CN1244179C - 带内置控制器以延长电池寿命的一次性电池 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种带延长电池寿命的内置控制器的多单元电池。控制器可通过将电池电压转换为大于电子设备的截止电压的输出电压，将单元电压转换为小于电池电化学标称电压的输出电压，或者通过保护电化学单元不受峰值电流冲击来延长电池寿命。控制器还可以包括接地电路，它还包括虚拟接地从而使转换器可以工作在较低的单元电压下。电池可以是一个单元的电池、通用的单个单元电池、多单元电池或多单元混合电池。多单元电池的每个单元可以串联或并联。此外，每个单元包含控制器，能够完成一个或多个功能以延长单元寿命。

Description

带内置控制器以延长电池寿命的一次性电池
发明领域
本发明涉及一次性电池，特别涉及带内置控制器以延长使用寿命的一次性电池。
背景技术
在收音机、密致盘播放机、照相机、蜂窝网电话、电子游戏机、玩具、寻呼机和计算机装置等便携式电子装置中，消费者通常使用一次性电池。当一次性电池的使用寿命超过了，通常就丢弃电池。此时，往往只使用了电池总蓄电量的40～70％左右。一旦耗用了初始贮能部分，电池一般无法提供足够的电压来驱动电子装置。这样，尽管电池还留有其蓄电量的约30～60％，消费者还是一丢了事。因此，通过更深程度的安全放电来延长一次性电池的使用寿命，在电池丢弃前让电子装置使用电池更多的蓄电量，就可减少浪费。
此外，消费者经常要求更小更轻的便携式电子装置。将这类装置做得更小更轻的主要障碍之一，就是要向装置供电的电池的尺寸与重量。事实上，由于电子线路的工作速度更快，结构更复杂，甚至要求比以前更大的电流，因而对电池的需求更大了。然而，如果功能增多、速度增高要求更频繁地调换电池，消费者将不会接受功能更强的超小型化装置。因此，为了制造更快速更复杂的电子装置而不降低电池寿命，电子装置就要求使用更有效的电池，或者电池本身能更好地利用贮存能量。
某些更昂贵的电子装置包括装置中的稳压器电路，诸如开关转换器(如DC/DC转换器)，用于转换和/或稳定电池的输出电压。在这类装置中，通常串接了多个单一单元电池，转换器将这些电池的总电压转换成负载电路要求的电压。转换器能延长电池的工作时间，其做法是在电池放电初始部分降低电池输出电压(否则会提供更高电压，从而提供比负载电路的要求更多的功率)，而在电池放电后期部分提高电池输出电压(否则电池会耗尽，因为输出电压低于负载电路要求的电压)。
然而，在电子装置中配备转换器的方法有若干缺点。首先，在电子装置中安装转换器较为昂贵，因为每一家制造商对少量生产的产品都有特殊的电路设计，因此成本较高。其次，电池供应商并不控制与特定电池配用的转换器类型，因而转换器对每类电化学单元的特定电化学特性并未实现优化。再次，不同类型的电化学单元(如碱电池、锂电池等)具有不同的电化学特性与标称电压，不易互换。另外，转换器在电子装置中占据着宝贵的空间并增大了重量。而且，某些电子装置可以用线性调压器取代DC/DC转换器等更有效的开关转换器。此外，含开关转换器的电子装置会产生电磁干扰(EMI)，对射频(RF)发射机等电子装置中相邻的电路有不利影响。然而，通过将转换器装入电池，EMI源可远离其它对EMI敏感的电路，并可被电池导电的容器屏蔽。
现有电压转换器的另一个问题是，为了提供足够的电压驱动转换器，通常要用多个串接的电化学单元。然后转换器会将电压降到电子装置所需的电平。这样，根据转换器的输入电压要求，即使电子装置本身只需一个单一单元工作，但它必须装上若干电化学单元，因而浪费了空间，增加了重量，不利于电子装置进一步超小型化。
因此，要求在丢弃电池前更多地利用一次性电池贮存的电荷，并且电池占用的空间与重量更少，使便携式电子装置进一步超小型化。
此外，需要通过设计更为通用的电路设计降低电子设备的DC/DC转换器的成本。
还需要设计一种可以利用特定类型电化学单元的特殊电化学性质的转换器。
此外，还要求研制一种可互换电池，它包含带不同标称电压或内部阻抗的电化学单元而不改变电化学单元本身的单元化学特性。
而且还需要研制一种混合电池，它可以使用封装在同一电池内的不同类型的电化学单元。
而且还需要保护电子或电气设备的敏感电路免遭开关转换器的EMI干扰。
发明内容
本发明的一次性电池通过使用更多的贮存能量提供了更长的使用寿命。电池有一包括DC/DC转换器的内置控制器，该转换器能够在低于一般电子装置阈压下工作。控制器更有效地调节电化学单元的电压并且使电池可以安全地深度放电，从而使用更多电池存储的能量。控制器较佳地设置在混合模硅芯片上，该芯片系定制设计，用特定类型的电化学单元如碱性、锌-碳、镍镉(NiCd)、锂、氧化银、或混合单元操作，或用特定的电子装置操作。
控制器比较好的是以下列方式监视和控制提供给负载的功率以优化延长电池寿命：(1)接通和关闭DC/DC转换器；(2)当输入电压低于电池供电的一般电子装置的截止电压时，保持要求的最小输出电压；(3)减小电池输出阻抗。
在一特定的较佳实施例中，控制器装在AAA、AA、C或D电池等单元一次性电池内(例如容器内)或者多单元一次性电池的每个单元(例如标准9伏电池)内。这提供了几个明显的优点。首先，它可以使电池设计者利用每种电化学单元的特定电化学特性。其次，它可以通过改变或稳定输出电压和/或输出阻抗以满足设计成以标准电化学单元工作的电子装置的要求，可以互换使用不同类型的电化学单元。例如，电池设计者可以设计包含诸如锂MnO2单元等锂电化学单元的超高效锂电池，它通过使标称单元电压从约2.8～4.0伏减至约1.5伏输出电压而无需减少锂单元化学能量存储，满足了标准1.5伏AA电池的封装与电气要求。通过应用锂单元更高的单元电压，设计者能大大增加电池工作时间。第三，在单一单元或多单元电池中装入转换器电路能使设计的电子设备无需内部调压器或转换器。这有助于减少电子线路的大小和提供更为便宜、更小和更轻的便携式电子装置。此外，包含电化学单元的导电容器还在控制器电路周围提供屏蔽层以保护邻近的电子线路(例如射频(rf)发射机和接收机)不受控制器的DC/DC转换器的电磁干扰(EMI)。而且在每个电化学单元内提供控制器提供了对当前有售的电化学单元更为安全和有效的控制。控制器可以监视每个电化学单元内的条件并且确保每个电化学单元在电子装置关闭之前尽可能地完全耗尽。
控制器还能在多种设备内使用本发明的电池。本发明的电池无论是配用于如上述具有截止电压的电气装置或电子装置还是配用于诸如闪光灯之类不具有截止电压的电气装置，均比已知的电池更具优点。
由于大量销售的电池比为每类电子装置设计的单个调节器或转换器更便于廉价地生产芯片，所以还能更经济地制造控制器芯片。
一种较佳实施例的DC/DC转换器是一种几乎无电感器的高频、高效、低输入电压和中等功率的转换器，它应用了脉宽与相移调制控制方法。
本发明的其它特点与优点将参照本发明的较佳实施例予以描述。
附图简述
虽然本说明书最后的权项具体指出和明确申明了有关本发明的要点，但是通过下面结合附图所作的描述，相信能更好地理解本发明。
图1是典型柱形电池结构的透视图。
图2是另一柱形电池结构的透视图。
图3是再一柱形电池结构的剖视图。
图4是本发明电池的方框图。
图4A是图4电池一较佳实施例的方框图。
图4B是图4电池另一较佳实施例的方框图。
图5A是本发明电池一较佳实施例的局部拓展的剖视图。
图5B是本发明电池另一较佳实施例的局部拓展的剖视图。
图5C是本发明电池再一较佳实施例的局部拓展的透视图。
图6是本发明多单元电池一较佳实施例的部分剖面透视图。
图7是本发明电池另一较佳实施例方框图。
图8是本发明电池再一较佳实施例方框图。
图9是本发明电池另一较佳实施例方框图。
图9A是图9电池较佳实施例某一方面的一实施例示意图。
图9B是图9电池较佳实施例某一方面的另一较佳实施例方框图。
图10是本发明电池再一较佳实施例方框图。
图11是本发明电池另一较佳实施例方框图。
图12是本发明电池再一较佳实施例方框图。
图13是本发明电池另一较佳实施例的方框图与示意图的组合。
图14是一典型电池和本发明电池两个不同较佳实施例的放电特性曲线图。
本发明的详细描述
