专利名称：：具有集成电压转换器的电池的制作方法具有集成电压转换器的电池
背景技术：
：基于例如NiCad、NiMH、碱和/或化学物质的商业电化学电池单元(例如，用于AA、AAA、C和D型电池的电化学电池单元)具有在1.4V至1.8V范围内的开路电压(OCV)。取决于电化学电池单元的化学物质和由连接到电池单元上的负载所造成的消耗，商业电化学电池单元在使用期间的闭路电压(CCV)通常在1.8V至0.9V范围内。因此，常用类型的消费者便携的可用电池运行的装置常常被设计成以如下的电压水平来运行所述电压水平与具有上文指定的化学物质类型的现货供应的电池所提供的电压/功率水平相当。较高电压的电化学一次电池和二次电池(即，可充电电池)诸如基于锂/MnO2和锂离子化学物质的电池，一般比较低电压的电池具有较高的能量和功率密度。
发明内容本发明公开了一种电池，所述电池具有至少一个高电压电化学电池单元(大于1.8V)，所述电化学电池单元在内部与电压转换器模块集成。电压转换器模块耦合到电化学电池单元的阴极和阳极集流体上。电压转换器模块和高电压电化学电池单元的全部组件可包装在标准尺寸的电池中，包括圆柱形电池诸如AAA、AA、C、以及D型电池、棱柱形电池、纽扣电池等。电压转换器模块可将由所述至少一个电化学电池单元提供的高电压减小为与商业性的可用电池运行的装置相容的较低电压(例如，小于或等于1.8V)。具有内部集成电压转换器模块的电池可包括一次或二次高电压电化学电池单元。在其中将二次(即，可充电)电化学电池单元用于该构造的情形中，充电电流可通过设置在电池壳体上的附加电池端子来施加。通过组合高电压电化学电池单元和电压转换器模块，该电池可延长通常由低电压标准电池供电的可用电池运行的装置的工作时间。本文所述的电池可提供平缓的放电曲线，而非商业标准电池有时所表现出的倾斜的放电曲线。在一个方面，本发明公开了一种电池。该电池包括具有从其中穿过的内孔的电化学电池单元、以及电耦合到电化学电池单元上并且设置在内孔的一部分内的电压转换器模块，电压转换器被配置成将由电化学电池单元产生的第一电压转换为不同的第二电压。实施方案可包括以下中的一个或多个。电化学电池单元可被配置成在十五分钟或更短的时间内被充电至至少90%容量的充电水平。电化学电池单元包括磷酸铁锂电池单元。该电池还可包括容纳电化学电池单元和电压转换器的电池壳体、以及设置在电池壳体上的被提供了第二电压的一组外部端子。该电池还可包括连接在电化学电池单元和电压转换器模块之间的一组插片、以及连接在电压转换器模块和由电池壳体支撑的外部端子之间的第二组插片。电压转换器模块可包括电子开关装置、以及电耦合到电子开关装置的控制器，所述控制器被配置成控制电子开关装置。控制器可被配置成监测这组外部端子处的电压水平，并且可基于被监测的电压水平使电子开关装置切换，以便外部端子处的电压水平基本上等于预定电压水平。在另一方面，本发明公开了一种电池。该电池包括至少一个电化学电池单元，所述电化学电池单元被配置成在十五分钟或更短的时间内被充电至至少90%容量的充电水平；电压转换器模块，所述模块电耦合到所述至少一个电化学电池单元上并且被配置成将由所述至少一个电化学电池单元产生的第一电压转换为不同的第二电压；电池壳体，所述壳体容纳所述至少一个电化学电池单元和电压转换器；和设置在电池壳体上的被提供了第二电压的一组外部端子。实施方案可包括以下中的一个或多个。电压转换器模块可包括电子开关装置、以及电耦合到电子开关装置的控制器，所述控制器被配置成控制电子开关装置。控制器可被配置成监测这组外部端子处的电压水平，并且可基于被监测的电压水平使电子开关装置切换，以便外部端子处的电压水平基本上等于预定电压水平。所述至少一个电化学电池单元可包括锂离子电池单元。该锂离子电池单元可包括磷酸铁锂电池单元。由所述至少一个电化学电池单元产生的第一电压可大于1.8V。电化学电池单元可包括填充了电解质溶液的果冻卷结构，果冻卷结构限定穿过果冻卷结构的内孔，并且电压转换器模块可设置在内孔内。该电池还可包括至少一个附加端子，所述端子被配置成接收充电电流以将电池再充电并且将充电电流引导至耦合到所述至少一个电化学电池单元上的电极。在又一方面，本发明公开了一种方法。该方法包括将耦合到至少一个电化学电池单元上的电极处的第一电压转换为不同的第二电压，其中电极和所述至少一个电化学电池单元设置在电池壳体中，所述至少一个电化学电池单元被配置成在十五分钟或更短的时间内被充电至至少90%容量的充电水平，并且在设置在电池壳体上的外部端子处提供第二电压。实施方案可包括以下中的一个或多个。转换第一电压可包括控制电子开关装置。控制电子开关装置可包括监测外部端子处的电压水平，并且可基于被监测的电压水平使电子开关装置切换，以便外部端子处的电压水平基本上等于预定电压水平。转换所述至少一个电化学电池单元的电极处的第一电压可包括转换至少一个磷酸铁锂电池单元的电极处的第一电压。