TW459410B - Consumer battery having a built-in indicator - Google Patents

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TW459410B
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Dragan Danilo Nebrigic
Vladimir Gartstein
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Procter & Gamble
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Description

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7___ 五、發明說明（1 ) 發明領域 本發明與電池有關，更明確地說，與具有內建指示器 以告知電池之電荷狀態的電池有關。 相關待審申請案交互參考 本申請案與以下共同待審及共同擁有之申請案有關’ 全於1 9 9 8年4月2日提出申請：美國專利〇 9/ 0 4 5，1 9 2，名稱爲 PRIMARY BATTERY HAVING A BUILT-IN CONTROLLER TO EXTEND BATTERY RUN TIME, Vladimir Gartscein and Dragan D. Nebrigic;美國專利 09/045，19i，名稱爲 BATTERY HAVING A BUILT-IN CONTROLLER TO EXTEND BATTERY SERVICE RUN TIME, Vladimir Gartstein and.Dragan D. Nebrigic;美國專利 09/045,087,名稱爲 BATTERY HAVING A BUILT-IN CONTROLLER,Vladimir Gartstein and Dragan D. Nebrigic;H 國專利 60/080,427,名稱爲 BATTERY HAVING A BUILT-IN CONTROLLER TO EXTEND BATTERY SERVICE RUN TIME, Vladimir Gartstein and Dragan D. Nebrigic。上述所有申請 案的全文都倂入本文參考。 發明背景 消費者在很多方面都會使用電池，如攜行式電子裝置 ，包括收音機、手電筒、時鐘、C D唱盤、照相機、細胞 式電話、電子遊樂器、玩具、呼叫器、電腦裝置等。操作 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---r----III——— 裝·！ —^-----1---r. <請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -4 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _—__B7__ 五、發明說明（2 ) 這些裝置，需要在裝置內裝有足夠電荷的電池或可用的替 代物。便宜的電子裝置通常不會有電池內剩餘電荷的指示 。因此’在裝置停止操作前，消費者不會得到電池即將失 效的警告。 這類裝置一般是使用消費性電池，消費性電池的特徵 是具有標準的尺寸及標稱的端點電壓，且價格不貴。這些 電池的型式典型上包括AAAA、AAA、AA、C、D 、方形9伏電池，進一步還包括一般用於車輛的大型電池 。消費性電池的特徵是它們設計供各式各樣的裝置使用， 而非供特殊裝置使用。 某些消費性電池提供簡單的熱感色標供測試電池的電 荷狀態。不過，此種內建的電池測試器有若干缺點。第一 ，熱感色標的精度不佳，有時與電池的電荷狀態相差到 2 0%，造成如此大差異的原因是製造的變異性及電池本 身的溫度所致。第二，熱感色標會消耗很大的能量，且只 有在消費者壓按熱感色標時它才作用提供指示。因此，消 費者無法很容易地檢視電池，必須將電池從它的封裝或裝 置中取出，並緊壓熱感色標一段時間，十分不方便。 現已發展出較複雜的電池管理功能供使用電池供電的 電子裝置使用。例如視頻攝錄機及攜行的個人電腦，典型 的警告是由於電池耗盡即將關機，甚至有些還可估計電池 所剩時間。不過，此些指示功能較貴，且複雜的電子電路 會大幅增加電子裝置的成本。例如，這類電路中通常會使 用一個低性能的微處理器，它的價格對消費性電池及很多 本紙張尺度適用令國國家標準<CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------*-------訂 *----J I I I / (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -5- f 4 59410 a? __B7_ 五、發明說明（3 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 由電池供電的低價位裝置而言太高。此外，這類電路通常 只能用於一種類型的電池，且體積太大致無法與電池本身 結合，並需要電子裝置本身能夠提供有關於電池的指示。 在某些特殊的應用中，如航太載具，在電池系統或電 池中結合有電池管理功能。雖然在這類應用中空間、重量 、功率消耗都是關切因素，但通常更要求電池之尺寸限制 所加諸限制。此外，在這些特殊應用中，這類電路的成本 通常不是問題。不過，對低價的消費性電池而言，並不支 援此種功能。 