控制流向流体消耗电池的流体的系统和方法

专利名称：控制流向流体消耗电池的流体的系统和方法
控制流向流体消耗电池的流体的系统和方法技术领域
概括地说，本发明涉及用于控制流体(例如气体)进出具有流体消耗电极的电化 学电池和单电池的速率的流体管理系统，并涉及使用了这种流体管理系统的电池和单电 池，特别是空气去极化、空气辅助和燃料单电池和电池。
背景技术：
为了给各种便携式电子设备供电，可以电化学电池，例如，空气去极化、空气辅助 和燃料单元电池，这些电化学电池使用来自电池外部的诸如氧气和其它气体的流体作为活 性材料来产生电能。例如，空气进入空气去极化或空气辅助单元，其中，空气可用作正极活 性材料或能再充电正极活性材料。氧还原电极促进了氧气与电池电解液的反应，并最终促 进了氧气对负极活性材料的氧化。促进氧气与电解液的反应的氧还原电极中的材料通常称 为催化剂。然而，用在氧还原电极中的一些材料不是真正的催化剂，因为它们至少部分地被 还原，特别是在相对高速放电的时间段中。
一种类型的空气去极化电池是锌/空电池。这种类型的电池使用锌作为负极活性 材料，并具有水溶粘合剂(例如，Κ0Η)电解液。可用在锌/空电池空气电极中的锰氧化物 能进行电化学还原，伴随着负极活性材料的氧化，特别是当氧气扩散到空气电极中的速率 不足够时。这些锰氧化物随后在较低速率放电或休眠的时间段中由氧气再氧化。
空气辅助电池是包含可消耗的正负极活性材料以及氧还原电极的混合电池。正极 可在大量时间段内维持高速放电，但是通过氧还原电极，氧气可在较低放电或不放电的时 间段内部分地对正极再充电，因此，氧气可用于整个电池放电容量的相当大部分。这意味 着，可以减少放入电池的正极活性材料的量并可以增加负极活性材料的量，以提高整个电 池的容量。空气辅助电池的示例公开在共同转让的美国专利No. 6，383，674和5，079，106 中。
空气去极化、空气辅助和燃料电池的优势在于它们的能量密度大，因为至少一个 电极的至少一部分活性材料来自或重新产生自来自电池外部的流体(例如，气体)。
这些电池的缺点在于它们能达到的最大放电速率受限于氧气进入氧还原电极的 速率。过去，已经努力地提高氧气进入氧还原电极的速率，和/或控制造成浪费反应的不期 望气体(例如，二氧化碳)的进入速率，以及水进入或损失的速率(取决于电池外内相对 的水蒸汽局部压力)，这可以充满电池内的空隙空间，空隙空间本来用于分别容纳增加的放 电反应产品或使电池干燥。可以在美国专利No. 6，558，828、美国专利No. 6，492，046、美国 专利No. 5，795，667、美国专利No. 5，733，676、美国专利No. 2002/0150814和国际专利申请 NO.W002/35641。然而，改变这些气体中一种气体的扩散速率通常也会影响到其它气体。即 使当已经做出努力来平衡高速率氧气扩散和低速率(X)2和水扩散的需要时，也仅仅取得了 有限的成功。
在较高的放电速率下，使足够的氧气进入氧还原电极更加重要，但是在较低放电 速率的时段以及没有使用电池的时段中，最小化CO2和水扩散的重要性增加。为了仅在高速放电时段增加流进电池的空气，已经使用风扇来迫使空气进入电池(例如，美国专利 No. 6，500, 57 ，但是风扇和对它们的控制给制造增加了成本和复杂性，而且风扇即使是微 型风扇也在各个单电池、多单元电池组和设备中占据了有价值的空间。
已经提出的另一方式是使用阀门来控制进入电池的空气量(例如，美国专利 No. 6，641，974和美国专利公开No. 2003/0186099)，但是仍然需要外部装置(例如，风扇和 /或相对复杂的电子器件)来操作阀门。
又一方式已经在氧还原电极与外部环境之间使用不透水膜，其具有能根据压 差(例如，源自电池放电时氧气的消耗)开启和关闭的挡水板(例如，美国专利公开 No. 2003/0049508)。然而，压差可能很小，并且受电池外部大气状况的影响。
共同转让的美国专利公开No. 2005/0136321公开一种由致动器操作的阀门，致动 器响应于横跨致动器所施加电势的变化来开启和关闭阀门。发明内容
根据本发明的一方面，提供一种用于控制提供给流体消耗电池的流体的方法。该 方法包括提供流体管理系统的步骤，流体管理系统包括用于调节流体行进进入电池的流体 消耗电极的速率的阀门和用于操作阀门的致动器。该方法还包括感测流体管理系统的操作 状况和基于感测到的操作状况确定将阀门维持在开启位置所需的最短时间的步骤。该方法 还包括当需要较大的电池电输出时控制阀门的运行以开启阀门，将阀门维持在开启位置达 所需的最短时间以及当需要较小的电池电输出时控制阀门的运行以关闭阀门的步骤。
根据本发明的另一方面，提供一种用于管理流向流体消耗电池的流体的流体管理 系统。该系统包括用于调节流体行进进入电池的流体消耗电极的速率的阀门和用于在至少 开启位置和关闭位置之间操作阀门的致动器。该系统也包括用于感测流体管理系统的操作 状况的传感器。该系统还包括用于控制致动器的操作以开启和关闭阀门的控制器。控制器 控制致动器，在需要较大的电池电输出时开启阀门，并在需要较小的电池电输出时关闭阀 门。控制器将阀门维持在开启位置达所需的最短时间段。所需的最短时间段基于感测到的 操作状况来确定。
通过参考以下说明书、权利要求书和附图，本领域的技术人员将进一步理解和意 识到本发明的这些和其它特征、优点和目的。


在图中
图1是根据本发明的第一实施例构造的电池的立体图，示出了电池的顶部；
图2是图1中所示电池的立体图，示出了电池的底部；
图3是示出电池底部以及形成与电池一起使用的流体管理系统的部件的分解立 体图4是用在图1和16所示的电池中的流体管理系统的第一构造的立体图5A和5B是示出流体管理系统的阀门处于开启和关闭位置的局部截面图6是采用另一致动器构造和与本发明一起使用的超模压底座的流体管理系统 的俯视图7是根据另一实施例的采用具有单销致动器的流体管理系统的俯视图8是采用可替换销致动器组件的流体管理系统的俯视图9A和9B是包括用在本发明一个实施例中的阀门的电池部分的截面图10是可以用在本发明的各个实施例中的流体管理系统的可替换构造；
图11是本发明第一实施例的电池的变体的分解立体图12是图11所示的可替换电池构造的一种可能实现的局部截面图13是图11所示的可替换电池构造的另一可能配置；
图14是示出用于第一实施例的不同电池构造的局部截面图15是根据第一实施例的电池的又一可能实现的局部截面图16是根据本发明构造的电池的第二实施例的分解立体图17是图16所示的电池的局部截面图18是可以与本发明的第一或第二实施例中的任一实施例一起使用的电接触片 的细节的截面图19是示出根据本发明第二实施例的电池的可替换构造的局部截面图20是可以用在图19所示的构造中的经改造的罐的局部立体图21是可用在图19所示的构造中的垫圈的局部立体图22是图21所示的垫圈的一部分的截面图23是根据本发明的第三实施例的电池的分解立体图，其中，流体管理系统和控 制电路未示出；
图M是从右侧观看的图23中所示的电池的流体管理系统的截面图25是根据本发明第四实施例的流体管理系统的截面图沈是根据本发明实施例的流体管理系统的一部分的局部分解立体图27A是处于关闭位置并具有一部分控制电路的示意图的阀门的实施例的俯视 图27B是图27A所示阀门的实施例的俯视图，但是阀门处于开启位置；
图27C是图27B所示阀门的实施例的俯视图，但是致动器处于伸长的状况；
图27D是图27A所示阀门的实施例的俯视图，但是两个致动器都处于缩短的状 况；
图28是固定在连接器上的SMA线的立体图四是根据一个实施例采用被动封闭致动器的流体管理系统的俯视图30是根据另一实施例具有流体管理系统的电池的透视图，流体管理系统具有 设置在底座中的压力均衡流体通道；
