Первичная батарея, имеющая встроенный преобразователь постоянного напряжения

 

Изобретение относится к химическим источникам тока. Техническим результатом является увеличение продолжительности работы батареи. Регулятор может увеличивать продолжительность работы батареи, например, посредством преобразования напряжения элемента в выходное напряжение, которое больше напряжения отключения электронного устройства, посредством преобразования напряжения элемента в выходное напряжение, которое меньше номинального напряжения гальванического элемента батареи, или посредством защиты гальванического элемента от пиков тока. Регулятор может также включать в себя заземляющую цепь смещения, которая обеспечивает виртуальное заземление так, чтобы преобразователь мог работать при более низких напряжениях элемента. Батарея может быть одноэлементной батареей, универсальной одноэлементной батареей, многоэлементной батареей или гибридной многоэлементной батареей. 2 с. и 8 з. п. ф-лы, 2 табл., 21 ил.

Настоящее изобретение касается батарей гальванических элементов и более конкретно батарей, имеющих встроенный регулятор (преобразователь постоянного напряжения) для увеличения продолжительности работы батарей.

Потребители используют батареи гальванических элементов в портативных электронных устройствах типа радиоприемников, систем воспроизведения компакт-дисков, камер, сотовых телефонных аппаратов, электронных игр, игрушек, пэйджеров, компьютерных устройств и т.д. Когда срок службы этих батарей заканчивается, их обычно выбрасывают. При этом, как правило, используется только приблизительно 40-70% общей емкости обычной батареи. После использования этой части начальной запасенной энергии батарея обычно не может обеспечить достаточное напряжение для приведения в действие электронного устройства.

Таким образом, потребители обычно выбрасывают батареи, даже если батарея все еще содержит приблизительно 30-60% своей емкости. Продляя срок службы этих батарей путем безопасной более глубокой разрядки, можно снизить отходы, позволяя электронным устройствам использовать большую емкость батареи, прежде чем ее выбросить.

Кроме того, потребители постоянно требуют все более маленькие и легкие портативные электронные устройства. Одно из основных препятствий для создания этих меньших и более легких устройств заключается в размере и весе аккумуляторных батарей, требуемых для подачи электроэнергии на устройства. Фактически, поскольку электронные схемы становятся более быстродействующими и сложными, они обычно требуют еще больший ток, чем прежде, и, следовательно, требования к батареям оказываются еще более высокими. Однако потребители не примут более мощные и миниатюрные устройства, если увеличенные функциональные возможности и быстродействие потребуют, чтобы они заменяли батареи значительно чаще. Таким образом, чтобы делать более быстродействующие и сложные электронные устройства, не уменьшая при этом срок службы батарей, электронные устройства должны более эффективно использовать батареи или сами батареи должны обеспечивать более высокое использование запасенной энергии.

Некоторые более дорогостоящие электронные устройства включают в себя схему регулятора напряжения типа переключающего преобразователя (например, преобразователя постоянного напряжения) в устройствах для преобразования и/или стабилизации выходного напряжения одной или больше батарей. В этих устройствах множество одноэлементных батарей обычно соединены последовательно, и преобразователь преобразует напряжение аккумуляторных батарей в напряжение, требуемое схемой нагрузки. Преобразователь может продлить срок службы батареи посредством понижения выходного напряжения батареи на начальном этапе разрядки батареи, когда батарея в противном случае может обеспечивать большее напряжение и, следовательно, большую мощность, чем требует цепь нагрузки, и/или посредством повышения выходного напряжения батареи на последнем этапе разрядки батареи, когда батарея в противном случае была бы истощена, потому что выходное напряжение оказывается меньше, чем требуется схемой нагрузки.

Однако подход, заключающийся в наличии преобразователя в электронном устройстве, имеет несколько недостатков. Во-первых, преобразователи для размещения в электронных устройствах имеют относительно высокую стоимость, поскольку каждый изготовитель устройств имеет определенные конструкции схем, которые изготовлены в относительно ограниченном количестве и, таким образом, имеют более высокую индивидуальную стоимость. Во-вторых, поставщики батарей не управляют типом преобразователя, который можно использовать с конкретной батареей. Следовательно, преобразователи не оптимизированы для определенных электрохимических свойств каждого типа элемента аккумуляторной батареи. В-третьих, различные типы элементов батарей, например щелочные и литиевые элементы, имеют различные электрохимические свойства и номинальные напряжения и, следовательно, не могут легко взаимозаменяться. В дополнение к этому, преобразователи занимают ценное пространство в электронных устройствах и увеличивают их вес. В некоторых электронных устройствах можно также использовать линейные регуляторы вместо более эффективных переключающих преобразователей типа преобразователя постоянного напряжения. Кроме того, электронные устройства, содержащие переключающие преобразователи, могут создавать электромагнитные помехи (ЭМП), которые могут неблагоприятно влиять на соседнюю схемную часть в электронном устройстве типа высокочастотного (ВЧ) передающего устройства. Однако при размещении преобразователя в аккумуляторной батарее источник ЭМП можно располагать дальше от другой чувствительной к ЭМП электроники и/или можно экранировать проводящим контейнером батареи.

Другая проблема, связанная с существующими преобразователями напряжения, состоит в том, что для них обычно требуется множество последовательно соединенных гальванических элементов, чтобы обеспечить достаточное напряжение для приведения в действие преобразователя. Далее, преобразователь может понизить напряжение до уровня, требуемого электронным устройством. Таким образом, из-за требований входного напряжения преобразователя электронное устройство должно содержать несколько гальванических элементов, даже если для работы самого электронного устройства может оказаться необходимым только один элемент. Это приводит к непроизводительному использованию места и веса и препятствует дальнейшей миниатюризации электронных устройств.

Таким образом, существуют потребности в большем использовании емкости потребительских батарей гальванических элементов перед их выбрасыванием и использовании меньших пространства и веса для батарей, чтобы далее миниатюризировать портативные электронные устройства.

Дополнительно, существует потребность в снижении стоимости преобразователей постоянного напряжения для электронных устройств, например, посредством разрабатывания более универсальных конструкций схем.

Существует также потребность в конструировании преобразователя, в котором можно использовать преимущество определенных электрохимических свойств конкретного типа гальванического элемента.

Кроме того, существует также потребность в разработке взаимозаменяемых батарей, которые имеют гальванические элементы с различными номинальными напряжениями или внутренним полным сопротивлением, без изменения химии элемента самих гальванических элементов.

К тому же, существует потребность в разработке гибридных батарей, которые допускают использование различных типов гальванических элементов, подлежащих компоновке в одной и той же батарее.

Далее, существует также потребность в защите чувствительной схемной части электронного или электрического устройства от влияния ЭМП, создаваемых переключающим преобразователем.

Настоящее изобретение представляет батарею гальванических элементов, которая обеспечивает более длительный срок службы благодаря использованию большего количества ее запасенной энергии. Батарея имеет встроенный регулятор, включающий в себя преобразователь постоянного напряжения, который может обеспечивать работу на напряжении ниже порога напряжения обычных электронных устройств. Регулятор более эффективно регулирует напряжение элемента и обеспечивает возможность безопасной глубокой разрядки батареи, чтобы использовать большее количество запасенной энергии батареи. Регулятор предпочтительно расположен на смешанном кремниевом кристалле, который разрабатывают по заказу для работы с конкретным типом гальванического элемента, таким как щелочной, угольно-цинковый, NiCd, литиевый, оксидно-серебряный или гибридный элемент, или с конкретным электронным устройством.

Регулятор предпочтительно контролирует подачу энергии к нагрузке и управляет ею для оптимального продления срока службы батареи посредством (1) включения и выключения преобразователя постоянного напряжения; (2) поддержания минимального требуемого выходного напряжения, когда входное напряжение оказывается ниже напряжения отключения электронных устройств, для снабжения энергией которых батарея предназначена; и (3) понижения выходного полного сопротивления батареи.

В предпочтительном варианте осуществления регулятор монтируют внутри одноэлементной батареи типа батареи стандарта ААА, АА, С или D (например, в контейнере) или внутри каждого элемента многоэлементной батареи типа стандартной 9 В батареи. Это обеспечивает несколько явных преимуществ. Во-первых, это позволяет разработчику батареи использовать преимущество конкретных электрохимических характеристик каждого типа гальванического элемента. Во-вторых, это позволяет использовать различные типы гальванических элементов взаимозаменяемым образом посредством либо изменения, либо стабилизации выходного напряжения и/или выходного сопротивления для удовлетворения требованиям электронных устройств, разработанных для функционирования от стандартного гальванического элемента. Например, разработчик батареи может разработать сверхэффективную литиевую батарею, которая содержит литиевый гальванический элемент типа литий-МnО₂ элемента, который удовлетворяет компоновочным и электрическим требованиям стандартной 1,5 В АА батареи посредством понижения номинального напряжения элемента в диапазоне от, приблизительно, 2,8 до, приблизительно, 4,0 В, до, приблизительно, 1,5 В без уменьшения накопления химической энергии литиевого элемента.

Используя более высокое напряжение литиевого элемента, разработчик может существенно увеличить срок службы батареи. В-третьих, размещение схемы преобразователя в одноэлементной или многоэлементной батарее позволяет разрабатывать электронные устройства без внутренних регуляторов или преобразователей. Это может помочь уменьшить размер электроники и обеспечивать более дешевые, меньшего размера и более легкие портативные электронные устройства. Кроме того, проводящий контейнер, содержащий гальванический элемент, также обеспечивает экранирующий слой вокруг схемы регулятора для защиты близлежащих электронных схем типа высокочастотных ("ВЧ") передатчиков и приемников, от электромагнитной помехи ("ЭМП"), создаваемой преобразователем постоянного напряжения регулятора. Кроме того, обеспечение регулятора в каждом гальваническом элементе дает более надежный и эффективный контроль каждого гальванического элемента, чем это выполнялось раньше. Регуляторы могут контролировать состояния каждого гальванического элемента и гарантировать, что каждый гальванический элемент по возможности полнее исчерпывает свою емкость прежде чем выключит электронное устройство.

Регуляторы также позволяют использовать батареи по настоящему изобретению в широком диапазоне устройств. Батареи по настоящему изобретению обеспечивают преимущества над известными батареями, независимо от того, используются ли они с электрическими или электронными устройствами, которые имеют напряжение отключения типа перечисленных выше устройств, или с электрическим устройством, которое не имеет напряжения отключения, типа карманного фонаря.

Кристаллы регуляторов также можно делать значительно экономичнее, поскольку большой объем продажи батарей обеспечит возможность значительно менее дорогостоящего производства кристаллов, чем делать индивидуальные конструкции регуляторов или преобразователей для каждого типа электронного устройства.

Один предпочтительный вариант осуществления преобразователя постоянного напряжения представляет собой почти безындукционный, высокочастотный, высокоэффективный преобразователь с низким входным напряжением и средней мощностью, в котором используется схема управления широтно-импульсной модуляцией или модуляцией фазового сдвига.

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения представлены в описании предпочтительного варианта осуществления изобретения.

Хотя описание заканчивается формулой изобретения, конкретно указывающей и отчетливо заявляющей объект, который расценивается как настоящее изобретение, полагают, что изобретение будет лучше понятно из последующего описания, которое приведено совместно с чертежами.

Фиг.1 представляет изображение в перспективе, иллюстрирующее конструкцию обычной цилиндрической батареи.

Фиг. 2 представляет изображение в перспективе конструкции другой обычной цилиндрической батареи.

Фиг. 3 представляет вид в разрезе еще одной конструкции обычной цилиндрической батареи.

Фиг.4 представляет блок-схему батареи по настоящему изобретению.

Фиг.4А представляет блок-схему одного предпочтительного варианта осуществления батареи, показанной на фиг.4.

Фиг. 4В представляет блок-схему другого предпочтительного варианта осуществления батареи, показанной на фиг.4.

Фиг. 5А представляет изображение, частично в разобранном виде, в поперечном разрезе предпочтительного варианта осуществления батареи по настоящему изобретению.

Фиг. 5В представляет изображение, частично в разобранном виде, в поперечном разрезе другого предпочтительного варианта осуществления батареи по настоящему изобретению.

Фиг. 5С представляет, частично в разобранном виде, изображение в перспективе еще одного предпочтительного варианта осуществления батареи по настоящему изобретению.

Фиг.6 представляет изображение в перспективе, иллюстрирующее, частично в разрезе, предпочтительный вариант осуществления многоэлементной батареи по настоящему изобретению.

Фиг.7 представляет блок-схему другого предпочтительного варианта осуществления батареи по настоящему изобретению.

Фиг. 8 представляет блок-схему еще одного предпочтительного варианта осуществления батареи по настоящему изобретению.

Фиг.9 представляет блок-схему другого предпочтительного варианта осуществления батареи по настоящему изобретению.

Фиг. 9А представляет принципиальную схему одного аспекта осуществления предпочтительного аспекта осуществления показанной на фиг.9 батареи.

Фиг. 9В представляет блок-схему еще одного предпочтительного аспекта осуществления предпочтительного варианта осуществления показанной на фиг.9 батареи.

Фиг. 10 представляет блок-схему еще одного предпочтительного варианта осуществления батареи по настоящему изобретению.

Фиг. 11 представляет блок-схему другого предпочтительного варианта осуществления батареи по настоящему изобретению.

Фиг. 12 представляет блок-схему еще одного предпочтительного варианта осуществления батареи по настоящему изобретению.

Фиг.13 представляет комбинацию блок-схемы и принципиальной схемы другого предпочтительного варианта осуществления батареи по настоящему изобретению.

Фиг. 14 представляет график характеристических кривых разрядки для обычной батареи и двух различных предпочтительных вариантов осуществления батарей по настоящему изобретению.