發明槪述 本發明符合這些及其它要求，將指示系統結合到電池 容器內，指示系統包括一指示器控制器，它反應也是在電 池容器內之伏特電池（voltaic cell )的電極電壓。指示系 統進一步包括一指示器，它是由指示器控制器控制。在某 些實施例中，指示系統配置一脈衝指示器，在其它實施例 中是配置類比指不器1如直條圖。 經濟部智慧財產局員工消f合作社印製 在本發明的另一態樣中，消費性電池具有標準的外形 尺寸並提供標準的端點電壓1結合一指示系統，它偵測伏 特電池的電極電壓並控制一指示器。因此，消費性電池是 將這些特徵結合到標準尺寸的容器內。 在本發明的再一態樣中，提供一種指示電荷狀態的方 法，包括以內建的積體電路偵測電池容器內之伏特電池的 電極電壓，電極電壓與一參考電壓比較，當電極電壓低於 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚） -6- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 '4 1 Ο α§94'〇 _____Β7_ 五、發明說明6 ) 參考電壓時，指示電荷的狀態。更明確地說，該方法進一 步反應電極電壓降到一門檻以下時使電池的端點電壓升壓 • 〇 在本發明的又一態樣中，電池內配置一電力偵測電路 ，它偵測儲存在電池中的電荷，並產生一代表儲存電荷的 狀態電壓（conditioned voltatge )，用以控制配置於電池容 器外表的指示器。 此外，電池配置一人工操作的起動致動器，使內部的 閉鎖器閉路，以將伏特電池的內部電極電氣耦合到配置於 外表的電池端點。 此外，電池包括電力轉換器，使用具有停止-步進振 盪器的電力狀態機將電池的端點電壓升壓。 這些特徵中的每一個，無論是單一或各種組合，預期 都能強化消費性電池。在以下的討論中將可更明瞭本發明 的這些及其它優點。 圖式簡單說明 附圖也是本說明書的一部分，用以圖示說明本發明的 實施例，並連同以上對本發明的一般描述，以及以下對實 施例的詳細描述，用以解釋本發明的原理。 圖1是電池的斜視圖，具有內建的指示系統，結合於 電池的容器內，圖示說明一種直條圖型式的指示，也顯示 一使用者控制的測試按鈕。 圖2是圖1之電池的剖視圖’顯示內建的電池積體電 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） - -- - -----— It— * I I I I ― I I I I I I I I I I (請先閲璜背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ^ p 9 ^ ' Q A7 ___B7__ 五、發明說明（？) 路，介於主及備用伏特電池的電極與電池之端點之間。 圖3是不含容器之電池的部分分解斜視圖’顯示一扣 合之內建式電池積體電路與主伏特電池間的介接，也顯示 使用脈衝指示器的指示型式，例如發光二極體（L E D ) 〇 圖4是圖2之電池的電氣方塊圖，說明一內建的電池 積體電路與電池其它組件間的關係。 圖5是圖4之電力轉換器的一種實施。 圖6是圖5之具有停止一步進振盪器之電力控制狀態 機的特定實施。 圖7是參考圖4之內建式電池積體電路中之指示器控 制器的一種實施，提供脈衝型式指示器的控制，如發光二 極體（LED)指示器或液晶二極體（L CD)指示器》 圖8顯示指示器控制器的另一種實施，它是圖4之內 建式電池積體電路的主要組件，提供直條圖式指示器及壓 按測試指示的控制。 圖9圖示說明圖2及4之電池的電壓-時間圖，其中 電池的電壓在開始時是主伏特電池的電壓，其下降是先低 於參考電壓，最後低於截止電壓，在此時，電池的電壓切 換到備用伏特電池的電壓。 圖10說明圖7及9之內建式電池積體電路的電壓圖 ，當主伏特電池的電壓從參考電壓降到截止電壓時，脈衝 指示的發射頻率加快。 圖11說明圖8及9之內建式電池積體電路的電壓圖 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------^ - ---訂·！ — I!·線 r (請先閱讀背面之沒意事項再填寫本頁) -8- 4§94t〇 A7 B7 五、發明說明（6 ) (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) ，當主伏特電池電壓介於參考電壓與截止電壓間之時，其 中一緩衝的主伏特電池電壓被轉換成校正信號，該信號對 應於在該時間直條圖指示器所對應的範圍。 主要元件對照表 10 電池 11 指示系統 12 容器 14 標籤 13 類比指示器 13a 主伏特電池的直條圖 1 3 b 主伏特電池的直條圖 15 測試器致動按鈕 16 頂蓋 18 底蓋 2 0 正極端 2 2 負極端 3 0 主伏特電池 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 32 主伏特電池的正極 34 主伏特電池的負極 2 8 隔片 50 內建的電池積體電路 52 絕緣的主正極導體 3 0 ^ 備用的伏特電池 本紙張疋度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（210^ 297公茇） -9 - h五、發明說明（7 ) 5 4 5 0 5 6 5 8 6 0 6 2 6 4 6 6 6 8 7 0 7 2 7 4 7 6 7 8 3 2 8 8 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 10 0 10 2 10 4 10 6 Cl 主伏特電池的正極 絕緣的備用正極導體 扣合的內建式電池積體電路 正導電板 負導電板 接地帶 信號導體 脈衝指示器 接地導體 絕緣層 撓性電路板 導線 導線 撓性介電薄膜 備用開關 合成正極〃 閉鎖器 電力轉換器 測試器致動器 指示器控制器 預-泵 電壓參考 正向控制 電容器 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ---I----訂---------- ί . 