých konštrukčných riešení regulátorov alebo konvertorov, ktoré je možné vyrábať pre každý typ elektronického prístroja zvlášť.

Jedným výhodným uskutočnením DC/DC konvertora je takmer bezindukčný, vysokofrekvenčný, vysoko účinný, stredne výkonný konvertor s veľmi nízkym vstupným napätím, ktorý využíva riadiacu schému modulácie šírkou impulzov a modulácie fázovým posunom.

v

Ďalšie znaky a výhody prihlasovaného vynálezu sú opisované vzhľadom na vysvetľovanie uprednostňovaného uskutočnenia tohoto vynálezu.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Aj keď táto špecifikácia končí patentovými nárokmi, ktoré konkrétne zdôrazňujú a vyznačujúcim spôsobom nárokujú predmet, ktorý je posudzovaný ako prihlasovaný vynález, existuje presvedčenie, že tento vynález bude zrozumiteľnejší z nasledovného opisu, vypracovaného v nadväznosti na pripojené vyobrazenia.

Obr. 1 je perspektívny pohľad na konštrukčné usporiadanie typickej valcovitej batérie; obr. 2 je perspektívny pohľad na konštrukčné usporiadanie ďalšej typickej valcovitej batérie; obr. 3 je perspektívny pohľad na konštrukčné usporiadanie ešte ďalšej typickej valcovitej batérie; obr. 4 je bloková schéma batérie podľa prihlasovaného vynálezu; obr. 4A je bloková schéma jedného výhodného uskutočnenia batérie, ktorá je predvedená na obr. 4; obr. 4B je bloková schéma ďalšieho výhodného uskutočnenia batérie, ktorá je predvedená na obr.4, obr. 5A predvádza čiastočne rozložený, priečny rez výhodného uskutočnenia batérie podľa prihlasovaného vynálezu; obr. 5B predvádza čiastočne rozložený, priečny rez ďalšieho výhodného uskutočnenia batérie podľa prihlasovaného vynálezu; obr. 5C predvádza čiastočne rozložený, priečny rez ešte ďalšieho výhodného uskutočnenia batérie podľa prihlasovaného vynálezu; obr. 6 je perspektívny pohľad výhodného uskutočnenia viacčlánkovej batérie podľa prihlasovaného vynálezu, ktorý je čiastočne vyhotovený v priečnom reze; obr. 7 je bloková schéma ďalšieho výhodného uskutočnenia batérie podľa prihlasovaného vynálezu; obr. 8 je bloková schéma ešte ďalšieho výhodného uskutočnenia batérie podľa prihlasovaného vynálezu; obr. 9 je bloková schéma ďalšieho výhodného uskutočnenia batérie podľa prihlasovaného vynálezu; obr. 9A je základná schéma uskutočnenia, ktoré obsahuje znak batérie podľa výhodného uskutočnenia batérie, ktoré je nakreslené na obr. 9; obr. 9B je bloková schéma uskutočnenia, ktoré obsahuje znak batérie podľa výhodného uskutočnenia batérie, ktoré je nakreslené na obr. 9; obr. 10 je bloková schéma ešte ďalšieho uskutočnenia batérie podľa prihlasovaného vynálezu; obr. 11 je bloková schéma ďalšieho uskutočnenia batérie podľa prihlasovaného vynálezu; obr. 12 je bloková schéma ešte ďalšieho uskutočnenia batérie podľa prihlasovaného vynálezu; obr. 13 je kombinácia blokovej schémy a základnej schémy ďalšieho uskutočnenia batérie podľa prihlasovaného vynálezu; obr. 14 je graf charakteristických kriviek vybíjania typickej batérie a dvoch rozdielnych, výhodných uskutočnení batérie podľa prihlasovaného vynálezu.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Prihlasovaný vynález sa týka primárnych jednočlánkových a viacčlánkových batérií. Výraz „primárny” sa v tejto prihláške používa pre označovanie batérie alebo elektrochemického článku, ktorý je určený na odloženie do odpadu po vyčerpaní použiteľnej, nahromadenej elektrickej kapacity (to znamená nie je určený na opätovné nabíjanie alebo iné použitie). Výraz „spotrebný” v tejto prihláške označuje batériu, ktorá je určená na použitie v elektronickom alebo elektrickom zariadení, ktoré spotrebiteľ kupuje alebo používa. Výraz Jednočlánková” súvisí s batériou, ktorá má jediný elektrochemický článok v jedinom puzdre, ako sú AA, AAA, C alebo D typy batérií, alebo jediný článok vo viacčlánkovej batérii (ako je napríklad štandardná 9 V batéria, alebo batéria pre mobilný telefón alebo prenosný laptop počítač). Výraz „batéria”, ktorý sa v tejto prihláške používa, označuje uzavreté puzdro, ktoré má vývody, a jediný elektrochemický článok alebo kryt, ktorý má vývody a obsahuje aspoň dva alebo väčší počet elektrochemických článkov (napríklad štandardná 9 V batéria alebo batéria pre mobilný telefón alebo prenosný laptop počítač). Elektrochemické Články nemusia byť úplne uzavreté v puzdre, ak má každý článok vlastný, samostatný, uzavretý kryt. Batéria prenosného telefónu môže napríklad obsahovať dva alebo viac ako dva elektrochemických článkov, z ktorých každý má svoje vlastné, samostatné, uzavreté puzdro, a tieto články sú spoločne umiestnené v zmrštiteľnom, obalovom, plastovom materiále, ktorý udržiava samostatné články pohromade, avšak nemusí úplne zakrývať samostatné, uzavreté obaly článkov. V tejto prihláške používaný výraz hybridná batéria” označuje viacčlánkovú batériu, ktorá obsahuje dva alebo viac ako dva elektrochemických článkov, z ktorých aspoň dva tieto články majú rozdielne elektrochemické súčasti, ako je rozdielna elektróda, rozdielna dvojica elektród alebo rozdielny elektrolyt.

V tejto prihláške používaný výraz „regulátor” sa týka obvodu, ktorý prijíma aspoň jeden vstupný signál a vytvára aspoň jeden výstupný signál, ktorý je funkciou vstupného signálu. Výrazy DC/DC konvertor” alebo „konvertor” sa v tejto prihláške používajú zameniteľné a týkajú sa meniča rovnosmemého napätia impulzného typu, ako je vibrátorom ovládaný DC/DC konvertor, ktorý prevádza vstupné, rovnosmerné napätie na výstupné rovnosmerné napätie. DC/DC konvertory sú výkonové elektronické obvody, ktoré často vytvárajú regulovaný výstup. Konvertor môže vytvárať zvýšenú úroveň napätia, zníženú úroveň napätia alebo regulované napätie na približne rovnakej úrovni. V tejto oblasti techniky existuje celý rad rôznych typov DC/DC konvertorov. Hoci ide o menej výhodné opatrenie, prihlasovaný vynález pripúšťa možnosť používania známych konvertorov alebo lineárnych regulátorov ako náhrady za uprednostňované konvertory, opisy ktorých táto prihláška uvádza, a ktoré majú schopnosť činnosti na nízkych úrovniach napätia pod úrovňami, umožňujúcimi činnosť elektronických prístrojov.

„Záverné napätie” elektronického prístroja je taká úroveň napätia, pod ktorou elektrické alebo elektronické zariadenie nemôže pracovať. V tomto zmysle „záverné napätie” závisí na zariadení, čo znamená, že táto úroveň závisí na minimálnom pracovnom napätí zariadenia (na funkčnom koncovom bode) alebo frekvencii činnosti (napríklad musí mať schopnosť nabíjať kondenzátor v rozsahu daného časového úseku). Väčšina elektronických prístrojov má záverné napätie v rozsahu od približne 1 V do približne 1,2 V, pričom niektoré elektronické prístroje majú záverné napätie také nízke, ako je približne 0,9 V. Elektrické zariadenia, ktoré majú mechanické pohyblivé súčasti, ako sú elektrické hodiny, motory a elektromechanické relé, tiež vykazujú záverné napätie, ktoré je nevyhnutné na generovanie elektrického prúdu, ktorý postačuje na vytvorenie potrebného silného magnetického poľa na uvádzanie mechanických súčastí do pohybu. Iné elektrické prístroje, ako sú zábleskové svetlá, vo všeobecnosti nemávajú zariadenie pre záverné napätie, avšak s poklesom napätia zdrojovej batérie taktiež klesá výstupná elektrická energia (čo sa prejavuje napríklad poklesom svetelného výkonu žiarovky).

Jedným znakom prihlasovaného vynálezu je predĺženie „prevádzkovej doby” primárnej batérie. Výrazy „prevádzková doba batérie” a „doba behu batérie” sú zameniteľné a definujú sa ako časový úsek vybíjacieho cyklu, ktorý končí poklesom výstupného napätia pod minimum pracovného napätia prístroja, ktorý batériu napája, čo predstavuje záverné napätie takéhoto prístroja. Zatiaľ čo „doba behu článku” závisí na vlastnom elektrochemickom článku, čo znamená, že ide o vyčerpanie celej elektrochemickej energie článku, „doba behu batérie” závisí na prístroji alebo zariadení, v ktorom sa používa. Elektronický prístroj, ktorý má záverné napätie napríklad približne 1 V, sa bude vypínať vtedy, ak výstupné napätie batérie klesne pod úroveň 1 V, hoci v elektrochemickom článku môže zostávať najmenej 50 % kapacity nahromadenej energie. V tomto prípade „doba behu batérie” vypršala, lebo takáto batéria nemôže naďalej poskytovať natoľko vysokú úroveň napätia, ktorú prevádzka elektronického prístroja vyžaduje, a batéria sa ako celok odkladá do odpadu. „Doba behu článku” však nevypršala, pretože v takomto článku sa nachádza zostatok elektrochemickej energie.

V tejto prihláške používané výrazy „užitočná doba životnosti elektrochemického článku” alebo „užitočná doba životnosti článku” sa taktiež používajú bez ohľadu na to, či ide o primárny článok, alebo opakovateľne nabíjaný článok, a zodpovedajú dobe behu batérie, v ktorej „užitočná doba životnosti článku” predstavuje časový úsek, po uplynutí ktorého nie je článok naďalej použiteľný v konkrétnom vybíjacom cykle, pretože takýto elektrochemický článok nemôže naďalej poskytovať postačujúce napätie pre napájanie daného pristroja. Ak sa „doba behu batérie” jednočlánkovej batérie predlžuje alebo skracuje, potom sa nutne „užitočná doby životnosti článku” a „doba behu batérie” taktiež príslušne predlžuje alebo skracuje. K tomu možno dodať, že výrazy „doba behu batérie” jednočlánkovej batérie a „užitočná doba životnosti článku” sú zameniteľné v tom zmysle, že ak sa predlžuje alebo skracuje „doba behu batérie”, predlžuje sa alebo sa skracuje tiež „užitočná doba životnosti článku”. Avšak na rozdiel od toho výraz „užitočná doba životnosti článku” konkrétneho elektrochemického článku vo viacčlánkovej batérii nie je nutne zameniteľný s výrazom „doba behu batérie”, súvisiacim s viacčlánkovou batériou, pretože konkrétne elektrochemické články môžu mať ešte zostatok užitočnej doby životnosti dokonca aj po vypršaní doby behu viacčlánkovej batérie. Podobne možno uviesť, že ak sa predlžuje alebo skracuje ”doba behu článku” konkrétneho elektrochemického článku vo viacčlánkovej batérii, nemusí sa nutne predlžovať, skracovať, „doba behu batérie”, pretože „doba behu batérie” môže závisieť na napätí jedného článku alebo niekoľkých ďalších článkov v batérii.

Výrazy „elektricky spojený” a „elektrické spojenie” a „elektricky zapojený” sa týkajú spojení alebo zapojení, ktoré umožňujú súvislé vedenie elektrického prúdu. Výrazy „elektricky spojený” a „elektrické spojenie” označujú spojovacie väzby, prostredníctvom ktorých sa elektronické zariadenie ako tranzistor alebo dióda, včleňuje do dráhy vedenia elektrického prúdu. „Elektronické spojenia” sa v tejto prihláške považujú za dielčie pomenovanie súvisiace s „elektrickými spojeniami” a preto platí, že zatiaľ čo každé „elektronické spojenie” je považované za elektrické spojenie, nie každé „elektrické spojenie” je považované za „elektronické spojenie”

Obr. 1 až 3 predvádzajú konštrukčné štruktúry typickej valcovitej batérie 10, ktoré sú zjednodušené pre účely zrozumiteľnejšieho opisu. Každé konštrukčné usporiadanie valcovitej batérie 10 má rovnaké základné konštrukčné súčasti, ktoré sú usporiadané v rozdielnych zostavách. V každom prípade obsahuje toto konštrukčné usporiadanie puzdro 12, majúce plášť alebo bočnú stenu 14. horné veko 16, obsahujúce kladný vývod JO, a dolné veko 18, obsahujúce záporný vývod 22. Puzdro 12 hermeticky uzatvára jediný elektrochemický článok 30. Obr. 1 predvádza také uskutočnenie, ktoré sa môže používať v prípade valcovitého, jednočlánkového, zinkouhlíkového elektrochemického článku 30 batérie 10. V tomto uskutočnení je celé horné veko 16 vodivé a vytvára kladný vývod 20 batérie 10. Izolačná vložka alebo tesnenie 24 izoluje vodivé veko 16 od elektrochemického článku 30. Elektróda alebo zberač elektrického prúdu 26 elektricky prepája vonkajší kladný vývod 20 batérie 10 a katódu (kladnú elektródu) 32 elektrochemického článku 30. Celé dolné veko 18 je tiež vodivé a vytvára vonkajší záporný vývod 22 batérie 10. Dolné veko je elektricky pripojené k anóde (zápornej elektróde) 34 elektrochemického článku 30. Medzi anódou 34 a katódou 32 je umiestnený oddeľovač 28, ktorý vytvára prostriedky pre vodivosť iontov vo vnútri elektrolytu. Zinkouhlíková batéria je konkrétnym príkladom konštrukčného usporiadania batérie tohoto typu.

Obr.2 predvádza alternatívne konštrukčné usporiadanie batérie, v ktorej izolačná vložka alebo tesnenie 25 izoluje dolné veko 18 od elektrochemického článku 30. V tomto prípade je celé horné veko 16 vodivé a vytvára kladný batériový vývod 20. Horné veko 16 je elektricky pripojené ku katóde 32 elektrochemického článku 30. Dolné veko 18, ktoré je tiež vodivé, vytvára záporný vývod 22 batérie. Dolné veko 18 je elektricky pripojené k anóde 34 batériového článku 30 prostredníctvom zberača 26 elektrického prúdu. Medzi anódou a katódou je umiestnený oddeľovač 28, ktorý vytvára prostriedky pre vodivosť iontov vo vnútri elektrolytu. Medzi príkladmi konštrukčného usporiadania batérie tohoto typu patrí alkalická (zinok/oxid manganičitý) batéria.

