(57)【要約】【課題】バッテリの実行時間を延ばす内蔵コントローラを有する再充電可能バッテリを開示する。【解決手段】このコントローラは例えば、充電サイクルの回数および効率を最大にするために最適放電深度で放電サイクルを終了させることによって再充電可能バッテリの実行時間を延ばすことができる。このコントローラはさらに、再充電可能バッテリのそれぞれの電気化学セルの充電サイクルを制御することができる。この再充電可能バッテリを、単一セル・バッテリ、ユニバーサル単一セル・バッテリ、多セル・バッテリまたは多セル・ハイブリッド・バッテリとすることができる。個々のそれぞれのセルが、そのセルの放電および充電サイクルを制御する内蔵コントローラを有することが好ましい。さらに、この再充電可能バッテリは遠隔充電システムを含むことができる。【選択図】図５Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムイオンバッテリであって、
正端子及び負端子を含む容器と、
前記容器内に配置される複数の電気化学セルであって、それぞれが正極、負極、及び前記セルの前記正極と前記負極との間のセル電圧を有する、複数の電気化学セルと、
前記セルの温度を監視するとともに、前記セルのうちの少なくとも１つが所定の温度を超える場合に前記セルの全てを電子的に切断する安全な切断を提供する、少なくとも１つのコントローラと
を備える、リチウムイオンバッテリ。
【請求項２】
前記コントローラは、前記セル内で以下の条件：過熱、短絡、過充電、及び過放電のそれぞれについて前記セルのそれぞれをさらに監視し、前記条件のうちのいずれか１つが前記セルのうちの少なくとも１つに存在する場合に前記安全な切断を提供する、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項３】
前記コントローラは前記セルのうちの少なくとも１つの中が過圧力になる際に前記安全な切断を提供する、請求項２に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項４】
前記コントローラは前記セルを前記容器の前記端子のうちの少なくとも一つから電子的に切断する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項５】
前記コントローラは前記セルを前記容器の前記端子の両方から電子的に切断する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項６】
前記コントローラは、前記セルの充電中に前記セルのそれぞれの温度を監視し、前記セルのうちの少なくとも１つが充電中に所定の温度を超える場合に前記安全な切断を提供する、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項７】
前記コントローラは、前記セルの放電中に前記セルのそれぞれの温度を監視し、前記セルのうちの少なくとも１つが前記セルの放電中に所定の温度を超える場合に前記安全な切断を提供する、請求項３に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項８】
前記コントローラは、前記セルの充電中及び放電中に前記セルのそれぞれの温度を監視し、前記セルの充電中又は放電中に前記セルのうちの少なくとも１つが所定の温度を超える場合に前記安全な切断を提供する、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項９】
前記コントローラは前記セルをさらにチェックして、電荷を保持することができないセルを特定しそれを不良セルとして識別する、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１０】
前記コントローラは、前記セルの充電中に前記セルの温度を監視し、前記セルの前記温度に基づいて前記セルに供給される充電電流を制御する、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１１】
前記セルは直列構成、並列構成、又は直列−並列構成のうちの１つで接続される、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１２】
前記コントローラは前記セルに供給される充電電流を調整して前記セルが所定の温度を超えることを防止する、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１３】
前記コントローラは、前記セルの充電中に前記セルの温度を監視し、前記セルの前記温度に基づいて前記セルに供給される充電電流を調整する、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１４】
リチウムイオンバッテリであって、
正端子及び負端子を含む容器と、
前記容器内に配置される複数の個々の電気化学セルであって、正極、負極、及び前記セルの前記正極と前記負極との間のセル電圧を有する、複数の個々の電気化学セルと、
前記セルのそれぞれの充電状態を監視するとともに前記セルのそれぞれの充電サイクルを個々に制御するようになっているコントローラと
を備える、リチウムイオンバッテリ。
【請求項１５】
前記コントローラはフィードバックに基づいて前記セルのそれぞれの充電を最適化して、前記セルのそれぞれの各充電サイクルの回数及び効率を最大化する、請求項１４に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１６】
前記コントローラは、前記セルのそれぞれの電圧を監視することにより前記セルのそれぞれの充電を最適化する、請求項１５に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１７】
前記コントローラは、前記セルのそれぞれの内部インピーダンスを監視することにより前記セルのそれぞれの充電を最適化する、請求項１５に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１８】
前記コントローラは充電電流の制御を提供して、前記セルのそれぞれの特定の電気化学、メモリ効果、疲労状態、及び温度を検査することにより前記セルのそれぞれの充電率を最適化する、請求項１５に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１９】
前記コントローラは前記セルのそれぞれの充電値及び最大充電容量を判定して、前記セルのそれぞれの充電を最適化する、請求項１５に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２０】
前記コントローラは前記セルのそれぞれの前記セル電圧、充電電流及び温度を監視して充電を最適化する、請求項１９に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２１】
前記コントローラは前記セルの前記セル電圧、充電電流、温度及び内部インピーダンスを監視して充電を最適化する、請求項１５に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２２】
前記コントローラは前記セルのうちの少なくとも１つがフル充電状態に達すると充電電流を他のセルに向ける、請求項１４に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２３】
前記コントローラはセルがフル充電状態に達するとセルに供給される充電電流を低減する、請求項１４に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２４】
前記セルは直列で充電され、前記コントローラは充電されている前記セルのうちの１つがフル充電状態に達すると充電電流を別のセルに切り替える、請求項１４に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２５】
前記コントローラは前記セルの充電レベルに基づいて前記セルに供給される充電電流を調整する、請求項１４に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２６】
前記セルは並列に接続され、前記コントローラはフル充電状態に達したセルを充電電流から切断する、請求項１４に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２７】
前記コントローラは他のセルよりも高い充電レベルを有すると判定されるセルに供給される充電電流を低減する、請求項１４に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２８】
前記コントローラは前記セルの充電中に前記セルの温度を監視し、前記セルのうちの少なくとも１つが所定の温度を超える場合に安全な切断を提供する、請求項１４に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２９】
前記コントローラは前記セルのそれぞれの瞬時充電値及び最大充電容量を判定して前記セルのそれぞれの充電を最適化する、請求項１４に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項３０】
前記セルは直列構成、並列構成、又は直列−並列構成のうちの１つで接続される、請求項１４に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項３１】
前記コントローラは前記セルに供給される充電電流を調整して前記セルが所定の温度を超えることを防止する、請求項１４に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項３２】
前記コントローラは、前記セルの充電中に前記セルの温度を監視し、前記セルの前記温度に基づいて前記セルに供給される充電電流を調整する、請求項１４に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項３３】
リチウムイオンバッテリであって、
正端子及び負端子を含む容器と、
前記容器内に配置される複数の電気化学セルであって、それぞれが正極、負極、及び前記セルの前記正極と前記負極との間のセル電圧を有する、複数の電気化学セルと、
前記セルの温度を監視するとともに、前記セルのうちの少なくとも１つが所定の温度を超える場合に安全な切断を提供する、少なくとも１つのコントローラと
を備える、リチウムイオンバッテリ。
【請求項３４】
前記コントローラは短絡、過充電及び過放電の際に安全な切断を提供する、請求項３３に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項３５】
前記コントローラは前記セル内が過圧力になる際に安全な切断を提供する、請求項３４に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項３６】
前記コントローラは前記セルのうちの少なくとも１つを前記容器の前記端子のうちの少なくとも一つから電子的に切断する、請求項３３〜３５のいずれか一項に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項３７】
前記コントローラは、前記セルの充電中に前記セルのそれぞれの温度を監視し、前記セルのうちの少なくとも１つが充電中に所定の温度を超える場合に安全な切断を提供する、請求項３３に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項３８】
前記コントローラは、前記セルの放電中に前記セルのそれぞれの温度を監視し、前記セルのうちの少なくとも１つが前記セルの放電中に所定の温度を超える場合に安全な切断を提供する、請求項３３に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項３９】
前記コントローラは前記セルのうちの少なくとも１つが所定の温度を超える場合に前記セルのすべてを切断する、請求項３３に記載のリチウムイオンバッテリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明はバッテリに関し、詳細にはバッテリの供給実行時間（ｓｅｒｖｉｃｅ  ｒｕｎ  ｔｉｍｅ）を延長するための内蔵コントローラを有するバッテリに関する。
【０００２】
（発明の背景）
消費者は、ラジオ、コンパクト・ディスク・プレーヤ、カメラ、携帯電話、電子ゲーム、玩具、ポケット・ベル、コンピュータ装置などの携帯用電子装置中で一次バッテリおよび再充電可能（二次）バッテリを使用している。一次バッテリは通常、供給実行時間が終わると廃棄される。一般的な一次バッテリではその供給実行時間内に、バッテリの合計蓄電容量の約４０〜７０％しか使用することができない。初期蓄積エネルギーのうちこの部分を使用してしまうと、バッテリは一般に、一般的な電子回路を駆動するのに十分な電圧を供給することができない。バッテリの有効寿命が尽きると、これらのバッテリがなおその蓄電容量の約３０〜６０％を含んでいようと、消費者は普通これらのバッテリを廃棄してしまう。したがって、より深い放電を安全に実施できるようにすることによって一次バッテリの供給実行時間を延ばすことができれば、廃棄前に電子装置がバッテリの蓄電容量をより多く使用できるようになり、廃棄物は減る。
【０００３】
再充電可能バッテリの全寿命は主に、充電サイクルの回数および効率によって決まる。再充電可能バッテリは各放電サイクル後に充電し再使用することができる。一次バッテリの場合と同様に蓄電容量のうち一定の割合が使用されると、バッテリは一般に電子回路を駆動するのに十分な電圧を供給することができない。したがって、バッテリをより深く放電することができれば再充電可能バッテリの各放電サイクルを延ばすことができる。しかし再充電可能バッテリの放電レベルは、バッテリの将来の充電回数および効率に影響を与える。一般に、再充電可能電気化学セルの放電深度が増大するにつれ、再充電可能電気化学セルに実施することができる充電サイクルの回数は減少する。しかし、特定の種類の再充電可能電気化学セル間で最適放電特性は幅広く変化する。例えばニッケル・カドミウム（「ＮｉＣｄ」）バッテリでは深い放電が好ましい。これは、適切に使い切る前に充電した場合にバッテリが「メモリ」効果を発現し、その結果、将来の充電に使用可能な容量が低減する可能性があるためである。しかしリチウム・バッテリの深い放電は電気化学セルにダメージを与える可能性がある。再充電可能電気化学セルの供給実行時間の延長は一般に、その特定のセルの充放電サイクルを効率的に制御し、充電サイクルの合計回数が最大になり、さらに電気化学セルのそれぞれの放電サイクルから回収されるエネルギー量が最適化されるようにすることによって達成することができる。
【０００４】
加えて消費者はより小型、より軽量の携帯用電子装置を絶えず求めている。これらの装置を小型化、軽量化する際の主要な障害の１つは、装置への給電に必要なバッテリのサイズおよび重量である。実際、電子回路が高速化、複雑化するにつれ、電子回路は以前よりもいっそう多くの電流を必要とするようになり、したがってバッテリに対する要求はいっそう大きくなる。しかし、機能および速度が向上してもバッテリを頻繁に交換または再充電する必要がある場合には、消費者は、より強力で小型化された装置を受け入れないだろう。したがって有効寿命を短縮することなくより高速かつより複雑な電子装置を構築するためには、電子装置がバッテリをより効率的に使用し、かつ／またはバッテリ自体がより高い蓄積エネルギー利用率を提供することが必要である。
【０００５】
より高価な電子装置の中には、バッテリの出力電圧を変換し、かつ／または安定化するスイッチング変換器（例えばＤＣ／ＤＣ変換器）などの電圧調整回路を装置内に含むものがある。これらの装置では、複数の単一セル・バッテリが一般に直列に接続され、変換器によってこれらのバッテリの合計電圧が負荷回路が必要とする電圧へと変換される。変換器は、負荷回路が必要とするよりも高い電圧、したがって負荷回路が必要とするよりも多くの電力をバッテリが供給するバッテリ放電の初期においてバッテリの出力電圧を下げ、かつ／または負荷回路が必要とするよりも出力電圧が小さいためバッテリが消耗しているバッテリ放電のその後の部分においてバッテリの出力電圧を上げることよって、バッテリの実行時間を延ばすことができる。
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２０１３５８号公報
【特許文献２】国際公開第９６／０８８４６号パンフレット
【特許文献３】特開平１０−２１９６８号公報
【０００７】
しかし、電子装置内に変換器を配置する方法にはいくつかの欠点がある。第１に、装置メーカはメーカごとに、比較的に限られた量で製作され、したがって個々のコストが高くなる特定の回路設計を有するため、変換器を電子装置の中に配置すると比較的に費用がかさむ。第２に、バッテリの供給業者は、特定のバッテリとともに使用される変換器の種類をコントロールすることができない。したがって変換器は、それぞれの種類の電気化学セルの特定の電気化学特性に対して最適化されたものとならない。第３に、アルカリ・セル、リチウム・セルなどの異なる種類の電気化学セルは異なる電気化学特性および公称電圧を有し、したがって容易に相互交換できるというものではない。その上、変換器は電子装置内の貴重なスペースを占有する。さらに、電子装置によっては、より効率的なＤＣ／ＤＣ変換器などのスイッチング変換器ではなく線形調整器を使用している場合があり、その上、スイッチング変換器を含む電子装置は、無線周波（ＲＦ）送信機などの電子装置内の隣接する回路に不利な影響を及ぼす可能性がある電磁干渉（ＥＭＩ）を引き起こす可能性がある。しかし、変換器をバッテリ内に配置することによって、ＥＭＩ源を、ＥＭＩに敏感な他の電子回路からより遠くに配置し、かつ／またはＥＭＩ源をバッテリの導電性容器で遮へいすることができる。