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -10- A7 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 __ 五、發明說明（8 ) L 電 感器 S W 2 Μ 〇S F Ε Τ 開 關 S W 3 Μ 0 S F Ε Τ 開 關 C 2 輸 出電 容 器 1 1 0 具 有停 止 — 步 進 振 盪 器 的 電 力 控 制狀 1 1 2 具 有充 電 泵 蓄 電 器 的 起 動 電 路 1 1 4 振 盪器 1 1 6 誤 差放 大 器 1 1 8 起 動步 驟 控 制 邏 輯 零 伏 輸 出 偵 測 器 1 2 0 調 制器 1 2 2 S R正 反 器 1 2 4 多 工器 ' 邏 輯 位移 器 及 防 交 叉 導 電級 1 0 0 a 指 示器 控制 器 1 3 0 ’ 電 壓門 檻 偵 測 器 A 滞 後施 密 特 觸 發 器 R a 電 阻器 R b 電 阻器 B 反 相滯 後 施 密特 觸 發 器 C 滞 後施 密 特 觸 發 器 D 運 算放 大 器 R 1 電 阻器 C 3 電 容器 1 3 2 低 頻振 盪 器 1 0 Ob 指 示器 控 制 器 ------------ ^--------^---------^ (琦先閱讀背面之注帝？事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -11 - 經濟部智.«財產局員工消費合作社印製 厶59厶、〇 A7 _____B7____ 五、發明說明（9 ) E 滞後施密特觸發器 1 3 6 第一接點 13 8 第一接點 發明詳細說明 現請參閱圖1 ，電池1 0具有一指示系統1 1，結合 在一容器1 2內，有一側壁1 4，在後文中稱其爲w標籤 〃 （label)。雖然圖示中是圓筒形的消費電池10如 AAAA、AA、A、C或D，但它也可結合到其它類型 的電池1 0，如方型及其它多伏特電池的電池。 指示系統1 i之第一例的外表可見部分包括一類比指 示器13，其型式是主伏特電池的直條圖13a ，在它的 兩個端點標示有"FULL 〃及''EMPTY"。類比指 示器1 3也包括一備用伏特電池的直條圖1 3 b，標示有 "RESERVE"，雖然此種分離指示只計算主電源（ 未顯示）的部分。此外’多電源（未顯示）也可加總到主 直條圖1 3 a中，不使用備用直條圖1 3 b。標籤1 4也 包括一測試器致動器按鈕1 5，以便於以人工方式控制指 不系統1 1 ’於下文中描述’須瞭解，本發明的實施例可 以全自動操作。 現請參閱圖1及2，容器12也包括頂蓋16，及在 對側的底蓋1 8 ’頂蓋1 6外部延伸的表面構成正端2〇 ’底蓋1 8外部延仲的表面構成負端2 2。容器1 2密封 住電池10爲標籤14所包圍或結合於標籤14內的其它 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------r ------——訂---111---線+、 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -12 - Α7 4 59 4 1 〇 _B7___ 五、發明說明0〇 ) 部分。熟悉此方面技術之人士應瞭解，也可使用其它的容 器1 2來密封電池的其它部分。例如，無線電話手機的電 池是兩個電池單元以熱縮套結合在一起（未顯示）.各自 具有自己的容器》 現請參閱圖2 ’圖中顯示圖1之電池1 〇的剖視圖， 用以說明本發明的幾種態樣。圖中僅顯示電池1 〇的內部 結構，如主伏特電池3 0 ，原因是指示系統1 1適用於各 式電池。主伏特電池3 0可以是電化學電池，如碳鋅電池 、鋰離子電池、鹼性電池 '鎳鎘電池等。此外，主伏特電 池3 0也可以是其它的電力儲存或產生裝置，如電機或太 陽電池等。此外，主伏特電池3 0也可包括複數個分離的 電源。主伏特電池3 0包括主伏特電池的正極3 2 (陰極 )與主伏特電池的負極3 4 (陽極），負極3 2電氣連接 到負端2 2。一絕緣片2 8配置於陽極3 4與陰極3 2之 間。主伏特電池的正極3 2經由一絕緣的主正極導體5 2 電氣耦合到內建式電池積體電路5 0。圖2的電池1 0可 以改成熟悉此方面技術之人士所知曉的各種能源。例如， 也許需要附加的結構，如電流收集器（未顯示）。 圖2顯示的特定實施包括容器12中的備用伏特電池 3 0 <。備用的伏特電池3 0 -包括一備用伏特電池的正 極3 2 ，經由一絕緣的備用正極導體5 4電氣稱合到內 建式電池積體電路5 0。備用的伏特電池3 0 /也包括~ 備用伏特電池的負極3 4 <，電氣耦合到負端2 2。雖然 圖中所顯示的備用伏特電池3 0 -具有可見到的大小，但 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） I ------------- ^---------I--I I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -13 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 B7__ 五、發明說明（11 ) 須瞭解，備用伏特電池3 Ο V的體積可以很小’只操作一 很短的時間，以自動或人工控制延長電池的使用壽命。