本发明涉及一次性单一单元电池与多单元电池。本发明的术语“一次性”指打算在其有用蓄电量耗尽否予以废弃的电池或电化学单元(即不打算再充电或再使用)。术语“消费品”指准备用于消费者购买或使用的电子或电气装置中的电池。术语“单一单元”指具有单个独立封装的电化学单元的电池，如标准AA、AAA、C或D型电池，或指多单元电池(如标准9伏电池或蜂窝电话或膝上计算机使用的电池)中的单一单元。术语“电池”指有端子和单个电化学单元的容器，或指有端子和基本上至少包含两个或多个电化学单元的外壳(如标准9伏电池或蜂窝电话或膝上计算机使用的电池)。如果每个单元都有其自己的容器，就不必用外壳完全封闭电化学单元。例如，便携式电话电池可包含两个或多个电化学单元，每个单元有其自己的容器，用皱缩包装塑料包装在一起，塑料把各容器保持在一起，但可以不完全封闭各个单元容器。术语“混合电池”包括含有两个或多个电化学单元的多单元电池，其中至少有两个单元具有不同的电化学元件，诸如一根不同的电极、一对不同的电极或不同的电解液。
术语“控制器”指一种电路，它接收至少一个输入信号，并提供至少一个是该输入信号函数的输出信号。“DC/DC转换器”与“转换器”可互换使用，指一种开关型即斩波器控制型DC/DC转换器，将输入直流电压转换成所需的直流输出电压。DC/DC转换器是通常提供调节输出的功率电子线路。转换器可提供升压电平、降压电平或同一电平的调节电压。本领域中有许多不同类型的DC/DC转换器。本发明打算尽量使用已知的转换器或线性调节器，虽然优点不多，但是可替代本申请中描述的较佳转换器，能工作于低于典型电子装置能工作的电压电平。
“截止电压”是连接到电池的电气或电子装置在低于该电压时无法工作的电压。因此，“截止电压”与装置相关，即该电平取决于装置的最小工作电压(功能极点)或工作频率(如必须在规定的时间周期内对电容器充电)。电子装置的截止电压范围为约1～1.2伏，有些电子装置的截止电压可低达约0.9伏。带有电钟、电机与机电继电器等机械运动部件的电气装置，也有一个必须提供足够大的电流以产生强得足以移动机械部件的电磁场的截止电压。另一些电气装置(如闪光灯)通常没有装置的截止电压，但是随着向其供电的电池电压下降，输出功率(如灯泡光强)也将下降。
本发明的一个方面是延长电池“寿命”。“电池寿命”与“电池工作时间”可互换使用，它被定义为电池输出电压跌到低于电池对其供电的装置的最小工作电压(即装置的截止电压)之前的放电循环时间。“单元工作时间”取决于电化学单元本身，即耗尽单元全部的电化学能量，“电池工作时间”则依赖于电池在其中使用的装置。例如，当电池输出电压跌至低于1伏时，虽然电化学单元可能还有至少其贮能量的50％，但是截止电压约1伏的电子装置将不工作。该例中，“电池工作时间”已过了，因为它不再能提供足够的能量驱动电子装置，电池通常就丢弃了。然而，“单元工作时间”还没有过去，因为单元还具有剩余的电化学能量。
在本应用中，电化学单元无论是一次性还是再充电单元，也可使用“电化学单元的有用寿命”或“单元有用寿命”的术语，且对应于电池工作时间，“单元有用寿命”是该单元在特定放电循环中不再有用之前的时间，因为电化学单元不再能提供足够的电压驱动对其供电的装置。如果单一单元电池的“单元工作时间”延长或缩短了，就必须分别延长或缩短“单元有用寿命”与“电池工作时间”。另外，单一单元电池的“电池工作时间”与“单元有用寿命”可以互换，如果单一单元电池的“电池工作时间”或“单元有用寿命”延长或缩短了，则也要分别延长或缩短另一个。然而，相反地，多单元电池中特定电化学单元的“单元有用寿命”不一定与多单元电池的“电池工作时间”互换，因为即使多单元电池的电池工作时间过了以后，特定电化学单元仍可具有剩余的有用寿命。同样地，若多单元电池中特定单元的“单元工作时间”延长或缩短了，则不必延长或缩短“电池工作时间”，因为“电池工作时间”可依赖于电池中另一个或另几个单元的单元电压。
“电气连接的”和“电气连接”指让连续电流流动的连接。“电子连接”指在电流通路中包括了晶体管或二极管等电子器件的连接。本申请中把“电子连接”视作“电气连接”的子集，因而虽然把每个“电子连接”视作“电气连接”，但是并不把每个“电气连接”视作“电子连接”。
图1-3示出典型的柱形电池10结构，为便于讨论已作了简化。每种柱形电池10结构具有以不同配置安排的同一基本结构元件。在每种情况中，该结构包括具有护套或侧壁14的容器、包括正端子20的顶盖16和包括负端子22的底盖18。容器12包封单个电化学单元30。图1配置可用于柱形单一锌碳电化学单元30电池10。在该配置中，整个顶盖16是导电的，形成电池10的正端子20。绝缘衬垫或密封件24使导电顶盖16与电化学单元30绝缘。电极或集流器26将电池10的外部正端子20和电化学单元30的阴极(正电极)32作电气连接。底盖18也整体导电，形成电池10的外部负端子22。底盖电气连接到电化学单元30的阳极(负电极)34。分离器28置于阳极与阴极之间，提供离子通过电解液传导的途径。例如，锌碳电池就这样封装在这类配置中。
图2示出另一种电池设计，其中的绝缘衬垫或密封件24使底盖18与电化学单元30绝缘。此时，整个顶盖16导电并形成电池的正端子20。顶盖16电气连接至电化学单元30的阴极32。同样导电的底盖18形成电池的负端子22。底盖18经集流器26电气连接至电池单元30的阳极34。分离器28置于阳极与阴极之间，提供离子通过电解液传导的途径。例如，碱性(锌/二氧化锰)电池就以这种配置封装。
图3示出再一种电池设计，其中把电化学单元30形成“螺旋绕制胶辊”结构。在该设计中，以“层迭型”结构相互靠近设置四层。这种“层迭型”结构可以例如包含下列次序的层：阴极层32、第一分离器层28、阳极层34和第二分离器层28。或者，第二分离器层28不设置在阴极32与阳极34层之间，可用绝缘层代替。然后将这种“层迭型”结构卷成柱形螺旋绕制的胶辊形式置于电池10的容器12内。绝缘衬垫或密封件24使顶盖16与电化学单元30绝缘。此时，整个顶盖16导电并形成电池10的正端子20。顶盖16经集流器26电气连接至电化学单元30的阴极层32。同样导电的底盖18形成电池的负端子22。底盖18经导电底板19电气连接至电池单元30的阳极34。分离器层28置于阴极层32与阳极层34之间，提供离子通过电解液传导的途径。侧壁14接至顶盖16与底盖18。此时，侧壁14最好由聚合物等非导电材料形成。然而，如果侧壁14与至少正端子20和/或负端子22绝缘，因而不会在两端子间造成短路，那么侧壁也可用金属等导电材料制成。例如，诸如锂二氧化锰(MuO2)电池等锂电池通常以这类配置封装。
每个这样的单元还可包括各种形式的安全孔、操作时要求空气交换的电化学单元30的操作孔、容量指示器、标牌等等，这些在本领域中是众所周知的。此外，单元可构造成其它已知的结构，诸如钮扣单元、硬币单元、棱柱单元、平板或双极板单元等等。
对于本发明的目的，电池“容器”12安装了单个电化学单元30。容器12包括所有必要的元件将两根电极32与34、分离器和电化学单元30的电解液与环境、多单元电池中的任何其它电化学单元绝缘和保护起来，并从电化学单元30向容器外面提供电能。这样，图1和2的容器12包括侧壁14、顶盖16与底盖18以及提供单元30电气连接的正端子20与负端子22。在多单元电池中，容器可以是包含单个电化学单元30的独立结构，容器12可以是多单元电池内多个独立容器中的一个。或者，如果外壳将一个电化学单元的电极与电解液同环境与电池中每个其它单元完全隔离，容器12可用多单元电池的一部分外壳形成。容器12可由金属等导电材料和塑料或聚合物等绝缘材料组合形成。
然而，容器12要与多单元电池外壳区分开来，外壳包含的各自分开隔离的每个单元都包含其自己的电极与电解液。例如，标准的9伏碱电池外壳包封着六个独立的碱单元，而每个单元有其自己的容器612，如图6所示。然而，在某些9伏锂电池中，形成的电池外壳具有隔离电化学单元的电极与电解液的各个腔室，因而外壳包括每个单元的各个容器12和整个电池的外壳。