该方法还可包括确定施加到所述至少一个电化学电池单元上的电流水平，使得所述至少一个电化学电池单元在十五分钟或更短的时间内达到所述至少一个电化学电池单元的充电容量的至少90%的充电水平；以及将基本上等于所确定的电流水平的充电电流施加到所述至少一个电化学电池单元上。施加充电电流可包括将充电电流施加到这组外部端子上。施加充电电流可包括将充电电流施加到设置在电池壳体上的至少一个附加充电端子上，所述至少一个附加充电端子耦合到耦合到所述至少一个电化学电池单元上的电极上。本发明的一个或多个实施方案的细节阐述于附图和以下说明书中。通过阅读说明书、附图以及权利要求书，本发明的其它特征、目的和优点将变得显而易见。图IA为带有集成电压转换器模块的电池的剖面图。图IB和IC为图IA的剖面图的部分的放大视图。图2为图IA至C所示的电池的内部构型的方框图。图3为图1和2的电压转换器的物理布局的一个示例性实施方案的横截面视图。图4为图3的电压转换器模块的方框图。图5为图4的电压转换器模块的电路示意图。图6为使用LTC3411集成电路实施的电压转换器模块的一个示例性实施方案的电路示意图。图7为将图IA至C的电池的电化学电池单元产生的内部电压转换为要施加到可用电池运行的装置上的外部电压的规程的一个示例性实施方案的流程图。图8A为带有集成电压转换器的可充电电池的一个示例性实施方案的内部构型的方框图。图8B为带有集成电压转换器的可充电电池的另一个示例性实施方案的内部构型的方框图。图9为耦合到图8A的可充电电池上的充电器装置的一个示例性实施方案的方框图。图10为将图8A的可充电电池再充电的充电规程的一个示例性实施方案的流程图。图11为旁路电路的一个示例性实施方案的电路示意图。图12为双向降压升压转换器的一个示例性实施方案的电路示意图。图13为升压转换器的另一个示例性实施方案的电路示意图。具体实施例方式参见图1A，其显示了具有大致常规外部构型(此处对应于“AA型电池”)的电池10。电池10引入了至少一个高电压电化学电池单元和内部电压转换器40。电池10可为二次电池单元(或电池)或一次电池单元(电池)。一次电化学电池单元意味着仅放电(例如至耗尽)一次，然后被废弃。一次电池单元不打算再充电。一次电池单元描述于例如DavidLinden的HandbookofBatteries(McGraw-Hill，第2版，1995)中。二次电化学电池单元可以被多次再充电，例如超过五十次、超过一百次或更多次。在一些情况下，二次电池单元可包括相对坚固的分隔体，例如具有许多层的那些和/或相对较厚的那些。二次电池单元还可设计成使其能适应可能在电池单元中发生的变化，如溶胀。二次电池单元描述在例如Falk&Salkind的“AlkalineStorageBatteries”(JohnWiley&SonsJnc.1969)；美国专利345，124；和法国专利164，681中，这些专利均据此以引用方式并入本文。在一些实施方案中并且如下文所详述，电池10为可充电(或二次)锂离子电化学电池单元，其具有石墨阳极材料或钛酸锂阳极材料、以及适于使可充电电池快速再充电的磷酸铁锂阴极材料(例如，电池能够在十五分钟或更短的时间内达到电池的充电容量的大约80%至90%的充电水平)。此外，虽然图IA显示的是圆柱形AA型电池，但也可将内部电压转换器引入到其它类型的圆柱形电池、以及棱柱形电池、纽扣电池等等中。电池10包括电池壳体12，其中设置了构成电池10的所述至少一个电化学电池单元的卷绕电极和分隔体堆叠果冻卷结构14。果冻卷结构通常包括与负极引线电接触的阳极、与正极引线电接触的阴极、分隔体、以及电解质。阳极、阴极、分隔体、以及电解质均包含在外壳内。电解质包括一种或多种溶剂和至少部分地溶解在该溶剂体系中的盐。在图IA至C所示的实施方案中，果冻卷结构14限定中心内孔15，中心内孔15沿果冻卷结构14的纵向轴线延伸并且其中放置了包含DC-DC转换器40的电路(显示于例如图2中)的转换器外壳16。DC-DC转换器40被配置成将由电池10的电化学电池单元产生的第一电压转换为所需的提供给要使用电池10的可用电池运行的装置的第二电压。在一些实施方案中，转换器外壳16为中空圆柱形管，其在末端密封并且被配置成接纳DC-DC电压转换器电路。果冻卷结构14通过邻近电池10的正导电端子20定位的导电插片18、以及邻近负帽端子M连接的插片22耦合到DC-DC电压转换器40上(正端子和负端子为用来将由电池10产生的电压/电流施加到可用电池运行的装置上的端子)。插片18和22分别耦合到电池10的阴极和阳极电极上。参见图IB和1C，两个附加插片，即插片19和23，机械地将转换器外壳16固定到电池壳体12和邻近负帽端子M定位的安全排气盘沈上。在一些实施方案中，插片19和23通过将插片分别焊接到壳体12和盘沈上而固定到电池壳体12和/或排气盘沈上。