图31是具有流体管理系统的电池的分解立体图，流体管理系统具有图30所示的 流体通道；
图32是通过图30的线XXXII-XXXII所截取的电池和流体管理系统的一部分的截 面图33是通过图31的线XXXII-XXXII所截取的底座的截面图，进一步示出了形成 曲折流体通道的折流板；
图34是根据另一实施例具有流体管理系统的电池的分解立体图，流体管理系统具有压力均衡流体通道；
图35是根据一个实施例具有流体管理系统的电池的分解立体图，流体管理系统 采用底座和封装在底座中的导电框架；
图36是用在图35的流体管理系统中的导电框架的立体图37是具有电部件的导电框架的立体图，电部件包括安装在其上的位置传感器；
图38是基本上封装在底座内的导电框架的立体图39是在移除了多余框架元件的底座和框架的立体图40是根据一个实施例的组装了致动器之后的流体管理系统的立体图41是图40的XLI部分的放大图，进一步示出了处于卷边打开的致动器卷边和 位置传感器的压配合组件；
图42是通过图41中线XLII-XLII所截取的截面图，进一步示出了压配合组件；
图43是根据另一实施例在组装之前的卷边连接的截面图44是图43中所示的组装后的卷边连接的截面图45是根据又一实施例在组装之前的卷边连接的截面图46是图45中所示的组装后的卷边连接的截面图47是在流体消耗单元组装到底座之后的电池的立体图48是电池的立体图，示出了从框架到电池端子的电池触点的连接；
图49是完全组装的电池的立体图50是根据本发明一个实施例的流体管理系统的俯视图，示出了嵌入底座中的 两个位置传感器；
图51是示出根据本发明的一个实施例用于控制流体管理系统的阀门的控制电路 的框图52是示出根据本发明的一个实施例由控制电路执行状态逻辑以控制阀门的状 态图53是示出根据一个实施例基于感测到的温度用于将阀门维持在开启位置所需 的最短时间的查询表。
具体实施方式
本发明的实施例包括用于电池的流体管理系统，电池包括电化学单电池，该电化 学单电池采用来自单电池外部的流体(例如，氧气或其它气体)作为一个电极的活性材料。 单电池具有流体消耗电极，例如，氧还原电极。单电池可以是空气去极化单电池、空气辅助 单电池或燃料单电池。电池采用流体管理系统来调节流体通过流体消耗电极(例如，空气 去极化和空气辅助单电池中的空气电极)的速率，以从单电池外部提供足够量的流体，用 于单电池高速或高能放电，同时在低速或不放电的时段最小化进入流体消耗电极的流体和 单电池增加或损失的水。
优选地，流体管理系统能快速响应单电池电势的变化，具有长的循环寿命，并具有 与单电池放电时的电压范围匹配良好的低操作电压和高的效率。此外，管理系统优选具有 针对在封闭位置处所控制的流体的低渗透性，按照单电池中的活性流体的需要开启和关 闭，仅需要很少量的总电池放电容量，体积小，并且制造和组合于单电池、电池或设备之内或之上容易且便宜。
如本文中所使用的，除非另行指出，否则术语“流体”是指在单电池产生电能时流 体消耗单电池的流体消耗电极所消耗的流体。以下由具有氧还原电极的空气去极化单电池 来示例本发明，但是本发明更加通常地用在具有其它类型流体消耗电极的流体消耗单电池 中，例如燃料电池。燃料电池可使用来自单电池外壳外部的多种气体作为电池电极的一个 或两个的活性材料。
如以下参照图1-3所进一步描述的，示出电池10，包括流体消耗单电池20和流体 管理系统50。流体管理系统50管理流向流体消耗单电池20的流体消耗电极的流体的流 动。对于空气去极化单电池而言，流体管理系统设置在流体消耗单电池20的单电池外壳30 的内部或外部，并处于氧还原电极的空气侧(即，氧还原电极的从单电池外壳的外部可接 触到空气的那一侧)上。
电池10的第一实施例示出在图1-3中。如所示，流体消耗单电池20 (在这种情况 下是空气去极化单电池)包括单电池外壳30，该单电池外壳30包括第一外壳部件和第二外 壳部件，第一外壳部件和第二外壳部件可以分别包括罐；34和盖36，或者具有不同于罐或盖 所虑及的形状或尺寸。出于示例的目的，第一外壳部件下文中称为罐34，而第二外壳部件下 文中称为盖36。罐34和盖36都是由导电材料制成，但是采用垫圈38 (图1 来彼此电绝 缘。罐34通常用作流体消耗单电池20的外部正接触端子，而盖36用作外部负接触端子。 如下面进一步论述的，单电池20还包括可以是流体消耗电极或空气电极的第一电极40、可 以是负极(即，阳极)的第二电极42、和置于第一和第二电极之间的隔板44(参见图12)。 第一电极40优选电耦合至罐34，而第二电极42优选电耦合至盖36。
罐34包括底部表面35，在底部表面35中提供了多个流体入口 32以便流体可以穿 行至电池外壳30的内部，从而到达流体消耗电极40(参见图12)。
在图1-3所示的实施例中，流体管理系统50紧固于罐34的底部表面35的外部。 流体管理系统50附接在单电池20的外部的特定方式在下面进一步讨论。此外，以下描述 进一步的实施例，其中，流体管理系统50组合在流体消耗单电池20的内部。
根据这一特定实施例的流体管理系统50可包括阀门60，阀门60包括具有多个孔 64 (其可以对应于流体入口 3 的第一板62 (其可以对应于罐34的底部表面3 和包括多 个孔68的可移动的第二板66，孔68在尺寸、形状、数量和位置上对应于形成在第一板62中 的孔64。优选优化孔64和68的尺寸、形状、数量和位置，以提供应用于流体消耗电极的期 望体积和分配量的流体。孔64的尺寸、形状、数量和相对位置不必与孔68的尺寸、形状、数 量和相对位置相同。例如，如果孔64在尺寸上与孔68稍有不同，那么要实现通过板62和 66的最大开放面积，并不绝对需要使孔64和68精确对准。
流体管理系统50还可以包括具有环形体部分72的底座70，环形体部分72具有 开口 74，在开口 74中设置第二板66。开口 74在形状和尺寸上优选适于接触板66的伸长 侧的边缘，同时在板66的较短侧提供多余空间，以便板66可以沿着与其最长尺寸平行的轴 线性滑动。于是，如图5A和5B所示，第二板66的孔68可以移动到与第一板62的孔64对 准的对准位置以及移动离开该对准位置，从而开启和关闭阀门60。底座的配置优选如下所 述，以导向第二板66并可能地将第二板66保持处于邻近第一板62。如图5A和5B所示，由 油或TEFLON 制成的润滑层69可以设置在板62和66之间，以使第二板66能够更容易地沿着板62的表面滑动。于是，润滑层69使得致动器需要更小的力来开启和关闭阀门。此 外，因为很难使板62和66的表面足够光滑来提供良好密封，所以采用润滑流体69来增强 阀门的密封特性，而不需要板的复杂且昂贵的机械设计来进一步使它们的表面光滑。第二 板66由磁性材料制成，例如，那些通常用在设置于电冰箱上的垫圈中的材料。通过采用磁 性板66，底座70不需要配置成包括任何用于将板66紧靠在板62上的机构。磁性板66优 选是可遵循相邻板62的形状的柔性磁体。磁性板66可以由适当的磁性材料制成，例如，铁 磁(例如，钡/锶铁酸盐)和弹性材料的混合物。磁性板66可以是不需要耗费来自单电池 20的能量以维持足够磁力的永久磁铁。在图3和11所示的实施例中，可移动的第二板66 可以由罩100(以下进一步描述)和罐34的底部表面35对顶部和底部进行约束。在可替 换的实施例中，电池10’具有图23和M所示的流体管理系统50’。底座70’比图3和11 中的底座70更高。这有助于在罩100和可移动板66之间的流体移动，这样，当板66和62 对准而处于开启位置时，使流体在板66的表面上更均勻的分布并使流体更均勻地流过孔 68 和 64。