Настоящее изобретение касается первичных одноэлементных и многоэлементных батарей. Термин "первичные" используется в этой заявке и относится к батарее или гальваническому элементу, который предназначен для выбрасывания после истощения его применимой электрической емкости (то есть, они не предназначены для перезарядки или иного повторного использования). Термин "потребительская" в этой заявке относится к батарее, которая предназначена для использования в электронном или электрическом устройстве, приобретенном или используемым потребителем. Термин "одноэлементный" относится к батарее, имеющей один гальванический элемент, скомпонованный отдельно, такой как стандартная батарея типа АА, ААА, С или D, или одному элементу в многоэлементной батарее (например, типа стандартной 9 В батареи или батареи, предназначенной для телефонного аппарата сотовой связи или портативной ЭВМ). Используемый в этой заявке термин "батарея" относится к контейнеру, имеющему клеммы и один гальванический элемент, или корпусу, который имеет клеммы и по меньшей мере содержит по существу два или больше гальванических элемента (например, стандартная 9 В батарея или батарея для телефонного аппарата сотовой связи или портативной ЭВМ). Гальванические элементы не должны быть полностью закрыты корпусом, если каждый элемент имеет свой собственный отдельный контейнер. Например, батарея для портативного телефонного аппарата может содержать два или больше гальванических элемента, каждый из которых имеет свой собственный отдельный контейнер, и упакованные вместе в стягивающем оберточном пластмассовом материале, который удерживает отдельные контейнеры вместе, но может не полностью закрывать отдельные контейнеры элементов. Используемый в этой заявке термин "гибридная батарея" включает в себя многоэлементную батарею, которая содержит два или больше гальванических элемента, и по меньшей мере два из этих элементов имеют различные гальванические элементы, например, отличающийся электрод, отличающуюся пару электродов или отличающийся электролит.

Используемый в этой заявке термин "регулятор" относится к схеме, которая принимает по меньшей мере один входной сигнал и обеспечивает по меньшей мере один выходной сигнал, который является функцией входного сигнала. Термины "преобразователь постоянного напряжения" и "преобразователь" в этой заявке используются взаимозаменяемым образом и относятся к преобразователю переключающего типа, то есть, управляемому прерывателем преобразователю постоянного напряжения, который преобразовывает входное напряжение постоянного тока в требуемое выходное напряжение постоянного тока. Преобразователи постоянного напряжения представляют силовые электронные цепи, которые часто обеспечивают регулируемый выходной сигнал. Преобразователь может обеспечивать повышенный уровень напряжения, пониженный уровень напряжения или регулируемое напряжение относительно одного и того же уровня. В технике известно много различных типов преобразователей постоянного напряжения.

Настоящее изобретение предполагает возможность использования известных преобразователей или линейных регуляторов, хотя менее выгодно, заменяет предпочтительные преобразователи, описанные в этой заявке, которые способны работать на уровнях напряжения, ниже которых могут функционировать обычные электронные устройства.

Термин "напряжение отключения" представляет напряжение, ниже которого электрическое или электронное устройство, подсоединенное к батарее, не может работать. Таким образом, "напряжение отключения" зависит от устройства, то есть уровень зависит от минимального рабочего напряжения устройства (функциональная конечная точка) или частоты работы (например, должна быть обеспечена возможность зарядки конденсатора в пределах данного интервала времени).

Электронные устройства обычно имеют напряжение отключения в диапазоне от, приблизительно, 1 В до, приблизительно, 1,2 В, где некоторые из электронных устройств имеют напряжение отключения только приблизительно 0,9 В. Электрические устройства, имеющие механические движущиеся части типа электрических часов, двигателей и электромеханических реле, также имеют напряжение отключения, которое является необходимым для обеспечения тока достаточной величины, чтобы создать достаточно сильное электромагнитное поле для перемещения механических деталей. Другие электрические устройства типа карманного фонарика обычно не имеют напряжения отключения устройства, но когда напряжение батареи, снабжающей их энергией, снижается, уменьшается также выходная мощность (например, интенсивность свечения лампы накаливания).

Одним аспектом настоящего изобретения является увеличение срока службы батареи. "Срок службы батареи" и "продолжительность работы батареи" являются взаимозаменяемыми и определяются как время цикла разрядки до того момента, когда выходное напряжение батареи упадет ниже минимального рабочего напряжения устройства, которое батарея снабжает энергией, то есть напряжения отключения этого устройства. Хотя "продолжительность работы элемента" зависит непосредственно от самого гальванического элемента, то есть истощения всей электрохимической энергии элемента, "продолжительность работы батареи" зависит от устройства, в котором она используется.

Например, электронное устройство, имеющее напряжение отключения, равное приблизительно 1 В, выключается, когда выходное напряжение батареи падает ниже 1 В, даже если гальванический элемент может все еще иметь по меньшей мере 50% своей оставшейся емкости аккумулированной энергии. В этом примере "продолжительность работы батареи" истекла, потому что она больше не может обеспечивать достаточно высокую энергию для возбуждения электронного устройства, и батарею обычно выбрасывают. Однако "продолжительность работы элемента" не истекла, потому что элемент имеет оставшуюся электрохимическую энергию.

В этой заявке термины "период нормальной эксплуатации гальванического элемента" или "период нормальной эксплуатации элемента" также используются независимо от того, является ли гальванический элемент элементом одноразового использования или перезаряжаемым элементом, и соответствуют продолжительности работы батареи в том смысле, что "период нормальной эксплуатации" является временем, когда элемент больше не будет полезным в конкретном цикле разрядки, потому что гальванический элемент больше не может обеспечивать достаточное напряжение для возбуждения устройства, которое он снабжает энергией. Если "продолжительность работы элемента" в одноэлементной батарее увеличивается или уменьшается, то "период нормальной эксплуатации элемента" и "продолжительность работы батареи" также неизбежно увеличиваются или уменьшаются соответственно. Кроме того, термин "продолжительность работы батареи" одноэлементной батареи и "период нормальной эксплуатации" являются взаимозаменяемыми в том смысле, что если или "продолжительность работы батареи" одноэлементной батареи или "период нормальной эксплуатации элемента" увеличивается или уменьшается, то другая величина также будет соответственно увеличиваться или уменьшаться. Однако, наоборот, термин "период нормальной эксплуатации элемента" конкретного гальванического элемента в многоэлементной батарее не обязательно взаимозаменяем термином "продолжительность работы батареи" для этой многоэлементной батареи, потому что конкретный гальванический элемент может все еще иметь оставшийся ресурс даже после завершения продолжительности работы многоэлементной батареи. Аналогично этому, если "продолжительность работы элемента" конкретного гальванического элемента в многоэлементной батарее увеличивается или уменьшается, "продолжительность работы батареи" не обязательно увеличивается или уменьшается, потому что "продолжительность работы батареи" может зависеть от напряжения одного или больше других элементов в батарее.

Термины "электрически соединенный" и "электрическое соединение" относятся к соединениям, которые позволяют непрерывно протекать току. Термины "электронным образом соединенный" и "электронное соединение" относятся к соединениям, при которых электронное устройство типа транзистора или диода включено в путь тока. "Электронное соединение" в этой заявке считается подмножеством "электрических соединений", так что хотя каждое "электронное соединение" считается "электрическим соединением", не каждое "электрическое соединение" считается "электронным соединением".

На фиг.1-3 показаны конструкции обычной цилиндрической батареи 10, которые для цели обсуждения упрощены. Конструкция каждой цилиндрической батареи 10 имеет одинаковые основные конструктивные детали, расположенные в различных конфигурациях. В каждом случае конструкция включает в себя контейнер, имеющий оболочку или боковую стенку 14, верхний колпачок 16, включающий положительную клемму 20, и нижний колпачок 18, включающий отрицательную клемму 22. Контейнер 12 закрывает один гальванический элемент 30. Фиг.1 изображает конфигурацию, которую можно использовать для цилиндрического, одного угольно-цинкового гальванического элемента 30 батареи 10. В этой конфигурации весь верхний колпачок 16 является проводящим и образует положительную клемму 20 батареи 10. Изолирующая шайба или уплотнение 24 изолирует проводящий верхний колпачок 16 от гальванического элемента 30. Электрод или токосъемник 26 электрически соединяет внешнюю положительную клемму 20 батареи 10 и катод (положительный электрод) 32 гальванического элемента 30. Нижний колпачок 18 также является полностью проводящим и образует внешнюю отрицательную клемму 22 батареи 10. Нижний колпачок электрически соединен с анодом (отрицательный электрод) 34 гальванического элемента 30. Между анодом и катодом расположен разделитель 28, который обеспечивает средство для ионной электропроводности через электролит. В этом типе устройства обычно компонуют, например, угольно-цинковую батарею.

Фиг. 2 изображает альтернативную конструкцию батареи, в которой изолирующая шайба или уплотнение 24 показано изолирующим нижний колпачок 18 от гальванического элемента 30. В этом случае весь верхний колпачок 16 является проводящим и образует положительную клемму 20 батареи. Верхний колпачок 16 электрически соединен с катодом 32 гальванического элемента 30. Нижний колпачок 18, который является также проводящим, образует отрицательную клемму 22 батареи. Нижний колпачок 18 электрически соединен с анодом 34 элемента 30 батареи через токосъемник 26. Разделитель 28 расположен между анодом и катодом и обеспечивает средство для ионной электропроводности через электролит. В этом типе устройства обычно компонуют, например, щелочную (диоксид цинка/марганца) батарею.

Фиг.3 изображает другую альтернативную батарею, в которой гальванический элемент 30 образован в виде конструкции "спирально намотанного рулона желе". В этой конструкции четыре слоя расположены рядом друг с другом в конфигурации "слоистого типа". Эта конфигурация "слоистого типа" может, например, содержать следующий порядок слоев: слой 32 катода, первый слой 28 разделителя, анодный слой 34 и второй слой 28 разделителя. В качестве альтернативы второй слой 28 разделителя, который не расположен между слоями катода 32 и анода 34, может быть заменен изолирующим слоем. Эту конструкцию "слоистого типа" затем наматывают в цилиндрическую конфигурацию спирально намотанного рулона желе и размещают в контейнере 12 батареи 10. Изолирующая шайба или уплотнение 24 показано изолирующим верхний колпачок 16 от гальванического элемента 30. В этом случае весь верхний колпачок 16 является проводящим и образует положительную клемму 20 батареи 10. Верхний колпачок 16 электрически соединен с катодным слоем 32 гальванического элемента 30 через токосъемник 26. Нижний колпачок 18, который является также проводящим, образует отрицательную клемму 22 батареи. Нижний колпачок 18 электрически соединен с анодом 34 элемента 30 батареи через проводящую нижнюю пластинку 19. Разделительные слои 28 расположены между катодным слоем 32 и анодным слоем 34 и обеспечивают средство для ионной электропроводности через электролит. Боковая стенка 14 показана соединенной с верхним колпачком 16 и нижним колпачком 18. В этом случае боковая стенка 14 предпочтительно образована из непроводящего материала типа полимера. Однако боковая стенка может быть также сделана из проводящего материала типа металла, если боковая стенка 14 изолирована по меньшей мере от положительной клеммы 20 и/или отрицательной клеммы 22 так, чтобы она не создала короткого замыкания между двумя клеммами. В этом типе устройства обычно компонуют, например, литиевую батарею типа литий-марганцево-диоксидной (МnО₂) батареи.

Каждый из этих элементов может также включать в себя различные формы вентиляционных отверстий безопасности, рабочих вентиляционных отверстий для гальванических элементов, которые нуждаются в воздухообмене для работы, индикаторов емкости, этикеток и т.д., которые в технике хорошо известны. Кроме того, элементы можно строить в виде других известных в технике конструкций типа кнопочных элементов, монетных элементов, призменных элементов, элементов в виде плоской пластины или биполярной пластины и т.д.

Для цели настоящего изобретения "контейнер" 12 батареи вмещает один гальванический элемент 30. Контейнер 12 включает в себя все элементы, необходимые для изолирования и защиты двух электродов 32 и 34, разделителя и электролита гальванического элемента 30 от окружающей среды и от любых других гальванических элементов в многоэлементной батарее и обеспечения электрической энергии от гальванического элемента 30 с внешней стороны контейнера. Таким образом, контейнер 12 на фиг.1 и 2 включает в себя боковую стенку 14, верхний 16 и нижний 18 колпачки и положительную 20 и отрицательную 22 клеммы, которые обеспечивают электрическое соединение элемента 30. В многоэлементной батарее контейнер может быть отдельной конструкцией, которая содержит один гальванический элемент 30, и этот контейнер 12 может быть одним из множества отдельных контейнеров в многоэлементной батарее. В качестве альтернативы, контейнер 12 можно образовать посредством части корпуса многоэлементной батареи, если корпус полностью изолирует электроды и электролит одного гальванического элемента от окружающей среды и каждого другого элемента в батарее. Контейнер 12 может быть сделан из комбинации проводящего материала типа металла и изоляционного материала типа пластмассы или полимера.

Однако контейнер 12 должен отличаться от корпуса многоэлементной батареи, который содержит отдельные индивидуально изолированные элементы, каждый из которых содержит свои собственные электроды и электролит. Например, корпус стандартной щелочной батареи 9 В включает шесть отдельных щелочных элементов, каждый из которых имеет свой собственный контейнер 612, как показано на фиг.6. Однако в некоторых литиевых батареях 9 В корпус батареи образован так, что он имеет отдельные клеммы, которые изолируют электроды и электролит гальванических элементов, и таким образом корпус содержит и отдельные контейнеры 12 для каждого элемента, и корпус для всей батареи.