人 工切換有利於迫使使用者覺察電池1 〇即將耗盡’特別是 當電池1 0在裝置.中不易被看到，藉以檢視標籤1 4。在 此種實施中，標籤1 4可包括一起動裝置’如測試器致動 器按鈕15，雖然以下所討論的實施方式意欲做自動切換 。備用伏特電池3 0 ~的體積小到足以容許主伏特電池 3 0可以接近典型消費式電池之伏特電池的大小。 電池的使用壽命並不會因指示系統1 1佔用了空間而 明顯減少，因爲內建的電池積體電路5 0部分是密封在正 端2 0內，它頂蓋的隆起部分比典型電池寬，它構成一延 長的凹室5 1，以容納至少部分的內建式電池積體電路 5 0，並可保持主伏特電池3 0的高度。以下將討論圖示 電路的優點，也將顯示內建式電池積體電路5 0減少功率 消耗的特徵，以及從電池1 0擷取額外功率的功率轉換能 力，特別是在次- 1伏的範圍，使電池的使用壽命超出預 期。因此，內建式電池積體電路5 0的自動特性並不會嚴 重衰減使用壽命。 現請參閱圖3，圖中顯示去除電容1 2之部分拆解的 電池1 0，以說明扣合的內建式電池積體電路5 0 —與主 伏特電池3 0。須注意1電池1 0的此種實施並不包括備 用伏特電池3 0 ~。圖示的是標準的AA電池，不過，此 總成也可適用於各種類型的電池，如AAAA、AAA、 C及D或方形電池。在某些實施中，頂蓋1 6是一夾層頂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --i---------- --------訂---------#-l· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -14- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明o2 ) 蓋’以3點與電池1 0的標籤1 4結合。當電池1 0被組 裝時，扣合的內建式電池積體電路5 0 /與頂蓋1 6接觸 。在圖示的實施中，扣合的內建式電池積體電路5 0 /以 與正主電極3 2接觸的正導電板5 6以及與負主電極3 4 接觸的負導電板5 8扣合，正與負導電板5 6、5 8經由 一接地帶6 0實體上耦合，它可以是標籤1 4的一部分。 接地帶6 0也包括一信號導體6 2，因此，脈衝指示器 6 4 (例如發光二極體（LED)或液晶顯示器）可由內 建的電池積體電路5 0供應電力，脈衝指示器6 4接地到 接地帶6 0上的接地導體6 6。當電池1 0完成組裝後， 脈衝指示器6 4至少部分可由外部得見。 扣合的內建式電池積體電路5 0進一步包括一絕緣層 6 8，位於正導電板5 6與一撓性電路板7 0之間。接地 導體6 6與正導電板5 6分別經由導線7 2、7 4電氣耦 合到撓性電路板7 0。備用伏特電池3 0 ~ (未顯示）也 可以相同的方法或熟悉此方面技術之人士所知曉的其它製 造技術扣合。 •扣合的內建式電池積體電路與電池10其它部分永久 性接合的技術包括（但不限於）__ ( 1 )融接·，（ 2 )導 電黏合：（3 )夾；（4 )金屬維可牢（velcro-velcro) 連接；（5 )電池殼組裝。 撓性電路板7 0，包括一導體陣列（未顯示），接合 到撓性介電薄膜（或層7 6) ’例如聚酯或聚醯亞胺’例 如厚度1密爾的Kapton ’使用單層或雙面撓性電路技術製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐) ' i 裝--------訂---------^』 (請先閱讀背面之注t事項再填寫本頁) -15- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _____B7___ 五、發明說明（13 ) 成，當然也可以使用其它的層。在使用撓性電路的應用中 ，電路通常是爲所要的應用特別設計與製造。經由在電路 板上配置組件與連接，可以減少若干機械連接，藉以降低 雜訊並增加可靠度。此外，撓性電路的方法可增進系統的 效率，時計速率可以到達GH z。撓性電路板7 0上之積 體電路5 0的電子元件以由矽晶片製成爲佳，它可以使用 表面黏裝或射模到層7 6中，用以保護且是更經濟的封裝 方法。縮小積體電路的體積會有助益。因此，撓性電路提 供高封裝密度，動態彎曲，類比或數位裝置的接合或接觸 位置，以及複雜之幾何設計的可靠度。由於具撓性且薄， 因此 > 撓性電路板7 0可以結合到電池1 0的其它部位， 包括標籤1 4。 現請參閱圖4，它是圖1及2之電池1 0的電氣方塊 圖。主伏特電池30與備用伏特電池30/電氣並聯，各 自的負極34、34 —電氣耦合到接地導體34〃 （或負 極），各自的正極32、32 —連接到備用開關78。備 用開關7 8的原始設定是讓主伏特電池之正極3 2的電壓 通過，反應來自內建式電池積體電路5 0的命令改變狀態 *讓來自備用伏特電池之正極3 2的電壓通過。備用開關 78的输出構成一合成正極32"，它電氣耦合到內建式 電池積體電路5 0，更明確地說’是電氣耦合到內建式電 池積體電路5 0內的閉鎖器8 8以及電力轉換器9 0。 閉鎖器8 8的優點包括可延長電池1 〇的儲存期限。 在第一次使用前’閉鎖器8 8的初始狀態是開路’以防止 本紙張尺度適用_國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ί ^--------訂-----r (諝先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -16- 4S9410 A7 B7 五、發明說明ί4 ) 電力起動內建式電池積體電路5 0的其它電路造成電力損 失。