Obr. 3 predvádza ďalšie alternatívne uskutočnenie konštrukčného usporiadania batérie, v ktorej je elektrochemický článok vytvorený v tvare „špirálovo vinutého, rôsolového zvitku”. V prípade tohoto konštrukčného usporiadania sa štyri vrstvy umiestňujú vedľa seba v tvare štruktúry „vrstveného typu”. Táto štruktúra „vrstveného typu” môže napríklad obsahovať nasledujúce poradie vrstiev: katódovú vrstvu 32, prvú oddeľujúcu vrstvu 28, anódovú vrstvu 34 a druhú oddeľujúcu vrstvu 28. V alternatívnom prípade možno druhú oddeľujúcu vrstvu 28, ktorá nie je umiestnená medzi katódovou vrstvou 32 a anódovou vrstvou 34, nahradiť izolačnou vrstvou. Táto štruktúra „vrstveného typu” sa potom zvinie do tvaru špirálovo vinutého, rôsolového zvitku a umiestňuje sa do puzdra 12 batérie 10. Na vyobrazení je vidieť, že izolačná vložka alebo tesnenie 24 izoluje horné veko 16 od elektrochemického článku 30. V tomto prípade je celé horné veko 16 vodivé a vytvára kladný vývod 20 batérie 10. Horné veko 16 je elektricky pripojené ku katóde 32 elektrochemického článku 30 prostredníctvom zberača 26 prúdu. Dolné veko 18, ktoré je tiež vodivé, vytvára záporný vývod 22 batérie. Dolné veko 18 je elektricky pripojené k anóde 34 batériového článku 30 prostredníctvom vodivej spodnej doštičky 19. Medzi katódovou vrstvou 32 a anódovou vrstvou 34 sú umiestnené oddeľujúce vrstvy 28, ktoré vytvárajú prostriedky pre vodivosť iónov vo vnútri elektrolytu. Na vyobrazení je vidieť, že bočná stena 14 je pripojená ako k hornému veku 16, tak aj k dolnému veku 18. V tomto prípade sa bočná stena 14 výhodne vyhotovuje z nevodivého materiálu, akým je polymér. Avšak bočná stena by mohla byť vyhotovovaná z vodivého materiálu, ako je napríklad kov, za predpokladu, že by takáto bočná stena 14 bola izolovaná aspoň od kladného vývodu 20 a/alebo záporného vývodu 22 tak, aby sa nevytváral skratový obvod medzi obidvoma vývodmi. Medzi príklady konštrukčného usporiadania batérie tohoto typu patrí batéria, obsahujúca lítium/oxid manganičitý (MnO₂).

Každý z týchto článkov môže tiež obsahovať rôzne tvary bezpečnostných vetracích otvorov, riadiacich vetracích otvorov pre elektrochemické články, ktoré pre svoju činnosť vyžadujú výmenu vzduchu, indikátorov kapacity, etikiet atď., ktoré sú v tejto oblasti techniky dobre známe. Navyše tieto články sa môžu zabudovávať do ďalších tvarových uskutočnení, ktoré sú v tejto oblasti techniky známe a ku ktorým patria miniatúrne články, články podobajúce sa minciam, hranolové články, doštičkové články, dvojpólové doštičkové články alebo hrubé/tenké články na báze filmu atď.

Pre účely tohoto vynálezu obsahuje batériové „puzdro” 12 jediný elektrochemický článok 30. Puzdro 12 má všetky súčasti, ktoré sú potrebné pre ochranu a izolovanie oboch elektród 32, 34, oddeľovača a elektrolytu elektrochemického článku od vplyvov okolitého prostredia a ďalších elektrochemických článkov vo viacčlánkovej batérii a ktoré sú potrebné pre poskytovanie elektrickej energie z elektrochemického článku 30, ktorý sa nachádza vo vnútri puzdra. V tomto zmysle puzdro 12 na obr. 1 a 2 obsahuje bočnú stenu 14, horné veko 16, dolné veko 18 a kladný 20 a záporný vývod 22 vytvárajúce elektrické spojenie článku 30. Vo viacčlánkovej batérii môže existovať puzdro, ktoré má vlastné, samostatné konštrukčné usporiadanie, ktoré obsahuje jediný elektrochemický článok 30, a toto puzdro môže byť jedným z niekoľkých samostatných puzdier vo viacčlánkovej batérii. Puzdro 12 môže byť alternatívne tvorené časťou krytu viacčlánkovej batérie s podmienkou, že tento kryt bude úplne izolovať elektródy a elektrolyt jedného elektrochemického článku 30 od vplyvu prostredia a každého z ostatných článkov v batérii. Puzdro 12 sa môže zhotovovať kombinovaním vodivého materiálu, akým je kov, a izolačného materiálu, akým je plast alebo polymér.

Avšak puzdro 12 sa má odlišovať od krytu viacčlánkovej batérie, ktorá obsahuje oddelené, samostatne izolované, alkalické články, z ktorých každý má svoje vlastné elektródy a elektrolyt. Ako príklad možno uviesť, že vo vnútri krytu štandardnej alkalickej 9 V batérie je umiestnených šesť samostatných alkalických článkov, z ktorých každý má svoje vlastné puzdro 612, ako je to predvedené na obr. 6. Avšak v niektorých lítiových 9 V batériách sa kryt batérie zhotovuje tak, aby mal samostatné komory, ktoré izolujú elektródy a elektrolyt elektrochemických článkov a v dôsledku toho kryt obsahuje ako samostatné puzdrá 12 pre každý článok, tak aj kryt pre celú batériu.

Obr. 5A, SB a 5C predvádzajú pohľady na tri čiastočne rozložené uskutočnenia jednočlánkových, valčekovitých, primárnych batérií podľa prihlasovaného vynálezu. Na obr. 5 A je vidieť, že regulátor 240 je umiestnený medzi horným vekom 216 a izolačnou vložkou 224 batérie 210. Kladný výstup 242 regulátora 240 je elektricky pripojený ku kladnému vývodu 220 batérie 210, ktorý sa nachádza v priamej nadväznosti na regulátor 240, a záporný výstup 224 regulátora 240 je elektricky pripojený k zápornému vývodu 222 batérie 210. Na tomto príklade je záporný výstup 244 regulátora 240 pripojený k zápornému vývodu 222 batérie 210 prostredníctvom vodivej bočnej steny 214, ktorá je v elektrickom spojení so záporným vývodom 222 vodivého dolného veka 218 batérie 210. V tomto prípade musí byť vodivá bočná stena elektricky izolovaná od horného veka 216. Kladný vstup 246 regulátora 240 je elektricky pripojený ku katóde 232 elektrochemického článku 230 prostredníctvom zberača 226 elektrického prúdu. Záporný vstup 248 regulátora 240 je vodivo pripojený k anóde 234 elektrochemického článku 230 prostredníctvom vodivého pásika 237. Regulátor 240 sa môže alternatívne umiestniť medzi dolné veko 218 a izolátor 225, alebo sa môže pripevniť, upevniť alebo pripojiť k vonkajšku puzdra alebo etikete batérie.

Na obr. 5B je vidieť, že regulátor 340 je umiestnený medzi dolným vekom 318 a izolátorom 325 batérie 310. Záporný výstup 344 regulátora 340 je elektricky pripojený k zápornému vývodu 322 batérie 310, ktorý sa nachádza v priamej nadväznosti na regulátor 340. a kladný výstup 342 regulátora 340 je elektricky pripojený ku kladnému vývodu 320 batérie 310. V tomto prípade je kladný výstup 342 regulátora 340 pripojený ku kladnému vývodu 320 batérie 310 prostredníctvom vodivej bočnej steny 314, ktorá je v elektrickom spojení s kladným vývodom 320 vodivého horného veka 316 batérie 310. Kladný vstup 346 regulátora 340 je elektricky pripojený ku katóde 332 elektrochemického článku 330 prostredníctvom vodivého pásika 336. Záporný vstup 348 regulátora 340 je elektricky pripojený k anóde 334 elektrochemického článku 330 prostredníctvom zberača 326 elektrického prúdu, ktorý vedie od spodnej doštičky 319 do anódy 334 elektrochemického článku 330. V takýchto prípadoch sa musí zberač 326 elektrického prúdu a záporný vstup 348 regulátora 340 izolovať od záporného vývodu 322 puzdra 312 a od záporného výstupu 348 regulátora 340 v situácii, keď regulátor 340 používa virtuálny nulový elektrický potenciál. Regulátor 340 sa môže alternatívne umiestniť medzi horné veko 316 a izolátor 324 alebo sa môže pripevniť, upevniť alebo pripojiť k vonkajšku puzdra 312 alebo k etikete batérie.

Na obr. 5C je vidieť, že regulátor 440 je vytvorený na obalovej vrstve 441 s použitím technológie potlače tenkého filmu alebo pružných, tlačených obvodových doštičiek (skratka „PCBs” podľa anglického výrazu „printed circuit boards”) a je umiestnený vo vnútri puzdra medzi bočnou stenou 414 a katódou 432 batérie 410. Kladný vývod 442 regulátora 440 je elektricky pripojený ku kladnému vývodu 420 batérie 410 prostredníctvom horného veka 416 batérie 410 a záporný vývod 444 regulátora 440 je elektricky pripojený k zápornému vývodu 422 batérie 410 prostredníctvom spodnej doštičky 419 a dolného veka 418. Kladný vstup 446 regulátora 440 je elektricky pripojený ku katóde 432 elektrochemického článku 430. ktorá je v tomto prípade bezprostredne vedľa obalovej vrstvy 441 obsahujúcej regulátor 440. Záporný vstup 448 regulátora 440 je elektricky pripojený k anóde 434 elektrochemického článku 430 prostredníctvom dotykovej doštičky 431 a zberača 426 elektrického prúdu, ktorý vyčnieva z dotykovej doštičky 431 do anódy 434 elektrochemického článku 430. Izolačná vložka 427 izoluje dotykovú doštičku 431 od katódy 432. Ako je vidieť na obr. 5C, izolačná vložka 427 môže byť taktiež rozšírená medzi anódou 434 a styčnou doštičkou 431, pretože zberač 426 elektrického prúdu vytvára spojenie od anódy 434 ku styčnej doštičke 431. Pokiaľ regulátor 440 využíva virtuálny nulový elektrický potenciál, potom musí byť táto styčná doštička 431 taktiež izolovaná od spodnej doštičky 419 a záporného vývodu 442 pomocou izolačnej vložky 425. Obalová vrstva 441 môže byť alternatívne umiestnená na vonkajšej strane puzdra 412, keď ovíja vonkajšok bočnej steny 414. V takýchto uskutočneniach je možné, aby etiketa pokrývala obalovú vrstvu, prípadne je možné, aby etiketa bola natlačená na tej istej obalovej vrstve, na ktorej sa nachádza vlastný regulátor.

Obr. 6 predvádza perspektívny pohľad, ktorý je čiastočne v priečnom reze, na uskutočnenie viacčlánkovej 9 V batérie 610 podľa tohoto vynálezu, v ktorej každý elektrochemický článok 630 má vo svojom samostatnom puzdre 612 zabudovaný regulátor 640. V tomto uskutočnení obsahuje batéria 610 šesť samostatných elektrochemických článkov 630, pričom každý z týchto elektrochemických článkov má menovité napätie približne 1,5 V. Batéria 610 by mohla tiež obsahovať napríklad tri lítiové články, pričom každý z týchto článkov by mal menovité napätie približne 3 V.

Obr. 4, 4A a 4B predvádzajú blokové schémy rozdielnych uskutočnení batérie HO podľa prihlasovaného vynálezu. Obr. 4 predvádza blokovú schému jedného uskutočnenia podľa prihlasovaného vynálezu, využívajúce vstavaný integrovaný obvod regulátora 140. Toto uskutočnenie výhodne využíva integrovaný obvod zmiešaného typu, ktorý má ako digitálne, tak aj analógové komponenty. V alternatívnom prípade by sa obvod regulátora mohol zhotovovať s použitím aplikačného špecifického integrovaného obvodu (skratka „ASIC” podľa anglického výrazu „application specific integrated Circuit”), hybridného čipového konštrukčného usporiadania, fotoodporovej (PC) doštičky alebo s použitím ďalších spôsobov zhotovovania obvodov, ktoré sú v tejto oblasti techniky známe. Obvod regulátora 140 sa môže umiestňovať vo vnútri batériového puzdra 112 medzi kladnou elektródou 132 a zápornou elektródou 134 elektrochemického článku 130 a medzi kladným vývodom 120 a záporným vývodom 122 batérie. Takto môže regulátor 140 pripájať alebo odpájať elektrochemický článok 130 ku alebo od vývodov 120 a 122 puzdra 112. meniť alebo stabilizovať výstupné napätie alebo výstupnú impedanciu článku 130. ktorá účinkuje na batériové vývody 120 a 122. Obr. 4A predvádza jedno výhodné uskutočnenie batérie 110 podľa prihlasovaného vynálezu, ako je znázornené na obr. 4. Na obr. 4A je vidieť, že regulátor 140 je zapojený medzi kladnou elektródou (katódou) 132 elektrochemického článku 130 a kladným vývodom 120 batériového puzdra 112. Záporná elektróda (anóda) 134 elektrochemického článku 130 a záporný vývod 122 batériového puzdra 112 majú spoločný nulový elektrický potenciál s regulátorom 140. Obr. 4B však predvádza alternatívne výhodné uskutočnenie batérie 110 podľa prihlasovaného vynálezu, v ktorom regulátor 140 využíva virtuálny nulový elektrický potenciál a takto izoluje zápornú elektródu 134 elektrochemického článku 130 od záporného vývodu 122 puzdra 112 navyše na izolovanie kladnej elektródy 132 elektrochemického článku 130 od kladného vývodu 120 puzdra 112.

Každé z uskutočnení, predvedených na obr. 4A a 4B má svoje vlastné výhody a nevýhody. Zostavenie, predvedené na obr. 4, napríklad umožňuje uplatnenie jednoduchšieho konštrukčného usporiadania obvodu, ktorý má spoločný nulový elektrický potenciál pre galvanický článok 130, regulátor 140 a záporný vývod 122 batériového puzdra 112. Avšak zostavenie predvedené na obr. 4A má nevýhodu v tom, že vyžaduje, aby regulátor pracoval pod skutočnými úrovňami napätia Článku, a môže vyžadovať používanie diskrétnej induktorovej súčasti. V prípade zostavenia, ktoré je uskutočnené na obr. 4B, platí, že virtuálny nulový elektrický potenciál, aplikovaný na záporný vývod 122 batériového puzdra 112 jednak izoluje zápornú elektródu 134 elektrochemického článku 130 od zaťaženia a jednak umožňuje použitie takmer bezindukčného DC/DC konvertora. Toto zostavenie má však nevýhodu v tom, že vyžaduje väčšiu zložitosť obvodu súvisiacu s virtuálnym nulovým elektrickým potenciálom v záujme vytvorenia takých podmienok, na základe ktorých by napäťový menič regulátora 140 mohol pokračovať v činnosti s väčšou účinnosťou vtedy, ak je napätie článku nižšie ako úroveň menovitého napätia elektrochemického článku.