【０００８】
現在の電圧変換器の他の問題点は、変換器を駆動するのに十分な電圧を供給するために変換器が一般に複数の電気化学セルを必要とすることであり、特にアルカリ、亜鉛−炭素、ニッケル・カドミウム（ＮｉＣｄ）、酸化銀バッテリに関してそうである。この問題を回避するため、現在の変換器は普通、変換器を駆動するのに十分な電圧を供給するため直列に接続された複数の電気化学セルを必要とする。変換器は次いでこの電圧を、電子装置が必要とするレベルにまで下げることができる。したがって変換器のこの入力電圧要求のため電子装置は、たとえ電子装置自体がその動作に１つのセルしか必要ないとしても複数の電気化学セルを含まなければならない。その結果、無駄なスペースおよび重量が生じ、電子装置のさらなる小型化が妨げられる。
【０００９】
したがって、供給実行時間を最大にするため、再充電可能バッテリを充電する前にバッテリの蓄積電荷を最適に使用し、放電深度を最適化する必要がある。蓄積エネルギーの利用率が高まるようにバッテリを設計することによって、電子装置はより小型のバッテリを使用すること、またはより少ない数のバッテリを使用することができ、携帯用電子装置をさらに小型化することが可能となる。
【００１０】
（発明の概要）
本発明は、再充電可能バッテリの蓄積電荷を充電前に最適に使用することによって供給実行時間がより長いバッテリを提供する。このバッテリは、一般的な電子装置の電圧しきい値よりも低い電圧で動作することができる変換器を含む内蔵コントローラを有する。このコントローラは、バッテリの供給実行時間を延ばすため電気化学セルの電圧をより効率的に調整し、制御された放電または最適放電深度を可能にする。コントローラは、アルカリ、ニッケル・カドミウム（「ＮｉＣｄ」）、リチウム、リチウム・イオン、密封鉛−酸（「ＳＬＡ」）、酸化銀、ハイブリッド・セルなどの特定の種類の電気化学セルまたは特定の電子装置とともに動作するようにカスタム設計された混合モード・シリコン・チップ上に配置されることが好ましい。
【００１１】
コントローラは、負荷への電力送達をモニタおよび制御し、（１）ＤＣ／ＤＣ変換器をオン／オフし、（２）一般的な電子装置が動作することができる電圧よりも入力電圧が低いときに最小必要出力電圧を維持し、（３）バッテリの出力インピーダンスを下げ、（４）最適放電深度を決定し、（５）最適充電シーケンスを提供し、（６）所与の電気化学セルがコントローラなしで供給することができる放電電流を増大させ、（７）セルの安全限界の内側の高い放電電流を、たとえこの電流が変換器の最大出力電流を上回る場合であっても迂回モードを使用して提供する。
【００１２】
好ましい一実施形態では、一次または再充電可能多セル・バッテリ（例えば標準９ボルト・バッテリ）のハウジング内に単一のコントローラが装着される。本発明のこの態様は、電子装置内にコントローラを配置することに優るいくつかの明白な利点を提供する。第１に、バッテリ設計者が、特定の種類の電気化学セルの特定の電気化学特性を利用することが可能になる。第２に、装置が、バッテリの出力電圧を変更し、かつ／または安定化する特定の種類の電気化学セル（例えばリチウム・セル）を含むバッテリ用の変換器だけを必要とし、他の種類の電気化学セル（例えばＮｉＣｄ、ＳＬＡセル）を含むバッテリ用の変換器を必要とせず、その変換器が、その変換器を必要とするバッテリ（すなわちリチウム・バッテリ）と統合される場合に、電子装置をＤＣ／ＤＣ変換器なしで設計することができる。これによってより小さな回路設計が可能となり、変換器に関連した損失が変換器を必要としないバッテリに影響を及ぼすことがなくなる。
【００１３】
特に好ましい一実施形態では、コントローラが、ＡＡＡ、ＡＡ、Ｃ、Ｄ型、角柱形バッテリなどの単一セル・バッテリの容器内、または角柱形または標準９ボルト・バッテリなどの多セル・バッテリのそれぞれのセルの容器内に装着される。本発明のこの態様は、多セル・バッテリの中に単一のコントローラを配置する先に挙げた態様の利点を提供し、さらに多くの利点を提供する。第１に、特定の種類の電気化学セルの電気化学反応を利用するため、コントローラを、その電気化学セルに対してカスタム・マッチングさせることができる。第２に、標準バッテリで動作するように設計された電子装置の要求を満たすよう出力電圧または内部インピーダンスを変更または安定化することによって、異なる種類の電気化学セルを有するバッテリを互換可能に使用することができるようになる。これらの両利点は、例えば、内蔵コントローラを使用して約２．８〜約４．０ボルトの範囲の公称セル電圧を約１．５ボルトの出力電圧に下げることによって、標準１．５ボルトＡＡバッテリのパッケージング要件および電気的な要件を満足する超効率的リチウム・セルで達成される。リチウム・セルのより高いセル電圧を利用することによって、設計者は、バッテリ実行時間を実質的に延長することができる。さらに、それぞれのバッテリ・セルの中にコントローラを配置することによって、現在可能なものよりもはるかに有効な制御があらゆるセルに関して可能となる。このコントローラは、それぞれの一次電気化学セルの放電状態をモニタおよび制御することができ、電子装置が動作を停止する前にそれぞれのセルが完全に使い尽くされることが保証される。コントローラはさらに、それぞれの再充電可能電気化学セルの放電サイクルをモニタおよび制御して、バッテリの供給実行時間が可能な最長のものとなり、セルの安全性が向上してメモリ効果、短絡または有害な深い放電などの状態が起こらないレベルまでセルが放電されることを保証する。コントローラはさらに、バッテリ内のそれぞれの再充電可能電気化学セルの充電サイクルを直接にモニタおよび制御して過充電、短絡などの状態を防ぎ、これによってサイクル寿命を延ばし、バッテリの安全性を向上させる。
【００１４】
コントローラはさらに、本発明のバッテリの汎用的な使用を可能にする。本発明のバッテリは、先に挙げたようなカットオフ電圧を有する電気、電気機械または電子装置とともに使用するか、または電気装置とともに使用するかに関わらず、周知のバッテリに優る利点を提供する。
【００１５】
バッテリの販売が拡大することによって、チップの生産のほうが、個々の調整器または変換器設計をそれぞれの種類の電子装置に対して実施するよりもはるかに安くなるため、コントローラ・チップをより経済的に製作することができる。
【００１６】
ＤＣ／ＤＣ変換器の好ましい一実施形態は、パルス幅またはパルス位相変調およびパルス・スキップ低デューティ制御方式をスタート・ストップ発振制御方式とともに利用する高効率、超低入力電圧かつ中電力の変換器である。
【００１７】
本発明のその他の特徴および利点は、本発明の好ましい実施形態の説明に関して説明する。
【００１８】
本明細書は、本発明とみなされる内容を具体的に指摘し、明確に請求する請求項をもって結論とするが、本発明の理解は、以下の説明を添付図面と関連させて理解することによって深まるであろう。
【００１９】
（発明の詳細な説明）
本発明は、単一セルおよび多セル・バッテリに関する。本出願では「一次」という用語が使用され、この用語は、その使用可能な蓄電容量を使い尽くした後は廃棄される予定の（すなわち再充電または再使用される予定のない）バッテリまたは電気化学セルを指す。本出願では「再充電可能」という用語と「二次」という用語が相互交換可能に使用され、その使用可能な蓄電容量を使い尽くした後に少なくとも１度は再充電される予定の（すなわち少なくとも１度は再使用される予定の）バッテリまたは電気化学セルを指す。本出願の「消費者」という用語は、消費者によって購入または使用された電子または電気装置中で使用される予定のバッテリを指す。「単一セル」という用語は、標準ＡＡ、ＡＡＡ、Ｃ、Ｄ型バッテリなどの個別にパッケージングされた単一の電気化学セルを有するバッテリ、または多セル・バッテリ（例えば標準９ボルト・バッテリ、携帯電話またはラップトップ・コンピュータ用のバッテリなど）中の単一セルを指す。本出願で使用される「バッテリ」という用語は、端子および単一の電気化学セルを有する容器、または端子を有し、２つ以上の電気化学セルを少なくとも実質的に含むハウジング（例えば標準９ボルト・バッテリ、携帯電話またはラップトップ・コンピュータ用のバッテリなど）を指す。セル自体がそれぞれに個々の容器を有している場合、複数の電気化学セルがハウジングによって完全に包囲されている必要はない。例えば携帯電話のバッテリは、それぞれが個別に容器を有し、これらの個別容器を一体に保持する収縮包装用プラスティック材料の中に一緒にパッケージングされた２つ以上の電気化学セルを含むが、これらのセルの個別容器を完全に包囲しているわけではない。本出願で使用される用語「ハイブリッド・バッテリ」には、２つ以上の電気化学セルを含み、そのうちの少なくとも２つが、異なる電極、異なる電極対、異なる電解質などの異なる電気化学部品を有する多セル・バッテリが含まれる。
【００２０】
本出願で使用する用語「コントローラ」は、少なくとも１つの入力信号を受け入れ、入力信号の関数である少なくとも１つの出力信号を供給する回路を指す。用語「ＤＣ／ＤＣ変換器」と用語「変換器」は本出願では相互交換可能に使用され、入力ＤＣ電圧を必要な出力ＤＣ電圧に変換するスイッチング型の変換器、すなわちチョッパ制御ＤＣ／ＤＣ変換器を指す。ＤＣ／ＤＣ変換器は、調整された出力を頻繁に供給するパワー・エレクトロニック回路である。この変換器は、昇圧電圧レベル、降圧電圧レベル、またはほぼ同じレベルの調整電圧を供給することができる。当技術分野では多くの異なる種類のＤＣ／ＤＣ変換器が知られている。本発明は、一般的な電子装置が動作することができる電圧よりも低い低電圧レベルで動作することができる本出願に記載の好ましい変換器に代えてより不利な周知の変換器または線形調整器を可能な限り使用することを企図する。
【００２１】
電子装置の「カットオフ電圧」とは、これよりも低いとバッテリに接続された電気または電子装置が動作することができない電圧である。したがって「カットオフ電圧」は装置依存である。すなわちこの電圧レベルは、装置の最小動作電圧（機能上のエンドポイント）または動作周波数（例えば、所与の時間内にコンデンサを充電できなければならない）に依存する。ほとんどの電子装置のカットオフ電圧は約１ボルト〜約１．２ボルトの範囲にあり、なかには約０．９ボルトとカットオフ電圧が低いものもある。電気時計、電動機、電気機械式継電器など、機械運動をする部品を有する電気装置はさらに、これらの機械部品を動かすのに必要なだけの強さの電磁場を生み出すのに十分な電流を供給するのに必要なカットオフ電圧を有する。フラッシュライトなどのその他の電気装置は装置カットオフ電圧を持たないが、装置に給電するバッテリの電圧が下がると出力パワー（例えば電球の輝度）も低下する。
【００２２】
単一の電気化学セルがカットオフ電圧を有する装置に給電している場合、この電気化学セルは装置のカットオフ電圧に「支配（ｓｕｂｊｅｃｔ  ｔｏ）」され、装置のカットオフ電圧以上の出力電圧を供給しなければならず、そうしないと装置は動作を停止してしまう。しかし、直列に配置された２つの以上の電気化学セルが装置に給電している場合、すなわちこれらが正入力端子と負入力端子の間に電気的に接続されている場合には、それぞれの電気化学セルが装置のカットオフ電圧の一部分に「支配」される。例えば２つの電気化学セルが直列に接続され、装置に給電している場合、それぞれのセルは装置のカットオフ電圧の１／２に「支配」される。しかし３つの電気化学セルが直列に接続され、装置への給電に使用される場合、それぞれの電気化学セルは装置のカットオフ電圧の１／３に「支配」されるだけである。したがって「ｎ」個のセルが直列に接続され、装置に給電している場合には、それぞれのセルが、カットオフ電圧を整数ｎで割った値として定義される装置のカットオフ電圧の一部に「支配」される。しかし２つの以上の電気化学セルが並列に接続され、電子装置に給電する場合、それぞれのセルは依然として装置のカットオフ電圧全体に「支配」される。さらにこの応用では、２つの以上の電気化学セルが直列に接続され、この直列接続が他の１つまたは複数の電気化学セルと並列に接続されている場合、直列接続されたそれぞれのセルが、直列に接続されたセルだけが装置に給電している場合と同じカットオフ電圧の部分に「支配」される。
【００２３】
本発明の一態様は、バッテリの「供給実行時間」を延長することにある。一次バッテリについては「バッテリ供給実行時間」と「バッテリ実行時間」は相互に交換可能であり、バッテリが給電している装置の最小動作電圧、すなわちその装置のカットオフ電圧よりもバッテリの出力電圧が低下するまでの放電サイクルの時間と定義される。「セル実行時間」は、電気化学セル自体、すなわちセルの電気化学エネルギーの枯渇に依存するが、「バッテリ実行時間」はバッテリが使用される装置に依存する。例えばカットオフ電圧が約１ボルトの電子装置は、たとえ電気化学セルにそのエネルギー蓄積容量の少なくとも５０％が残っているとしても、バッテリの出力電圧が１ボルトよりも下がったときに動作を停止する。この例では、その電子装置を駆動するのに十分な電圧をバッテリがもはや供給することができないため「バッテリ実行時間」は過ぎており、このバッテリは一般に廃棄される。しかしセルに電気化学エネルギーは残っているので「セル実行時間」はまだ過ぎていない。
【００２４】
しかし再充電可能バッテリは複数回の充電／放電サイクルを有する。再充電可能バッテリでは、達成することができる充電／放電サイクル数として「サイクル寿命」が定義される。再充電可能バッテリの「バッテリ実行時間」は、１回の放電サイクルで、バッテリが給電している装置のカットオフ電圧よりも再充電可能バッテリの出力電圧が低下するか、またはバッテリのサイクル寿命を延ばすために放電が停止されるまでの時間を指す。しかし再充電可能バッテリの「バッテリ供給実行時間」は、それぞれの放電サイクルが最適な実行時間を有する充電／放電サイクルの合計数を指す。再充電可能電気化学セルの「セル実行時間」は、負荷条件下でセルが１回の放電サイクル中に最適放電深度を達成するまでに要する時間である。先に論じたように、再充電可能バッテリの「サイクル寿命」は再充電可能セルが経験する放電の深度の関数である。放電深度が増大するとバッテリ実行時間も延びるが、サイクル寿命およびバッテリ供給実行時間は低下する。逆に放電深度が低下するとバッテリ実行時間は短縮されるが、サイクル寿命およびバッテリ供給実行時間は増大する。しかし装置使用の観点からするとバッテリ実行時間が短いのは不便である。したがって再充電可能バッテリの特定のそれぞれの電気化学性および設計に対して、バッテリ供給実行時間が大きくなるように放電深度とサイクル寿命の比を最適化することができる。再充電可能バッテリのバッテリ供給実行時間を最適化する１つの可能な方法は、特定の放電深度で得られたサイクル寿命（すなわちサイクル数）とそれらのそれぞれのサイクルで回収されたエネルギー量との積として定義される送出累積エネルギーを比較することである。
【００２５】
本出願ではさらに、電気化学セルが一次セルであるか再充電可能セルであるかにかかわらず用語「電気化学セルの有効寿命」または「セル有効寿命」が使用され、バッテリ実行時間に対応する。「セル有効寿命」は、特定の放電サイクルで、電気化学セルが、セルが給電している装置を駆動するのに十分な電圧をもはや供給することができなくなり、セルが有効でなくなるまでの時間である。単一セル・バッテリでは「セル実行時間」が延びるか、または短縮すれば、「セル有効寿命」および「バッテリ実行時間」も必然的に延び、または短縮される。さらに、単一セル・バッテリの用語「バッテリ実行時間」と「セル有効寿命」は相互に交換可能であり、単一のセル・バッテリの「バッテリ実行時間」または「セル有効寿命」が延びるか、または短縮されば、もう一方も延び、または短縮される。しかし対照的に、多セル・バッテリ中の特定の電気化学セルの用語「セル有効寿命」は、その多セル・バッテリの用語「バッテリ実行時間」とは必ずしも交換可能ではない。これは、多セル・バッテリのバッテリ実行時間が経過した後でも、その特定の電気化学セルの有効寿命がまだ残っている可能性があるためである。同様に、多セル・バッテリ中の特定の電気化学セルの「セル実行時間」が延びるか、または短縮された場合でも、「バッテリ実行時間」がそのバッテリ内の他の１つまたは複数のセルのセル電圧によって決まる可能性があるため、「バッテリ実行時間」が延びたり、または短縮されるとは限らない。
【００２６】
本出願で使用する再充電可能電気化学セルの「放電の最適深度」または「最適放電深度」は、充電／放電サイクル数を最大にし、そのセルのそれぞれの放電サイクルでの実行時間を最適化するセル電圧のことを指す。再充電可能電気化学セルを、そのセルの「最適放電深度」（例えばＳＬＡセルで約１．６ボルト）よりも深くまで放電させた場合には、そのセルの供給実行時間が大幅に短縮される可能性がある。例えばリチウム・イオン・セルを深く放電させると、セルがダメージを受け、セルの将来の充電サイクル数および効率が低下する可能性がある。しかし、ニッケル・カドミウム（ＮｉＣｄ）電気化学セルでは、「メモリ」効果によって将来の放電サイクルでのセルの実行時間が短縮し、これによってセルの寿命が短くなることを防ぐために、より深くまで放電させるほうが好ましい。
【００２７】
用語「電気的に接続される」、「電気接続」は、連続して電流を流すことができる接続または結合を指す。用語「電子的に接続される」および「電子接続」は、トランジスタ、ダイオードなどの電子装置が電流経路上に含まれる接続を指す。本出願では「電子接続」を「電気接続」のサブセットと考える。すなわち「電子接続」は全て「電気接続」であるが、全ての「電気接続」が「電子接続」であるわけではない。
【００２８】