閉鎖器8 8的例子之一是單穩態多諧振盪器。 閉鎖器8 8由測試器致動器9 2控制。測試器致動器 9 2電氣耦合到接地導體3 4〃與合成正極3 2〃 。反應 使用者的致動，測試器致動器9 2提供一輸出給閉鎖器 8 8，用以使閉鎖器8 8閉路。之後，閉鎖器8 8即保持 閉路。測試器致動器9 2也提供一輸出給指示系統1 1 ， 如圖4中所示連接到指示器控制器1 0 0 =此種經由測試 器致動器9 2以人工方式輸入指示系統1 1可以用來起動 沒有自動起動裝置的指示系統|可以用來起動被關閉的指 示系統（例如在高電荷狀態），或旁通內建式電池積體電 路5 0直接提供信號給類比指示器1 3，如本文對圖8的 描述，或是熟悉此方面技術之人士所熟悉的其它用途。 閉鎖器8 8 —旦閉路，合成正極3 2 "即電氣耦合到 預一泵（pre-pump ) 1 0 2，由一電荷泵式的電源供應電 力給內建式電池積體電路5 0的其它組件，如指示器控制 器100及電壓參考104，例如整合帶隙電壓參考。電 壓參考1 0 4輸出一穩定的電壓參考信號給指示器控制器 100及電力轉換器90。 指示器控制器1 0 0電氣耦合到類比指示器1 3，並 提供正向控制1 0 6信號給電力轉換器9 0。電力轉換器 9 0電氣耦合到電池1 0的正端2 0與負端2 2。此外， 在起動期間，電力轉換器9 0提供突波輸入給預-泵 10 2，將配合圖6討論。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ----1 I 訂 ---- -----t. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -17- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 fe ^ 4 1 Q A7 ______ B7 五、發明說明（15 ) 爲實施本發明其中內建式電池積體電路5 0不包含電 力轉換器9 0，閉鎖器8 8閧路以關閉預一泵1 0 2關閉 指示系統1 1。在圖4 — 6所示的實施中，當預一泵 1 ◦ 2被關閉’除了指示系統1 1無法操作，正端2 0也 接收不到電池的電力。 熟悉此方面技術之人士應瞭解，內建式電池積體電路 5 0執行電力偵測電路的功能，在本例中，偵測電極電壓 對某些電化學之伏特電池而言很適當。不過，也可以使用 其它的電力偵測方法，例如以電磁場、燃料的體積或動能 等型式儲存的電力。有很多型式的能源可供此指示系統 1 1候選’因爲指示器1 3不需直接由電極電壓提供電力 ，而由狀態電壓取代。 現請參閱圖5，圖中更詳細顯示圖4之電力轉換器 9 0的實施，它包括電容器C 1、電感器L、 MQSFET 開關 2 ( 'SW2* ) 、MOSFET 開關 3 ( wSW3〃 ）（典型上是Schottky二極體，供電力轉 換器90升壓），輸出電容器C2,以及具有停止-步進 振盪器的電力控制狀態機1 1 0。電力轉換器9 0接收合 成正與負極3 2A 、3 4〃的輸入電壓，輸入電容器C 1 跨於其間以穩定輸入，特別是如果伏特電池3 0、3 0 < 與電力轉換器9 0間有一段距離。典型的電容器C 1是鉬 醚結構或聚合物電容器。電力轉換器9 0提供一輸出電壓 給正及負端20、22，輸出電容器C2跨於其間，它可 以是低等效串聯電阻（E S R )型的鉅質電容器或是具 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） -------：------裳--------訂---------綠 <請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -18- Α7 4594 1 ο -------Β7____ 五、發明說明π ) E S R的聚合物電容器或其它類型的電容器。應瞭解，電 力轉換器9 0可以製造在具有電容的封裝內，以提供輸出 電容器C 2 » 電感器L的第一端連接到正極32"，第二端點連接 到SW2的汲極與SW3的汲極。SW2的集極與基底連 接到負極3 4 〃 。具有停止一步進振盪器的電力控制狀態 機1 10連接到SW2的閘極與汲極、SW3的閘極、負 極34" 、SW3的汲極'基底與集極，以及電力轉換器 9 0的外部輸入，包括前述的預—泵1 〇 2、電壓參考 104、正向控制106，以下將參考圖6做更詳細的描 述。 現請參閱圖6，圖中顯示實施圖5中具有停止一步進 振盪器的電力控制狀態機1 1 0，包括具有充電泵蓄電器 的起動電路1 12，振盪器1 1 4，誤差放大器1 1 6， 起動步驟控制邏輯零伏输出偵測器1 1 8，調制器1 2 0 ，SR正反器1 2 2，多工器、邏輯位移器及防交叉導電 級1 2 4。具有停止一步進振盪器之電力控制狀態機 110每一個組件的偏壓部分是參考負極34〃 。 吾人需要負載（未顯示）一旦連接到電池1 〇，電力 轉換器9 0就能按要求處理突波，即使電池1 0不是滿電 荷，因此，正極電壓通過電感L到達具有充電泵蓄電器的 起動電路1 1 2，它依次提供電力給振盪器1 1 4、起動 步驟控制邏輯零伏輸出偵測器1 1 8、以及多工器、邏輯 位移及防交叉導電級。否則，如果要求造成內建式電池積 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉 ! , -------•訂·--------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 -19- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ____B7_ 五、發明說明（17 ) 體電路被不正常供電，具有停止一步進振盪器的電力控制 狀態機1 1 0的動作可能無法預測。 ' 振盪器114提供一穩定的頻率做爲具有停止-步進 振盪器之電力控制狀態機1 1 〇的時計組件，特別是起動 步驟控制邏輯零伏輸出偵測器1 1 8與調制器1 2 0。' 誤差放大器1 1 6比較來自正端2 0的Vout信號與來 自電壓參考1 0 4的參考電壓，提供一誤差信號給起動步 驟控制邏輯零伏輸出偵測器1 1 8。 起動步驟控制邏輯零伏輸出偵測器1 1 8調制一個與 誤差信號關連的工作周期信號給S R正反器1 2 2，當誤 差信號爲正時，增加工作周期一級，當誤差信號爲負時， 減少工作周期信號一級。此外，起動步驟控制邏輯零伏輸 出偵測器1 1 8接收來自正端2 0的Vout信號用以偵測零 伏（即電池短路情況），以減少工作周期信號以降低電池 的輸出。若負載很輕時，起動步驟控制邏輯停止控制器， 執行長期不連接模式 > 因此不會危及電池的效率。 SR正反器1 2 2由在S輸入的工作周期信號以及調 制器1 2 0在R輸入提供具有與振盪器1 1 4相同時計率 的調制信號產生驅動信號。 多工器、邏輯位移器及防交叉導電級1 2 4接收驅動 信號以準備輸出信號，用以將SW 2及SW3的閘極驅動 到飽合區域。防交叉導電級根據正向控制信號及Vout信號 動態地調整閘極間的關閉時間（dead time )。 現請參閱圖7，圖中實施圖4的指示器控制器1 0 〇 本紙張尺度適用中國國家標革（CNS)A4規格（210 X 297公釐) ’ ~~ -20- ------；------ 裝--------訂---------錄· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 _ 五、發明說明08 ) a ，其結構是用於圖3所示的脈衝指示器64。指示器控 制器1 0 0 a包括一電壓門檻偵測器1 3 0 ’·它監視電極 的電壓，當伏特電池的電壓降到一電壓門檻以下一段既定 的時間，輸出一門檻信號。該門檻信號起動指示系統1 1 的其它部分，以便提供一脈衝指示。 電壓門檻偵測器1 3 0所偵測的電極電壓可能由於加 諸於電池1 0之負載（未顯示）的改變而不規則地變動》 例如，大約持續1 0 0毫秒之突波的大電流尖波所對應的 電極電壓降，在很多裝置中是很常見的，特別是在起動期 間。爲避免指示系統1 1的假警報，電壓門檻偵測器 1 3 0包括一差分输入滯後施密特觸發器A，它比較正極 32*與來自電壓參考104的參考電壓，如1 · 4伏。 電極電壓是偵測電阻器R a與R b所構成的電壓分壓器’ 其中，電阻器R a的第一端與電阻器Rb的第一端電氣耦 合到滯後施密特觸發器A的正輸入，電阻器R a的第二端 電氣耦合到正極32〃 ，電阻器Rb的第二端電氣耦合負 極34〃 。電阻器Ra與Rb的接合點也是定義前述提供 給電力轉換器9 0之正向控制1 06的源。電阻器Ra|^ Rb的値經過挑選’以使跨過串聯之Ra與Rb的功率消 耗低，以使當與參考電壓比較時’指示系統1 1能獲得所 要的開起電壓。 滯後施密特觸發器A的輸出連接到MO S F Ε τ開關 SW4的閘極’它的源極由預—泵1 〇 2供電。開關 SW4的基底與集極偏壓指示器控制器1 〇 〇 3的其它部 本紙張尺度適用t國國家標準（CNS)A4規格（210x 297公釐） -------- I ---I--^-----I-- (請先閱璜背面之注意事項再填寫本頁) -21 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（19 ) 分，特別是單输入反相滯後施密特觸發器B、差分輸入滞 後施密特觸發器C以及運算放大器（Op Amp)D。 '〇 P Amp D接收正極3 2 〃的輸入，並提供一緩衝 的正極電壓輸出給差分輸入滯後施密特觸發器C的正輸入 ，施密特觸發器C的負輸入電氣耦合到反相施密特觸發器 B的輸入。電阻器R 1具有第一端，連接於反相施密特觸 發器B的輸入與輸出之間。電容器C 3連接於反相施密特 觸發器B的輸入與負極3 4^之間。電阻器R 1與電容器 C 3的値經過挑選，在與施密特觸發器B結合後，構成一 低頻振盪器1 3 2，提供一脈衝指示器頻率，輸入到施密 特觸發器C的負輸入。當輸入到施密特觸發器C正輸入之 緩衝的正極電壓下降，從施密特觸發器C輸出之脈衝串的 工作周期增加，它用來控制Μ〇S F E T開關S W 5的閘 極。開關SW5的基底與集極連接到負極34〃 - Μ〇S F Ε Τ開關S W 5的汲極連接到脈衝指示器6 4 〇 開關S W 5是一高阻抗開關，因此，它不需要限流電阻， 可以直接連接到脈衝指示器6 4，如L E D或液晶顯示器 (LCD)。 現請參閱圖8，圖中顯示用於類比指示器（如圖1的 類比指示器13)的指示器控制器100b。在圖7中所 討論的滯後施密特觸發器A、開關S W 4及0 p Amp D在圖8中仍都存在。而不使用低頻振盪器13 2，取而 代之的是來自Op Amp D的緩衝正極電壓電氣耦合 到差分輸入滯後施密特觸發器E的正輸入=差分輸入滯後 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------------I--訂--------- <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 22 - 459410 A7 ___B7_ 五、發明說明P ) 施密特觸發器E的負輸入電氣耦合到電壓參考1 0 4。差 分輸入滯後施密特觸發器E的輸出電氣耦合到類比指示器 10 3。 