图5A、5B、5C示出本发明三个单一单元柱形一次性电池实施例的部分拓展图。图5A中，控制器240置于电池210的顶盖216与绝缘衬垫224之间。控制器240的正输出端242电气连接至与之靠近的电池210的正端子220，其负输出端244电气连接至电池210的负端子222。本例中，控制器240的负输出端244经导电侧壁214接至电池210的负端子222，侧壁214则与电池210导电底盖218的负端子222电气接触。此时，导电侧壁必须与顶盖216电气绝缘。控制器240的正输入端246经集流器226电气连接至电化学单元230的阴极232，其负输入端248经导电条237电气连接至电化学单元230的阳极234。或者，控制器240可置于底盖218与绝缘体225之间，或附着于、粘贴于或连接到电池容器或标牌的外面。
在图5B中，控制器340置于电池310的底盖318与绝缘体325之间，其负输出端344电气连接至直接靠近它的电池310的负端子322，正输出端342电气连接至电池310的正端子320。本例中，控制器340的正输出端342经导电侧壁314(与电池310导电顶盖316的正端子320电接触)接至电池310的正端子320，正输入端346经导电条336电气连接至电化学单元330的阴极332，负输入端348经集流器326(从底板319延伸入电化学单元330的阳极334)电气连接至电化学单元330的阳极334。在此情况下，若控制器340应用虚拟接地，则其集流器326与负输入端348必须同容器312的负端子322与控制器的负输出端344隔离。或者，控制器340可置于顶盖316与绝缘体324之间，或附着于、粘贴到或连接至电池的容器312或标牌外面。
在图5C中，在应用厚膜印刷工艺的包装板441或柔性印刷电路板(PCB)上形成控制器440，并将它置于电池410的侧壁414与阴极432之间的容器里面。控制器440的正输出端442经电池410的顶盖416电气连接至电池410的正端子420，负输出端444经底板419与底盖418电气连接至电池410的负端子422，正输入端446电气连接至电化学单元430(本例中直接靠近包含控制器440的包装板441)的阴板432，负输入端448经接触板431与集流器426(从接触板431延伸入电化学单元430的阳极434)电气连接至电化学单元430的阳极434。绝缘衬垫427使接触板431与阴极432相隔离。如图5C所示，绝缘衬垫还可在阳极434与接触板431之间延伸，因为集流器426提供了从阳极434至接触板431的连接。若控制器440应用虚拟接地，则接触板431也必须诸如用绝缘衬垫425同底板419与负端子422隔离。或者，也可将包装板441设置在容器412外面，围绕侧壁414外侧包装。在这类实施例中，标牌可覆盖包装板，或将标牌印在作为控制器本身的同一块包装板上。
图6示出本发明的多单元9伏电池610的透视图和部分剖面，其中每个电化学单元630在单元各容器612里面都有一控制器640。本例中，电池610包含六个独立的电化学单元630，每个单元的标称电压各为约1.5伏。例如，电池610也可包含三个锂单元，各单元的标称电压约为3伏。
图4、4A、4B示出本发明电池110不同实施例的方框图。图4示出本发明应用埋入集成控制器电路140的电池一实施例的方框图，该实施例较佳地应用了具有数字与模拟元件的混合模集成电路。控制器电路也可应用专用集成电路(ASIC)、混合芯片设计、PC板或本领域已知的其它形式的电路制造技术制作。控制器电路140可装在电化学单元130的正电极132与负电极134和电池的正端子120与负端子122之间的电池容器112里面。这样，控制器140可将电化学单元130与容器的端子120和122连接起来或断开，改变或稳定加到电池端子120与122的单元130的输出电压或输出阻抗。图4A示出图4中本发明电池110的一较佳实施例。在图4A中，控制器140接至电化学单元130的正电极(阴极)132与电池容器112的正端子120之间。电化学单元130的负电极(阳极)134与电池容器112的负端子122同控制器140共享公共地。然而，图4B示出本发明电池110的另一较佳实施例，其中控制器140工作于虚拟地，不仅使电化学单元130的正电极132与容器112的正端子120隔离，还使电化学单元130的负电极134与容器112的负端子122隔离。
图4A与4B的各实施例有其自身的优缺点。例如，图4A的结构可采用更简单的电路设计，对电化学单元130、控制器140和电池容器112的负端子122有一公共地，但其缺点是要求转换器工作于低于实际的电化学单元电压电平，还要使用分立的电感器元件。在图4B结构中，应用于电池容器112的负端子122的虚拟地使电化学单元130的负电极134与负载隔离，还允许使用几乎无电感器的DC/DC转换器，但其缺点是虚拟地的电路复杂性较大，以便在单元电压低于电化学单元标称电压电平时让控制器140的电压更有效地连续工作。
本发明的一次性电池包括控制器，用于延长电池寿命。电化学单元可以封装在单一单元或多单元电池内。多单元电池可以包括两种或更多相同类型的电化学单元，或者在混合电池内包括两种或更多不同类型的电化学单元。本发明的多单元电池可包含电气上串联和/或并联的电化学单元。单一单元电池的控制器可在单元容器里面与电化学单元电气串联和/或并联，封装在至少部分包含单元容器的外壳里面，或附着于容器、外壳或标牌或任何其它粘贴到容器或外壳的结构。多单元电池的控制器可与相对单一单元电池描述的一个或多个独立单元一起封装，和/或与组合的多个单元一起封装，使控制器与组合的电化学单元串联或并联。
控制器能以若干方法之一延长本发明的一次性电池的寿命。首先，控制器可以让电池的一个或多个电化学单元被电子装置比一般更深地放电。在本申请中，术语“深度放电”指让电化学单元放电到至少为该电化学单元额定容量的80％。此外，术语“基本上放电”指让电化学单元放电到至少为该电化学单元额定容量的70％。“过度放电”指将电化学单元放电超过100％，由此导致电压反置。例如，日前市售的一般碱性电池，在电化学单元的电压电平跌到不足以驱动一般的电子装置的电压电平之前，一般能提供其贮能量的约40～70％。因此，本发明的控制器提供的碱性单元，在电池断电前较佳地能作大于约70％的放电。更佳地，控制器提供大于约80％的放电程度。甚至还要佳地，控制器提供大于约90％的放电程度，而大于约95％则最佳。
控制器可包括一个转换器，将单元电压转换到所需的电池的输出电压，这样使电化学单元作较深的放电而延长电池寿命。在本发明一实施例中，控制器在电池的整个工作时间内可连续将单元电压转换到所需的输出电压。当单元电压跌至电池放电通常停止的装置截止电压的电平时，控制器将单元电压提升或增高到电池输出足以继续驱动该装置的电平，直到电压电平跌到低于驱动控制器所需的最小电压。这样，具有控制器设计的电池能工作于比另一电池的控制器更低的电压电平，将提供能更深地放电的电池。
在本发明诸较佳实施例中，转换器只在单元电压跌至或低于预定电压电平时才工作。在这些实施例中，转换器内部损耗减至最小，因为转换器只在必要时工作。预定电压电平较佳地从电化学单元的标称电压到电池准备操作的这类装置的最高截止电压。更佳地，预定电压电平稍大于这类装置的最高截止电压。例如，预定电压电平范围可以从这类装置的最高截止电压到0.2伏加该截止电压，较佳的从该最高截止电压到0.15伏加该截止电压，更佳地从该最高截止电压到0.1伏加该截止电压，甚至再更佳地从该最高截止电压到0.05伏加该截止电压。例如，标称电压为1.5伏的电化学单元，其预定电压范围通常为0.8～1.8伏。较佳地，该预定电压范围为0.9～1.6伏，更佳地为0.9～1.5伏，再佳地为0.9～1.2伏，而1.0～1.2伏甚至还要佳。电压电平稍大于或等于电池要操作的这类装置的最高截止电压，则是最佳的。然而，设计成用标称电压为3.0伏的电化学单元工作的控制器，其预定电压电平范围通常为2.0～3.4伏，较佳地为2.2～3.2伏，更佳地为2.4～3.2伏，再佳地为2.6～3.2伏，还要佳地为2.8～3.0伏，而电压电平稍大于或等于这类装置的最高截止电压则最佳。
当单元电压跌到或低于预定电压电平时，控制器接通转换器，将单元电压提升到足以驱动负载所需的输出电压。这样就消除了在单元电压高得足以驱动负载时转换器不必要的内部损耗，然后允许电化学单元甚至在单元电压跌到低于驱动负载所需的电平后继续放电。控制器可以使用一个或多个控制机构，从单元电压跌到预定电压电平时接通转换器的简单的电压比较器和电子开头组合件到更复杂的下述之一的控制方法。