本発明のバッテリは、一次または再充電可能バッテリの放電サイクルでエネルギー回収を最適化し、かつ再充電可能バッテリの場合に放電サイクル数を最大にすることによってバッテリの供給実行時間を延ばす１つまたは複数のコントローラを含む。例えば本発明の一実施形態では、コントローラが、（１）放電制御機能、（２）充電制御機能、（３）非常時切断制御機能を実行する。１つまたは複数の電気化学セルをパッケージングして、単一セル・バッテリまたは多セル・バッテリとすることができる。多セル・バッテリは、２つ以上の同じ種類の電気化学セルを含むこと、またはハイブリッド・バッテリにおいて２つ以上の異なる種類の電気化学セルを含むことができる。本発明の多セル・バッテリは、直列および／または並列に電気的に配置された電気化学セルを含むことができる。単一セル・バッテリのコントローラは、セルの容器の内部の電気化学セルと直列および／または並列に電気的に接続することができ、セルの容器を少なくとも部分的に含むハウジングの内部にパッケージングするか、あるいは容器、ハウジング、ラベル、または容器もしくはハウジングに貼付されたその他の構造に取り付けることができる。多セル・バッテリではコントローラを、単一セル・バッテリに関して説明したのと同様に１つまたは複数の個別セルとともにパッケージングすること、および／または複数の電気化学セルの組合せとともにパッケージングし、コントローラがこの電気化学セルの組合せと直列または並列に接続されるようにすることができる。
【００２９】
本発明のバッテリのコントローラは先に挙げた１つまたは複数の機能を実行することができ、先に挙げた機能に加えてその他の機能も実行することができる。本発明のバッテリのコントローラは、所望の機能のうちの１つをそれぞれ実行する１つの回路を含むこと、または所望の機能のうちの１つまたは複数をそれぞれ実行する個別のサブコントローラを含むことができる。さらに、サブコントローラは、個々のサブコントローラに制御信号を供給することができる検知回路などの回路を共用することができる。
【００３０】
図１〜３に一般的な円筒形バッテリ１０の構造を、議論の目的上簡略化して示す。それぞれの円筒形バッテリ１０の構造は、異なる構成で配置された同じ基本構造部品を有する。それぞれのケースで構造は、ジャケットまたは側壁１４を有する容器１２、正端子２０を含む頂部キャップ１６、および負端子２２を含む底部キャップ１８を含む。容器１２は、単一の電気化学セル３０を包囲する。図１に、亜鉛−炭素電気化学セル３０から成る円筒形単一セル・バッテリ１０に対して使用することができる構成を示す。この構成では頂部キャップ１６全体が導電性であり、バッテリ１０の正端子２０を形成する。絶縁座金またはシール２４が導電性頂部キャップ１６を電気化学セル３０から絶縁する。電極または集電器２６は、バッテリ１０の外部正端子２０と電気化学セル３０のカソード（正極）３２とを電気的に接続する。底部キャップ１８も全体が導電性であり、バッテリ１０の外部負端子２２を形成する。底部キャップは、電気化学セル３０のアノード（負極）３４に電気的に接続される。アノード３４とカソード３２の間には隔離板２８が配置され、電解質を介したイオン伝導手段を提供する。例えば亜鉛−炭素バッテリは一般に、このタイプの配置でパッケージングされる。
【００３１】
図２に、底部キャップ１８を電気化学セル３０から絶縁する絶縁座金またはシール２５が示された代替バッテリ設計を示す。このケースでは、頂部キャップ１６全体が導電性であり、バッテリの正端子２０を形成する。頂部キャップ１６は、電気化学セル３０のカソード３２に電気的に接続される。やはり導電性の底部キャップ１８がバッテリの負端子２２を形成する。底部キャップ１８は、集電器２６を介してバッテリ・セル３０のアノード３４に電気的に接続される。アノードとカソードの間には隔離板２８が配置され、電解質を介したイオン伝導手段を提供する。例えば、一次および再充電可能アルカリ（亜鉛／二酸化マンガン）バッテリは一般に、このタイプの配置でパッケージングされる。
【００３２】
図３に、電気化学セル３０が「らせん巻きゼリー・ロール（ｓｐｉｒａｌｌｙ  ｗｏｕｎｄ  ｊｅｌｌｙ  ｒｏｌｌ）」構造として形成された他の代替バッテリ設計を示す。この設計では４つの層が、互いに隣接して「積層型」構造に配置される。この「積層型」構造は例えば、カソード層３２、第１の隔離板層２８、アノード層３４、第２の隔離板層２８をこの順番に含む。代替として、カソード層３２とアノード層３４の間に配置されていない第２の隔離板層２８の代わりに絶縁層を用いることができる。次いでこの「積層型」構造を巻いて、円筒形らせん巻きゼリー・ロール構成とし、バッテリ１０の容器１２の中に配置する。頂部キャップ１６を電気化学セル３０から絶縁する絶縁座金またはシール２４が示されている。このケースでは頂部キャップ１６全体が導電性であり、バッテリ１０の正端子２０を形成する。頂部キャップ１６は、集電器２６を介して電気化学セル３０のカソード層３２に電気的に接続される。やはり導電性の底部キャップ１８がバッテリの負端子２２を形成する。底部キャップ１８は、導電性底部プレート１９を介してバッテリ・セル３０のアノード３４に電気的に接続される。カソード層３２とアノード層３４の間には隔離板２８が配置され、電解液を介したイオン伝導手段を提供する。頂部キャップ１６と底部キャップ１８の両方に接続された側壁１４が示されている。このケースでは側壁１４が、ポリマーなどの非導電性材料から形成されることが好ましい。しかし、側壁１４が少なくとも正端子２０および／または負端子２２から絶縁され、これによって２つの端子間に短絡が生じない場合には、側壁を、金属などの導電材料から製作することもできる。例えば、一次リチウム二酸化マンガン（ＭｎＯ２）バッテリなどの一次および再充電可能リチウム・バッテリ、ならびに再充電可能リチウム・イオンおよびニッケル・カドミウム（ＮｉＣｄ）バッテリはしばしばこのタイプの配置でパッケージングされる。
【００３３】
これらのそれぞれのセルはさらに、当技術分野で周知のさまざまな形態の安全ベント、動作に空気交換が必要な電気化学セル用の動作ベント、容量指示器、ラベルなどを含むことができる。さらにこれらのセルを、ボタン形、コイン形、または角柱形のセル、フラット・プレート、バイポーラ・プレートセルなど、当技術分野で周知のその他の構造に構築することができる。
【００３４】
本発明の目的上、バッテリ「容器」１２は単一の電気化学セル３０を収容する。容器１２は、電気化学セル３０の２つの電極３２、３４、隔離板および電解質を、環境および多セル・バッテリ中のその他の電気化学セルから絶縁および保護し、電気化学セル３０から容器の外部に電気エネルギーを供給するのに必要な全ての部品を含む。したがって図１および２の容器１２は側壁１４、頂部キャップ１６、底部キャップ１８、ならびにセル３０の電気接続を提供する正端子２０および負端子２２を含む。多セル・バッテリでは容器を、単一の電気化学セル３０を含む個別構造とすることができ、この容器１２を、多セル・バッテリ内の複数の個別容器の１つとすることができる。多セル・バッテリのハウジングが、１つの電気化学セル３０の電極および電解質を環境およびそのバッテリ中のその他のそれぞれのセルから完全に分離する場合には、代替として、容器１２をハウジングの一部によって形成することもできる。容器１２は、金属などの導電材料とプラスチック、ポリマーなどの絶縁材料とを組み合せて製作することができる。
【００３５】
しかしこの容器１２は、電極および電解質をそれぞれ含む個々に分離された別個のセル６３０を含む多セル・バッテリのハウジングと区別しなければならない。例えば標準９ボルト・アルカリ・バッテリのハウジングは図６に示すように、容器６１２をそれぞれ含む６つの個別のアルカリ・セル６３０を包囲する。しかしいくつかの９ボルト・リチウム・バッテリでは、バッテリのハウジング６１１が、電気化学セル３０間で電極および電解質を分離する複数の個別チャンバを有するように形成され、したがってハウジングが、それぞれのセルに対する個々の容器１２と多セル・バッテリ６１０全体に対するハウジング６１１の両方を兼ねる。
【００３６】
図５Ａ、５Ｂおよび５Ｃに、円筒形単一セル一次バッテリ２１０、３１０および４１０の本発明の３つの実施形態の部分分解図を示す。図５Ａでは、バッテリ２１０の頂部キャップ２１６と絶縁座金２２４の間にコントローラ２４０が配置されている。コントローラ２４０の正出力２４２は、コントローラ２４０に直接に隣接したバッテリ２１０の正端子２２０に電気的に接続され、コントローラ２４０の負出力２４４はバッテリ２１０の負端子２２２に電気的に接続される。この例では、コントローラ２４０の負出力２４４が、導電性ストリップ２４５およびバッテリ２１０の導電性底部キャップ２１８の負端子２２２と電気的に接触した導電性側壁２１４を介してバッテリ２１０の負端子２２２に接続される。このケースでは導電性側壁が、頂部キャップ２１６から電気的に絶縁されていなければならない。コントローラ２４０の正入力２４６は、集電器２２６を介して電気化学セル２３０のカソード２３２に電気的に接続される。コントローラ２４０の負入力２４８は、導電性ストリップ２３７を介して電気化学セル２３０のアノード２３４に電気的に接続される。代替としてコントローラ２４０を、底部キャップ２１８と絶縁体２２５の間に配置するか、あるいはバッテリの容器またはラベルの外側に取り付けるか、貼り付けるか、または接合してもよい。
【００３７】
図５Ｂではコントローラ３４０が、バッテリ３１０の底部キャップ３１８と絶縁体３２５の間に配置されている。コントローラ３４０の負出力３４４は、コントローラ３４０と直に隣接したバッテリ３１０の負端子３２２に電気的に接続され、コントローラ３４０の正出力３４２はバッテリ３１０の正端子３２０に電気的に接続される。この例では、コントローラ３４０の正出力３４２が、バッテリ３１０の導電性頂部キャップ３１６の正端子３２０と電気的に接触した導電性側壁３１４を介してバッテリ３１０の正端子３２０に接続される。コントローラ３４０の正入力３４６は、導電性ストリップ３３６を介して電気化学セル３３０のカソード３３２に電気的に接続される。コントローラ３４０の負入力３４８は、電気化学セル３３０の底部プレート３１９からアノード３３４の中に延びる集電器３２６を介して電気化学セル３３０のアノード３３４に電気的に接続される。このようなケースでは、コントローラ３４０が仮想接地を使用する場合に、集電器３２６およびコントローラ３４０の負入力３４８が、容器３１２の負端子３２２およびコントローラ３４０の負出力３４４から絶縁されていなければならない。代替としてコントローラ３４０を、頂部キャップ３１６と絶縁体３２４の間に配置するか、あるいは容器３１２の外側またはバッテリのラベルに取り付けるか、貼り付けるか、または接合してもよい。
【００３８】
図５Ｃではコントローラ４４０が、厚膜印刷技術を使用したラッパ（ｗｒａｐｐｅｒ）または可撓性プリント回路板（「ＰＣＢ」）４４１上に形成され、容器の内側の側壁４１４とバッテリ４１０のカソード４３２の間に配置されている。コントローラ４４０の正出力４４２は、バッテリ４１０の頂部キャップ４１６を介してバッテリ４１０の正端子４２０に電気的に接続され、コントローラ４４０の負出力４４４は、底部プレート４１９および底部キャップ４１８を介してバッテリ４１０の負端子４２２に電気的に接続される。コントローラ４４０の正入力４４６は、この例ではコントローラ４４０を含むラッパ４４１に直に隣接した電気化学セル４３０のカソード４３２に電気的に接続される。コントローラ４４０の負入力４４８は、接点プレート４３１および接点プレート４３１から電気化学セル４３０のアノード４３４の中に延びる集電器４２６を介して電気化学セル４３０のアノード４３４に電気的に接続される。絶縁座金４２７が、接点プレート４３１をカソード４３２から分離する。集電器４２６がアノード４３４から接点プレート４３１への接続を提供するため、図５Ｃに示すように絶縁座金がアノード４３４と接点プレート４３１の間に延びていてもよい。コントローラ４４０が仮想接地を使用する場合には、接点プレート４３１も、底部プレート４１９および負端子４２２から絶縁座金４２５などによって絶縁されていなければならない。代替としてラッパ４４１を、側壁４１４の外周に巻きつけて容器４１２の外側に配置してもよい。このような実施形態ではラッパを覆ってラベルを付けるか、またはコントローラ自体と同じラッパ上にラベルを印刷する。
【００３９】
図６に、それぞれの電気化学セル６３０がセルの個別容器６１２の内部にコントローラ６４０を有する本発明の９ボルト多セル・バッテリ６１０の部分断面透視図を示す。この実施形態ではバッテリ６１０が、公称電圧がそれぞれ約１．５ボルトの６つの個別電気化学セル６３０を含む。バッテリ６１０が例えば、公称電圧がそれぞれ約３ボルトの３つのリチウム・セルを含むこともある。当技術分野ではその他の多セル・バッテリ構造も知られており、それらを使用して本発明のコントローラ６４０を収容してもよい。多セル・バッテリには例えば、少なくとも実質的に一体に収縮包装された個別容器および複数の単一セル容器を含むプラスチック・ハウジングを有する、ビデオカメラや携帯電話のバッテリなどの角柱形バッテリが含まれる。
【００４０】
図４、４Ａおよび４Ｂに、本発明のバッテリ１１０のさまざまな実施形態のブロック図を示す。図４に、埋込み型内蔵コントローラ回路１４０を利用する本発明のバッテリ１１０の一実施形態のブロック図を示す。この実施形態では、ディジタルとアナログの両方の構成部品を有する混合モード集積回路を利用することが好ましい。代替としてこのコントローラ回路を、特定用途向け集積回路（「ＡＳＩＣ」）、ハイブリッド・チップ設計、ＰＣボードまたは当技術分野で周知のその他の形態の回路製作技術を使用して製作することができる。コントローラ回路１４０は、バッテリ容器１１２の内部の電気化学セル１３０の正極１３２、負極１３４とバッテリの正端子１２０、負端子１２２との間に配置することができる。したがってコントローラ１４０は、電気化学セル１３０を容器１１２の端子１２０、１２２に接続すること、または電気化学セル１３０を容器１１２の端子１２０、１２２から切断すること、あるいはバッテリ端子１２０、１２２に適用されるセル１３０の出力電圧または出力インピーダンスを変更すること、または安定させることができる。図４Ａに、図４に示した本発明のバッテリ１１０の好ましい一実施形態を示す。図４Ａではコントローラ１４０が、電気化学セル１３０の正極（カソード）１３２とバッテリ容器１１２の正端子１２０の間に接続されている。電気化学セル１３０の負極（アノード）１３４およびバッテリ容器１１２の負端子１２２は、コントローラ１４０と接地を共用する。図４Ｂに、コントローラ１４０が仮想接地上で動作し、電気化学セル１３０の負極１３４を容器１１２の負端子１２２から分離し、さらに電気化学セル１３０の正極１３２を容器１１２の正の端子１２０から分離する本発明のバッテリ１１０の好ましい代替実施形態を示す。
【００４１】
図４Ａおよび４Ｂに示した実施形態はそれぞれ利点および欠点を有する。例えば図４Ａの構成では、ボルタ・セル１３０、コントローラ１４０およびバッテリ容器１１２の負端子１２２用の共通接地を有するより単純な回路設計が可能である。しかし図４Ａの構成には、真の電気化学セル電圧レベル下で機能する変換器が必要であるという欠点があり、別個の誘導部品の使用が必要となる可能性がある。図４Ｂの構成ではバッテリ容器１１２の負端子１２２に適用された仮想接地が、電気化学セル１３０の負極１３４を負荷から分離し、ほとんど誘導部品のないＤＣ／ＤＣ変換器またはチャージ・ポンプの使用を可能にする。しかしこの構成には、セル電圧が電気化学セルの規定電圧レベルより低いときにコントローラ１４０の電圧変換器がより効率的に動作するようにするため、仮想接地の回路をより複雑にする必要があるという欠点がある。
【００４２】
図４Ｃに、内蔵コントローラ回路１４０を有する本発明のバッテリ１１０の他の実施形態を示す。コントローラ回路１４０は４つの主要構成部品、すなわち放電サブコントローラ回路１０２、充電サブコントローラ回路１０４、非常時サブコントローラ回路１０６、および連続的または断続的に検知した動作パラメータおよび／または物理状態に基づいて放電サブコントローラ回路１０２および／または充電サブコントローラ回路１０４に電圧制御信号を供給する検知回路１０５を含む。検知回路１０５は、セル電圧、セルから引き出された電流、セルの電圧と電流の間の位相シフトなどの電気化学セル１３０の動作パラメータを測定することができる。さらに検知回路１０５は、出力電圧レベル、出力電流レベル、充電電圧レベル、充電電流レベルなどの内蔵コントローラ回路１４０の動作パラメータを測定することもできる。さらに検知回路は、温度、圧力、水素および／または酸素濃度などの電気化学セルの物理的な状態も測定することができる。当技術分野で周知のように、または後に説明するように、検知回路１０５はこれらのパラメータまたは状態を、充電または放電サイクル中に電気化学セルを効果的にモニタするのに足る任意の組合せで測定することができる。
【００４３】
しかし本発明のバッテリ１１０の内蔵コントローラ回路１４０が先に挙げたそれぞれの機能を実行する必要はない。コントローラ回路１４０は例えば、先に挙げた構成部品のうち、放電サブコントローラ回路１０２と検知回路１０５、充電サブコントローラ回路１０４と検知回路１０５、非常時サブコントローラ回路１０６と検知回路１０５、またはこれらの任意の組合せなど、２つまたは３つの部品だけを有するのでもよい。あるいは、コントローラ回路１４０の特定の実施形態に含まれる放電サブコントローラ回路１０２、充電サブコントローラ回路１０４および／または非常時サブコントローラ回路１０６自体が、これらのそれぞれの機能を実行するのに必要な内部検知回路を含む場合には、コントローラ回路１４０が検知回路１０５を持たなくてもよい。さらに、放電サブコントローラ回路１０２または充電サブコントローラ回路１０４、あるいはその両方が非常時サブコントローラ１０６の機能をも実行してもよい。コントローラ回路１４０は、先に挙げた１つまたは複数のサブコントローラまたは検知回路、ならびに先に挙げた機能の他の機能を実行するその他のサブコントローラを有することができる。