圖8中也顯示圖4之測試器致動器9 2的另一種實施 。測試器致動器9 2在指示器控制器1 0 0 b的輸出（即 Op Amp E的輸出），直接連接到直條圖指示器 1 3。特別是，一測試器致動器按鈕1 5 (圖1 )電氣地 閉路第一接點136與第二接點138。第一接點136 將正極3 2"電氣耦合到直條圖指示器1 3。第二接點將 直條圖指示器1 3電氣耦合到電阻器R t的第一端，電阻 器Rt的第二端電氣耦合到負極34"。因此，在此情況 |當電池1 0從電池匣中取出或沒有外部負載時，測試器 致動器9 2加諸一適當的人工負載（電阻器Rt)，因此 ，電極電壓可以反映電池1 0的電荷狀態。電阻器R t可 以印刷在標籤1 4上，或積體到撓性電路板7 0中，並根 據特定的直條圖指示器做適當的調校。 現請同時參閱圖7及8，滯後施密特觸發器A的输出 也連接到備用開關7 8，以便當偵測到低的電極電壓時， 能使用備用伏特電池3 0 '。 現請參閱圖9 ，使用一電壓圖說明圖4中內建式電池 積體電路的操作。在階段1’即緊接在製造完成之後，電 池1 0內的主電池電極電壓（"主電池"）完全飽滿|亦 即不與內建式電池積體電路5 0電氣連接，最好也不與電 池的端點20、22連接。與端點20、22隔離不僅可 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----I-------^--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --ei 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -23- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ______B7 _ 五、發明說明θ ) 降低長期儲存期間可能發生的漏電’也較安全。以鋰離子 電池爲例，在儲存期間如果端點2 0、2 2不慎短路’快 速放電會發熱並可能爆炸。 在時間T 0，主電池電極3 2、3 4例如經由閉鎖器 8 8分別電氣耦合到端點2 0、2 2，藉以將電力至少提 供給內建式電池積體電路5 0中的部分組件’如預-泵 1 02、電壓參考1 〇4 '以及施密特觸發器A。當電極 電壓超過參考電壓，在剩下的整個階段1中，端電壓依循 主伏特電池的電壓。 在時間T 1，階段2開始，電極電壓開始低於參考電 壓，因此，致使電力轉換器9 0與指示系統1 1自動起動 。電極電壓續續下降，同時端電壓由電力轉換器9 0保持 在一較高且較固定的電壓。指示系統1 1的例子將在下文 中參考圖10及11討論。 若沒有任何備用伏特電池，電極電壓將下降，直到截 止電壓，如0 . 7伏，此時已沒有足夠的電壓可操作內建 式電池積體電路。視實施的方法而定，端電壓繼續追蹤電 極電壓，或是與電極32、34切斷連接。 不過，圖9所顯示的實施中包括備用伏特電池3 0 > 。在時間T 2 ，電極電壓到達備用觸發電壓，但高於截止 電壓，此時備用伏特電池3 0 ~開始供應電力給端點2 0 、2 2。在階段3期間，備用的伏特電極電壓以先前討論 主伏特電池電壓的相同方式下降|唯下降的較快，電力轉 換器9 0與指示系統1 1再度被觸發。到時間T 3，備用 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------ --------訂-I 1-----ί (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -24 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明F ) 伏特電池的電極電壓也到達截止電壓，之後，在階段4， 內建式電池積體電路5 0被關閉。 現請參閱圖1 0 ’顯示在階段2期間的脈衝指示器 6 4 (如對圖8及10中之描述），其中，一脈衝串從 T 1開始，且頻率不斷增加，直到時間T 2，脈衝使脈衝 .指示器6 4 (例如L E D )閃爍，警告使用者電池即將失 效。 現請參閱圖11，顯示在階段2期間的直條圖指示器 13 (如對圖9及10中之描述），其中，電極電壓（即 Op Amp E的輸出）被〇p Amp E轉換成直 條圖指示器1 3的對應範圍。此種校正要適應對電極電壓 的計量與電荷狀態的非線性，以及類比指示器1 3可操作 的輸入範圍。 本發明之較廣義的態樣並不限於特定的細節、裝置及 方法，以及文中顯示與描述的說明實例。因此，與這些細 節間的差異，都不會偏離申請案之一般發明構想的精神或 範圍。 例如，雖然所描述的電力轉換器9 0是內建式電池積 體電路5 0的一部分較爲有利，但指示系統1 1可以與電 池1 0結合，其中伏特電池的電壓直接供應給電池的端點 20 ' 22。另者，電力轉換器90可以全時調節端電壓 ，包括增加或減少跨於電極32、34上的電壓。 如另一例，雖然所說明的是典型比例與結構的電化學 伏特電池3 0，但內建式電池積體電路5 0也可以應用到 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------ ^-------"訂----------^: (請先閲讀背面之注意事項再填窵本頁) -25- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 -------B7___ 五、發明說明（23 ) 各種類型的伏特電池3 0，包括太陽、混合、電機等此 外’電池1 〇可包括任意數量的主伏特電池3 〇及/或備 用伏特電池3 0 >以串聯或並聯結合。 如又一例，標籤1 4除了可以結合類比指示器（如直 條圖指示器1 3 )或脈衝指示器6 4，還可結合其它各種 類型的指示器。