Фиг. 5А, 5В и 5С иллюстрируют изображения частично в разобранном виде трех вариантов осуществления по настоящему изобретению одноэлементных цилиндрических первичных батарей. На фиг.5А регулятор 240 размещен между верхним колпачком 216 и изолирующей шайбой 224 батареи 210. Положительный вывод 242 регулятора 240 электрически соединен с положительной клеммой 220 батареи 210, которая находится непосредственно рядом с регулятором 240, а отрицательный вывод 244 регулятора 240 электрически соединен с отрицательной клеммой 222 батареи 210. В этом примере отрицательный вывод 244 регулятора 240 соединен с отрицательной клеммой 222 батареи 210 через проводящую боковую стенку 214, которая находится в электрическом контакте с отрицательной клеммой 222 проводящего нижнего колпачка 218 батареи 210. В этом случае проводящая боковая стенка должна быть электрически изолирована от верхнего колпачка 216. Положительный ввод 246 регулятора 240 электрически соединен с катодом 232 гальванического элемента 230 через токосъемник 226. Отрицательный ввод 248 регулятора 240 электрически соединен с анодом 234 гальванического элемента 230 через проводящую полоску 237. В качестве альтернативы, регулятор 240 можно размещать между нижним колпачком 218 и изолятором 225 или присоединять, прикреплять или соединять с внешней стороной контейнера или этикеткой батареи.

На фиг.5В регулятор 340 размещен между нижним колпачком 318 и изолятором 325 батареи 310. Отрицательный вывод 344 регулятора 340 электрически соединен с отрицательной клеммой 322 батареи 310, которая находится непосредственно рядом с регулятором 340, а положительный вывод 342 регулятора 340 электрически соединен с положительной клеммой 320 батареи 310. В этом примере положительный вывод 342 регулятора 340 соединен с положительной клеммой 320 батареи 310 через проводящую боковую стенку 314, которая находится в электрическом контакте с положительной клеммой 320 проводящего верхнего колпачка 316 батареи 310. Положительный ввод 346 регулятора 340 электрически соединен с катодом 332 гальванического элемента 330 через проводящую полоску 336. Отрицательный ввод 348 регулятора 340 электрически соединен с анодом 334 гальванического элемента 330 через токосъемник 326, который проходит от нижней пластинки 319 в анод 334 гальванического элемента 330. В таких случаях токосъемник 326 и отрицательный ввод 348 регулятора 340 должны быть изолированы от отрицательной клеммы 322 контейнера 312 и отрицательного вывода 344 регулятора 340, если в регуляторе 340 использовано виртуальное заземление. В качестве альтернативы, регулятор 340 можно размещать между верхним колпачком 316 и изолятором 324 или присоединять, прикреплять или соединять с внешней стороной контейнера 312 или этикеткой батареи.

На фиг. 5С регулятор 440 образован на обертке 441, используя метод печатания на толстой пленке или гибкие печатные платы, и размещен в контейнере между боковой стенкой 414 и катодом 432 батареи 410. Положительный вывод 442 регулятора 440 электрически соединен с положительной клеммой 420 батареи 410 через верхний колпачок 416 батареи 410, а отрицательный вывод 444 регулятора 440 электрически соединен с отрицательной клеммой 422 батареи 410 через нижнюю пластинку 419 и нижний колпачок 418. Положительный ввод 446 регулятора 440 электрически соединен с катодом 432 гальванического элемента 430, который в этом примере находится непосредственно рядом с оберткой 441, содержащей регулятор 440. Отрицательный ввод 448 регулятора 440 электрически соединен с анодом 434 гальванического элемента 430 через контактную пластинку 431 и токосъемник 426, который проходит от контактной пластинки 431 в анод 434 гальванического элемента 430. Изолирующая шайба 427 изолирует контактную пластинку 431 от катода 432. Как показано на фиг.5С, изолирующая шайба может также проходить между анодом 434 и контактной пластинкой 431, потому что токосъемник 426 обеспечивает связь от анода 434 к контактной пластинке 431. Если в регуляторе 440 использовано виртуальное заземление, контактная пластинка 431 также должна быть изолирована от нижней пластинки 419 и отрицательной клеммы 422, например, посредством изолирующей шайбы 425. В качестве альтернативы, обертку 441 можно также располагать на внешней стороне контейнера 412, обернутой вокруг внешней стороны боковой стенки 414. В таких вариантах осуществления этикетка может закрывать обертку, или этикетку можно напечатать на той же самой обертке, как и сам регулятор.

На фиг. 6 представлено изображение в перспективе, иллюстрирующее, частично в разрезе, 9 В многоэлементную батарею 610 по настоящему изобретению, в которой каждый гальванический элемент 630 имеет регулятор 640 внутри индивидуального контейнера 612 элемента. В этом варианте осуществления батарея 610 содержит шесть отдельных гальванических элементов 630, каждый из которых имеет номинальное напряжение приблизительно 1,5 В. Батарея 610, например, может также содержать три литиевых элемента, каждый из которых имеет номинальное напряжение приблизительно 3 В.

На фиг.4, 4А и 4В показаны блок-схемы различных вариантов осуществления батареи 110 по настоящему изобретению. Фиг.4 изображает блок-схему одного варианта осуществления батареи по настоящему изобретению, использующего встроенную интегральную схему регулятора 140. В этом варианте осуществления предпочтительно используется смешанная интегральная схема, которая имеет и цифровые, и аналоговые компоненты. Схему регулятора можно, в качестве альтернативы, изготавливать, используя интегральную схему прикладной ориентации (ИСПО), гибридную конструкцию кристалла, печатную плату или любую другую форму известной технологии изготовления схем. Схему 140 регулятора можно размещать внутри контейнера 112 батареи между положительным 132 и отрицательным 134 электродами гальванического элемента 130 и положительной 120 и отрицательной 122 клеммами батареи.

Таким образом, регулятор 140 может соединять гальванический элемент 130 с клеммами 120 и 122 или отсоединять гальванический элемент 130 от клемм 120 и 122 контейнера 112, изменять или стабилизировать выходное напряжение или выходное сопротивление элемента 130, которые подводятся к клеммам 120 и 122 батареи.

Фиг. 4А иллюстрирует предпочтительный вариант осуществления батареи 110 по настоящему изобретению, показанный на фиг.4. На фиг.4А регулятор 140 подсоединен между положительным электродом (катодом) 132 гальванического элемента 130 и положительной клеммой 120 контейнера 112 батареи. Отрицательный электрод (анод) 134 гальванического элемента 130 и отрицательная клемма 122 контейнера 112 батареи совместно используют общее заземление с регулятором 140. Однако на фиг.4В показан альтернативный предпочтительный вариант осуществления батареи 110 по настоящему изобретению, в котором регулятор 140 функционирует на виртуальном заземлении и изолирует отрицательный электрод 134 гальванического элемента 130 от отрицательной клеммы 122 контейнера 112 в дополнение к изолированию положительного электрода 132 гальванического элемента 130 от положительной клеммы 120 контейнера 112.

Каждый из вариантов осуществления, показанных на фиг.4А и 4В, имеет свои собственные преимущества и недостатки. Конфигурация фиг.4А, например, учитывает более простую конструкцию схем, имеющих общее заземление гальванического элемента 130, регулятора 140 и отрицательной клеммы 122 контейнера 112 батареи. Однако конфигурация фиг.4А имеет недостаток, заключающийся в том, что требует преобразователь для работы при истинных уровнях напряжений гальванических элементов и может потребовать использования дискретного элемента катушки индуктивности. В конфигурации фиг.4В виртуальное заземление, примененное к отрицательной клемме 122 контейнера 112 батареи, изолирует отрицательный электрод 134 гальванического элемента 130 от нагрузки и допускает использование почти безындукционного преобразователя постоянного напряжения. Однако эта конфигурация имеет недостаток, заключающийся в том, что требует увеличенной сложности схемы виртуального заземления, чтобы позволять напряжению регулятора 140 продолжать функционировать более эффективно, когда напряжение элемента оказывается ниже номинального уровня напряжения гальванического элемента.

Первичная батарея по настоящему изобретению включает в себя регулятор для продления срока службы батареи. Гальванический элемент (элементы) можно компоновать либо в одноэлементные, либо в многоэлементные батареи. Многоэлементные батареи могут включать в себя два или больше однотипных гальванических элемента или включать в себя два или больше гальванических элемента различных типов в гибридной батарее. Многоэлементная батарея по настоящему изобретению может содержать гальванические элементы, электрически расположенные последовательно и/или параллельно. Регулятор (регуляторы) одноэлементной батареи можно электрически соединять последовательно и/или параллельно с гальваническим элементом (элементами) внутри контейнера элемента и компоновать внутри корпуса, который по меньшей мере частично содержит контейнер элемента, или прикреплять к контейнеру, корпусу или к этикетке или к любой другой структуре, прикрепленной к контейнеру или корпусу. Регулятор (регуляторы) многоэлементной батареи можно компоновать вместе с одним или больше отдельными элементами, как описано относительно одноэлементной батареи, и/или можно компоновать вместе с комбинацией множества элементов таким образом, что регулятор соединяют последовательно или параллельно с комбинацией гальванических элементов.

Регулятор может продлять срок службы одноразовой батареи по настоящему изобретению одним из нескольких способов. Во-первых, регулятор может допускать более глубокую разрядку электронным устройством одного или больше гальванического элемента (элементов) батареи, чем было бы возможно в противном случае. В этой заявке термин "глубокая разрядка" относится к обеспечению возможности разрядки гальванического элемента (элементов) по меньшей мере до 80% номинальной емкости гальванического элемента (элементов). Кроме того, термин "существенная разрядка" в этой заявке относится к обеспечению возможности разрядки гальванического элемента (элементов) по меньшей мере до 70% номинальной емкости гальванического элемента (элементов). "Переразрядкой" в этой заявке называется разрядка гальванического элемента за пределы 100%, которая может привести к изменению напряжения на обратное. Обычная щелочная батарея на рынке сегодня, например, в общем способна отдавать приблизительно от 40 до 70% своей емкости запасенной энергии, прежде чем уровень напряжения гальванического элемента упадет до уровня напряжения, который окажется недостаточным для приведения в действие обычного электронного устройства. Таким образом, регулятор по настоящему изобретению предпочтительно обеспечивает щелочной элемент, который способен разряжаться больше, чем приблизительно до 70%, прежде чем выключится батарея. Более предпочтительно, регулятор обеспечивает уровень разрядки больше, чем приблизительно 80%. Еще более предпочтительно, регулятор обеспечивает уровень разрядки больше, чем приблизительно 90%, при наиболее предпочтительным уровне более чем приблизительно 95%.

Регулятор может включать в себя преобразователь, который преобразовывает напряжения элемента в требуемое выходное напряжение для батареи, чтобы обеспечить возможность более глубокой разрядки гальванического элемента (элементов) и вследствие этого продлить срок службы батареи. В одном варианте осуществления настоящего изобретения регулятор может непрерывно преобразовывать напряжение элемента в требуемое выходное напряжение на протяжении всего срока службы батареи. Когда напряжение элемента падает до уровня напряжения отключения устройства, где разрядка батареи обычно отключается, регулятор дозаряжает или повышает напряжение элемента до уровня на выходе батареи, который является достаточным для продолжения приведения в действие электронного устройства до тех пор, пока уровень напряжения упадет ниже минимального необходимого напряжения для возбуждения регулятора. Таким образом, батарея, имеющая конструкцию регулятора, который способен работать на более низком уровне напряжения чем регулятор другой батареи, обеспечивает батарею, способную осуществлять более глубокую разрядку.

В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения преобразователь функционирует только тогда, когда напряжение элемента падает до заранее определенного уровня напряжения или ниже. В таких вариантах осуществления внутренние потери преобразователя минимизированы, потому что преобразователь функционирует только тогда, когда необходимо. Заранее определенный уровень напряжения предпочтительно находится в диапазоне от номинального напряжения гальванического элемента до самого высокого напряжения отключения класса устройств, для работы которых предназначена батарея. Более предпочтительно, заранее определенный уровень напряжения немного больше, чем самое высокое напряжение отключения класса устройств, для работы которых предназначена батарея. Например, заранее определенный уровень напряжения может находиться в диапазоне от примерно самого высокого напряжения отключения класса устройств, для работы которых предназначена батарея, до приблизительно 0,2 В, плюс это напряжение отключения, предпочтительно в диапазоне от примерно самого высокого напряжения отключения класса устройств, для работы которых предназначена батарея, до приблизительно 0,15 В, плюс это напряжение отключения, более предпочтительно в диапазоне от примерно самого высокого напряжения отключения класса устройств, для работы которых предназначена батарея, до приблизительно 0,1 В, плюс это напряжение отключения, и еще более предпочтительно в диапазоне от примерно самого высокого напряжения отключения класса устройств, для работы которых предназначена батарея, до приблизительно 0,05 В, плюс это напряжение отключения. Гальванический элемент, например, имеющий номинальное напряжение приблизительно 1,5 В, обычно имеет заранее определенное напряжение, находящееся в диапазоне между приблизительно 0,8 В и приблизительно 1,8 В. Заранее определенное напряжение предпочтительно находится в диапазоне между приблизительно 0,9 В и приблизительно 1,6 В. Более предпочтительно, заранее определенное напряжение находится в диапазоне между приблизительно 0,9 В и приблизительно 1,5 В. Еще более предпочтительно, заранее определенное напряжение находится в диапазоне между приблизительно 0, 9 В и приблизительно 1,2 В, при еще более предпочтительном диапазоне - между приблизительно 1,0 В и приблизительно 1,2 В.