【００４４】
放電サブコントローラ回路１０２は、安全な深い放電を実施して一次バッテリの蓄積エネルギーをより多く使用することによって、または再充電可能バッテリの蓄積エネルギーを再充電前に最適に使用することによってバッテリの供給実行時間を延ばすため、バッテリ１１０の電気化学セル１３０の放電を制御する。充電サブコントローラ回路１０４は、コントローラ回路１４０が内蔵されたバッテリ１１０の電気化学セル１３０の充電を安全かつ効率的に制御する。非常時サブコントローラ１０６は、検知回路１０５が短絡、逆極性、過充電状態、過放電状態などの危険な状態を検出したときに電気化学セルをバッテリ端子から切断する。
【００４５】
しかし本発明の一次バッテリの好ましい実施形態では、コントローラ１４０が放電サブコントローラ回路１０２、非常時サブコントローラ１０６および検知回路１０５を含むことが好ましい。検知回路１０５は、電気化学セル１３０の動作パラメータおよび物理状態を連続的にモニタすることが好ましい。放電サブコントローラ回路１０２は、バッテリを廃棄する前の供給実行時間を延ばすためにバッテリ１１０の一次電気化学セル１３０をより安全かつより深く放電させることが好ましい。非常時サブコントローラ回路１０６は、検知回路が危険な状態を検出したときに、電気化学セルをバッテリ端子１２０、１２２から切断することが好ましい。
【００４６】
本発明の再充電可能バッテリ１１０の好ましい一実施形態ではコントローラ回路１４０がさらに、充電サブコントローラ回路１０４を含む。充電サブコントローラ回路１０４は、コントローラ回路１４０が内蔵されたバッテリ１１０の電気化学セル１３０の充電を安全かつ効率的に制御する。検知回路１０５は、コントローラ回路１４０の動作パラメータおよび電気化学セル１３０の物理状態を連続的かつ直接にモニタすることが好ましい。検知回路１０５は例えば、セル電圧、充電電流、電気化学セルの内部インピーダンス、水素または酸素濃度、ｐＨ、温度、圧力、あるいは当技術分野で周知のその他の動作パラメータまたは物理状態をモニタすることができる。
【００４７】
特に好ましい一実施形態では、それぞれの電気化学セルがその特定のセルの状態をモニタする内蔵コントローラ回路１４０を有する。それぞれの特定のセルの状態を直接にモニタすることによって充電サブコントローラ１０５は、複数の電気化学セルを有するバッテリをモニタする周知の充電コントローラよりも大きな安全および効率を提供することができる。充電サブコントローラ１０５は、セルの瞬時充電値およびセルの最大容量を利用して充電状態を連続的に最適化することにより、損失を最小限に抑える。
【００４８】
それぞれのコントローラは、（１）放電サブコントローラ１０２、（２）充電サブコントローラ１０４および／または（３）非常時サブコントローラ１０６のうち、１つまたは複数のサブコントローラを含むことができる。議論を分かりやすくするためコントローラの諸機能を、サブコントローラに関して説明する。しかし本発明のコントローラ１４０を実際に実現する際には、それぞれの機能に対して独立した回路を実装する必要はない。コントローラが実行する複数の機能を結合して単一の回路とすることができ、またそのほうが好ましいからである。例えばそれぞれのサブコントローラが、コントローラの１つまたは複数の動作パラメータおよび／または電気化学セルの１つまたは複数の物理状態を測定する独自の内部検知回路を備えてもよいし、あるいは独立した検知回路が、これらのパラメータおよび／または状態を測定し、これらのパラメータおよび／または状態ならびに／あるいはこれらに関係した制御信号を１つまたは複数のサブコントローラに供給してもよい。さらにコントローラは、本明細書で挙げた１つまたは複数の機能に加えてその他の機能を実行する追加または代替のサブコントローラを備えてもよい。
【００４９】
放電サブコントローラ
放電サブコントローラ１０２は、本発明の一次または再充電可能バッテリの供給実行時間を複数の方法の１つで延ばすことができる。第１に、少なくとも１つの一次電気化学セル、または充電する前に完全に放電させておくことが好ましい（例えばＮｉＣｄセルは約１００％まで放電させることが好ましい。ただしそれを超える放電は好ましくない）少なくとも１つの再充電可能セルを含む多セル・バッテリの場合、放電サブコントローラは、バッテリの１つまたは複数の電気化学セルを普通ならば可能な深度よりも深く電子装置が放電させることができるようにする。例えば放電サブコントローラは、単一セル・バッテリが、装置のカットオフ電圧よりもセル電圧が下がった点を越えて放電することができるようにする。一次バッテリの場合、バッテリを廃棄する前に電気化学セルを可能な限り深く放電させることによって、バッテリの供給実行時間を延ばすことができる。しかし再充電可能バッテリでは、電気化学セルを最適放電深度まで放電させることによってバッテリ供給実行時間を延ばす。したがって、再充電可能電気化学セルの最適放電深度が、この再充電可能バッテリが給電している装置のカットオフ電圧よりも低い場合、再充電可能セルをその装置のカットオフ電圧を越えて放電させることができれば、再充電可能バッテリの供給実行時間を延ばすことができる。
【００５０】
本出願において用語「深い放電」とは、電気化学セルを、その電気化学セルの定格容量の少なくとも８０％まで放電させることを指す。さらに、本出願で用語「かなりの放電」は、電気化学セルをその電気化学セルの定格容量の少なくとも７０％まで放電させることを指す。「過放電」は本出願では、電圧反転につながる可能性がある１００％を超える電気化学セルの放電を指す。例えば現在市販されている一般的なアルカリ・バッテリは一般に、電気化学セルの電圧レベルが所与の電子装置を駆動するには不十分な電圧レベルに落ちる前までにその蓄積エネルギー容量の約４０〜７０％を送出することができる。したがって本発明のサブコントローラが、バッテリが給電を停止する前に約７０％超の放電が可能なアルカリ・セルを提供することが好ましい。放電サブコントローラが約８０％を超える放電レベルを提供することがより好ましい。放電サブコントローラが約９０％を超える放電レベルを提供することがより好ましく、約９５％を超える放電レベルを提供することが最も好ましい。
【００５１】
放電サブコントローラ１０２は、一次または再充電可能バッテリのセル電圧を所望の出力電圧に変換する変換器を含むことができる。一次バッテリではこの変換器によって、電気化学セルをより深く放電させることができるようになり、これによってバッテリの供給実行時間が延びる。しかし再充電可能バッテリではこの変換器によって、コントローラが、所与の装置のカットオフ電圧から独立した最適放電深度まで再充電可能バッテリを放電させることができるようになる。本発明の一実施形態では放電サブコントローラが、バッテリの実行時間にわたってセル電圧を所望の出力電圧に連続的に変換する。セル電圧が、バッテリ放電が普通なら停止される装置のカットオフ電圧レベルまで低下すると、変換器は、バッテリの出力のところでこのセル電圧を装置を駆動し続けるのに十分なレベルまで上昇させ、この操作を、セル電圧レベルが、放電サブコントローラを駆動するのに最低限必要な電圧、または再充電可能電気化学セルでは最適放電深度を下回るまで続ける。したがって、他のバッテリのサブコントローラよりも低い電圧レベルで動作することができるサブコントローラ設計を有するバッテリは、セル電圧レベルとは独立により深く放電することができるバッテリとなる。
【００５２】
本発明の好ましい実施形態ではこの変換器が、セル電圧が所定の電圧レベル以下に落ちたときにだけ動作する。このような実施形態では、変換器が必要なときにだけ動作するので変換器の内部損失が最小限に抑えられる。この所定の電圧レベルが、電気化学セルの公称電圧から、そのバッテリが動作する対象である装置クラスの最も高いカットオフ電圧までの範囲に含まれることが好ましい。この所定の電圧レベルが、そのバッテリが動作する対象である装置クラスの最も高いカットオフ電圧よりもわずかに大きいことがより好ましい。例えばこの所定の電圧レベルを、そのバッテリが動作する対象である装置クラスの最も高いカットオフ電圧付近からそのカットオフ電圧に約０．２ボルトを加えた電圧までの範囲に含まれるものとすることができ、この所定の電圧レベルが、そのバッテリが動作する対象である装置クラスの最も高いカットオフ電圧付近からそのカットオフ電圧に約０．１５ボルトを加えた電圧までの範囲に含まれることが好ましく、そのバッテリが動作する対象である装置クラスの最も高いカットオフ電圧付近からそのカットオフ電圧に約０．１ボルトを加えた電圧までの範囲に含まれることがより好ましく、そのバッテリが動作する対象である装置クラスの最も高いカットオフ電圧付近からそのカットオフ電圧に約０．０５ボルトを加えた電圧までの範囲に含まれることがより好ましい。例えば公称電圧が約１．５ボルトの電気化学セルではこの所定の電圧が一般に、約０．８ボルト〜約１．８ボルトの範囲に含まれる。この所定の電圧が約０．９ボルト〜約１．６ボルトの範囲に含まれることが好ましい。この所定の電圧が約０．９ボルト〜約１．５ボルトの範囲に含まれることがより好ましい。この所定の電圧が約０．９ボルト〜約１．２ボルトの範囲に含まれることがより好ましく、約１．０ボルト〜約１．２ボルトの範囲に含まれることがより好ましい。そのバッテリが動作する対象である装置クラスの最も高いカットオフ電圧に等しいか、またはこれよりもわずかに高い電圧レベルが最も好ましい。しかし、公称電圧が約３．０ボルトの電気化学セルに対して動作するように設計されたサブコントローラではこの所定の電圧が一般に、約２．０ボルト〜約３．４ボルトの範囲に含まれる。この所定の電圧が約２．２ボルト〜約３．２ボルトの範囲に含まれることが好ましい。この所定の電圧が約２．４ボルト〜約３．２ボルトの範囲に含まれることがより好ましい。この所定の電圧が約２．６ボルト〜約３．２ボルトの範囲に含まれることがより好ましく、約２．８ボルト〜約３．０ボルトの範囲に含まれることがより好ましい。そのバッテリが動作する対象である装置クラスの最も高いカットオフ電圧に等しいか、またはこれよりもわずかに高い電圧レベルが最も好ましい。
【００５３】
セル電圧がこの所定の電圧レベル以下に落ちると、放電サブコントローラはこの変換器をオンにし、セル電圧を、負荷を駆動するのに十分な所望の出力電圧まで上昇させる。これによって、セル電圧が負荷を駆動するのに十分に高いものであるときには必要のない変換器の損失が排除され、セル電圧が負荷を駆動するのに必要なレベルよりも低下した後も、一次セルの場合にはセル電圧が変換器の最小動作電圧に達するまで、再充電可能セルの場合にはセルのセル電圧が最適放電深度に達するまで電気化学セルが放電し続けることができるようになる。放電サブコントローラは、セル電圧が所定の電圧レベルよりも下がったときに変換器をオンにする単純な電圧比較器と電子スイッチの組合せから、後に説明するようなより複雑な制御方式に至るまでのいくつかの制御機構のうち、１つまたは複数の機構を使用することができる。
【００５４】
所与の出力電圧に対して設計された本発明のユニバーサル・バッテリは、装置への給電に使用されたときに自体の供給実行時間を延ばすことができることが好ましい。本出願で使用する「ユニバーサル」バッテリとは、セルの電気化学性とは独立に均一な出力電圧を供給することができるバッテリである。したがって本発明のユニバーサル・バッテリは、一次電気化学セルの電圧が、それよりも低いとサブコントローラがもはや動作することができなくなるレベルにまで下がったとき、または再充電可能電気化学セルの電圧がその最適放電深度まで下がったときに内蔵サブコントローラが動作を停止するまで、バッテリの出力電圧を所与の装置のカットオフ電圧に等しいか、またはそれよりも高いレベルに維持することによってその供給実行時間を延ばすように設計されることが好ましい。特定の電子装置または同程度のカットオフ電圧を有する狭いクラスの電子装置群に給電するように設計された本発明のバッテリは、所定の電圧レベルをこれらの装置のカットオフ電圧により密接に整合させることによって、より効率的に動作するように特に設計することができる。
【００５５】
第２に、放電サブコントローラ１０２を使用し、セルの放電を最適化して充電サイクルの回数または効率を増大させることによって、再充電可能電気化学セルの供給実行時間を延ばすことができる。例えば密封鉛−酸セルでは、深い放電によってこのセルがダメージを受け、かつ／または将来の再充電サイクルの回数または効率が低減する可能性がある。例えば放電サブコントローラは、特定の種類の再充電可能電気化学セルの放電を、セル電圧が、その特定の電気化学セルの最適放電深度またはそのタイプの電気化学セルの最適放電深度である所定の電圧レベルに達したときに放電サイクルが終わるように制御することができる。例えば鉛−酸再充電可能電気化学セルではこの所定の電圧レベルが約０．７ボルト〜約１．６ボルトの範囲に含まれることが好ましく、約０．７ボルトであることがより好ましい。例えばリチウムＭｎＯ２再充電可能電気化学セルでは、この所定の電圧レベルが約２．０ボルト〜約３．０ボルトの範囲に含まれることが好ましく、約２．４ボルトであることが最も好ましい。あるいは放電サブコントローラが、再充電可能電気化学セルの内部インピーダンスが、その特定の電気化学セルまたはそのタイプの電気化学セルの最も高い最適放電深度に対応した所定のインピーダンス・レベルに達したときに放電サイクルを終了させるものであってもよい。したがって、最適放電深度よりも深く放電されないことが好ましい少なくとも１つの再充電可能電気化学セルを含む本発明のバッテリでは、放電サブコントローラを使用し、セル電圧が所定の電圧レベルに達したとき、またはセルの内部インピーダンスが、所定の内部インピーダンス・レベルに達したとき、放電サイクルを終了させることによって、バッテリの供給実行時間を延ばすことができる。
【００５６】
第３に放電サブコントローラは、所望の出力電圧よりも高い公称電圧を有する電気化学セルのセル電圧を下げ、かつ／またはバッテリの電気化学セルの出力インピーダンスを変更することができる。これによって、バッテリの実行時間が延びるだけでなく、異なる公称電圧を有する電気化学セル間の互換性を通常可能であるよりも高めること、より高い公称電圧を有する電気化学セルのより高い蓄電電位を設計者が利用できるようにすること、および設計者が、ある種の電気化学セルの出力インピーダンスを変更して、このインピーダンスを所望のレベルに一致させ、これによってその電気化学セルと他の種類の電気化学セルとの間の互換性を増大させ、かつ／または特定の種類の負荷を用いたときのその電気化学セルの効率を増大させること、ができるようになる。さらに、水銀カドミウム・セルなどのように、一般に特定の公称電圧が必要だという理由だけで使用されている、効率の悪い、または環境に有害な、または高価であるなどの電気化学セルを、その応用に必要な公称電圧または出力インピーダンスを満足するために公称電圧を上昇または降下させた、あるいは出力インピーダンスを変更したより安全な、またはより効率的な、またはより安価な電気化学セルで置き換えることができる。
【００５７】
例えば、公称電流が約１．８ボルト以上の電気化学セルを、この高い公称電圧を標準的な公称電圧レベルである約１．５ボルトまで下げるサブコントローラと一緒にパッケージングし、これによってこのバッテリを、公称電圧が約１．５ボルトのバッテリと互換可能に使用することができるようにすることが可能である。具体的な１つの例として、一次リチウムＭｎＯ２セルなどの公称電圧が約３．０ボルトの標準リチウム・セルを降圧サブコントローラとともにパッケージングしてバッテリとし、これによってこのバッテリの出力電圧を約１．５ボルトとすることができる。これによって、公称電圧が約１．５ボルトの電気化学セルを有するバッテリの少なくとも２倍の容量を有し、ボリュームが同じバッテリが得られる。さらに、セルの化学エネルギー蓄積を減少するリチウム・セルの化学現象を化学的に引き下げる必要なしに標準アルカリまたは亜鉛−炭素単一セル・バッテリと真に互換可能なリチウム・セルが得られる。また、再充電可能リチウム・イオン・セルの公称電圧は約４．０ボルトである。このセルを降圧コントローラと一緒にパッケージングしてバッテリとし、この単一セル・バッテリの出力電圧を約１．４ボルトにすることができる。この本発明のリチウム・イオン・バッテリは、標準ＮｉＣｄ再充電可能単一セル・バッテリと互換可能であり、同じボリュームを有するＮｉＣｄ単一セル・バッテリの約２倍〜３倍の容量を提供することができる。
【００５８】
さらに、リチウム・イオン、マグネシウム、マグネシウム空気、アルミニウム空気などの電気化学セルを有するバッテリの公称電圧は約１．８ボルト超であり、これらのバッテリを、公称電圧が約１．５ボルトの標準バッテリと互換可能に使用することができる。異なる種類の電気化学セルを互換可能に使用することができるだけでなく、異なる種類の電気化学セルを一緒にパッケージングしてハイブリッド・バッテリとすることもできる。したがって、さまざまな公称電圧または内部インピーダンスを有する異なる電気化学セルを含む異なる種類のバッテリを互換可能に使用すること、あるいは異なる種類の電気化学セルを有するハイブリッド・バッテリを製造することができる。
【００５９】
あるいは、一般的な電子装置が動作する電圧よりも低い公称電圧を有する電気化学セルを内蔵昇圧変換器を有する放電サブコントローラ１０２とともに使用して公称電圧を押し上げることができる。これによって、この種の電気化学セルを有するバッテリを、このサブコントローラを使用しない場合にこのセルが供給する電圧よりも高い電圧レベルを必要とする装置とともに使用することができるようになる。さらにこの種のセルを有するバッテリを、標準アルカリまたは亜鉛−炭素電気化学セルと互換可能に使用することもできる。これによって、公称電圧が低すぎて実用的でなかったために普通なら消費者の使用に向けるとは考えられなかった電気化学セルを有するバッテリを、商業的に実現可能で使用に耐えるバッテリとすることができる。