插片19和23也被配置成将电压转换器模块40分别电耦合到端子20和M上。如下文所详述，因此可将由电压转换器模块40转换的电流/电压提供给电池10的外部端子20和24，可用电池运行的装置可与所述端子建立电接触。电池10还包括设置在圆柱形电池壳体12的末端的顶部绝缘体28和底部绝缘体30。顶部绝缘体和底部绝缘体观和30可防止从果冻卷结构14发生渗漏。电池10也包括用来将负帽M与构成电池10的电化学电池单元的果冻卷结构绝缘的非导电聚合物密封件32、以及绝缘垫圈34。紧靠负端帽M设置的是PPTC元件36(“聚合物正导热系数”元件)。电池19也包括绝缘包裹物38，所述包裹物覆盖电池壳体12的外部以将电池10与外部杂散电流和电荷绝缘。一般来讲，为了制造电池10，可在将果冻卷结构在芯轴上卷绕之后，将电压转换器模块(例如，转换器40)设置在果冻卷结构14的中心中。将分别从卷绕在果冻卷结构中的阴极和阳极延伸的插片18和22耦合到电压转换器模块上。将图IB和IC所示的从转换器外壳16延伸的插片19和23焊接或换句话讲耦合到电池的壳体12和排气盘沈上。在完成了所有连接之后，将果冻卷结构14填充上电解质并且卷曲起来。参见图2，电池10包括内部阴极端子42和阳极端子44，它们电耦合到所述至少一个电化学电池单元(例如，果冻卷结构14)上。发生在果冻卷结构14内的电化学交互作用可导致形成在阴极42和阳极44处的内部第一电压Vi,所述电压然后被提供给电压转换器40。内部第一电压取决于电池的化学物质，并且可具有在1.8V至4.4V范围内的值。内部第一电压Vi被提供给集成电压转换器模块40。如上文关于图IA所述的那样，集成电压转换器40设置在电压转换器外壳16内，并且通过插片18和22电耦合到电化学电池单元上，所述插片分别耦合到阴极42和阳极44上。如将在下文中显而易见的那样，电压转换器模块40可将内部电压Vi转换为运行可用电池运行的装置(例如，手电筒、移动电话、照相机等)所需的外部第二电压水平\。在一些实施方案中，外部第二电压具有在例如1.2V至1.5V范围内电压水平。DC-DC电压转换器模块40也可被配置成增大形成在阴极42和阳极44处的电压水平。在一些实施方案中，转换器40至少部分地基于使用者所指定的输入将DC内部电压Vi转换为外部电压\，所述输入通过设置在例如电池壳体12上的使用者界面来提供。这种使用者界面可包括例如开关，使用者可通过所述开关来指示所需的用于可用电池运行的装置的电压。在一些实施方案中，对外部电压的确定可以如下方式来进行使用例如电压指示机构(例如，使用ID电阻器的指示机构)来识别所需的外部电压，所述机构可提供代表运行可用电池运行的装置所需的电压的数据。也可利用其它类型的电压指示机构，包括基于射频识别(RFID)技术的机构。第二外部电压Ve被提供给外部端子46和48，所述端子分别定位在图IA至C所示的正端帽20和负端帽M处。图3为沿图IA所示的线3-3截取的转换器外壳16的剖面图。如图所示，设置在转换器外壳16的内部体积(如由外壳16的内壁56限定)内的为电压转换器模块40的一个示例性实施方案。转换器外壳16使用罐装环氧化物和塑料密封件气密地密封，因此可保护转换器的电路不受任何外界物质(例如，电化学电池单元和/或电解质)的影响。如所述的那样，通常果冻卷结构基电池单元是通过围绕芯轴卷绕果冻卷结构的组分来提供的。因此，将内部空隙或孔15(显示于图IA至C中)提供在果冻卷结构14内。在一些实施方案中，内孔15沿果冻卷结构14的纵向轴线延伸。包含DC-DC转换器40的电路的转换器外壳16放置在该孔中，因此占据了孔空间的至少一部分。通过将转换器外壳16放置进孔15中，转换器外壳16可占据电池中的本来不使用的空间。由于此空间一般不使用，添加DC-DC转换器40可提供集成的配置，而不会增大电池外壳的尺寸或改变其构型，或换句话讲不会减小电池的充电容量。相比之下，如果将DC-DC转换器40放置在果冻卷结构中的空间之外，则需要将果冻卷结构制造得较小，因此会减小电池单元容量，以便保持电池的相同的尺寸和构型。此外，电流通过插片18和22从果冻卷结构引出，所述插片将果冻卷结构耦合到转换器外壳16上，所述外壳包含DC-DC转换器40(见图IA至C)的电路。电压转换器模块包括双层印刷电路板(PCB)50，所述电路板上设置了有源和无源电子组件。PCB50装于转换器外壳16的内部。如图所示，PCB50具有基本上等于中空圆柱形转换器外壳16的直径的宽度(例如，3.5mm至4.Omm)，使得在一些实施方案中，PCB板50可由转换器外壳16的内壁56所施加的张力固定在适当位置。在一些实施方案中，可使用连接机构将PCB板50固定到转换器外壳16的内壁56上。设置在PCB板50的一个表面上的是DC-DC电压转换器模块40的控制器52。控制器52被配置成控制开关装置诸如晶体管，以使具有由例如控制器52所确定的水平的外部电压/电流被施加到电池10的外部端子46和48处。