Наиболее предпочтительным является уровень напряжения, немного больший или равный самому высокому напряжению отключения класса устройств, для работы которых предназначена батарея. Однако регулятор, разработанный для работы с гальваническим элементом, имеющим номинальное напряжение приблизительно 3,0 В, обычно может иметь заранее определенный уровень напряжения, находящийся в диапазоне от, приблизительно, 2,0 В до, приблизительно, 3,4 В. Предпочтительно, заранее определенное напряжение находится в диапазоне от, приблизительно, 2,2 В до, приблизительно, 3,2 В. Более предпочтительно, заранее определенное напряжение находится в диапазоне от, приблизительно, 2,4 В до, приблизительно, 3,2 В. Еще более предпочтительно, заранее определенное напряжение находится в диапазоне от, приблизительно, 2,6 В до, приблизительно, 3,2 В, при еще более предпочтительном диапазоне от, приблизительно, 2,8 В до, приблизительно, 3,0 В. Наиболее предпочтительным является уровень напряжения, немного больший или равный самому высокому напряжению отключения класса устройств, для работы которых предназначена батарея.

Когда напряжение элемента падает до заранее определенного уровня напряжения или ниже, регулятор включает преобразователь и повышает напряжение элемента до требуемого выходного напряжения, достаточного для возбуждения нагрузки. Это устраняет внутренние потери преобразователя, которые являются неизбежными, когда напряжение элемента является достаточно высоким для возбуждения нагрузки, но затем позволяет гальваническому элементу продолжать разряжаться даже после падения напряжения элемента до уровня ниже уровня, который требуется для возбуждения нагрузка. Регулятор может использовать любой один или больше из ряда механизмов управления от простой комбинации компаратора напряжения и электронного переключателя, которая включает преобразователь, когда напряжение элемента падает до заранее определенного уровня напряжения, до более сложных схем управления типа описываемых ниже схем.

Универсальная батарея по настоящему изобретению, которая разработана для данного выходного напряжения, предпочтительно способна продлять срок службы батареи, когда она используется для снабжения энергией устройства. Используемый в этой заявке термин "универсальная батарея" обозначает батарею, которая может обеспечивать равномерное выходное напряжение, независимо от гальванического элемента.

Таким образом, батарея по настоящему изобретению предпочтительно разработана для продления срока службы посредством поддержания выходного напряжения батареи на уровне, более высоком или равном самому высокому напряжению отключения электронных устройств в этом классе, пока не выключится встроенный регулятор, когда напряжение гальванического элемента (элементов) падает до уровня, ниже которого регулятор больше не может функционировать. Батарею по настоящему изобретению, которая предназначена для снабжения энергией определенного электронного устройства или узкого класса, или электронных устройств, которые имеют аналогичные напряжения отключения, можно специально разрабатывать для более эффективной работы посредством более точного согласования заранее определенного уровня напряжения с напряжением (напряжениями) отключения этого прибора (приборов).

Во-вторых, регулятор может также понижать напряжение гальванического элемента (элементов), имеющего номинальное напряжение, большее требуемого выходного напряжения, и/или изменять выходное сопротивление гальванического элемента (элементов) батареи. Это не только продляет срок службы батарей, но также и учитывает большую взаимозаменяемость между гальваническими элементами, имеющими различные номинальные напряжения, чем возможно в ином случае, позволяет разработчикам использовать больший потенциал аккумулирования гальванических элементов, имеющих более высокое номинальное напряжение, и обеспечивает возможность разработчикам изменять выходное сопротивление некоторого гальванического элемента, чтобы согласовать полное сопротивление с требуемым уровнем, либо увеличивать взаимозаменяемость гальванического элемента с другими типами гальванических элементов, и/или увеличивать эффективность гальванического элемента с конкретным типом нагрузки. Кроме того, гальванические элементы, которые являются неэффективными, опасными для окружающей среды, дорогостоящими и т.д. и используются обычно только потому, что требуется конкретное номинальное напряжение типа ртутно-кадмиевого элемента, можно заменять более безопасными, более эффективными или более дешевыми гальваническими элементами, имеющими повышенное или пониженное номинальное напряжение или измененное выходное сопротивление, с целью согласования требуемого номинального напряжения или выходного сопротивления, требуемого применением.

Гальванический элемент, имеющий, например, номинальное напряжение приблизительно 1,8 В или выше, можно компоновать с регулятором, который понижает это более высокое номинальное напряжение до стандартного номинального уровня приблизительно 1,5 В, чтобы батарею можно было использовать взаимозаменяемым образом с батареей, имеющей номинальное напряжение приблизительно 1,5 В. В одном определенном примере стандартный литиевый элемент типа литий-МnО₂ элемента, имеющий номинальное напряжение приблизительно 3,0 В, можно компоновать с понижающим регулятором так, чтобы батарея, имеющая элемент и регулятор, имела номинальное напряжение приблизительно 1,5 В. Это обеспечивает батарею, имеющую по меньшей мере в два раза большую емкость, чем батарея, имеющая гальванический элемент с номинальным напряжением приблизительно 1,5 В и таким же объемом. Кроме того, это также обеспечивает литиевый элемент, который действительно является взаимозаменяемым со стандартной щелочной или угольно-цинковой одноэлементной батареей, без необходимости химического изменения химии литиевого элемента, которое уменьшает запас химической энергии элемента. Дополнительно к этому, батареи, имеющие гальванические элементы типа магниевого, воздухомагниевого и воздухоалюминиевого, также имеют номинальные напряжения выше приблизительно 1,8 В и могут взаимозаменяемым образом использоваться со стандартной батареей, имеющей номинальное напряжение приблизительно 1,5 В. Не только можно использовать взаимозаменяемым образом различные типы гальванических элементов, но можно также различные типы гальванических элементов компоновать вместе в гибридной батарее.

Таким образом, различные типы батарей, имеющих различные гальванические элементы с различными номинальными напряжениями или различным внутренним полным сопротивлением, можно использовать взаимозаменяемым образом или изготавливать гибридные батареи, имеющие различные типы гальванических элементов.

В качестве альтернативы, гальванические элементы, имеющие номинальные напряжения ниже напряжения, которое приводит в действие данное электронное устройство, можно использовать с регулятором, имеющим встроенный повышающий преобразователь, для повышения номинального напряжения. Это позволяет использовать батарею, имеющую этот тип гальванического элемента, с устройством, которое требует более высокого уровня напряжения, чем может в противном случае обеспечить элемент. Кроме того, батарею, имеющую этот тип элемента, можно также использовать взаимозаменяемым образом со стандартным щелочным или угольно-цинковым гальваническим элементом. Это может обеспечивать коммерчески выполнимые, применимые батареи, имеющие гальванические элементы, которые иначе не рассматривались для потребительского одноразового использования, потому что номинальные напряжения были слишком низкими для практического применения.

Угольно-цинковые, щелочные и литиевые батареи описываются в качестве примеров типов батарей, которые можно использовать в настоящем изобретении. Другие виды батарей типа первичных батарей, показанных в табл. 1, но не ограниченные ими, можно также использовать в первичной батарее по настоящему изобретению. Вторичные гальванические элементы можно также использовать в гибридной батарее в комбинации с первичным гальваническим элементом. Действительно, настоящее изобретение допускает большую взаимозаменяемость между различными типами гальванических элементов, и между гальваническими элементами и альтернативными источниками питания типа топливных элементов, конденсаторов и т.д., чем когда-либо прежде. Размещая регулятор в каждом гальваническом элементе, можно регулировать электрические характеристики типа номинального напряжения и выходного сопротивления различных типов гальванических элементов, чтобы позволить использовать большее разнообразие элементов при создании взаимозаменяемых батарей стандартного размера. Можно специально разрабатывать батареи, чтобы использовать конкретные преимущества гальванического элемента, все еще позволяя осуществлять взаимозаменяемость с батареями, в которых использованы другие типы элементов. Далее, настоящее изобретение можно использовать, чтобы создать новые стандартные уровни напряжения посредством преобразования номинальных напряжений гальванических элементов до стандартных уровней напряжения.

Кроме того, иным путем несовместимые гальванические элементы можно использовать вместе в гибридных батареях, специально разработанных для конкретных типов применений. Например, воздухоцинковый гальванический элемент можно использовать в гибридной батарее вместе либо параллельно, либо последовательно с литиевым элементом. Воздухоцинковый элемент имеет номинальное напряжение приблизительно 1,5 В и очень высокую плотность энергии, но может обеспечивать только низкие установившиеся уровни токов. Однако литиевый элемент имеет номинальный уровень напряжения приблизительно 3,0 В и может обеспечивать короткие всплески высоких уровней тока. Регуляторы каждого гальванического элемента обеспечивают одинаковое номинальное выходное напряжение и учитывают расположение или в параллельной, или в последовательной электрической конфигурации. Когда элементы находятся в параллельной конфигурации, регуляторы также предотвращают зарядку элементов между собой. Регулятор для каждого элемента можно использовать для подсоединения или отсоединения либо любого, либо обоих элементов, в зависимости от требований нагрузки. Таким образом, когда нагрузка находится в режиме малой мощности, воздухоцинковый элемент можно соединять для обеспечения установившегося низкого тока, а когда нагрузка находится в режиме высокой мощности, литиевой элемент или литиевый и воздухоцинковый элементы в сочетании могут обеспечивать ток, необходимый для энергоснабжения нагрузки.

Гибридные батареи могут также содержать много различных вариантов гальванических элементов, например, щелочного и воздухометаллического, воздухометаллического и вторичного элемента, воздухометаллического и суперконденсатора. Далее, гибридная батарея может также содержать комбинации первичных и вторичных элементов, первичных и резервных элементов, вторичных и резервных элементов или первичных, вторичных и резервных элементов. Гибридная батарея может также содержать комбинацию одного или больше гальванических элементов и одного или больше альтернативных источников питания типа топливного элемента, обычного конденсатора или даже суперконденсатора. Более того, гибридные батареи могут также содержать любую комбинацию из двух или больше вышеупомянутых элементов или источников питания.

Далее, регулятор может также продлевать продолжительность работы батареи, защищая гальванический элемент (элементы) от пиков тока, которые могут ухудшать работу компонентов гальванических элементов и понижать напряжение элемента. Например, регулятор может предотвращать потребности высоких токов, создающих эффект памяти в элементе и уменьшающих продолжительность работы батареи. Пики тока также вредны для таких гальванических элементов, как щелочные, литиевые и воздухоцинковые элементы.

Регулятор, который защищает гальванический элемент от пиков тока, может обеспечивать временное хранение электрической зарядки на выходе регулятора так, чтобы это временное хранение можно было немедленно использовать по требованию. Следовательно, потребление пиков тока можно полностью устранить или значительно уменьшить, прежде чем они достигнут гальванического элемента. Это позволяет батарее обеспечивать пики тока выше, чем может непосредственно обеспечивать гальванический элемент (элементы), и защищает гальванический элемент (элементы) от пиков тока, которые могут быть вредными для компонентов элемента. Элементом временного хранения предпочтительно является конденсатор. Этим конденсатором может быть конденсатор любого типа, который известен в технике, например, обычный конденсатор, толстопленочный печатный конденсатор или даже "суперконденсатор". На Фиг.13, например, показан конденсатор Cf, подсоединенный между выходными клеммами 1320 и 1322 контейнера 1312.

Один регулятор будет предпочтительно продлевать срок службы батареи посредством защиты элемента от пиков тока и преобразования напряжения элемента в требуемое выходное напряжение. Например, предпочтительный вариант осуществления регулятора может включать преобразователь, когда напряжение элемента падает до заранее определенного напряжения, чтобы минимизировать потери, связанные с преобразователем. Тот же регулятор может контролировать напряжение элемента и выходной ток нагрузки и включать преобразователь, если либо напряжение элемента достигает заранее определенного уровня напряжения, либо ток нагрузки достигает заранее определенного уровня тока. В качестве альтернативы, регулятор может контролировать и напряжение элемента, и выходной ток нагрузки, и определять, понизит ли снабжение требуемого тока нагрузки напряжение элемента ниже уровня напряжения отключения. В последнем примере регулятор приводится в действие при двух входных сигналах, объединенных в алгоритме, для определения, должен ли включиться преобразователь. Однако в первом примере регулятор включает преобразователь, если либо напряжение элемента падает до заранее определенного уровня, либо выходной ток нагрузки повышается до заранее определенного уровня тока. Эти регуляторы, наряду с другими возможными схемами управления, более подробно описываются ниже.

Настоящее изобретение касается специализированных первичных батарей, а также стандартных потребительских первичных батарей типа одноэлементных батарей ААА, АА, С или D и многоэлементных 9 В батарей. Изобретение рассматривает использование специализированных первичных батарей и гибридных батарей, которые можно использовать в различных применениях. Предполагается, что эти специализированные первичные батареи и гибридные батареи можно использовать для замены перезаряжаемых аккумуляторных батарей с целью использования, например, для телефонных аппаратов сотовой связи, портативных ЭВМ и т. д. , которые в настоящее время ограничены способностью первичных батарей обеспечивать требуемый номинальный ток в течение достаточного периода времени. Кроме того, имея возможность отдельно управлять выходным напряжением и выходным сопротивлением элементов, разработчики батарей способны создавать полностью новые типы гибридных батарей, в которых в сочетании используются различные типы элементов или альтернативные источники питания, типа топливных элементов, обычных конденсаторов или даже "суперконденсаторов", в одной и той же гибридной батарее. Увеличение взаимозаменяемых типов гальванических элементов позволяет разработчикам батарей обеспечивать стандартные батареи, чтобы уменьшить расчет на изготавливаемые по заказу батареи, разрабатываемые для конкретных устройств типа телефонных аппаратов сотовой связи, портативных ЭВМ, видеокамер, камер и т.д. Для снабжения энергией телефонного аппарата сотовой связи потребитель может просто приобретать стандартные батареи, которые теперь потребитель гораздо предпочтительнее покупает для карманного фонарика или магнитофона, вместо того, чтобы приобрести батарею, специально изготовленную для конкретного типа, класса и/или модели электронного устройства. Кроме того, по мере увеличения количества изготавливаемых стандартных батарей, стоимость за единицу быстро уменьшается, что ведет к гораздо более доступным батареям, которые могут в конечном счете заменять специально разрабатываемые перезаряжаемые батареи.

