батарея, имеющая регулятор

Формула изобретения

1. Батарея, содержащая регулятор, элемент батареи, расположенный в контейнере, имеющий полное внутреннее сопротивление, положительный электрод, отрицательный электрод, при этом напряжение в элементе батареи измеряется между положительным и отрицательным электродами, регулятор, электрически соединенный с упомянутыми электродами и клеммами контейнера для образования из напряжения элемента выходного напряжения между положительной и отрицательной клеммами контейнера, и схему, чувствительную к заранее определенному состоянию батареи, выполненную с возможностью отключения выходного напряжения регулятора от клемм контейнера при обнаружении заранее определенного состояния батареи, которое, по существу, определено полным внутренним сопротивлением элемента батареи.

2. Батарея по п.1, в которой схема является частью регулятора и обеспечивает отсоединение выходного напряжения регулятора от положительной и отрицательной клемм контейнера при обнаружении заранее определенного состояния батареи.

3. Батарея по любому из пп.1 и 2, в которой схема содержит датчик тока, соединенный с элементом батареи для измерения тока элемента, причем схема является чувствительной к заранее определенному состоянию, которое является одним из состояний: короткое замыкание и обратная полярность, которое определяется датчиком тока, и отсоединяет выходное напряжение регулятора при обнаружении этого заранее определенного состояния.

4. Батарея по любому из пп.1-3, в которой схема обеспечивает контроль в элементе батареи за напряжением и/или за полным внутренним сопротивлением, при этом схема является чувствительной к заранее определенному состоянию, которое является одним из состояний: понижение напряжения в элементе батареи ниже заранее определенного уровня напряжения и превышение полного внутреннего сопротивления, и отсоединяет выходное напряжение регулятора при обнаружении этого заранее определенного состояния для предотвращения переразрядки элемента батареи.

5. Батарея по любому из пп.1-4, в которой схема обеспечивает контроль в элементе батареи за напряжением и является чувствительной к заранее определенному состоянию, определяющему превышение напряжением заранее определенного уровня, и отсоединяет выходное напряжение регулятора при обнаружении этого заранее определенного состояния для предотвращения чрезмерной зарядки элемента батареи.

6. Батарея по любому из пп.1-5, в которой схема обеспечивает контроль в элементе за давлением внутри контейнера, при этом схема является чувствительной к заранее определенному состоянию, определяющему давление в контейнере, превышающее предельное давление, и отсоединяет выходное напряжение регулятора при обнаружении этого заранее определенного состояния.

7. Батарея по любому из пп.1-6, в которой схема обеспечивает контроль за концентрацией водорода внутри контейнера, причем схема является чувствительной к заранее определенному состоянию, определяющему концентрацию водорода в контейнере, превышающую предельный уровень водорода, и отсоединяет выходное напряжение регулятора при обнаружении этого заранее определенного состояния.

8. Батарея по любому из пп.1-7, в которой схема обеспечивает контроль за температурой внутри контейнера, причем схема является чувствительной к заранее определенному состоянию, определяющему температуру в контейнере, превышающую предельную температуру, и отсоединяет выходное напряжение регулятора при обнаружении этого заранее определенного состояния.

9. Батарея по любому из пп.1-8, в которой заранее определенное состояние представляет собой состояние, при котором требуемая нагрузка по току, подаваемая на батарею, превышает возможности регулятора, причем схема также срабатывает при отсоединении выходного напряжения регулятора от клемм контейнера и обеспечивает соединение элемента батареи непосредственно с клеммами контейнера для образования на клеммах контейнера напряжения, соответствующего напряжению элемента батареи.

10. Способ продления периода нормальной эксплуатации батареи, по которому обеспечивают батарею, имеющую регулятор, подходящий для использования в батареях, имеющих первичную батарею и вторичную батарею, и содержащую контейнер, имеющий положительную клемму и отрицательную клемму, и элемент батареи, расположенный в контейнере, имеющий полное внутреннее сопротивление, положительный электрод и отрицательный электрод, при этом напряжение в элементе батареи измеряется между положительным и отрицательным электродами, причем регулятор электрически соединяют с упомянутыми электродами элемента батареи и клеммами контейнера для образования из напряжения элемента батареи выходного напряжения между положительной и отрицательной клеммами контейнера, и при обнаружении заранее определенного состояния батареи, которое, по существу, определено полным внутренним сопротивлением элемента батареи, отключают выходное напряжение регулятора от клемм контейнера.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение касается батарей и, более конкретно, батарей, имеющих встроенный регулятор для продления срока службы батарей.

Потребители используют первичные и перезаряжаемые (вторичные) батареи в портативных электронных устройствах типа радиоприемников, систем воспроизведения компакт-дисков, камер, сотовых телефонных аппаратов, электронных игр, игрушек, пэйджеров и компьютерных устройств. Когда срок службы первичной батареи заканчивается, батарею обычно выбрасывают. Срок службы обычной первичной батареи позволяет использовать в общем только приблизительно 40-70% от общей емкости аккумуляторной батареи. После использования этой части начальной запасенной энергии батарея обычно не может обеспечивать достаточное напряжение для приведения в действие обычной электронной схемы. Как только истечет период нормальной эксплуатации, потребители обычно выбрасывают батареи, даже если батарея все еще содержит приблизительно 30-60% своей емкости. Таким образом, благодаря продлению срока службы первичной батареи, путем обеспечения возможности надежной более глубокой разрядки, снижаются отходы, позволяя электронным устройствам использовать большую емкость батареи, прежде чем ее выбросить.

Однако полный срок службы перезаряжаемой батареи прежде всего зависит от количества и эффективности циклов зарядки. Перезаряжаемые батареи можно заряжать и повторно использовать после каждого цикла разрядки. Как и в случае первичной батареи, после использования некоторого процента емкости перезаряжаемой батареи батарея обычно не может обеспечивать достаточное напряжение для возбуждения электронной схемы. Таким образом, каждый цикл разрядки перезаряжаемой батареи может быть продлен, если обеспечить более глубокую разрядку батареи. Однако уровень разрядки перезаряжаемой батареи оказывает влияние на количество и эффективность будущих разрядок перезаряжаемой батареи. В общем, когда глубина разрядки перезаряжаемых гальванических элементов увеличивается, уменьшается количество циклов зарядки, которому может подвергаться перезаряжаемый гальванический элемент. Однако оптимальные характеристики разрядки конкретных типов перезаряжаемых гальванических элементов изменяются в широких пределах. В случае никель-кадмиевой (NiCd) перезаряжаемой батареи, например, предпочитается глубокая разрядка, потому что иначе в перезаряжаемой батарее может развиться эффект "памяти", если батарея заряжается без соответственного истощения, что приводит к снижению емкости, доступной для будущих зарядок. Однако глубокая разрядка литиевой батареи может повредить гальванические элементы. Срок службы перезаряжаемого гальванического элемента в общем можно еще больше увеличить, эффективно управляя циклами разрядки и зарядки конкретного элемента, так что общее количество циклов зарядки можно довести до максимума, а также оптимизировать количество энергии, извлекаемой от каждого цикла разрядки гальванического элемента.

Кроме того, потребители постоянно требуют все более миниатюрные и легкие портативные электронные устройства. Одним из основных препятствий к созданию таких устройств с меньшими размерами и более легкими является размер и вес батарей, требуемых для снабжения энергией устройств. Фактически, когда электронные схемы создают более быстродействующими и сложными, они обычно требуют еще больший ток, чем прежде, и, следовательно, требования к батареям становятся еще более высокими. Однако потребители не примут более мощные и миниатюрные устройства, если повышенные функциональные возможности и скорость потребуют от них значительно более частой замены или подзарядки батарей. Таким образом, чтобы делать более быстродействующие и сложные электронные устройства без снижения их периода нормальной эксплуатации, в электронных устройствах необходимо более эффективно использовать батареи и/или сами батареи должны обеспечивать более полное 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 батареи. В этих устройствах обычно последовательно соединяют множество одноэлементных батарей, и общее напряжение этих перезаряжаемых батарей преобразуется преобразователем в напряжение, требуемое цепью нагрузки. Преобразователь может продлить срок службы батареи посредством снижения выходного напряжения батареи в начальном периоде разрядки батареи, когда батарея в ином случае может обеспечивать большее напряжение, а следовательно, большую мощность, чем требует цепь нагрузки, и/или посредством повышения выходного напряжения батареи на последнем участке разрядки батареи, когда в противном случае батарея была бы истощена, потому что выходное напряжение становится меньше, чем требуется цепью нагрузки.

Однако метод использования преобразователя в электронном устройстве имеет несколько недостатков. Во-первых, относительно дорого размещать преобразователи в электронных устройствах, 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 аккумуляторных батарей не контролируют весь тип преобразователей, который можно использовать с конкретной батареей. Следовательно, преобразователи не оптимизированы в отношении определенных электрохимических свойств каждого типа гальванического элемента. В-третьих, различные типы гальванических элементов, 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. Кроме того, в некоторых электронных устройствах можно использовать линейные регуляторы вместо более эффективных переключающих преобразователей, типа преобразователя постоянного напряжения. К тому же, 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 благодаря размещению 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, как правило, требуется множество гальванических элементов, особенно это касается щелочных, угольно-цинковых, никель-кадмиевых (NiCd), никель-металл-гидратных (NiMH) и серебряно-оксидных аккумуляторных батарей, чтобы обеспечить достаточное напряжение для приведения в действие преобразователя. Чтобы избежать этой проблемы, для существующих преобразователей обычно требуется множество гальванических элементов, соединенных последовательно, чтобы обеспечить достаточное напряжение для возбуждения преобразователя, который затем 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 самого электронного устройства может требоваться только один элемент. Это приводит к непроизводительному использованию места и веса и препятствует дальнейшей миниатюризации электронных устройств.

Таким образом, существует необходимость в оптимальном использовании запасенного заряда перезаряжаемой батареи и оптимизировании глубины разрядки перед зарядкой батареи, с целью доведения до максимума продолжительности срока службы. Благодаря конструированию батарей таким образом, чтобы обеспечить большее использование их запасенной энергии, в электронных устройствах можно также использовать батареи меньшего размера или меньшее их количество, чтобы дополнительно миниатюризировать портативные электронные устройства.

Настоящее изобретение раскрывает батарею, в которой обеспечен более длительный срок службы путем оптимального использования запасенного заряда первичной или перезаряжаемой батареи перед зарядкой. Батарея имеет встроенный регулятор, который включает в себя преобразователь, способный работать на напряжении ниже порогового значения напряжения обычных электронных устройств. Регулятор более эффективно регулирует напряжение гальванического элемента и обеспечивает возможность управляемой разрядки или оптимальной глубины разрядки для продления срока службы батареи. Регулятор предпочтительно располагают на кремниевом кристалле смешанного типа, который изготавливают по заказу для работы с конкретным типом гальванического элемента, такого как щелочной, никель-кадмиевый (NiCd), никель-металл-гидратный (NiMH), литиевый, ионолитиевый, герметичный свинцово-кислотный (SLA), серебряно-оксидный или гибридный элемент, или с конкретным электронным устройством.

Регулятор контролирует и управляет подачей энергии в нагрузку для оптимального продления срока службы батареи путем (1) включения и выключения преобразователя постоянного напряжения; (2) поддержания минимального требуемого выходного напряжения, когда входное напряжение ниже уровня, при котором могут работать обычные электронные устройства; (3) понижения выходного сопротивления батареи; (4) определения оптимальной глубины разрядки; (5) обеспечения оптимальной последовательности зарядки; (6) увеличения тока разрядки, который данный гальванический элемент может обеспечивать без регулятора; (7) обеспечения высокого тока разрядки в пределах границ надежности элемента, даже если этот ток превышает максимальный выходной ток преобразователя, используя режим пропускания; (8) измерения остающейся емкости элемента и (9) обеспечения сигналов оперативного управления на индикаторы емкости элемента/измерители "топлива".

В предпочтительном варианте осуществления один регулятор монтируют внутри корпуса многоэлементной первичной или перезаряжаемой батареи (например, стандартной 9 В батареи). Этот аспект настоящего изобретения обеспечивает несколько отчетливых преимуществ по сравнению с размещением регулятора в электронном устройстве. Во-первых, это позволяет разработчику батарей использовать преимущество конкретных электрохимических характеристик конкретного типа гальванического элемента. Во-вторых, если устройству требуется преобразователь только для батареи, содержащей конкретный тип гальванического элемента (например, литиевый), чтобы изменять и/или стабилизировать выходное напряжение батареи, а не для батареи, содержащей другой тип гальванического элемента (например, NiCd, SLA), и преобразователь объединяют с батареей, которой требуется преобразователь (то есть, с литиевой батареей), электронное устройство можно конструировать без преобразователя постоянного напряжения. Это позволяет использовать меньшие конструкции схем и предотвращает влияние потерь, связанных с преобразователем, на батарею, которая не нуждается в преобразователе.

В особенно предпочтительном варианте осуществления регулятор монтируют внутри контейнера одноэлементной батареи типа ААА, АА, С, D или призматической батареи или внутри контейнера каждого элемента многоэлементной батареи, типа призматической или стандартной 9 В батареи. Этот аспект настоящего изобретения обеспечивает преимущества, перечисленные выше для размещения одного регулятора в многоэлементной батарее, и обеспечивает еще больше преимуществ. Во-первых, он позволяет согласовывать регулятор с конкретным типом гальванического элемента, чтобы использовать преимущество его конкретных электрохимических реакций. Во-вторых, он позволяет применять батареи, имеющие различные типы гальванических элементов, подлежащие использованию взаимозаменяемым образом, посредством либо изменения, либо стабилизации выходного напряжения или внутреннего полного сопротивления, чтобы отвечать требованиям электронных устройств, разработанных для работы от стандартной батареи. Оба эти преимущества встречаются, например, в сверхэффективном литиевом элементе, который отвечает упаковочным и электрическим требованиям стандартной 1,5 В батареи АА, посредством использования встроенного регулятора для понижения номинального напряжения элемента от диапазона от приблизительно 2,8 до приблизительно 4,0 В до выходного напряжения, равного приблизительно 1,5 В. При использовании более высокого напряжения литиевого элемента разработчик может по существу увеличивать продолжительность работы батареи.

Кроме того, путем обеспечения регулятора в каждом элементе батареи обеспечивают гораздо более эффективное управление каждым элементом, чем существует в настоящее время. Регулятор может контролировать и управлять состояниями разрядки в каждом первичном гальваническом элементе и может гарантировать, что каждый элемент полностью исчерпает себя, прежде чем выключится электронное устройство. Регулятор также может контролировать или управлять циклом разрядки в каждом перезаряжаемом гальваническом элементе, чтобы гарантировать, что элемент разряжается до уровня, который обеспечивает самый продолжительный возможный срок службы батареи и повышает надежность элемента, предотвращая состояния типа эффектов памяти, коротких замыканий или вредных глубоких разрядок. Регулятор также может непосредственно контролировать и управлять циклом зарядки каждого перезаряжаемого гальванического элемента, который находится в батарее, с целью предотвращения состояний типа чрезмерной зарядки или короткого замыкания, увеличивая продолжительность цикла и повышая надежность батареи. О состоянии зарядки отдельных элементов также можно сообщать потребителям непосредственно (с помощью визуального, звукового, вибрационного и т.д. индикаторов) или через "интеллектуальный" интерфейс устройства.

Регуляторы также допускают универсальное использование батарей по настоящему изобретению. Соответствующие настоящему изобретению батареи обеспечивают преимущества по сравнению с известными батареями независимо от того, используются ли они с электрическими, электромеханическими или электронными устройствами, которые имеют напряжение отключения типа перечисленных выше, или с электрическим устройством. В случае электрических, электромеханических и электронных устройств или электроприборов батареи по настоящему изобретению сохраняют свою максимальную производительность до тех пор, пока не наступит истинное окончание срока службы батарей. При использовании регулятора с батареей конечную часть кривой разрядки зависимости фактического напряжения от времени разрядки можно профилировать таким образом, чтобы она могла имитировать обычный профиль разрядки (без мгновенного окончания службы).

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

Предпочтительный вариант осуществления преобразователя постоянного напряжения представляет собой высокоэффективный преобразователь со сверхнизким входным напряжением и средней мощностью, в котором используются схема управления широтно-импульсной модуляцией или модуляцией фазоимпульсного сдвига и схема управления режимом низкого пропуска импульсов со схемой управления старт-стопным генератором.

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения приведены относительно описания предпочтительного варианта осуществления изобретения.