底座70’包括向内延伸的壁架71，从而形成沟槽或凹槽73，板66可以在沟槽或凹 槽73内滑动。可以选择壁架71的竖直位置，以形成期望尺寸的沟槽73来将板66足够牢 固地保持紧靠表面35，从而当板66和62在关闭位置对准时提供良好密封，但是又至于紧到 干扰板66的期望滑动。壁架71是底座70’的一体形成的部分，或者它可以是单独的部件。 例如，壁架71可以采用模制于底座体72’中的平垫圈或带状插入件的形式，或者它可以是 固定在底座体72’上的单独部件。壁架71可以由与底座体72’相同的材料或不同的材料 制成。可以选择用于底座体72’和壁架71的材料，以提供板66的期望强度和在沟槽73内 的光滑滑动。如果底座体72’或壁架71由导电材料制成，那么可需要与致动器80和控制 电路90的电部件进行绝缘。作为连续壁架的替换，可以使用一系列突出物。
可以改造壁架71和/或底座体72 ’以并入一个或多个额外的结构，例如，在横跨板 66之上延伸过开口 74’的肋，以保持板66的中央部分平坦。可替换地，可以使用从罩100 向下的突出物来保持板66的中央部分平坦。
如图25所示，底座70，包括第二沟槽77，在第二沟槽77中固定罩100。该第二沟 槽由一个或多个额外的壁架79a和79b形成。这种设置可以有助于在制造过程中预先组装 罩和流体管理系统的部件，在另一步骤中添加到流体消耗单电池中。在另一实施例中，静止 的板62不是罐34的表面35，底座70’可以包括在壁架71下的另一壁架(未示出)，形成 更大的沟槽来保持静止的板62以及可移动的板66。
底座70’的壁架71可以是围绕开口 74’的整个周界延伸的连续壁架，或者它可以 是只沿着周界的一部分延伸的非连续壁架，如图23所示。如果适当地定位非连续壁架并且 移动板66足够灵活，如果单电池中的压力过大，那么移动板66的边缘可以在非连续壁架71 的端部之间向外弯，以在板66与板62和底座框架72’之间提供通道，通过该通道气体能在 阀门部分开启或关闭时溢到外部环境。在这种实施例中，板66优选具有类弹簧属性，以便 当内部电池压力降低得足够时，板66仍将遵循罐34的表面35的形状。
在可替换的实施例中，其中，罩用作静止的阀门板，并且可移动的板与罩相邻设 置，底座可包括壁架，其将可移动的板紧靠在罩上同时在可移动的板与罐底表面之间保持 空间，以有助于空气均勻地向罐中的孔分布。如上所述，这一实施例还包括在底座中的第二沟槽，第二沟槽中保持所述罩。
如下所述，可以响应于流体去极化单电池的电压来启动流体管理系统，或者可以 由用户来启动它，或者可以使用组合方法。例如，当由单电池供电的设备的用户将设备切换 到开启位置时，阀门首先由机械动作开启，而当用户将设备切换到关闭位置时，阀门首先由 机械动作关闭。当设备保持在开启位置时，控制电路控制阀门的操作。在另一示例中，当开 启设备时，来自单电池的电能施加给流体管理系统，以首先打开阀门，而当关闭设备时，可 以促使阀门关闭。
优选将致动器设置为流体管理系统50的一部分，以运行阀门60。致动器包括控制 电路90，其感测流体消耗单电池20的电压，并响应于检测到的单电池电压产生控制信号。 电路90可以是专用集成电路(ASIC)，优选安装在底座70的表面上。底座70的主体72优 选由非导电材料制成，以便如以下进一步论述的，迹线96和98可以印在底座的表面上。底 座70因此可以是印刷电路板。底座可以被模制或定形，并且大部分或所有的电连接均可以 是压力触点，以最小化组装的复杂性。然而，底座可能需要某种加工，并且一些电连接可能 需要某种软焊或焊接。底座材料的选择可以基于与其多功能用途的兼容性，用作容纳阀门 的框架、用于电子器件的印刷电路板和用于附着或紧靠在电池、电池壳体或设备上的能力/ 兼容性。在底座的片状结构之中和/或之上设置阶段性的凹陷部用于安装控制电路90。这 可以使得所安装的部分与底座的表面保持齐平，以有助于与单电池的组装。可能期望的是， 用非导电材料涂布印刷电路的迹线(例如，迹线96和98)，以避免在紧压于金属罩100或 罐34的情况下发生短路。可替换地，可以例如通过模制或加工，在底座中设置一个或多个 凹槽，以容纳控制电路和致动器的一个或多个部件的所有或部分。如下所述，这些凹槽可以 用来将部件定位在底座上的不同位置处并锚定超出底座框架延伸的部件。
作为电子器件的平台，期望底座70的基本材料是当前的PCB材料。最普通的基本 材料包括环氧树脂和增强的玻璃纤维。可以期望的是，底座70是片状构造，以集成和保护 电子电路部件以及保持与罐34的底表面35平行的平齐表面。如上所述，底座的内直径可 以采用金属沟槽来持久地容纳滑动的阀门板66。沟槽可以将板66 “锁”在适当的位置(因 此，它不会坠落)，在使用过程中提供足够的轴向力来避免阀门分离，但该力又不足以阻止 板66滑动。于是，根据选择的材料可以形成、模制或加工底座，以便无论金属与否都能实现 阀门沟槽的形状，以齐平地安装芯片和产生通孔(孔洞)。在通孔内可以设置导电电路，如 果底座安装在单电池的外部，则导电电路处于底座的一侧和边缘上，或者如果底座70安装 在单电池的内部，则导电电路处于底座70的两侧上。
电路90的导电通路可以设置在底座70的两侧上和通孔内。这可以通过电镀工艺 或丝网印刷导电浆来实现，特别是填充通孔。在成型时导电锡箔可以应用于基底，并将不期 望的部分蚀刻掉。铜是最常使用的材料。根据所采用的基本材料，可能需要多层和多种材 料来确保对基底的粘附。
与封装的芯片不同，由于体积的限制，一种附着用作控制电路90的ASIC的方法是 使用直接方法。直接芯片附着的通常方法包括引线接合法、倒装法(flip chip)和其它公 知的技术。根据一个实施例，引线接合法可以使用直径大约0.02毫米(0.0008英寸)的引 线，粘接到4-6个芯片衬垫和电路基底上。根据倒装法实施例，封装后的倒装晶片可以与形 成物理和电连接的焊块附接。芯片和引线接合可以封装在非导电的环氧树脂中受到保护。利用倒装附接，衬垫可以利用Pb/Sn焊料预先完成，然后焊接到基底上。一旦附接完，芯片 就采用非导电的环氧树脂封装以提供保护。
在图3和4所示的实施例中，致动器还包括多个形状记忆合金(SMA)部件，其特别 包括第一 SMA线8 和第二 SMA线82b。SMA线固定在底座70的任一端，并电连接至迹线 96和98，从控制电路90延伸至底座70的相反侧。通过提供使电流穿过SMA线8 和82b 的控制信号，控制电路90可以使SMA线加热，这使得SMA线膨胀或收缩至特定的长度。这 就接着使得SMA线8 和82b沿着一个方向或相反方向拉动第二板66，从而使得板66滑到 和滑离开启或关闭位置，以选择性地使流体(例如，空气)进入单电池外壳30的内部。
如图4所示，在底座70上设置两个接触端子92和94，用于连接至单电池20的正 负端子。接触端子92和94可以设置在底座70的任意表面上，并且如下所述，优选在底座 70的面向外边缘的表面上设置其中一个接触端子，特别是端子94，以便它暴露在电池组件 的外侧，用于随后连接至单电池20的盖36。另一方面，接触端子92最好设置在被按压而与 罩100的导电部分电接触的一个内部表面上或者设置在与罐34的底表面35电连接的相对 表面上。以下进一步讨论接触端子92和94与单电池20的罐34和盖36形成电连接的方 式。
如图3所示，流体管理系统50还包括罩或盖100，其在底座70上并优选地围绕底 座70延伸，以保护和防护流体管理系统50。盖100优选包括一个或多个孔102，以允许流 体从外部流到阀门60，以便选择性地穿行进入电池20。如上所述，罩100可以用作第一板 62。