当用本发明对给定输出电压设计的通用电池对装置供电时，较佳地能延长该电池的寿命。本申请中使用的“通用”电池是一种可提供均匀输出电压而与单元电化学特性无关的电池。因此，本发明的电池较佳地设计成通过使电池输出电压保持为大于或等于给定电子装置的最高截止电压，直到电化学单元的电压跌到低于控制器不能再工作的电平将内置控制器关闭，从而延长其寿命。设计为向特定电子装置或具有类似截止电压的电子设备供电的本发明的电池可以特别设计为通过使预定电压水平与这些装置的截止电压更紧密地匹配而高效运行。
其次，控制器也可以使标称电压大于所需输出电压的电化学单元的单元电压台阶状减小并且/或改变电池的电化学单元的输出阻抗。这不禁延长了电池的寿命，而且使得具有不同标称电压的电化学单元具有更强的互换性，使得设计者利用具有较高标称电压的电化学单元的较大存储潜力的优势，并且使设计者可以改变某些电化学单元的输出阻抗以使阻抗与所需水平匹配，从而增强电化学单元与其他类型电化学单元的互换性，并且/或提高带特定类型负载的电化学单元的效率。此外，可以用安全、高效的电化学单元代替低效、危险的电化学单元以满足所需的标称电压或输出阻抗。
例如，标称电压为1.8伏或更高的电化学单元可以封装一个控制器，将该较高的标称电压降至1.5伏的标准标称电平，使该电池可与1.5伏标称电压的电池互换。在一特定例子中，标称电压为3.0伏的锂MnO2单元等标准锂单元，可以封装一个降压控制器，因而电池的标称电压约1.5伏。这样提供的电池，其容量至少是具有一个标称电压为1.5伏电化学单元的电池的二倍，且容积一样。另外，还可提供一种锂单元，它与标准的碱性或锌碳单一单元电池完全可以互换，无需以化学方法改变锂单元的化学特性而减少单元的化学贮能。另外，具有锰、锰空气和铝空气等电化学单元的电池，也具有高于1.8伏的标称电压，可同标称电压为1.5伏的标准电池互换使用。不仅不同类的电化学单元可以互换，而且不同类的电化学单元可在混合电池中封装在一起。这样，具有各种标称电压或内部阻抗的不同电化学单元的不同类电池可以互换使用，或可以制造具有不同类电化学单元的混合电池。
此外，标称电压低于给定电子设备工作电压的电化学单元可以与具有内置升压转换器的控制器一起使用以增高标称电压。这使得具有这种类型电化学单元的电池可以与需要电压超过单元提供的设备一起使用。此外，具有这类单元的电池还可与标准碱性或锌碳电化学单元互换使用，这样可以提供便于商品化的有用的电池，其电化学单元以前未考虑为消费者使用，因为标称电压在实用中太低了。
锌碳、碱性和锂电池作为可用于本发明的电池类型示例作了讨论。其他类型的电池(例如但不局限于表1中的一次性电池)也可用于本发明的一次性电池。二次性电化学单元也可以与混合电池中的一次性电化学单元组合使用。事实上，本发明使各类电化学单元之间和电化学单元与其它电源(如燃料电池、电容器等)之间比以前具有更大的互换性。通过在每个电化学单元里设置控制器，可调节不同类电化学单元的电学特性，诸如标称电压与输出阻抗等，以便用更多种类的单元制作可互换的标准尺寸的电池。电池可以专门设计成利用某种电化学单元的特定优点，同时仍保持与使用其它类单元的电池有互换性。另外，本发明通过将电化学单元的标称电压转换到标准的电压电平，可以建立新的标准电压电平。
                          表1
                                           电化学单元类型与标称电压
                                                   一次性单元
单元类型     标称电压     单元类型 标称电压
Mercad氧化汞氧化汞加MnO2锌-空气碳-锌锌-氯化物碱性MnO2银-氧化物     0.9伏1.35伏1.4伏1.4伏1.5伏1.5伏1.5伏1.5伏     锂FeS2锰有机电解液锰MnO2锂-固体电解液锂MnO2锂(CF)n锂SO2锂SOCl2 1.6伏1.6伏2.8伏2.8伏3.0伏3.0伏3.0伏3.6伏
                                                        二次性单元
单元类型 标称电压     单元类型 标称电压
银-镉爱迪生(Fe-Ni氧化物)镍-镉镍金属混合镍氢银-锌锌-空气镍-锌 1.1伏1.2伏1.2伏1.2伏1.2伏1.5伏1.5伏1.6伏     锌-溴高温Li(Al)-FeS2铝-空气铅-酸高温Na-S锂-有机物锂聚合物Li-V6O13锂离子C-LixCoO2 1.6伏1.7伏1.9伏2.O伏2.O伏3.0伏3.0伏4.0伏
此外，在对特定类型应用专门设计的混合电池中，可以一起使用其它不相容的电化学单元。例如，在混合电池中，锌-空气电化学单元可同锂单元一起串并联使用。锌-空气单元的标称电压约1.5伏，能量密度极高，但只能提供低的稳流电平。然而，锂单元的标称电压电平约3.0伏，可提供短暂的大电流。每个电化学单元的控制器提供同样的标准输出电压，可配置成串并联电气结构。当单元为并联结构时，控制器还可防止单元相互充电。各单元的控制器可用来连接或断开负载所需的两种单元。这样，在负载处于小功率模式时，可把锌-空气单元接成提供稳定的小电流，而在负载处于大功率模式时，锂单元或锂与锌-空气单元可组合成提供负载所需的电流。
混合电池还可包含许多不同组合物电化学单元，如碱性与金属-空气、金属-空气金属空气与超级电容器。再者，混合电池也可包含一次与二次单元、一次与二次单元、一次与备用单元、二次与备用单元，或者一次、二次与备用单元。混合电池还可包含一个或多个电化学单元与一个或多个其它电源(如燃料电池、普通电容器或甚至超级电容器)的组合。还有，混合电池还可包含上述两个或多个单元或电源的任意一种组合。
另外，控制器通过保护电化学单元不受电流峰(会影响电化学单元元件的工作并降低单元电压)的影响，还可延长电池寿命。例如，控制器可以防止大电流需求在单元中产生记忆效应和缩短电化学单元的工作时间。电流峰还对碱性、锂与锌-空气单元等电化学单元有害。
控制器可保护电化学单元避免受电流峰影响，即将电荷暂存在其输出端，而在有即时需求时可应用暂存的电荷。因此，电流峰需求量在到达电化学单元前，已经完全消除或大大减弱了。这样使电池既能提供高于电化学单元直接能提供的电流峰，又保护了电化学单元免受对单元元件有害的电流峰的影响。暂存元件最好是电容器，它可以是本领域中已知的任何一类电容器，如普通电容器、厚膜印刷电容器或甚至“超级电容器”。例如，图13示出了接在容器1312的输出端1320与1322之间的电容器Cf。
单个控制器最好通过保护单元免受电流峰影响并将单元电压转换到所需输出电压来延长电池寿命。例如，控制器的一较佳实施例在单元电压跌到预定电压时接通转换器，以便将与转换器关联的损耗减至最小。如果单元电压达到预定电压电平或负载电流达到预定电流电平，同一个控制器既能监视单元电压，又能监视输出负载电流。或者，控制器可以监视单元电压与输出负载电流，还可确定提供所需的负载电流是否会将单元电压跌至低于截止电压电平。在后一例中，控制器根据组合在算法里的两个输入信号而工作，以确定是否要接通转换器。但在前一例中，如果单元电压跌到预定电压电平或输出负载电流升到预定电流电平，则控制器都要接通转换器。下面更详细地讨论这些方法和其它可能的控制方法。
本发明涉及专用一次性电池和标准消费类一次性电池，如AAA、AA、C或D单一单元和9伏多单元电池。本发明打算使用专用一次性电池和可应用于各种场合的混合电池。期望这类专用一次性电池和混合电池可用于替代用于蜂窝电话、膝上计算机等的再充电电池，而这类电池目前受制于一次性电池在足够长时间内提供所需电流速率的能力。此外，独立地控制单元的输出电压和输出阻抗的能力，使电池设计者能设计全新类型的混合电池，可在同一个混合电池内使用不同类的组合单元或燃料电池、普通电容器或甚至“超级电容器”等其它电源。互换型电化学单元的增多还能让电池设计者提供标准的电池，减少依赖于为蜂窝电话、膝上计算机、摄录像机、照相机等特定装置特地设计的电池。消费者可以方便地购买标准电池对蜂窝电话供电，正像现在购买闪光灯或磁带记录仪那样，不必购买专门为特定类型、品牌和/或型号的电子装置制造的电池。此外，随着标准电池制造量的增大，单位成本可迅速下降，最终有更多价格合适的电池可以取代专门设计的再充电电池。