【００６０】
表１に、本発明のバッテリ中で使用することができる例示的な一次、二次および保存型電気化学セルを挙げる。ただしこれらに限定されるわけではない。例えば、異なる公称電圧または内部インピーダンスを有する異なる種類の一次および／または再充電可能電気化学セルを変換器とともに使用して、標準１．５ボルト・アルカリ一次または再充電可能バッテリあるいは標準１．４ボルトＮｉＣｄ再充電可能バッテリと同じ出力電圧を有するユニバーサル単一セル・バッテリを作り出すことができる。さらに、一次、二次および／または保存型セルを、本発明のハイブリッド多セル・バッテリ中で一緒に使用することができる。事実、本発明は、さまざまな種類の電気化学セル間の互換性、および電気化学セルと燃料セル、コンデンサなどの代替電源装置との間の互換性をこれまでになく高める。互換可能バッテリを製作する際により多様なセルを使用できるようにするため、それぞれの電気化学セルの中にコントローラを配置することによって、異なる種類の電気化学セルの公称電圧、出力インピーダンスなどの電気特性を調整することができる。その他の種類のセルを含むバッテリとの互換性を維持しつつ電気化学セルの特定の利点を利用できるよう、バッテリを特別に設計することができる。さらに本発明を使用し、電気化学セルの公称電圧を標準電圧レベルに変換することによって新たな標準電圧レベルを生み出すことができる。
【００６１】
【表１】
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【００６２】
さらに、普通なら互換性のない電気化学セルを、特定の種類の応用のために特別に設計されたハイブリッド・バッテリ中で一緒に使用することができる。例えば亜鉛−空気電気化学セルを、ハイブリッド・バッテリ中でリチウム・セルと並列または直列に接続して一緒に使用することができる。亜鉛−空気セルは公称電圧が約１．５ボルトであり、非常に高いエネルギー密度を持つが、低く安定した電流レベルしか供給することができない。しかしリチウム・セルは、公称電圧が約３．０ボルトであり、高い電流レベルの短バーストを供給することができる。それぞれの電気化学セルの放電サブコントローラは同じ公称出力電圧を提供し、並列または直列電気構成に配置することを可能にする。セルが並列構成であるとき、この放電サブコントローラはさらに、セルが相互に充電し合うことを防ぐ。それぞれのセルの放電サブコントローラを使用して、負荷の必要に応じてどちらか一方のセルまたは両方のセルを接続または切断することができる。したがって負荷が低電力モードにあるときには、安定した小電流を供給するため亜鉛−空気セルを接続することができ、負荷が高電力モードにあるときにはリチウム・セル単独で、またはリチウム・セルと亜鉛−空気セルを組み合わせて、負荷に給電するのに必要な電流を供給することができる。
【００６３】
ハイブリッド・バッテリはさらに、一次セルと二次セル、一次セルと保存型セル、二次セルと保存型セル、一次セルと二次セルと保存型セルなどの多くの異なる組合せの電気化学セルを含むことができる。さらにハイブリッド・バッテリは、１つまたは複数の電気化学セルと、燃料、従来のコンデンサ、さらにはスーパー／ウルトラ・コンデンサなどの１つまたは複数の追加電源装置との組合せを含むことができる。例えばハイブリッド・バッテリは、アルカリ・セルと金属−空気セル、金属−空気セルと二次セル、金属−空気セルとスーパー・コンデンサの組合せなどを含むことができる。ハイブリッド・バッテリはさらに、前述のセルまた電源装置のうちの２つ以上のセルまた電源装置の任意の組合せを含むことができる。
【００６４】
さらに、放電サブコントローラは、電気化学セル構成部品の動作を阻害しセル電圧を低下させる電流ピークから電気化学セルを保護することによってもバッテリの供給実行時間を延ばすことができる。例えば放電サブコントローラは、高い電流需要によってセルにメモリ効果が発現し、電気化学セルの実行時間が短縮することを防ぐことができる。電流ピークは、アルカリ、リチウム、ＮｉＣｄ、ＳＬＡ、金属水素化物、亜鉛−空気セルなどの電気化学セルにとっても有害である。
【００６５】
放電サブコントローラは、急な需要があったときに利用できるように自体の出力のところに電荷を一時的に蓄えることによって電気化学セルを電流ピークから保護することができる。したがって電流ピーク需要は、電気化学セルに達する前に完全に排除されるか、またはかなり低減される。これによって、電気化学セルが直接に供給できるよりも高い電流ピークをバッテリが供給できるようになり、セル構成部品に害を与える可能性がある電流ピークから電気化学セルが保護される。この一時蓄電部品がコンデンサであることが好ましい。このコンデンサは、従来のコンデンサ、厚膜プリント・コンデンサ、「スーパー／ウルトラ・コンデンサ」などの当技術分野で周知の任意の種類のコンデンサでよい。例として図１３に、容器１３１２の出力端子１３２０と１３２２をまたいで接続されたコンデンサＣｆを示す。
【００６６】
単一の放電サブコントローラは、セルを電流ピークから保護しセル電圧を所望の出力電圧に変換することによって、バッテリの供給実行時間を延ばすことが好ましい。例えば放電サブコントローラの好ましい一実施形態は、変換器に関連した損失を最小限に抑えるためセル電圧が所定の電圧まで下がったときに変換器をオンにする。この同じサブコントローラは、セル電圧および出力負荷電流をモニタし、セル電圧が所定の電圧レベルに達するか、または負荷電流が所定の電流レベルに達した場合に変換器をオンにすることができる。あるいは放電サブコントローラが、セル電圧および出力負荷電流をモニタし、必要な負荷電流の供給によってセル電圧がカットオフ電圧レベルよりも下がるかどうかを判定してもよい。後の例ではサブコントローラが、変換器をオンにすべきかどうかを判定するアルゴリズム中で結合された２つの入力信号を受けて動作している。しかし前の例では、セル電圧が所定の電圧レベルまで低下するか、または出力負荷電流が所定の電流レベルまで上昇した場合にサブコントローラが変換器をオンにする。これらについては、その他の可能な制御方式とともに後にさらに詳細に論じる。
【００６７】
本発明は、特殊バッテリならびにＡＡＡＡ、ＡＡＡ、ＡＡ、ＣおよびＤ型セル、９ボルト・バッテリなどの消費者向け標準バッテリに関する。本発明は、さまざまな応用で使用することができる特殊一次バッテリおよびハイブリッド・バッテリの使用を企図する。十分な期間にわたって必要な電流速度を提供する一次バッテリの能力によって現在のところ限られているこれらの特殊バッテリおよびハイブリッド・バッテリを、携帯電話、ラップトップ・コンピュータなどで使用される再充電可能バッテリの代わりに使用することができることが予想される。さらに、セルの出力電圧と出力インピーダンスを個別に制御することができることによって、バッテリ設計者が、異なる種類のセルを組み合わせて、または燃料、従来のコンデンサ、さらには「スーパー／コンデンサ」などの代替電源装置を同じハイブリッド・バッテリ中で使用する全く新しい種類のハイブリッド・バッテリを設計することができるようになる。
【００６８】
さらに、互換可能な電気化学セルの種類が増えることによって、バッテリ設計者が携帯電話、ラップトップ・コンピュータ、ビデオカメラ、カメラなどの特定の装置用にカスタム設計されたバッテリへの依存を減らす標準一次または再充電可能バッテリを提供することができるようになる。消費者は、特定の種類、ブランドおよび／またはモデルの電子装置用に特に製造されたバッテリを購入する代わりに、標準バッテリを、現在、フラッシュライトやテープ・レコーダ用に購入しているのと同じように購入するだけで移動電話に給電することができる。さらに、製造される標準バッテリの数が増加するにつれてバッテリ１つあたりのコストは急速に下がり、その結果バッテリの価格ははるかに手頃なものとなって、最終的には特別に設計された再充電可能バッテリにとって代わることとなろう。さらに、一次バッテリと再充電可能バッテリを互換可能に使用することができる。例えば、ラップトップ・コンピュータの再充電可能バッテリが切れた場合、ユーザは、再充電可能バッテリが充電されるまでの数時間はもつ一次バッテリを購入すればよい。高価なバッテリを備えた装置を用いることにより提供されるある種の高性能レベルを必要としない場合、ユーザは、それよりも安価なバッテリを購入することができる。
【００６９】
写真フィルムなどで使用されている電子ラベリング技術を使用して、バッテリ中のセルの正確な種類、セルの定格および／または残存容量、ピークおよび最適電流送出能力、現在の充電レベル、内部インピーダンスなどを明示することができ、これによって「スマート」装置がこの電子ラベリングを読み、その消費を最適化して、装置の性能を強化したり、バッテリの供給実行時間を延ばしたりすることが可能になる。例えば、既に電子ラベリングを利用してフィルム速度を決定しているカメラでも、特定のバッテリの供給実行時間を最適化するため、電子ラベリング技術をバッテリに利用してフラッシュの充電時間を遅くしたり、フラッシュの使用を止めたりすることができる。ラップトップ・コンピュータでも電子ラベリング技術を利用し、例えば、ユーザが望む期間、バッテリの残りの電荷を最もよく使用するためにその動作速度を変更することによって、またはバッテリのエネルギーを節約するために電源オン／電源オフ技術を利用することによって、特定のバッテリの最も効率的な動作パラメータを決定することができる。さらにビデオ・カメラ、携帯電話などでも電子ラベリングを利用して、バッテリの使用を最適化することができる。
【００７０】
本発明はさらに、ＡＡＡ、ＡＡ、ＣおよびＤ型セル、９ボルト・バッテリなどの消費者向け標準バッテリに関する。一次バッテリを、異なる種類の一次または再充電可能バッテリと互換可能に使用できるのに加え、標準一次または再充電可能バッテリを、現在のところカスタム設計されたバッテリだけしか使用できない応用に対して使用可能にすることができる。例えば消費者は自分の必要に応じて、１つまたは複数の一次または再充電可能標準バッテリを購入し、それを、ラップトップ・コンピュータ、ビデオ・カメラ、携帯電話およびその他の携帯電子機器に直接に装填することができる。先に述べたとおり、製造される標準バッテリの数が増加するにつれてバッテリ１つあたりのコストは急速に下がり、その結果バッテリの価格ははるかに手頃なものとなって、最終的には特別に設計された再充電可能バッテリにとって代わることとなろう。
【００７１】
最適放電深度が比較的に低い一次バッテリまたは再充電可能バッテリの供給実行時間を延ばすため、回路製造技術が進歩するにつれいっそう低い電圧で動作する放電サブコントローラを設計することができる。放電サブコントローラを例えば、シリコンカーバイド（「ＳｉＣ」）実施形態では約０．１ボルト、ガリウム・ヒ素（「ＧａＡｓ」）実施形態では約０．３４ボルト、従来のシリコン・ベースの実施形態では約０．５４ボルトという低い電圧レベルで動作するように設計することができる。さらに、印刷サイズが縮小するにつれてこれらの最小動作電圧も低下する。例えばシリコンでは、回路印刷が０．１８ミクロン技術にまで縮小すると、最小動作電圧は約０．５４ボルトから約０．４ボルトに下がると考えられる。先に説明したとおり、放電サブコントローラの最小必要動作電圧が低いほど、放電サブコントローラはセル電圧を低く調整することができ、これによって一次電気化学セルでは最も深い放電を得ること、または再充電可能電気化学セルではセルを低い最適放電深度まで最適に放電させることができる。したがって、回路製作におけるさまざまな進歩を利用してバッテリの利用率を電気化学セルの蓄積電荷のほぼ１００％にまで高めることも本発明は包含する。しかし本発明のシリコン・ベースの実施形態では、バッテリの蓄電電位の最大９５％を使用することができ、これは、コントローラのない一次電気化学セルの平均４０％〜７０％の利用率と比べると非常に高い。
【００７２】
例えばシリコン・ベースの好ましい一実施形態では、放電サブコントローラ１０２が約１ボルト、より好ましくは約０．８５ボルト、より好ましくは約０．８ボルト、より好ましくは約０．７５ボルト、より好ましくは約０．７ボルト、より好ましくは約０．６５ボルト、より好ましくは約０．６ボルト、最も好ましくは約０．５４ボルトと低い電圧で動作するように設計される。公称電圧が約１．５ボルトの電気化学セル用のサブコントローラの設計では、サブコントローラが、少なくとも約１．６ボルトの入力電圧で動作することができることが好ましい。この放電サブコントローラが、少なくとも約１．８ボルトの入力電圧で動作することができることがより好ましい。したがって好ましいサブコントローラは、最低約０．８ボルトから少なくとも１．６ボルトの電圧範囲で動作することができなければならない。ただしこのサブコントローラがこの範囲の外側で動作してもよく、またそのほうが好ましい。
【００７３】
しかし、公称電圧が約３．０ボルトの一次リチウムＭｎＯ２セルなどの電気化学セル３０とともに使用するように設計された本発明の放電サブコントローラ１０２の好ましい実施形態では、このサブコントローラが、公称電圧が約１．５ボルトの電気化学セルとともに使用される放電サブコントローラに対して必要な電圧レベルよりも高い電圧レベルで動作することができなければならない。公称電圧が約３．０ボルトの電気化学セルの場合、放電サブコントローラは約２．４ボルト〜約３．２ボルトの範囲で動作可能であることが好ましい。このサブコントローラが、約０．８ボルトから少なくとも約３．２ボルトの電圧範囲で動作可能であることがより好ましい。このサブコントローラが、約０．６ボルトから少なくとも約３．４ボルトの入力電圧範囲で動作可能であることがより好ましい。このサブコントローラが、約０．５４ボルトから少なくとも約３．６ボルトの入力電圧範囲で動作可能であることがより好ましく、約０．４５ボルトから少なくとも約３．８ボルトの電圧範囲で動作することが最も好ましい。ただしこのサブコントローラがこの範囲の外側で動作してもよく、またそのほうが好ましい。
【００７４】
しかし、公称電圧が約４．０ボルトの再充電可能リチウム・イオン・セルなどの電気化学セル３０とともに使用するように設計された本発明の放電サブコントローラ１０２の好ましい実施形態では、このサブコントローラが、公称電圧が約３．０または約１．５ボルトの電気化学セルとともに使用される放電サブコントローラに対して必要な電圧レベルよりもいっそう高い電圧レベルで動作することができなければならない。公称電圧が約４．０ボルトの電気化学セルの場合、放電サブコントローラは約２．０ボルト〜約４．０ボルトの範囲で動作することができることが好ましい。このサブコントローラが、約０．８ボルトから少なくとも約４．０ボルトの電圧範囲で動作可能であることがより好ましい。このサブコントローラが、約０．６ボルトから少なくとも約４．０ボルトの電圧範囲で動作可能であることがより好ましい。このサブコントローラが、約０．５４ボルトから少なくとも約４．０ボルトの入力電圧範囲で動作可能であることがより好ましく、約０．４５ボルトから少なくとも約４．０ボルトの電圧範囲で動作可能であることが最も好ましい。ただしこのサブコントローラがこの範囲の外側で動作してもよく、またそのほうが好ましい。
【００７５】
好ましい代替実施形態は、公称電圧が約１．５ボルトの電気化学セルとでも、または公称電圧が約３．０ボルトの電気化学セルとでも動作することができる。この実施形態では放電サブコントローラが約０．８ボルト、好ましくは約０．７ボルト、より好ましくは０．６ボルト、最も好ましくは０．５４ボルトの最小入力電圧、および少なくとも約３．２ボルト、好ましくは約３．４ボルト、より好ましくは３．６ボルト、最も好ましくは３．８ボルトの最大入力電圧で動作することができる。例えばこの放電サブコントローラは、約０．５４ボルト〜約３．４ボルト、約０．５４ボルト〜約３．８ボルト、約０．７ボルト〜約３．８ボルトなどの入力電圧範囲で動作することができる。
【００７６】
本発明のバッテリはさらに、カットオフ電圧を持たないフラッシュライトなどの電気装置とともに使用したときに一般的なバッテリに優る明白な利点を有する。一般的なバッテリではバッテリを放電させるとバッテリの出力電圧は低下する。電気装置の出力パワーはバッテリが供給する電圧に正比例するため、電気装置の出力はバッテリの出力電圧の低下に比例して低下する。例えば、バッテリの出力電圧が低下するにつれてフラッシュライトの電球の輝度はバッテリが完全に放電されるまで暗くなり続ける。しかし本発明のバッテリは、電気化学セル３０の電圧がそれよりも低ければサブコントローラが動作することができるレベルに下がるまでバッテリの放電サイクル全体を通してセル電圧を比較的に一定な制御された電圧レベルに調整する放電サブコントローラを有する。その時点でバッテリは給電を停止し、電気装置は動作を停止する。しかし放電サイクル中、電気装置は、バッテリが給電を停止するまで、比較的に安定した出力（例えば電球の輝度）を提供し続ける。
【００７７】
本発明のバッテリの好ましい一実施形態はさらに、ユーザへの低残存電荷警告を含む。例えば放電サブコントローラは、電気化学セルの電圧が所定の値に達したときに電気化学セルをバッテリの出力端子から短時間、断続的に切断し再接続することができる。これによって、バッテリが供給を停止しようとしていることを示す可視、可聴、または装置可読指示を提供することができる。さらにこのサブコントローラは、バッテリ寿命の終わりにバッテリの出力電圧を低下させることによって、加速されたバッテリ放電状態を故意に再現することもできる。例えばこのサブコントローラは、バッテリの蓄電容量がその定格容量の約５％となったときに出力電圧を徐々に低下させることができる。これによって、テープまたはコンパクト・ディスク・プレーヤのボリュームが低下するなどの指示をユーザに与えること、または指示を装置に与え、これに応じて装置がユーザに警告することができるようにすることができる。