在一个实施例中，当施加电流时阀门60处于开启状况从而指示电池20正在使用 中，而当不施加电流时阀门被关闭从而指示电池不在使用中。在参照图3、4、6、11、沈和 27A-D所讨论的实施例中，SMA线82a-8&拉动但并不推动第二阀门板66。于是，在图3和 4中，第一 SMA线8 拉动阀门打开，而第二 SMA线82b拉动阀门关闭。SMA线82平行地设 置，并关于阀门板66的中心点以对称方式设置，以提供均勻的力来避免板66固定在底座70 内。一般而言，当从单电池提供施加给SMA线的电流时，有利的是，电流仅仅施加用于启动 致动器的移动，而在致动器处于静止状况时不施加电流，以避免电池容量不必要的使用。如 所示，可以基本上彼此平行延伸地安装SMA线。也可以平行于板66移动的方向(例如参见 图3)或垂直于板66移动的方向(例如参见图6、7和8)延伸地安装SMA线。
可以利用任何传统的形状金属合金制成SMA线。形状金属合金是在一个温度下 变形但是当加热或冷却时就恢复到之前形状的合金。这种属性源自马氏体相与奥氏体相 之间的固相转换。优选的形状记忆合金具有双向形状记忆，即，一旦加热和冷却转换均是 可逆的。形状记忆合金的示例包括镍-钛、镍-钛-铜、铜-锌-铝和铜-铝-镍合金。有 利的是，可以使用镍-钛-铜(例如，铜占到约5-10% (重量百分比))，由于其抗疲劳特 性而可以对致动器多次操作。镍-钛和其它形状记忆合金的制造商包括专业形状记忆合 金分公司(Specialty Metals、Shaped Memory Alloy Division)(新哈特福德，美国纽约 (New Hartford，NY，USA))、记忆公司(Memory Corporation)(美国康乃狄克州伯特利市 (Bethel, CT, USA))和动态合金公司(Dynalloy, Inc.)(美国 CA 公司(Mesa, CA, USA))。
图6示出附着SMA线8 和82b以移动板66的另外一种方式。根据这一变体，SMA 线8 和82b并不设置为沿着板66的最长尺寸延伸，替代地，它们基本上垂直于板66的移动方向。可以加热第一线82a，以使第一线8 接触，而不加热第二线82b以允许该线弯 曲。于是，沿着第一方向(图6中向右，如实线所示)平移板66。为了沿着相反方向(即， 向左)移动板，从线8 中消除电流，从而使得线8 冷却弯曲，同时向线82b施加电流，来 加热线82b并使它接触。这使得板和线都移向图6中虚线所示的位置。
底座70被示为具有控制电路90和形成在底座主体72的上表面上的电路迹线。此 外，SMA线8 和82b附着在底座70的上表面上，与电路迹线电接触。在图6中进一步示 出的底座70具有形成在控制电路90和电路迹线上的超模主体300，以封装和保护设置在底 座70上的部件。于是，超模主体300用作底座70的一部分。超模主体300可包括非导电 的环氧树脂或其它超模材料。此外，还将超模主体300示为包括一体形成的在移动板66之 上横跨开口 74延伸的肋302。将肋302示为形成通常的V型，并用于保持移动板66的中央 部分平坦于下方固定板62之上。在一个实施例中，固定板62连接到底座70的底侧或者其 超模主体300，并且电池单元连接到底座70的超模主体300的顶侧。
在图6所示的实施例中，第一和第二 SMA线8 和82b分别接合到相应分立的致 动器销30 和304b，致动器销30 和304b连接到移动板66。在图7所述的实施例中，可 以在流体管理系统50中采用单个致动器销304。利用单个致动器销304，第一 SMA线8 接合到销304的一侧，而第二 SMA线82b接合到销304的相对侧，以便SMA线8 和82b沿 着相反的方向启动销304，以左右移动板66来开启和关闭阀门。在这个实施例中，致动器 销304可包括不同高位的线接收部分，例如锁销或狭缝，以接合处于不同高度的相应SMA线 82a和82b，以便SMA线8 和8 彼此不接触或不干扰。
参见图8，示出根据另一个实施例的用在流体管理系统50中的可替换的致动器销 304。将销304示为包括第一部分306a和第二部分306b，它们高于通常为矩形的销304的 其余部分，以便SMA线8 接合部分306a，而SMA线82b接合部分306b。部分306a和306b 可包括所示的直立部分。可替换地，部分306a和306b可包括形成在销或其它结构304内 的狭缝。因此，可以采用单个或多个致动器接合结构来使得SMA线8 和82b延任一方向 运行移动板66，以开启和关闭阀门。
图9A和9B示出与罐34的外侧表面相邻使用的阀门60的两个侧视图。图9A示 出休眠的单电池，在这种情况下，阀门60关闭，以至于孔64和68不对准。图9B示出当阀 门的第二板66移动到开启位置时的位置，当单电池正在使用中时这将发生。这使得孔64 和68对准，从而允许流体流进单电池的内部。如图所示，SMA线8 和82b采用一对弹簧 触点76附着在底座70上，可以将SMA线卷曲、夹持、软焊或焊接在弹簧触点上。
图10示出用在本发明各个实施例中的阀门60的另一实施例。阀门60包括含有 多个孔64的第一板62。板62是相对底座70保持静止的单独的板，或者可以是单电池外壳 30的罐或盖的一部分。板62可以由磁性或非磁性的金属制成。阀门60还包括第二板66， 第二板66含有多个在数量、尺寸、形状和位置上与第一板62的孔64相对应的孔68。板66 可以是磁性或非磁性金属。类似于上述的实施例，优选由非导电的材料制成的底座70包括 具有用于容纳板66的中央开口 74的环形体72。将开口 74配置成在一个方向上比板66稍 大以使板66能够相对于板62线性滑动，以便可以将孔64和68移动到对准位置或移动离 开对准位置，从而开启和关闭阀门60。图10所示的构造与上述构造的不同之处在于采用杠 杆臂84作为致动器80的一部分。杠杆臂84包括枢轴销86，枢轴销86容纳在形成于底座70内的孔或狭缝或凹槽78中，以便杠杆臂84可枢转地紧固在底座70上。例如，这可以例 如通过如下过程实现，即，对凹槽78加大并改变形状来匹配于枢轴销86周围并部分地延伸 到在枢轴销86与杠杆臂84的主体之间的颈部区域，从而将枢轴销86夹持在凹槽78内但 仍允许杠杆84在凹槽78内枢转。可以使用将枢轴销86紧固于底座的其它方式，例如，从 枢轴销86向下的突出物，其容纳在处于凹槽78的底部的壁架的洞中。致动器销88优选从 杠杆臂84的主体向下延伸，以便它可以容纳在形成于第二板66的洞67中。这就允许杠杆 臂84接合板66，从而使第二板66相对于第一板62滑动。在这种特定的配置中，一对SMA 线8 和82b通过附接点89附接到杠杆臂84的顶表面。线8 和82b的其他端附接到底 座70。例如，线8 和82b可以紧固于底座中的凹槽，比如凹槽78。它们可以按照任何其 它适当的方式紧固，例如利用粘合剂、利用销或通过使放大的头装配进入具有受限的开口 的凹槽。SMA线电连接到控制电路(在图10中未示出)，控制电路响应于感测到的电池电 压选择性地将电流施加给SMA线8 和82b。按照这种方式，SMA线8 和82b可以沿着 两个相反方向中的任一个拉动杠杆臂，从而使得杠杆臂84将第二板66相对于第一板62滑 动。在这种情况下，底座70用作杠杆臂84的枢转点和SMA线82的端部的安装位置，同时 也提供用于相对于板62引导板66的引导件。
SMA线和杠杆的其它设置可以用于操作流体管理系统中的阀门。例如，SMA线8 和82b可以通过两个单独的附着点而不是单个附着点89来附接到杠杆臂84。
SMA线可以按照任何适当的方式连接到流体管理系统的部件。在一个实施例中， 如图观所示，SMA线82的一端或两端可以被夹持在适当大小的连接器87内。优选地，SMA 线82卷进连接器87中。可选择地，线可以在卷之前或之后粘贴、焊接或软焊到连接器上。 随后，连接器插入部件(例如，底座70或杠杆臂84)的相应孔中，以将SMA线82连接到该 部件上。优选地，连接器85是导电的，并在SMA线82与设置在限定孔的部件的表面上的控 制电路的一部分之间形成电接触。连接器87可以例如通过干涉配合、导电粘合剂、软焊或 焊接保持在孔内的适当位置。