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

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

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

Фиг.3 представляет вид в поперечном 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.4С представляет блок-схему еще одного предпочтительного варианта осуществления батареи, показанной на фиг.4.

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

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

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

Фиг.6 представляет изображение в перспективе, частично в разрезе, предпочтительного варианта 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 еще одного предпочтительного варианта осуществления батареи по настоящему изобретению.

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

Фиг.9В представляет блок-схему еще одного предпочтительного варианта осуществления аспекта 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.

Фиг.15 представляет комбинацию блок-схемы и принципиальной схемы еще одного предпочтительного варианта осуществления батареи по настоящему изобретению.

Фиг.16 представляет блок-схему одного варианта осуществления подрегулятора зарядки, изображенного на фиг.15.

Фиг.17 представляет блок-схему другого варианта осуществления подрегулятора зарядки, изображенного на фиг.15.

Настоящее изобретение касается одноэлементных и многоэлементных батарей. Батареи по настоящему изобретению могут быть либо первичными, либо перезаряжаемыми. Термин "первичные" используется в этом применении и касается батареи или гальванического элемента, который предназначен для выбрасывания после истощения его доступной электрической емкости (то есть, они не предназначены для перезарядки или иного повторного использования). Термины "перезаряжаемые" и "вторичные" в этом применении используются взаимозаменяемым образом и относятся к батарее или гальваническому элементу, которые предназначены для перезарядки по меньшей мере один раз после истощения их доступной электрической емкости (то есть, предназначены для повторного использования по меньшей мере один раз). Термин "потребительская" в этом применении относится к батарее, которая предназначена для использования в электронном или электрическом устройстве, приобретенном или используемом потребителем. Выражение "одноэлементный" относится к батарее, имеющей один гальванический элемент, упакованный отдельно, типа стандартной батареи АА, ААА, С или D, или к одному элементу в многоэлементной батарее (например, типа стандартной 9 В батареи или батареи, предназначенной для телефонного аппарата сотовой связи или портативной ЭВМ). Термин "батарея", используемый в этом применении, относится к контейнеру, имеющему выводы и один гальванический элемент, или корпусу, который имеет выводы 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 их которых имеет свой собственный отдельный контейнер и упакованных вместе в стягивающем оберточном пластмассовом материале, который удерживает отдельные контейнеры вместе, но не может полностью закрыть отдельные контейнеры элементов.

Используемый в этом применении термин "гибридная батарея" включает в себя многоэлементную батарею, которая содержит два или больше гальванических элемента, и из этих элементов по меньшей мере два имеют различные механизмы работы химического источника тока, типа фотогальванического, топливного, термического, электрохимического, электромеханического и т.д., или отличающийся электрод, отличающуюся пару электродов или отличающийся электролит. Используемое в этом применении выражение "элемент батареи" относится в общем к элементам химического источника тока, используемым в батарее, включая гальванические элементы. Точно также, элементы химического источника тока или электрохимического источника тока используются взаимозаменяемым образом и описывают различные физические механизмы вырабатывания электричества, включая химический. Кроме того, гибридный элемент может содержать дополнительные компоненты аккумулирования энергии, улучшающие характеристики напряжения и тока разрядки элемента, типа супер- или ультраконденсатора, катушки индуктивности высокой эффективности или вторичного элемента с низкой емкостью. Компоненты гибридных элементов можно изготавливать для замены неактивных конструкционных компонентов элемента, типа этикетки, уплотнения, полых клемм и т.д.

Используемый в этом применении 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 этом применении используются взаимозаменяемым образом и относятся к преобразователю переключаемого типа, то есть управляемому прерывателем преобразователю постоянного напряжения, также известному как инвертор для преобразования постоянного тока в переменный, который преобразовывает входное напряжение постоянного тока в требуемое выходное напряжение постоянного тока. Преобразователи постоянного напряжения представляют силовые электронные схемы, которые часто обеспечивают регулируемое выходное напряжение. 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 по возможности рассматривает использование известных преобразователей или линейных регуляторов, хотя менее выгодно заменяющих предпочтительные преобразователи, описанные в этой заявке, которые способны работать на низких уровнях напряжения, более низких, чем могут функционировать обычные электронные устройства.

"Напряжение отключения" электронного устройства представляет напряжение, ниже которого электрическое или электронное устройство, подсоединенное к батарее, не может функционировать. Таким образом, "напряжение отключения" зависит от устройства, то есть уровень зависит от минимального рабочего напряжения устройства (функциональной конечной точки) или частоты работы (например, должна быть обеспечена возможность зарядки конденсатора в пределах данного интервала времени). Большинство электронных устройств имеют напряжение отключения в диапазоне от приблизительно 1 В до приблизительно 1,2 В, причем некоторые из электронных устройств имеют напряжение отключения, составляющее приблизительно до 0,9 В. Электрические устройства, которые имеют механические движущиеся детали, типа электрических часов, двигателей и электромеханических реле, также имеют напряжение отключения, которое является необходимым для обеспечения тока достаточной величины, чтобы создать электромагнитное поле, достаточно сильное для перемещения механических деталей. Другие электрические устройства, типа карманного фонарика, обычно не имеют напряжения отключения устройства, но когда напряжение батареи, снабжающей их энергией, снижается, выходная мощность (например, интенсивность свечения лампы накаливания) также уменьшается.

Если один гальванический элемент снабжает энергией устройство, имеющее напряжение отключения, гальванический элемент "подвергается" напряжению отключения устройства, при котором батарея должна обеспечивать выходное напряжение, которое больше или равно напряжению отключения устройства, иначе устройство выключится. Однако если два или больше расположенных последовательно гальванических элементов снабжают энергией устройство, то есть электрически подсоединены между положительной входной клеммой и отрицательной входной клеммой, каждый гальванический элемент подвергается части напряжения отключения устройства. Например, если два гальванических элемента соединены последовательно и снабжают энергией устройство, то каждый элемент подвергается половине напряжения отключения устройства. Если три гальванических элемента соединены последовательно и используются для снабжения энергией устройства, тогда каждый гальванический элемент подвергается только одной третьей части напряжения отключения устройства. Таким образом, если последовательно соединены n элементов и снабжают энергией устройство, то каждый элемент подвергается части напряжения отключения устройства, которая может быть определена как напряжение отключения, разделенное на n, где n - целое число. Если два или больше гальванических элементов соединены параллельно для снабжения энергией электронного устройства, то каждый элемент все еще подвергается полному напряжению отключения устройства. Кроме того, в этом применении, если два или больше гальванических элемента соединены последовательно и это последовательное соединение соединено параллельно с одним или больше другими гальваническими элементами, то каждый из соединенных последовательно элементов подвергается такой же части напряжения отключения, как если бы последовательно соединенные гальванические элементы были единственными гальваническими элементами, снабжающими устройство энергией.

Один аспект настоящего изобретения состоит в том, чтобы увеличивать срок службы батареи. В случае первичной 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 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, выключится, когда выходное напряжение батареи падает ниже 1 В, даже если гальванический элемент может все еще иметь по меньшей мере 50% ее оставшейся емкости аккумулированной энергии. В этом примере продолжительность работы батареи истекла, потому что она больше не может обеспечивать достаточно высокое напряжение для возбуждения электронного устройства, и батарею обычно выбрасывают. Однако продолжительность работы элемента не истекла, потому что элемент имеет оставшуюся электрохимическую энергию.

Однако перезаряжаемая батарея имеет множество циклов зарядки/разрядки. В перезаряжаемой батарее "циклическая долговечность" определяется в виде количества циклов зарядки/разрядки, которые могут быть достигнуты. Выражение "продолжительность работы батареи" для перезаряжаемой батареи относится ко времени одного цикла разрядки до тех пор, пока выходное напряжение перезаряжаемой батареи не упадет ниже напряжения отключения устройства, которое батарея снабжает энергией, или разрядка прекратится, чтобы обеспечить большую циклическую долговечность батареи. Однако "срок службы батареи" перезаряжаемой батареи относится к общему количеству циклов зарядки/разрядки, в которых каждый цикл разрядки имеет оптимальную продолжительность работы. Выражение "продолжительность работы элемента" перезаряжаемого гальванического элемента означает время, требуемое для достижения оптимальной глубины разрядки элемента в режиме под нагрузкой в течение одного цикла разрядки этого элемента. Как описано выше, циклическая долговечность перезаряжаемой батареи является функцией глубины разрядки, которой подвергается перезаряжаемый элемент. Когда глубина разрядки увеличивается, продолжительность работы батареи также увеличивается, но циклическая долговечность и срок службы батареи снижаются. И наоборот, когда глубина разрядки уменьшается, продолжительность работы батареи также уменьшается, но циклическая долговечность и срок службы батареи увеличиваются. Однако, с точки зрения использования устройства, более короткая продолжительность работы батареи неудобна. Таким образом, для каждой конкретной электрохимии и конструкции перезаряжаемой батареи отношение между глубиной разрядки и циклической долговечностью можно оптимизировать, с целью обеспечения большего срока службы батареи. Один возможный способ оптимизирования срока службы перезаряжаемой батареи состоит, например, в том, чтобы сравнить накопленную отдаваемую энергию, которую можно определить как произведение циклической долговечности (то есть, количества циклов), достигнутой при конкретной глубине разрядки, и количества энергии, восстанавливаемой в каждом из этих циклов.

В этой заявке выражения "период нормальной эксплуатации гальванического элемента" или "период нормальной эксплуатации элемента" также используются независимо от того, является ли гальванический элемент первичным или перезаряжаемым элементом, и соответствуют продолжительности работы батареи в том смысле, что "период нормальной эксплуатации элемента" является периодом времени до тех пор, пока элемент больше не будет полезным в конкретном цикле разрядки из-за того, что гальванический элемент не может больше обеспечивать достаточное напряжение для возбуждения устройства, которое он снабжает электроэнергией. Если продолжительность работы элемента в одноэлементной батарее увеличивается или сокращается, то период нормальной эксплуатации элемента и продолжительность работы батареи также обязательно увеличивается или сокращается, соответственно. Кроме того, выражения "продолжительность работы батареи" одноэлементной батареи и "период нормальной эксплуатации элемента" являются взаимозаменяемыми в том смысле, что если либо "продолжительность работы батареи" одноэлементной батареи, либо "период нормальной эксплуатации элемента" увеличивается или сокращается, то другое из них также будет, соответственно, увеличиваться или сокращаться. Однако в противоположность этому выражение "период нормальной эксплуатации элемента" для конкретного гальванического элемента в многоэлементной батарее не обязательно является взаимозаменяемым с выражением "продолжительность работы батареи" этой многоэлементной батареи, потому что конкретный гальванический элемент может все еще иметь остающийся период нормальной эксплуатации даже после того, как завершится продолжительность работы многоэлементной батареи. Аналогично этому, если продолжительность работы элемента конкретного гальванического элемента в многоэлементной батарее увеличивается или сокращается, продолжительность работы батареи не обязательно увеличивается или сокращается, потому что продолжительность работы батареи может зависеть от напряжения одного или больше других элементов в батарее.

Используемые в этом применении выражения "оптимальная глубина разрядки" или "глубина оптимальной разрядки" перезаряжаемого гальванического элемента относятся к остаточной емкости элемента, которая максимизирует количество циклов зарядки/разрядки и оптимизирует продолжительность работы для каждого цикла разрядки этого элемента. Срок службы перезаряжаемого гальванического элемента может быть значительно сокращен, если элемент разряжается ниже "глубины оптимальной разрядки" для этого элемента (например, до напряжения приблизительно 1,6 В для элемента типа SLA). Глубокая разрядка, например, ионнолитиевого элемента может повредить элемент и уменьшить количество и эффективность будущих циклов зарядки этого элемента. Тем не менее никель-кадмиевый (NiCd) гальванический элемент предпочтительно разряжается более глубоко, чтобы предотвратить эффект "памяти" от укорачивания периода нормальной эксплуатации элемента путем уменьшения продолжительности работы этого элемента в будущих циклах разрядки.

Выражения "электрически подсоединенный", "электрическое соединение" и "электрически связанный" относятся к связям или соединениям, которые обеспечивают возможность для непрерывного протекания тока. Выражения "электронным образом подсоединенный" и "электронное соединение" относятся к соединениям, в которых в путь протекания тока включено электронное устройство типа транзистора или диода.

В этом применении считается, что "электронные соединения" являются подмножеством "электрических соединений", так что, хотя каждое "электронное соединение" считается "электрическим соединением", не каждое "электрическое соединение" считается "электронным соединением".

Батарея по настоящему изобретению включает в себя один или больше регуляторов, которые продлевают срок службы батареи путем оптимизирования извлечения энергии в цикле разрядки первичной или перезаряжаемой батареи и, в случае перезаряжаемой батареи, доведения до максимума количества циклов разрядки. В одном варианте осуществления настоящего изобретения, например, регулятор может выполнять одну или больше из следующих функций: (1) управление разрядкой, (2) управление зарядкой, (3) аварийное управление путем отсоединения элемента в случае короткого замыкания, обратной полярности, зарядкой (первичного элемента) или с помощью пропускания регулятора, если нагрузка требует ток защиты батареи, который превышает поставляемое регулятором номинальное значение тока, (4) сигнализацию об остающейся емкости и критических уровнях остающейся энергии элемента. Гальванический элемент (элементы) можно компоновать либо в одноэлементные, либо в многоэлементные батареи. Многоэлементные батареи могут включать в себя два или больше гальванических элементов одного и того же типа или включать два или больше гальванических элементов 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 подсоединять последовательно и/или параллельно с гальваническим элементом (элементами) внутри контейнера элемента и упаковывать внутри корпуса, который по меньшей мере частично содержит контейнер элемента, или прикреплять к контейнеру, корпусу или к маркировке или любой другой конструкции, прикрепляемой к контейнеру или корпусу. Регулятор (регуляторы) многоэлементной батареи можно упаковывать вместе с одним или больше отдельными элементами, как описано относительно одноэлементной батареи, и/или можно упаковывать вместе с комбинацией множества элементов, так что регулятор подсоединяют последовательно или параллельно с комбинацией гальванических элементов.

Регулятор батареи по настоящему изобретению может выполнять одну или больше функций из перечисленных выше и может также выполнять другие функции в дополнение к перечисленным выше функциям. Регулятор батареи по настоящему изобретению может содержать одну схему, которая выполняет каждую из требуемых функций, или может содержать отдельные подрегуляторы, каждый из которых выполняет одну или больше требуемых функций. Кроме того, подрегуляторы могут совместно использовать схемы типа считывающих схем, которые могут обеспечивать управляющие сигналы отдельным подрегуляторам.

По всем чертежам последние две цифры номера, определяющего компонент, повторяются на других чертежах для сравниваемых компонентов, различаются одной или двумя стоящими впереди цифрами, соответствующими чертежу. Например, показанный на фиг.1-3 контейнер 12 сравнивается с контейнером 212 на фиг.5А.

На фиг.1-3 показаны конструкции обычной цилиндрической батареи 10, которые упрощены с целью обсуждения. Каждая конструкция цилиндрической батареи 10 имеет одни и те же основные конструктивные детали, расположенные в различных конфигурациях. В каждом случае конструкция включает в себя контейнер 12, имеющий оболочку или боковую стенку 14, верхний колпачок 16, включающий в себя положительную клемму 20, и нижний колпачок 18, включающий отрицательную клемму 22. Контейнер 12 заключает 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 (отрицательным электродом) 34 гальванического элемента 30. Между анодом 34 и катодом 32 расположен разделитель 28 и обеспечивает средство ионной электропроводности через электролит. В устройстве такого типа обычно упаковывают, например, угольно-цинковую батарею.

Фиг.2 изображает альтернативную конструкцию батареи, в которой изолирующая шайба или уплотнение 25 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 подсоединен к катоду 32 гальванического элемента 30. Нижний колпачок 18, который также является проводящим, образует отрицательную клемму 22 батареи. Нижний колпачок 18 электрически соединен с анодом 34 элемента 30 батареи через токосъемник 26. Между анодом и катодом расположен разделитель 28 и обеспечивает средство ионной электропроводности через электролит. Первичные и перезаряжаемые щелочные (цинково-марганцево-диоксидные) батареи, например, обычно упаковывают в устройстве такого типа.