在一些实施方案中，控制器52也包括开关装置(显示于例如图5中)。还如图3所示，设置在PCB板50的相对侧上的是无源组件5至c，诸如用于DC-DC电压转换器模块40的具体实施中的电阻器、电感器、以及/或电容器。在一些实施方案中，DC-DC电压转换器40可被实施成具有开关降压DC-DC转换器电路，所述电路被配置成将阴极42和阳极44处的内部电压减小(或逐步降压)至电池的外部端子46和48处所需的电压水平。可提供逐步升压的实施方案。参见图4，显示了DC-DC电压转换器模块40。DC-DC电压转换器模块40包括控制器52。控制器52包括处理器60，所述处理器可生成控制信号以控制降压转换器70的运行。处理器60可为任何类型的计算和/或处理装置。一个实例为源自MicrochipTechnologyInc.的PIC18F1320微控制器。用于控制器52的具体实施的处理器装置60包括被配置成存储软件的易失性和/或非易失性存储元件，所述软件包含用来实现处理器基装置的一般操作的计算机指令、以及用来进行电压控制操作以将电池10的阴极和阳极电极处的内部电压转换为适用于运行可用电池运行的装置的电压水平的具体实施程序。处理器装置60包括模-数(A/D)转换器62，所述转换器带有多个模数输入和输出线。被引入到处理器60上或电耦合到处理器60上的是数-模(D/A)转换器装置64和/或脉冲宽度调制器(PWM)66，所述装置和/或调制器可接收由处理器装置60生成的数字信号并且相应地生成电信号，所述电信号可调节DC-Dc电压转换器模块40的开关电路诸如降压转换器70的工作循环。现在参见图5，降压转换器70包括两个例如双极结晶体管(BJT)72和74以及电感器76，所述电感器在电池10的电极与降压转换器70电气连通时存储能量，并且在电池的电极与降压转换器70电隔离期间以电流形式释放出该能量。降压转换器70也包括电容器78，所述电容器也用作能量存储元件。电感器76和电容器78也用作输出滤波器，以减小降压转换器70的输出处的开关电流和电压脉动。施加到外部端子46和48上的电压水平可通过控制施加到晶体管72和74的基极上的电压水平来调节。为了使源自电化学电池单元的功率被施加到外部端子46和48上，将源自控制器52的端子52d(SWl)的起动电信号施加到晶体管72的基极上，从而导致电流从电池10的电化学电池单元的电极42和44流向晶体管72并且流向外部端子46和48。当移除施加到晶体管72的基极上的起动信号时，源自电化学电池单元的电流停止，并且电感器76和/或电容器78由存储在它们中的能量来提供电流。在晶体管72的关断期间，第二起动信号由控制器52的端子52e(SW》施加到晶体管74的基极上，以使电流流向(使用在晶体管72的接通期间存储在电感器76和/或电容器78中的能量)外部端子46和48。在一些实施方案中，使用整流二极管来替代晶体管74。将晶体管的接通时间或工作循环初始地逼近为可产生基本上等于所需的外部电压水平V6的电压水平的时间。这种逼近可通过查阅用来使电池10的所需外部电压Ne与可产生所需外部电压水平Ve的工作循环相关联的查找表来获得。将晶体管的接通时间或工作循环初始地从0%工作循环升高，同时控制器或反馈回路测量输出电流和电压。一旦达到了所需的外部电压\，反馈控制回路就使用闭环线性反馈方案来管理晶体管工作循环，例如，使用比例积分微分或PID机理。因此，在晶体管72的接通期间由电池10的电化学电池单元提供的电压/电流、以及在晶体管72的关断期间由电感器76和/或电容器78的运行引起的电压/电流应当导致基本上等于所需的外部电压水平\的有效电压水平。在一些实施方案中，控制器52周期性地接收(例如，每隔0.1秒)外部端子46和48处的电压的测量值，所述电压例如通过电压传感器71a来测量，所述传感器通过控制器52的端子52b(标记为“电压传感器”)来传送测量值。基于此接收到的测量的电压，控制器52调节工作循环以造成对外部端子处的外部电压Ve的调节，以便该电压收敛至基本上等于所需的外部电压V6的值。降压转换器70因此被配置成以可调节的工作循环来运行，所述循环导致施加到外部端子46和48上的可调节的电压水平。对工作循环的调节也可使用电流传感器71b来获得。除了电压传感器和/或电流传感器以外，电池10还可包括被配置成测量电池10的其它属性的其它传感器。例如，电池10可包括温度传感器(例如，热敏电阻器基温度传感器)以使控制器52可针对电池10过热的情况采取矫正或预防措施。将接收到的测量的信号使用模拟逻辑处理元件(未示出)诸如专用的充电控制器装置来处理，所述装置可包括例如阈值比较器，以确定由电压和/或电流传感器测量的电压水平和电流水平。