在控制电路用于将流过SMA线的电流限制于仅在需要将阀门移动到开启或关闭 位置的时刻的实施例中，在电流停止流动之后SMA线就恢复到它们的原始长度(例如，伸 长)。当这一事件发生时，SMA线不会将板保持在期望的位置，例如，允许它滑动到部分开启 或部分关闭的位置。当存在用于将滑动板移动到另一位置的相对的SMA线时尤其明显；当 启动的SMA在电流暂停之后伸长时，来自未启动的相对的SMA的弹性张力将拉动滑动阀门。 在这种情况下，滑动板保持在期望的位置，直到特意将板从该位置移走。将滑动板保持在期 望位置的装置的示例是闭锁机构。可以使用任何合适的机构。在一个实施例中，弹簧偏置 的锁销可以与来自滑动板表面的突出物或在滑动板表面中的凹槽协作配合。可以将弹簧力 选择得足以避免板在无意中滑动，但是该弹簧力又弱到足以很容易地被相对SMA线的作用 克服以使所述板滑动到另一期望位置。
在另一实施例中，通过在滑动板与另一单电池或流体管理系统部件之间的摩擦来 避免滑动板在无意中滑动。在板与其他部件之间的摩擦足以避免任意滑动，但是不足以大 到干扰在相对SMA作用下向另一位置的有效移动。可以通过选择滑动板和其他部件所用的 材料、施加到一部分或两部分上的涂层或一个或两个相邻表面的纹理来控制摩擦。
流体管理系统50可以使用以下论述的多种技术紧固到单电池20的外部。如图11所示，罩100可以配置成具有多个支脚104，支脚104从罩100的内表面向下延伸，然后穿过 底座70上相应位置的洞75，以便支脚104可以附接到罐34的底部35。图12和13示出用 于图11所示配置的两个不同结构。
在图12中，在所示的结构中，罩100由塑料形成。在这种情况下，支脚104可以超 声地焊接到罐34的底表面。在这种情况下，在罩100与罐34之间没有电连接。
在图13中，支脚104被设置作为金属罩100中的缺口 /突起106，其可以通过冲模 等形成。在这种情况下，金属罩100可以电阻焊接或激光焊接到罐34的底表面35上。
图14示出将底座70和罩100连接到单电池20的外部的可替换方法。在这种情 况下，通过底座70的洞75设置通孔105，用于将罩100焊接到罐34上。这种焊接也在罩 100与单电池20之间提供了电连接。
图15示出了又一种技术，该技术使用在底座70的洞75内提供的导电环氧树脂 107来将金属罩100紧固到罐34。作为又一种替换，可以使用粘合剂、粘合剂和标签(未示 出)的组合、将底座压配合进入罐34底表面中所铸造的一个或多个凹槽、在采用粘合剂的 基础上还通过底座的此类压配合、通过将罐34卷进第二罐(其中，最外层的第二罐代替罩 100)、通过软焊或焊接片状的底座、或将流体管理系统50封装在环氧树脂中，可以将流体 管理系统50紧固到罐34的底表面。
应该意识到，可以在流体管理系统中采用各种其它可替换的致动器和阀门。用在 流体管理系统中的各种致动器和阀门的示例公开在2007年9月M日递交的美国专利申 请No. 11/860，117中，其全部公开内容通过引用合并于此。尽管以上已经作为致动器80的 优选部件描述了 SMA线的使用，但是也可以采用其它部件或材料，例如，线性电活性高分子 (EAP)和挠性电活性高分子(EAP)，其与人造肌肉相关联。此类材料提供了潜在的优势，包 括设计更简单、没有电子器件或电子器件被简化、以及对电压的成比例响应。电活性高分子 (EAP)的示例公开在2007年9月10日递交的美国专利申请No. 11/852，516中，其全部公开 内容通过引用合并于此。
其它的考虑涉及电池的初始启动。类似于传统的空气钮扣电池，可以将电池构造 为阀门处于开启位置，并且洞102由接触片保护。移除接触片之后上升的空气将激活单电 池，引发阀门的电子控制，并最大化电池的保存期限。可替换地，可以电池构造为具有功能 流体管理系统。这就允许电池能立即由消费者使用，但是在仓库、货架等等中也可以需要适 当的包装和存储条件，以避免潮湿环境中湿气进入和干燥环境下湿气跑出。
在上述的构造中，罐34意在用作阀门60的静止板62。然而，可以期望的是，提供 单独的固定板62，而不是采用罐34，以便罐底保持它的洞图案，但是更多地用作空气扩散 器，而不是阀门部件的一体形成的部分。此外，静止板62可以与罐底间隔开，以便如果罐34 膨胀、弯曲或可能地起皱，它也不会中断阀门60的操作。应该注意到，罐34可以具有强度 较大的材料、较大的厚度或不同的形状(例如，底部的脊)。采用单独的静止板62的其它优 点在于阀门60可以完全地预先组装，从而为润滑流体层69提供更大的稳定性。然而，这以 电池较厚为代价。
尽管未示出在附图中，但是可以向单电池外壳30的外层表面提供标签。这种标签 可以沿着电池的周边延伸，以进一步覆盖导电接触片110(以下论述)以及在流体管理系统 50和单电池20之间的接口，并覆盖在罐34和盖36之间的接口。盖36和罐34和/或导电的罩100的足够部分保持暴露，以在电池的外侧上提供电接触端子。图1-3所示的特定单电池构造是棱柱状单电池设计。该构造在相对大小和该电池的矩形属性上不同于传统的钮扣型空气电池。因此，当前用在传统的空气单电池中的类似 空气电极、阳极、隔板和/或罐/盖材料可以用在电池20中。然而，本领域的技术人员应该 意识到，电池20不需要具有如图所示的特定形状、大小或相对尺寸。图16示出本发明的可替换实施例，其中，流体管理系统50设置在电池外壳30的 内部。图17示出该实施例的一部分的截面图。如这些附图所示，按照与上述方式类似的方 式构造电池外壳，除了电池稍微厚一些以在空气电极40与罐34的内表面之间容纳流体管 理系统50。在这个实施例中，底座70也可与以上当应用在单电池外部时所述的阀门、致动 器和控制电路90—起使用。类似地，罐34的底部可以用作阀门60的第一板62，并可以包 括多个用作孔64的流体进入端口 32。这一实施例的不同之处在于，第二板66沿着罐34的 内部表面而不是外部表面滑动。在这个和下述的其它实施例中，底座70和由此的阀门60 可以由垫圈38保持在适当的位置。当采用内部流体管理系统50时单电池20构造中的一个其它不同之处在于，单电 池应该重新配置成允许单电池的正负接触端子均与致动器的控制电路90电连接。实现这 种电连接的一种方式示出在图16-18中。如图16所示，接触开口 39形成在罐34的底表面 35中。如图17所示，负接触端子94通过底座中的通孔设置在底座70的底部，以通过开口 39暴露出来。按照这种方式，电导体110可以电连接到单电池外壳30的盖36上，并围绕单 电池20的外侧延伸至开口 39，同时与接触端子94电接触。这提供了到单电池负端子的连 接。也如图17所示，可以定位设置在底座70上的正接触端子92，以接触罐34的内表面，从 而提供到电池正端子的连接。如上所示，接触端子92和94可以电连接到控制电路90，控制 电路90用于响应于检测到的单电池电压或电流消耗控制致动器来开启和关闭阀门。如图18所示，电导体110可以是接触片，该接触片包括置于两个绝缘层之间的箔 带112，以避免单电池在罐34和盖36之间短路。第一绝缘层114可以置于单电池外壳30 和导电箔112之间。该绝缘层114可以由双面带制成。外侧的第二绝缘层116可以置于箔 上，并可以包括一条单面带。尽管针对内部流体管理系统50示出了这种特定的外部电连 接，但是可以采用同一电导体110，以在盖36和图1-3所示的外部流体管理系统的类似接触 端子94之间提供电通路。在这种情况下，类似于接触开口 39的孔可以形成在罩100中，或 者可替换地电导体110可以简单地在底座70与罐34之间的接口或底座70与罩100之间 的接口之间延伸。图19-22示出了在盖36和底座70上的端子94之间电连接的另一种方式。在这 一实施例中，如图20最佳所示，罐34内表面的一部分涂覆有三层材料。