用于胶卷上的电子标志技术也可用于指明电池中单元的准确类型、单元的额定容量和/或剩余容量、最大与最佳供流能力、电流充电电平、内部阻抗等，因而“灵巧”装置可读出该电子标志，优化其耗电状况而提高装置的性能，延长电池寿命。例如，早已用电子标志确定胶片速度的照相机，也可用电子标志技术及其电池使闪光的充电时间较慢或停用闪光，以便优化特定电池的寿命。膝上计算机也可用电子标志技术对特定电池确定最有效的工作参数，例如改变其工作速度可最佳地应用电池的剩余电荷持续用户期望的一段时间，或运用接通/关断电源技术保存电池能量。此外，摄录像机、蜂窝电话等也可利用电子标志优化电池的使用。
而且一次性电池也可以根据消费者的需要与不同类型的一次性或者甚至是可充电电池互换使用。例如如果膝上型计算机的可充电电池已经用完，则用户可以购买一次性电池使用几个小时直到用户可以对可充电电池充电。如果用户不需要装置用高价电池提供的较高性能，则他例如可以购买较便宜的电池。
本发明还涉及标准消费类一次性电池，如AAA、AA、C或D单一单元和9伏多单元电池。例如在较佳实施例中，控制器可以设计为工作在标称电压为1.5伏特左右的电池工作，从而使得控制器可以在很低的电压电平下工作，在碳化硅(SiC)实施例中为0.1伏，在砷化镓(GaAs)实施例中为0.34伏，在普通硅基实施例中为0.54伏。此外，随着印制尺寸减小，这些最小工作电压也将随之降低。如在硅中，将电路印制减至0.18微米技术，可将最小工作电压从0.54伏减至0.4伏。如上所述，控制器要求的最小工作电压越低，则控制器为提供电化学单元最深度放电而能调节的单元电压就越低。这样，在本发明范围内，可以运用电路制造的不同进展将电池利用率提高到接近电化学单元贮电量的100％。然而，本发明硅基实施例的电池贮量潜力利用率可达到95％，与不带控制器的一次性电化学单元的平均利用率40～70％相比，已显得很高了。
例如在一硅基较佳实施例中，控制器设计的工作电压低达1伏，更佳为0.85伏，再佳为0.8伏，还要佳为0.75伏、0.7伏甚至为0.65伏、0.6伏，而最佳为0.54伏。在为1.5伏标称电压的电化学单元设计的控制器中，控制器最好能工作于至少高达1.6达的输入电压。更佳地，控制器能工作于至少高达1.8伏的输入电压。这样，较佳的控制器应能在最小0.8伏到至少1.6伏的电压范围内工作。然而，该控制器也能较佳地工作于该范围之外。
然而，在本发明一较佳实施例中，控制器设计成配用一个标称电压为3.0伏的电化学单元，控制器的工作电压电平必须能高于在其与标称电压为1.5伏的电化学单元一起使用时要求的电压电平。在电化学单元的标称电压为3.0伏的情况下，控制器的工作电压范围较佳为2.4～3.2伏，更佳为0.8～3.2伏、0.6～3.4伏、0.54～3.6伏，最佳为0.45～3.8伏。然而，控制器也能较佳地工作于这些范围之外。
另一较佳实施例能与标称电压为1.5伏或3.0伏的电化学单元一起工作。本例中，控制器能工作的最小输入电压为0.8伏，较佳为0.7伏，更佳为0.6伏，最佳为0.54伏，而最大输入电压至少为3.2伏，较佳为3.4伏，更佳为3.6伏，最佳为3.8伏。例如，控制器能工作的范围为0.54～3.4伏，或0.54～3.8伏，或0.7～3.8伏等等。
本发明的电池在配用于闪光灯等没有截止电压的电气装置时，也比一般电池具有明显的优点。一般电池在放电时会降低电池的输出电压，因为电气装置的输出功率直接正比于电池提供的电压，所以其输出与电池输出电压成比例地下降。例如，随着电池输出电压的下降，闪光灯的光强会不断暗淡，直到电池完全放电。然而，本发明的电池用控制器在整个电池放电循环中将单元电压调节成相对恒定的受控电压电平，直到单元电压降至低于该控制器能够工作的电平。届时电池停止工作，电气装置也将停止工作。然而在放电循环过程中，电气装置能不断提供相对稳定的输出(如灯泡光强)，直到电池停止工作。
本发明电池的一较佳实施例还包括向用户告知剩余电荷低。例如，当电化学单元电压达到预定值时，控制器可将电化学单元与电池输出端子短时间间歇地断开与重接，这样可以提供可见、可听或装置可读的指示，表示电池快要停止工作了。另外，在电池寿命结束时，控制器还能通过降低电池输出电压人为地重建加速电池放电的状态。例如，当电池蓄电量约为其额定容量的5％时，控制器会开始跌落输出电压，这样可向用户提供指示，诸如磁带或密致盘播放机音量在减小，或向装置提供指示，而该装置也会相应地告诉用户。
图7示出本发明一实施例的方框图，其中DC/DC转换器750电气或较佳地电子连接在电化学单元730的正电极732与负电极734以及容器712的正端子720与负端子722之间。DC/DC转换器750将电化学单元730的正电极732与负电极734两端的单元电压转换到容器712的正端子720与负端子722上的输出电压，可在输出端子720与722上提供升压转换、降压转换、升降压转换或电压稳定。本例中，DC/DC转换器750在电池工作时间内工作于连续模式，将电化学单元730的输出电压转换成在容器端子720与722上的稳定输出电压。本例在输出端子720与722上稳定容器712的输出电压。提供稳定的输出电压，能让电子装置设计者减少电子装置电源管理电路的复杂性，而且还减小了装置的尺寸、重量和成本。
DC/DC转换器750将不断工作，直到电化学单元730的单元电压跌到低于转换器750中电子元件的最小正向偏压Vfb在DC/DC转换器750的最小开关电压Vfb低于电池710正在供电的电子装置的截止电压的条件下，控制器740通过将容器712的端子720与722上的输出电压保持高于电子装置的截止电压，也可延长电池710的寿命。
在图7所示本发明一较佳实施例中，工作于连续模式的DC/DC转换器750可以是降压转换器，将电化学单元730的单元电压降到容器712的输出电压。在一个包括降压转换器的控制器740实施例中，转换器将第一类电化学单元730的电压降到容器712的输出电压，该电压接近第二类电化学单元的标称电压电平，因而包含第一类电化学单元730的电池可以同包含第二类电化学单元的电池互换。例如，标称电压高于标准1.5伏单元的电化学单元，能与降压转换器组合使用，而降压转换器连续地工作，由此提供的单元可与标准单元互换，不要求以化学方法更改该电化学单元。该实施例在不同类电化学单元之间提供了更大程度的互换性，而且无需以化学方法改变电化学单元本身的结构，不会减弱单元的化学能贮量。
例如，锂单元可用于标准AA电池，提供的容量至少是同样容积的碱性电池的二倍以上。锂MnO2等锂单元的标称电压约3.0伏，通常无法与标称电压为1.5伏的标准AA碱性电池互换使用。然而，电池设计者改变了锂电化学单元的化学特性而做成标称电压约1.5伏的锂电池，以便创制一种例如能与标准AA碱性电池互换使用的锂电池。这种1.5伏锂电池虽然仍能向照相闪光负载电路提供大电流，但是1.5伏锂电化学单元并不提供比同容积碱性单元多得多的化学能总贮量。然而，本发明能使用标称电压约3.0伏的标准锂电化学单元，并用控制器将标称电压降至约1.5伏。这样，在完全能与任何1.5伏电池互换的电池中，该电池提供的化学能贮量约是含有以化学方法改变的1.5伏锂单元或1.5伏碱性单元电池的二倍。另外，本发明的锂电池可提供与含有1.5伏化学法更改锂单元同样大的电流。
另外，控制器740还优化了诸如使用电池710的电气装置的性能。虽然电气装置不在最小工作电压下关闭电子装置，但是电气装置的性能(如闪光灯光强等)将随着输入电压降低而变差。因此，电池710稳定的输出电压可在电池工作时间内将电气装置的性能保持不变，它不会随电化学单元730的电压降低而变差。
DC/DC转换器750可以应用一种或多种已知的控制方法控制转换器750的工作参数，所述控制方法有脉冲调制、谐振转换器等，脉冲调制又包括脉宽调制(PWM)、脉幅调制(PAM)、脉频调制(PFM)和脉相调制(PψM)。一个甚至更佳的实施例应用了脉宽与脉相调制的组合，下面加以详细说明。