Primárna batéria podľa prihlasovaného vynálezu obsahuje regulátor na predlžovanie prevádzkovej doby batérie. Elektrochemický článok (elektrochemické články) sa môže (môžu) zostavovať alebo v jednočlánkových alebo vo viacčlánkových batériách. Viacčlánkové batérie môžu obsahovať dva alebo viac ako dva elektrochemické články rovnakého typu, alebo môžu obsahovať dva alebo viac ako dva rozdielne typy elektrochemických článkov v hybridnej batérii. Viacčlánkové batérie podľa prihlasovaného vynálezu môžu obsahovať elektrochemické články, ktoré sa zapájajú v sériovom alebo paralelnom usporiadaní. Regulátor (regulátory) jednočlánkovej batérie sa môže (môžu) elektricky zapájať sériovo a/alebo paralelne s elektrochemickým článkom vo vnútri puzdra článku a včleňovať dovnútra krytu, ktorý aspoň čiastočne obsahuje puzdro článku, alebo pripájať k puzdru, krytu alebo etikete, prípadne k nejakej inej štruktúre, ktorá sa pripevňuje k puzdru alebo ku krytu. Regulátor(y) viacčlánkovej batérie sa môže (môžu) včleňovať spoločne s jedným alebo viac ako s jedným samostatným článkom tak, ako to bolo opísané v súvislosti s jednočlánkovou batériou, a/alebo sa môžu včleňovať spolu s kombináciou niekoľkých elektrochemických článkov, pričom sa regulátor zapája sériovo alebo paralelne s kombináciou elektrochemických článkov.

Regulátor môže predlžovať prevádzkovú dobu primárnej batérie podľa prihlasovaného vynálezu jedným z niekoľkých spôsobov. Po prvé, tento regulátor umožňuje hlbšie vybíjanie jedného alebo viacerých elektrochemických článkov batérie, než by to inak bolo možné, na základe činnosti elektronického prístroja. V tejto prihláške používaný výraz „hlboké vybíjanie” označuje možnosť vybíjania elektrochemického článku (elektrochemických článkov) na aspoň 80 % menovitej kapacity elektrochemického článku (elektrochemických článkov). Navyše výraz „podstatné vybíjanie” v tejto patentovej prihláške označuje možnosť vybíjania elektrochemického článku (elektrochemických článkov) na aspoň 70 % predpísanej kapacity elektrochemického článku (elektrochemických článkov). „Nadmerné vybíjanie” v tejto prihláške označuje možnosť vybíjania elektrochemického článku (elektrochemických článkov) nad 100 %, čo môže viesť k obráteniu napätia. Napríklad typická alkalická batéria, ktorá je v súčasnosti na trhu, má celkovo schopnosť dodávania približne 40 % až 70 % kapacity nahromadenej energie pred tým, ako klesne úroveň napätia elektrochemického článku na takú úroveň napätia, ktorá nepostačuje na napájanie elektronického pristroja. V súvislosti s tým pomocný regulátor podľa prihlasovaného vynálezu výhodne poskytuje alkalický článok, ktorý má schopnosť zabezpečovať viac ako 70 % vybíjania pred tým, než sa batéria odpojí. Výhodnejšie zabezpečuje pomocný regulátor takú úroveň vybíjania, ktorá je vyššia ako približne 80 %. Dokonca ešte výhodnejšie pomocný regulátor zabezpečuje takú úroveň vybíjania, ktorá je vyššia ako približne 90 % a najvýhodnejšie vyššia ako približne 95 %.

Regulátor môže obsahovať konvertor, ktorý prevádza napätie článku na požadované výstupné napätie batérie v záujme hlbšieho vybíjania elektrochemického článku (elektrochemických článkov) a tým aj predlžovania prevádzkovej doby batérie. V jednom uskutočnení prihlasovaného vynálezu môže regulátor plynulo prevádzať napätie článku na požadované výstupné napätie po celú dobu behu batérie. V prípade poklesu napätia článku na úroveň záverného napätia prístroja, keď by sa za normálnych okolností vybíjanie batérie zastavilo, tento konvertor zosilňuje alebo stupňuje napätie článku na výstupe batérie na takú úroveň, ktorá postačuje na pokračujúce napájanie prístroja do toho času, než úroveň napätia klesne pod hranicu minimálne požadovaného napätia na budenie pomocného regulátora. Takto bude batéria, ktorá má vo svojom konštrukčnom usporiadaní včlenený pomocný regulátor, majúci schopnosť pracovať pri nižšom napätí ako pomocný regulátor inej batérie, vykazovať schopnosť hlbšieho vybíjania batérie nezávisle na úrovni napätia článku.

V uprednostňovaných uskutočneniach prihlasovaného vynálezu pracuje konvertor len vtedy, ak napätie článku klesne na, alebo pod vopred stanovenú úroveň napätia. V takýchto uskutočneniach sa vnútorné straty konvertora minimalizujú, pretože konvertor pracuje len vtedy, ak je to nutné. Vopred stanovená úroveň napätia je výhodne v rozsahu od menovitého napätia elektrochemického článku po najvyššie závemé napätie triedy prístrojov, pre ktoré je batéria určená. Vopred stanovená úroveň napätia je výhodnejšie o niečo vyššia ako najvyššie záverné napätie triedy prístrojov, pre ktoré je batéria určená. Vopred stanovené napätie môže byť napríklad v rozsahu od približne najvyššieho záverného napätia triedy prístrojov, pre ktoré je batéria určená, až do približne 0,2 V plus záverné napätie, výhodne v rozsahu od približne najvyššieho záverného napätia triedy prístrojov, pre ktoré je batéria určená, až do približne 0,15 V plus záverné napätie, výhodnejšie v rozsahu od približne najvyššieho záverného napätia triedy prístrojov, pre ktoré je batéria určená, až do približne 0,1 V plus záverné napätie a dokonca ešte výhodnejšie v rozsahu od približne najvyššieho záverného napätia triedy prístrojov, pre ktoré je batéria určená, až do približne 0,05 V plus závemé napätie. Napríklad elektrochemický článok, ktorý má obecne menovité napätie približne 1,5 V vykazuje vopred stanovené napätie v rozsahu od približne 0,8 V do približne 1,8 V. Výhodne je vopred stanovené napätie v rozsahu od približne 0,9 V do približne 1,6 V. Výhodnejšie je vopred stanovené napätie v rozsahu od približne 0,9 V do približne 1,5 V. Ešte výhodnejšie je vopred stanovené napätie v rozsahu od približne 0,9 V do približne 1,2 V, pričom dokonca ešte výhodnejšie je vopred stanovené napätie v rozsahu od približne 1,0 V do približne 1,2 V. Najvýhodnejšia je taká úroveň napätia, ktorá je o niečo vyššia alebo rovnaká ako najvyššie závemé napätie triedy prístrojov, pre ktoré je batéria určená. Avšak regulátor, ktorý je konštruovaný pre činnosť v elektrochemickom článku vykazujúcom nominálne napätie približne 3,0 V, môže mať obecne vopred stanovenú úroveň napätia v rozsahu od približne 2,0 V do približne 3,4 V. Výhodne je vopred stanovené napätie v rozsahu približne od 2,2 V do približne 3,2 V.

Výhodnejšie je vopred stanovené napätie v rozsahu približne od 2,4 V do približne 3,2 V. Ešte výhodnejšie je vopred stanovené napätie v rozsahu približne od 2,6 V do približne 3,2 V, pričom dokonca ešte výhodnejšie je vopred stanovené napätie v rozsahu od približne 2,8 V do približne 3,0 V. Najvýhodnejšia je taká úroveň napätia, ktorá je o niečo vyššia alebo rovnaká ako najvyššie záverné napätie triedy prístrojov, pre ktoré je batéria určená.

Ak napätie článku klesne na alebo pod vopred stanovenú úroveň napätia, regulátor zapne konvertor a zosilní napätie článku na požadované výstupné napätie, ktoré postačuje pre napájanie zaťaženia. Toto je úsporné opatrenie proti stratám konvertora, ktoré nie sú nutné pri dostatočne vysokom napätí článku pre napájanie záťaže, ale potom tento konvertor dáva elektrochemickému článku možnosť pokračovať vo vybíjaní dokonca aj vtedy, ak napätie článku klesne pod úroveň, ktorá sa vyžaduje pre napájanie zaťaženia. Regulátor môže používať jeden riadiaci mechanizmus alebo väčší počet riadiacich mechanizmov od jednoduchej kombinácie porovnávača napätia a elektronického spínača, ktorý zapína konvertor vtedy, ak napätie článku klesne na vopred stanovenú úroveň, až po zložitejšie riadiace schémy, z ktorých niektoré budú opísané v ďalšom texte.

Univerzálna batéria podľa prihlasovaného vynálezu, ktorá je konštruovaná pre dané výstupné napätie, má výhodne schopnosť predlžovať prevádzkovú dobu batérie vtedy, ak sa používa na napájanie prístroja alebo zariadenia. V tejto prihláške používaný výraz „univerzálna” batéria označuje batériu, ktorá môže poskytovať rovnosmerné výstupné napätie nezávisle na elektrochemickej podstate článkov, alebo fyzikálnom mechanizme galvanických článkov. Takto je batéria podľa prihlasovaného vynálezu konštruovaná pre účely predlžovania svojej prevádzkovej doby na základe udržiavania výstupného napätia batérie na úrovni, ktorá je vyššia alebo rovnaká ako záverné napätie daného prístroja, tak dlho, až zabudovaný regulátor vypne v dôsledku poklesu napätia primárneho elektrochemického článku (elektrochemických článkov) na takú úroveň, pod ktorou pomocný regulátor nemôže ďalej pracovať, alebo v dôsledku poklesu napätia opakovateľne nabíjaného elektrochemického článku na jeho optimálnu hĺbku vybíjania. Batéria podľa prihlasovaného vynálezu, ktorá je konštruovaná pre napájanie špecifického elektronického prístroja alebo úzkej triedy elektronických prístrojov, ktoré majú podobné záverné napätia, môže byť špecificky konštrukčne usporiadaná pre účinnejšiu prevádzku na základe tesnejšieho približovania vopred stanovenej úrovne napätia vo vzťahu k závernému napätiu (závérným napätiam) tohoto prístroja (týchto prístrojov).

Po druhé, tento regulátor môže tiež znižovať napätie elektrochemického článku (elektrochemických článkov), ktorý má (ktoré majú) menovité napätie vyššie ako požadované výstupné napätie a/alebo meniť výstupnú impedanciu napätia elektrochemického článku (elektrochemických článkov) batérie. Toto nielen predlžuje prevádzkovú dobu batérií, ale tiež dáva možnosť širšej výmennej použiteľnosti elektrochemických článkov, majúcich rozdielne menovité napätia, než je inak možné, umožňuje konštruktérom využívať výhodu väčšieho nahromadeného potenciálu elektrochemických článkov majúcich vyššie menovité napätie a umožňuje týmto konštruktérom vytvárať podmienky na menenie výstupnej impedancie určitých elektrochemických článkov v záujme prispôsobovania impedancie požadovaným úrovniam alebo pre účely rozširovania výmennej použiteľnosti rôznych typov elektrochemických článkov a/alebo pre účely zvyšovania účinnosti elektrochemického článku napájajúceho konkrétny typ zaťaženia. Navyše elektrochemické články, ktoré sú neúčinné, predstavujú nebezpečenstvo pre životné prostredie, sú nákladné a celkovo sa používajú len kvôli špecificky požadovanému menovitému napätiu, ako je kadmioortuťový článok, môžu byť nahradzované bezpečnejšími, účinnejšími alebo lacnejšími elektrochemickými článkami, ktorých menovité napätie sa môže zvyšovať alebo znižovať, alebo ktorých výstupná impedancia sa môže meniť v záujme dosahovania požadovaného menovitého napätia alebo výstupnej impedancie podľa požiadaviek konkrétneho účelu používania.

Napríklad elektrochemický článok, majúci menovité napätie približne 1,8 V alebo vyššie sa môže zostavovať s takým regulátorom, ktorý znižuje toto vyššie menovité napätie na štandardnú úroveň menovitého napätia približne 1,5 V, takže sa batéria môže zamieňať s batériou, ktorá má menovité napätie približne 1,5 V. V jednom konkrétnom príklade sa štandardný lítiový článok, ako je primárny článok s obsahom lítia a MnO₂, majúci menovité napätie približne 3 V, môže včleňovať do batérie s regulátorom na znižovanie napätia, takže takáto batéria má výstupné napätie približne 1,5 V. Tým sa získava batéria, ktorá má aspoň dvojnásobný výkon ako batéria, majúca elektrochemický článok s menovitým napätím približne 1,5 V a rovnakým objemom. Navyše sa takto získava lítiový článok, ktorý možno zamieňať za štandardnú alkalickú alebo zinkouhlíkovú jednočlánkovú batériu bez potreby zmeny chemickej podstaty vysokého potenciálu lítia, ktorá by inak znížila nahromadenú chemickú energiu článku. Konečne batérie, ktoré majú elektrochemické články, ako sú lítiové iónové batérie, magnéziové batérie, magnéziové vzduchové a hliníkové vzduchové batérie, taktiež vykazujú nominálne napätie približne 1,8 V a môžu sa použiteľné zamieňať so štandardnou batériou, majúcou menovité napätie približne 1,5 V. Nielenže existuje možnosť použiteľného zamieňania rozdielnych typov elektrochemických článkov, ale navyše je možné zostavovať rozdielne typy elektrochemických článkov spolu v hybridnej batérii. Takto sa rozdielne typy batérií, ktoré obsahujú rozdielne elektrochemické články s rôznym menovitým napätím alebo vnútornou impedanciou, môžu používať vymeniteľným spôsobom, alebo sa môžu zhotovovať hybridné batérie, ktoré obsahujú rozdielne typy elektrochemických článkov.

Elektrochemické články, ktoré majú menovité napätie, pod ktorého úrovňou budú pracovať typické elektronické prístroje, môžu alternatívne používať regulátor so zabudovaným zosilňovacím konvertorom na zosilňovanie alebo zvyšovanie menovitého napätia. Toto poskytuje batérii, ktorá má tento typ elektrochemického článku, možnosť používania v kombinácii s takým prístrojom, ktorý vyžaduje vyššiu úroveň napätia, ako by článok inak mohol poskytovať. Navyše batéria, majúca tento typ článku, sa taktiež môže použiteľné zamieňať so štandardnými alkalickými alebo zinkouhlíkovými elektrochemickými článkami. Takto možno poskytovať komerčne žiadané, široko použiteľné batérie, ktoré by inak neboli z praktického hľadiska spotrebiteľa považované za zaujímavé kvôli príliš nízkemu menovitému napätiu.