第一层是电绝缘层 151，第二层是导电层153，该导电层153施加在绝缘层151上从而在罐34和导电层153之 间没有电连接，而第三层是电绝缘层154，电绝缘层154施加在导电层153的一部分上以使 空气电极40的边缘与导电层153绝缘。如图20所示，层151和153围绕罐34的内部底部 边角延伸，并在罐34的底部恰好充分延伸，以实体接触形成在底座70的相反表面上的接触 端子94。如上所述，底座70可以由垫圈38压靠在罐34的内部底表面上，以便在导电层153 和接触端子94之间的接触采用这种压力。层151和153在罐34的接口和垫圈38之间的罐 34的侧壁上向上延伸。最好如图19、21和22所示，垫圈38可包括孔155，铆钉或销157可以通过孔155延 伸。铆钉或销157通过垫圈38形成在盖36与导电层153之间的电连接， 从而实现在盖36与底座70上的接触端子94之间的导电通路。铆钉/销157可以模制在 垫圈38中的适当位置。进一步地，可以使用一个以上的这种铆钉/销157。铆钉/销157 可具有足以允许垫圈压缩的长度。层151、153和154形成带状，如图20所示，以便允许空 气电极40的边缘电接触罐34的内部表面。应该意识到，根据其它实施例可以采用其它电 连接。如上所述，流体管理系统可以至少部分地基于单电池(或电池)的电压使用电控 来操作阀门。然而，可以使用开关来关闭通过致动器的电路，致动器改变长度来将阀门移动 至开启或关闭的位置，当阀门到达全开或全闭位置时，电路随后断开以停止流过致动器的 电流。这排除了对更复杂控制电路的需要，同时仅当需要开启或关闭阀门时从电池引出能 量。开关位于电池本身上或电池内部，或者它可以是使用电池的设备的一部分。在一个实施 例中，设备的导通/截止开关也交替地关闭通过相对致动器的电路来开启和关闭阀门。这 种流体管理系统的操作示出在图27A-27D中。图27A包括类似于图3所示阀门60的阀门260的俯视图。阀门260包括可滑动 地设置在底座270中的可移动板266。示出在图27A中的可移动板266处于关闭位置(即， 孔268与固定板中的孔未对准)。SMA致动器282a和282b锚定到可移动板266和底座270 的相对端，并用于分别拉动板266打开和关闭。致动器282a和282b分别通过平坦的电子 触点277a和277b锚定在板266上，并分别通过电子触点292a和292b锚定在底座270上。 平坦的触点277a和277b靠近板266上表面的相对端，以便当板266分别处于开启和关闭 位置时触点277a和277b分别与弹簧触点276a和276b电接触。弹簧触点276a和276b也 用作与示意性地呈现的控制电路290的其余部分连接的接触端子。控制电路包括导通/截 止开关295和用于向设备提供电能的流体去极化电池210。当不需要来自电池210的电能 时，开关295处于截止位置，并且阀门260处于关闭位置，如图27A所示。因为包含致动器 282a和282b的任一电路均没有闭合，所以没有电流通过它们，因此，致动器282a和282b处 于室温和伸长的状态下。当开关295移动到导通位置，电流流过致动器282b，使它加热、变短并向左将板 266拉向开启位置。当板266到达开启位置时，如图27B所示，触点276b和277b之间的电 连接断开。当电路断开时，电流暂停流过致动器282b。这完成了两件事情。第一，没有额外 的能量从电池210中引出，同时设备保持打开，第二，致动器282b冷却并恢复到伸长状态， 如图27C所示，因此，当设备关闭时，板266可以移回左边。当开关295移动到截止位置时， 包含致动器282a的电路关闭，并且电流流经其间导致它缩短，并将板266向右拉向关闭位 置。当板266到达关闭位置时，触点276a和276b之间的电连接断开，如图27D所示，并且 电流暂停流过致动器282a，使得致动器冷却伸长，如图27A所示。可以按照任何适当的方式电连接触点276a、276b、277a和277b。例如，可以通过底 座270或通过底座270的上表面和相邻部件(例如，覆盖底座270和阀门260的罩)的相 应表面之间的接口连接到流体管理系统的边缘。在另一示例中，可以通过延伸穿过覆盖阀 门260的罩的适当放置的触点来进行电连接。作为单电池一部分的开关可以固定于单电池 和/或流体管理系统的适当表面，例如，罩的外表面。可替换地，开关可位于多个单电池的 电池组的外表面上，或者位于安装电池的设备内，按照适当的方式与流体管理系统电连接，例如焊接、软焊或相应触点之间的压力进行连接。在其它实施例中，可以使用两个以上的致 动器。控制电路电子器件除了可以组合在流体管理系统之内，它们还可以位于外部。例 如，这在它们不能方便地进行内部安装的情况下是期望的。在一个实施例中，电子器件可以 安装在流体管理系统的外侧，例如安装在流体管理系统和/或单电池侧壁上的帽内，如图 26所示。图26示出类似于图4中的底座70、可移动板66、SMA线82a和82b以及接触端 子92，和94。然而，不像图4那样，图26中的SMA线82a和82b直接连接到接触端子92， 和94，没有中间的控制电路90。图26中的控制电路被包含在紧固于底座70 —侧上的电路 板91中，电路板91具有用于保护电路板91的盖93。底座70上的接触端子92，和94与电 路板91表面上的相应端子电接触。可以按照任何适当的方式电接触，例如，通过压力接触。 电路板91可具有单个基底层，或者它是具有两层或多层的层叠基底。电子部件和电子连接 可包括印刷的或非印刷的部件，或者二者的组合。较大的部件可置于电路板91表面的凹槽 中，以与底座70和帽93平齐地安装。未示出电路板91和单电池之间的电连接，但是这些 连接也可以通过底座70进行。参见图29，示出根据又一实施例的通过控制阀门的开启和关闭来管理到达电池 的流体(例如，空气)的流体管理系统50，流体管理系统50进一步包括被动温度关闭 (passive temperature closure)。SMA线82a可被通电而升温并收缩，由此将移动板66经 由致动器销304a移向开启阀门的位置(如图29所示)。SMA线82b可被通电而升温并收 缩，由此将移动板66经由致动器销304b移向关闭的阀门位置。阀门由此可以响应于施加到 SMA线82a或82b的电流主动地开启和关闭。此外，根据本实施例的一个实施例，可以利用 不同的运行温度来选择SMA线82a和82b，以提供阀门的被动温度关闭。SMA线82a和82b 具有不平衡的运行温度，以实现阀门的期望被动关闭。于是，一旦经历预定的温度限制，移 动板66就移向关闭的阀门位置。在图29所示和所述的实施例中，SMA线82a配置为具有大约90°C的第一运行温 度，而SMA线82b配置为具有大约60°C的较低的第二温度。当被通电时，SMA线82a升温并 收缩，以便一旦达到较高的第一温度就施力，从而启动移动板66到达开启位置。类似地，可 以向SMA线82b通电，以便升温并收缩从而启动阀门以在较低的第二温度将移动板66移到 关闭位置。第一温度大于第二温度，以便当SMA线82b的温度达到较低的第二温度时，SMA 线82b关闭阀门。因此，应该意识到，除了基于施加给SMA线82a和82b的电流主动开启和 关闭阀门之外，当室温首先达到较低的第二温度时，SMA线82b迫使移动板66移到关闭的 阀门位置。如果环境温度继续升高到较高的第二温度，SMA线82a不会施加足够的力将阀 门的位置从关闭位置改变。 SMA线82a和82b可包括可商购的SMA部件。60°C运行SMA线的一个示例是直径为 0. 102毫米(0.004英寸)的60°C线，可从Flexinol商购。90°C运行SMA线的一个示例是直 径为0. 076毫米(0. 003英寸)的90°C线，可从Flexinol商购。