Первичная батарея, имеющая встроенный преобразователь постоянного напряжения

Первичная батарея, имеющая встроенный преобразователь постоянного напряжения

Реферат

 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

На фиг.4, 4А и 4В показаны блок-схемы различных вариантов осуществления