Фиг.3 изображает другую альтернативную конструкцию батареи, в которой гальванический элемент 30 образован в виде конструкции "спирально намотанного рулона желе". В этой конструкции четыре слоя расположены рядом друг с другом в конструкции "слоистого типа". Эта конструкция "слоистого типа" может, например, содержать следующий порядок слоев: слой 32 катода, первый слой разделителя 28, слой анода 34 и второй слой разделителя 28. В качестве альтернативы, второй слой разделителя 28, который расположен не между слоями катода 32 и анода 34, может быть заменен изолирующим слоем. Затем эту конструкцию "слоистого типа" сворачивают в цилиндрическую конфигурацию спирально намотанного рулона желе и помещают в контейнер 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 со слоем катода 32 гальванического элемента 30 через токосъемник 26 и проводники 33. 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 пластину 19 основания. Слои разделителя 28 расположены между катодным слоем 32 и анодным слоем 34 и обеспечивают средство ионной электропроводности через электролит. Боковая стенка 14 показана соединенной и с верхним колпачком 16, и с нижним колпачком 18. В этом случае боковая стенка 14 предпочтительно образована из непроводящего материала типа полимера. Однако боковая стенка также может быть 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 образовывала короткое замыкание между двумя клеммами. В устройстве такого типа часто упаковывают первичные и перезаряжаемые литиевые батареи, например типа первичной литий-марганцево-диоксидной (MnOz) батареи и перезаряжаемой литий-ионной, никель-кадмиевой (NiCd) и никель-металл-гидратной (NiMH) 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 хорошо известны в технике. Кроме того, элементы можно создавать в виде других известных в технике конструкций, типа кнопочных элементов, элементов в форме монеты, призматических элементов, плоской пластины, биполярной пластины или элементов на основании толстых/тонких пленок и т.д.

В настоящем изобретении контейнер 12 батареи вмещает один гальванический элемент 30. Контейнер 12 включает в себя все элементы, необходимые для изоляции и защиты двух электродов 32 и 34, разделителя и электролита гальванического элемента 30 от окружающей среды и от каких-либо других гальванических элементов в многоэлементной батарее и подачи электрической энергии из гальванического элемента 30 за пределы 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 частью корпуса многоэлементной батареи, если корпус полностью изолирует электроды и электролит одного гальванического элемента 30 от окружающей среды и каждого другого элемента батареи. Контейнер 12 можно изготавливать из соединения проводящего материала, типа металла, и изоляционного материала, типа пластмассы или полимера.

Однако контейнер 12 должен отличаться от корпуса многоэлементной батареи, который содержит отделяемые индивидуально изолированные щелочные элементы 630, каждый из которых содержит свои собственные электроды и электролиты. Например, корпус стандартной 9 В щелочной батареи вмещает шесть отдельных щелочных элементов 630, каждый из которых имеет свой собственный контейнер 612, как показано на фиг.6. Каждый щелочной элемент 630 имеет внутреннюю положительную клемму 620, соединенную с внешней положительной клеммой 621, и внутренний отрицательный электрод 622, подсоединенный к внешней отрицательной клемме 623. Благоприятно, что каждый щелочной элемент 630 может включать в себя регулятор 640, действующий описанным здесь образом. Однако в некоторых литиевых 9 В батареях корпус 611 батареи образован так, что он имеет отдельные камеры, которые изолируют электроды и электролит гальванических элементов 30, и таким образом, корпус содержит как отдельные контейнеры 12 для каждого элемента, так и корпус 611 для всей многоэлементной батареи 610.

На фиг.6 показано изображение в перспективе, частично в разрезе, многоэлементной 9 В батареи 610 по настоящему изобретению, в которой каждый гальванический элемент 630 имеет регулятор 640 внутри отдельного контейнера 612 элемента. В этом варианте осуществления батарея 610 содержит шесть отдельных гальванических элементов 630, каждый из которых имеет номинальное напряжение, равное приблизительно 1,5 В. Батарея 610, например, может также содержать три литиевых элемента, каждый из которых имеет номинальное напряжение, равное приблизительно 3 В. В технике известны другие конструкции многоэлементной батареи, и их можно использовать для размещения регулятора 640 по настоящему изобретению. Например, многоэлементные батареи включают в себя призматические батареи, батареи, имеющие отдельные контейнеры, которые по меньшей мере по существу обматываются стягивающими вместе пластмассовыми корпусами, которые содержат множество одноэлементных контейнеров, типа батарей для телефонного аппарата сотовой связи и видеокамеры.

На фиг.5А, 5В и 5С показаны изображения частично в разобранном виде трех вариантов осуществления настоящего изобретения для одноэлементных цилиндрических первичных батарей 210, 310 и 410. 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 непосредственно примыкает к регулятору 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 полоску 245 и проводящей боковой стенкой 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 монтировать, присоединять или прикреплять к внешней стороне контейнера или этикетке батареи. Разделитель 228 расположен между анодной электропроводностью через электролит гальванического элемента 230.

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 непосредственно соприкасается 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 пластины 319 основания 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 используется виртуальное заземление. В качестве альтернативы, регулятор 340 можно размещать между верхним колпачком 316 и изолятором 324 или монтировать, присоединять или прикреплять к внешней стороне контейнера 312 или маркировки батареи. Разделитель 328 расположен между анодным проводником через весь электролит гальванического элемента 330.

На фиг.5С регулятор 440 образован на обертке 441 с использованием толстопленочной технологии печатания или гибких печатных плат (ПП) и размещен внутри контейнера 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 пластину 419 основания и нижний колпачок 418. Положительный ввод 446 регулятора 440 электрически соединен с катодом 432 гальванического элемента 430, который в этом примере непосредственно примыкает к обертке 441, содержащей регулятор 440. Отрицательный ввод 448 регулятора 440 электрически соединен с анодом 434 гальванического элемента 430 через контактную пластину 431 и токосъемник 426, который проходит от контактной пластины 431 в анод 434 гальванического элемента 430. Изолирующая шайба 427 изолирует контактную пластину 431 от катода 432. Как показано на фиг.5С, изолирующая шайба также может простираться между анодом 434 и контактной пластиной 431, потому что токосъемник 426 обеспечивает соединение от анода 434 к контактной пластине 431. Если регулятор 440 использует виртуальное заземление, контактная пластина 431 также должна быть изолирована от пластины 419 основания и отрицательной клеммы 422, например, изолирующей шайбой 425. В качестве альтернативы, обертку 441 также можно располагать на внешней стороне контейнера 412, обернутой вокруг внешней стороны боковой стенки 414. В таких вариантах осуществления этикетка может покрывать обертку, или этикетка может быть напечатана на той же самой обертке, как и сам регулятор.

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 110 по настоящему изобретению, использующего встроенную интегральную схему 140 регулятора. В этом варианте осуществления предпочтительно используется интегральная схема смешанного типа, которая имеет как цифровые, так и аналоговые компоненты. В качестве альтернативы схему регулятора можно изготавливать, используя интегральную схему прикладной ориентации (ИСПО), конструкцию гибридной интегральной схемы, печатную плату или любую другую форму известной технологии изготовления схем. Схему регулятора 140 можно размещать внутри контейнера батареи 112 между положительным 132 и отрицательным 134 электродами гальванического элемента 130 и положительной 120 и отрицательной 122 клеммами батареи. Таким образом, регулятор 140 может подсоединять гальванический элемент 130 к клеммам 120 и 122 контейнера 112 или отсоединять гальванический элемент 130 от них, изменять или стабилизировать выходное напряжение или выходное сопротивление элемента 130, которые подведены к клеммам 120 и 122 батареи. На фиг.4А изображен один предпочтительный вариант осуществления батареи 110 по настоящему изобретению, показанной 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 работает 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 показанных на фиг.4А и 4В вариантов осуществления имеет свои собственные преимущества и недостатки. Конфигурация фиг.4А, например, обеспечивает возможность использования более простой конструкции схемы, имеющей общее заземление для гальванического элемента 130, регулятора 140 и отрицательной клеммы 122 контейнера 112 батареи. Конфигурация фиг.4А, однако, имеет недостаток, заключающийся в требовании преобразователя для работы при истинных уровнях напряжений элемента, и может требовать использования элемента катушки индуктивности. В показанной на фиг.4В конфигурации виртуальное заземление, подведенное к отрицательной клемме 122 контейнера 112 батареи, как изолирует отрицательный электрод 134 гальванического элемента 130 от нагрузки, так и обеспечивает возможность использования преобразователя постоянного напряжения или нагнетания заряда. Эта конфигурация, однако, имеет недостаток, заключающийся в требовании увеличенной сложности схемы виртуального заземления, чтобы обеспечить возможность для преобразователя напряжения регулятора 140 продолжать более эффективно функционировать, когда напряжение на выводах элемента низкое (<1 В).

На фиг.4С изображен еще один вариант осуществления батареи 110 по настоящему изобретению, имеющий интегральную схему 140 регулятора, в котором схема 140 регулятора включает в себя четыре основных компонента: схему 102 подрегулятора разрядки, схему 104 подрегулятора зарядки, схему 106 подрегулятора аварийного отключения и схему 105 датчиков, которая обеспечивает сигналы управления напряжением для схемы 102 подрегулятора разрядки и/или схемы 104 подрегулятора зарядки на основании непрерывно или периодически измеряемых рабочих параметров и/или физических состояний. Схема 105 датчиков может измерять рабочие параметры гальванического элемента 130, такие как напряжение элемента, ток, протекающий от элемента, фазовый сдвиг между напряжением и током элемента и т.д. Дополнительно схема 105 датчиков может измерять рабочие параметры интегральной схемы 140 регулятора, типа уровней выходного напряжения и тока, уровней зарядного напряжения и тока и т.д. Далее, схема датчиков может также измерять физические состояния гальванического элемента, типа температуры, давления, рН (водородного показателя), концентрации водорода и/или кислорода и т.д. Схема 105 датчиков может измерять любую их комбинацию, достаточную для эффективного контролирования гальванического элемента во время цикла зарядки или разрядки, как известно в технике или описано ниже.

Однако интегральная схема 140 регулятора батареи 110 по настоящему изобретению не должна выполнять каждую из перечисленных выше функций. Схема регулятора 140 может иметь, например, только два или три из перечисленных выше компонентов, типа схемы 102 подрегулятора разрядки и схемы 105 датчиков, схемы 104 подрегулятора зарядки и схемы 105 датчиков, аварийной схемы 106 подрегулятора и схемы 105 датчиков или любого их сочетания. В качестве альтернативы, схема 140 регулятора не может иметь схему 105 датчиков, если схема 102 подрегулятора разрядки, схема 104 подрегулятора зарядки и/или схема 106 подрегулятора аварийного отключения, которые включены в определенный вариант осуществления схемы 140 регулятора, содержат свои собственные внутренние схемы считывания, необходимые для выполнения их соответственной функции (функций). Кроме того, либо схема 102 подрегулятора разрядки, схема 104 подрегулятора зарядки, либо они обе могут также выполнять функцию подрегулятора 106 аварийного отключения. Схема регулятора 140 также может иметь один или больше подрегуляторов или цепь датчика, перечисленные выше, наряду с другими подрегуляторами, которые выполняют функции, дополнительные к перечисленным выше функциям.

Схема 102 подрегулятора разрядки управляет разрядкой гальванического элемента (элементов) 130 батареи 110 для обеспечения большего срока службы батареи, посредством обеспечения безопасной глубокой разрядки, чтобы использовать больше запасенной энергии первичной батареи, или посредством оптимального использования запасенной энергии перезаряжаемой батареи до перезарядки. Схема 104 подрегулятора зарядки надежно и эффективно управляет зарядкой гальванического элемента (элементов) 130 батареи 110, в которую включена схема 140 регулятора. Подрегулятор 106 аварийного отключения отсоединяет гальванический элемент (элементы) от клемм батареи, когда схема 105 датчиков обнаруживает опасное состояние типа короткого замыкания, обратной полярности, состояния чрезмерной зарядки или состояния переразрядки. Подрегулятор 106 аварийного отключения также обеспечивает электрическое обходное соединение регулятора разрядки, если нагрузка требует большого безопасного тока, который, однако, превышает номинальный поставляемый регулятором ток.

Однако в предпочтительном варианте осуществления первичной батареи по настоящему изобретению регулятор 140 предпочтительно может включать в себя схему 102 подрегулятора разрядки, подрегулятор 106 аварийного отключения и схему 105 датчиков. Схема 105 датчиков предпочтительно непрерывно контролирует рабочие параметры и физические состояния гальванического элемента 130. Схема 102 подрегулятора разрядки предпочтительно обеспечивает более надежную, более глубокую разрядку первичного гальванического элемента (элементов) 130 батареи 110 для обеспечения большего срока службы, прежде чем батарею выбросят. Схема 106 подрегулятора аварийного отключения предпочтительно отсоединяет гальванический элемент (элементы) от клемм 120, 122 батареи, когда цепь датчика обнаруживает опасное состояние, или обеспечивает обходное соединение, если требуемый нагрузкой номинальный ток превышает возможность регулятора, но находится в пределах безопасного диапазона тока разрядки элемента.

В предпочтительном варианте осуществления перезаряжаемой батареи 110 по настоящему изобретению схема 140 регулятора может дополнительно включать в себя схему 104 подрегулятора зарядки. Схема 104 подрегулятора зарядки надежно и эффективно управляет зарядкой гальванического элемента (элементов) 130 батареи 110, в которую включена схема 140 регулятора. Схема 105 датчиков предпочтительно непрерывно и непосредственно контролирует рабочие параметры схемы 140 регулятора и физические состояния в гальваническом элементе (элементах) 130. Например, схема 105 датчиков может контролировать напряжение элемента, зарядный ток, внутреннее полное сопротивление гальванического элемента (элементов), концентрацию водорода или кислорода, рН, температуру, давление или любые другие известные в технике рабочие параметры или физическое состояние.

В конкретном предпочтительном варианте осуществления каждый гальванический элемент имеет свою собственную интегральную схему 140 регулятора, которая контролирует состояния в этом конкретном элементе. Непосредственно контролируя состояния каждого конкретного элемента, подрегулятор 104 зарядки может обеспечивать лучшую надежность и эффективность, чем известный регулятор зарядки, который контролирует батарею, имеющую множество гальванических элементов. Подрегулятор 104 зарядки минимизирует потери, используя мгновенную величину зарядки элемента (элементов) и максимальной емкости элемента с целью непрерывного оптимизирования состояний зарядки.

Каждый регулятор может включать в себя один или больше из следующих подрегуляторов: (1) подрегулятор 102 разрядки, (2) подрегулятор 104 зарядки и/или (3) подрегулятор 106 аварийного отключения. Для простоты обсуждения функции регулятора описаны на основании подрегуляторов. Однако фактическая реализация регулятора 140 по настоящему изобретению не требует независимых выполнений схем для каждой функции, поскольку множество функций, которые выполняются регулятором, могут быть и предпочтительно объединены в одну схему. Например, каждый подрегулятор может иметь свои собственные внутренние цепи датчика для измерения одного или больше рабочих параметров регулятора и/или физических состояний гальванического элемента (элементов), или независимая цепь датчика может измерять параметры и/или состояния и подавать их и/или управляющие сигналы относительно параметров и/или состояний в один или больше подрегуляторов. Далее, регулятор может иметь дополнительные или альтернативные подрегуляторы, которые выполняют другие функции в дополнение к одной или больше перечисленным здесь функциям.

Подрегулятор разрядки

Подрегулятор 102 разрядки в соответствии с настоящим изобретением может продлевать срок службы первичной или перезаряжаемой батареи одним из нескольких способов. Во-первых, в случае многоэлементной батареи, которая содержит по меньшей мере один первичный гальванический элемент или по меньшей мере один перезаряжаемый элемент, который предпочтительно полностью разряжается перед зарядкой (например, элемент NiCd предпочтительно разряжается приблизительно на 100%, но не больше), подрегулятор может допускать, чтобы один или больше гальванический элемент (элементы) батареи разряжался электронным устройством более глубоко, чем было бы возможно в ином случае. Например, подрегулятор разрядки может обеспечивать возможность разрядки одноэлементной батареи ниже точки, в которой напряжение элемента падает ниже напряжения отключения устройства. В случае первичной батареи срок службы батареи может быть увеличен благодаря как можно более глубокой разрядке гальванического элемента (элементов) перед ее выбрасыванием. Однако в случае перезаряжаемой батареи срок службы батареи увеличивается благодаря разрядке гальванического элемента до оптимальной глубины разрядки. Таким образом, если оптимальная глубина разрядки перезаряжаемого гальванического элемента ниже напряжения отключения устройства, которое перезаряжаемая батарея снабжает энергией, срок службы перезаряжаемой батареи может быть увеличен, если обеспечить возможность для перезаряжаемого элемента разряжаться ниже напряжения отключения этого устройства.