Niekoľko galvanických článkov, ktoré majú menovité napätie nižšie, ako je napätie, pri ktorom bude typický elektronický prístroj pracovať, môže navyše používať vybíjací pomocný regulátor so zabudovaným zosilňovacím konvertorom na zosilňovanie menovitého napätia. Takto poskytuje hybridná batéria, ktorá má tento typ galvanického článku, možnosť používania v kombinácii s takým prístrojom, ktorý vyžaduje vyššiu úroveň napätia, než by článok inak mohol poskytovať. Navyše batéria, majúca tento typ článku, sa taktiež môže zamieňať so štandardnými alkalickými alebo zinkouhlíkovými elektrochemickými článkami. Takto je možné poskytovať komerčne žiadané, široko použiteľné batérie majúce hybridné články, ktoré by inak z praktického hľadiska spotrebiteľa neboli považované za zaujímavé kvôli príliš nízkemu menovitému napätiu.

Medzi príkladmi typov batérií, ktoré sa môžu používať v prihlasovanom vynáleze, patria uvedené zinkouhlíkové, alkalické a lítiové batérie. Ďalšie primárne batérie, ktoré sa taktiež môžu používať v prihlasovanom vynáleze, sú bez akéhokoľvek výhradného obmedzenia uvedené v „Tabuľke 1”. V hybridnej batérii sa v kombinácii s primárnymi článkami môžu tiež používať sekundárne články. Je zrejmé, že prihlasovaný vynález umožňuje širšiu zameniteľnosť alebo nahraditeľnosť medzi rôznymi typmi elektrochemických článkov a medzi elektrochemickými článkami a alternatívnymi zdrojmi elektrického prúdu, ako sú palivové články, kondenzátory atd'., ako tomu bolo doposiaľ. Na základe umiestňovania regulátora do každého elektrochemického článku sa elektrické charakteristiky, ako je menovité napätie a výstupná impedancia rozdielnych typov elektrochemických článkov, môžu zoraďovať v záujme vytvárania konštrukčných podmienok pre vyhotovovanie väčšieho výberu článkov, ktoré sa používajú pri zostavovaní vymeniteľných batérií so štandardnými veľkosťami. Konštrukčné riešenia batérií môžu využívať konkrétne výhody elektrochemického článku pri súčasnom zachovávaní použiteľnej zameniteľnosti s batériami, ktoré obsahujú iné typy článkov. Prihlasovaný vynález sa navyše môže využívať pri vytváraní nových štandardných úrovní napätí na základe prevádzania menovitých napätí elektrochemických článkov na štandardné úrovne napätí.

TABUĽKA 1

Typy elektrochemických článkov a menovité napätia

Primárne články
Typ článku	Menovité napätie	Typ článku	Menovité napätie
Ortuť - kadmium	0,9 V	Lítium FeS₂	1,6 V
Oxid ortuťnatý	1,35 V	Magnézium - organický elektrolyt	1,6 V
Oxid ortuťnatý s MnO₂	1,4 V	Magnézium MnO₂	2,8 V
Zinok - vzduch	1,4 V	Lítium - tuhý elektrolyt	2,8 V
Uhlík - zinok	1,5 V	Lítium - MnO₂	3,0 V
Zinok - chlorid	1,5 V	Lítium (CF)_n	3,0 V
Alkalický MnO₂	1,5 V	Lítium SO₂	3,0 V
Striebro - oxid	1,5 V	Lítium SOC1₂	3,6 V
Sekundárne články
Typ článku	Menovité napätie	Typ článku	Menovité napätie
Striebro - kadmium	1,1 V	Zinok - bróm	1,6 V
Edison (oxid Fe-Ni)	1,2 V	Vysokoteplotný Li(Al) - FeS₂	1,7 V
Nikel - kadmium	1,2 V	Hliník - vzduch	1,9 V
Hybrid nikel kov	1,2 V	Olovo - kyselina	2,0 V
Nikel - vodík	1,2 V	Vysokoteplotný Na - S	2,0 V
Striebro - zinok	1,5 V	Lítium - organická látka Li - MnO₂	3,0 V
Zinok - vzduch	1,5 V	Lítium - polymér Li - VeOn	3,0 V
Nikel - zinok	1,6 V	Lítium - ión C - Li_xCoO₂	4,0 V

Inak nekompaktibilné elektrochemické články sa môžu navyše používať spolu v hybridných batériách, ktoré sa špeciálne konštruujú pre konkrétne účely použitia. Napríklad elektrochemický článok typu zinok - vzduch sa môže v hybridnej batérii používať spoločne s lítiovým článkom alebo v paralelnom alebo v sériovom zapojení. Elektrochemický článok typu zinok - vzduch má menovité napätie približne 1,5 V a veľmi vysokú hustotu energie, ale môže poskytovať nízke, stále úrovne elektrického prúdu.

Avšak lítiový článok má úroveň menovitého napätia približne 3,0 V a môže poskytovať krátke výboje vysokých úrovní elektrického prúdu. Regulátor každého elektrochemického článku vytvára rovnaké menovité výstupné napätie a umožňuje ako paralelné, tak aj sériové zapájanie. Ak sú články v paralelnom zapojení, regulátory môžu taktiež znemožňovať vzájomné vybíjanie článkov medzi sebou. Regulátor každého článku sa taktiež môže používať na pripájanie alebo odpájanie jedného článku alebo obidvoch článkov podľa toho, ako to vyžadujú podmienky zaťaženia. Preto platí, že ak je zaťaženie v režime nízkeho prúdu, potom sa článok typu zinok - vzduch môže pripojiť s cieľom poskytovať stály, nízky prúd, a ak je zaťaženie v režime vysokého prúdu, potom lítiový článok alebo kombinácia lítiových článkov a článkov typu zinok - vzduch môžu poskytovať elektrický prúd, ktorý je nevyhnutný pre napájanie daného zaťaženia.

Hybridné batérie môžu taktiež obsahovať rad rôznych variantov elektrochemických článkov, ako sú kombinácie alkalických článkov a článkov typu kov - vzduch, článkov typu kov - vzduch a sekundárnych článkov, ako aj kombináciu článku kov - vzduch a superkondenzátora. Jedna hybridná batéria môže navyše obsahovať kombináciu primárnych a sekundárnych článkov, primárnych a rezervných článkov, sekundárnych a rezervných článkov alebo primárnych, sekundárnych a rezervných článkov. Hybridné batérie môžu tiež obsahovať kombinácie jedného alebo viac elektrochemických článkov a jedného alebo viac ako jedného alternatívneho zdroja elektrického prúdu, akým je palivový článok, bežný kondenzátor alebo dokonca super/ultrakondenzátor. Hybridné batérie môžu navyše tiež obsahovať možné kombinácie dvoch alebo viac ako dvoch uvedených článkov alebo zdrojov elektriny.

Regulátor taktiež môže predlžovať prevádzkovú dobu batérie na základe ochrany elektrochemického článku (elektrochemických článkov) pred prúdovými špičkami, ktoré by mohli poškodzovať činnosť komponentov elektrochemického článku a znižovať elektrické napätie článku. Pomocný regulátor môže napríklad zabraňovať vytváraniu pamäťového efektu, ktorý vzniká na základe vysokých požiadaviek na elektrický prúd a skracuje dobu behu elektrochemického článku (elektrochemických článkov). Prúdové špičky taktiež poškodzujú elektrochemické články, ako sú alkalické články, lítiové články a články typu zinok - vzduch.

Regulátor, ktorý chráni elektrochemický článok pred účinkami prúdových špičiek, môže vytvárať dočasné hromadenie elektrického náboja na výstupe regulátora a takýto, dočasne nahromadený náboj sa môže využívať pri okamžitej požiadavke. Preto požiadavka prúdovej špičky môže byť kompletne eliminovaná alebo podstatne obmedzená pred tým, ako sa dostane do elektrochemického článku. Toto umožňuje, aby batéria jednak poskytovala prúdové špičky, ktoré sú vyššie, ako elektrochemický článok (elektrochemické články) môže (môžu) poskytovať priamo, a jednak chránila elektrochemický článok (elektrochemické články) pred špičkovými prúdmi, ktoré môžu poškodzovať komponenty článku. Výhodnou súčasťou na dočasné hromadenie náboja je kondenzátor. Takýmto kondenzátorom môže byť kondenzátor akéhokoľvek typu alebo kondenzátor, ktorý je v tejto oblasti techniky známy ako konvenčný kondenzátor, kondenzátor, ktoiý má tvar potlačeného tenkého filmu, alebo dokonca „superkondenzátor”. Napríklad na obr. 13 je znázornený kondenzátor Cf ,ktorý je zapojený priečne od vývodu 1320 k vývodu 1322 puzdra 1312.

Jediný regulátor bude výhodne predlžovať prevádzkovú dobu batérie ako na základe ochrany článku proti prúdovým špičkám, tak aj na základe prevádzania napätia článku na požadované výstupné napätie. Napríklad výhodné uskutočnenie pomocného regulátora môže zapínať konvertor vtedy, ak napätie článku klesne na vopred stanovenú úroveň napätia v záujme minimalizovania strát súvisiacich s konvertorom. Ten istý pomocný regulátor môže monitorovať ako napätie článku, tak aj výstupný prúd pre zaťaženie a zapínať konvertor alebo vtedy, ak napätie článku dosiahne vopred stanovenú úroveň napätia, alebo vtedy, ak prúd pre zaťaženie dosiahne vopred stanovenú úroveň. Regulátor môže alternatívne monitorovať ako napätie článku, tak aj výstupný prúd pre zaťaženie a určovať, či dodávanie požadovaného prúdu pre zaťaženie bude znižovať napätie článku pod úroveň závemého napätia. V poslednom uvedenom príklade pracuje tento regulátor na základe dvoch vstupných signálov, ktoré sú kombinované v algoritme na určovanie toho, či by mal byť zapnutý konvertor. Avšak v predchádzajúcom príklade zapne pomocný regulátor konvertor alebo vtedy, ak napätie článku klesne na vopred stanovenú úroveň napätia, alebo vtedy, keď sa výstupný prúd pre zaťaženie zvýši na vopred stanovenú úroveň. Tieto schémy budú spoločne s ďalšími schémami vysvetlené podrobnejšie v ďalšom texte.

Prihlasovaný vynález sa týka primárnych batérií pre zvláštne účely, ako aj bežne používaných primárnych batérií, ako sú AAA, AA, C alebo D články a 9 V batérie. Tento vynález berie do úvahy používanie primárnych batérií pre zvláštne účely a hybridných batérií, ktoré by mohli byť používané na rôzne účely. Predpokladá sa, že tieto primárne batérie pre zvláštne účely a hybridné batérie by boli využiteľné na nahradzovanie opakovateľne nabíjaných batérií, ktoré sú určené na používanie v mobilných telefónoch, prenosných laptop počítačoch atď., používanie ktorých je v súčasnej dobe obmedzené schopnosťou primárnych batérií dodávať požadovaný pomer elektrického prúdu v priebehu postačujúceho časového úseku. Navyše schopnosť samostatného riadenia výstupného napätia a výstupnej impedancie článkov poskytuje konštruktérom batérií možnosť navrhovať celkom nové typy hybridných batérií, ktoré používajú kombináciu rozdielnych typov článkov alebo alternatívne zdroje elektrického prúdu, ako sú fotonapäťové, termálne, palivové alebo mechanické články, bežné kondenzátory, alebo dokonca superkondenzátory v tej istej hybridnej batérii. Zvyšovanie počtu vzájomne zameniteľných typov elektrochemických článkov by mohlo tiež dať konštruktérom batérií možnosť vyvíjať štandardné primárne, alebo opakovateľne nabíjané batérie s cieľom obmedziť závislosť na batériách, ktoré sú konštruované na zákazku pre konkrétne prístroje, ako sú mobilné telefóny, prenosné laptop počítače, videokamery, fotoaparáty atď. Spotrebiteľ by si jednoducho mohol kúpiť štandardnú batériu na napájanie mobilného telefónu rovnako tak, ako si spotrebiteľ v súčasnosti kupuje batériu pre zábleskové svetlo alebo magnetofón, a nemusel by na trhu vyhľadávať batériu, ktorá sa vyrába zvlášť pre konkrétny typ, značku a/alebo model elektronického prístroja. Navyše sa zvyšovaním počtu vyrábaných štandardných batérií prudko znižuje cena za jednotku, výsledkom čoho je podstatne ľahšia dostupnosť batérií, ktoré by mohli úplne nahradzovať špeciálne konštruované, opakovateľne nabíjané batérie.

Elektronická etiketovacia technológia, ako je technológia používania na fotografickom filme atď., by sa mohla taktiež používať na označovanie presného typu článku (článkov) v batérii, nominálnu a/alebo zostatkovú kapacitu článku (článkov), špičkové a optimálne schopnosti dodávania prúdu, úrovne nabíjacieho prúdu, vnútornú impedanciu atď., takže „inteligentné” zariadenie by mohlo čítať elektronické údaje z etikety a optimalizovať ich spotrebovávanie s cieľom posilňovať výkon príslušného prístroja, predlžovať prevádzkovú dobu batérie atď. Fotoaparát, ktorý už využíva elektronické etiketovanie na príklad na určovanie rýchlosti filmu, by taktiež mohol využívať etiketovaciu technológiu pre svoje batérie tak, aby umožňoval pomalší priebeh nabíjania zábleskového svetla, ukončoval používanie zábleskového svetla atď. v záujme optimalizovania doby behu konkrétnej batérie. Prenosný laptop počítač by taktiež mohol využívať elektronickú etiketovaciu technológiu na určovanie najúčinnejších pracovných parametrov konkrétnych batérií, napríklad na základe menenia pracovnej rýchlostí v záujme najlepšieho využívania zostatkovej energie v batérii v priebehu časového úseku, ktorý užívateľ pre svoju činnosť potrebuje, alebo na základe využívania zapínacej/vypínacej technológie, podporujúcej úsporné nakladanie s energiou batérie. Navyše videokamery, mobilné telefóny atď. by taktiež mohli využívať elektronické etiketovanie pre účely optimálneho používania batérií.

Navyše primárne batérie by boli tiež použiteľné pre vzájomnú výmenu pri nahradzovaní rôznych typov primárnych alebo dokonca aj opakovateľne nabíjaných batérií v závislosti na želaní spotrebiteľa. Ako príklad možno uviesť, že v prípade vyčerpania opakovateľne nabíjaných batérií prenosného laptop počítača by užívateľ mohol kúpiť primárne batérie, ktoré by vydržali niekoľko hodín prevádzky do tej doby, než by užívateľ zabezpečil nabitie opakovateľne nabíjaných batérií. Užívateľ by si taktiež mohol kúpiť lacnejšiu batériu za predpokladu, že nepotrebuje vysokú výkonovú úroveň, ktorú by mohol poskytovať prístroj s cenovo nákladnejšími batériami.