DC-DC电压转换器模块40也可包括用于对模拟和/或数字输入信号进行信号滤波和处理的信号调整部件诸如滤波器61和63，以防止可能由外界因素诸如电路水平噪声造成的错误测量(例如，对电压、温度等的错误测量)。DC-DC降压转换器的效率至少部分地取决于对逐步降压调节器IC和外部负载的选择。一般来讲，电池的效率(例如，最终递送给功率转换电路的输出的输入功率的百分比)诸如电池10的效率在85%至95%范围内。参见图6，在一些实施方案中，DC-DC降压转换器可使用高效率的同步逐步降压调节器诸如由LinearTechnologyCorp.制造的LTC3411转换器80来实施。该LTC3411芯片将开关控制器和开关组件(MOSFET)组合在单个封装中。LTC3411芯片的一个优点是其尺寸相对小和运行高效。也可使用其它类型的降压转换器，包括其它类型的可商购获得的具有类似功能的集成电路。现在参见图7，显示了用来将由电池10的电化学电池单元产生的内部电压转换为要施加到可用电池运行的装置上的外部电压的一种示例性规程90。将由电池10的所述至少一个电化学电池单元产生的电压施加到耦合到阴极42和阳极44上的转换器40的端子上。由电化学电池单元产生的功率也用来为转换器40供电并且因此使转换器40运行。电压转换器40确定92要施加到电池10的外部端子46和48上的外部电压\。在一些实施方案中，外部电压为预定的，并且电压转换器40使内部电压Vi被转换为该预定值(例如，在1.2V至1.5V范围内的特定电压水平)。在一些实施方案中，外部可变电压水平可由转换器40生成。如本文所述，在此类实施方案中，转换器40可从设置在电池壳体12上的使用者界面接收关于所需的外部电压的信息，或换句话讲接收从通讯机构(例如，基于RFIF技术的机构)传送的信息并且基于所接收到的信息来确定要输出的电压V—在确定了要施加到电池10的外部端子46和48上的外部电压之后，转换器调节94DC-DC电压转换器电路诸如降压转换器，以使基本上等于所确定的外部电压Ve的恒定电压被施加到外部端子46和48上。如上所述，所确定的外部电压水平用来生成施加到降压转换器70的开关装置(例如，晶体管72)上的工作循环信号，以使基本上等于所需的外部电压的电压被施加到端子46和48上。由电化学电池单元在开关装置的接通期间施加的电流、以及降压转换器70的能量存储元件在开关装置的关断期间所释放出的电流组合起来可导致基本上等于所需的外部电压\的有效电压。如上所述，在一些实施方案中，具有集成电压转换器模块的电池为可充电电池，例如包括磷酸铁锂电化学电池单元的可充电电池，并且所述可充电电池被配置成在小于十五(15)分钟内被再充电至例如电池的80%至90%容量的充电水平。在一些实施方案中，该电池包括包括LWePO4作为其活性物质的阴极、碳阳极、分隔体和电解质。在此类实施方案中，阴极也可包括粘合剂。阴极的厚度将取决于电池单元设计和所需的性能特征。阳极可为碳阳极。电极(阴极和阳极)可通过如下方式制造提供基底并且将基底的双面涂覆上适当的材料，例如对于阳极可涂覆碳，并且对于阴极可涂覆粘合剂、导电性碳和活性物质的混合物。基于磷酸铁锂化学物质的可充电电池的一个示例性实施方案描述于同时提交的题目为“LithiumIonSecondaryBatteries”的专利申请中，该专利申请的内容据此全文以引用方式并入本文。在一些实施方案中，可充电电池100为高能量密度电化学系统诸如锂离子电池，所述电池具有介于4.4V至1.8.V之间的工作电压跨度，其能量密度在300Wh/L以上。参见图8A，显示了将示例性可充电电池100耦合到充电器110上。电池100在构型上类似于电池10(图IA至C和2)，但包括至少一个附加外部充电电池端子102，所述端子电耦合到阴极104上并且旁通过电池100的集成DC-DC电压转换器。外部电池端子包括接触表面(未示出)，所述表面设置在可充电电池100的电池壳体(类似于图IA所示的电池壳体12)的外表面上。当电池100被接纳在充电器110的充电隔室(未示出)内时，充电器的端子中的一个机械地连接且电耦合到外部充电电池端子102上，而充电器的端子中的另一个机械地连接且电耦合到也被用于将电池耦合到可用电池运行的装置上的外部端子106上。阳极108耦合到电压转换器109上。当如此连接时，充电器110(在运行中)通过电池充电端子102施加充电电流，以补充电池100的电化学电池单元的充电水平。充电器110的示例性实施方案，包括被配置成进行快速充电操作(例如，使可充电电池在小于15分钟的时间内达到90%充电容量)的实施方案，描述于例如同时提交的题目%"FastBatteryChargerDeviceandMethod，，、"BatteryChargerwithMechanismtoAutomaticallyLoadandUnloadBatteries，，、"PortableEnergyStorageandChargingDevice，，、^^^“LithiumIronPhosphateUltraFastBatteryCharger，，白勺#禾Ij串i青巾，M有这些专利申请的内容均据此全文以引用方式并入本文。