В этой заявке выражение "глубокая разрядка" относится к обеспечению возможности разрядки гальванического элемента (элементов) по меньшей мере на 80% от номинальной емкости гальванического элемента (элементов). Кроме того, выражение "существенная разрядка" в этой заявке относится к обеспечению возможности разрядки гальванического элемента (элементов) по меньшей мере до 70% от номинальной емкости гальванического элемента (элементов). "Переразрядка" в этой заявке относится к разрядке гальванического элемента за пределами 100%, что может привести к реверсивному напряжению. Например, имеющаяся в настоящее время в продаже обычная щелочная батарея в общем способна отдавать приблизительно от 40 до 70% своей емкости запасенной энергии до достижения такого уровня напряжения гальванического элемента, который составляет уровень напряжения, недостаточного для возбуждения данного электронного устройства. Таким образом, подрегулятор по настоящему изобретению предпочтительно обеспечивает щелочной элемент, который способен перед отключением батареи разряжаться больше, чем приблизительно на 70%. Более предпочтительно, подрегулятор обеспечивает уровень разрядки больше, чем приблизительно на 80%. Еще более предпочтительно, подрегулятор обеспечивает уровень разрядок больше, чем приблизительно на 90%, и наиболее предпочтительно более чем приблизительно на 95%.

Подрегулятор 102 разрядки может включать в себя преобразователь, который преобразовывает напряжение элемента в требуемое выходное напряжение первичной или перезаряжаемой батареи. В первичной батарее он обеспечивает более глубокую разрядку гальванического элемента (элементов) и вследствие этого продлевает срок службы батареи. В перезаряжаемой батарее, однако, преобразователь допускает, чтобы регулятор разряжал перезаряжаемую батарею до оптимальной глубины разрядки, независимо от напряжения отключения данного устройства. В одном варианте осуществления настоящего изобретения подрегулятор может непрерывно преобразовывать напряжение элемента в требуемое выходное напряжение на протяжении всей продолжительности работы батареи. Когда напряжение элемента падает до уровня напряжения отключения устройства, где разрядка батареи обычно отключается, преобразователь повышает или увеличивает напряжение элемента до уровня на выходе батареи, который является достаточным, чтобы продолжить приводить в действие устройство, пока уровень напряжения не упадет ниже минимального требуемого напряжения, необходимого для приведения в действие подрегулятора, или до оптимальной глубины разрядки для перезаряжаемого гальванического элемента. Таким образом, батарея, имеющая конструкцию подрегулятора, который способен работать на более низком уровне напряжения, чем подрегулятор другой батареи, обеспечивает батарею, способную разряжаться более глубоко, независимо от уровня напряжения элемента.

В случае гибридного элемента подрегулятор разрядки может включать в себя преобразователь низкого напряжения, который преобразовывает напряжение гальванических элементов в требуемое выходное напряжение первичной или перезаряжаемой батареи. Подрегулятор 102 разрядки может непрерывно преобразовывать напряжение гальванического элемента в требуемое выходное напряжение в течение продолжительности работы первичной или перезаряжаемой батареи. Таким образом, гибридная батарея, имеющая конструкцию подрегулятора, который способен работать на более низком уровне напряжения, чем подрегулятор другой батареи, обеспечивает батарею, которая может быть совместимой с обычным низким напряжением, вырабатываемым многими гальваническими элементами, типа фотоэлементов, топливных, тепловых и механических элементов. Подрегулятор 102 разрядки гальванических элементов может обеспечивать дополнительную энергию, если гибридная батарея содержит первичный элемент. Подрегулятор разрядки также может использовать гальванические элементы для зарядки вторичных элементов или обеспечения дополнительной энергии.

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 когда необходимо. Заранее определенный уровень напряжения предпочтительно находится в диапазоне от номинального напряжения гальванического элемента до самого высокого напряжения отключения класса устройств, для которого предназначена батарея. Более предпочтительно, заранее определенный уровень напряжения немного превышает самое высокое напряжение отключения того класса устройств, для которого предназначена батарея. Например, заранее определенный уровень напряжения может находиться в диапазоне от уровня, приблизительно равного самому высокому напряжению отключения того класса устройств, для которого предназначена батарея, до уровня, приблизительно равного напряжению отключения, плюс 0,2 В, предпочтительно в диапазоне от примерно самого высокого напряжения отключения того класса устройств, для которого предназначена батарея, до уровня, приблизительно равного напряжению отключения, плюс 0,15 В, более предпочтительно в диапазоне от примерно самого высокого напряжения отключения того класса устройств, для которого предназначена батарея, до уровня, приблизительно равного напряжению отключения, плюс 0,1 В и еще более предпочтительно в диапазоне от примерно самого высокого напряжения отключения того класса устройств, для которого предназначена батарея, до уровня, приблизительно равного напряжению отключения, плюс 0,05 В. Например, гальванический элемент, имеющий номинальное напряжение, равное приблизительно 1,5 В, обычно имеет заранее определенное напряжение, находящееся в диапазоне между приблизительно 0,8 В и приблизительно 1,8 В. Предпочтительно заранее определенное напряжение 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, находящемся между приблизительно 1,0 В и приблизительно 1,2 В. Наиболее предпочтительным является уровень напряжения, немного выше или равный самому высокому напряжению отключения того класса устройств, для которых предназначена батарея. Однако подрегулятор, разработанный для работы с гальваническим элементом, имеющим номинальное напряжение, равное приблизительно 3,0 В, в общем 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 превышающий или равный самому высокому напряжению отключения того класса устройств, для которых предназначена батарея.

Когда напряжение элемента падает до заранее определенного уровня напряжения или ниже, подрегулятор разрядки включает преобразователь и повышает напряжение элемента до требуемого выходного напряжения, достаточного для приведения в действие нагрузки. Это устраняет потери преобразователя, который не требуется, когда напряжение на выводах элемента достаточно высокое для возбуждения нагрузки, но затем обеспечивает возможность для гальванического элемента продолжать разряжаться даже после того, как напряжение элемента падает ниже уровня, требуемого для приведения в действие нагрузки, до тех пор, пока напряжение элемента не достигает минимального рабочего напряжения преобразователя в случае первичного элемента, или в случае перезаряжаемого элемента, пока напряжение на выводах элемента не достигает оптимальной глубины разрядки. Подрегулятор может использовать какой-либо один или больше из ряда механизмов управления, от простой комбинации компаратора напряжений и электронного выключателя, который включает преобразователь, когда напряжение элемента падает до заранее определенного уровня напряжения, до более сложных схем управления, типа описанных ниже.

Универсальная батарея по настоящему изобретению, которая разработана для данного выходного напряжения, предпочтительно способна продлять срок службы батареи, когда она используется для подачи электроэнергии в устройство. Используемый в этой заявке термин "универсальная" батарея означает батарею, которая может обеспечивать равномерное или стандартное напряжение, независимо от электрохимии элемента или физического механизма гальванического элемента. Таким образом, батарея по настоящему изобретению предпочтительно разработана для продления ее срока службы путем поддержания выходного напряжения батареи на уровне, превышающем или равном напряжению отключения данного устройства, пока встроенный подрегулятор не прекратит работу, когда напряжение первичного гальванического элемента (элементов) падает до уровня, ниже которого подрегулятор больше не может функционировать, или когда перезаряжаемый гальванический элемент разряжается до его оптимальной глубины разрядки. Батарею по настоящему изобретению, которая разработана для снабжения энергией определенного электронного устройства узкого класса или электронных устройств, которые имеют аналогичные напряжения отключения, можно специально разработать так, чтобы она работала более эффективно благодаря более близкому соответствию заранее определенного уровня напряжения напряжению (напряжениям) отключения этого прибора (приборов).

Во-вторых, подрегулятор 102 разрядки также можно использовать для продления срока службы перезаряжаемого гальванического элемента посредством оптимальной разрядки элемента, с целью увеличения количества или эффективности циклов зарядки. Например, в герметичном свинцово-кислотном элементе глубокая разрядка может повреждать элемент и/или снижать количество или эффективность будущих циклов подзарядки. Подрегулятор может, например, управлять разрядкой конкретного типа перезаряжаемого гальванического элемента так, чтобы цикл разрядки заканчивался, когда напряжение элемента достигнет заранее определенного уровня напряжения, который является оптимальной глубиной разрядки для этого типа или конкретного гальванического элемента. В свинцово-кислотном перезаряжаемом гальваническом элементе, например, заранее определенный уровень напряжения находится в диапазоне от приблизительно 0,7 В до приблизительно 1,6 В при более предпочтительном уровне, равном приблизительно 0,7 В. В литий-МnО₂ перезаряжаемом гальваническом элементе, например, заранее определенный уровень напряжения находится в диапазоне от приблизительно 2,0 В до приблизительно 3,0 В при наиболее предпочтительном уровне, равном приблизительно 2,4 В. В качестве альтернативы, подрегулятор разрядки может также заканчивать цикл разрядки, когда внутреннее полное сопротивление перезаряжаемого гальванического элемента достигает заранее определенного уровня полного сопротивления, который соответствует максимуму требуемой глубины разрядки для этого типа или конкретного гальванического элемента. Таким образом, в батарее по настоящему изобретению, содержащей по меньшей мере один перезаряжаемый гальванический элемент, который предпочтительно разряжается не глубоко за пределы оптимальной глубины разрядки, можно использовать подрегулятор разрядки для продления продолжительности срока службы батареи путем заканчивания цикла разрядки, когда напряжение элемента достигает заранее определенного уровня напряжения или когда внутреннее полное сопротивление элемента достигает заранее определенного уровня внутреннего полного сопротивления, или как указывается любым подходящим встроенным химическим датчиком.

В-третьих, подрегулятор разрядки может также понижать напряжение гальванического элемента (элементов), имеющего номинальное напряжение больше требуемого выходного напряжения, и/или изменять выходное сопротивление гальванического элемента (элементов) батареи. Это не только продлевает продолжительность работы батарей, но также обеспечивает большую взаимозаменяемость между гальваническими элементами, имеющими различные номинальные напряжения, чем возможно в ином случае, обеспечивает возможность разработчикам пользоваться преимуществом большего потенциала аккумулирования гальванических элементов, имеющих более высокое номинальное напряжение, и обеспечивает возможность разработчикам изменять выходное сопротивление определенного гальванического элемента для согласования полного сопротивления с требуемым уровнем или для увеличения взаимозаменяемости гальванического элемента с другими типами гальванических элементов, и/или для увеличения эффективности 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 заменить более безопасными, более эффективными или более дешевыми гальваническими элементами, имеющими повышенное или пониженное их номинальное напряжение или изменяемое их выходное сопротивление, чтобы отвечать требуемому номинальному напряжению или выходному сопротивлению, требуемому данным применением.

Например, гальванический элемент, имеющий номинальное напряжение, равное приблизительно 1,8 В или выше, можно монтировать с подрегулятором, который понижает это более высокое номинальное напряжение до стандартного номинального уровня, равного приблизительно 1,5 В, чтобы батарею можно было использовать взаимозаменяемым образом с батареей, имеющей номинальное напряжение, равное приблизительно 1,5 В. В одном определенном примере стандартный литиевый элемент типа первичного литий-МnО₂ элемента, имеющий номинальное напряжение, равное приблизительно 3,0 В, можно монтировать в батарее с понижающим подрегулятором, чтобы батарея имела выходное напряжение, равное приблизительно 1,5 В. Это обеспечивает батарею, имеющую емкость, по меньшей мере в два раза превышающую емкость батареи, имеющей гальванический элемент с номинальным напряжением порядка 1,5 В и такой же объем. Кроме того, это также обеспечивает литиевый элемент высокого напряжения, который является действительно взаимозаменяемым со стандартной щелочной или угольно-цинковой одноэлементной батареей, без необходимости в химическом понижении высокого потенциала лития. Далее, перезаряжаемый литий-ионный элемент имеет номинальное напряжение порядка 4,0 В. Элемент можно упаковывать в батарее с понижающим регулятором так, чтобы одноэлементная батарея имела выходное напряжение, равное приблизительно 1,4 В. Литий-ионная батарея по настоящему изобретению может быть взаимозаменяемой со стандартной одноэлементной NiCd или NiMH перезаряжаемой батареей, но может обеспечить приблизительно дву-трехкратную емкость одноэлементной NiCd или NiMH батареи, имеющей такой же объем.

Дополнительно, батареи, имеющие гальванические элементы типа литий-ионных, магниевых, воздухо-магниевых и воздухо-алюминиевых, также имеют номинальные напряжения выше приблизительно 1,8 В и могут использоваться взаимозаменяемым образом со стандартной батареей, имеющей номинальное напряжение порядка 1,5 В. Различные типы гальванических элементов не только можно использовать взаимозаменяемым образом, но различные типы гальванических элементов можно собирать вместе в гибридной батарее. Таким образом, различные типы батарей, имеющих различные гальванические элементы с различными номинальными напряжениями или внутренним полным сопротивлением, можно использовать взаимозаменяемым образом, или можно производить гибридные батареи, имея различные типы гальванических элементов и таких элементов, как фотоэлементы, топливные, тепловые и механические элементы и т.д.

В качестве альтернативы, гальванические элементы, которые имеют номинальные напряжения ниже того уровня, на котором работает обычное электронное устройство, могут использоваться с подрегулятором 102 разрядки, имеющем встроенный повышающий преобразователь, для повышения номинального напряжения. Это обеспечивает возможность использовать батарею, имеющую этот тип гальванического элемента, подлежащего использованию с устройством, для которого требуется более высокий уровень напряжения, чем в ином случае обеспечил бы элемент. Кроме того, батарею, имеющую этот тип элемента, можно также использовать взаимозаменяемым образом со стандартным щелочным или угольно-цинковым гальваническим элементом. Это может обеспечивать промышленно выполнимые, применимые батареи, имеющие гальванические элементы, которые в противном случае не рассматривались для использования потребителями, поскольку их номинальные напряжения были слишком низкими для практического применения.

Кроме того, некоторые гальванические элементы, которые имеют номинальные напряжения ниже того уровня, на котором может функционировать обычное электронное устройство, можно использовать с подрегулятором разрядки, имеющим встроенный повышающий преобразователь, чтобы повысить номинальное напряжение. Это позволяет создавать гибридную батарею, имеющую этот тип гальванического элемента, подлежащий использованию с устройством, которое требует более высокого уровня напряжения, чем в ином случае обеспечил бы элемент. Кроме того, батарею, имеющую этот тип элемента, можно также использовать взаимозаменяемым образом со стандартным щелочным или угольно-цинковым гальваническим элементом. Это может обеспечивать промышленно выполнимые, применимые батареи, имеющие гибридные элементы, которые иначе не рассматривались бы для использования потребителями, потому что номинальные напряжения были слишком низкими для практического применения.

Таблица предполагается не как исключительная, а скорее перечисляет примерные первичные, перезаряжаемые и резервные гальванические элементы, которые можно использовать в батарее по настоящему изобретению. Например, различные типы первичных и/или перезаряжаемых гальванических элементов, которые имеют различные номинальные напряжения или внутреннее полное сопротивление, можно использовать с преобразователем для создания универсальной одноэлементной батареи, которая имеет такое же выходное напряжение, как стандартная 1,5-вольтовая щелочная первичная или перезаряжаемая батарея или стандартная 1,4-вольтовая NiCd перезаряжаемая батарея. Кроме того, первичные, вторичные и/или резервные элементы можно использовать вместе в гибридной многоэлементной батарее по настоящему изобретению. Действительно, настоящее изобретение обеспечивает 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. Помещая регулятор в каждый гальванический элемент, можно регулировать электрические характеристики типа номинального напряжения и выходного сопротивления различных типов гальванических элементов, с целью обеспечения возможности использования большего многообразия элементов при создании взаимозаменяемых перезаряжаемых батарей. Батареи можно специально разрабатывать, чтобы пользоваться выгодой конкретных преимуществ гальванического элемента, все еще обеспечивая возможность взаимозаменяемости с батареями, которые содержат другие типы элементов. Далее, настоящее изобретение можно использовать для создания новых стандартных уровней напряжения, преобразовывая номинальные напряжения гальванических элементов в уровни напряжений стандартов.