在应用于本发明电池的DC/DC转换器750较佳实施例中，由脉宽调制器控制的转换器驱动DC/DC转换器750。脉宽调制器产生占空因数变化的固定频率控制信号，例如DC/DC转换器关闭时，占空因数可以是零，在转换器满容量工作时为100％，根据负载要求和/或电化学单元730的剩余容量，占空因数则在零与100％之间变动。脉宽调制法具有至少一个用于产生占空因数的输入信号。在一实施例中，连续采样容器712的端子720和722上的输出电压，并与基准电压比较，误差校正信号用于改变DC/DC转换器的占空因数。此时，来自容器712的端子720和722上输出电压的负反馈环路令DC/DC转换器750提供稳定的输出电压。或者，DC/DC转换器750可应用单元电压(即电化学单元730的正电极732与负电极734两端的电压)等多个输入信号和输出电流来产生占空因数。本例中，监视单元电压和输出电流，DC/DC转换器750产生是这两个参数的函数的占空因数。
图8-11示出本发明的控制器电路其它实施例的方框图。在每个实施例中，控制器集成电路包括至少两个主要部分：(1)DC/DC转换器；和(2)转换器控制器，用于在电化学单元的电极与容器输出端子之间电气或较佳地电子连接与断开DC/DC转换器，因而只在DC/DC转换器必须把单元电压转换到驱动负载所需的电压时才使DC/DC转换器产生内部损耗。例如，只有在单元电压降到低于负载不再工作的预定电平时，才接通DC/DC转换器。或者，如果电子装置要求输入电压在一特定范围内，例如电池标称电压的±10％内，那么转换器控制器可在单元电压偏出所需范围时接通DC/DC转换器，而在单元电压处于所需范围内时断开该转换器。
如在图8中，DC/DC转换器850电气连接在电化学单元830的正电极832与负电极834和容器812的正端子820与负端子822之间，而转换器控制器852也电气连接在这些电极和端子之间。本例中，转换器控制器852起着开关作用，它将电化学单元830直接接到容器812的输出端820和822，或将DC/DC转换器850接在电化学单元830和容器812输出端子820与822之间，连续地采样输出电压，并将其与一个或多个内部产生的阈电压比较。例如，如果容器812的输出电压降至低于阈压电平或偏离所需的阈压范围，控制器852就通过将DC/DC转换器850电气或电子连接在电化学单元830和容器812的输出端820与822之间而“接通”DC/DC转换器850。较佳地，阈压范围从电化学单元830的标称电压到该类电子装置(电池设计工作的装置)的最高截止电压。或者，控制器852连续采样电化学单元830的单元电压，并将它与阈压比较以控制DC/DC转换器850的操作。
图9的控制器940可以包括图8所示控制器840的元件，但还包括电气连接在电化学单元930的电极932与934之间的接地偏置电路980，以及DC/DC转换器950、转换器控制器952和容器912的输出端子920与922。接地偏置电路980将负偏压电平Vnb提供给DC/DC转换器950和容器912的负输出端子922，这样把从单元电压加到DC/DC转换器950的电压提高到单元电压加负偏压电平Vnb的绝对值的电压电平，使转换器950工作于有效的电压电平，直到实际的单元电压跌到低于驱动接地偏置电路980所需的最小正偏压的电压电平。这样，转换器950可以比只用驱动转换器950的电化学单元930的单元电压更有效地从电化学单元930吸取更大的电流。在本发明电池910的一较佳实施例中，控制器940的电化学单元标称电压约1.5伏，负偏压Vnb的范围最好为0～1伏，更佳为0.5伏，更佳为0.5伏，最佳为0.4伏。因此，对于约1.5伏标称电压的电化学单元而言，当单元电压跌到低于约1伏时，接地偏置电路980使转换器让电化学单元930更深地放电，并提高转换器950从电化学单元930提取电流的效率。
图9A示出的一示例性电荷泵988实施例，可用作本发明电池910中的接地偏置电路980。本实施例中，当开关S1和S3闭合、S2和S4打开时，电化学单元930的单元电压对电容器Ca充电。然后，当开S1和S3打开、S2和S4闭合时，电容器Ca上的电荷倒转而转移到电容器Cb，从而从电化学单元930的单元电压提供倒相的输出电压。或者，可用本领域中已知的任何合适的电荷泵电路代替图9A的电荷泵988。
在本发明一较佳实施例中，接地偏置电路980包括电荷泵电路986，如图9B所示，它包括时钟发生器987和一个或多个泵988。例如，在图9B所示电荷泵电路986的较佳实施例中，该电荷泵包括一种含四个小型泵989的双层结构和一个主泵990。然而，也可使用任何个数的小型泵989。例如，一较佳实施例的电荷泵电路986包括12个小型泵989和一个主泵。本例的小型泵和主泵由时钟发生器987产生的四个不同相位的控制信号991a、991b、991c和991d驱动，每个信号同一频率，但相位相互不同。例如，控制信号991a～991d相互的相移可以是90度。本例中，每个小型泵都提供控制信号991a～991d(时钟发生器产生)倒相的输出电压。主泵将多个小型泵的输出相加，并对电荷泵电路986提供输出信号，而电荷泵电路986处于与小型泵各输出电压同样的电压电平，但处于更大的电流电平，即所有12个小型泵提供的总电流。这一输出信号为DC/DC转换器950和容器912的输出负端子922提供了虚拟地。
在本发明的再一个方面中，电荷泵电路还包括电荷泵控制器992，它在单元电压跌到预定电压电平时接通电荷泵电路986，以将与电荷泵电路986关联的损耗减至最小。例如，该控制器992的预定电压范围可以从电化学单元930的标称电压到电池910供电的电子装置的最高截止电压。预定电压更佳地比电子装置的截止电压大0.1伏，最佳是比截止电压大0.05伏。或者，电荷泵电路986可用接通DC/DC转换器950的同一个控制信号控制，使电荷泵电路仅在转换器工作时才工作。
再者，当接地偏置电路980断开时，应用于容器912的负输出端子922的虚拟地较佳地塌陷到电化学单元930负电极934的电压电平。这样，在接地偏置电路980不工作时，电池就工作于电化学单元930负电极934提供的标准接地结构。
或者，接地偏置电路980可以包括第二DC/DC转换器，如Buck-Boost转换器、Cuk转换器或线性调节器。此外，可将DC/DC转换器950与接地偏置电路980组合起来，并代之以单个转换器，如Buck-Boost转换器、推挽转换器或者将正输出电压移高并将负偏压移低的逆向转换器。
图10示出再一实施例的控制器电路1040。本例中，DC/DC转换器1050能从相移检测电路1062等外部源接收校正控制信号。如上参照图7所述，DC/DC转换器1050运用脉宽调制器等控制法控制转换器1050的工作参数。本例中，控制器电路1040包括与图9所示控制器电路940同样的元件，但还包括相移检测电路1062，用于测量电极1032上单元电压交流分量与在电流检测电阻器Rc两端测得的从电化学单元1030吸取的电流之间的瞬时相移ψ。转换器1050应用这一信号并结合其它内外部产生的控制信号产生占空因数。
图11实施例的控制器1140可包括与图10所示控制器电路1040同样的元件，但还包括紧急断开电路1182，该电路电气连接到电流检测电阻器Rc和电化学单元1130的正电极1132与负电极1122，还连接到转换器控制器1152。紧急断开电路1182可向转换器控制器1152发出一个或多个安全相关状态信号，要求将电化学单元1130同容器1112的输出端子1120与1122断开，以便保护消费者、电气或电子装置或者电化学单元本身。例如在短路或反极性时，紧急断开电路1182向转换器控制器1152发出信号，以将电化学单元1030的电极1132与1134同容器1112的端子1120与1122断开。此外，紧急断开电路1182还可通过检测电化学单元1120的电压和/或内部阻抗，向转换器控制器1152提供结束电化学单元1130放电循环的指示。例如，当电化学单元1130的剩余容量跌到预定电平时，控制器电路1140可以减小电流，当其剩余容量达到预定值时，在短时间内将电化学单元1130的电极1132与1134同输出端子1120与1122间歇地断开和重接，或提供某种其它可见、可听或机器可读的指示，表明电池快要停止工作了。放电循环结束时，紧急断开电路还可向转换器控制器1152发一信号，使电化学单元1130与容器1112的端子1120和1122断开，并且/或者使输出端子1120与1122短接，以防放过电的电化学单元耗用其它与之串联的单元的电流。