参见图8B，在一些实施方案中，可充电电池100包括直接电耦合到阳极108上的第二充电端子103。因此，当电池100被接纳在例如充电器110的充电隔室内时，充电器的端子电耦合并机械地耦合到电池的充电端子102和103上，并且通过阴极104和阳极108建立闭合电通路。充电端子103包括接触表面(未示出)，所述表面设置在电池壳体的外部表面上，例如，靠近负帽(类似于图IA所示的负帽24)设置。因此，在图8B所示的可充电电池100的实施方案中，可充电电池具有专用的充电端子，所述端子被配置成接收由充电器110施加的充电电流并且将其导向阴极和阳极以补充果冻卷结构14中的电荷，并且将独立的专用的一组外部端子102和106用于施加外部电压Ve。在一些实施方案中，没有使用该独立的一组专用端子，所述端子用于施加充电电流以将电池100的电化学电池单元再充电。在此类实施方案中，充电电流施加到电池的外部端子上(即，端子诸如图8A和8B所示的端子105和106，由电池产生并且被集成电压转换器转换的电压通过所述端子施加到可用电池运行的装置上)。在这些情况下，电压转换器可包括旁路电路例如图11中的二极管D2，以将从外部端子接收到的充电电流导向阴极和阳极。在一些实施方案中，当使用内部升压转换器时，外部端子电压高于内部电池单元(电极对)电压。以此方式，功率可通过升压转换器从较低电压电极对流向较高电压端子，但也可在相反的方向上流动以允许电池单元由较高电压充电电流源充电。以此模式，将转换器用作降压转换器以将充电电压减小至用于充电较低电压电极对的适当的电压。参见显示降压升压转换器实施方案的电气原理的图12和13。参见图9，充电器110被配置成在充电操作开始时将恒定充电电流施加到电池上。在将恒定电流递送给电池(即，充电器以恒定电流或CC模式运行)期间，可充电电池100的电压会增大。当电池100的电压达到例如3.8V的预定上限电压时(此上限电压有时称为交变电压)，充电器110被配置成在充电时间的其余部分中将电池的电压保持在该上限电压。在将基本上等于预定交变值的恒定电压施加到电池100上期间，称充电器110以恒定电压或CV模式运行。充电器110耦合到功率转换模块112上。在一些实施方案中，将功率转换模块112引入到充电器110中，并且因此设置在充电器110的外壳中。功率转换模块112包括AC-DC电压转换器模块114，所述电压转换器模块在充电器的外部电耦合到AC电源诸如以85V-265V和50Hz-60Hz的额定值提供功率的电源上，并且可将该AC功率转换为低DC电压(例如，5V至24V)，并且例如可将此低DC电压输入给例如DC-DC电压转换器模块116以提供适用于将可充电电池充电的水平(例如，用于具有例如磷酸铁锂电化学电池单元的可充电电池的大约介于3.7V-4.2V之间的DC电压水平。其它类型的电池单元可具有不同的电压水平，诸如在1.8V-4.4V范围内的电压水平)。充电器110还包括控制器120，所述控制器被配置成确定要施加到可充电电池100上的充电电流、将基本上等于所确定的充电电流的电流施加到电池100上、并且在经过了指定的或预定的时间段例如5分钟至15分钟之后终止充电电流。控制器120也可被配置成一旦达到了预定的电池电压或充电水平即终止充电操作。在一些实施方案中，控制器120调节降压转换器130以施加恒定的12C充电速率(即，IC的充电速率对应于在一个小时内将电池充电完毕所需的电流，因此12C为在大约一小时的1/12内即五分钟内将特定电池充电完毕所需的充电速率)。施加这种12C的充电速率直到达到预定的最大充电电压，或经过了五(5)分钟的时间。一旦达到了最大充电电压，控制器120即改变控制模式并且向电池100施加恒定电压，直到经过了预定的充电时间例如5分钟。在一些实施方案中，对要施加到可充电电池100上的充电电流的确定可至少部分地基于使用者所指定的输入，所述输入通过设置在例如充电器110的外壳(未示出)上的使用者界面来提供。这种使用者界面可包括例如开关、按钮和/或旋钮，使用者可通过它们指示与充电操作密切相关的设定值诸如有待再充电的电池的容量、充电时间等。为了确定所要使用的具体充电电流，可查阅可指示对应于使用者所指定的设定值/参数的合适的充电电流的查找表。在一些实施方案中，对充电电流的确定可以如下方式来进行使用例如可提供代表电池容量和/或电池类型的数据的识别机构来识别放置在充电器110的充电隔室中的可充电电池100的容量。一种包括使用ID电阻器(具有代表电池容量的电阻)的识别机构的示例性充电器装置的详细说明提供于同时提交的题目为“UltraFastBatteryChargerwithBatteryknsing”的专利申请中，该专利申请的内容据此全文以引用方式并入本文。