То же самое справедливо для физических механизмов, отличающихся от химического, используемого для вырабатывания электрической энергии. Обычный один фотоэлемент, топливный, тепловой и механический (например, PST) элемент имеет свое выходное напряжение значительно ниже стандартного напряжения устройства или другого гальванического элемента. Настоящее изобретение позволяет объединять низковольтный химический источник тока и стандартную электрохимическую систему в один гибридный элемент или независимые элементы для обеспечения энергии устройств, требующих напряжения, равного или отличающегося от напряжения гибридного элемента или независимых элементов.

Кроме того, в гибридных батареях можно использовать вместе несовместимые в ином случае гальванические элементы, специально разработанные для конкретных типов применений. Например, в гибридной батарее можно использовать воздухо-цинковый гальванический элемент вместе с литиевым элементом, подсоединенным либо параллельно, либо последовательно. Воздухо-цинковый элемент имеет номинальное напряжение, равное приблизительно 1,5 В, и очень высокое количество запасенной энергии на единицу веса, но может обеспечивать только низкие уровни установившегося тока. Однако литиевый элемент имеет номинальный уровень напряжения, равный приблизительно 3,0 В, и может обеспечивать короткие всплески высоких уровней тока. Подрегуляторы разрядки каждого гальванического элемента обеспечивают одинаковое номинальное выходное напряжение и дают возможность располагать их либо в параллельной, либо в последовательной электрической конфигурации. Когда элементы находятся в параллельной конфигурации, подрегуляторы также предотвращают зарядку элементов друг от друга. Подрегулятор для каждого элемента можно использовать для подсоединения или отсоединения любого или обоих элементов, как требуется нагрузкой. Таким образом, когда нагрузка находится в режиме низкой мощности, может быть подсоединен воздухо-цинковый элемент, чтобы обеспечить устойчивый, низкий ток, а когда нагрузка находится в режиме высокой мощности, литиевый элемент или литиевый и воздухо-цинковый элементы в комбинации могут обеспечивать ток, необходимый для подачи электроэнергии в нагрузку.

Гибридные батареи также могут содержать много различных комбинаций гальванических элементов, типа первичного и вторичного элементов, первичного и резервного элементов, вторичного и резервного элементов или первичного, вторичного и резервного элементов. Далее, гибридная батарея может также содержать комбинацию одного или более гальванических элементов и одного или более дополнительных источников питания, типа фотоэлементов, топливных, тепловых и механических элементов, обычного конденсатора или даже супер/ультраконденсатора. Например, гибридная батарея может содержать такие комбинации, как щелочной и воздухо-металлический элементы, воздухо-металлический и вторичный элементы, воздухо-металлический элемент и суперконденсатор. Более того, гибридные батареи могут также содержать любую комбинацию двух или больше из вышеупомянутых элементов или источников питания.

Далее, подрегулятор разрядки может также продлевать срок службы батареи посредством защиты гальванического элемента (элементов) от пиков тока, которые могут ухудшать работу компонентов гальванического элемента и понижать напряжение элемента. Например, подрегулятор может предотвращать высокие потребления тока от образования эффекта памяти в элементе и снижение продолжительности работы гальванического элемента (элементов). Пики тока также вредны для гальванических элементов типа щелочного, литиевого, NiCd, SLA, металл-гидридного и воздухо-цинкового элементов.

Подрегулятор разрядки может защищать гальванический элемент от пиков тока посредством обеспечения временного накопления электрического заряда на выходе подрегулятора так, чтобы временное накопление могло использоваться при безотлагательном требовании. Следовательно, потребность пиков тока можно полностью устранить или значительно уменьшить, прежде чем оно достигнет гальванического элемента. Это и позволяет батарее обеспечивать пики тока выше, чем может непосредственно обеспечивать гальванический элемент (элементы), и защищает гальванический элемент (элементы) от пиков тока, которые могут быть вредны для компонентов элемента. Элементом временного накопления предпочтительно является конденсатор. Этот конденсатор может быть конденсатором любого типа, который известен в технике, например обычным конденсатором, толстопленочным печатным конденсатором или даже супер/ультраконденсатором. На фиг.13, например, изображен конденсатор C_f, подсоединенный между выходными клеммами 1320 и 1322 контейнера 1312.

Один подрегулятор разрядки предпочтительно продлевает срок службы батареи путем защиты элемента от пиков тока и преобразования напряжения элемента в требуемое выходное напряжение. Например, предпочтительный вариант осуществления подрегулятора может включать преобразователь, когда напряжение элемента падает до заранее определенного напряжения, чтобы минимизировать потери, связанные с преобразователем. Тот же самый подрегулятор может контролировать как напряжение элемента, так и выходной ток нагрузки, и включать преобразователь, если либо напряжение элемента достигает заранее определенного уровня напряжения, либо ток нагрузки достигает заранее определенного уровня. В качестве альтернативы, подрегулятор может контролировать напряжение элемента и выходной ток нагрузки и определять, понижает ли подача требуемого тока нагрузки напряжение элемента ниже уровня напряжения отключения. В последнем примере подрегулятор работает от двух входных сигналов, объединенных в алгоритме, с целью определения, должен ли включаться преобразователь. Однако в прежнем примере подрегулятор включает преобразователь, если либо напряжение элемента падает до заранее определенного уровня напряжения, либо выходной ток нагрузки повышается до заранее определенного уровня. Наряду с другими возможными схемами управления, это обсуждается более подробно ниже.

Настоящее изобретение касается специализированных батарей, а также стандартных потребительских батарей, типа элементов АААА, ААА, АА, С или D и батарей на 9 В. Изобретение рассматривает использование специализированных первичных батарей и гибридных батарей, которые можно использовать в различных применениях. Ожидается, что эти специализированные батареи и гибридные батареи могут использоваться с целью замены перезаряжаемых батарей для таких использований, как 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, обеспечивается возможность разработчикам батарей конструировать полностью новые типы гибридных батарей, в которых используются различные типы элементов в сочетании или альтернативные источники питания, типа фотоэлементов, тепловых, топливных и механических элементов, обычных конденсаторов или даже супер/ультраконденсаторов, в одной и той же гибридной батарее.

Увеличение взаимозаменяемых типов гальванических элементов может также позволить разработчикам батарей обеспечить стандартные первичные или перезаряжаемые батареи, с целью уменьшения расчета на батареи по заказу, разрабатываемые для конкретных устройств типа телефонных аппаратов сотовой связи, портативных ЭВМ, видеокамер, фотоаппаратов и т.д. Потребитель может просто купить стандартные батареи для обеспечения энергией телефонного аппарата сотовой связи, также как потребитель может в настоящее время купить их для карманного фонарика или магнитофона, вместо необходимости приобретать батарею, специально изготовленную для конкретного типа, марки и/или модели электронного устройства. Кроме того, поскольку увеличивается количество производимых стандартных батарей, стоимость за единицу быстро снижается, приводя к значительно более доступным батареям, которые могут в конце концов заменить специально разрабатываемые перезаряжаемые батареи. Кроме того, первичные и перезаряжаемые батареи также можно использовать взаимозаменяемым образом друг с другом. Например, если бы перезаряжаемые батареи портативной ЭВМ были полностью истощены, пользователь мог бы купить первичные батареи, которые выдержали бы несколько часов использования, пока пользователь сможет зарядить перезаряжаемые батареи. Пользователь также может купить менее дорогостоящие батареи, если он не нуждается в некоторых более высоких уровнях характеристик, которые можно обеспечивать посредством устройства с более дорогостоящими батареями.

Электронную технологию маркирования типа используемой на фотографической пленке и т.д. также можно использовать для обозначения точного типа элемента (элементов) в батарее, номинальной и/или остающейся емкости элемента (элементов), пиковой и оптимальной возможностей подачи тока, текущего уровня зарядки, внутреннего полного сопротивления и т.д., чтобы "интеллектуальное" устройство могло считывать электронную маркировку и оптимизировать свое потребление, для улучшения характеристик устройства, для увеличения срока службы батареи и т.д. Камера, в которой уже используется электронная маркировка для определения скорости движения пленки (светочувствительности пленки), может, например, также использовать электронную технологию маркирования со своими батареями, чтобы учесть более медленную зарядку вспышки, прекращение использования вспышки и т.д., с целью оптимизирования срока службы конкретной батареи. В портативной ЭВМ также можно использовать электронную технологию маркирования с целью определения наиболее эффективных рабочих параметров для конкретных батарей посредством, например, изменения их быстродействия, чтобы лучшим образом использовать остающийся заряд в батарее в течение времени, необходимого пользователю, или используя технологию включения/выключения энергии для экономии энергии батареи. Кроме этого, видеокамеры, телефонные аппараты сотовой связи и т.д. могут также использовать электронное маркирование для оптимизирования использования батарей.

Настоящее изобретение также касается стандартных потребительских батарей типа элементов ААА, АА, С или D и батарей на 9 В. В дополнение к первичным батареям, являющимся взаимозаменяемыми с различными типами первичных или даже перезаряжаемых батарей, стандартные первичные или перезаряжаемые батареи могут быть доступными для применений там, где в настоящее время пригодны только изготовленные по заказу батареи. В зависимости от их потребностей, например, потребители могут купить одну или больше стандартных первичную или перезаряжаемую батарей, которые они могут установить непосредственно в свои портативные ЭВМ, видеокамеры, телефонные аппараты сотовой связи и другое портативное электронное оборудование. Как упоминалось выше, с увеличением количества производимых стандартных батарей стоимость за единицу быстро снижается, делая батареи значительно доступнее, так что в конечном счете они могут заменить специально разработанные перезаряжаемые батареи.

Для увеличения срока службы первичных батарей или перезаряжаемых батарей, которые имеют относительно низкую оптимальную глубину разрядки, можно разработать подрегулятор разрядки для работы даже при более низких напряжениях, чем достигнуто в технологии изготовления схем. Например, подрегулятор разрядки можно разработать для работы на уровнях напряжения вплоть до приблизительно 0,1 В в варианте осуществления на карбиде кремния (SiC), приблизительно до 0,34 В в варианте осуществления на арсениде галлия (GaAs) и приблизительно до 0,54 В в обычном варианте осуществления, основанном на кремнии. Кроме того, с уменьшением размера печати (фотолитографии) эти минимальные рабочие напряжения также уменьшаются. Например, в кремнии, уменьшая схемную печать до 0,18 микрона, технология снижает минимальное рабочее напряжение от приблизительно 0,54 В до приблизительно 0,4 В. Как описано выше, чем ниже минимальное требуемое рабочее напряжение подрегулятора разрядки, тем ниже этот подрегулятор разрядки может регулировать напряжение элемента, чтобы обеспечить самую глубокую разрядку первичного гальванического элемента, или оптимально разряжать перезаряжаемый гальванический элемент вплоть до низкой оптимальной глубины разрядки. Таким образом, изобретение охватывает использование различных достижений в изготовлении схем, с целью увеличения использования батареи вплоть до приблизительно 100% запасенного заряда гальванического элемента. Однако представленный основанный на кремнии вариант осуществления обеспечивает использование вплоть до 95% запасенного потенциала батареи, что является очень высоким по сравнению со средней величиной использования 40-70% первичных гальванических элементов без регулятора.

В одном основанном на кремнии предпочтительном варианте осуществления, например, разработан подрегулятор 102 разрядки для функционирования на напряжениях, составляющих 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 уровне, равном приблизительно 0,54 В. В подрегуляторе, разработанном для гальванического элемента, имеющем номинальное напряжение, равное приблизительно 1,5 В, подрегулятор предпочтительно способен работать на входном напряжении, равном по меньшей мере приблизительно 1,6 В. Более предпочтительно подрегулятор разрядки способен работать на входном напряжении, составляющем по меньшей мере приблизительно 1,8 В. Таким образом, предпочтительный подрегулятор должен иметь возможность работать в диапазоне напряжений от минимума, составляющего приблизительно 0,8 В, по меньшей мере до 1,6 В. Однако подрегулятор может и предпочтительно функционирует также и за пределами этого диапазона.

В предпочтительном варианте осуществления подрегулятора 102 разрядки по настоящему изобретению, разработанного для использования с гальваническим элементом 30 типа первичного литий-МnО₂ элемента, имеющим номинальное напряжение порядка 3,0 В, тем не менее подрегулятор должен иметь возможность функционировать на более высоком уровне напряжения, чем требуется для подрегулятора разрядки, используемого вместе с гальваническим элементом, имеющим номинальное напряжение порядка 1,5 В. В случае гальванического элемента, имеющего номинальное напряжение, равное приблизительно 3,0 В, подрегулятор разрядки предпочтительно способен функционировать в диапазоне от приблизительно 2,4 В до приблизительно 3,2 В. Более предпочтительно подрегулятор способен работать в диапазоне напряжений от приблизительно 0,8 В по меньшей мере приблизительно до 3,2 В. Более предпочтительно подрегулятор способен работать с входным напряжением в диапазоне от приблизительно 0,6 В по меньшей мере приблизительно до 3,4 В. Еще более предпочтительно подрегулятор способен работать с входным напряжением в диапазоне от приблизительно 0,54 В по меньшей мере приблизительно до 3,6 В при наиболее предпочтительном диапазоне от приблизительно 0,45 В до по меньшей мере приблизительно 3,8 В. Однако подрегулятор может и предпочтительно функционирует также и за пределами этого диапазона.

Однако в предпочтительном варианте осуществления подрегулятора 102 разрядки по настоящему изобретению, разработанного для использования с гальваническим элементом 30 типа перезаряжаемого литий-ионного элемента, имеющего номинальное напряжение, равное приблизительно 4,0 В, подрегулятор должен быть способен функционировать даже с более высоким уровнем напряжения, чем требуется для подрегулятора разрядки, используемого вместе с гальваническим элементом, имеющим номинальное напряжение, равное приблизительно 3,0 или приблизительно 1,5 В. В случае гальванического элемента, имеющего номинальное напряжение порядка 4,0 В, подрегулятор разрядки предпочтительно способен функционировать в диапазоне от приблизительно 2,0 В до приблизительно 4,0 В. Более предпочтительно подрегулятор способен работать в диапазоне напряжений от приблизительно 0,8 В по меньшей мере приблизительно до 4,0 В. Более предпочтительно подрегулятор способен к работе с входным напряжением в диапазоне от приблизительно 0,6 В по меньшей мере приблизительно до 4,0 В. Еще более предпочтительно подрегулятор способен к работе с входным напряжением в диапазоне от приблизительно 0,54 В по меньшей мере приблизительно до 4,0 В при наиболее предпочтительном диапазоне от приблизительно 0,45 В по меньшей мере приблизительно до 4,0 В. Однако подрегулятор может и предпочтительно функционирует также и за пределами этого диапазона.

В альтернативном предпочтительном варианте осуществления он способен работать с гальваническим элементом, имеющим номинальное напряжение, равное либо приблизительно 1,5 В, либо приблизительно 3,0 В. В этом варианте осуществления подрегулятор разрядки способен работать с минимальным входным напряжением, равным приблизительно 0,8 В, предпочтительно приблизительно 0,7 В, более предпочтительно приблизительно 0,6 В и наиболее предпочтительно приблизительно 0,54 В, а максимальное входное напряжение составляет 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. Например, подрегулятор разрядки может быть способен функционировать 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 отчетливые преимущества по сравнению с 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, выходное напряжение батареи снижается. Поскольку выходная мощность электрического устройства прямо пропорциональна напряжению, поставляемому батареей, выход электрического устройства уменьшается пропорционально с выходным напряжением батареи. Например, яркость свечения лампы накаливания карманного фонарика продолжает уменьшаться, когда выходное напряжение батареи снижается, пока батарея не разрядится полностью. Однако батарея по настоящему изобретению имеет подрегулятор разрядки, который регулирует напряжение элемента до относительно постоянного, управляемого уровня напряжения в течение всего цикла разрядки батареи до тех пор, пока напряжение гальванического элемента 30 не снизится до уровня напряжения, ниже которого подрегулятор не способен работать. В это время батарея выключится, и электрическое устройство прекратит работу. Однако во время цикла разрядки электрическое устройство продолжит обеспечивать относительно устойчивый выход (например, яркость свечения лампы накаливания) и полные функциональные возможности, пока батарея не выключится.