图12的较佳控制器电路1240包括一个具有同步整流器1274的DC/DC转换器1250，整流器1274能使正电极1232与容器1212的正端子1220电气连接和断开。同步整流器1274的开关消除了在电化学单元1230的正电极1232或负电极1234和容器输出端子1220与1222之间直接电气通路中所需的转换器控制器852等附加开关。另外，同步整流器通过减少内部损耗而提高了DC/DC转换器1250的效率。本例的转换器控制器1252还可用附加输入信号控制DC/DC转换器。如在图12实施例中，除了前面对图10描述的相移测量以外，转换器控制器还通过诸传感器监视着内部电化学单元的环境，诸如温度、压力和氢氧浓度等。
图7-12示出本发明依次更加复杂的电路设计，除了构成本发明控制器的主要元件的DC/DC转换器以外，依次描绘了可能包含在控制器集成电路内的不同元件。列出的次序并非暗示在结合多个不同元件的电路中较晚引入的元件必须具有对前面各图描述的所有特性才符合本发明的范围。例如，紧急断开电路、充电指示器电路、相位检测电路和/或接地偏置电路都可以与图6-11的电路组合使用而不设示出这类元件的图中显示的转换器控制器或其它元件。
用于本发明电池1310的一较佳实施例的控制器集成电路1340如图13所示，包括DC/DC转换器1350和转换器控制1352。转换器1350最好是一种几乎无电感器的高频、高效、中功率转换器，可工作于低于大多数电子装置的阈压。控制器电路1340最好包括一个图9B所示那样的电荷泵，以便对DC/DC转换器1350和容器1312的输出端子1322提供虚拟地，其电位低于电化学单元1330负电极1334的电位。虚拟地提供一增大的压差以驱动DC/DC转换器，并使该转换器从电化学单元吸取比它仅用单元电压驱动转换器所能吸取的更高的电流电平。
在该实施例中，转换器控制器1352最好应用脉宽和脉相调制控制法。相移检测电路1362在电化学单元1330的正电极1332与负电极1334上测量单元电压和从电化学单元吸取的电流，并测量电压与电流间的瞬时和/或连续的相移，而这一相移限定了电化学单元的内部阻抗，该内部阻抗是电化学单元电荷量的函数。在电化学单元1330放电约50％后(由单元闭路压降决定)，增大的内部阻抗指出电化学单元1330的剩余容量。相移检测电路1362将这些信号提供给相位线性控制器1371。然后，后者将相移检测电路1362检测的电压Vs和线性正比于相移的输出压控信号V(psi)提供给应用脉宽与脉相调制组合控制法的脉冲调制器1376，而脉冲调制器1376还接收电阻器Rs两端作为压控信号的压降。
脉冲调制器1376组合使用压控信号驱动DC/DC转换器1350。当电压Vs高于预定阀压电平时，脉冲调制器使金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)M3保持闭合状态，而使MOSFET M4保持断开状态，这样通过MOSFETM3保持从电化学单元1330到负载的电流通路。此外，由于占空因数有效地保持在0％，所以与DC/DC转换器和转换器控制器有关的损耗减至最小。此时，闭合的MOSFET M3和电阻器Rs的直流损耗极低。例如，电阻器Rs的范围最好为0.01～0.1欧姆。
然而，当电压Vs低于预定阈压电平时，脉冲调制器接通，根据压控信号的组合状态调制DC/DC转换器的占空因数。Vs的幅值作为控制占空因数的第一控制信号而工作。电流检测电阻器Rs两端的压降是输出电流的函数，它作为第二控制信号而工作。最后，相位线性控制器1371产生的信号V(psi)(与单元电压的交流分量和从电化学单元1330吸取的电流之间的相移成线性比例)则是第三控制信号。具体而言，根据内部阻抗在电池工作时间内的变化情况，用V(psi)信号改变占空因数，而内部阻抗变化会影响转换器的效率和电池工作时间。如果Vs的瞬时和/或连续幅值下降，或者如果电阻器Rs两端的压降增大，并且/或者V(psi)控制信号的瞬时和/或连续幅值增大，脉冲调制器就提高占空因数。各变量的贡献按合适的控制算法予以权衡。
当脉冲调器1376接通时，其振荡器就产生梯形或方波控制脉冲，较佳地占空因数为50％，频率范围为40KHz～1MHz，更佳为40KHz～600KHz，最佳为600KHz。脉冲调制器运用合适的控制算法改变MOSFET M3与M4输出控制信号的占空因数，大多数情况下，控制算法以同样的占空因数和相反的相位操作M3与M4。M3与M4最好是互补型大功率晶体管，其中M3最好是N沟道MOSFET，M4最好是P沟道MOSFET。完整的DC/DC转换器1350的结构在本质上是一个升压DC/DC转换器，在输出端有一同步整流器。此外，转换器1350通过用MOSFETM3代替不同步的肖特基二极管，将交直流损耗减至最小。独立的控制信号驱动M3和功率MOSFET M4。改变M3与M4控制信号之间的相位和/或占空因数，可改变容器1312的端子1320与1322间的输出电压。
根据一个或多个压控信号，诸如电压Vs、电阻器Rs两端的压降或电化学单元1330的内部阻抗等，脉冲调制器1376可以控制MOSFET M3和M4。例如，如果负载耗流很小，脉冲调制器产生的DC/DC转换器1350的占空因数就接近0％。然而，若负载耗流很大，则脉冲调制器产生的转换器1350的占空因数就接近100％。若负载耗流在这两个极点之间变动，脉冲调制器也改变DC/DC转换器的占空因数，以便提供负载要求的电流。
图14比较了电池B1(不带本发明的控制器)、B2(具有控制器电路，其中的转换器工作于连续模式)以及B3(也具有控制器电路，其中的转换器在高于给定电子装置电池的截止电压接通)的示意性放电曲线。如图14所示，不带本发明控制器的电池B1不能用于在时刻t1具有截止电压Vc的电子装置。然而，电池B2的控制器电路在整个电池工作时间里，不断地将电池输出电压提升至电压电平V2。当电池B2中电化学单元的单元电压降到电压电平Vd(控制器电路的最小工作电压)时，电池B2的控制器电路停止工作，电池输出电压在时刻t2降为零，结束电池B2的有效工作时间。如图14曲线所示，具有控制器电路(其中转换器工作于连续模式)的电池B2，其有效工作时间延长时间为t2-t1。
然而，在电化学单元的单元电压达到预定电压电平Vp3之前，电池B3的控制器并不开始提升该电池的输出电压。预定电压电平Vp3的范围，较佳地为电化学单元的标称电压电平与电池供电的该类电子装置的最高截止电压之间，更佳地比电池供电的该类电子装置的最高截止电压Vc的大0.2伏，再佳地比最高截止电压Vc约大0.15伏，还要佳地比Vc约大0.1伏，而最佳是比Vc约大0.05伏。当单元电压达到预定电压电平Vp3时，电池B3的转换器则开始将输出电压提升到Vc+ΔV的电平并使之稳定。电压电平ΔV示于图14中，代表电池B3提升的输出电压与截止电压Vc的压差，其范围较佳地为0～0.4伏，更佳为0.2伏。于是电池B3继续输出，直到电化学单元的单元电压降到电压电平Vd(转换器的最小工作电压)，电池B3的控制器将停止工作。此时，电池输出电压在时刻t3跌为零，结束电池的有效工作时间。如图14的曲线所示，电池B3的有效工作时间延长量超过不带本发明控制器的电池B1为t3-t1。
图14还示出，在将电池接到同一个电子装置时，电池B3比B2更耐用。由于电池B2的转换器连续地工作，转换器的内部损耗消费了电池B2中电化学单元的一些能量，所以与控制器仅对一部分放电循环而工作的电池B3相比，电池B2的单元电压将在更短时间里达到转换器的最小工作电压Vd。这样，把选用的电池B3的预定电压Vp3优化成接近正被供电的电子装置的截止电压，就可最有效地应用电化学单元，并导致更大的电池工作时间延长。因此，电池B3的预定电压Vp3最好等于或略大于要对其供电的电子或电气装置的截止电压。例如，预定电压Vp3可以较佳地比截止电压约大0.2伏，更佳地约大0.15伏，再佳地约大0.1伏，最佳地约大0.05伏。
然而，若将电池设计成各种电子装置的通用电池，最好将预定电压Vp3选成等于或略大于该类电子装置的最高截止电压。例如，预定电压Vp3可以较佳地比该类电子装置的最高截止电压约大0.2伏，更佳地约大0.15伏，再佳地约大0.1伏，最佳地约大0.05伏。
图14的曲线还表示，与不带本发明控制器的电池B1相比，转换器的最小工作电压Vd越低，工作时间延长就越大。此外，电子装置的截止电压Vc与转换器最小工作电压Vd之差越大，本发明的控制器将更长地延长电池的工作时间，因为提升了电化学单元的单元电压。