Для обозначения точного типа элемента (элементов) в батарее, номинальной и/или остающейся емкости элемента (элементов), пиковых и оптимальных возможностей подачи тока, уровня тока зарядки, внутреннего полного сопротивления и т. д. можно также использовать технологию электронного маркирования типа применяемой на фотопленке так, чтобы "интеллектуальное" устройство могло читать электронное маркирование и оптимизировать его потребление, с целью улучшения работы устройства, для продления срока службы батареи, и т.д. Камера, которая уже использует электронную маркировку, чтобы определить скорость пленки и т.д. также может, например, использовать технологию электронной маркировки в отношении ее батарей, чтобы корректировать время более медленной зарядки вспышки, прекращение использования вспышки и т.д., с целью оптимизирования срока службы конкретной батареи. В портативной ЭВМ также можно использовать технологию электронной маркировки, чтобы определить наиболее эффективные рабочие параметры для конкретных батарей, например, изменяя ее эксплуатационную скорость, с целью улучшения использования остающегося заряда в батарее в течение времени, требуемого пользователем, или используя технику включения/выключения энергии для сохранения энергии батареи. Кроме того, для оптимизирования использования батарей можно также использовать электронную маркировку в видеокамерах, телефонных аппаратах сотовой связи и т.д.

Далее, первичные батареи можно также использовать взаимозаменяемым образом с различными типами первичных или даже перезаряжаемых батарей в зависимости от потребностей потребителя. Например, если перезаряжаемая батарея портативной ЭВМ исчерпала свою возможность, пользователь может купить первичные батареи, которые работают несколько часов, пока пользователь сможет зарядить перезаряжаемую батарею. Пользователь, например, мог бы также купить менее дорогостоящие батареи, если ему не нужны более высокопроизводительные уровни, которые можно было бы обеспечивать устройством с более дорогостоящими батареями.

Настоящее изобретение также касается стандартных потребительских первичных батарей типа одноэлементных батарей ААА, АА, С или D и 9 В многоэлементных батарей. В предпочтительном варианте осуществления, например, регулятор можно конструировать для работы с батареей, которая имеет номинальное напряжение приблизительно 1,5 В, так, чтобы регулятор мог функционировать при уровнях напряжения приблизительно до 0,1 В в карбидокремниевом ("SiC") варианте осуществления, приблизительно 0,34 В в арсеногаллиевом ("GaAs") варианте осуществления и приблизительно 0,54 В в обычном основанном на кремнии варианте осуществления. Кроме того, по мере уменьшения размера печатания, эти минимальные рабочие напряжения также уменьшаются. В кремнии, например, уменьшение печати схемы до технологии 0,18 микрона снижает минимальное рабочее напряжение от, приблизительно, 0,54 В до, приблизительно, 0,4 В. Как описано выше, чем ниже минимальное требуемое рабочее напряжение регулятора, тем ниже уровень, до которого регулятор может регулировать напряжение элемента, чтобы обеспечить самую глубокую возможную разрядку гальванического элемента. Таким образом, в объем настоящего изобретения входит использование различных успехов в деле изготовления схем, с целью увеличения использования батарей приблизительно до 100% запасенной зарядки гальванического элемента. Однако существующий основанный на кремнии вариант осуществления обеспечивает использование до 95% потенциала аккумулирования батареи, что является весьма высоким по сравнению со средним использованием 40-70% без регулятора.

В одном основанном на кремнии предпочтительном варианте осуществления, например, разработан регулятор для функционирования на напряжениях приблизительно до 1 В, более предпочтительно приблизительно 0,85 В, еще более предпочтительно приблизительно 0,8 В, еще более предпочтительно приблизительно 0,75 В, еще более предпочтительно приблизительно 0,7 В, еще более предпочтительно приблизительно 0,65 В, еще более предпочтительно приблизительно 0,6 В, при наиболее предпочтительном напряжении приблизительно 0,54 В. В регуляторе, сконструированном для гальванического элемента, имеющего номинальное напряжение приблизительно 1,5 В, регулятор предпочтительно способен работать при входном напряжении по меньшей мере приблизительно до 1,6 В. Более предпочтительно, регулятор способен работать при входном напряжении по меньшей мере приблизительно до 1,8 В. Таким образом, предпочтительный регулятор должен иметь возможность функционировать в диапазоне напряжений от минимального приблизительно 0,8 В и по меньшей мере до 1,6 В. Однако регулятор может и, предпочтительно, функционирует также за пределами этого диапазона.

Однако в предпочтительном варианте осуществления регулятора по настоящему изобретению, разработанного для использования с гальваническим элементом, имеющим номинальное напряжение приблизительно 3,0 В, регулятор должен быть способным работать на более высоком уровне напряжения, чем требуется для регулятора, используемого вместе с гальваническим элементом, имеющим номинальное напряжение приблизительно 1,5 В. В случае гальванического элемента, имеющего номинальное напряжение приблизительно 3,0 В, регулятор предпочтительно способен работать в диапазоне от, приблизительно, 2,4 В до, приблизительно, 3,2 В. Более предпочтительно, регулятор способен работать в диапазоне напряжений от, приблизительно, 0,8 В по меньшей мере до, приблизительно, 3,2 В. Более предпочтительно, регулятор способен работать с входным напряжением в диапазоне от, приблизительно, 0,6 В по меньшей мере до, приблизительно, 3,4 В. Еще более предпочтительно, регулятор способен работать с входным напряжением в диапазоне от, приблизительно, 0,54 В по меньшей мере до, приблизительно, 3,6 В, при наиболее предпочтительном диапазоне от, приблизительно, 0,45 В по меньшей мере до, приблизительно, 3,8 В. Однако регулятор может и, предпочтительно, работает также за пределами этого диапазона.

Альтернативный предпочтительный вариант осуществления способен работать с гальваническим элементом, имеющим номинальное напряжение либо приблизительно 1,5 В, либо приблизительно 3,0 В. В этом варианте осуществления регулятор способен работать с минимальным входным напряжением приблизительно 0,8 В, предпочтительно приблизительно 0,7 В, более предпочтительно приблизительно 0,6 В и наиболее предпочтительно приблизительно 0,54 В и максимальным входным напряжением по меньшей мере приблизительно 3,2 В, предпочтительно приблизительно 3,4 В, более предпочтительно приблизительно 3,6 В и наиболее предпочтительно приблизительно 3,8 В. Регулятор может быть способен работать, например, в диапазоне от, приблизительно, 0,54 В до, приблизительно, 3,4 В, или от, приблизительно, 0,54 В до, приблизительно, 3,8 В, или от, приблизительно, 0,7 В до, приблизительно, 3,8 В и т.д.

Батареи по настоящему изобретению также обеспечивают явные преимущества над обычными батареями при использовании с электрическими устройствами типа карманных фонариков и т.д., которые не имеют напряжения выключения. В случае обычной батареи, когда батарея разряжается, ее выходное напряжение уменьшается. Поскольку выходная мощность электрического устройства прямо пропорциональна напряжению, снабжаемому батареей, выход электрического устройства уменьшается пропорционально выходному напряжению батареи. Например, яркость свечения лампы накаливания карманного фонарика продолжает падать по мере уменьшения выходного напряжения батареи, пока батарея полностью не разрядится. Однако батарея по настоящему изобретению имеет регулятор, который регулирует напряжение элемента на относительно постоянном, управляемом уровне напряжения по всему циклу разрядки батареи, пока напряжение элемента не уменьшится до уровня, ниже которого регулятор не способен работать. В это время батарея выключается, и электрическое устройство прекращает работу. Однако в течение цикла разрядки электрическое устройство продолжит обеспечивать относительно устойчивый выход (например, интенсивность свечения лампы накаливания), пока батарея не выключится.

Предпочтительный вариант осуществления батареи по настоящему изобретению также включает в себя низкую остающуюся предупреждающую пользователя емкость заряда. Регулятор, например, может периодически отсоединять гальванический элемент (элементы) от выходных клемм батареи и повторно подсоединять к ним в течение короткого интервала времени, когда напряжение гальванического элемента достигает заранее определенной величины. Это может обеспечивать визуальную, слышимую или удобочитаемую устройством индикацию того, что батарея приближается к состоянию выключения. Кроме того, регулятор может также искусственно воссоздавать условия ускоренной разрядки батареи посредством уменьшения выходного напряжения батареи в конце продолжительности работы батареи. Например, регулятор может начинать линейное уменьшение выходного напряжения, когда емкость батареи составляет приблизительно 5% ее номинальной емкости. Это может обеспечивать индикацию пользователю типа уменьшения громкости устройства воспроизведения записи с магнитной ленты или с компактдиска, или обеспечивать индикацию устройству, которая может соответственно предупреждать пользователя.

На фиг. 7 изображена блок-схема варианта осуществления настоящего изобретения, в котором преобразователь 750 постоянного напряжения электрически или, предпочтительно электронным способом, подсоединяется между положительным 732 и отрицательным 734 электродами гальванического элемента 730 и положительной 720 и отрицательной 722 клеммами контейнера 712. Преобразователь 750 постоянного напряжения преобразовывает напряжение элемента между положительным 732 и отрицательным 734 электродами гальванического элемента 730 до выходного напряжения на положительной 720 и отрицательной 722 клеммах контейнера 712. Преобразователь 750 постоянного напряжения можно обеспечивать для повышающего преобразования, понижающего преобразования, повышающего и понижающего преобразования или стабилизации напряжения на выходных клеммах 720 и 722. В этом варианте осуществления преобразователь 750 постоянного напряжения функционирует в непрерывном режиме, в котором выходное напряжение гальванического элемента 730 будет преобразовано в устойчивое выходное напряжение на клеммах 720 и 722 контейнера в течение всего срока службы батареи. Этот вариант осуществления стабилизирует выходное напряжение контейнера 712 на выходных клеммах 720 и 722. Обеспечение устойчивого выходного напряжения позволяет разработчикам электронного устройства уменьшать сложность цепей управления питанием электронных устройств и соответственно уменьшать также размер, вес и стоимость устройств.

Преобразователь 750 постоянного напряжения продолжает функционировать, пока напряжение гальванического элемента 730 не упадет ниже минимального напряжения Vfb прямого смещения компонентов электронной схемы преобразователя 750. До степени, до которой минимальное переключающее напряжение Vfb преобразователя 750 постоянного напряжения оказывается ниже, чем напряжение отключения электронного устройства, которое снабжает энергией батарея 710, регулятор 740 также увеличивает срок службы батареи 710 за пределы напряжения отключения электронного устройства, пока стабилизированное выходное напряжение на клеммах 720 и 722 контейнера 712 оказывается выше напряжения отключения электронного устройства.

В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг.7, преобразователь 750 постоянного напряжения, который функционирует в непрерывном режиме, может быть преобразователем понижения, который понижает напряжение гальванического элемента 730 до выходного напряжения контейнера 712. В одном варианте осуществления регулятора 740, который включает в себя преобразователь понижения, преобразователь понижает напряжение первого типа гальванического элемента 730 до выходного напряжения контейнера 712, которое представляет почти номинальный уровень напряжения второго типа гальванического элемента, так что батарея, содержащая первый тип гальванического элемента 730, является взаимозаменяемой с батареей, содержащей второй тип гальванического элемента. Например, гальванический элемент, имеющий более высокое номинальное напряжение, чем стандартный 1,5 В элемент, можно использовать в комбинации с преобразователем понижения, который функционирует непрерывно, чтобы обеспечить элемент, который является взаимозаменяемым со стандартным элементом, без необходимости химического изменения гальванического элемента. Этот вариант осуществления учитывает более высокую степень взаимозаменяемости между различными типами гальванических элементов, чем можно было осуществлять без химического изменения структуры самого гальванического элемента и уменьшения аккумулирования химической энергии элемента.

Литиевый элемент, например, можно использовать в стандартном корпусе батареи АА, чтобы обеспечить по меньшей мере в два раза больше емкость, чем у щелочной батареи того же объема. Литиевый элемент типа литий-МnО₂ имеет номинальное напряжение приблизительно 3,0 В и не может обычно использоваться взаимозаменяемым образом со щелочной батареей АА, которая имеет номинальное напряжение 1,5 В. Однако разработчики батарей изменили химию литиевого гальванического элемента, чтобы создать литиевые батареи, которые имеют номинальное напряжение приблизительно 1,5 В, с целью создания литиевой батареи, которую можно использовать взаимозаменяемым образом, например, со стандартной щелочной батареей АА. Хотя эта 1,5 В литиевая батарея все еще имеет способность выдавать высокие уровни тока в цепи нагрузки фотографической вспышки, 1,5 В литиевый гальванический элемент не обеспечивает существенного увеличения общего накопления химической энергии по сравнению со щелочной батареей такого же объема. Однако настоящее изобретение обеспечивает возможность использовать стандартный литиевый гальванический элемент, который имеет номинальное напряжение приблизительно 3 В, и регулятор, чтобы уменьшить номинальное напряжение до, приблизительно, 1,5 В. Таким образом, батарея обеспечивает приблизительно двойное накопление химической энергии батареи, содержащей либо химически измененный 1,5 В литиевый элемент, либо 1,5 В щелочной элемент в батарее, которая является полностью взаимозаменяемой с любой 1,5 В батареей. Кроме того, литиевая батарея по настоящему изобретению обеспечивает такие же высокие уровни тока, как батарея, содержащая 1,5 В химически измененный литиевый элемент.