【００７８】
図７に、放電サブコントローラ７０２のＤＣ／ＤＣ変換器７５０が、電気化学セル７３０の正極７３２、負極７３４と容器７１２の正端子７２０、負端子７２２との間に電気的に、好ましくは電子的に接続された本発明の一実施形態のブロック図を示す。ＤＣ／ＤＣ変換器７５０は、電気化学セル７３０の正極７３２と負極７３４の間の電圧を容器７１２の正端子７２０と負端子７２２の出力電圧に変換する。ＤＣ／ＤＣ変換器７５０は、昇圧変換、降圧変換、または昇圧変換と降圧変換の両方、または出力端子７２０、７２２での電圧安定化を提供することができる。この実施形態では、バッテリの実行時間を通して電気化学セル７３０の出力電圧を、容器の端子７２０、７２２での安定な出力電圧に変換するＤＣ／ＤＣ変換器７５０が連続モードで動作する。この実施形態は、容器７１２の出力端子７２０、７２２での出力電圧を安定化する。安定な出力電圧が提供されることによって、電子装置の設計者は、電子装置の電力管理回路の複雑さを低下させること、およびこれに対応して装置のサイズ、重量および費用を低下させることができる。
【００７９】
ＤＣ／ＤＣ変換器７５０は、再充電可能電気化学セルの場合には電気化学セル７３０のセル電圧が電気化学セルの最適放電深度よりも下がるまで、一次電気化学セルの場合には電気化学セル７３０のセル電圧が変換器７５０の電子構成部品の最小順バイアス電圧Ｖｆｂよりも下がるまで動作し続ける。電気化学セルの最適放電深度またはＤＣ／ＤＣ変換器７５０の最小スイッチング電圧Ｖｆｂが、バッテリ７１０が給電中の電子装置のカットオフ電圧よりも低い範囲で、コントローラ７４０は、容器７１２の端子７２０、７２２での出力電圧を電子装置のカットオフ電圧よりも高く維持することによって電子装置のカットオフ電圧を越えてバッテリ７１０を放電させることで、バッテリ７１０の供給実行時間を延ばす。
【００８０】
図７に示す本発明の好ましい一実施形態では連続モードで動作するＤＣ／ＤＣ変換器７５０が、電気化学セル７３０のセル電圧を容器７１２の出力電圧に下げる降圧変換器である。降圧変換器を含む放電サブコントローラ７０２の一実施形態では、この変換器が、第１の種類の電気化学セル７３０の電圧を、ほぼ第２の種類の電気化学セルの公称電圧レベルである容器７１２の出力電圧に下げ、そのため第１の種類の電気化学セル７３０を含むバッテリが、第２の種類の電気化学セルを含むバッテリと互換可能となる。例えば、標準１．５ボルト・セルよりも高い公称電圧を有する電気化学セルを連続動作する降圧変換器と組み合わて使用して、化学的に変更することなしに標準セルと互換可能のセルを提供することができる。この実施形態は、電気化学セル自体の構造を化学的に変更することなく、かつセルの化学的エネルギー貯蔵を減らすことなく、異なる種類の電気化学セル間の互換性を普通なら可能である程度よりも高めることを可能にする。
【００８１】
例えば一次または再充電可能リチウム・セルを標準ＡＡバッテリ・パッケージで使用して、同じボリュームのアルカリ・バッテリの少なくとも２倍の容量を提供することができる。一次または再充電可能リチウムＭｎＯ2などのリチウム・セルは公称電圧が約３．０ボルトであり、公称電圧が約１．５ボルトの標準ＡＡアルカリ・バッテリと互換可能に使用することは普通ならできない。公称電圧が約４．０ボルトのリチウム・イオン・セルも通常、公称電圧が約１．４ボルトの標準ＮｉＣｄバッテリと互換可能に使用することはできない。しかし、例えば標準ＡＡアルカリ・バッテリと互換可能に使用することができるリチウム・バッテリを得る目的で、リチウム電気化学セルの化学的性質を変更して公称電圧が約１．５ボルトのリチウム・バッテリが作られた。この１．５ボルト・リチウム・バッテリは、写真機のフラッシュ負荷回路に高い電流レベルを送達する能力を依然として有するものの、総化学エネルギー蓄積量は、同じボリュームのアルカリ・セルに比べそれほど増大しない。しかし本発明は、公称電圧が約３．０または約４．０ボルトの一次または再充電可能標準リチウム電気化学セル、およびこの公称電圧を約１．５ボルトまたは約１．４ボルトに下げるコントローラの使用を可能にする。したがってこのバッテリは、化学的に変更された１．５ボルト・リチウム・セル、１．５ボルト・アルカリ・セルまたは１．４ボルトＮｉＣｄバッテリを含むバッテリの概ね２倍の化学エネルギー蓄積量を有し、１．５ボルトまたは１．４ボルト・バッテリと完全に互換可能なバッテリとなる。さらに本発明のリチウム・バッテリは、化学的に変更された１．５ボルト・リチウム・セルを含むバッテリと同じ高電流レベルを提供する。
【００８２】
さらに、放電サブコントローラ７０２は、バッテリ７１０を使用するフラッシュライトなどの電気装置の性能を最適化する。電気装置は、最小動作電圧での電子装置のようには動作停止しないが、フラッシュライト電球の輝度などの電気装置の性能は入力電圧が下がるにつれて低下する。したがってバッテリ７１０の出力電圧を安定に保つことによってバッテリの実行時間を通して装置の性能を一定に保つことができ、電気化学セル７３０の電圧が下がっても電気装置の性能は低下しない。
【００８３】
ＤＣ／ＤＣ変換器７５０は、パルス変調（パルス幅変調（「ＰＷＭ」）、パルス振幅変調（「ＰＡＭ」）、パルス周波数変調（「ＰＦＭ」）、パルス位相変調（「ＰψＭ」）など）、共振変換器などの多数の周知の制御方式のうちの１つのまたは複数の方式を利用して、変換器７５０の動作パラメータを制御することができる。本発明の変換器７５０の好ましい一実施形態はパルス幅変調を利用する。いっそう好ましい実施形態は、後に詳細に説明するパルス幅変調とパルス位相変調の組合せを利用する。
【００８４】
本発明のバッテリ内で使用するＤＣ／ＤＣ変換器７５０の好ましい一実施形態では、変換器が、ＤＣ／ＤＣ変換器７５０を駆動するパルス幅変調器によって制御される。パルス幅変調器は、デューティ・サイクルが変動する固定周波数制御信号を生成する。デューティ・サイクルは例えば、ＤＣ／ＤＣ変換器がオフのときにゼロ、変換器が全能力で動作しているときに１００％であり、負荷の要求および／または電気化学セル７３０の残存容量に応じてゼロと１００％の間を変化する。パルス幅変調方式は、デューティ・サイクルを生成する目的に使用される少なくとも１つの入力信号を有する。一実施形態では、容器７１２の端子７２０、７２２のところでの出力電圧が連続的にサンプリングされ、基準電圧と比較される。ＤＣ／ＤＣ変換器のデューティ・サイクルを変更する目的に誤り訂正信号が使用される。この例では、容器７１２の端子７２０、７２２の出力電圧からの負帰還ループが、ＤＣ／ＤＣ変換器７５０が安定した出力電圧を供給することを可能にする。代替としてＤＣ／ＤＣ変換器７５０は、セル電圧、すなわち電気化学セル７３０の正極７３２と負極７３４の間の電圧、デューティ・サイクルを生成する出力電流など、複数の入力信号を利用することができる。この実施形態ではセル電圧および出力電流がモニタされ、ＤＣ／ＤＣ変換器７５０がこれらの２つのパラメータに応じたデューティ・サイクルを生成する。
【００８５】
図８〜１１に、本発明の放電サブコントローラ回路の追加の実施形態のブロック図を示す。これらの実施形態では、放電サブコントローラ回路が少なくとも２つの主要構成部品、すなわち（１）ＤＣ／ＤＣ変換器および（２）変換器コントローラを含む。変換器コントローラは、セル電圧を負荷を駆動するのに必要な電圧に変換するためにＤＣ／ＤＣ変換器が必要であるときにだけＤＣ／ＤＣ変換器の内部損失が生じるように、電気化学セルの電極と容器の出力端子の間でＤＣ／ＤＣ変換器を電気的に、好ましくは電子的に接続／切断する。例えば、これより低いと負荷が動作することができなくなる所定のレベルにまでセル電圧が下がったときにのみＤＣ／ＤＣ変換器はオンになる。あるいは、電子装置が、例えばバッテリの公称電圧の１０％など、特定の範囲の入力電圧を必要とする場合に、変換器コントローラは、セル電圧がこの所望の範囲外にあるときにＤＣ／ＤＣ変換器をオンにし、セル電圧がこの所望の範囲にあるときに変換器をオフにする。
【００８６】
例えば図８では、ＤＣ／ＤＣ変換器８５０が、電気化学セル８３０の正極８３２、負極８３４と容器８１２の正端子８２０、負端子８２２の間に電気的に接続されている。変換器コントローラ８５２も、電気化学セル８３０の正極８３２、負極８３４と容器８１２の正端子８２０、負端子８２２の間に電気的に接続されている。この例では変換器コントローラ８５２が、電気化学セル８３０を容器８１２の出力端子８２０、８２２に直接に接続したり、または電気化学セル８３０と容器８１２の出力端子８２０、８２２の間にＤＣ／ＤＣ変換器８５０を接続したりするスイッチの役割を果たす。変換器コントローラ８５２は出力電圧を連続的にサンプリングし、これを、内部的に生成した１つまたは複数のしきい電圧と比較する。例えば容器８１２の出力電圧がこのしきい電圧レベルよりも下がった場合、または所望のしきい電圧範囲の外側にある場合に、変換器コントローラ８５２は、電気化学セル８３０と容器８１２の出力端子８２０、８２２の間にＤＣ／ＤＣ変換器８５０を電気的に、好ましくは電子的に接続することによってＤＣ／ＤＣ変換器８５０を「オン」にする。このしきい電圧が、電気化学セル８３０の公称電圧付近からこのバッテリが動作するように設計された対象である電子装置クラスの最も高いカットオフ電圧の付近までの範囲にあることが好ましい。代替として変換器コントローラ８５２が、電気化学セル８３０のセル電圧を連続的にサンプリングし、このセル電圧をしきい電圧と比較して、ＤＣ／ＤＣ変換器８５０の動作を制御するのでもよい。
【００８７】
再充電可能バッテリの場合には、セル電圧が電気化学セル８３０の最適放電深度にほぼ達したときに、変換器コントローラ８５２が電気化学セル８３０を容器８１２の出力端子８２０、８２２から切断することが好ましい。これによって、それぞれの放電サイクルのバッテリ実行時間が最適化され、バッテリのサイクル寿命が最大となる。したがってバッテリの供給実行時間を延ばすことができる。
【００８８】
図９の放電サブコントローラ９０２は、図８に示した放電サブコントローラ８０２の部品群を含むことができ、さらに、電気化学セル９３０の電極９３２、９３４とＤＣ／ＤＣ変換器９５０、変換器コントローラ９５２、容器９１２の出力端子９２０、９２２との間に電気的に接続された接地バイアス回路９８０を含む。接地バイアス回路９８０は、負にバイアスされた電圧レベルＶｎｂをＤＣ／ＤＣ変換器９５０および容器９１２の負出力端子９２２に印加する。これによって、ＤＣ／ＤＣ変換器９５０に印加される電圧は、セル電圧から、セル電圧に負バイアス電圧レベルＶｎｂの絶対値を加えた電圧レベルに増大する。これによって変換器９５０は、接地バイアス回路９８０を駆動するのに必要な最小順バイアス電圧よりも実際のセル電圧が下がるまで、効率的な電圧レベルで動作することができるようになる。したがって変換器９５０は、電気化学セル９３０のセル電圧だけで変換器９５０を駆動する場合に可能であるよりも高い電流レベルをより効率的に電気化学セル９３０から引き出すことができる。公称電圧が約１．５ボルトの電気化学セルを有する本発明のバッテリ９１０用の放電サブコントローラ９０２の好ましい一実施形態では、負バイアス電圧Ｖｎｂが約０ボルト〜約１ボルトの範囲にあることが好ましい。負バイアス電圧Ｖｎｂが約０．５ボルトであることがより好ましく、約０．４ボルトであることが最も好ましい。したがって接地バイアス回路９８０は、変換器が、電気化学セル９３０をより深く放電させ、公称電圧が約１．５ボルトの電気化学セルに対してセル電圧が約１ボルトよりも下がったときに電気化学セル９３０から電流を引き出す際の変換器９５０の効率を高めることを可能にする。
【００８９】
本発明のバッテリ９１０内で接地バイアス回路９８０として使用することができるチャージ・ポンプ９８８の例示的な一実施形態を図９Ａに示す。この実施形態では、スイッチＳ１およびＳ３が閉じ、Ｓ２およびＳ４が開いているときに電気化学セル９３０のセル電圧がコンデンサＣａを充電する。次いでスイッチＳ１およびＳ３を開き、Ｓ２およびＳ４を閉じると、コンデンサＣａ上の電荷は逆転し、コンデンサＣｂに移動し、コンデンサＣｂは、電気化学セル９３０のセル電圧とは逆の出力電圧を供給する。代替として、図９Ａに示したチャージ・ポンプ９８８の代わりに当技術分野で周知の適当なチャージ・ポンプ回路を用いることもできる。
【００９０】
本発明の好ましい一実施形態では、接地バイアス回路９８０がチャージ・ポンプ回路９８６を含む。チャージ・ポンプ回路９８６は図９Ｂに示されており、クロック発生器９８７および１つまたは複数のポンプ９８８を含む。例えば図９Ｂに示すチャージ・ポンプ回路９８６の好ましい一実施形態では、チャージ・ポンプが、４つのミニ・ポンプ９８９および１つの主ポンプ９９０を含む２段構成を含む。ただし任意の数のミニ・ポンプ９８９を使用することができる。例えばチャージ・ポンプ回路９８６の好ましい一実施形態は、１２のミニ・ポンプ９８９および１つの主ポンプを含む。この実施形態のミニ・ポンプ９８９および主ポンプ９９０は、クロック発生器９８７によって生成される周波数は同じだが位相が互いにずれた４つの異なる位相ずれ制御信号９９１ａ、９９１ｂ、９９１ｃ、９９１ｄによって駆動される。制御信号９９１ａ〜９１１ｄの位相を例えば、互いに９０度ずつずらすことができる。この実施形態ではそれぞれのミニ・ポンプ９８９が、クロック発生器によって生成された制御信号９９１ａ〜９１１ｄを逆にした出力電圧を供給する。主ポンプ９９０は、複数のミニ・ポンプ９８９の出力を合計し、ミニ・ポンプ９８９の個々の出力電圧と同じ電圧レベルで、１２の全てのミニ・ポンプ９８９が供給した電流の合計であるより高い電流レベルのチャージ・ポンプ回路９８６出力信号を供給する。この出力信号は、ＤＣ／ＤＣ変換器９５０および容器９１２の出力負端子９２２に対する仮想接地となる。
【００９１】
本発明の他の一態様ではチャージ・ポンプ回路がさらに、チャージ・ポンプ回路９８６に関連した損失を最小限に抑えるためにセル電圧が所定の電圧レベルまで下がったときにのみチャージ・ポンプ回路９８６をオンにするチャージ・ポンプ・コントローラ９９２を含む。チャージ・ポンプ・コントローラ９９２のこの所定の電圧を例えば、電気化学セル９３０の公称電圧付近からバッテリ９１０が給電するように設計された対象である電子装置群の最も高いカットオフ電圧付近までの範囲に含まれるものとすることができる。この所定の電圧が、電子装置のカットオフ電圧よりも約０．１ボルト高いことが好ましく、カットオフ電圧よりも約０．０５ボルト高いことが最も好ましい。代替として、ＤＣ／ＤＣ変換器９５０をオンにするのと同じ制御信号でチャージ・ポンプ回路９８６を制御して、変換器９５０が動作中のときにだけチャージ・ポンプ回路９８６が動作するようにしてもよい。
【００９２】
さらに再充電可能電気化学セルを有するバッテリでは、ＤＣ／ＤＣ変換器９５０とチャージ・ポンプ回路９８６がともに、セル電圧がほぼ最適放電深度に下がったときにオフになることが好ましい。これによって、この再充電可能電気化学セルを最適に放電させることができ、これによってこのセルの充電サイクルの回数および効率を最大にすることができる。
【００９３】
さらに、接地バイアス回路９８０がオフになったときに、容器９１２の出力負端子９２２に印加された仮想接地が、電気化学セル９３０の負極９３４の電圧レベルまで落ちることが好ましい。したがって接地バイアス回路９８０が動作していないとき、バッテリは、電気化学セル９３０の負極９３４によって提供される標準接地構成で動作する。
【００９４】
代替として接地バイアス回路９８０は、バック−ブースト（Ｂｕｃｋ−Ｂｏｏｓｔ）変換器、Ｃｕｋ変換器、線形調整器などの第２のＤＣ／ＤＣ変換器を備えることができる。さらに、ＤＣ／ＤＣ変換器９５０と接地バイアス回路９８０を結合すること、およびこれらの代わりに、正の出力電圧をシフトアップし、負バイアスをシフトダウンさせる、バック−ブースト変換器、プッシュ−プル変換器、フライバック変換器などの単一の変換器を用いることができる。
【００９５】
図１０に、本発明の放電サブコントローラ回路の他の実施形態１００２を示す。この実施形態ではＤＣ／ＤＣ変換器１０５０が、位相シフト検知回路１０６２などの外部源からの訂正制御信号を受け取る能力を有する。図７を参照して先に説明したのと同様に、ＤＣ／ＤＣ変換器１０５０はパルス幅変調器などの制御方式を利用して、変換器１０５０の動作パラメータを制御する。この実施形態では、放電サブコントローラ回路１００２が図９に示した放電サブコントローラ回路９０２と同じ部品を含み、さらに、電極１０３２でのセル電圧のＡＣ成分と電流検知抵抗器Ｒｃの両端で測定した電気化学セル１０３０から引き出された電流のＡＣ成分との間の瞬時位相シフトψを測定する位相シフト検知回路１０６２を含む。ＤＣ／ＤＣ変換器１０５０はこの信号を、内部的にまたは外部的に生成された他の制御信号と組み合わせて使用し、デューティ・サイクルを生成する。
【００９６】