Prihlasovaný vynález sa taktiež týka štandardných, spotrebných, primárnych batérií ako sú AAA, AA, C alebo D články a 9 V batérie. Napríklad vo výhodnom uskutočnení môže byť regulátor konštruovaný tak, aby spolupracoval s batériou, ktorá má menovité napätie približne 1,5 V, takže takýto regulátor môže pracovať pri nízkych úrovniach napätia, ako je približne 0,1 V v uskutočnení, obsahujúcom karbid kremíka („SiC”), približne 0,34 V v uskutočnení, obsahujúcom arzenid galia („GaAs”) a približne 0,54 V v konvenčnom uskutočnení na báze kremíka. Navyše so zmenšujúcou sa veľkosťou tlače sa taktiež budú znižovať aj tieto minimálne napätia. Ako príklad možno uviesť, že v prípade kremíka by zmenšenie tlače obvodu na 0,18 mikrónovou technológiou by sa minimálne pracovné napätie znížilo z približne 0,54 V na približne 0,4 V. V predchádzajúcom texte už bolo uvedené, že čím nižšie je minimálne vyžadované pracovné napätie regulátora, tým hlbšie môže regulátor regulovať napätie článku v záujme uskutočňovania možného najhlbšieho vybíjania primárneho elektrochemického článku, alebo optimálneho vybíjania opakovateľne nabíjaného elektrochemického článku. Takto je zmyslom tohoto vynálezu využívanie rôznych výhod zostavovaných obvodov s cieľom zvyšovať využiteľnosť batérie až na približne 100 % nahromadeného náboja elektrochemického článku. Avšak uskutočnenie na báze kremíka, ktoré je predložené na posúdenie, poskytuje až 95 % využitia nahromadeného potenciálu batérie, čo predstavuje značne vysokú hodnotu vybíjania v porovnaní s priemernou 40 % až 70 % využiteľnosťou primárnych elektrochemických článkov bez regulátora.

V jednom uprednostňovanom uskutočnení na báze kremíka je regulátor konštruovaný napríklad tak, aby pracoval pri napätiach, ktoré sú nízke až približne 1 V, výhodne približne 0,85 V, výhodnejšie približne 0,8 V, ešte výhodnejšie 0,7 V, dokonca ešte výhodnejšie približne 0,65 V, dokonca ešte o niečo výhodnejšie približne 0,6 V, pričom približne 0,54 V je najvýhodnejšie. V prípade takéhoto regulátora, ktorý je konštruovaný pre elektrochemický článok s menovitým napätím približne 1,5 V, má regulátor schopnosť pracovať pri takom vysokom vstupnom napätí, ktoré dosahuje až približne 1,6 V. Výhodnejšie má regulátor schopnosť pracovať pri takom vysokom vstupnom napätí, ktoré dosahuje až približne 1,8 V. Takto má výhodný pomocný regulátor schopnosť pracovať v rozsahu napätia od minimálne približne 1,8 V do približne 1,6 V. Avšak pomocný regulátor tiež môže, a výhodne to tak robí, pracovať taktiež mimo tento rozsah.

Avšak vo výhodnom uskutočnení regulátora, ktorý je konštruovaný podľa tohoto vynálezu na použitie v elektrochemickom článku, ktorý má menovité napätie približne 3,0 V, musí mať regulátor schopnosť pracovať pri vyššej úrovni napätia, ako je napätie, vyžadované pre činnosť regulátora, ktorý sa používa v kombinácii s elektrochemickým článkom, majúcim menovité napätie približne 1,5 V. V prípade elektrochemického článku, ktorý má menovité napätie približne 3,0 V, má regulátor schopnosť pracovať v rozsahu od približne 2,4 V do približne 3,2 V. Výhodnejšie má regulátor schopnosť pracovať v rozsahu od približne 0,8 V do približne 3,2 V. Ešte výhodnejšie má regulátor schopnosť pracovať v rozsahu od približne 0,6 V do približne 3,4 V. Dokonca ešte výhodnejšie má regulátor schopnosť pracovať v rozsahu od približne 0,54 V do približne 3,6 V, pričom rozsah od približne 0,45 V do približne 3,8 V je najvýhodnejší. Avšak regulátor tiež môže, a výhodne to tak aj robí, pracovať taktiež mimo tento rozsah.

Alternatívne výhodné uskutočnenie regulátora má schopnosť pracovať v kombinácii s elektrochemickým článkom, ktorý má menovité napätie alebo približne 1,5 V, alebo približne 3,0 V. V tomto uskutočnení má regulátor schopnosť pracovať s minimálnym vstupným napätím výhodne približne 0,8 V, výhodnejšie približne 0,7 V, ešte výhodnejšie približne 0,6 V a najvýhodnejšie približne 0,54 V a s maximálnym vstupným napätím približne 3,2 V, výhodnejšie približne 3,4 V, ešte výhodnejšie 3,6 V a najvýhodnejšie približne 3,8 V. Regulátor môže mať schopnosť pracovať napríklad v rozsahu približne

0,54 V do približne 3,4 V, od približne 0,54 V do približne 3,8 V, alebo od približne 0,7 V do približne 3,8 V atď.

Batérie podľa prihlasovaného vynálezu poskytujú tiež význačné výhody v porovnaní s bežnými batériami vtedy, ak sú používané v elektrických prístrojoch alebo zariadeniach, ako sú zábleskové svetlá atď., ktoré nemajú záverné napätie. Vzhľadom na to, že výkon elektrického zariadenia je priamo úmerný napájaciemu napätiu batérie, existuje úmerný vzťah medzi poklesom výkonu elektrického zariadenia a výstupným napätím batérie. Napríklad intenzita svetla žiarovky zábleskového svetla bude klesať v súvislosti s klesaním výstupného napätia batérie až do jej úplného vybitia. Avšak batéria podľa prihlasovaného vynálezu má regulátor, ktorý reguluje napätie článku na stálu, riadenú úroveň napätia v priebehu celého vybíjacieho cyklu, na ktorého konci napätie elektrochemického článku 30 klesá na takú úroveň, pod ktorou pomocný regulátor už nemôže pracovať. V tomto momente batéria vypne a elektrické zariadenie ukončí svoju činnosť. Avšak v priebehu vybíjacieho cyklu bude elektrické zariadenie pokračovať v poskytovaní pomerne stáleho výkonu (napríklad intenzity žiarovky) a úplnej funkčnosti až do vypnutia batérie.

Uprednostňované uskutočnenie batérie podľa prihlasovaného vynálezu taktiež obsahuje prostriedky na varovanie užívateľa v súvislosti s nízkou kapacitou zostávajúceho náboja. Regulátor môže napríklad odpojiť elektrochemický článok (elektrochemické články) od výstupných vývodov a znovu tento článok (tieto články) pripojiť k výstupným vývodom batérie prerušovane v priebehu krátkeho časového úseku vtedy, ak napätie elektrochemického článku dosiahne vopred stanovenú hodnotu. Toto sa môže prejaviť v podobe viditeľného, počuteľného, vibračného alebo čitateľného oznámenia o vyčerpaní kapacity batérie. Navyše pomocný regulátor by tiež mohol umelo vytvárať podmienky stavu zrýchleného vybíjania batérie znižovaním výstupného napätia na konci doby životnosti batérie. Pomocný regulátor by napríklad mohol začať znižovať výstupné napätie vtedy, ak sa akumulačná kapacita batérie blíži k 5 % jej predpísanej kapacity. Takto by zníženie hlasitosti prehrávača magnetofónových kaziet alebo kompaktných diskov., prípadne signalizovanie indikátora na prístroji vyslalo užívateľovi varovné oznámenie o stave batérií.

Obr. 7 predvádza blokovú schému jedného uskutočnenia podľa prihlasovaného vynálezu, v ktorom je DC/DC konvertor 750 elektricky alebo výhodne elektronicky zapojený medzi kladnou elektródou 732 a zápornou elektródou 734 elektrochemického článku 730 a kladným vývodom 720 a záporným vývodom 722 puzdra 712. DC/DC konvertor 750 prevádza napätie priečne od kladnej elektródy 732 k zápornej elektróde 734 elektrochemického článku 730 na výstupné napätie pri kladnom výstupe 720 a zápornom výstupe 722 puzdra 712. DC/DC konvertor 750 môže uskutočňovať zvyšujúce prevádzanie napätia, znižujúce prevádzanie napätia, ako zvyšujúce, tak aj znižujúce prevádzanie napätia alebo stabilizovanie napätia pri výstupných vývodoch 720 a 722. V tomto uskutočnení pracuje DC/DC konvertor v plynulom režime, v ktorom sa výstupné napätie elektrochemického článku 730 prevádza na stále výstupné napätie pri vývode 720 a 722 po celý čas behu batérie. Toto uskutočnenie stabilizuje výstupné napätie puzdra 712 pri výstupných vývodoch 720 a 722. Poskytovanie stáleho výstupného napätia dáva konštruktérom elektronických prístrojov možnosť obmedzovať zložitosť výkonových riadiacich obvodov elektronických prístrojov a v súvislosti stým zmenšovať veľkosť, znižovať hmotnosť, ako aj znižovať náklady na výrobu takýchto zariadení.

DC/DC konvertor 750 bude pokračovať vo svojej činnosti do toho času, až napätie elektrochemického článku 730 klesne pod minimálne polarizované prestupné napätie („Vfb”) konvertora 750. Takto pri situácii, kedy je minimálne polarizované priame napätie („Vfb”) DC/DC konvertora 750 nižšie ako záverné napätie elektronického prístroja, ktorý batériu 710 napája, bude regulátor 740 tiež predlžovať prevádzkovú dobu batérie 710 v dôsledku vybíjania batérie 710 pod záverným napätím elektronického prístroja tak dlho, ako dlho sa bude výstupné napätie pri vývodoch 720 a 722 puzdra 712 udržiavať nad úrovňou záverného napätia elektronického prístroja.

V jednom výhodnom uskutočnení prihlasovaného vynálezu, predvedeného na obr. 7, môže byť DC/DC konvertorom, ktorý pracuje v plynulom režime, znižovací konvertor, ktorý znižuje napätie elektrochemického článku 730 na výstupné napätie puzdra 712. V jednom uskutočnení regulátora 740, ktorý obsahuje znižovací konvertor, znižuje tento konvertor napätie prvého typu elektrochemického článku 730 na výstupné napätie puzdra 712. kedy sa toto výstupné napätie blíži úrovni menovitého napätia druhého typu elektrochemického článku, takže batéria, obsahujúca prvý typ elektrochemického článku 730 je vzájomne zameniteľná s batériou, obsahujúcou druhý typ elektrochemického článku. Napríklad elektrochemický článok, ktorý má vyššie menovité napätie ako štandardný 1,5 V článok, by sa mohol používať v kombinácii so znižovacím, plynulo pracujúcim konvertorom a mohol by vytvoriť článok, ktorý je vzájomne zameniteľný so štandardným článkom bez potreby uskutočňovania zmeny chemickej podstaty elektrochemického článku. Toto uskutočnenie poskytuje možnosť vyššieho stupňa vzájomnej zameniteľnosti rozdielnych typov elektrochemických článkov, ktorá je pritom možná bez uskutočňovania zmien chemickej podstaty vlastného elektrochemického článku a zmenšovania nahromadenej chemickej energie článku.

Ako príklad možno uviesť, že lítiový článok sa môže používať v štandardnej AA batériovej zostave, aby poskytoval aspoň dvakrát väčšiu kapacitu ako alkalická batéria, ktorá má rovnaký objem. Lítiový článok, ako je primárny alebo opakovateľne nabíjaný lítium MnO₂ článok, má menovité napätie približne 3,0 V a nemôže sa normálne vzájomne zamieňať so štandardnou AA alkalickou batériou, ktorá má menovité napätie približne 1,5 V. Konštruktéri batérií však zmenili chemickú podstatu lítiového elektrochemického článku, aby vyvinuli lítiové batérie, ktoré majú menovité napätie približne 1,5 V, v záujme poskytnutia lítiovej batérie, ktorá sa môže vzájomne zamieňať napríklad so štandardnou AA alkalickou batériou. Hoci táto 1,5 V lítiová batéria má naďalej schopnosť dodávania vysokých prúdových úrovní na využitie v zaťažených obvodoch fotografických zábleskových svetiel, tento 1,5 V lítiový elektrochemický článok neposkytuje významné zvýšenie celkovo nahromadenej chemickej energie v porovnaní s alkalickým článkom, ktorý má rovnaký objem. Prihlasovaný vynález však poskytuje možnosť používania štandardného lítiového elektrochemického článku, ktorý má menovité napätie približne 3 V a obsahuje regulátor na prevádzanie tohoto menovitého napätia nadol na približne 1,5 V. Takto batérie poskytuje zhruba dvojnásobok nahromadenej chemickej energie 1,5 V alkalického článku v takejto batérii, ktorá je úplne vzájomne zameniteľná s každou 1,5 V batériou. Navyše, lítiová batéria podľa prihlasovaného vynálezu by poskytovala rovnakú vysokonapäťovú úroveň ako 1,5 V článok so zmenenou chemickou podstatou.

Navyše regulátor 740 taktiež optimalizuje výkon elektrického zariadenia ako je zábleskové svetlo, ktoré používa batériu 710. Hoci sa elektrické zariadenie nebude vypínať ako elektronický prístroj pri minimálnom pracovnom napätí, výkon elektrického zariadenia, prejavujúci sa intenzitou žiarovky zábleskového svetla bude klesať s poklesom vstupného napätia. Takto stále výstupné napätie batérie 710 umožňuje udržiavanie stáleho výkonu elektrického zariadenia po celý čas behu batérie bez poklesu výkonu takého elektrického zariadenia, ktorý vyplýva z poklesu napätia elektrochemického článku 730.

DC/DC konvertor 750 môže využívať jednu alebo viac známych regulačných schém, medzi ktoré patrí impulzová modulácia, ktorá môže ďalej obsahovať moduláciou šírkou impulzov („PWM”), moduláciu amplitúdou impulzov („PAM”), moduláciou opakovacím kmitočtom impulzov („PFM”) a impulzovú fázovú moduláciu („ΡψΜ”), rezonančné konvertory atď. na riadenie pracovných parametrov konvertora 750. Výhodné uskutočnenie konvertora 750 podľa tohoto vynálezu používa moduláciou šírkou impulzov. Ešte výhodnejšie uskutočnenie využíva kombináciu modulácie šírkou impulzov a impulzovej fázovej modulácie, čo bude podrobnejšie opísané v ďalšom texte.

V uprednostňovanom uskutočnení DC/DC konvertora 750. určeného na použitie v batérii podľa prihlasovaného vynálezu, je DC/DC konvertor 750 riadený modulátorom šírky impulzov. Modulátor šírky impulzov generuje riadiaci signál so stálou frekvenciou, v ktorom sa oznamujú zmeny pracovného cyklu. Ako príklad možno uviesť, že pracovný cyklus môže byť nula pri vypnutí konvertora, 100 % pri činnosti konvertora na plný výkon a hodnoty medzi nulou a 100 % v závislosti na požiadavkách zaťaženia a/alebo zostávajúcej kapacity elektrochemického článku 730. Schéma modulácie šírkou impulzu má aspoň jeden výstupný signál, ktorý sa využíva na generovanie pracovného cyklu. V jednom uskutočnení sa hodnoty výstupného napätia a výstupov 720 a 722 puzdra 712 priebežne monitorujú a porovnávajú sa s referenčným napätím. V tomto prípade vytvára záporná spätnoväzbová slučka z výstupného napätia pri výstupoch 720 a 722 puzdra 712 možnosť, aby DC/DC konvertor poskytoval stabilizované výstupné napätie. Alternatívne môže DC/DC konvertor 750 využívať viacnásobné vstupné signály, ako sú signály, týkajúce sa napätia článku, čo je napätie priečne od kladnej elektródy 732 k zápornej elektróde 734 elektrochemického článku 730, a signály týkajúce sa výstupného prúdu pre generovanie pracovného cyklu. V tomto uskutočnení sa hodnoty napätia článku a výstupného prúdu monitorujú, a DC/DC konvertor 750 generuje pracovný cyklus, ktorý je funkciou týchto dvoch parametrov.