在一些实施方案中，对充电电流的确定可以如下方式来进行测量可指示电池的容量和/或类型(例如，电池的DC充电电阻)的电池电特性中的至少一种。一种可基于电池的测量的特性自适应地确定充电电流的示例性充电器装置的详细说明提供于同时提交的题目为"AdaptiveChargerDeviceandMethod”的专利申请中，该专利申请的内容据此全文以引用方式并入本文。控制器120包括处理器装置122，所述装置被配置成控制对电池100进行的充电操作。如同转换器40的处理器装置60，处理器装置122也可为任何类型的计算和/或处理装置，诸如源自MicrochipTechnologyInc.的PIC18F1320微控制器。用于控制器120的具体实施的处理器装置122包括被配置成存储软件的易失性和/或非易失性存储元件，所述软件包含用来实现处理器基装置的一般操作的计算机指令，以及对耦合到充电器110上的电池100进行充电操作的具体实施程序，所述充电操作包括导致电池100在小于十五(15)分钟的时间内达到至少90%充电容量的充电操作。处理器装置122包括模-数(A/D)转换器124，所述转换器带有多个模拟和数字输入和输出线。控制器120也包括数-模(D/A)转换器装置126和/或脉冲宽度调制器(PWM)128，所述装置和/或调制器可接收由处理器装置122生成的数字信号并且相应地生成电信号，所述电信号可调节充电器110的开关电路诸如降压转换器130的工作循环。降压转换器130类似于转换器40的降压转换器70，并且被配置成以类似于降压转换器70的方式运行。因此，降压转换器130包括开关装置诸如晶体管(未示出)，所述装置为电起动的以使由功率转换模块112提供的电流/电压可通过例如端子102和106被施加到电池100上。降压转换器130也包括能量存储元件(例如，电容器和/或电感器)，在转换器的开关装置的接通期间，当电流被递送给降压转换器时，所述元件可存储能量。当开关装置使从功率转换模块112递送的电流从电池100断开时，能量存储元件中的能量被释放到可充电电池100中。在开关装置的接通期间由所施加的电流引起的电流和在开关装置的关断期间从能量存储元件中释放出的电流基本上等于所需的要施加到可充电电池100上的充电电流。为了调节施加到电池100上的电流/电压，充电器110也包括例如使用控制器120来实施的反馈调节机构。反馈调节机构用来调节用于起动DC-DC电压转换器(例如，降压转换器130)的开关装置的工作循环，以便所得施加到电池100上的电流将基本上等于由控制器120确定的充电电流。例如，在一些实施方案中，控制器120周期性地接收(例如，每隔0.1秒)穿过电池100的电流的测量值，所述电流例如通过电流传感器(未示出)来测量，所述传感器将测量的值传送给控制器120。基于此接收到的测量的电流，控制器120调节工作循环以实现对穿过电池100的电流的调节，以便该电流收敛至基本上等于充电电流水平的值。充电器110也可包括电压传感器(未示出)、以及其它传感器，所述传感器被配置成测量可充电电池100和/或充电器110的其它属性。例如，在其中需要对充电器110和/或电池100进行热控制(例如，当用于将电池100充电的充电时间超过15分钟时)的实施方案中，充电器110可包括耦合到电池110和/或电路板上的温度传感器(例如，热敏电阻器)，在所述电路板上可设置充电器110的各种模块。参见图10，显示了用来将可充电电池100再充电的示例性充电规程140。将电池插入到充电器中，并且使用者可通过按压设置在例如充电器110的外壳上的“开始”按钮来启动充电循环。在开始充电规程之前，充电器110确定是否存在某些故障条件。例如，充电器110测量142电池100的电压％。充电器110确定144测量的电压是否在预定范围内(例如，介于2V-3.8V之间)。在其中可确定电池100的测量的电压V。不在预定的容许范围内因此使得当前条件下的充电操作不安全的情形中，充电器不会继续进行充电操作，因而充电过程可终止。在这些情况下，可将对问题的指示通过充电器110的外壳上的使用者界面提供给使用者。充电器110基于与充电过程密切相关的信息包括电池的类型、充电时间、电池容量等来确定146要用来将电池100充电的充电电流和/或充电时间。例如，充电器110可被配置成确定用来在小于15分钟的时间内将电池100充电至至少90%充电容量的充电电流。充电器110可确定145放置在充电器110的充电隔室中的电池100的容量和/或类型。如本文所述，用来确定充电电流的信息可通过设置在例如充电器110的外壳上的使用者界面来提供。除此之外和/或作为另外一种选择，与充电过程密切相关的信息可通过识别机构提供，电池可通过所述机构向充电器传达代表其特征(例如，容量、类型)的信息，或可以如下方式提供测量电池的电特性(例如，DC充电电阻)，并且基于此类测量值来确定电池100的类型和/或容量。