例如，電荷狀態的資訊可以轉換成指示百 分比的對應數字表示。此外，電荷狀態的資訊可以轉換成 對應的時間量測，例如到電池1 〇失效所剩的時間，乃是 根據平均、瞬間、或既定的放電速率來計算》 如又另一例，本文所描述的電池1 0配置測試器致動 器按鈕1 5，以有利於提供各種功能，如初始起動內建式 電池積體電路5 0以延長儲存期限，以及當指示系統在關 閉狀態以人工起動指示系統1 1以確認電荷狀態。電池 1 ◦的其它實施方法也可以沒有這類介面或功能較少，例 如沒有閉鎖器8 8，因此內建式電池積體電路5 0可以自 動起動。 如還有另一例，測試器致動器9 2可以用來起動內建 式電池積體電路5 0，而非將電極電壓連接到直條圖指示 器1 3，以及將校正電阻R t連接於直條圖指示器與接地 之間。 如另一例，指示系統1 1除了視覺指示外，還可以包 括聲音告知器或以其取代之》 如吾人所知1在初始時關閉內建式電池積體電路5 0 的閉鎖器8 8可以取消，以允許電池1 0完全可操作。另 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----------I I r i I--I--訂--I-----结 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -26- A7 4594 1〇 ________B7__ 五、發明說明？4 ) 者，閉鎖器8 8也可中斷合成正極3 2〃與電力轉換器 9 0以及正端2 0的電氣耦合。雖然這需要使用者以人工 步驟使電池1 0可操作，此不便卻是想要延長儲存壽命的 保證。此外，某些伏特電池，例如鋰離子電池在快速放電 期間會變得不安全。在開始時使正端2 0電氣脫離的措施 ’可避免意外的負載使電池短路，例如電池掉落泥漿中。 在不使用電力轉換器9 0實施本發明的情況下、閉鎖器 8 8可以直接耦合到正端2 0，也可獲得相同的安全效果 裝--------訂-------一-¾ <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -27-

Claims (1)

  1. BS C8 D8 4^9^· 六、申請專利範圍 第89 1 076 1 7號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國9 0年8月修正 1 ‘一種電池，包括： —主伏特電池，包括一正極及一負極，該主伏特電池 儲存電荷以在該正及該負極間產生電極電壓； 一指示系統，包括一指示器以及一指示器控制器，該 指示器控制器介於該電極與該指示器之間，該指示器控制 器反應該電極電壓用以控制該指示器；以及 一容器，實質地密封該主伏特電池及該指示系統。 2 .如申請專利範圍第1項的電池，其中該指示器控 制器包括一電壓門檻偵測器，電氣耦合到該電極，該電壓 門檻偵測器反應電極電壓下降到一電壓門檻，於是該電壓 門檻偵測器起動該指示系統藉以起動該指示器。 3 如申請專利範圍第2項的電池*其中該指示系統 包括一電壓參考，且其中該電壓門檻偵測器包括一觸發器 *耦合到該電極以及耦合到該電壓參考。 4 ·如申請專利範圍第2項的電池，其中該電壓門檻 偵測器包括一差分輸入滯後施密特觸發器，具有第一及第 二輸入以及一觸發輸出’該第一輸入電氣耦合到該電極電 壓，該第二輸入電氣稱合到由該電壓參考所偏壓的電壓分 壓器，該電壓分壓器產生一既定的電壓門檻，該輸出控制 電池供電給該指示系統的其餘部分。 5 .如申請專利範圍第2項的電池，其中該指示器控 本紙ft尺度適用中國•家橾準（CNS ) A4洗格（210X297公釐） -----------裝-- (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) 訂 ，—^-- n 4i ' 經濟部智慧財產局8工消骨合作社印製 六、申請專利範圍 制器進一步包括一緩脈衝振盪器，由該電壓門檻偵測器電 氣地起動，並控制該指示器。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 6 ·如申請專利範圍第5項的電池，其中該指示器包 括脈衝指示器。 7 .如申請專利範圍第6項的電池，其中該脈衝指示 器包括發光二極體及液晶顯示器其中之一。 8 ·如申請專利範圍第1項的電池，進一步包括一備 用開關以及一備用伏特電池，由該容器實質地密封，該備 用開關介於該主伏特電池與該備用伏特電池之間，並由該 指示系統控制，以選擇性地增加該主伏特電池的電荷。 9 .如申請專利範圍第8項的電池，其中該備用伏特 電池包括一正極與一負極，該備用的負極電氣耦合到該主 負極，且其中該備用開關切換該指示系統與該主正極與該 備用正極間的連接。 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 1 〇 .如申請專利範圍第1項的電池，其中該指示系 統進一步包括一正導體、一負導體及一接地帶，且其中該 指示器控制器包括一撓性電路板，該正導體與該主伏特電 池的該正極電氣耦合，該負導體與該主伏特電池的該負極 電氣耦合’該撓性電路板電氣耦合到該正導體及該接地帶 ，該接地帶電氣耦合到該負導體*其中該指示器置於該容 器的外表，該容器進一步包括一正端及一負端，該撓性電 路板電氣耦合到該正端，該負端電氣耦合到該負極，負導 體及該接地帶。 1 1 如申請專利範圍第1 0項的電池，其中該正端 本纸張尺度適用中困國家#率（CNS >入4現格（2丨0X297公i ) 7T -
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