在给定的示例中，60°C SMA 线将保持收缩，直到温度降回到大约40°C，从而导致温度滞后。采用不平衡的温度SMA线的流体管理系统50有利地提供了一种被动方法，用于关 闭阀门以避免流体在高于预定的温度时进入电池单元。通过在预定的温度(例如，60°C) 关闭流体管理系统50，可以最小化或避免电池的老化。此外，通过在达到温度限制(例如，60°C)时将阀 门关闭，可以避免在较高的温度打开阀门。应该意识到，用于关闭阀门的预定 温度可大于45°C，更具体地，可以设置在大约60°C。根据一个实施例，可以将SMA线82a和82b配置为具有不同的尺寸来产生不同的 运行力，以便SMA线82b产生的运行力大于SMA线82a所产生的运行力。在示例性的实施 例中，SMA线82b的截面面积大于SMA线82a，例如，直径更大。利用较大的截面面积，SMA 线82b在室温达到较高的第一温度的情况下向阀门的移动板施加较大的关闭力。应该意识 至IJ，SMA线82a和82b可以是环形截面，并且第二 SMA线的直径更大。根据其它实施例，SMA 线82a和82b可以具有其它截面形状，例如，椭圆形、正方形或矩形，同时第二 SMA线82b具 有更大的尺寸，导致更大的截面面积，这导致比第一 SMA线82a更大的运行力。在另一实施 例中，SMA线82a和82b可具有不同的截面面积和不同的相变温度，以便SMA线82b在室温 升高时首先被启动，这使得即使在室温升高到比SMA线82a的相变温度更高时阀门仍保持 关闭。参见图30-34，根据两个实施例示出流体消耗电池10，其具有电池单元20和流体 管理系统50，流体管理系统50具有通过底座主体300的流体通道，这在单电池20与外部环 境之间提供了压力平衡。在所示的实施例中，底座通常由具有中央开口 332和向内延伸的 壁架354的超模主体300示出。流体消耗单电池20 (例如，空气电池)连接在底座300的 上表面上。具有流体入口 64的固定板62连接到底座300的下表面，并且具有端口 68的移 动板66置于向内延伸的壁架354的下壁与固定板62之间，以便板66可以相对于板62移 动。在图30-33所示的实施例中，超模底座主体300通常示为具有第一端口，也称为入 口 350，通常位于单电池20与移动板66之间，并与开口 332和单电池20流体连通。底座主 体300还具有第二端口，也称为出口 352，设置在超模材料的外侧上，通向外侧环境。超模 底座300被制造成无孔隙的外层360和提供流体通道356的多孔的内部容积。根据一个示 例，无孔隙的外层360通常对流体(特别是，空气)非渗透，并可包含环氧树脂。多孔的内 部容积提供用于从入口 350延伸到出口 352的压力均衡流体流动通道356。多孔的内部容 积可包括可渗透空气的材料，例如，多微孔聚四氟乙烯材料，或允许受限的空气以低扩散速 率流过通道356的非织物的多孔材料。可替换地，或此外，流体通道356可包括用于提供足 够受限的通道的空无效容积(void volume)，该通道允许空气以低扩散速率流动。流体通道 356有利地允许空气缓慢地从入口 350行进到出口 352，然而，流体通道356可允许流体沿 着入口 350与出口 352之间的任一方向穿过，以在单电池20与外部周围环境之间提供压力 平衡。流体通道356的入口 350与在电池单元20和阀门板66和62之间的开放容积形 成流体连通。电池单元20内和外部环境的气体之间存在的压力差可使气体通过流体通道 迁移。当电池单元20产生气体时，气体可以迁移通过受限的流体通道356到达外部环境， 以避免危及阀门板66和62之间的密封。反之，可以允许气体从出口 352向入口 350流动， 但是通常这受到限制以使空气不能自由地提供给电池单元20，从而，当阀门关闭时，电池单 元20通常不会高速放电。根据一个实施例，由于湿气的增加或损失，流体通道356具有的空气扩散速率导 致单电池容量在室温下每年损失不超过百分之十(10%)。应该意识到，流体通道356的多孔容积可包括膜，它通常对气体是多孔，以提供曲折或受限的空气流动通道，但是不允许流体自由地非限制地流向单电池20。根据一个实施例，多孔容积356包括曲折的流体通道 356，例如，图33所示的折流板358所提供的。折流板358实质上增大了空气流通道356通 过超模底座300的有效长度，从而增大了流体流动通路的净有效长度。根据其它实施例，曲 折的流体流动通路可采用通常是多孔的蜂巢模式，以允许多余的气体从单电池20溢到外 部环境，同时最小化进入电池20的空气的量。在图34所示的实施例中，超模底座主体300的上表面中形成以通常蜿蜒的形状的 狭缝334，从矩形的内部开口 332绕着开口 332大约360°导向底座300的外部表面。置于 狭缝334内的中空管336具有适于设定尺寸而安装在狭缝334内的通常配置。管336具有 在一端处的第一端口，也称为入口 338，该第一端口与底座300和单电池20的内部开口 332 流体连通，管336还具有在另一端处的第二端口，也称为出口 340，该第二端口与外部环境 流体连通。固定板62示为连接在底座300的底表面上。移动板66置于壁架354之下，邻 近固定板62，并处于与固定板62密封的关系，以便板66相对于板62可移动，以开启和关闭 阀门。设置在底座300内的管336提供了在入口 338与出口 340之间延伸的流体通道， 以便从电池单元20释放的流体能穿过管336的流体通道到达外部环境。根据一个实施例， 流体入口 338位于在电池单元20与固定板62和移动板66之间的开口 332的容积中的适 当位置。于是，管336延伸的长度和小的直径提供了曲折的流体通道，该流体通道允许流体 以足够低的扩散速率从单电池20溢出，同时由于低的扩散速率充分地限制空气进入单电 池20。在一个实施例中，管336具有小于0. 5毫米的足以受限的内部直径和至少200毫米 的有效长度。根据另一实施例，狭缝334被覆盖并代替管336的使用来用作流体通道。在图30-34所公开的实施例中，在电池单元20与暴露单电池20的周围外部环境 中的气体之间存在的压差可能引起破裂，这可能导致后续的流体阻隔失效。于是，这就会危 及阀门板62和66之间的预期主要密封阻隔，这将潜在地使得流体(例如水、氧气、氢气和 二氧化碳)的进出不可控，从而导致电池的保存期限受到不可接受的损失。设置在底座300 中的压力平衡流体通道336或356使诸如气体的流体通过流体通道迁移进出。通过设置适 当长度适当尺寸的洞，流体通道允许在金属空气单电池内产生的诸如氢气的气体流出，同 时禁止过量的氧气和二氧化碳流入单电池20。参见图35-49，根据本发明的一个实施例，流体消耗电池10通常示为具有流体消 耗电池单元20和流体管理系统50，流体管理系统50包括具有导电框架500和一体形成在 其中的部件的底座550。具有流体消耗单电池20和流体管理系统50的组装电池10在图35 中大致示为局部分解，并且组装步骤大致示出在图36-49中。根据这个实施例，流体管理系 统50包括导电框架500，其上组装有多个电部件540、542、544和546。导电框架500和其 上组装的电部件540-546基本上封装在非导电底座550内。底座550由非导电材料制成， 非导电材料实质上覆盖导电框架500和本文所述的电部件。底座550可包括环氧树脂或其它非导电材料，其可按照期望的配置形成，以基本 上封装导电框架500和其上组装的电部件540-546。底座550形成的形状支撑阀门的至少 一些部件并且底座550连接到电池单元20。框架500和电部件540-546基本上可以使用任 何适当的方法由底座550封装，例如，模制(例如，夹物模压)或涂覆(例如，通过喷溅、浸渍等)。如本文所使用的，“基本封装”意味着，框架500和电部件540-546组合表面区域的 大部分由底座550覆盖，但是框架500和/或电部件540-546的一部分，例如电触点和接触 衬垫，可以从底座550暴露或延伸出来。可以选择用于框架500和底座550的材料，使得框 架500的热膨胀(CTE)系数与底座的CTE基本上类似。通过匹配CTE，结果形成的框架和底 座结构在温度变化时不易产生由于由于膨胀变化所形成的泄露通路。