Obr. 8 až 11 predvádzajú blokové schémy ďalších integrovaných obvodov regulátora podľa prihlasovaného vynálezu. V každom z týchto uskutočnení obsahuje integrovaný obvod regulátora aspoň dva hlavné komponenty: (1) DC/DC konvertor a (2) ovládač konvertora, ktorý elektricky alebo výhodne elektronicky pripája a odpája DC/DC konvertor medzi elektródami elektrochemického článku a výstupnými vývodmi puzdra, takže k vnútorným stratám DC/DC konvertora dochádza len vtedy, ak DC/DC konvertor musí prevádzať napätie článku na také napätie, ktoré je nevyhnutné pre napájanie zaťaženia. DC/DC konvertor sa môže napríklad zapínať len vtedy, ak napätie článku klesá na vopred stanovenú úroveň, pod ktorou nemôže dané zaťaženie naďalej pracovať. V inom prípade platí, že ak elektronický prístroj vyžaduje vstupné napätie vo zvláštnom rozsahu, ako je napríklad ± 10% menovitého napätia batérie, potom ovládač konvertora môže „zapínať” DC/DC konvertor vtedy, ak je napätie článku mimo požadovaného rozsahu, avšak môže konvertor „vypínať”, ak je napätie článku v požadovanom rozsahu.

Napríklad na obr. 8 je DC/DC konvertor 850 elektricky zapojený medzi kladnou elektródou 832 a zápornou elektródou 834 elektrochemického článku 830 a kladným vývodom 820 a záporným vývodom 822 puzdra 812. Ovládač 852 konvertora je tiež elektricky zapojený medzi kladnou elektródou 832 a zápornou elektródou 834 elektrochemického článku 830 a kladným vývodom 820 a záporným vývodom 822 puzdra 812. V tomto príklade ovládač 852 konvertora účinkuje ako spínač, ktorý alebo pripája elektrochemický článok 830 priamo k výstupným vývodom 820 a 822 puzdra 812, alebo zapája DC/DC konvertor 850 medzi elektrochemickým článkom 830 a výstupnými vývodmi 820 a 822 puzdra 812. Ovládač 852 konvertora súvislo monitoruje hodnoty výstupného napätia a porovnáva ich s jednou alebo s viacerými úrovňami vnútorne generovaných prahových hodnôt napätia. Ak klesne výstupné napätie puzdra 812 pod úroveň prahovej hodnoty napätia alebo je mimo požadovaný rozsah úrovní prahového napätia, potom ovládač 852 konvertora elektricky, alebo výhodne elektronicky „zapína” DC/DC konvertor 850. čím zapája tento DC/DC konvertor 850 medzi elektrochemickým článkom 830 a výstupnými vývodmi 820 a 822 puzdra 812. Prahová hodnota napätia je výhodne v rozsahu od približne menovitého napätia elektrochemického článku 830 do približne najvyššej úrovne závemého napätia triedy elektronických prístrojov, pre činnosť ktorých je batéria konštruovaná. V alternatívnom prípade môže ovládač 852 konvertora sústavne monitorovať napätie elektrochemického článku a porovnávať toto napätie s prahovou hodnotou napätia v záujme riadenia činnosti DC/DC konvertora 850.

Regulátor 940 znázornený na obr. 9 môže obsahovať súčasti regulátora 840. znázorneného na obr. 8, ale navyše obsahuje predpäťový obvod 980 s nulovým elektrickým potenciálom, ktorý je elektricky zapojený medzi elektródami 932 a 934 elektrochemického článku 930, DC/DC konvertorom 950, ovládačom 952 konvertora a výstupnými vývodmi 920 a 922 puzdra 912. Predpäťový obvod 980 s nulovým elektrickým potenciálom zabezpečuje dodávanie úrovne napätia so záporným predpätím („Vnb”) do DC/DC konvertora a do záporného výstupného vývodu 922 puzdra 911. Toto zvyšuje napätie, ktoré sa privádza do DC/DC konvertora 950 z napätia článku, na úroveň napätia článku plus absolútna hodnota úrovne napätia so záporným predpätím („Vnb”). Toto umožní činnosť konvertora 950 pri účinnej úrovni napätia do toho času, než skutočné napätie článku klesne na takú úroveň napätia, ktorá je nižšia ako minimálne polarizované priepustné napätie, ktoré je nevyhnutné na riadenie predpäťového obvodu 980 s nulovým elektrickým potenciálom. Takto môže konvertor 950 účinnejšie odčerpávať vyššie úrovne napätia z elektrochemického článku 930, ako by to bolo možné len s využitím napätia elektrochemického článku 930, riadiacim činnosť konvertora 950. Vo výhodnom uskutočnení vybíjacieho pomocného regulátora 940, ktorý je určený pre batériu 910 podľa prihlasovaného vynálezu a má elektrochemický článok s menovitým napätím približne 1,5 V, je napätie so záporným predpätím („Vnb”) výhodne v rozsahu od približne 0 V do približne 1 V. Výhodnejšie je napätie so záporným predpätím („Vnb”) približne 0,5 V, pričom najvýhodnejšie je približne 0,4 V. V konečnom dôsledku poskytuje predpäťový obvod 980 s nulovým elektrickým potenciálom konvertora 950 možnosť hlbšieho vybíjania elektrochemického článku 930 a zvyšuje účinnosť konvertora 950 pri čerpaní prúdu z elektrochemického článku 930 aj vtedy, ak napätie článku klesne pod približne 1 V v prípade elektrochemického článku, ktorý má menovité napätie približne 1,5 V.

Jeden príklad uskutočnenia nábojového čerpadla 988, ktoré sa môže používať ako predpäťový obvod 980 s nulovým elektrickým potenciálom v batérii 910 podľa prihlasovaného vynálezu je predvedený na obr. 9A. Ak sú spínače SI a S3 uzavreté a spínače S2 a S4 otvorené, potom sa v tomto uskutočnení napätie elektrochemického článku 930 nabíja kondenzátor Ca. Ak sú potom spínače SI a S3 otvorené a spínače S2 a S4 uzavreté, potom sa nabíjanie kondenzátora Ca invertuje a prenáša sa na kondenzátor Cb, ktorý poskytuje invertované výstupné napätie z napätia elektrochemického článku 930. Nábojové čerpadlo 988 predvedené na obr. 9A môže byť alternatívne nahradené akýmkoľvek použiteľným obvodom nabíjacieho čerpadla, ktorý je v tejto oblasti techniky známy.

V uprednostňovanom uskutočnení podľa prihlasovaného vynálezu obsahuje predpäťový obvod 980 s nulovým elektrickým potenciálom obvod 988 nábojového čerpadla. Obvod 986 nábojového čerpadla je predvedený na obr. 9B a obsahuje hodinový generátor 987 a jedno alebo viac čerpadiel 988. Vo výhodnom uskutočnení obvodu 986 nábojového čerpadla, predvedeného na obr. 9B, toto nábojové čerpadlo napríklad obsahuje dvojposchodovú sústavu majúcu štyri miniatúrne čerpadlá 989 a jedno hlavné čerpadlo 990. Možno však použiť aj nejaký iný počet miniatúrnych čerpadiel 989. Jedno výhodné uskutočnenie obvodu 986 nábojového čerpadla napríklad obsahuje dvanásť miniatúrnych čerpadiel 989 a jedno hlavné čerpadlo. Činnosť miniatúrnych čerpadiel 989 a hlavného čerpadla 990 tohoto uskutočnenia sa riadi štyrmi rozdielnymi fázovými riadiacimi signálmi 991a. 991b. 991c a 991 d. ktoré generuje hodinový generátor 987, a ktoré majú rovnaký kmitočet, ale sú od seba fázovo posunuté. Napríklad odstupy fázového posunu riadiacich signálov 991a až 991d môžu byť nastavené po deväťdesiat stupňoch od seba. V tomto uskutočnení každé z miniatúrnych čerpadiel 989 vytvára invertované výstupné napätie ovládacích signálov 991a až 991 d. ktoré generuje hodinový generátor. Hlavné čerpadlo 980 sčíta výstupy daného počtu miniatúrnych čerpadiel 989 a vytvára výstupný signál pre obvod 986 nábojového čerpadla, ktorý má rovnakú úroveň napätia ako jednotlivé výstupné napätia miniatúrnych čerpadiel, avšak účinkuje pri vyššej úrovni prúdu, ako je súhrnný prúd, ktorý vytvárajú všetky miniatúrne čerpadlá 989. Tento výstupný signál vytvára virtuálny nulový elektrický potenciál pre DC/DC konvertor 950 a záporný výstupný vývod 922 batériového puzdra 912.

Podľa ďalšieho znaku tohoto vynálezu obvod nábojového čerpadla ďalej obsahuje ovládač 992 nábojového čerpadla, ktorý v záujme minimalizovania strát súvisiacich s obvodom 986 nábojového čerpadla, zapína tento obvod 986 nábojového čerpadla len vtedy, ak napätie článku klesá pod vopred stanovenú úroveň napätia. Vopred stanovené napätie ovládača 992 nábojového čerpadla môže byť napríklad v rozsahu od približne menovitého napätia elektrochemického článku 930 do približne najvyššieho záverného napätia skupiny elektronických prístrojov, pre napájanie ktorých je batéria 910 konštruovaná. Vopred stanovená úroveň napätia je priaznivo trochu vyššia ako najvyššie závemé napätie triedy elektronických prístrojov, pre činnosť ktorých je batéria 910 konštruovaná. Napríklad výhodné, vopred stanovené napätie je približne o 0,2 V vyššie ako závemé napätie triedy elektronických prístrojov, pre činnosť ktorých je batéria 910 konštruovaná. Výhodnejšie vopred stanovené napätie je o približne 0,15 V vyššie ako záverné napätie triedy elektronických prístrojov, pre činnosť ktorých je batéria 910 konštruovaná. Ešte výhodnejšie vopred stanovené napätie je o približne 0,1 V vyššie ako záverné napätie, najvýhodnejšie vopred stanovené napätie je približne o 0,05 V vyššie ako záverné napätie. Obvod 986 nábojového čerpadla by mohol byť alternatívne riadený rovnakým riadiacim signálom, ktorý zapína DC/DC konvertor 950 tak, že obvod 986 nábojového čerpadla účinkuje len vtedy, keď pracuje konvertor 950.

Ďalej možno uviesť, že v dôsledku vypnutia predpäťového obvodu 980 s nulovým elektrickým potenciálom virtuálny nulový elektrický potenciál, ktorý účinkuje na záporný výstupný vývod 922 puzdra 912 výhodne upadá na úroveň napätia zápornej elektródy 943 elektrochemického článku 930. Takto za stavu, keď je predpäťový obvod 980 s nulovým elektrickým potenciálom nečinný, pracuje batéria v štandardnom usporiadaní nulového elektrického potenciálu, ktorý vytvára záporná elektróda 934 elektrochemického článku 930.

Predpäťový obvod 980 s nulovým elektrickým potenciálom by alternatívne mohol obsahovať druhý DC/DC konvertor, ako je „Buck-Boost” konvertor, konvertor typu Cuk alebo lineárny regulátor. Navyše DC/DC konvertor 950 a predpäťový obvod 980 s nulovým elektrickým potenciálom by sa mohli skombinovať a nahradiť jediným konvertorom, akým je “Buck-Boost” konvertor, dvojčinný konvertor alebo konvertor so spätným chodom, ktorý bude uskutočňovať ako zvyšovanie kladného výstupného napätia, tak aj znižovanie záporného predpätia.

Obr. 10 predvádza ešte ďalšie uskutočnenie obvodu regulátora 1040 podľa prihlasovaného vynálezu. V tomto uskutočnení má DC/DC konvertor 1050 schopnosť prijímať opravný riadiaci signál z vonkajšieho zdroja, ako je detekčný obvod 1062 fázového posunu. Ako už bolo uvedené v súvislosti s obr. 7, DC/DC konvertor 1050 využíva riadiacu schému modulátora pre moduláciou šírkou impulzu pre účely riadenia pracovných parametrov konvertora 1050. V tomto uskutočnení obvod 1040 vybíjacieho pomocného regulátora obsahuje rovnaké súčasti ako obvod 940 vybíjacieho pomocného regulátora, predvedený na obr. 9, avšak navyše obsahuje detekčný obvod 1062 fázového posunu, ktorý meria okamžitý fázový posun ψ medzi zložkami striedavého prúdu napätia článku na elektróde 1032 a prúdom, čerpaným z elektrochemického článku 1030. ktorý sa meria naprieč prúdového detekčného odporu Rc. DC/DC konvertor 1050 používa tento signál v kombinácii s ďalšími, vo vnútri alebo vonku vyvíjanými riadiacimi signálmi na generovanie pracovného cyklu.

Regulátor 1140 podľa uskutočnenia predvedeného na obr. 11 môže obsahovať rovnaké súčasti ako vybíjací pomocný regulátor 1040. znázornený na obr. 10, avšak navyše obsahuje núdzový obvod 1182. ktorý je elektricky pripojený k obidvom stranám prúdového detekčného odporu Rc a k zápornému vývodu 1122 elektrochemického článku 1130 a ktorý je ďalej pripojený k ovládaču 1152 konvertora. Núdzový obvod 1182 môže vysielať signál do ovládača 1152 konvertora ako reakciu na zmenu bezpečnostného stavu alebo bezpečnostných stavov, ktorá vyžaduje odpojenie elektrochemického článku (elektrochemických článkov) od výstupných vývodov 1120 a 1122 puzdra 1112 z dôvodu ochrany spotrebiteľa, elektrického zariadenia alebo elektronického prístroja alebo samotného elektrochemického článku. Ako príklad možno uviesť, že v prípade skratu alebo obrátenej polarity tento núdzový obvod 1182 vysiela do ovládača 1152. signály na odpojenie elektród 1132 a 1134 elektrochemického článku 1030 od vývodov 1120 a 1122 puzdra 1112. Núdzový obvod 1182 môže navyše poskytovať informáciu o závere vybíjacieho cyklu elektrochemického článku 1130 do ovládača 1152 konvertora na základe detekovania napätia a/alebo vnútornej impedancie elektrochemického článku 1130. Regulátor 1140 môže napríklad znížiť prúd, ak zostávajúca kapacita elektrochemického článku 1130 klesne na vopred stanovenú úroveň, prerušovane odpájať a znovu pripájať elektródy 1132 a 1134 elektrochemického článku 1130 od a k výstupným vývodom 1120 a 1122 v priebehu krátkeho časového úseku, ak dosahuje zostávajúca kapacita elektrochemického článku vopred stanovenú hodnotu, alebo poskytovať niektoré ďalšie viditeľné, počuteľné alebo automaticky čitateľné upozornenia o blížiacom sa vypnutí batérie. Na konci vybíjacieho cyklu môže núdzový obvod taktiež vyslať signál do ovládača 1152 konvertora s cieľom odpojiť elektrochemický článok 1130 od vývodov 1120 a 1122 puzdra 1112 a/alebo skratovať výstupné vývody 1120 a 1122 z dôvodu znemožnenia stavu, v ktorom by vybíjaný elektrochemický článok 1130 spotrebovával prúd z ďalších článkov, ktoré sú v sériovom zapojení s vybíjaným elektrochemickým článkom 1130.