                             表2
AA碱性电池放电举例(带和不带电源控制器)(电阻媒体负载，R＝12欧姆)
                     带控制器的电池                      电池
  时间(小时)   闭路电压(V)   功耗(mAh)   额定容量％   闭路电压(V)   功耗(mAh)   额定容量％
  0   1.6   0   100   1.5   0   100
  1   1.6   107   96   1.4   76   97
  2   1.6   321   87   1.3   209   91
  3   1.6   642   73   1.2   386   84
  4   1.6   856   64   1.2   499   79
  5   1.6   1070   55   1.1   609   75
  6   1.6   1285   46   1.1   707   71
  7   1.6   1499   38   1.0   797   67
  8   1.6   1713   29   1.0   877   63
  9   1.6   1931   20   0.9   945   61
  10   1.6   2145   11   0.9   1009   58
  11   0.0   2145   11   0.7   1047   56
表2对本发明AA碱性电池与一般不含本发明控制器的AA碱性电池的放电数据作了比较，本发明AA碱性电池具有内置的控制器电路，其中转换器工作于连续模式，并将单元电压升到约1.6伏的输出电压。在电池工作时间内，当电池接至电阻性媒体负载(12欧姆，平均吸取约125mA电流)时，表中数据示出了输出电压、功耗和每小时剩余容量百分比(总容量＝2400mAh)。如表所示，带转换器的电池的输出电压在电池工作时间恒定保持于1.6伏，而不带控制器电池的输出电压在其工作时间内从电池的标称电压下降了。
与不带控制器的AA电池相比，表2还表明，有内置控制器的本发明电池具有两个优点。首先，对于截止电压约1伏的装置而言，有内置控制器电路的电池，工作时间约10小时，而不带控制器电池，在最长约8小时输出电压跌到低于1伏后，就停止在装置中工作。因此在本例中，控制器电路延长的工作时间比不带控制器的电池约多25％。其次，对于有内置控制器电路的本发明电池，对负载提供的功率和电池在装置停止工作前应用的额定容量百分比要高得多。在恒流耗用的条件下，不带本发明控制器的电池，在电子装置停止工作前的持续时间甚至更短，因为随着这种电池输出电压的降低，单元的供流能力按比例下降了。因此，具有内置控制器电路电池有着更大的优点。
然而，表2说明，如果装置的截止电压约1.1伏，本发明有内置控制器电路的AA电池工作起来比不带控制器的AA电池有更多的优点，前者的工作时间仍有约10小时，而后者最多在约6小时后在输出电压跌到低于1.1伏时停止在装置中工作。因而在本例中，放电子控制器电路比不带控制器的电池可延长约67％的工作时间。另外，在向负载提供的功率和装置停止工作前应用电池额定容量的百分比方面，差异甚至比前一个例子更大。同样地，在恒流耗用条件下，不带本发明控制器的电池在电子装置停止工作前的持续时间甚至更短，因为随着这种电池输出电压下降，单元的供流能力也按比例下降了，因而具有内置控制器电路的电池具有更大的优点。

Claims (10)

1.一种运用于具有截止电压的装置的一次性电池，一次性电池的特征在于包括：
(a)具有正端子和负端子的容器；
(b)置于所述容器内的一次性电化学单元，所述单元具有正电极、负电极、在所述单元的所述正负电极间测得的单元电压以及标称电压；并且
(c)电气连接在所述单元所述电极与所述容器所述端子之间的控制器，以便形成在所述容器的所述正负端子间测得的输出电压，所述控制器具有下列特征(i)或者特征(i)和(ii)：
(i)包括用于在小于装置截止电压的单元电压下工作的转换器，从而使所述控制器通过将所述单元电压转换为所述输出电压延长电池寿命，使得输出电压大于装置的截止电压，
(ii)包括将所述单元电压转换为所述输出电压的转换器和提供电荷存储以保护所述单元免遭峰值电流冲击的电容器；
其中一次性电池选自单一单元电池、通用单一单元电池、多单元电池和多单元混合电池中的一种。
2.如权利要求1所述的一次性电池，其特征在于所述一次性电池用于作为整数个电池之一与装置电气串联，所述输出电压大于或等于装置的截止电压除以电池的所述整数，并且/或者，其中所述一次性电池是一种多单元电池，所述一次性电池还包括正输出端子和负输出端子；所述的容器、单元和控制器形成第一单元装置；所述第一单元装置是电气串联在所述正负输出端子之间整数个单元装置之一，所述输出电压大于或等于装置的截止电压除以单元装置的所述整数。
3.如权利要求1或2所述的一次性电池，其特征在于所述控制器可以将所述单元电压调节至至少0.6伏。
4.如权利要求1所述的一次性电池，其特征在于所述控制器用于在所述单元电压跌至预定电压电平时在所述单元的所述电极与所述容器的所述端子之间电气连接所述转换器，所述预定电压电平选自具有1.5伏特标称电压的单元的0.8-1.2伏特范围、从装置截止电压到装置截止电压加上0.2伏特的范围、从装置截止电压到所述单元所述标称电压的范围内，以使所述单元在装置的截止电压对于包含1.5伏特标称电压的单元为1伏特时作深度放电，并且/或在所述单元为锂单元并且装置的截止电压为2.4伏特时使所述单元至少放电90％。
5.如权利要求1所述的一次性电池，其特征在于所述转换器进一步包括：
(i)电气连接至所述单元的所述正负电极的控制电路，所述控制电路包括脉冲调制器，所述脉冲调制器包括具有至少一个输入控制信号的脉宽调制器，所述脉冲调制器用于使所述转换器从所述单元电气断开和使所述转换器电气连接至所述单元，所述脉冲调制器用于至少部分根据来自所述单元的内部阻抗、抽取电流和所述输出电压中选择的一个或多个控制信号，使所述转换器从所述单元上电子断开和使所述转换器电子连接所述单元，所述脉冲调制器用于当所述单元电压跌至预定电压电平时，使所述转换器电子连接在所述单元的所述电极与所述容器的所述端子之间，所述预定电压电平在从装置截止电压到所述单元所述标称电压的范围内；
(ii)电气连接至所述控制电路的DC/AC驱动器；以及
(iii)电气连接至所述DC/AC驱动器和所述容器的所述正负端子的同步整流器。
6.如权利要求1所述的一次性电池，其特征在于所述控制器进一步包括：
(iv)接地偏压电路电气连接至所述单元的所述正负电极，所述接地偏压电路向所述转换器和所述容器的所述负端子提供虚拟接地，所述接地偏压电路包括电荷泵电路，并且所述虚拟接地低于所述单元的所述负电极电压电平的电压水平。
7.如权利要求1所述的一次性电池，其特征在于所述标称电压大于1.5伏特。
8.如权利要求1所述的一次性电池，其特征在于所述单元为锂单元，所述单元的所述标称电压在2.8伏特到4.0伏特的范围内，并且所述控制器降低所述单元电压从而使得所述输出电压在1.0-1.6伏特的范围内。
9.如权利要求1所述的一次性电池，其特征在于进一步包含装置，它包括：
(a)正输入端子；
(b)电气连接至所述正输入端子的负输入端子；以及
(c)截止电压。
10.一种延长一次性电池寿命的方法，其特征在于包含以下步骤：
(a)提供一种一次性电池，包括：
(i)具有正端子和负端子的容器；
(ii)置于所述容器内的电化学单元，所述单元具有正电极、负电极、在所述单元的所述正负电极间测得的单元电压以及标称电压；并且
(iii)电气连接在所述单元所述电极与所述容器所述端子之间的控制器，以便形成在所述容器的所述正负端子间测得的输出电压，所述控制器包括转换器；
(b)使所述一次性电池电气连接至具有截止电压的装置；
(c)使所述单元电压转换为所述输出电压，从而使得所述输出电压大于装置的截止电压，所述控制器在低于所述装置的截止电压的单元电压下工作。
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