Кроме того, регулятор 740 также оптимизирует работу электрического устройства типа карманного фонаря, в котором используется батарея 710. Хотя электрическое устройство не выключается подобно электронному устройству, при минимальном рабочем напряжении характеристика электрического устройства типа интенсивности свечения лампы накаливания карманного фонаря уменьшается, когда уменьшается входное напряжение. Таким образом, устойчивое выходное напряжение батареи 710 позволяет характеристике электрического устройства оставаться постоянной в течение всего срока службы батареи без снижения характеристики устройства, когда напряжение гальванического элемента 730 снижается.

В преобразователе 750 постоянного напряжения можно использовать одну или больше из многих известных схем управления типа схемы импульсной модуляции, которая может далее включать резонансные преобразователи широтно-импульсной модуляции (ШИМ), амплитудно-импульсной модуляции (АИМ), частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) и фазоимпульсной модуляции (ФИМ) и т.д., для управления рабочими параметрами преобразователя 750. В предпочтительном варианте осуществления преобразователя 750 по настоящему изобретению используется широтно-импульсная модуляция. В еще более предпочтительном варианте осуществления используется комбинация широтно-импульсной модуляции и фазоимпульсной модуляции, которая подробно описана ниже.

В предпочтительном варианте осуществления преобразователя 750 постоянного напряжения для использования в батарее по настоящему изобретению преобразователем управляет широтно-импульсный модулятор, с целью возбуждения преобразователя 750 постоянного напряжения. Широтно-импульсный модулятор вырабатывает управляющий сигнал фиксированной частоты, в котором изменяется рабочий цикл. Например, рабочий цикл может быть равен нулю, когда преобразователь постоянного напряжения выключается, 100%, когда преобразователь работает при полной емкости, и изменяется между нулем и 100% в зависимости от требования нагрузки и/или остающейся емкости гальванического элемента 730. Схема широтно-импульсной модуляции имеет по меньшей мере один входной сигнал, который используется для вырабатывания рабочего цикла. В одном из вариантов осуществления выходное напряжение на клеммах 720 и 722 контейнера 712 непрерывно считывается и сравнивается с опорным напряжением. Для изменения рабочего цикла преобразователя постоянного напряжения используется сигнал коррекции ошибки. В этом случае цепь отрицательной обратной связи от выходного напряжения на клеммах 720 и 722 контейнера 712 позволяет преобразователю 750 постоянного напряжения обеспечивать стабильное выходное напряжение. В качестве альтернативы, в преобразователе 750 постоянного напряжения можно использовать множество входных сигналов типа напряжения элемента, то есть напряжения между положительным 732 и отрицательным 734 электродами гальванического элемента 730 и выходного тока для вырабатывания рабочего цикла. В этом варианте осуществления контролируется напряжение элемента и выходной ток, и преобразователь 750 постоянного напряжения вырабатывает рабочий цикл, который является функцией этих двух параметров.

На фиг. 8-11 показаны блок-схемы дополнительных вариантов осуществления интегральных схем регуляторов по настоящему изобретению. В каждом из этих вариантов осуществления интегральная схема регулятора включает в себя по меньшей мере два главных компонента: (1) преобразователь постоянного напряжения; и (2) регулятор преобразователя, которые электрическим или, предпочтительно, электронным путем подсоединяют преобразователь постоянного напряжения между электродами гальванического элемента и выходными клеммами контейнера и отсоединяют его, так что внутренние потери преобразователя постоянного напряжения происходят только тогда, когда преобразователь постоянного напряжения необходим для преобразования напряжения на клеммах элемента в напряжение, требуемое для приведения в действие нагрузки. Преобразователь постоянного напряжения, например, может включаться только тогда, когда напряжение элемента падает до заранее определенного уровня, ниже которого нагрузка больше не может функционировать.

В качестве альтернативы, если электронное устройство требует входное напряжение в пределах определенного диапазона, например, ±10% номинального напряжения батареи, регулятор преобразователя может "включать" преобразователь постоянного напряжения, когда напряжение элемента находится за пределами требуемого диапазона, но "выключает" преобразователь, когда напряжение элемента находится в пределах требуемого диапазона.

На фиг.8, например, преобразователь 850 постоянного напряжения электрически подсоединен между положительным 832 и отрицательным 834 электродами гальванического элемента 830 и положительной 820 и отрицательной 822 клеммами контейнера 812. Регулятор 852 преобразователя также электрически подсоединен между положительным 832 и отрицательным 834 электродами гальванического элемента 830 и положительной 820 и отрицательной 822 клеммами контейнера 812. В этом примере регулятор 852 преобразователя действует, как переключатель, который или подсоединяет гальванический элемент 830 непосредственно к выходным клеммам 820 и 822 контейнера 812, или подсоединяет преобразователь 850 постоянного напряжения между гальваническим элементом 830 и выходными клеммами 820 и 822 контейнера 812.

Регулятор 852 преобразователя осуществляет непрерывное считывание выходного напряжения и сравнивает его с одним или более вырабатываемыми внутри пороговыми напряжениями. Если выходное напряжение контейнера 812, например, падает ниже порогового уровня напряжения или находится за пределами желательного диапазона пороговых напряжений, регулятор 852 преобразователя "включает" преобразователь 850 постоянного напряжения электрическим или, предпочтительно, электронным путем, подсоединяя преобразователь 850 постоянного напряжения между гальваническим элементом 830 и выходными клеммами 820 и 822 контейнера 812. Пороговое напряжение предпочтительно находится в диапазоне от примерно между номинальным напряжением гальванического элемента 830 до примерно самого высокого напряжения отключения и напряжением того класса электронных устройств, для работы с которыми разработана батарея. В качестве альтернативы, регулятор 852 преобразователя может осуществлять непрерывное считывание напряжения гальванического элемента 830 и сравнивать это напряжение с пороговым напряжением, чтобы управлять работой преобразователя 850 постоянного напряжения.

Регулятор 940 фиг.9 может включать в себя элементы регулятора 840, показанного на фиг. 8, но дополнительно включает в себя заземляющую цепь 980 смещения, электрически подсоединенную между электродами 932 и 934 гальванического элемента 930, и преобразователь 950 постоянного напряжения, регулятор 952 преобразователя и выходные клеммы 920 и 922 контейнера 912. Заземляющая цепь 980 смещения обеспечивает уровень напряжения Vnb отрицательного смещения для преобразователя 950 постоянного напряжения и для отрицательной выходной клеммы 922 контейнера 912. Это увеличивает напряжение, подаваемое на преобразователь 950 постоянного напряжения от напряжения элемента до уровня напряжения элемента плюс абсолютное значение уровня напряжения Vnb отрицательного смещения. Это позволяет преобразователю 950 работать на эффективном уровне напряжения, пока фактическое напряжение элемента упадет до уровня напряжения ниже минимального напряжения прямого смещения, необходимого для приведения в действие заземляющей цепи 980 смещения.

Таким образом, преобразователь 950 может более эффективно выводить более высокий уровень тока из гальванического элемента 930, чем это происходило бы в случае приведения в действие преобразователя 950 только напряжением гальванического элемента 930. В предпочтительном варианте осуществления регулятора 940 в случае батареи 910 по настоящему изобретению, имеющей гальванический элемент с номинальным напряжением приблизительно 1,5 В, напряжение Vnb отрицательного смещения предпочтительно находится в диапазоне между приблизительно 0 В и приблизительно между примерно 0 В и примерно 1 В. Более предпочтительно, напряжение Vnb отрицательного смещения составляет приблизительно 0,5 В, при наиболее предпочтительном, равном 0,4 В. Следовательно, заземляющая цепь 980 смещения позволяет преобразователю более глубоко разряжать гальванический элемент 930 и увеличивать эффективность преобразователя 950 в отношении извлечения тока из гальванического элемента 930, когда напряжение элемента падает ниже приблизительно 1 В, в случае гальванического элемента, имеющего номинальное напряжение приблизительно 1,5 В.

На фиг. 9А показан один примерный вариант осуществления нагнетателя 988 заряда, который можно использовать в качестве заземляющей цепи 980 смещения в батарее 910 по настоящему изобретению. В этом варианте осуществления, когда выключатели S1 и S3 замыкаются, а S2 и S4 размыкаются, напряжение гальванического элемента 930 заряжает конденсатор Са. Затем, когда выключатели S1 и S3 размыкаются, а S2 и S4 замыкаются, заряд на конденсаторе Са инвертируется и передается на конденсатор Сb, который обеспечивает инвертированное выходное напряжение из напряжения гальванического элемента 930. В качестве альтернативы, нагнетатель 988 заряда, показанный на фиг.9А, можно заменить любой известной в технике подходящей схемой нагнетателя заряда.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения заземляющая цепь 980 смещения включает в себя схему нагнетателя 986 заряда. Схема нагнетателя 986 заряда показана на фиг.9В и включает в себя тактовый генератор 987 и один или больше нагнетатели 988. В предпочтительном варианте осуществления схемы 986 нагнетателя заряда, показанной на фиг.9В, например, нагнетатель заряда содержит двухуровневую конфигурацию, включающую четыре мини-нагнетателя 989 и один главный нагнетатель 990. Однако можно использовать любое количество мини-нагнетателей 989. Один предпочтительный вариант осуществления схемы 986 нагнетателя заряда, например, включает в себя двенадцать мини-нагнетателей 989 и один главный нагнетатель. Мини-нагнетатели 989 и главный нагнетатель 990 этого варианта осуществления приводятся в действие четырьмя управляющими сигналами, 991а, 991b, 991с и 991d с различными фазами, вырабатываемыми тактовым генератором 987, каждый из которых имеет одну и ту же частоту, но сдвигаются по фазе друг от друга. Управляющие сигналы 991а-991d, например, могут быть сдвинуты по фазе на девяносто градусов друг от друга. В этом варианте осуществления каждый из мини-нагнетателей 989 обеспечивает инвертированное выходное напряжение управляющих сигналов 991а-991d, которые вырабатываются тактовым генератором. Главный нагнетатель 990 суммирует выходные сигналы большого количества мини-нагнетателей 989 и обеспечивает выходной сигнал для схемы 986 нагнетателя заряда, который имеет такой же уровень напряжения, как отдельные выходные напряжения мини-нагнетателей 989, но имеет более высокий уровень тока, который является общим током, обеспеченным всеми двенадцатью мини-нагнетателями 989. Этот выходной сигнал обеспечивает виртуальное заземление для преобразователя 950 постоянного напряжения и выходной отрицательной клеммы 922 контейнера 912.

В следующем аспекте изобретения схема нагнетателя заряда дополнительно включает в себя регулятор 992 нагнетателя заряда, который включает схему 986 нагнетателя заряда, когда напряжение элемента падает до заранее определенного уровня напряжения, чтобы минимизировать потери, связанные со схемой 986 нагнетателя заряда. Заранее определенный уровень напряжения для регулятора 992 нагнетателя заряда, например, может находиться в диапазоне от примерно номинального напряжения гальванического элемента 930 до самого высокого напряжения отключения группы электронных устройств, для снабжения энергией которых разработана батарея 910. Заранее определенный уровень напряжения более предпочтительно немного больше, чем самое высокое напряжение отключения класса электронных устройств, для снабжения энергией которых разработана батарея 910. Например, заранее определенный уровень напряжения предпочтительно приблизительно на 0,2 В больше, чем самое высокое напряжение отключения класса электронных устройств, для снабжения энергией которых разработана батарея 910. Более предпочтительно, заранее определенный уровень напряжения приблизительно на 0,15 В больше, чем это напряжение отключения. Еще более предпочтительно, заранее определенный уровень напряжения приблизительно на 0,1 В больше, чем это напряжение отключения, причем наиболее предпочтительно приблизительно на 0,05 В большее, чем это напряжение отключения. В качестве альтернативы, схемой 986 нагнетателя заряда может управлять тот же управляющий сигнал, который включает преобразователь 950 постоянного напряжения, так что схема 986 нагнетателя заряда функционирует только тогда, когда работает преобразователь 950.

Далее, когда заземляющая цепь 980 смещения выключается, виртуальное заземление, которое подводится к выходной отрицательной клемме 922 контейнера 912, предпочтительно сокращается до уровня напряжения отрицательного электрода 934 гальванического элемента 930. Таким образом, когда заземляющая цепь смещения не работает, батарея функционирует в стандартной конфигурации заземления, обеспеченной отрицательным электродом 934 гальванического элемента 930.

В качестве альтернативы, заземляющая цепь 980 смещения может содержать второй преобразователь постоянного напряжения типа преобразователя снижения-повышения напряжения, преобразователя Cuk или линейного регулятора. Кроме того, преобразователь 950 постоянного напряжения и заземляющая цепь 980 смещения могут быть объединены и заменены одним преобразователем типа преобразователя снижения-повышения, двухтактного преобразователя или преобразователя обратного хода, которые сдвигают положительное выходное напряжение вверх и сдвигают отрицательное смещение вниз.

На фиг.10 изображен еще один вариант осуществления схемы 1040 регулятора по настоящему изобретению. В этом варианте осуществления преобразователь 1050 постоянного напряжения способен принимать управляющий сигнал коррекции от внешнего источника типа схемы 1062 считывания фазового сдвига. Как описано выше относительно фиг.7, в преобразователе 1050 постоянного напряжения используется схема управления типа широтно-импульсного модулятора для управления рабочими параметрами преобразователя 1050. В этом варианте осуществления схема 1040 регулятора включает в себя такие же элементы, как регулятор 940, показанный на фиг.9, но дополнительно включает в себя схему 1062 считывания фазового сдвига, которая измеряет мгновенный сдвиг фаз ψ между составляющими переменного тока напряжения элемента на электроде 1032 и тока, выводимого из гальванического элемента 1030, измеряемого на резисторе Rc считывания тока. Преобразователь 1050 постоянного напряжения использует этот сигнал в сочетании с другими вырабатываемыми внутри или с внешней стороны управляющими сигналами, с целью создания рабочего цикла.