Výhodný regulátor 1240. ktorý je predvedený na obr. 12, obsahuje DC/DC konvertor 1250 so synchronizovaným usmerňovačom 1274. ktorý môže elektronicky pripájať kladnú elektródu 1232 ku kladnému vývodu 1220 a odpájať kladnú elektródu 1232 od kladného vývodu 1220 puzdra 1212. Spínač synchrónneho usmerňovača 1274 odstraňuje potrebu ďalšieho spínača, akým je ovládač 852 konvertora, v priamej elektrickej ceste medzi kladnou elektródou 1232 a zápornou elektródou 1234 elektrochemického článku 1230 a výstupnými vývodmi 1220 a 1222 puzdra. Navyše synchrónny usmerňovač 1274 zvyšuje účinnosť DC/DC konvertora 1250 na základe obmedzovania vnútorných strát. Ovládač 1252 konvertora tohoto uskutočnenia taktiež umožňuje generovanie ďalších vstupných signálov na ovládanie DC/DC konvertora 1250. V uskutočnení, ukázanom na obr. 12, ovládač 1252 konvertora napríklad prostredníctvom snímačov (nie sú predvedené) monitoruje vnútorné prostredie elektrochemického článku, ako je teplota, tlak a koncentrácia vodíka a kyslíka, navyše na meranie fázového posunu, čo je opísané v predchádzajúcom texte v súvislosti s obr. 10.

Obr. 7 a 12 postupne predvádzajú zložitejšie a zložitejšie konštrukčné usporiadanie obvodov podľa prihlasovaného vynálezu. Ich poradie poskytuje prehľad rôznych súčastí, ktoré sa môžu včleňovať do integrovaného obvodu regulátora navyše k DC/DC súčasti, ktorá je ústrednou súčasťou regulátora podľa prihlasovaného vynálezu. Predvedené poradie nemusí viesť nutne k záveru, že súčasti alebo kombinácia niekoľkých súčastí, ktoré sú včleňované do obvodov neskôr, musia mať všetky znaky, ktoré boli v záujme vymedzovania rozsahu tohoto vynálezu vymenované v súvislosti s predchádzajúcimi vyobrazeniami. Napríklad núdzový obvod, nabíjací indikačný obvod, fázový detekčný obvod a/alebo predpäťový obvod s nulovým elektrickým potenciálom môžu byť používané v kombinácii s obvodmi, predvedenými na obr. 6 až 12, bez ovládača konvertora alebo ďalších súčastí, ktoré sú predvedené na vyobrazeniach, obsahujúcich vymenované súčasti.

Výhodné uskutočnenie integrovaného riadiaceho obvodu 1340 regulátora na použitie v batérii 1310 podľa prihlasovaného vynálezu obsahuje DC/DC konvertor 1350 a ovládač 1352 konvertora a toto uskutočnenie je uvedené na obr. 13. Je výhodné, že konvertorom 1350 je takmer bezkontaktný, vysokofrekvenčný, vysoko účinný, stredne výkonný konvertor, ktorý môže pracovať pod prahovou hodnotou napätia väčšiny elektronických prístrojov. Regulátor 1340 výhodne obsahuje nábojové čerpadlo, akým je čerpadlo predvedené na obr. 9B, na vytváranie virtuálneho nulového elektrického potenciálu, ktorý má nižší elektrický potenciál, než je potenciál zápornej elektródy 1334 elektrochemického článku 1330 vo vzťahu k DC/DC konvertoru 1350 a výstupnému vývodu 1322 puzdra 1312. Virtuálny nulový elektrický potenciál vytvára zvýšený napäťový diferenciál, ktorý je k dispozícii na riadenie DC/DC konvertora, a ktorý poskytuje konvertoru 1350 možnosť účinnejšieho čerpania vyššej úrovne prúdu z elektrochemického článku 1330. než by sa inak dosahovalo len samotným využitím napätia článku na riadenie konvertora.

V tomto uskutočnení ovládač 1352 konvertora výhodne využíva riadiacu schému modulácie šírkou impulzu a impulzovej fázovej modulácie. Detekčný obvod 1362 na detekovanie fázového posunu meria napätie článku a prúd čerpaný z elektrochemického článku kladnej elektródy 1332 a zápornej elektródy 1334 elektrochemického článku 1330 a okamžitý a/alebo nasledujúci fázový posun medzi napätím a prúdom. Tento fázový posun definuje vnútornú impedanciu elektrochemického článku 1330. ktorá je funkciou nábojovej kapacity elektrochemického článku 1330. Ako príklad súvisiaci s alkalickou batériou možno uviesť to, že po približne 50 % vybití elektrochemického článku 1330. ktoré sa určuje na základe poklesu napätia uzavretého obvodu článku, zvýšenie vnútornej impedancie indikuje zostávajúcu kapacitu elektrochemického článku 1330. Detekčný obvod 1362 na detekovanie fázového posunu vysiela tieto signály do fázového lineárneho ovládača 1371. Fázový lineárny ovládač 1371 potom vytvára napätie Vs. detekované obvodom 1362 na detekovanie fázového posunu a vysiela výstupný napäťový signál V(psi). ktorý je lineárne úmerný vo vzťahu k fázovému posunu, do modulátora 1376 impulzov, ktorý využíva riadiacu schému modulácie šírkou impulzov a impulzovej fázovej modulácie. Modulátor 1376 impulzov taktiež prijíma pokles napätia naprieč odporom Rs vo forme napäťového riadiaceho signálu.

Modulátor 1376 impulzov používa kombináciu napäťových riadiacich signálov na riadenie DC/DC konvertora 1350. Ak je napätie Vs nad vopred stanovenou prahovou hodnotou úrovne napätia, modulátor 1376 impulzov udržiava poľom riadený tranzistor shradlom izolovaným oxidom („MOSFET”) M3 v uzatvorenom stave a MOSFET M4 v otvorenom stave. Takto sa cesta prúdu z elektrochemického článku 1330 do zaťaženia udržiava cez MOFSET M3. Navyše sa straty súvisiace s DC/DC konvertorom 1350 a ovládačom 1352 konvertora minimalizujú, pretože pracovný cyklus sa účinne udržiava na nulovom percente. V tomto prípade sú straty rovnosmerných zložiek uzavretého, poľom riadeného tranzistora s hradlom izolovaným oxidom MOSFET M3 a odporu Rs extrémne nízke. Napríklad odpor Rs je výhodne v rozsahu od približne 0,01 do približne 0,1 Ω.

Avšak v prípade, ak je napätie Vs pod vopred stanovenou prahovou hodnotou úrovne napätia, modulátor 1376 je zapnutý a moduluje pracovný cyklus DC/DC konvertora 1350 na základe kombinácie napäťových riadiacich signálov. Amplitúda Vs účinkuje ako prvý riadiaci signál, ktorý riadi pracovný cyklus. Pokles napätia naprieč prúdovým detekčným odporom Rs, ktorý je funkciou výstupného prúdu, účinkuje ako druhý riadiaci signál. Konečne signál V(psi) generovaný medzi striedavými zložkami napätia článku a prúdom čerpaným z elektrochemického článku 1330. je tretím riadiacim signálom. Najmä signál VfpsO sa používa na menenie pracovného cyklu v reakcii na zmeny vnútornej impedancie v priebehu doby behu batérie, čo ovplyvňuje účinnosť konvertora a prevádzkovej doby batérie. Modulátor impulzov predlžuje pracovný cyklus vtedy, ak sa znižuje okamžitá a/alebo nadväzujúca amplitúda napätia Vs. alebo vtedy, ak sa pokles napätia naprieč odporom Rs zväčšuje, a/alebo vtedy, ak sa zvyšuje okamžitá a/alebo nadväzujúca amplitúda napätia V(psi) riadiaceho signálu. Dôležitosť prispievania každej premennej sa posudzuje podľa príslušného riadiaceho algoritmu.

Ak je modulátor 1376 impulzov v režime zapnutia, jeho oscilátor generuje štvorcové alebo lichobežníkové vlnové riadiace impulzy, ktoré výhodne majú 50 % pracovný cyklus a kmitočet v rozsahu od približne 40 kHz do približne 1 MHz, výhodnejšie v rozsahu od približne 40 kHz do približne 500 kHz, pričom najvýhodnejší je kmitočet približne 600 kHz. Modulátor 1376 impulzov mení pracovný cyklus výstupného riadiaceho signálu pre MOFSET M3 a MOFSET M4 s využitím príslušného riadiaceho algoritmu. V najobecnejšom zmysle riadiaci algoritmus riadi M3 a M4 s rovnakým pracovným cyklom, avšak s opačnou fázou. Je výhodné, že MOFSET M3 a MOFSET M4 sú vzájomne sa doplňujúce vysokonapäťové tranzistory, pričom M3 je výhodne MOFSET s kanálom typu N a M4 je výhodne MOFSET s kanálom typu P. Kompletný DC/DC konvertor 1350 je v podstate zosilňovacím DC/DC konvertorom so synchronizovaným usmerňovačom na výstupe. Navyše konvertor 1350 minimalizuje straty striedavých a rovnosmerných zložiek na základe použitia tranzistora MOFSET M3 namiesto nesynchrónnej Schottkyho diódy. Oddelené riadiace signály riadia M3 a výkonový MOFSET M4. Menenie fázového a/alebo pracovného cyklu medzi riadiacimi signálmi tranzistorov M3 a M4 mení výstupné napätie priečne od kladného vývodu 1320 k zápornému vývodu 1322 puzdra 1312.

Modulátor 1376 impulzov môže riadiť MOFSET M3 a MOFSET M4 na základe jedného alebo viacerých napäťových riadiacich signálov, ako je napätie Vs, pokles napätia naprieč odporom Rs alebo vnútorná impedancia elektrochemického článku 1330. Ak je spotreba prúdu zaťaženia nízka, potom modulátor 1376 generuje napríklad taký pracovný cyklus DC/DC konvertora 1350. ktorý sa blíži k nulovému percentu. Ak je spotreba prúdu zaťaženia nízka, potom modulátor 1376 generuje taký pracovný cyklus DC/DC konvertora 1350. ktorý sa blíži k nulovému percentu. Ak je však spotreba prúdu zaťaženia vysoká, potom modulátor 1376 generuje taký pracovný cyklus DC/DC konvertora 1350. ktorý sa blíži k 100 %. V prípade, že sa spotreba prúdu zaťaženia rôzne mení medzi týmito koncovými hodnotami, mení sa aj pracovný cyklus DC/DC konvertora v záujme dodávania takého prúdu, ktorý dané zaťaženie vyžaduje.

Obr. 14 porovnáva príklad krivky vybíjania batérie BI. ktorá nemá regulátor podľa prihlasovaného vynálezu, príklad krivky vybíjania batérie B2 podľa prihlasovaného vynálezu, ktorá má regulátor, v ktorom konvertor pracuje v plynulom režime, a príklad krivky vybíjania batérie B3 podľa prihlasovaného vynálezu majúcej regulátor, v ktorom sa konvertor zapína v presahu cez úroveň záverného napätia batérie, používanej v typickom elektronickom zariadení, pre ktoré je batéria konštruovaná. Na obr. 14 je vidieť, že batéria BI. ktorá nemá regulátor podľa prihlasovaného vynálezu, zoslabne v elektronickom zariadení, ktoré má závemé napätie V_£ v čase tj. Avšak regulátor batérie B2 ďalej zvyšuje výstupné napätie batérie na úroveň napätia V₂ v priebehu doby behu batérie. Vo chvíli, keď napätie elektrochemického článku klesne na úroveň napätia Va čo je minimálne pracovné napätie regulátora, tento regulátor batérie B2 vypne a výstupné napätie batérie klesne na nulu v čase t₂ a účinná doba behu batérie B2 končí. Z grafu, ktorý je nakreslený na obr. 14 možno vypozorovať, že prevádzková doba batérie B2, ktorá má regulátor, ktorého konvertor pracuje v plynulom režime, je t₂ mínus t_A.

Avšak regulátor batérie B3 nezačína zvyšovať výstupné napätie batérie do tej doby, pokiaľ napätie elektrochemického článku nedosiahne vopred stanovenú úroveň napätia V^. Vopred stanovená úroveň napätia V_rj je výhodne v rozsahu medzi menovitým napätím daného elektrochemického článku a najvyšším závemým napätím triedy elektronických prístrojov, pre napájanie ktorých je batéria určená. Výhodnejšie je vopred stanovená úroveň napätia V_c3 vyššia o približne 0,2 V ako najvyššie záverné napätie V_ľ triedy elektronických prístrojov, pre napájanie ktorých je batéria určená. Ešte výhodnejšie je vopred stanovená úroveň napätia V_ri vyššia o približne 0,15 V ako najvyššie záverné napätie V_£ triedy elektronických prístrojov, pre napájanie ktorých je určená batéria. Dokonca ešte výhodnejšie je vopred stanovená úroveň napätia vyššia o približne 0,1 V ako najvyššie záverné napätie Vg triedy elektronických prístrojov, pre napájanie ktorých je batéria určená, pričom najvýhodnejšia je taká vopred stanovená úroveň napätia V^, ktorá je vyššia o približne 0,05 V ako najvyššie záverné napätie V_£. Akonáhle dosiahne napätie článku vopred stanovenú úroveň napätia V^, začne konvertor batérie B3 zvyšovať alebo stabilizovať výstupné napätie na úroveň V_£ + AV. Úroveň napätia AV ie na obr. 14 znázornená a predstavuje rozdiel napätia medzi zvýšeným výstupným napätím batérie B3 a závemým napätím V_E. Úroveň napätia AV je výhodne v rozsahu od približne 0 V do približne 0,4 V, pričom výhodnejšie je 0,2 V. Potom batéria B3 pokračuje v poskytovaní výstupu až do chvíle, keď napätie elektrochemického článku klesne pod úroveň napätia Vd, čo je minimálne pracovné napätie konvertora, a keď regulátor batérie B3 vypne. V tejto situácii klesne výstupné napätie batérie na nulu v čase tj a účinná doba behu batérie B3 / končí. Na grafe, ktorý je nakreslený na obr. 14, je vidieť predĺženie účinnej prevádzkovej doby batérie B3 vo vzťahu k batérii Bl. ktorá nemá konvertor podľa prihlasovaného vynálezu, a toto predĺženie možno matematicky vyjadriť rozdielom b - tr

Obr. 14 taktiež predvádza, že batéria B3 vydrží dlhšie ako batéria B2 s podmienku, že obe tieto batérie sú pripojené k rovnakému elektronickému prístroju. Vzhľadom na to, že konvertor batérie B2 pracuje nepretržite, vnútorné straty konvertora spotrebovávajú časť energetickej kapacity elektrochemického článku batérie B2, a preto napätie článku batérie B2 dosiahne úroveň minimálneho pracovného napätia konvertora V<j po uplynutí kratšieho časového úseku v porovnaní s batériou B3, v ktorej regulátor účinkuje len v časti priebehu vybíjacieho cyklu. Takto bude výsledkom optimalizovania voľby vopred stanoveného napätia V_Pi batérie B3 čo možno najbližšie úrovni záverného napätia napájaného elektronického prístroja najúčinnejšie využívanie elektrochemického článku a rozsiahlejšie predĺženie prevádzkovej doby batérie. V tomto zmysle je vopred stanovené napätie výhodne rovnaké alebo trochu vyššie ako záverné napätie elektronického prístroja alebo elektrického zariadenia, pre napájanie ktorého je batéria určená. Napríklad výhodné vopred stanovené napätie V_p3 môže byť o približne 0,2 V vyššie ako záverné napätie elektronického prístroja alebo elektrického zariadenia, pre napájanie ktorého je batéria určená. Výhodnejšie môže byť vopred stanovené napätie o približne 0,15 V vyššie ako záverné napätie. Ešte výhodnejšie môže byť vopred stanovené napätie o približne 0,1 voltu vyššie ako záverné napätie, pričom najvýhodnejšie je také vopred stanovené napätie Vgä, ktoré je o približne 0,05 V vyššie ako záverné napätie daného elektronického prístroja alebo elektrického zariadenia.