図１１に示す実施形態の放電サブコントローラ１１０２は、図１０に示した放電サブコントローラ１００２と同じ部品を含むことができ、さらに、電流検知抵抗器Ｒｃおよび電気化学セル１１３０の正端子１１３２および負端子１１２２に電気的に接続され、さらに変換器コントローラ１１５２に接続された非常時切断回路１１８２を含む。非常時切断回路１１８２は、消費者、電気または電子装置、あるいは電気化学セル１１３０自体を保護するために容器１１１２の出力端子１１２０、１１２２から電気化学セル１１３０を切断する必要がある安全に関係した１つまたは複数の状態に応答して、変換器コントローラ１１５２に信号を送ることができる。例えば短絡または逆極性の場合に非常時切断回路１１８２は、電気化学セル１０３０の電極１１３２、１１３４を容器１１１２の端子１１２０、１１２２から切断するよう求める信号を変換器コントローラ１１５２に送る。さらに非常時切断回路１１８２は、電気化学セル１１３０の電圧および／または内部インピーダンスを検知することによって電気化学セル１１３０の放電サイクルの終了の指示を変換器コントローラ１１５２に送ることもできる。放電サブコントローラ１１０２は例えば、電気化学セル１１３０の残存容量が所定のレベルへまで落ちたときに電流を徐々に低減させること、電気化学セル１１３０の残存容量が所定の値に達したときに電気化学セルの電極１１３２、１１３４を出力端子１１２０、１１２２から短時間の間断続的に切断／再接続すること、またはバッテリが給電を停止しようとしていることを示すその他のなんらかの可視、可聴、または装置可読指示を提供することができる。放電サイクルの終わりに非常時回路は、放電させた電気化学セル１１３０が電気化学セル１１３０に直列に接続されたその他のセルの電流を消費しないように、電気化学セル１１３０を容器１１１２の端子１１２０、１１２２から切断し、かつ／または出力端子１１２０と１１２２を短絡することを求める信号を変換器コントローラ１１５２に送ることができる。
【００９７】
図１２に示す好ましい放電サブコントローラ１２０２は、容器１２１２の正端子１２２０から正極１２３２を電子的に接続／切断することができる同期整流器１２７４を有するＤＣ／ＤＣ変換器１２５０を含む。同期整流器１２７４のスイッチは、電気化学セル１２３０の正極１２３２または負極１２３４と容器の出力端子１２２０および１２２２との間の直通電気経路上に変換器コントローラ８５２などの追加のスイッチを配置する必要性を排除する。さらに同期整流器１２７４は、内部損失を減らすことによってＤＣ／ＤＣ変換器１２５０の効率を向上させる。この実施形態の変換器コントローラ１２５２ではさらに、ＤＣ／ＤＣ変換器１２５０を制御するための追加の入力信号を使用できる。例えば、図１２に示した実施形態では変換器コントローラ１２５２が、図１０を参照して先に説明した位相シフト測定に加えて、温度、圧力、水素濃度、酸素濃度センサなどのセンサ（図示せず）を介して電気化学セルの内部環境をモニタする。
【００９８】
図７〜１２は、本発明の回路設計をより複雑なものへと順に示したものである。これらの図をこの順番に示したのは、本発明のコントローラの中心部品であるＤＣ／ＤＣ変換器以外に放電サブコントローラ回路に含めることができる種々の部品を順序立てて説明するためである。提示順は、複数の異なる部品を結合した回路に後になって導入された部品がそれよりも前の図を参照して説明した全ての特徴を有していなければ本発明の範囲には入らないということを暗示しようとしたものではない。例えば、非常時切断回路、電荷指示回路、位相検知回路および／または接地バイアス回路を、これらの部品を示す図に示した変換器コントローラまたはその他の部品なしでも図６〜１１の回路と組み合わせて使用することができる。
【００９９】
本発明のバッテリ１３１０中で使用する内蔵コントローラ回路の好ましい一実施形態１３４０は、ＤＣ／ＤＣ変換器１３５０および変換器コントローラ１３５２を含み、図１３に示されている。変換器１３５０は、ほとんどの電子装置のしきい電圧よりも低い電圧で動作することができるほとんど誘導部品のない高効率かつ中電力の変換器であることが好ましい。放電サブコントローラ１３０２は、電気化学セル１３３０の負極１３３４の電位よりも低い電位を有する仮想接地をＤＣ／ＤＣ変換器１３５０および容器１３１２の出力端子１３２２に供給する、図９Ｂに示したものなどのチャージ・ポンプを含むことが好ましい。仮想接地は、ＤＣ／ＤＣ変換器１３５０を駆動する目的に使用可能な電圧差を増大させ、変換器１３５０が、セル電圧だけで変換器を駆動する場合に可能であるよりも高い電流レベルをより効率的に電気化学セル１３３０から引き出すことを可能にする。
【０１００】
この実施形態では変換器コントローラ１３５２が、パルス幅変調／パルス位相変調制御方式を利用することが好ましい。位相シフト検知回路１３６２は、電気化学セル１３３０の正極１３３２、負極１３３４のところでのセル電圧および電気化学セル１３３０から引き出された電流、ならびにこの電圧と電流の間の瞬時および／または連続位相シフトを測定する。この位相シフトは、電気化学セル１３３０の電荷容量の関数である電気化学セル１３３０の内部インピーダンスを規定する。例えばアルカリ・バッテリでは、セルの閉路電圧降下によって決定される電気化学セル１３３０の約５０％放電後の内部インピーダンスの増大は、電気化学セル１３３０の残存容量を指示する。位相シフト検知回路１３６２はこれらの信号を位相線形コントローラ１３７１に送る。位相線形コントローラ１３７１は次いで、位相シフト検知回路１３６２によって検知された電圧Ｖｓおよび位相シフトに正比例した出力電圧制御信号Ｖ（ｐｓｉ）を、パルス幅変調およびパルス位相変調制御方式を組み合わせて利用するパルス変調器１３７６に送る。パルス変調器１３７６は、抵抗器Ｒｓの両端間の電圧降下を電圧制御信号として受け取る。
【０１０１】
パルス変調器１３７６はこれらの電圧制御信号を組み合わせて使用して、ＤＣ／ＤＣ変換器１３５０を駆動する。電圧Ｖｓが所定のしきい電圧レベルよりも高いとき、パルス変調器１３７６は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（「ＭＯＳＦＥＴ」）Ｍ３を閉状態に、ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ４を開状態に維持する。したがって、電気化学セル１３３０から負荷までの電流経路はＭＯＳＦＥＴ  Ｍ３を介して維持される。さらに、デューティ・サイクルが０パーセントに効果的に維持されるため、ＤＣ／ＤＣ変換器１３５０および変換器コントローラ１３５２に関連した損失は最小限に抑えられる。この場合、閉じたＭＯＳＦＥＴ  Ｍ３および抵抗器ＲｓのＤＣ損失は極めて低い。例えば抵抗Ｒｓは、約０．０１〜約０．１オームの範囲に含まれることが好ましい。
【０１０２】
電圧Ｖｓが所定のしきい電圧レベルよりも低いとき、パルス変調器１３７６はオンになり、前述の電圧制御信号の組合せに基づいてＤＣ／ＤＣ変換器１３５０のデューティ・サイクルを変調する。Ｖｓの振幅は、デューティ・サイクルを制御する第１の制御信号として機能する。出力電流の関数である電流検知抵抗器Ｒｓの両端間の電圧降下は、第２の制御信号として機能する。最後に、位相線形コントローラ１３７１によって生成され、セル電圧と電気化学セル１３３０から引き出された電流のＡＣ成分間の位相シフトに正比例する信号Ｖ（ｐｓｉ）は第３の制御信号である。具体的にはＶ（ｐｓｉ）信号は、変換器の効率およびバッテリ実行時間に影響するデューティ・サイクルを、バッテリ実行時間を通した内部インピーダンスの変化に応答して変更する目的に使用される。パルス変調器は、Ｖｓの瞬時および／または連続振幅が低下した場合、あるいは抵抗器Ｒｓの両端間の電圧降下が増大し、かつ／または制御信号Ｖ（ｐｓｉ）の瞬時および／または連続振幅が増大した場合に、デューティ・サイクルを増大させる。それぞれの変数の寄与は、適当な制御アルゴリズムに基づいて重み付けされる。
【０１０３】
パルス変調器１３７６がオンになるとその発振器が、デューティ・サイクルが５０％、周波数が約４０ｋＨｚ〜約１ＭＨｚの範囲にあることが好ましい台形または方形波の制御パルスを生成する。周波数は、約４０ｋＨｚ〜約６００ｋＨｚの範囲にあることがより好ましく、一般に約６００ｋＨｚであることが最も好ましい。パルス変調器１３７６は、ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ３およびＭ４に対する出力制御信号のデューティ・サイクルを適当な制御アルゴリズムを利用して変更する。最も一般的にはこの制御アルゴリズムがＭ３およびＭ４を、同じデューティ・サイクル、逆位相で動作させる。ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ３およびＭ４は、相補型高電力トランジスタであることが好ましく、Ｍ３がＮチャネルＭＯＳＦＥＴ、Ｍ４がＰチャネルＭＯＳＦＥＴであることが好ましい。完全なＤＣ／ＤＣ変換器１３５０の構成は本質的に、出力に同期整流器を備えたブーストＤＣ／ＤＣ変換器である。さらに変換器１３５０は、非同期ショットキー・ダイオードの代わりにＭＯＳＦＥＴ  Ｍ３を使用することによってＡＣおよびＤＣ損失を最小限に抑える。別個の制御信号がＭ３およびパワーＭＯＳＦＥＴ  Ｍ４を駆動する。Ｍ３の制御信号とＭ４の制御信号の間の位相および／またはデューティ・サイクルが変更されると、容器１３１２の端子１３２０と１３２２の間の出力電圧が変更される。
【０１０４】
パルス変調器１３７６は、電圧Ｖｓ、抵抗器Ｒｓの両端間の電圧降下、電気化学セル１３３０の内部インピーダンスなどの１つまたは複数の電圧制御信号に基づいてＭＯＳＦＥＴ  Ｍ３およびＭ４を制御することができる。例えば負荷の電力消費量が低い場合、パルス変調器１３７６は、ＤＣ／ＤＣ変換器１３５０のデューティ・サイクルを０パーセントに近くする。負荷の電力消費量が高い場合には、パルス変調器１３７６は、ＤＣ／ＤＣ変換器１３５０のデューティ・サイクルを１００％に近くする。負荷の電力消費量がこれらの２つのエンドポイント間を変動すると、パルス変調器１３７６はＤＣ／ＤＣ変換器のデューティ・サイクルを変化させて負荷が要求する電流を供給する。
【０１０５】
図１４に、本発明のコントローラを持たないバッテリＢ１、変換器が連続モードで動作する放電サブコントローラを有する本発明のバッテリＢ２、およびバッテリの設計対象である一般的な電子装置に対するバッテリのカットオフ電圧よりも高い電圧で変換器がオンになる放電サブコントローラを有する本発明のバッテリＢ３の例示的な放電曲線の比較を示す。図１４に示すように、本発明のコントローラを持たないバッテリＢ１は、カットオフ電圧Ｖｃを有する電子装置内で時刻ｔ１に機能しなくなる。しかしバッテリＢ２の放電サブコントローラは、バッテリの実行時間の間ずっとバッテリの出力電圧を電圧レベルＶ２まで連続的に押し上げる。バッテリＢ２の電気化学セルのセル電圧が放電サブコントローラの最小動作電圧レベルＶｄまで落ちると、バッテリＢ２の放電サブコントローラは動作を停止し、バッテリの出力電圧が時刻ｔ２にゼロまで下がり、バッテリＢ２の有効実行時間は終了となる。図１４のグラフに示すように、変換器が連続モードで動作するサブコントローラを有するバッテリＢ２の有効実行時間の延長分はｔ２−ｔ１である。
【０１０６】
しかし、バッテリＢ３のコントローラは、電気化学セルのセル電圧が所定の電圧レベルＶｐ３に達するまでバッテリの出力電圧の押上げを開始しない。所定の電圧レベルＶｐ３は、電気化学セルの公称電圧レベルとバッテリが給電する予定の電子装置クラスの最も高いカットオフ電圧との間にあることが好ましい。所定の電圧レベルＶｐ３が、バッテリが給電する予定の電子装置クラスの最も高いカットオフ電圧Ｖｃよりも約０．２ボルト高いことがより好ましい。所定の電圧レベルＶｐ３が、バッテリが給電する予定の電子装置クラスの最も高いカットオフ電圧Ｖｃよりも約０．１５ボルト高いことがより好ましい。所定の電圧レベルＶｐ３が、バッテリが給電する予定の電子装置クラスの最も高いカットオフ電圧Ｖｃよりも約０．１ボルト高いことがより好ましく、Ｖｃよりも約０．０５ボルト高いことが最も好ましい。セル電圧が所定の電圧レベルＶｐ３に達すると、バッテリＢ３の変換器は、出力電圧を電圧レベルＶｃ＋ΔＶに押し上げるか、またはこのレベルに安定化することを開始する。電圧レベルΔＶは図１４に示されており、押し上げられたバッテリＢ３の出力電圧とカットオフ電圧Ｖｃの間の電圧差を表す。この電圧レベルΔＶが約０ボルト〜約０．４ボルトまでの範囲に含まれることが好ましく、約０．２ボルトであることがより好ましい。その後、バッテリＢ３は、電気化学セルのセル電圧が変換器の最小動作電圧Ｖｄまで下がり、バッテリＢ３のコントローラが動作を停止するまで出力を供給し続ける。コントローラが動作を停止した時刻ｔ３に、バッテリ出力電圧は０まで落ち、バッテリＢ３の有効実行時間は終わる。図１４のグラフに示すように、本発明の変換器を持たないバッテリＢ１に対するバッテリＢ３の有効実行時間の延長分はｔ３−ｔ１である。
【０１０７】
図１４はさらに、同じ電子装置に接続したときにバッテリＢ３がバッテリＢ２よりも長持ちすることを示している。バッテリＢ２の変換器は連続して動作するため、変換器の内部損失がバッテリＢ２の電気化学セルのエネルギー容量の一部を消費し、したがって、放電サイクルの一時期にしかコントローラが動作しないバッテリＢ３に比べバッテリＢ２のセル電圧は、より短い時間で変換器の最小動作電圧Ｖｄに達する。このように、バッテリＢ３の所定の電圧Ｖｐ３の選択を最適化する、すなわちこのバッテリが給電している電子装置のカットオフ電圧に近い値を選択することによって、電気化学セルが最も効率的に使用され、バッテリ実行時間の延長分がより大きくなる。したがって、バッテリＢ３の所定の電圧Ｖｐ３が、このバッテリが給電する予定の電子または電気装置のカットオフ電圧に等しいか、またはそれよりもわずかに高いことが好ましい。例えば、所定の電圧Ｖｐ３がカットオフ電圧よりも約０．２ボルト高いことが好ましい。所定の電圧Ｖｐ３がカットオフ電圧よりも約０．１５ボルト高いことがより好ましい。所定の電圧Ｖｐ３がカットオフ電圧よりも約０．１ボルト高いことがより好ましく、カットオフ電圧よりも約０．０５ボルト高いことが最も好ましい。
【０１０８】
しかし、バッテリが、さまざまな電子装置に対応するユニバーサル・バッテリとして設計されている場合には、所定の電圧Ｖｐ３が、この電子装置群の最も高いカットオフ電圧に等しいか、またはそれよりもわずかに高くなるように選択されることが好ましい。例えば、所定の電圧Ｖｐ３が、その電子装置群の最も高いカットオフ電圧よりも約０．２ボルト高いことが好ましい。所定の電圧Ｖｐ３が、その電子装置群の最も高いカットオフ電圧よりも約０．１５ボルト高いことがより好ましい。所定の電圧Ｖｐ３が、その電子装置群の最も高いカットオフ電圧よりも約０．１ボルト高いことがより好ましく、その電子装置群の最も高いカットオフ電圧よりも約０．０５ボルト高いことが最も好ましい。
【０１０９】
図１４のグラフはさらに、変換器の最小動作電圧Ｖｄが低いほど、本発明のコントローラを持たないバッテリＢ１と比較した場合の実行時間の延長分が長いことを示している。さらに、電子装置のカットオフ電圧Ｖｃと変換器の最小動作電圧Ｖｄの差が大きいほど、電気化学セルのセル電圧の押上げのため、本発明のコントローラによって達成されるバッテリの実行時間の延長分は長くなる。
【０１１０】
さらに図１４は、装置のカットオフ電圧がもはや一次または再充電可能電気化学セルの放電の制限因子ではないことも示している。コントローラがバッテリの出力電圧を装置のカットオフ電圧よりも高く維持することができる限り、バッテリの電気化学セルは放電を続けることができる。一次バッテリではこれによって、変換器の最小動作電圧に応じセルをできる限り完全に放電させることができるようになる。再充電可能バッテリでは本発明によって、再充電可能電気化学セルの最適放電深度に等しいか、またはこれよりも低いセル電圧で変換器が動作することができる限り、装置のカットオフ電圧から独立した再充電可能バッテリの供給実行時間を延長する最適放電が可能になる。
【０１１１】
【表２】
2008034398.tif 000004
【０１１２】
表２に、変換器が連続モードで動作し、セル電圧を約１．６ボルトの出力電圧に押し上げる内蔵放電サブコントローラを有する本発明のＡＡ型アルカリ・バッテリの放電データを、本発明のコントローラを持たない一般的なＡＡ型アルカリ・バッテリと比較したものを示す。この表のデータは、バッテリの実行時間を通して平均して約１２５ｍＡの電流を引き込む約１２オームの中程度の抵抗負荷にバッテリを接続したときの時間ごとの出力電圧、消費電力および残存容量の割合（総容量＝２４００ｍＡｈ）を示す。この表が示すとおり、変換器を有するバッテリの出力電圧はバッテリの実行時間の間、１．６ボルトのまま一定だが、コントローラを持たないバッテリの出力電圧は、実行時間を通してバッテリの公称電圧から低下していっている。
【０１１３】
表２はさらに、内蔵コントローラを有する本発明のバッテリが、コントローラを持たないＡＡ型バッテリに優る明白な２つの利点を有することを示している。第１に、カットオフ電圧が約１ボルトの装置に対して、内蔵放電サブコントローラを有するバッテリは約１０時間の実行時間を有するが、コントローラを持たないバッテリはこの装置内で、出力電圧が１ボルトよりも下がった最長約８時間後に動作を停止する。したがってこの例では、サブコントローラによって、コントローラを持たないバッテリよりも実行時間が約２５％延びたことになる。第２に、負荷に送達される電力および装置が動作を停止する前に利用されるバッテリの定格容量の割合は、内蔵放電サブコントローラを有する本発明のバッテリのほうがはるかに大きい。バッテリの出力電圧が低下するのに比例して、セルの電流送出能力は低下するため、定電流ドレイン条件下では、本発明のコントローラを持たないバッテリの持続時間はいっそう短くなる。その結果、内蔵放電サブコントローラを有するバッテリの優位性はさらに高まる。
【０１１４】
装置のカットオフ電圧が約１．１ボルトである場合には、内蔵放電サブコントローラを有する本発明のＡＡ型バッテリが、コントローラを持たないＡＡ型バッテリよりもいっそう有利に動作することを表２は示している。内蔵放電サブコントローラを有するバッテリの実行時間は約１０時間のままだが、コントローラを持たないバッテリはこの装置内で、出力電圧が１．１ボルトよりも下がった最長約６時間後に動作を停止する。したがってこの例では、放電サブコントローラによって、コントローラを持たないバッテリよりも実行時間が約６７％延びたことになる。その上、負荷に送達される電力の差および装置が動作を停止する前に利用されるバッテリの定格容量の割合の差は、先の例よりもいっそう大きくなる。この場合も、バッテリの出力電圧が低下するのに比例してセルの電流送出能力は低下するため、定電流ドレイン条件下では、電子装置が動作を停止するまでの本発明のコントローラを持たないバッテリの持続時間はいっそう短くなる。その結果、内蔵放電サブコントローラを有するバッテリの優位性はよりいっそう高まる。