Регулятор 1140 показанного на фиг. 11 варианта осуществления может включать в себя такие же элементы, как регулятор 1040, показанный на фиг.10, но дополнительно включает в себя схему 1182 аварийного отсоединения, электрически соединенную с резистором Rc считывания тока и положительным 1132 и отрицательным 1122 электродами гальванического элемента 1130 и дополнительно подсоединенную к регулятору 1152 преобразователя. Схема 1182 аварийного отсоединения может подавать сигнал на регулятор 1152 преобразователя об одном или более связанных с защитой условиях, требующих отсоединения гальванического элемента (элементов) 1130 от выходных клемм 1120 и 1122 контейнера 1112, чтобы защищать потребителя, электрическое или электронное устройство или сам гальванический элемент. Например, в случае короткого замыкания или обратной полярности, схема 1182 аварийного отсоединения подает сигнал на регулятор 1152 преобразователя, чтобы отсоединить электроды 1132 и 1134 гальванического элемента 1030 от клемм 1120 и 1122 контейнера 1112. Кроме того, схема 1182 аварийного отсоединения может также обеспечивать индикацию окончания цикла разрядки гальванического элемента 1130 на регулятор 1152 преобразователя посредством считывания напряжения и/или внутреннего полного сопротивления гальванического элемента 1130. Например, регулятор 1140 может линейно уменьшать ток, когда остающаяся емкость гальванического элемента 1130 снизится до заранее определенного уровня, периодически отсоединять электроды 1132 и 1134 гальванического элемента 1130 от выходных клемм 1120 и 1122 на короткий интервал времени, когда остающаяся емкость гальванического элемента 1130 достигает заранее определенного значения, и вновь подсоединять эти электроды или обеспечивать некоторую другую визуальную, слышимую или машиночитаемую индикацию о том, что батарея близка к выключению. В конце цикла разрядки схема аварийного отсоединения может также посылать сигнал на регулятор 1152 преобразователя, чтобы отсоединить гальванический элемент 1130 от клемм 1120 и 1122 контейнера 1112 и/или закоротить выходные клеммы 1120 и 1122, чтобы предотвратить потребление разряженным гальваническим элементом 1130 тока других элементов, соединенных последовательно с разряженным гальваническим элементом 1130.

Предпочтительный регулятор 1240, который показан на фиг.12, включает в себя преобразователь 1250 постоянного напряжения, имеющий синхронный выпрямитель 1274, который может электронным образом подсоединять положительный электрод 1232 к положительной клемме 1220 контейнера 1212 и отсоединять его. Выключатель синхронного выпрямителя 1274 устраняет потребность в дополнительном выключателе типа регулятора 852 преобразователя, который описан выше со ссылкой на фиг.8, на прямом электрическом пути между положительным 1232 или отрицательным 1234 электродами гальванического элемента 1230 и выходными клеммами 1220 и 1222 контейнера. Кроме того, синхронный выпрямитель 1274 увеличивает эффективность преобразователя 1250 постоянного напряжения благодаря уменьшению внутренних потерь. Регулятор 1252 преобразователя этого варианта осуществления также учитывает дополнительные входные сигналы для управления преобразователем 1250 постоянного напряжения. Например, в варианте осуществления, показанном на фиг.12, регулятор 1252 преобразователя контролирует внутреннее окружение гальванического элемента посредством таких датчиков, как датчики температуры, давления и концентрации водорода и кислорода, в дополнение к измерениям фазового сдвига, описанным ранее относительно фиг. 10.

На фиг.7-12 изображены постепенно все более сложные конструкции схем по настоящему изобретению. Они приведены в этом порядке, чтобы обеспечить последовательное описание различных элементов, которые могут быть включены в интегральную схему регулятора, дополнительно к преобразователю постоянного напряжения, который является центральным элементом регулятора по настоящему изобретению. Порядок представления не означает предположения, что элементы, введенные последними в схемы, объединяющие множество различных элементов, должны иметь все детали, описанные относительно предыдущих чертежей, чтобы входить в объем настоящего изобретения. Схему аварийного отсоединения, схему индикатора зарядки, цепь считывания фазы и/или заземляющую цепь смещения, например, можно использовать в комбинации со схемами фиг.6-11 без регулятора преобразователя или других элементов, показанных на чертежах, которые изображают эти элементы.

Предпочтительный вариант осуществления интегральной схемы 1340 регулятора для использования в батарее 1310 по настоящему изобретению включает в себя преобразователь 1350 постоянного напряжения и регулятор 1352 преобразователя и показан на фиг.13. Преобразователь 1350 предпочтительно является преобразователем почти безындукционного, высокочастотного, высокоэффективного типа и средней мощности, который может функционировать ниже порогового напряжения большинства электронных устройств. Регулятор 1340 предпочтительно включает в себя нагнетатель заряда типа нагнетателя, показанного на фиг.9В, с целью снабжения виртуальным заземлением, которое имеет потенциал ниже потенциала отрицательного электрода 1334 гальванического элемента 1330, преобразователя 1350 постоянного напряжения и выходной клеммы 1322 контейнера 1312. Виртуальное заземление обеспечивает увеличенную разность напряжений, пригодную для возбуждения преобразователя 1350 постоянного напряжения и обеспечения возможности преобразователю 1350 более эффективно выводить более высокий уровень тока из гальванического элемента 1330, чем можно было бы возбуждать преобразователем только напряжением элемента.

В этом варианте осуществления в регуляторе 1352 преобразователя предпочтительно используется схема управления широтно-импульсной и фазоимпульсной модуляцией. Схема 1362 считывания фазового сдвига измеряет напряжение элемента и ток, отводимый из гальванического элемента 1330, на положительном 1332 и отрицательном 1334 электродах гальванического элемента 1330 и мгновенный и/или непрерывный фазовый сдвиг между напряжением и током. Этот фазовый сдвиг определяет внутреннее полное сопротивление гальванического элемента 1330, которое является функцией емкости заряда гальванического элемента 1330. После того, как произойдет приблизительно 50% разрядка гальванического элемента 1330, которая определяется падением напряжения замкнутой цепи элемента, увеличивающееся внутреннее полное сопротивление указывает остающуюся емкость гальванического элемента 1330. Схема 1362 считывания фазового сдвига обеспечивает эти сигналы для линейного регулятора 1371 фазы. Линейный регулятор 1371 фазы затем обеспечивает напряжение Vs, считываемое схемой 1362 считывания фазового сдвига, и сигнал V(psi) управления выходным напряжением, который является линейно пропорциональным фазовому сдвигу, для импульсного модулятора 1376, в котором используется комбинация схем управления широтно-импульсной модуляцией и фазоимпульсной модуляцией. Импульсный модулятор 1376 также принимает падение напряжения на резисторе Rs в качестве сигнала управления напряжением.

Импульсный модулятор 1376 использует в сочетании сигналы управления напряжением для возбуждения преобразователя 1350 постоянного напряжения. Когда напряжение Vs выше заранее определенного уровня пороговых напряжений, импульсный модулятор 1376 поддерживает полевой транзистор структуры металл-оксид-полупроводник ("МОП-транзистор") М3 в запертом состоянии, а МОП-транзистор М4 в открытом состоянии. Таким образом, путь тока от гальванического элемента 1330 к нагрузке поддерживается через МОП-транзистор М3. Кроме того, потери, связанные с преобразователем 1350 постоянного напряжения и регулятором 1352 преобразователя, минимизируются, потому что рабочий цикл эффективно поддерживается на нулевом проценте. В этом случае потери по постоянному току запертого МОП-транзистора М3 и резистора Rs чрезвычайно низкие. Сопротивление резистора Rs, например, находится предпочтительно в диапазоне от, приблизительно, 0,01 до, приблизительно, 0,1 Ом.

Однако, когда напряжение Vs ниже заранее определенного уровня пороговых напряжений, импульсный модулятор 1376 включается и модулирует рабочий цикл преобразователя 1350 постоянного напряжения на основании комбинации сигналов управления напряжением. Амплитуда Vs действует как первичный управляющий сигнал, который управляет рабочим циклом. Падение напряжения на резисторе Rs считывания тока, которое является функцией выходного тока, действует как второй управляющий сигнал. И наконец, сигнал V(psi), вырабатываемый линейным регулятором 1371 фазы, который является линейно пропорциональным сдвигу фаз между составляющими переменного тока напряжения элемента и тока, отводимого из гальванического элемента 1330, является третьим управляющим сигналом. В частности, сигнал V(psi) используется для изменения рабочего цикла под действием изменения внутреннего полного сопротивления на протяжении срока службы батареи, которое действует на эффективность преобразователя и срок службы батареи. Импульсный модулятор увеличивает рабочий цикл, если уменьшается мгновенная и/или непрерывная амплитуда Vs, или если увеличивается падение напряжения на резисторе Rs, и/или увеличивается мгновенная и/или непрерывная амплитуда V(phi) управляющего сигнала. Вклад каждой переменной взвешивается согласно соответствующему алгоритму управления.

Когда импульсный модулятор 1376 включается, его генератор вырабатывает управляющие импульсы трапецеидальной или прямоугольной формы волны, которые предпочтительно занимают 50% рабочего цикла и имеют частоту в диапазоне от, приблизительно, 40 КГц до, приблизительно, 1 МГц, более предпочтительно в диапазоне от, приблизительно, 40 КГц до, приблизительно, 600 КГц, обычно при наиболее предпочтительной частоте, равной приблизительно 600 КГц. Импульсный модулятор 1376 изменяет рабочий цикл выходного управляющего сигнала для МОП-транзисторов М3 и М4, используя соответствующий алгоритм управления. Обычно алгоритм управления приводит в действие М3 и М4 с одинаковым рабочим циклом, но противоположной фазой. МОП-транзисторы М3 и М4 предпочтительно являются комплементарными транзисторами высокой мощности, в которых М3 предпочтительно является N-канальным МОП-транзистором, а М4 предпочтительно является Р-канальным МОП-транзистором. В сущности, конфигурация полного преобразователя 1350 постоянного напряжения представляет усиливающий преобразователь постоянного напряжения с синхронизированным выпрямителем на выходе. Кроме того, преобразователь 1350 минимизирует потери по постоянному и переменному току, используя МОП-транзистор М3 вместо несинхронного диода Шотки. Отдельные управляющие сигналы приводят в действие М3 и мощный МОП-транзистор М4. Изменение фазы и/или рабочего цикла между управляющими сигналами М3 и М4 изменяет выходное напряжение между клеммами 1320 и 1322 контейнера 1312.

Импульсный модулятор 1376 может управлять МОП-транзисторами М3 и М4 на основании одного или более сигналов управления напряжениями типа напряжения Vs, падения напряжения на резисторе Rs или внутреннего полного сопротивления гальванического элемента 1330. Если, например, потребление тока нагрузки низкое, импульсный модулятор 1376 вырабатывает рабочий цикл преобразователя 1350 постоянного напряжения, близкий к нулевому проценту. Однако, если потребление тока нагрузки высокое, импульсный модулятор 1376 вырабатывает рабочий цикл преобразователя 1350 постоянного напряжения, близкий к 100%. Поскольку потребление тока нагрузки изменяется между этими двумя оконечными величинами, импульсный модулятор 1376 изменяет рабочий цикл преобразователя постоянного напряжения, чтобы обеспечить ток, требуемый нагрузкой.

На фиг.14 приведено сравнение примерных кривых разрядки для батареи В1, которая не имеет регулятора по настоящему изобретению, батареи В2 по настоящему изобретению, имеющей регулятор, в котором преобразователь работает в непрерывном режиме, и батареи В3 по настоящему изобретению, имеющей регулятор, в котором преобразователь включается при напряжении выше напряжения отключения батареи для данного электронного устройства, для которого эта батарея разработана. Как показано на фиг.14, батарея В1, которая не имеет регулятора по настоящему изобретению, ослабевает в электронном устройстве, имеющем напряжение отключения Vc, в момент времени t1. Однако регулятор батареи В2 непрерывно повышает выходное напряжение батареи до уровня напряжения V2 в течение всего срока службы батареи. Когда напряжение гальванического элемента батареи В2 падает до уровня напряжения Vd, соответствующего минимальному рабочему напряжению регулятора, регулятор батареи В2 выключается, и выходное напряжение батареи падает до нуля в момент времени t2, заканчивая эффективный срок службы батареи В2. Как показано на графике фиг.14, эффективный срок службы батареи В2, имеющей регулятор, в котором преобразователь функционирует в непрерывном режиме, находится в диапазоне t2-t1.

Однако регулятор батареи В3 не начинает повышать выходное напряжение батареи, пока напряжение гальванического элемента не достигнет заранее определенного уровня Vp3 напряжения. Заранее определенный уровень Vp3 напряжения предпочтительно находится в диапазоне между номинальным уровнем напряжения гальванического элемента и самым высоким напряжением отключения класса электронных устройств, для снабжения энергией которых предназначена батарея. Более предпочтительно, заранее определенный уровень Vp3 напряжения приблизительно на 0,2 В выше, чем самое высокое напряжение Vc отключения класса электронных устройств, для снабжения энергией которых предназначена батарея. Еще более предпочтительно, заранее определенный уровень Vp3 напряжения приблизительно на 0,15 В выше, чем самое высокое напряжение Vc отключения класса электронных устройств, для снабжения энергией которых предназначена батарея. Еще более предпочтительно, заранее определенный уровень Vp3 напряжения приблизительно на 0,1 В выше, чем самое высокое напряжение Vc отключения класса электронных устройств, для снабжения энергией которых предназначена батарея, причем наиболее предпочтительно это напряжение приблизительно на 0,05 В выше, чем Vc.