Ak sa však konštruuje batéria ako štandardná batéria pre rôzne elektronické prístroje, potom sa vopred stanovené napätie výhodne volí tak, aby bolo rovnaké alebo trochu vyššie ako najvyššie záverné napätie danej skupiny elektronických prístrojov. Napríklad výhodné vopred stanovené napätie V_p3 môže byť o približne 0,2 V vyššie ako záverné napätie danej skupiny elektronických prístrojov. Výhodnejšie môže byť vopred stanovené napätie V_ľi o približne 0, 15 V vyššie ako záverné napätie danej skupiny elektronických prístrojov. Ešte výhodnejšie môže byť vopred stanovené napätie Vg o približne 0,1 V vyššie ako záverné napätie danej skupiny elektronických prístrojov, pričom najvýhodnejšie je také vopred stanovené napätie V^, ktoré je o približne 0,05 V vyššie ako záverné napätie danej skupiny elektronických prístrojov.

Graf, nakreslený na obr. 14 taktiež ukazuje, že čím je nižšie minimálne pracovné napätie konvertora Vd, tým väčšie je predĺženie prevádzkovej doby batérie v porovnaní s batériou BI, ktorá nemá regulátor podľa prihlasovaného vynálezu. Navyše platí, že čím väčší je rozdiel medzi záverným napätím elektronického prístroja V_£ a minimálnym pracovným napätím konvertora Vd, tým väčšie predĺženie prevádzkovej doby batérie bude regulátor podľa prihlasovaného vynálezu vytvárať v dôsledku zvýšenia alebo zosilnenia napätia elektrochemického článku.

TABUĽKA 2

Príklad vybíjania alkalických AA batérií s výkonovým regulátorom a bez výkonového regulátora (stredné odporové zaťaženie. R = 12 Ω)

Čas [hod]	Batéria s regulátorom	Batéria
Napätie uzavretého obvodu [V]	Spotrebovaná elektrina [mAh]	% predpísanej kapacity	Napätie uzavretého obvodu [V]	Spotrebovaná elektrina [mAh]	% predpísanej kapacity
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

„Tabuľka 2“ porovnáva údaje o vybíjaní alkalickej AA batérie podľa prihlasovaného vynálezu, ktorá má zabudovaný regulátor, v ktorom konvertor pracuje v plynulom režime a zosilňuje napätie článku na výstupné napätie približne 1,6 V, s údajmi o vybíjaní typickej alkalickej AA batérie, ktorá nemá regulátor podľa prihlasovaného vynálezu. V tejto tabuľke sú uvedené údaje o výstupnom napätí, spotrebovanej elektrine a percentách zostávajúcej kapacity (celková kapacita = 2400 mAh) po uplynutí každej hodiny v piebehu časového úseku, v ktorom sú porovnávané batérie pripojené k strednému odporovému zaťaženiu 12 Ω, ktoré priemerne odoberá približne 125 mA po dobu trvania prevádzkovej doby batérie. Ako možno vyčítať z tejto tabuľky, výstupné napätie batérie, ktorá má konvertor, ostáva počas celej prevádzkovej doby batérie na úrovni 1,6 V, zatiaľ čo výstupné napätie batérie, ktorá regulátor nemá, v priebehu prevádzkovej doby batérie postupne klesá od menovitého napätia batérie na nižšie hodnoty napätia.

„Tabuľka 2” ďalej ukazuje, že batéria podľa prihlasovaného vynálezu, ktorá má zabudovaný regulátor, poskytuje dve významné výhody voči AA batérii, ktorá regulátor nemá. Po prvé, v prípade prístroja so závemým napätím približne 1 V vykazuje batéria so zabudovaným regulátorom dobu behu približne 10 hodín, zatiaľ čo batéria bez regulátora zastaví činnosť prístroja po uplynutí maximálne 8 hodín, kedy výstupné napätie klesá pod 1 V. Tento príklad dokazuje, že regulátor poskytuje 25 % predĺženia prevádzkovej doby, ktorú vykazuje batéria, ktorá regulátor nemá. Po druhé, jednotkové množstvo elektriny, dodávané do zaťaženia, a percento predpísanej kapacity batérie, ktorá sa zúžitkuje pred vypojením prístroja, je podstatne väčšia v prípade batérie podľa prihlasovaného vynálezu, ktorá má zabudovaný regulátor. V podmienkach rovnomerného odčerpávania prúdu vydrží účinnosť batérie bez regulátora dokonca kratšiu dobu pred tým, než sa elektronický prístroj vypne, pretože s klesaním výstupného napätia takejto takejto batérie klesá aj schopnosť článku dodávať úmerné jednotkové množstvo elektrického prúdu. Toto výsledné zdôrazňuje dokonca väčšiu výhodu batérie so zabudovaným regulátorom.

Ak je záverné napätie prístroja približne 1,1 V, potom “Tabuľka 2” dokazuje, že batéria podľa prihlasovaného vynálezu so zabudovaným regulátorom účinkuje výhodnejšie ako AA batéria, ktorá regulátor nemá. Batéria so zabudovaným regulátorom bude mať stále dobu behu 10 hodín, zatiaľ čo batéria bez regulátora prestane v prístroji účinkovať po uplynutí maximálneho časového úseku 6 hodín, keď výstupné napätie klesá pod 1,1 V. Takto v tomto prípade poskytuje regulátor približne 67 % predĺženia doby behu batérie vo vzťahu k batérii, ktorá regulátor nemá. Navyše rozdiely elektrického prúdu, dodávaného do zaťaženia, a percenta predpísanej kapacity batérie, ktorá sa zúžitkuje pred odpojením prístroja, sú dokonca väčšie, ako to bolo v predchádzajúcom príklade. Znovu platí, že v podmienkach rovnomerného odčerpávania prúdu účinnosť batérie bez regulátora vydrží dokonca kratšiu dobu pred tým, ako sa elektronický prístroj vypne, pretože s klesaním výstupného napätia takejto batérie klesá aj schopnosť článku dodávať úmerné jednotkové množstvo elektrického prúdu. Toto výsledné zdôrazňuje dokonca ešte väčšiu výhodu batérie so zabudovaným regulátorom.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Primárna batéria so zabudovaným regulátorom (DC/DC konvertor) predlžujúcim dobu behu batérie, vyznačujúca sa tým, že obsahuje:

a) puzdro s kladným vývodom a so záporným vývodom;

b) primárny elektrochemický článok, ktorý je umiestnený v puzdru, keď má článok kladnú elektródu, zápornú elektródu, napätie článku merané priečne od kladnej elektródy k zápornej elektróde článku a menovité napätie;

c) regulátor, ktorý je elektricky zapojený medzi elektródami článku a vývodmi puzdra na vytváranie výstupného napätia meraného priečne od kladného vývodu k zápornému vývodu puzdra, keď tento regulátor vykonáva jednu alebo viac ako jednu z nasledujúcich funkcií na základe včlenenia:

(i) konvertora, ktorý je prispôsobený pre činnosť pri takom napätí článku, ktoré je nižšie ako záverné napätie prístroja, takže regulátor predlžuje dobu behu batérie na základe takéhoto prevádzania napätia článku na výstupné napätie, aby výstupné napätie bolo vyššie ako záverné napätie prístroja;

(ii) konvertora, ktorý prevádza napätie článku na výstupné napätie tak, aby výstupné napätie bolo nižšie ako menovité napätie článku;

(iii) konvertora, ktorý prevádza napätie článku na výstupné napätie, kondenzátor, ktorý hromadí elektrický náboj pre účely ochrany článku pred prúdovými špičkami;

pričom táto primárna batéria sa vyberá zo skupiny, do ktorej patria jednočlánková batéria, univerzálna jednočlánková batéria, viacčlánková batéria a viacčlánková hybridná batéria.
2. Primárna batéria podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že je upravená na elektrické pripojenie ako jedna z určitého celočíselného počtu batérií, ktoré sú sériovo pripojené k prístroju, výstupné napätie je väčšie alebo rovnaké ako záverné napätie prístroja delené celočíselným počtom batérii; a/alebo že primárna batéria je viacčlánková batéria, primárna batéria ďalej obsahuje kladný výstupný vývod a záporný výstupný vývod; puzdro, článok a regulátor vytvárajú prvú článkovú jednotku; prvá článková jednotka je jednou jednotkou z celočíselného počtu článkových jednotiek, ktoré sú elektricky zapojené sériovo medzi kladným výstupným vývodom a záporným výstupným vývodom, výstupné napätie je väčšie alebo rovnaké ako záverné napätie prístroja delené celočíselným počtom článkových jednotiek.
3. Primárna batéria podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúca sa tým, že regulátor môže regulovať napätie článku smerom nadol o aspoň 0,6 V.
4. Primárna batéria podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov 1 až 3, vyznačujúca sa tým, že regulátor je prispôsobený na elektrické zapájanie konvertora medzi elektródami článku a vývodmi puzdra vtedy, ak napätie článku klesne pod vopred stanovenú úroveň napätia, vopred stanovená úroveň napätia sa výhodne volí zo skupiny vopred stanovených rozsahov úrovní napätia, v ktorej je zahrnutý rozsah od 0,8 V do 1,2 V pre článok s menovitým napätím 1,5 V, rozsah od závemého napätia prístroja k závernému napätiu prístroja plus 0,2 V, rozsah od záverného napätia prístroja až k menovitému napätiu článku v záujme umožňovania hlbokého vybíjania článku vtedy, ak je záverné napätie prístroja 1 V a ak ide o článok s menovitým napätím 1,5 V a/alebo v záujme umožňovania aspoň 90 % vybíjania článku vtedy, ak je článok lítiový a ak prístroj vykazuje záverné napätie 2,4 V.
5. Primárna batéria podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov 1 až 4, vyznačujúca sa tým, že regulátor ďalej obsahuje:

(i) riadiaci obvod, ktorý je elektricky pripojený ku kladnej elektróde a k zápornej elektróde článku, riadiaci obvod výhodne obsahuje modulátor impulzov, k tomuto modulátoru impulzov patrí výhodnejšie modulátor šírky impulzov, ktorý má aspoň jeden vstupný riadiaci signál, modulátor impulzov je ešte výhodnejšie prispôsobený na elektronické odpájanie konvertora od článku, modulátor impulzov je dokonca ešte výhodnejšie prispôsobený na elektronické pripájanie konvertora k článku na základe aspoň časti jedného alebo viac ako jedného signálu, voleného zo skupiny signálov, súvisiacich s vnútornou impedanciou článku, spotrebovávaným prúdom a výstupným napätím, modulátor impulzov je dokonca ešte viac výhodne prispôsobený na elektronické pripojenie konvertora medzi elektródami článku a vývodmi puzdra vtedy, ak napätie článku klesne na vopred stanovenú úroveň napätia, vopred stanovená úroveň napätia je výhodne v rozsahu od záverného napätia prístroja až do blízkosti menovitého napätia článku;

(ii) DC/AC budič, ktorý je elektricky pripojený k riadiacemu obvodu; a (iii) synchrónny usmerňovač, ktorý je elektricky pripojený k DC/AC budiču a ku kladnému vývodu a zápornému vývodu puzdra.
6. Primárna batéria podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov laž 5, vyznačujúca sa tým, že konvertor ďalej obsahuje:

(iv) predpäťový obvod s nulovým elektrickým potenciálom, ktorý je pripojený ku kladnej elektróde a zápornej elektróde článku, predpäťový obvod s nulovým elektrickým potenciálom vytvára virtuálny elektrický potenciál pre konvertor a záporný výstup puzdra, predpäťový obvod s nulovým elektrickým potenciálom výhodne obsahuje obvod nábojového čerpadla a virtuálnym nulovým elektrickým potenciálom je výhodne úroveň napätia pod úrovňou napätia zápornej elektródy článku.
7. Primárna batéria podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov laž 6, vyznačujúca sa tým, že menovité napätie je vyššie ako 1,5 V.
8. Primárna batéria podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov laž 7, vyznačujúca sa tým , že článkom je lítiový článok, menovité napätie článku je v rozsahu od 2,8 V do 4,0 V a regulátor znižuje napätie článku tak, aby výstupné napätie bolo v rozsahu od 1,0 V do 1,6 V.
9. Primárna batéria podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov laž 8, vyznačujúca sa tým, že k nej ďalej prináleží prístroj, ktorý má:

(a) kladný vstupný vývod (b) záporný vstupný vývod, ktorý je elektricky pripojený ku kladnému vstupnému vývodu; a (c) záverné napätie.
10. Spôsob predlžovania doby behu primárnej batérie, vyznačujúci sa tým, že zahŕňa kroky:

(a) zostavovanie primárnej batérie, ktorá obsahuje:

(i) puzdro s kladným vývodom a záporným vývodom;

(ii) elektrochemický článok, umiestnený v puzdre; článok má kladnú elektródu, zápornú elektródu, napätie článku merané priečne od kladnej elektródy k zápornej elektróde článku a menovité napätie;

(iii) regulátor, ktorý je elektricky zapojený medzi elektródami článku a vývodmi puzdra na vytváranie vstupného napätia, meraného priečne od kladného vývodu k zápornému vývodu puzdra, regulátor obsahuje konvertor;

(b) elektrické pripájanie primárnej batérie k prístroju, ktorý má záverné napätie;

(c) prevádzanie napätia článku k výstupnému napätiu tak, aby výstupné napätie bolo vyššie ako záverné napätie prístroja.