Предпочтительный вариант осуществления батареи по настоящему изобретению также включает в себя предупреждение пользователя о низком остающемся заряде, а также индикатор остающейся емкости. Например, подрегулятор разрядки может периодически отсоединять гальванический элемент (элементы) от выходных клемм батареи на короткую продолжительность времени и вновь подсоединять его, когда напряжение гальванического элемента достигает заранее определенной величины. Это может обеспечивать визуальную, слышимую, вибрационную или считываемую устройством индикацию о том, что емкость батареи снижается. Кроме того, подрегулятор также может искусственно воссоздавать условия состояния ускоренной разрядки батареи посредством снижения выходного напряжения батареи в конце периода нормальной эксплуатации батареи. Например, подрегулятор может начинать линейно снижать выходное напряжение, когда запасенная емкость батареи составляет приблизительно 5% от ее номинальной емкости. Это может обеспечивать индикацию пользователю, например, понижением громкости в системе воспроизведения магнитных записей или компакт-дисков или обеспечивать индикацию для устройства, которое может соответственно предупреждать пользователя.

На фиг.7 изображена блок-схема одного варианта осуществления настоящего изобретения, в котором преобразователь 750 постоянного напряжения подрегулятора 702 разрядки электрически или предпочтительно электронным способом подсоединен 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 в выходное напряжение на положительной 720 и отрицательной 722 клеммах контейнера 712. Преобразователь 750 постоянного напряжения может обеспечивать преобразование с повышением напряжения, преобразование с понижением напряжения, преобразование с повышением и понижением напряжения или стабилизацию напряжения на выходных клеммах 720 и 722. В этом варианте осуществления преобразователь 750 постоянного напряжения функционирует в непрерывном режиме, при котором выходное напряжение гальванического элемента 730 преобразовывается в устойчивое выходное напряжение на клеммах 720 и 722 контейнера в течение продолжительности работы батареи. Этот вариант осуществления стабилизирует выходное напряжение контейнера 712 на выходных клеммах 720 и 722. Обеспечение устойчивого выходного напряжения позволяет разработчикам электронных устройств снижать сложность цепей управления питанием электронных устройств и, соответственно, также уменьшать размер, вес и стоимость устройств.

Преобразователь 750 постоянного напряжения продолжает работать до тех пор, пока напряжение гальванического элемента 730 не упадет ниже либо оптимальной глубины разрядки гальванического элемента в случае перезаряжаемого гальванического элемента, либо минимального напряжения V _fb прямого смещения электронных компонентов преобразователя 750 в случае первичного гальванического элемента. До такой степени, до которой оптимальная глубина разрядки гальванического элемента или минимальное переключающее напряжение V_fb преобразователя 750 постоянного напряжения оказывается ниже, чем напряжение отключения электронного устройства, которое батарея 710 снабжает энергией, регулятор 740 будет также увеличивать срок службы батареи 710 посредством разрядки батареи 710 за пределы напряжения отключения электронного устройства, путем поддержания выходного напряжения на клеммах 720 и 722 контейнера 712 выше напряжения отключения электронного устройства.

В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг.7, преобразователь 750 постоянного напряжения, который работает в непрерывном режиме, может быть преобразователем с понижением напряжения, который понижает напряжение гальванического элемента 730 до выходного напряжения контейнера 712. В одном варианте осуществления подрегулятора 702 разрядки, который включает в себя преобразователь с понижением напряжения, преобразователь понижает напряжение первого типа гальванического элемента 730 до выходного напряжения контейнера 712, которое равняется приблизительно номинальному уровню напряжения второго типа гальванического элемента, так что батарея, содержащая первый тип гальванического элемента 730, оказывается взаимозаменяемой с батареей, содержащей второй тип гальванического элемента. Например, гальванический элемент, имеющий более высокое номинальное напряжение, чем стандартный элемент на 1,5 В, можно использовать в комбинации с понижающим преобразователем, который работает непрерывно, чтобы обеспечить элемент, являющийся взаимозаменяемым со стандартным элементом, без необходимости химического изменения гальванического элемента. Этот вариант осуществления обеспечивает возможность взаимозаменяемости между различными типами гальванических элементов в большей степени, чем иначе было бы возможно без химического изменения конструкции самого гальванического элемента и уменьшения аккумулирования химической энергии элемента.

Первичный или перезаряжаемый литиевый элемент, например, можно использовать в стандартном блоке батареи АА, чтобы обеспечить по меньшей мере в два раза большую емкость, чем у щелочной батарея такого же объема. Литиевый элемент типа первичного или перезаряжаемого литий-МnO₂ элемента имеет номинальное напряжение порядка 3,0 В и обычно не может использоваться взаимозаменяемым образом со стандартной АА щелочной батареей, которая имеет номинальное напряжение порядка 1,5 В. Литий-ионный элемент, имеющий номинальное напряжение приблизительно 4,0 В, также обычно нельзя использовать взаимозаменяемым образом со стандартной NiCd батареей, которая имеет номинальное напряжение приблизительно 1,4 В. Однако разработчики батарей создали новые типы литиевых батарей, например LiFeSa, которые имеют номинальное напряжение приблизительно 1,6 В, чтобы создать литиевую батарею, которую можно использовать взаимозаменяемым образом, например, со стандартной АА щелочной батареей. Хотя эта литиевая батарея на 1,6 В все еще имеет способность выдавать высокие уровни тока для использования в нагрузках типа фотовспышек, использование 1,6 В литиевого гальванического элемента приводит к существенному химическому сокращению аккумулированной химической энергии на вес лития. Однако настоящее изобретение обеспечивает способность использовать высоковольтный первичный или перезаряжаемый литиевый гальванический элемент, который имеет номинальное напряжение приблизительно 3,0 В или приблизительно 4,0 В, и регулятор для преобразования этого номинального напряжения с понижением приблизительно до 1,5 В или приблизительно до 1,4 В. Таким образом, батарея обеспечивает приблизительно двойное аккумулирование химической энергии щелочной 1,5 В батареи или батареи NiCd на 1,4 В в батарее, которая является полностью взаимозаменяемой с любой из этих батарей на 1,5 В или на 1,4 В. Дополнительно, литиевая батарея по настоящему изобретению может обеспечить такие же высокие уровни тока, как LiFeS₂ элемент на 1,6 В.

Кроме того, подрегулятор 702 разрядки также оптимизирует характеристики электрического устройства типа карманного фонарика, в котором используется батарея 710. Хотя электрическое устройство не выключается, как электронное устройство при минимальном рабочем напряжении, характеристики электрического устройства, типа яркости свечения лампы накаливания карманного фонарика, снижаются при снижении входного напряжения. Таким образом, стабильное выходное напряжение батареи 710 обеспечивает возможность, чтобы характеристики электрического устройства оставались постоянными в течение продолжительности работы батареи без снижения характеристик устройства при понижении напряжения гальванического элемента 730.

В преобразователе 750 постоянного напряжения можно использовать одну или больше из множества известных схем управления, типа импульсной модуляции, которая может дополнительно включать в себя широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ), частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ) и фазоимпульсную модуляцию (ФИМ), схему управления пропусков импульсов низкой нагрузки, резонансные преобразователи 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 описана подробно ниже.

В предпочтительном варианте осуществления преобразователя 750 постоянного напряжения для использования в батарее по настоящему изобретению преобразователем управляет широтно-импульсный модулятор для возбуждения преобразователя 750 постоянного напряжения. Широтно-импульсный модулятор генерирует управляющий сигнал фиксированной частоты, в котором изменяется рабочий цикл. Например, рабочий цикл может быть нулевым, когда преобразователь постоянного напряжения выключен, 100%, когда преобразователь работает на полной емкости, и изменяться 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 формирования рабочего цикла. В одном варианте осуществления выходное напряжение на клеммах 720 и 722 контейнера 712 непрерывно замеряется и сравнивается с опорным напряжением. Для изменения рабочего цикла преобразователя постоянного напряжения используется сигнал коррекции ошибки. В этом примере цепь отрицательной обратной связи от выходного напряжения на клеммах 720 и 722 контейнера 712 позволяет преобразователю 750 постоянного напряжения обеспечить устойчивое выходное напряжение. В качестве альтернативы, чтобы формировать рабочий цикл, преобразователь 750 постоянного напряжения может использовать множество входных сигналов типа напряжения элемента, то есть напряжения между положительным 732 и отрицательным 734 электродами гальванического элемента 730, и тока на выходе. В этом варианте осуществления контролируются напряжение элемента и выходной ток, и преобразователь 750 постоянного напряжения формирует рабочий цикл, который является функцией этих двух параметров.

На фиг.8-11 изображены блок-схемы дополнительных вариантов осуществления схем подрегулятора разрядки по настоящему изобретению. В каждом из этих вариантов осуществления схема подрегулятора включает в себя по меньшей мере два основных компонента: (1) преобразователь постоянного напряжения и (2) регулятор преобразователя, который электрически или предпочтительно электронным способом подсоединяет преобразователь постоянного напряжения между электродами гальванического элемента и выходными клеммами контейнера и отсоединяет его, так что внутренние потери преобразователя постоянного напряжения образуются, только когда преобразователю постоянного напряжения необходимо преобразовывать напряжение элемента в напряжение, требуемое для приведения в действие нагрузки. Например, преобразователь постоянного напряжения может включаться, только когда напряжение элемента падает до заранее определенного уровня, ниже которого нагрузка больше не может функционировать. В качестве альтернативы, если электронному устройству требуется входное напряжение в пределах определенного диапазона, например 10% от номинального напряжения батареи, регулятор преобразователя может "включать" преобразователь постоянного напряжения, когда напряжение элемента находится за пределами требуемого диапазона, и "выключать" 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 выключатель, который либо непосредственно подсоединяет гальванический элемент 830 к выходным клеммам 820 и 822 контейнера 812, либо подсоединяет преобразователь 850 постоянного напряжения между гальваническим элементом 830 и выходными клеммами 820 и 822 контейнера 812. Регулятор 852 преобразователя непрерывно считывает выходное напряжение и сравнивает его с одним или более вырабатываемыми внутри пороговыми напряжениями. Если выходное напряжение контейнера 812 падает ниже уровня порогового напряжения или, например, находится вне требуемого диапазона пороговых напряжений, регулятор 852 преобразователя "включает" преобразователь 850 постоянного напряжения посредством электрического или предпочтительно электронного способа, подсоединяет преобразователь 850 постоянного напряжения между гальваническим элементом 830 и выходными клеммами 820 и 822 контейнера 812. Пороговое напряжение предпочтительно находится в диапазоне от приблизительно номинального напряжения гальванического элемента 830 до приблизительно самого высокого напряжения отключения того класса электронных устройств, для которых разработана батарея. В качестве альтернативы, регулятор 852 преобразователя может непрерывно считывать напряжение гальванического элемента 830 и сравнивать это напряжение с пороговым напряжением, чтобы управлять действием преобразователя 850 постоянного напряжения.

В случае перезаряжаемой батареи регулятор 852 преобразователя предпочтительно также отсоединяет гальванический элемент 830 от выходных клемм 820 и 822 контейнера 812, когда напряжение элемента достигает приблизительно оптимальной глубины разрядки гальванического элемента 830. Это обеспечивает максимальный срок службы батареи по числу зарядных циклов, в котором каждый цикл разрядки имеет оптимизированную продолжительность работы батареи. Таким образом, срок службы батареи может быть увеличен.

Подрегулятор 902 разрядки на фиг.9 включает в себя элементы показанного на фиг.8 подрегулятора 802 разрядки, но дополнительно включает в себя заземляющую цепь 980 смещения, электрически подсоединенную между электродами 932 и 934 гальванического элемента 930 и преобразователем 950 постоянного напряжения, регулятором 952 преобразователя и выходными клеммами 920 и 922 контейнера 912. Заземляющая цепь 980 смещения обеспечивает уровень напряжения V_nb с отрицательным смещением для преобразователя 950 постоянного напряжения и отрицательной выходной клеммы 922 контейнера 912. Это увеличивает напряжение, подводимое к преобразователю 950 постоянного напряжения от напряжения элемента, до уровня напряжения элемента плюс абсолютная величина уровня напряжения V_nb с отрицательным смещением. Это обеспечивает возможность преобразователю 950 функционировать на эффективном уровне напряжения, пока фактическое напряжение элемента не 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 можно было бы осуществлять только при напряжении гальванического элемента 930, приводящем в действие преобразователь 950. В предпочтительном варианте осуществления подрегулятора 902 разрядки для батареи 910 по настоящему изобретению, имеющей гальванический элемент с номинальным напряжением, равным приблизительно 1,5 В, напряжение V_nb с отрицательным смещением предпочтительно изменяется в диапазоне между приблизительно 0 В и приблизительно 1 В. Более предпочтительно напряжение V_nb с отрицательным смещением приблизительно равняется 0,5 В при наиболее предпочтительном значении, равном 0,4 В. Следовательно, заземляющая цепь 980 смещения допускает, чтобы преобразователь более глубоко разряжал гальванический элемент 930 и увеличивал 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 может использоваться в качестве заземляющей цепи 980 смещения в батарее 910 по настоящему изобретению. В этом варианте осуществления, когда выключатели S₁ и S₃ замкнуты, а S₂ и S₄ разомкнуты, напряжение гальванического элемента 930 заряжает конденсатор С_а. Затем, когда выключатели S₁ и S ₃ размыкаются, a S₂ и S₄ замыкаются, заряд на конденсаторе С_а инвертируется и передается на конденсатор С_b, который обеспечивает инвертированное выходное напряжение относительно напряжения гальванического элемента 930. В качестве альтернативы, показанный на фиг.9А нагнетатель 988 заряда может быть заменен любой известной в технике подходящей схемой нагнетания заряда.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения заземляющая цепь 980 смещения включает в себя схему 986 нагнетателя заряда. Схема 986 нагнетателя заряда показана на фиг.9В и включает в себя тактовый генератор 987 и один или больше нагнетателей 988. В показанном на фиг.9В предпочтительном варианте осуществления схемы 986 нагнетателя заряда, например, нагнетатель заряда включает в себя двухуровневую конфигурацию, содержащую 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 данного варианта осуществления возбуждаются четырьмя различными управляющими сигналами 991а, 991b, 991с и 991d с различными фазами, генерируемыми тактовым генератором 987, каждый из которых имеет одинаковую частоту, но сдвинуты по фазе относительно друг друга. Управляющие сигналы 991а-991d, например, могут быть сдвинуты по фазе на девяносто градусов относительно друг друга. В этом варианте осуществления каждый из мини-нагнетателей 989 обеспечивает инвертированное выходное напряжение управляющих сигналов 991а-991d, которые генерирует тактовый генератор. Главный нагнетатель 990 суммирует выходные сигналы множества 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 представляет собой общую величину тока, поставляемого всеми двенадцатью мини-нагнетателями 989. Этот выходной сигнал обеспечивает виртуальное заземление для преобразователя 950 постоянного напряжения и выходной отрицательной клеммы 922 контейнера 912.

В дополнительном аспекте изобретения схема нагнетателя заряда дополнительно включает в себя регулятор 992 нагнетателя заряда, который включает схему 986 нагнетателя заряда, только когда напряжение элемента падает до заранее определенного уровня напряжения, чтобы минимизировать потери, связанные со схемой 986 нагнетателя заряда. Заранее определенное напряжение для регулятора 992 нагнетателя заряда, например, может находиться в диапазоне от приблизительно номинального напряжения гальванического элемента 930 до приблизительно самого высокого напряжения отключения группы электронных устройств, для снабжения энергией которых разработана батарея 910. Заранее определенное напряжение более предпочтительно приблизительно более чем на 0,1 В выше напряжения отключения электронного устройства при наиболее предпочтительном уровне, приблизительно на 0,05 В большем напряжения отключения. В качестве альтернативы, схема 986 нагнетателя заряда может управляться тем же самым управляющим сигналом, который включает преобразователь 950 постоянного напряжения, чтобы схема 986 нагнетателя заряда функционировала, только когда работает преобразователь 950.

Кроме этого, и преобразователь 950 постоянного напряжения, и схема 986 нагнетателя заряда в батарее, имеющей перезаряжаемый гальванический элемент, предпочтительно выключаются, когда напряжение элемента падает приблизительно до оптимальной глубины разрядки. Это обеспечивает возможность оптимальной разрядки перезаряжаемого гальванического элемента, чтобы обеспечить максимальное количество и эффективность циклов зарядки для этого элемента.

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

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

Фиг.10 изображает еще один вариант осуществления схемы 1002 подрегулятора разрядки по настоящему изобретению. В этом варианте осуществления преобразователь 1050 постоянного напряжения способен принимать корректирующий управляющий сигнал из внешнего источника типа цепи 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 1002 подрегулятора разрядки включает в себя такие же элементы, как показанная на фиг.9 схема 902 подрегулятора разрядки, но дополнительно содержит цепь 1062 считывания фазового сдвига, которая измеряет мгновенный сдвиг фаз между составляющими переменного тока напряжения элемента на электроде 1032 и тока, поступающего из гальванического элемента 1030, измеряемого на резисторе R_с считывания тока. Преобразователь 1050 постоянного напряжения использует этот сигнал в сочетании с другими генерируемыми внутри или с внешней стороны управляющими сигналами для формирования рабочего цикла.