Когда напряжение элемента достигает заранее определенного уровня Vp3 напряжения, преобразователь батареи В3 начинает повышать или стабилизировать выходное напряжение до уровня _c+ΔV. Уровень ΔV напряжения отмечен на фиг.14 и представляет разность напряжений между повышенным выходным напряжением батареи В3 и напряжением Vc отключения. Уровень ΔV напряжения предпочтительно находится в диапазоне от, приблизительно, 0 В до, приблизительно, 0,4 В, при наиболее предпочтительной величине, равной приблизительно 0,2 В. Далее батарея В3 продолжает обеспечивать выходное напряжение, пока напряжение гальванического элемента не упадет до уровня напряжения Vd, т.е. минимального рабочего напряжения преобразователя, и регулятор батареи В3 выключается. В это время выходное напряжение батареи падает до нуля в момент времени t3, заканчивая эффективный срок службы батареи В3. Как показано на графике фиг.14, увеличение эффективного срока службы батареи В3 по сравнению с батарей В1, которая не имеет регулятора по настоящему изобретению, составляет t3-t1.

На фиг. 14 также показано, что батарея В3 работает дольше батареи В2, когда они подсоединены к одному и тому же электронному устройству. Поскольку преобразователь батареи В2 функционирует непрерывно, внутренние потери преобразователя потребляют некоторую часть емкости энергии гальванического элемента батареи В2, и, следовательно, напряжение элемента батареи В2 достигает минимального рабочего напряжения Vd преобразователя в течение более короткого времени, по сравнению с батареей В3, в которой регулятор работает только часть цикла разрядки.

Таким образом, оптимизирование выбора заранее определенного напряжения Vp3 батареи В3 как можно ближе к напряжению отключения электронного устройства, которое она снабжает энергией, приводит к наиболее эффективному использованию гальванического элемента и к большей продолжительности срока службы батареи. Таким образом, заранее определенное напряжение Vp3 батареи В3 предпочтительно равно или немного больше, чем напряжение отключения электронного или электрического устройства, для снабжения энергией которого она предназначена. Например, заранее определенное напряжение Vp3 может предпочтительно быть приблизительно на 0,2 В больше, чем напряжение отключения. Более предпочтительно, заранее определенное напряжение Vp3 может предпочтительно быть приблизительно на 0,15 В больше, чем напряжение отключения. Еще более предпочтительно, заранее определенное напряжение Vp3 может предпочтительно быть приблизительно на 0,1 В больше, чем напряжение отключения, при наиболее предпочтительном напряжении приблизительно на 0,05 В больше, чем напряжение отключения.

Однако, если батарея разработана в виде стандартной батареи для ряда электронных устройств, заранее определенное напряжение Vp3 предпочтительно выбирают так, чтобы оно было равным или немного больше самого высокого напряжения отключения этой группы электронных устройств. Например, заранее определенное напряжение Vp3 может быть предпочтительно приблизительно на 0,2 В больше, чем самое высокое напряжение отключения этой группы электронных устройств. Более предпочтительно, заранее определенное напряжение Vp3 может быть предпочтительно приблизительно на 0,15 В больше, чем самое высокое напряжение отключения этой группы электронных устройств. Еще более предпочтительно, заранее определенное напряжение Vp3 может быть предпочтительно приблизительно на 0,1 В больше, чем самое высокое напряжение отключения этой группы электронных устройств, при наиболее предпочтительном напряжении приблизительно на 0,05 В больше, чем самое высокое напряжение отключения этой группы электронных устройств.

На графиках фиг. 14 также показано, что чем ниже минимальное рабочее напряжение преобразователя Vd, тем больше продолжительность срока службы по сравнению с батареей В1, которая не имеет регулятора по настоящему изобретению. Кроме того, чем больше разность между напряжением отключения электронного устройства Vc и минимальным рабочим напряжением Vd преобразователя, тем больше регулятор по настоящему изобретению обеспечивает продолжительность срока службы батареи из-за повышения напряжения гальванического элемента.

В таб. 2 приведено сравнение данных разрядки для щелочной батареи АА по настоящему изобретению, имеющей встроенный регулятор, в котором преобразователь работает в непрерывном режиме и повышает напряжение элемента до выходного напряжения приблизительно 1,6 В, с обычной щелочной батареей АА, которая не имеет регулятора по настоящему изобретению. В этой таблице данные показывают выходное напряжение, потребляемую энергию и процент остающейся емкости (общая емкость = 2400 мА•ч) в течение каждого часа, когда батареи подсоединены к средней активной нагрузке приблизительно 12 Ом, которая потребляет в среднем приблизительно 125 мА в течение всего срока службы батареи. Как показано в таблице, выходное напряжение батареи, имеющей преобразователь, постоянно остается на величине 1,6 В в течение срока службы батареи, в то время как выходное напряжение батареи, которая не имеет регулятора, уменьшается от номинального напряжения батареи в течение всего ее срока службы.

В табл. 2 далее показано, что батарея по настоящему изобретению, которая имеет встроенный регулятор, обеспечивает два четко выраженных преимущества по сравнению с батарей АА, которая не имеет регулятора. Во-первых, в случае устройства, имеющего напряжение отключения приблизительно 1 В, батарея, имеющая встроенный регулятор, имеет продолжительность работы приблизительно 10 часов, в то время как батарея без регулятора прекращает работу в устройстве после максимум приблизительно 8 часов, когда выходное напряжение падает ниже 1 В. Таким образом, в этом примере регулятор обеспечивает примерно 25% продление срока службы по сравнению с батареей, которая не имеет регулятора. Во-вторых, энергия, поступающая на нагрузку, и процент номинальной емкости батареи, которая используется до выключения устройства, гораздо больше в случае батареи по настоящему изобретению, имеющей встроенный регулятор. При условиях потребления тока постоянной величины батарея без регулятора по настоящему изобретению имеет еще меньшую продолжительность времени до выключения электронного устройства, потому что при уменьшении выходного напряжения этой батареи способность элемента обеспечивать ток пропорционально уменьшается. Это приводит к еще большему преимуществу батареи, имеющей встроенный регулятор.

Однако, если устройство имеет напряжение отключения приблизительно 1,1 В, то в табл. 2 показано, что батарея по настоящему изобретению, имеющая встроенный регулятор, работает еще более выгодно, чем батарея АА, которая не имеет регулятора. Батарея, имеющая встроенный регулятор, все еще имеет продолжительность работы приблизительно 10 часов, в то время как батарея без регулятора прекращает работу в устройстве после максимум приблизительно 6 часов, когда выходное напряжение падает ниже 1,1 В. Таким образом, в этом примере регулятор обеспечивает увеличение примерно на 67% срока службы по сравнению с батареей, которая не имеет регулятора. Кроме того, различия в энергии, выдаваемой в нагрузку, и в проценте номинальной емкости батареи, которая используется до выключения устройства, еще больше, чем это было в предыдущем примере. И здесь, при условии постоянного потребления тока, батарея без регулятора по настоящему изобретению имеет еще более короткую продолжительность времени до отключения электронного устройства, потому что когда выходное напряжение этой батареи уменьшается, пропорционально уменьшается способность элемента выдавать ток. Это приводит к еще большему преимуществу батареи, имеющей встроенный регулятор.

Формула изобретения

1. Первичная батарея, используемая с устройством, имеющим напряжение отключения, отличающаяся тем, что она содержит (а) контейнер, имеющий положительную клемму и отрицательную клемму, (b) первичный гальванический элемент, расположенный внутри контейнера, при этом элемент имеет положительный электрод, отрицательный электрод, напряжение, измеряемое между положительным и отрицательным электродами, и номинальное напряжение, содержит (с) регулятор, электрически подсоединенный между электродами элемента и клеммами контейнера, для создания выходного напряжения, измеряемого между положительной и отрицательной клеммами контейнера, причем регулятор обеспечивает одну или более из следующих операций: (i) включение преобразователя, приспособленного для работы на напряжении элемента, которое меньше напряжения отключения устройства, так что регулятор увеличивает продолжительность работы батареи посредством преобразования напряжения элемента в выходное напряжение, чтобы выходное напряжение оказывалось больше напряжения отключения устройства, когда напряжение элемента меньше, чем напряжение отключения, причем преобразователь обеспечивает также преобразование напряжения элемента в выходное напряжение таким образом, что выходное напряжение меньше, чем напряжение элемента, когда напряжение элемента больше, чем номинальное напряжение; (ii) включение преобразователя, который преобразовывает напряжение элемента в выходное напряжение, содержит конденсатор, который обеспечивает аккумулирование электрического заряда, для защиты элемента от пиковых токов, при этом первичная батарея представляет собой одну из одноэлементной батареи, универсальной одноэлементной батареи, многоэлементной батареи и многоэлементной гибридной батареи.

2. Первичная батарея по п.1, в которой первичная батарея приспособлена для электрического подсоединения в качестве одной из целого числа батарей последовательно с устройством, где выходное напряжение больше или равно напряжению отключения устройства, отделенного целым числом батарей, и/или в которой первичная батарея является многоэлементной батареей, причем первичная батарея далее содержит положительную выходную клемму и отрицательную выходную клемму, контейнер, при этом элемент и регулятор образуют первый блок, который является одним из целого числа блоков элементов, электрически подсоединенных последовательно между положительной выходной клеммой и отрицательной выходной клеммой, выходное напряжение больше или равно напряжению отключения устройства, отделенного целым числом блоков элементов.

3. Первичная батарея по любому из пп.1 и 2, в которой регулятор обеспечивает регулировку напряжения элемента до величины по меньшей мере 0,6 В.

4. Первичная батарея по любому из пп.1-3, в которой регулятор приспособлен для электрического подсоединения преобразователя между электродами элемента и клеммами контейнера, когда напряжение элемента падает до заранее определенного уровня напряжения, причем заранее определенный уровень напряжения предпочтительно выбирают из диапазона 0,8 - 1,2 В для элемента, имеющего номинальное напряжение 1,5 В, в диапазоне от напряжения отключения устройства до напряжения отключения устройства плюс 0,2 В, в диапазоне от напряжения отключения устройства до номинального напряжения элемента, для обеспечения возможности глубокой разрядки элемента, когда напряжение отключения устройства составляет 1 В для элемента, имеющего номинальное напряжение 1,5 В, и/или обеспечения возможности по меньшей мере 90% разрядки элемента, когда элементом является литиевый элемент, а напряжение отключения устройства составляет 2,4 В.

5. Первичная батарея по любому из пп.1-4, в которой преобразователь дополнительно содержит (i) схему управления, электрически подсоединенную к положительному и отрицательному электродам элемента, причем схема управления предпочтительно включает в себя импульсный модулятор, более предпочтительно импульсный модулятор включает в себя широтно-импульсный модулятор, имеющий по меньшей мере один входной управляющий сигнал, еще более предпочтительно импульсный модулятор приспособлен для электронного отсоединения преобразователя от элемента и электронного подсоединения преобразователя к элементу, еще более предпочтительно импульсный модулятор приспособлен для электронного отсоединения преобразователя от элемента и электронного подсоединения преобразователя к элементу, на основании, по меньшей мере частично, одного или более управляющих сигналов, выбранных из группы внутреннего полного сопротивления элемента, потребляемого тока и выходного напряжения, еще более предпочтительно импульсный модулятор приспособлен для электронного подсоединения преобразователя между электродами элемента и клеммами контейнера, когда напряжение элемента падает до заранее определенного уровня напряжения, при этом заранее определенный уровень напряжения предпочтительно находится в диапазоне от напряжения отключения устройства до приблизительно номинального напряжения элемента, (ii) возбудитель постоянного/переменного тока, электрически подсоединенный к схеме управления, и (iii) синхронный выпрямитель, электрически подсоединенный к возбудителю постоянного/переменного тока и к положительной и отрицательной клеммам контейнера.

6. Первичная батарея по любому из пп.1-5, в которой регулятор дополнительно содержит (iv) заземляющую цепь смещения, электрически соединенную с положительным и отрицательным электродами элемента, заземляющая цепь смещения обеспечивает виртуальное заземление для преобразователя и для отрицательной клеммы контейнера, при этом заземляющая цепь смещения предпочтительно включает в себя схему нагнетателя заряда и виртуальное заземление предпочтительно представляет уровень напряжения ниже уровня напряжения отрицательного электрода элемента.

7. Первичная батарея по любому из пп.1-6, в которой номинальное напряжение больше 1,5 В.

8. Первичная батарея по любому из пп.1-7, в которой первичным элементом является литиевый элемент, номинальное напряжение элемента находится в диапазоне 2,8 - 4,0 В, и регулятор обеспечивает понижение напряжения элемента так, чтобы выходное напряжение оказалось в диапазоне 1,0 - 1,6 В.

9. Первичная батарея по любому из пп.1-8, дополнительно содержащая устройство, которое включает в себя (а) положительную входную клемму, (b) отрицательную входную клемму, электрически соединенную с положительной входной клеммой, и (с) напряжение отключения.

10. Способ продления продолжительности работы первичной батареи, отличающийся тем, что (а) обеспечивает первичную батарею, включающую в себя (i) контейнер, имеющий положительную клемму и отрицательную клемму, (ii) гальванический элемент, расположенный внутри контейнера, при этом элемент имеет положительный электрод, отрицательный электрод, напряжение, измеряемое между положительным электродом и отрицательным электродом, и номинальное напряжение, и (iii) регулятор, электрически подсоединенный между электродами элемента и клеммами контейнера, для создания выходного напряжения, измеряемого между положительной клеммой и отрицательной клеммой контейнера, при этом регулятор включает преобразователь, (b) электрически соединяют первичную батарею с устройством, имеющим напряжение отключения, и (с) преобразовывают напряжение элемента в выходное напряжение так, чтобы выходное напряжение оказалось больше напряжения отключения устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20