如果充电器110被配置成接纳具有特定容量的特定类型的电池，则充电器110使用适用于该特定电池和容量的预定充电电流。对充电电流的确定可通过查阅将充电电流与不同的电池容量、电池类型、充电时间等相关联的查找表来进行。在确定了要施加到电池100上的充电电流之后，可启动148定时器，所述定时器被配置成测量预指定的充电操作时间段。定时器可为例如处理器122的专用定时器模块，或其可为以由处理器122的内部或外部时钟测量的规则时间间隔递增的寄存器。控制150电流/电压调节电路例如降压转换器130，以使基本上等于所确定的电流的恒定电流被施加到可充电电池100上。如所述的那样，所确定的充电电流用来生成施加到降压转换器130的开关装置(例如，晶体管)上的工作循环信号，以使基本上等于充电电流的电流被施加到电池100上。在特定工作循环的关断时间期间，功率转换模块112从电池100断开，并且存储在降压转换器130的能量存储元件(例如，电感器和/或电容器)中的能量以电流形式释放给电池。由功率转换模块112施加的电流、以及从降压转换器130的能量存储元件中释放出的电流组合起来可得到基本上等于所确定的充电电流的有效电流。在一些实施方案中，充电器100实施CC/CV充电过程。因此，在此类实施方案中，周期性地测量152(例如，每隔0.1秒)电池100的端子处的电压，以确定何时达到预定的电压上限(即，交变电压)。当电池100的电压达到预定的电压上限时，电流/电压调节电路即被控制而具有恒定电压水平，所述电压水平基本上等于电池100的端子处所保持的交变电压水平。在确定154经过了基本上等于充电时间段的时间段之后，或在达到了某个充电水平或电压水平(如可通过对电池100的周期性测量来确定)之后，终止施加到电池100上的充电电流。实施例和其它实施方案可将许多类型的化学物质用于本文所述的实施方案，包括权利要求1.一种电池，所述电池包括电化学电池单元，所述电化学电池单元具有从其中穿过的内孔；和电压转换器模块，所述电压转换器模块电耦合到所述电化学电池单元并且设置在所述内孔的一部分内，所述电压转换器被配置成将由所述电化学电池单元产生的第一电压转换为不同的第二电压。2.如权利要求1所述的电池，其中所述电化学电池单元被配置成在十五分钟或更短的时间内被充电至至少90%容量的充电水平。3.如权利要求1所述的电池，其中所述电化学电池单元包括磷酸铁锂电池单元。4.如权利要求1所述的电池，所述电池还包括电池壳体，所述电池壳体容纳所述电化学电池单元和所述电压转换器；和一组外部端子，所述一组外部端子设置在所述电池壳体上并被提供所述第二电压。5.如权利要求1所述的电池，所述电池还包括一组插片，所述一组插片耦合在所述电化学电池单元和电压转换器模块之间；和第二组插片，所述第二组插片耦合在所述电压转换器模块和由所述电池壳体支撑的外部端子之间。6.如权利要求1所述的电池，其中所述电压转换器模块包括电子开关装置；和电耦合到所述电子开关装置的控制器，所述控制器被配置成控制所述电子开关装置。7.如权利要求2所述的电池，其中所述控制器被配置成监测所述一组外部端子处的电压水平；以及使所述电子开关装置基于被监测的电压水平进行切换，以便所述外部端子处的电压水平基本上等于预定电压水平。8.一种电池，所述电池包括至少一个电化学电池单元，所述电化学电池单元被配置成在十五分钟或更短的时间内被充电至至少90%容量的充电水平；电压转换器模块，所述电压转换器模块电耦合到所述至少一个电化学电池单元，并且被配置成将由所述至少一个电化学电池单元产生的第一电压转换为不同的第二电压；电池壳体，所述电池壳体容纳所述至少一个电化学电池单元和所述电压转换器；和一组外部端子，所述一组外部端子设置在所述电池壳体上并被提供所述第二电压。9.一种方法，所述方法包括将耦合到至少一个电化学电池单元的电极处的第一电压转换为不同的第二电压，其中所述电极和所述至少一个电化学电池单元设置在电池壳体中，所述至少一个电化学电池单元被配置成在十五分钟或更短的时间内被充电至至少90%容量的充电水平；以及在设置在所述电池壳体上的外部端子处提供所述第二电压。10.如权利要求9所述的方法，其中转换所述第一电压包括控制电子开关装置。全文摘要本发明公开了一种电池，该电池包括具有从其中穿过的内孔的电化学电池单元、以及电耦合到电化学电池单元上并且设置在内孔的一部分内的电压转换器模块，所述电压转换器被配置成将由电化学电池单元产生的第一电压转换为不同的第二电压。文档编号H01M10/44GK102232255SQ200880009749公开日2011年11月2日申请日期2008年3月25日优先权日2007年3月26日发明者A·卡普兰,D·C·巴特森,D·L·德姆斯,F·P·克拉斯曼,G·M·辛德拉,J·瑞尔莫,K·S·纳朱达斯瓦米,L·J·皮内尔,L·法拉达申请人:吉列公司