Подрегулятор 1102 разрядки показанного на фиг.11 варианта осуществления может включать в себя такие же элементы, как подрегулятор 1002 разрядки, показанный на фиг.10, но дополнительно содержит схему 1182 аварийного отключения, электрически соединенную с обеими сторонами резистора R_с считывания тока и с отрицательной клеммой 1122 гальванического элемента 1130 и далее соединенную с регулятором 1152 преобразователя. Схема 1182 аварийного отключения может подавать сигнал в регулятор 1152 преобразователя в ответ на одно или более связанных с надежностью состояний, требующих отсоединения гальванического элемента (элементов) 1130 от выходных клемм 1120 и 1122 контейнера 1112 с целью защиты потребителя, электрического или электронного устройства, использующего батарею 1110, или самого гальванического элемента 1130. Например, в случае короткого замыкания или обратной полярности схема 1182 аварийного отключения подает сигнал в регулятор 1152 преобразователя для отсоединения электродов 1132 и 1134 гальванического элемента 1030 от выходных клемм 1120 и 1122 контейнера 1112. Кроме того, схема 1182 аварийного отключения также может обеспечивать индикацию конца цикла разрядки гальванического элемента 1130 для регулятора 1152 преобразователя посредством считывания напряжения и/или внутреннего полного сопротивления гальванического элемента 1130. Например, подрегулятор 1102 разрядки может линейно понижать ток, когда остающаяся емкость гальванического элемента 1130 падает до заранее определенного уровня, периодически отсоединять электроды 1132 и 1134 гальванического элемента 1130 от выходных клемм 1120 и 1122 на небольшой промежуток времени и вновь подсоединять, когда остающаяся емкость гальванического элемента 1130 достигает заранее определенной величины, или обеспечивать некоторую другую визуальную, слышимую или машиносчитываемую индикацию о том, что батарея находится на грани отключения. Отдельно схема 1182 аварийного отключения также может использоваться для обеспечения режима обхода регулятора, если цепь 1183 считывания тока указывает, что номинал установившегося тока выше, чем может поддерживать регулятор 1152. Если этот ток находится в пределах запаса надежности элемента 1130, схема 1182 аварийного отключения может посылать сигнал в регулятор 1152 преобразователя для подсоединения электродов 1132 и 1134 гальванического элемента 1130 непосредственно к выходным клеммам 1120 и 1122 в обход преобразователя 1150. В конце цикла разрядки схема аварийного отключения может также посылать сигнал в регулятор 1154 преобразователя для отсоединения гальванического элемента 1130 от выходных клемм 1120 и 1122 контейнера 1112 и/или для короткого замыкания выходных клемм 1120 и 1122, с целью предотвращения потребления тока разряженным гальваническим элементом 1130 от других элементов, соединенных последовательно с разряженным гальваническим элементом 1130.

Предпочтительный подрегулятор 1202 разрядки, 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 необходимость в дополнительном выключателе типа регулятора 852 преобразователя на прямом электрическом пути между положительным 1232 или отрицательным 1234 электродами гальванического элемента 1230 и выходными клеммами 1220 и 1222 контейнера. Дополнительно, синхронный выпрямитель 1274 увеличивает эффективность преобразователя 1250 постоянного напряжения путем снижения внутренних потерь. Регулятор 1252 преобразователя данного варианта осуществления также обеспечивает дополнительные входные сигналы для управления преобразователем 1250 постоянного напряжения. Например, в показанном на фиг.12 варианте осуществления регулятор 1252 преобразователя контролирует внутреннее состояние гальванического элемента посредством датчиков (не показанных), типа датчиков температуры, давления и концентрации водорода и кислорода, в дополнение к описанным ранее относительно фиг.10 измерениям фазового сдвига.

Фиг.7-12 изображают постепенно все более усложняющиеся конструкции схем по настоящему изобретению. Они приведены в этом порядке для того, чтобы обеспечить последовательное описание различных элементов, которые могут быть включены в схему подрегулятора разрядки в дополнение к преобразователю постоянного напряжения, который является центральным элементом соответствующего настоящему изобретению регулятора. Предполагается, что порядок представления не предназначен для того, чтобы элементы, вводимые позже в схемах, объединяющих множество различных элементов, имели все особенности, описанные относительно предыдущих чертежей, чтобы не выходить за рамки объема притязания настоящего изобретения. Схему аварийного отключения, схему индикатора зарядки, цепь считывания фазы и/или заземляющую цепь смещения, например, можно использовать в сочетании с цепями, показанными на 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 изображен на фиг.13. Преобразователь 1350 предпочтительно является высокоэффективным и преобразователем средней мощности, который может функционировать ниже порогового напряжения большинства электронных устройств. Подрегулятор 1302 разрядки предпочтительно включает в себя нагнетатель заряда типа показанного на фиг.9В, чтобы обеспечить виртуальное заземление, которое имеет потенциал ниже потенциала отрицательного электрода 1334 гальванического элемента 1330, для преобразователя 1350 постоянного напряжения и выходной клеммы 1322 контейнера 1312. Виртуальное заземление обеспечивает увеличенный перепад напряжения, доступный для возбуждения преобразователя 1350 постоянного напряжения, и позволяет преобразователю 1350 более эффективно выводить более высокий уровень тока из гальванического элемента 1330, чем было бы можно в случае приведения в действие преобразователя только напряжением элемента.

В этом варианте осуществления в регуляторе 1352 преобразователя предпочтительно используется схема управления широтно-импульсной и фазоимпульсной модуляции. Цепь 1362 считывания фазового сдвига измеряет напряжение элемента и ток, поступающий 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 зарядной емкости гальванического элемента 1330. В щелочной батарее, например, после разрядки гальванического элемента 1330 приблизительно на 50%, которая определяется падением напряжения в режиме короткого замыкания элемента, увеличивающееся внутреннее полное сопротивление указывает на остающуюся емкость гальванического элемента 1330. Цепь 1362 считывания фазового сдвига обеспечивает эти сигналы для регулятора 1371 с линейной фазовой характеристикой. Затем регулятор 1371 с линейной фазовой характеристикой обеспечивает напряжение V_s, считываемое цепью 1362 считывания фазового сдвига, и управляющий сигнал V(psi) выходного напряжения, который является линейно пропорциональным фазовому сдвигу для импульсного модулятора 1376, который использует комбинацию схем управления широтно-импульсной модуляции и фазоимпульсной модуляции. Импульсный модулятор 1376 также принимает падение напряжения на резисторе R_s в качестве сигнала регулирования напряжения.

Импульсный модулятор 1376 использует сигналы регулирования напряжения в сочетании для возбуждения преобразователя 1350 постоянного напряжения. Когда напряжение V_s выше заранее определенного уровня порогового напряжения, импульсный модулятор 1376 сохраняет полевой транзистор со структурой 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 этого, потери, связанные с преобразователем 1350 постоянного напряжения и регулятором 1352 преобразователя, минимизированы, поскольку рабочий цикл эффективно сохраняется на нулевом проценте. В этом случае потери постоянного тока запертого МОП-транзистора М₃ и резистора R_s чрезвычайно низкие. Резистор R_s, например, имеет номинальное значение предпочтительно в диапазоне от приблизительно 0,01 до приблизительно 0,1 Ом.

Однако, когда напряжение V_s ниже заранее определенного уровня порогового напряжения, импульсный модулятор 1376 включается и модулирует рабочий цикл преобразователя 1350 постоянного напряжения на основании сочетания сигналов регулирования напряжения. Амплитуда V_s действует как первичный управляющий сигнал, который управляет рабочим циклом. Падение напряжения на резисторе R_s считывания тока или датчике тока, которое является функцией выходного тока, действует как второй управляющий сигнал. Наконец, сигнал V(psi), создаваемый регулятором 1371 с линейной фазовой характеристикой, который является линейно пропорциональным сдвигу фаз между составляющими переменного тока напряжения элемента и тока, поступающего из гальванического элемента 1330, является третьим управляющим сигналом. В частности, сигнал V(psi) используется для изменения рабочего цикла в ответ на изменение внутреннего полного сопротивления в течение продолжительности работы батареи, которое воздействует на эффективность преобразователя и продолжительность работы батареи. Импульсный модулятор увеличивает рабочий цикл, если мгновенная и/или непрерывная амплитуда V_s уменьшается или если падение напряжения на резисторе R_s увеличивается, и/или мгновенная и/или непрерывная амплитуда управляющего сигнала V(psi) увеличивается. Участие каждой переменной взвешивается согласно соответствующему алгоритму управления.

Когда импульсный модулятор 1376 включается, его генератор вырабатывает управляющие импульсы волны в виде меандра или последовательности трапецеидальных импульсов, которые предпочтительно имеют рабочий цикл 50% и частоту в диапазоне от приблизительно 40 кГц до приблизительно 1 МГц, более предпочтительно в диапазоне от приблизительно 40 кГц до приблизительно 600 кГц при наиболее предпочтительной частоте порядка 600 кГц. Импульсный модулятор 1376 изменяет рабочий цикл выходного управляющего сигнала для МОП-транзисторов М₃ и М₄, используя соответствующий алгоритм управления. В более общем случае алгоритм управления приводит в действие транзисторы М₃ и М₄ с одним и тем же рабочим циклом, но в противофазе. МОП-транзисторы М₃ и М ₄ предпочтительно являются комплементарными мощными транзисторами, в которых М₃ является предпочтительно МОП-транзистором с каналом N-типа, а М₄ - предпочтительно МОП-транзистором с каналом Р-типа. В сущности, конфигурация всего преобразователя 1350 постоянного напряжения представляет собой повышающий преобразователь постоянного напряжения с синхронизированным выпрямителем на выходе. Кроме того, преобразователь 1350 минимизирует потери переменного и постоянного тока, используя МОП-транзистор М₃ вместо несинхронного диода Шотки. М₃ и мощный МОП-транзистор М₄ приводят в действие отдельные управляющие сигналы. Изменение фазы и/или рабочего цикла между управляющими сигналами М₃ и М₄ изменяет выходное напряжение на клеммах 1320 и 1322 контейнера 1312.

Импульсный модулятор 1376 может управлять МОП-транзисторами М₃ и М ₄ на основании одного или больше сигналов регулирования напряжения типа напряжения V_s, падения напряжения на резисторе R_s или внутреннего полного сопротивления гальванического элемента 1330. Если потребление тока нагрузки низкое, например, импульсный модулятор 1376 формирует рабочий цикл преобразователя 1350 постоянного напряжения близко к нулевому проценту. Однако, если потребление тока нагрузки высокое, импульсный модулятор 1376 формирует рабочий цикл преобразователя постоянного напряжения 1350 близко к 100%. Поскольку потребление тока нагрузки изменяется между этими двумя конечными точками, импульсный модулятор 1376 изменяет рабочий цикл преобразователя постоянного напряжения так, чтобы обеспечить ток, требуемый нагрузкой.

На Фиг.14 приводится сравнение примерных кривых разрядки для батареи В ₁, которая не имеет соответствующего настоящему изобретению регулятора, батареи В₂ по настоящему изобретению, имеющей подрегулятор разрядки, в котором преобразователь работает в непрерывном режиме, и для батареи В₃ по настоящему изобретению, имеющей подрегулятор разрядки, в котором преобразователь включается выше напряжения отключения батареи для обычного электронного устройства, для которого разработана эта батарея. Как показано на фиг.14, батарея В₁, которая не имеет регулятор по настоящему изобретению, будет отказывать в электронном устройстве, имеющем напряжение отключения V_c, в момент времени t₁. Однако подрегулятор разрядки батареи В₂ непрерывно повышает выходное напряжение батареи до уровня напряжения V₂ на протяжении всей продолжительности работы батареи. Когда напряжение гальванического элемента батареи В₂ падает до уровня напряжения V_d минимального рабочего напряжения подрегулятора разрядки, подрегулятор батареи В ₂ выключается, и выходное напряжение батареи падает до нуля в момент времени t₂, заканчивая эффективную продолжительность работы батареи В₂. Как показано на графике фиг.14, продление эффективной продолжительности работы батареи В ₂, имеющей подрегулятор, в котором преобразователь работает в непрерывном режиме, составляет время t₂ – t ₁.

Однако регулятор батареи В₃ не начинает повышать выходное напряжение батареи, пока напряжение гальванического элемента не достигает заранее определенного уровня напряжения V_p3. Заранее определенный уровень напряжения V _p3 предпочтительно находится в диапазоне между номинальным уровнем напряжения гальванического элемента и самым высоким напряжением отключения того класса электронных устройств, для которого предназначена батарея. Более предпочтительно, заранее определенный уровень напряжения V_p3 составляет приблизительно на 0,2 В больше, чем самое высокое напряжение отключения V_c того класса электронных устройств, для которого предназначена батарея. Еще более предпочтительно, заранее определенный уровень напряжения V_p3 составляет приблизительно на 0,15 В больше, чем самое высокое напряжение отключения V_c того класса электронных устройств, для которого предназначена батарея. Однако, еще более предпочтительно, заранее определенный уровень напряжения V_p3 составляет приблизительно на 0,1 В больше, чем самое высокое напряжение отключения V_c того класса электронных устройств, для которого предназначена батарея, при наиболее предпочтительном уровне приблизительно на 0,05 В больше, чем V_c. Когда напряжение на выводах элемента достигает заранее определенного уровня напряжения V _p3, преобразователь батареи В₃ начинает повышать или стабилизировать выходное напряжение до уровня V_c +V. Уровень напряжения V показан на фиг.14 и представляет разность напряжений между повышенным выходным напряжением батареи В₃ и напряжением отключения V_c. Уровень напряжения V предпочтительно находится в диапазоне от приблизительно 0 В до приблизительно 0,4 В при наиболее предпочтительном уровне приблизительно 0,2 В. Затем батарея В₃ продолжает обеспечивать выходной сигнал, пока напряжение гальванического элемента не упадет до уровня напряжения V_d, минимального рабочего напряжения преобразователя, когда регулятор батареи В₃ выключается. В это время выходное напряжение батареи падает до нуля в момент времени t₃, оканчивая эффективную продолжительность работы батареи В₃. Как показано на графике фиг.14, продление эффективной продолжительности работы батареи В ₃ по сравнению с батареей В₁, которая не имеет преобразователя по настоящему изобретению, составляет t₃ -t₁.

На фиг.14 также показано, что батарея В₃ продолжает работать дольше батареи В₂ , когда они подсоединены к одному и тому же электронному устройству. Поскольку преобразователь батареи В₂ работает непрерывно, внутренние потери преобразователя потребляют некоторую часть емкости энергии гальванического элемента батареи В₂ , и, следовательно, напряжение элемента батареи В₂ достигнет минимального рабочего напряжения преобразователя V _d за более короткое время по сравнению с батареей В₃, в которой регулятор функционирует только в период цикла разрядки. Таким образом, оптимизация выбора заранее определенного напряжения V_p3 батареи В₃ как можно ближе к напряжению отключения электронного устройства, которое она снабжает энергией, приведет к наиболее эффективному использованию гальванического элемента и приведет к большему продлению продолжительности работы батареи. Таким образом, заранее определенное напряжение V_p3 батареи В₃ предпочтительно равно или немного большее напряжения отключения электронного или электрического устройства, для снабжения электроэнергией которого она предназначена. Например, заранее определенное напряжение V_p3 предпочтительно может быть приблизительно на 0,2 В больше, чем напряжение отключения. Более предпочтительно, заранее определенное напряжение V _p3 может быть предпочтительно приблизительно на 0,15 В больше, чем напряжение отключения. Еще более предпочтительно, заранее определенное напряжение V_p3 может быть предпочтительно приблизительно на 0,1 В больше, чем напряжение отключения, при наиболее предпочтительном уровне приблизительно на 0,05 В больше, чем напряжение отключения.