【０１１５】
充電サブコントローラ
充電サブコントローラ１０４も、本発明の再充電可能バッテリのサイクル寿命を延ばすことができる。充電サブコントローラは、個々のそれぞれの電気化学セルの充電シーケンスを個別に制御することによってバッテリのサイクル寿命を延ばすことができる。したがって充電サブコントローラは、その特定のセルからの実際のフィードバックに基づいてそれぞれのセルの充電を最適化し、それぞれの充電および放電サイクルの回数および効率を最大にすることができる。充電サブコントローラは例えば、それぞれのセルのセル電圧および／または内部インピーダンスを直接にモニタすることによってそれぞれのセルの充電を制御する。これによって充電サブコントローラは、複数の単一セル・バッテリあるいは１つまたは複数の多セル・バッテリの個々のそれぞれの電気化学セルの充電サイクルを制御することができる。
【０１１６】
充電サブコントローラ１０４はさらに、放電サイクルの「オフタイム」中に、すなわち電気化学セルが放電モードではないときに電気化学セルを充電することによって、鉛−酸バッテリなどの深く放電させないほうが好ましい再充電可能バッテリの実行時間を延ばすことができる。例えば、コントローラは、それらのセルの放電の「オフタイム」中に充電サブコントローラが１つまたは複数の個別セルを充電することを可能にする。放電の「オフタイム」が、放電の「オンタイム」、すなわち特定の電気化学セルがアクティブに放電している時間に比べ十分に長い場合、充電サブコントローラは、セルを少なくともフル充電に近い状態に維持することができる。デューティ・サイクルが十分に大きく、充電サブコントローラが、電気化学セルの充電を所定の電圧レベルよりも高く、またはその特定の電気化学セルまたはその種類の電気化学セルの所望の最大放電深度に対応する特定のインピーダンス・レベルよりも低く維持することができないような十分な期間にわたって装置が動作する場合、放電サブコントローラは、再充電可能電気化学セルが所望の最大放電深度に達したときにバッテリの放電サイクルを終了させることができる。充電サブコントローラはさらに、充電サイクルの終了を決定する本出願に記載のその他の方法、または当技術分野で周知のその他の手段によってセルの公称電圧などのある所定の電圧レベルよりもセル電圧が下がったときにだけセルを充電することによって過充電を防ぐことができる。したがってコントローラは、放電サイクル中にセルが最適放電深度を越えて放電しないようにし、充電サイクル中の充電シーケンスを最適化することによって、再充電可能電気化学セルの供給実行時間を最適化することができる。
【０１１７】
充電サイクル用の代替電源装置には、装置の電源コードなどの外部電源、または装置内の他の電気化学セル、その再充電可能電気化学セルとともにハイブリッド・バッテリ中にパッケージングされた他の電気化学セルなどの内部電源が含まれる。例えば一次セルを、装置内にパッケージングしたり、または再充電可能電気化学セルとともにハイブリッド・バッテリ中にパッケージングすることができる。エネルギー密度は高いが比較的に低い電流レベルしか提供することができない亜鉛−空気セルなどの金属−空気セルは、再充電可能電気化学セルの充電に使用することができる特に有利な代替電源装置となる。代替として、再充電可能電気化学セルに充電源を提供するため、燃料セルなどの代替電源装置をハイブリッド・バッテリ中に含めることができる。
【０１１８】
さらに、充電サブコントローラは、本発明のバッテリを充電するのに接触型充電システムと非接触分離型充電システムのどちらでも使用することができる。
【０１１９】
本発明のバッテリの好ましい一実施形態は、ユーザへのフル充電の指示を含む。この充電サブコントローラは例えば、バッテリが完全に充電されたことをユーザに指示する可視または可聴指示を提供する。代替として充電サブコントローラが充電システム可読または装置可読の指示を提供し、それに応じて充電システムまたは装置がユーザに警告するようにしてもよい。
【０１２０】
図１５に、充電サブコントローラ回路１５０４を含む本発明のバッテリのブロック図を示す。充電サブコントローラ回路１５０４は、バッテリ１５１０に内蔵されることが好ましく、再充電可能電気化学セル１５３０の充電サイクルを最適化するために外部充電源または回路からの着信電力信号を安全かつ効率的に制御する責任を負う。充電サブコントローラ回路１５０４は、検知回路１０５から受け取った入力電圧制御信号および／または自体の内部検知回路からのフィードバックに基づいて、外部充電源からの着信電力信号を制御する。例えば充電サブコントローラ１５０４は、電気化学セル１５３０の内部インピーダンスを規定する電圧制御信号Ｖ（ｐｓｉ）を制御する。この制御信号は、位相線形コントローラ１５７１によって生成される信号であり、図１３に関して説明されている。代替として充電サブコントローラが、セル電圧または充電電流によって、あるいは内部インピーダンス、セル電圧および充電電流のうちの２つ以上の組合せによって電気化学セル１５３０の充電を制御してもよい。さらに、バッテリ１５１０の容器１５１２内で測定された水素濃度、酸素濃度、温度および／または圧力などの物理状態を充電サブコントローラが使用して、電気化学セル１５３０を最適に充電することができる。
【０１２１】
端子１５２０、１５２２の電圧が電気化学セル１５３０のセル電圧よりも高いとき、放電サブコントローラ１５０２のパルス変調器１５７６はＮチャネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ３を閉じ、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ４を開く。ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ３は、端子１５２０、１５２２からの電流経路を生成して電気化学セル１５３０を充電し、ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ４は端子１５２０と１５２２の間の短絡を防ぐ。パルス変調器１５７６はさらに、接地バイアス回路１５８０のクロック発生器１５８７に電圧制御信号を送ることによって、接地バイアス回路１５８０をオフにすることができる。例えば図９Ａのチャージ・ポンプの例では、クロック発生器９８７がスイッチＳ１、Ｓ２を開き、スイッチＳ３、Ｓ４を閉じて、仮想接地出力を電気化学セル９３０の負極９３４の電位まで落とす。代替として接地バイアス回路１５８０が、図９Ｂのチャージ・ポンプ・コントローラ９９２に関して説明したように動作するチャージ・ポンプ・コントローラ１５９２など内部コントローラを含む場合には、この内部コントローラが、端子１５２０、１５２２の電圧を電気化学セル１５３０のセル電圧と直接に比較し、端子１５２０と１５２２の間の電圧が電気化学セル１５３０のセル電圧よりも高い場合にクロック発生器１５８７を直接に制御することによって接地バイアス回路１５８０の動作を停止させてもよい。これによって仮想接地出力は、電気化学セル１５３０の負極１５３４の電位に落ちる。
【０１２２】
本発明の好ましい一実施形態では、充電サブコントローラ回路１５０４が内部インピーダンス情報を使用して、振幅、周波数、立下がりエッジおよび立上がりエッジを含む最も効率的なＡＣ信号プロファイルを決定する。したがってこの充電サブコントローラは、電気化学セルの動的および静的な内部充電損失を最小限に抑え、特定の電気化学セルに対する可能な最も速い充電速度の制御を提供する。さらに、水素濃度、酸素濃度、温度、圧力などの物理状態センサによって、充電状態をさらに最適化する能力を得ることができる。
【０１２３】
電気化学セルが完全に充電されたと判定すると、充電サブコントローラ回路１５０４はＮチャネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ３を開く。これによって電気化学セル１５３０が容器１５１２の端子１５２０、１５２２から切断され、したがって外部充電源または回路から切断される。
【０１２４】
電気化学セル１５３０の充電の制御に内部インピーダンスを利用することによって、電気化学セル１５３０の真のイオンおよび電気インピーダンス状態に基づく充電の最適化が可能になる。充電サブコントローラ１５０４をそれぞれの容器１５１２内に配置すると、充電サブコントローラがそれぞれのセルの充電を個々に制御することになるので、複数の単一セル・バッテリまたは多セル・バッテリの個々の電気化学セル１５３０の制御が向上する。セル１５３０を、その他の電気化学セル１５３０と直列および／または並列構成に配置して充電することができる。直列構成でセルを充電する場合、充電サブコントローラ１５０４は端子間に高インピーダンス経路を含み、そのため電気化学セル１５３０が完全に充電されたときに充電サブコントローラ１５０４は、セル１５３０と直列に接続されたその他のセルに充電電流を分流することができる。セルが並列に接続されている場合、充電サブコントローラ１５０４は電気化学セル１５０４を充電電流から切断することができる。多セル・バッテリのそれぞれの電気化学セルの中にコントローラを配置すると、同じ充電電流を、それぞれのセルの中の個々のコントローラでそのセルが最適に充電されるように制御することによって、そのセルの電気化学性に関係なくそれぞれのセルを充電することができる。さらにこの充電サブコントローラは、セルの公称電圧が異なっているときでもハイブリッド・バッテリの複数のセルを充電することができる。
【０１２５】
図１６に、図１５に示した本発明のバッテリ中で使用することができる充電サブコントローラ回路１５０４の構成の一実施形態を示す。この実施形態では充電サブコントローラ回路１６０４が、ユニバーサル充電回路１６７７、バースト回路１６７８および充電制御状態機械１６７９を含む。充電制御状態機械１６７９はバースト回路１６７８を使用して、電気化学セル１５３０の電極１５３２および１５３４のところに試験電流Ｉｓおよび試験電圧Ｖｓを生成させる。図１３を参照して説明したように位相線形コントローラ１５７１は、試験電流Ｉｓと試験電圧Ｖｓの間の位相シフトを検出する。バースト回路１６７８は、バースト・ドライバ１６６８およびｎチャネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１を含むことが好ましい。バースト・ドライバ１６６８は、ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１のゲートを駆動する高周波制御パルス信号を生成する。試験電流ＩｓがＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１を流れ、位相線形コントローラ１５７１が試験電流Ｉｓと試験電圧Ｖｓの間の位相シフト角（）を検出する。位相線形コントローラ１５７１は、セル電圧と電気化学セル１５３０から引き出された電流のＡＣ成分間の位相シフトに正比例した電圧制御信号Ｖ（ｐｓｉ）を充電制御状態機械１６７９に出力する。充電制御状態機械１６９４は、位相線形コントローラ１５７１からのこの制御信号を使用してＡＣ充電信号プロファイルを制御する。電気化学セル１５３０が完全に充電されると、パルス変調器１５７６はＭＯＳＦＥＴ  Ｍ３を切断し、ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ３は、容器１５１２の端子１５２０、１５２２から電気化学セル１５３０を切断する。
【０１２６】
図１７に、外部充電回路と本発明のバッテリ１５１０の間に機械的な接触が一切ない電気化学セル１５３０の分離充電を可能にする、図１５に示した充電サブコントローラ回路の代替実施形態を示す。この実施形態では充電サブコントローラ回路１７０４が、電気化学セル１５３０を充電するための変圧器の二次コイルの働きをするコイルを含む。外部充電源は、空気を介した無線接続で充電サブコントローラ回路１７０４の二次コイルに結合することができる変圧器の一次コイルを含む。本発明のバッテリは例えば、充電変圧器の二次コイルを形成するプリント配線コイルをバッテリ１５１０のラベル上に含むこと、または容器またはバッテリの中に含むことができる。この実施形態の充電回路は、約２０ｋＨｚ〜約１００ｋＨｚの範囲の一周波数で動作することが好ましく、約４０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの範囲の一周波数で動作することがより好ましく、周波数約５０ｋＨｚで動作することが最も好ましい。外部充電源からの信号が、外部充電源の一次コイルを介して充電サブコントローラ回路１７０４の二次コイル１７９８に給電する。充電制御状態機械１７９４は、ユニバーサル充電回路１７７７を制御して再充電可能電気化学セル１５３０の充電サイクルを最適化する。外部充電回路が周波数約５０ｋＨｚで動作する場合、この変圧器は、本発明のバッテリから約１〜約３インチ（約２．５〜約７．６センチ）離れたところから電気化学セルを充電するのに十分な作用範囲を有し、そのため電気または電子装置からバッテリを取り外さずにそのままの位置で電気化学セルを充電することができる。このことは、装置から取り外さなければならないバッテリに優る明白な利点である。例えば、手術によって埋め込まれたペースメーカなどの装置のバッテリを、手術によって患者から外科的に取り出さなくとも充電することができる。
【０１２７】
非常時サブコントローラ
コントローラはさらに、安全に関係した１つまたは複数の状態を検出した場合に電気化学セルをバッテリの容器の端子から切断する非常時切断機能を実行することができる。コントローラは、短絡、逆極性、過充電、過放電、高温、高圧力、高水素濃度などの危険な状態を検出し、電気化学セルをバッテリの端子から電子的に切断する独立した非常時切断サブコントローラを含むことができる。代替として、放電サブコントローラおよび／または充電サブコントローラの回路によって非常時機能を実行してもよく、あるいは電気化学セルをバッテリの端子から切断するよう求める信号を放電サブコントローラおよび／または充電サブコントローラに送る別個の検知回路をコントローラが含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】一般的な円筒形バッテリ構造の透視図である。
【図２】一般的な他の円筒形バッテリ構造の透視図である。
【図３】一般的な他の円筒形バッテリ構造の断面図である。
【図４】本発明のバッテリのブロック図である。
【図４Ａ】図４に示したバッテリの好ましい一実施形態のブロック図である。
【図４Ｂ】図４に示したバッテリの他の好ましい実施形態のブロック図である。
【図４Ｃ】図４に示したバッテリの他の好ましい実施形態のブロック図である。
【図５Ａ】本発明のバッテリの好ましい実施形態の部分分解断面図である。
【図５Ｂ】本発明のバッテリの好ましい他の実施形態の部分分解断面図である。
【図５Ｃ】本発明のバッテリの好ましい他の実施形態の部分分解透視図である。
【図６】本発明の多セル・バッテリの好ましい実施形態の部分断面透視図である。
【図７】本発明のバッテリの好ましい他の実施形態のブロック図である。
【図８】本発明のバッテリの好ましい他の実施形態のブロック図である。
【図９】本発明のバッテリの好ましい他の実施形態のブロック図である。
【図９Ａ】図９のバッテリの好ましい実施形態の一態様の一実施形態の概略図である。
【図９Ｂ】図９のバッテリの好ましい実施形態の一態様の好ましい他の実施形態のブロック図である。
【図１０】本発明のバッテリの好ましい他の実施形態のブロック図である。
【図１１】本発明のバッテリの好ましい他の実施形態のブロック図である。
【図１２】本発明のバッテリの好ましい他の実施形態のブロック図である。
【図１３】本発明のバッテリの好ましい他の実施形態のブロック図／概略図である。
【図１４】一般的なバッテリおよび本発明のバッテリの異なる２つの好ましい実施形態の放電特性曲線のグラフである。
【図１５】本発明のバッテリの好ましい他の実施形態のブロック図／概略図である。
【図１６】図１５に示した充電サブコントローラの一実施形態のブロック図である。
【図１７】図１５に示した充電サブコントローラの他の実施形態のブロック図である。
【符号の説明】
【０１２９】
１０、１１０、２１０、３１０、４１０、６１０、７１０、９１０、１３１０、１５１０  バッテリ（リチウムイオンバッテリ）、
１２、１１２、３１２、４１２、６１２、７１２、８１２、９１２、１１１２、１２１２、１３１２、１５１２  容器、
２０、１２０、２２０、３２０、４２０、７２０、８２０、９２０、１１２０、１３２０、１５２０  正端子、
２２、１２２、２２２、３２２、４２２、７２２、８２２、９２２、１１２２、１３２２  負端子、
３０、１３０、２３０、３３０、４３０、６３０、７３０、８３０、９３０、１０３０、１１３０、１２３０、１３３０、１５３０  セル（電気化学セル）、
３２、１３２、２３２、３３２、４３２、７３２、８３２、９３２、１０３２、１２３２、１３３２、１５３２  正極、
３４、１３４、２３４、３３４、４３４、７３４、８３４、９３４、１２３４、１３３４、１５３４  負極、
１４０、２４０、３４０、４４０、６４０、７４０  コントローラ、
１０６  非常時サブコントローラ（コントローラ）、
１０２、７０２、８０２、９０２、１００２、１１０２、１２０２、１３０２、１５０２  放電サブコントローラ（コントローラ）、
１０４、１５０４  充電サブコントローラ（コントローラ）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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