Однако, если батарея разработана как универсальная батарея для разнообразных электронных устройств, то заранее определенное напряжение V_p3 предпочтительно выбирают равным или немного большим, чем самое высокое напряжение отключения этой группы электронных устройств. Например, заранее определенное напряжение V_p3 может быть предпочтительно приблизительно на 0,2 В больше, чем самое высокое напряжение отключения этой группы электронных устройств. Более предпочтительно, заранее определенное напряжение V_p3 может быть предпочтительно приблизительно на 0,15 В больше, чем самое высокое напряжение отключения этой группы электронных устройств. Еще более предпочтительно, заранее определенное напряжение V_p3 может быть предпочтительно приблизительно на 0,1 В больше, чем самое высокое напряжение отключения этой группы электронных устройств при наиболее предпочтительном уровне приблизительно на 0,05 В больше, чем самое высокое напряжение отключения этой группы электронных устройств.

Графики фиг.14 также изображают более низкое минимальное рабочее напряжение преобразователя V_d, большее продление продолжительности работы по сравнению с батареей В₁, которая не имеет регулятора по настоящему изобретению. Кроме того, чем больше разность между напряжением V_c отключения электронного устройства и минимальным рабочим напряжением V_d преобразователя, тем большее регулятор по настоящему изобретению обеспечит продление продолжительности работы батареи благодаря повышению напряжения гальванического элемента.

Далее, на фиг.14 изображено, что отключение устройства больше не является фактором ограничения разрядки первичного или перезаряжаемого гальванического элемента. Пока регулятор может поддерживать выходное напряжение батареи выше напряжения отключения устройства, гальванический элемент (элементы) батареи может продолжать разряжаться. В первичной батарее это обеспечивает возможность разряжаться элементу (элементам) по возможности полнее, в зависимости от минимального рабочего напряжения преобразователя. Однако в перезаряжаемой батарее настоящее изобретение обеспечивает возможность оптимальной разрядки, которая увеличивает срок службы перезаряжаемой батареи, независимо от напряжения отключения устройства, пока преобразователь способен функционировать от напряжения на выводах элемента, меньшего или равного оптимальной глубине разрядки перезаряжаемого гальванического элемента.

Подрегулятор зарядки

Подрегулятор 104 зарядки также может продлевать циклическую долговечность перезаряжаемой батареи по настоящему изобретению. Подрегулятор может продлевать циклическую долговечность перезаряжаемой батареи путем отдельного управления последовательностью зарядки для каждого отдельного гальванического элемента. Таким образом, подрегулятор зарядки может оптимизировать зарядку каждого элемента на основании фактической обратной связи от этого конкретного элемента, чтобы довести до максимума количество и эффективность каждого цикла зарядки и разрядки. Подрегулятор зарядки, например, может управлять зарядкой каждого элемента путем непосредственного контроля напряжения элемента и/или внутреннего полного сопротивления каждого элемента. Это обеспечивает возможность подрегулятору управлять циклом зарядки каждого отдельного гальванического элемента в множестве одноэлементных батарей или одной или больше многоэлементных батарей.

Подрегулятор 104 зарядки также может увеличивать продолжительность работы перезаряжаемой батареи, которая предпочтительно разряжается не глубоко, типа свинцово-кислотной батареи посредством зарядки гальванического элемента (элементов) в течение "времени выключения" цикла разрядки, то есть когда гальванический элемент находится не в режиме разрядки. Например, регулятор может позволять подрегулятору зарядки заряжать любой один или больше из отдельного элемента (элементов) в течение "времени выключения" разрядки для этого элемента (элементов). Если "время выключения" достаточно длительное относительно "времени включения" разрядки, то есть когда конкретный гальванический элемент активно разряжается, подрегулятор зарядки может быть способным поддерживать элемент в состоянии, по меньшей мере близком к состоянию полной заряженности. Если рабочий цикл достаточно высок и устройство работает в течение достаточной продолжительности времени, так что подрегулятор зарядки не способен поддерживать заряд гальванического элемента выше заранее определенного уровня напряжения или ниже конкретного уровня полного сопротивления, который соответствует максимуму требуемой глубины разрядки этого типа или этого конкретного гальванического элемента, то подрегулятор разрядки может заканчивать цикл разрядки батареи, когда перезаряжаемый гальванический элемент (элементы) достигает максимума требуемой глубины разрядки. Подрегулятор зарядки может также предотвращать чрезмерную зарядку только путем зарядки элемента, когда напряжение элемента ниже некоторого заранее определенного уровня напряжения, типа номинального напряжения элемента, с помощью любого другого способа определения окончания цикла зарядки, описанного в этой заявке, или любого другого способа, известного в технике. Таким образом, регулятор может оптимизировать срок службы перезаряжаемых гальванических элементов, не позволяя элементу разрядиться за пределы оптимальной глубины разрядки во время цикла разрядки и оптимизируя последовательность зарядки во время цикла зарядки.

Альтернативные источники питания для зарядного цикла могут включать в себя внешний источник питания типа сетевого шнура устройства или внутренний источник питания типа другого гальванического элемента в устройстве или скомпонованного с перезаряжаемым гальваническим элементом в гибридной батарее. Первичный элемент, например, можно упаковывать в устройстве или, наряду с перезаряжаемым гальваническим элементом, в гибридной батарее. Воздухо-металлический элемент, типа воздухо-цинкового элемента, который имеет высокую плотность энергии, но способен обеспечить только относительно низкие уровни тока, обеспечивает особенно выгодный альтернативный источник питания, который можно использовать для зарядки перезаряжаемого гальванического элемента. В качестве альтернативы, чтобы обеспечить источник зарядки для перезаряжаемого гальванического элемента, в гибридную батарею можно включить альтернативный источник питания типа топливного элемента.

Кроме того, для зарядки батареи по настоящему изобретению подрегулятор зарядки также допускает использование либо контактной системы зарядки, либо бесконтактной изолированной системы зарядки.

Предпочтительный вариант осуществления батареи по настоящему изобретению также может включать в себя индикацию полной зарядки для пользователя. Например, подрегулятор зарядки может обеспечивать видимую или слышимую индикацию для пользователя, что батарея полностью заряжена. В качестве альтернативы, подрегулятор может обеспечивать индикацию, считываемую системой зарядного устройства или устройством, чтобы система зарядного устройства или устройство могли, соответственно, предупреждать пользователя.

На Фиг.15 изображена блок-схема батареи по настоящему изобретению, которая включает в себя схему 1504 подрегулятора зарядки. Схема 1504 подрегулятора зарядки предпочтительно объединена в батарею 1510 и отвечает за надежное и эффективное управление поступающим сигналом снабжения энергией от внешнего источника или схемы зарядки, с целью оптимизирования цикла зарядки перезаряжаемого гальванического элемента 1530. Схема 1504 подрегулятора зарядки управляет поступающим сигналом снабжения энергией от внешнего источника зарядки, на основании управляющих сигналов входного напряжения, получаемых из схемы 105 датчиков, и/или обратной связи от его собственных внутренних схем считывания. Например, схема 1504 подрегулятора зарядки может использовать сигнал V(psi) регулирования напряжения, который определяет внутреннее полное сопротивление гальванического элемента 1530. Этот управляющий сигнал вырабатывается регулятором 1571 с линейной фазовой характеристикой и описан со ссылкой на фиг.13. В качестве альтернативы, подрегулятор зарядки может управлять зарядкой гальванического элемента 1530 с помощью напряжения элемента или зарядного тока, или посредством комбинации двух или больше внутренних полных сопротивлений, напряжения элемента и зарядного тока. Кроме того, для оптимальной зарядки гальванического элемента 1530 подрегулятором зарядки могут использоваться физические состояния, измеряемые внутри контейнера 1512 батареи 1510, такие как концентрация водорода, концентрация кислорода, температура и/или давление.

Когда напряжение на выходных клеммах 1520 и 1522 выше, чем напряжение гальванического элемента 1530, импульсный модулятор 1576 подрегулятора 1502 разрядки запирает МОП-транзистор М₃ с каналом N-типа и открывает МОП-транзистор М₄ с каналом Р-типа. МОП-транзистор М₃ создает путь тока от выходных клемм 1520 и 1522 для зарядки гальванического элемента 1530, а МОП-транзистор М₄ предотвращает короткое замыкание между выходными клеммами 1520 и 1522. Импульсный модулятор 1576 также может выключать заземляющую цепь 1580 смещения, посылая сигнал регулирования напряжения на тактовый генератор 1587 заземляющей цепи 1580 смещения. В показанном на фиг.9А примере нагнетателя заряда, например, тактовый генератор 987 размыкает выключатели S₁ и S₂ и замыкает выключатели S₃ и S₄, уменьшая выходной сигнал виртуального заземления до потенциала отрицательного электрода 934 гальванического элемента 930.

В качестве альтернативы, если заземляющая цепь 1580 смещения включает в себя внутренний регулятор типа регулятора 1592 нагнетателя заряда, который работает как описано относительно регулятора 992 нагнетателя заряда на фиг.9В, внутренний регулятор может непосредственно сравнивать напряжение выходных клемм 1520 и 1522 с напряжением гальванического элемента 1530 и выключать заземляющую цепь 1580 смещения, если напряжение на клеммах 1520 и 1522 больше, чем напряжение гальванического элемента 1530, непосредственно управляя тактовым генератором 1587. Это уменьшает выходное напряжение виртуального заземления до потенциала отрицательного электрода 1534 гальванического элемента 1530.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения схема 1504 подрегулятора зарядки использует информацию о внутреннем полном сопротивлении для определения наиболее эффективного профиля сигнала переменного тока, включая амплитуду, частоту, срез и фронт и т.д. Таким образом, подрегулятор минимизирует внутренние динамические и статические потери зарядки гальванического элемента и обеспечивает управление для самой быстрой возможной скорости зарядки для конкретного гальванического элемента. Кроме того, датчики физического состояния типа концентрации водорода и кислорода, температуры, давления и т.д. могут обеспечить возможность дополнительно оптимизировать условия зарядки.

Когда схема подрегулятора 1504 зарядки решает, что гальванический элемент полностью заряжен, подрегулятор зарядки открывает МОП-транзистор М₃ с каналом N-типа. Это отсоединяет гальванический элемент 1530 от клемм 1520 и 1522 контейнера 1512 и, вследствие этого, от внешнего источника или схемы зарядки.

Использование внутреннего полного сопротивления для управления зарядкой гальванического элемента 1530 обеспечивает оптимизацию зарядки на основании истинных состояний ионного и электрического полного сопротивления гальванического элемента 1530. Благодаря размещению подрегулятора 1504 зарядки в каждом контейнере 1512, обеспечивают большее управление отдельных гальванических элементов 1530 множества одноэлементных батарей или многоэлементной батареи, поскольку подрегуляторы отдельно управляют зарядкой каждого элемента. Элементы 1530 можно заряжать в последовательной и/или параллельной конфигурации с другими гальваническими элементами 1530. Если элементы заряжаются последовательно, подрегулятор 1504 зарядки может включать в себя путь высокого полного сопротивления между клеммами так, чтобы, когда гальванический элемент 1530 полностью зарядится, подрегулятор 1504 мог шунтировать зарядный ток на другие элементы, соединенные последовательно с этим элементом 1530. Однако если элементы соединены параллельно, подрегулятор 1504 зарядки может отсоединять гальванический элемент от зарядного тока. Размещение регулятора в каждом гальваническом элементе многоэлементной батареи обеспечивает возможность заряжаться каждому элементу одним и тем же зарядным током, который управляется отдельными регуляторами в каждом элементе с целью оптимальной зарядки этого элемента, независимо от электрохимии этого элемента. Этот подрегулятор зарядки также может заряжать множество элементов гибридной батареи, даже когда элементы имеют различные номинальные напряжения.

Фиг.16 изображает один вариант осуществления конфигурации схемы 1504 подрегулятора зарядки, которую можно использовать в батарее по настоящему изобретению, как показано на фиг.15. В этом варианте осуществления схема 1604 подрегулятора зарядки включает в себя универсальную схему 1677 зарядного устройства, схему 1678 всплесков и механизм 1679 управления состоянием зарядки. Механизм 1679 управления состоянием зарядки использует схему 1678 всплесков для создания испытательного тока I_s и испытательного напряжения V_s на электродах 1532 и 1534 гальванического элемента 1530. Как описано относительно фиг.13, регулятор 1571 с линейной фазовой характеристикой обнаруживает фазовый сдвиг между испытательным током I_s и испытательным напряжением V_s. Схема 1678 всплесков предпочтительно включает в себя возбудитель 1668 всплесков и МОП-транзистор M ₁ с каналом N-типа. Возбудитель 1668 всплесков создает импульсный сигнал управления высокой частоты, который возбуждает затвор МОП-транзистора M₁. Испытательный ток I _s протекает через МОП-транзистор M_l, и регулятор 1571 с линейной фазовой характеристикой обнаруживает угол фазового сдвига между испытательным током I_s и испытательным напряжением V_s. Регулятор 1571 с линейной фазовой характеристикой выдает сигнал V(psi) регулирования напряжения, который линейно пропорционален сдвигу фаз между составляющими переменного тока напряжения элемента и тока, выводимого из гальванического элемента 1530, в механизм 1679 управления состоянием зарядки. Механизм 1679 управления состоянием зарядки использует этот управляющий сигнал из регулятора 1571 с линейной фазовой характеристикой для управления профилем сигнала зарядки переменного тока. Когда гальванический элемент 1530 полностью зарядится, импульсный модулятор 1576 отсоединяет МОП-транзистор М₃, который, в свою очередь, отсоединяет гальванический элемент 1530 от клемм 1520 и 1522 контейнера 1512.

На фиг.17 изображен альтернативный вариант осуществления схемы подрегулятора зарядки, показанной на фиг.15, который обеспечивает возможность изолированной зарядки гальванического элемента 1530 без каких-либо механических контактов между внешней схемой зарядного устройства и батареей 1510 по настоящему изобретению. В этом варианте осуществления схема 1704 подрегулятора зарядки включает в себя катушку индуктивности, которая действует как вторичная обмотка трансформатора для зарядки гальванического элемента 1530. Внешний источник зарядки включает в себя первичную обмотку трансформатора, которая может быть подсоединена беспроволочным соединением через воздух ко вторичной обмотке схемы 1704 подрегулятора зарядки. Батарея по настоящему изобретению, например, может содержать печатную катушку индуктивности на маркировке батареи 1510 или может содержаться внутри контейнера или батареи для образования вторичной обмотки зарядного трансформатора. Зарядная цепь этого варианта осуществления предпочтительно работает на частоте в диапазоне от приблизительно 20 кГц до приблизительно 100 кГц, более предпочтительно в диапазоне от приблизительно 40 кГц до 60 кГц при наиболее предпочтительной частоте приблизительно 50 кГц. Сигнал от внешнего источника зарядки возбуждает вторичную обмотку 1798 схемы 1704 подрегулятора зарядки через первичную обмотку внешнего источника зарядки. Механизм 1794 управления состоянием зарядки управляет универсальной схемой 1777 зарядного устройства, чтобы оптимизировать цикл зарядки перезаряжаемого гальванического элемента 1530. Если внешняя схема зарядного устройства работает на частоте порядка 50 кГц, трансформатор имеет достаточный диапазон, чтобы обеспечить зарядку гальванического элемента от приблизительно 1 (25,4 мм) до приблизительно 3 дюймов (76,2 мм) от батареи по настоящему изобретению, и может, таким образом, обеспечивать зарядку гальванического элемента на месте работ без удаления батареи из электрического или электронного устройства. Это может обеспечивать явное преимущество над батареями, которые следует удалять из устройства. Батарею в имплантированном хирургическим путем устройстве, например, типа электростимулятора можно заряжать без удаления батареи хирургическим путем из пациента.

Подрегулятор аварийного отключения

Регулятор также может выполнять функцию аварийного отключения, которая отсоединяет гальванический элемент от клемм контейнера батареи, когда обнаруживаются одно или более связанных с безопасностью состояний, и/или подсоединять гальванический элемент непосредственно к выходным клеммам, обходя преобразователь, если требуемый нагрузкой ток превышает возможности преобразователя, но все еще находится в пределах диапазона рабочего тока для конкретного гальванического элемента. Регулятор может включать в себя независимый подрегулятор аварийного отключения, который обнаруживает опасные состояния, типа короткого замыкания, обратной полярности, чрезмерной зарядки, переразрядки, высокой температуры, давления или концентрации водорода, и электронным образом отсоединять гальванический элемент от клемм батареи. В качестве альтернативы, функции аварийного отключения могут выполнять схемы подрегулятора разрядки и/или подрегулятора зарядки, или регулятор может включать в себя отдельные схемы считывания, которые подают сигналы в подрегулятор разрядки и/или подрегулятор зарядки для отсоединения гальванического элемента от клемм батареи.