如图35所见，将阀门示为包括具有多个孔68的移动板66和具有多个孔64的固 定板62。底座550 —般限定了中央开口 555，并包括向内延伸的壁架552。移动板66的周 边被定位并邻接在向内延伸的壁架552的底表面上。此外，底座550具有肋554，肋554在 移动板66之上跨过开口 555延伸。所示的肋554 —般形成V形，通过开口 555对角地延伸， 并用于将移动板66的中央部分在下面的固定板62之上保持平坦。在所示的实施例中，固 定板62连接到底座550的底侧，并且流体消耗单电池20连接到底座550的顶侧。在这种 设置中，来自外部环境的流体(例如，氧气和其它气体)可以在阀门开启时采用阀门进入单 电池20的流体输入端口。底座550进一步示出为具有卷连接器开口 560，卷连接器开口 560形成在期望位置 并适于容纳SMA线致动器82a和82b的卷562。卷连接器开口 560可以在底座550成形过 程中一体形成，或者可以通过移除材料(例如，加工或蚀刻)而随后形成以形成期望的开口 形状和尺寸。框架500的相应电路元件从每个卷连接器开口 560延伸，用作接触衬垫520。 接触衬垫520形成为框架500的导电电路元件的一部分，并适于与SMA线致动器82a和82b 电接触，以向其施加电流。框架500还包括从底座550延伸的用作电池触点530、532、534a、 534b、536a和536b的多个电路元件，每个电路元件都适于弯曲以接触流体消耗单电池20的 端子。触点530、532、534a、534b、536a和536b如图所示可以从边角延伸，或者从底座550 的其它部分延伸。根据一个实施例，在图35-41中进一步示出底座550，该底座550具有位于底座 550上的一对位置传感器600。位置传感器600位于底座550的相对端，用于感测阀门的移 动板66的位置。在所示的实施例中，位置传感器600之一感测移动板66相对于限定开启 的阀门位置的底座550 —端的位置，而另一个位置传感器600感测移动板66相对于限定关 闭的阀门位置的底座550相对端的位置。于是，位置传感器600可用于感测移动阀门板66 何时处于开启和关闭位置。所示的位置传感器600之一处于这样的位置其中，当移动板66 处于开启位置时移动板66预期接触位置传感器600。所示的另一位置传感器600处于底座 550的相对端上的一位置处，在该位置处，当移动板66处于关闭位置时移动板66预期接触 位置传感器600。通过感测阀门是处于开启位置还是关闭位置，控制电路可进一步增强对流 体管理系统的阀门的控制，以获得提供给流体消耗电极的最佳流体。应该意识到，可以采用一个或多个位置传感器600来感测阀门是否处于开启和关 闭位置的至少之一。此外，一个或多个位置传感器600可以感测阀门移动板66在开启和关 闭位置之间的中间位置。根据一个实施例，位置传感器600可包括线性转换器。根据另一实 施例，位置传感器600可包括邻近传感器。位置传感器600的其它实施例可包括激光传感 器、光学传感器、微型开关位置传感器以及可以指示阀门板是否处于开启位置或关闭位置 的其它传感设备。可替换地，根据另一实施例，间接的感测方法可包括监控电池单元电压， 并基于电池单元电压确定阀门位置。
位置传 感器600可用于验证阀门正确运行。根据另一实施例，可以设置一组冗余 的触发器点来代替阀门位置传感器。如果阀门没有正确开启，例如，电池单元的电压可能继 续下降，低于第一上开启电压设定点。假定阀门第一次没有开启，一旦达到第二下开启电压 设定点，就可以通过致动器向阀门发送第二运行脉冲。如果位置传感器指示阀门没有处于 正确的位置，那么给出第二运行信号以开启或关闭阀门。如果第二运行信号没有移动阀门， 那么可以做出如下假定，即，阀门存在较为严重的问题。可以采用其它更激烈的措施，例如 发送一系列开启和关闭信号来试图使阀门移动。假定阀门被卡住，那么开启和关闭信号将 使阀门来回摇摆，以解除障碍。可替换地，如果存在通信能力，那么这种信息可以传回设备 和用户。流体管理系统50包括在本示例性实施例中所示的阀门致动器，其由第一和第二 SMA线82a和82b制成。根据所示的实施例，SMA线82a和82b采用弓形狭缝564连接到杠 杆84。具体地，第一 SMA线82a在端卷(end crimp) 562和一个狭缝564之间延伸，并可以 被启动以沿着一个方向拉动杠杆84，以开启阀门，而第二 SMA线82b连接在端卷562和另一 个狭缝564之间，以沿着相反方向拉动杠杆84以关闭阀门。杠杆84包括致动器销88，致动 器销88接合移动板66，以如本文所述在开启和关闭的阀门位置之间移动所述板66。虽然 本文所示和所述的阀门致动器采用两个通过相应的弓形狭缝564连接到杠杆84的SMA线 82a和82b，应该意识到，可以采用其它类型和配置的阀门致动器来相对于固定板62运行移 动板66，以开启和关闭阀门。进一步地，应该意识到，本文所示和所述的移动板66通常线性 运行，但是可以采用其它配置的阀门以控制流体流向流体消耗电池20。流体管理系统50和电池10的组装示出在图36-49中。参见图36，根据一个实施 例，其中一般性地图示导电框架500。导电框架500通常由提供导电性和用于处理的结构完 整性的导电材料制成。根据一个实施例，框架500可实现为引导框架。框架500包括被配 置为在各种电部件中弓丨导电流的导电电路元件。根据一个实施例，框架500可包括镍铁合金。镍铁合金的示例包括INVAR 、Super INVAR 、K0VAR 和 INVAR ·合金 36、42、46、48 和 52。“真正”INVAR 的化学式是 Fe65Ni35。 对于INVAR ·合金，合金号近似对应于镍的重量百分比。根据更具体的示例，导电框架500 可包括商标名称为KOVAR⑥所售的镍-钴铁合金，其通常由重量大约29%的镍、17%的钴、 0. 2%的硅、0. 3%的锰和53. 5%的铁组成。根据另一实施例，框架500可以至少部分地由铜组成，具体地，可以是铜-INVAR -铜。铜-INVAR -铜是INVAR .层夹在铜层之间的层状材料，并且已经用在印刷电路板 技术中。应该意识到，可以在框架500中采用其它导电材料，以实现导电并在处理上足够刚 度的框架结构，并且所述其它导电材料可以再改造，以形成期望的接触连接。所示出的框架500具有各种电路元件522、524、526和接触衬垫520，用于向阀门致 动器的电部件和SMA线82a和82b提供电流。此外，框架500包括用作电池触点530、532、 534a.534b.536a和536b的电路元件，所述电路元件能够与电池单元20的正或负端子进行 电接触。框架500也包括接触衬垫502、504、506、508、510、512、514和516，其通常配置为容 纳电部件和/或形成与这种部件的电连接。框架500还包括框架元件538，其最终形成引 导框架的一部分，但是不需要用于最终的框架配置，并且在组装过程过程中被移除，如下所 述。框架500还包括一对位于底座500相对端的传感器接触衬垫602，用于为位置传感器600提供安装衬垫。安装衬垫602连接到向控制电路提供控制信号的电路。导电框架500可形成为具有基本均勻的厚度。根据一个示例，框架具有大约100微 米的最小厚度。应该意识到，框架500的各元件的厚度和宽度可以确定框架500的结构完 整性，并应该选择成允许改造接触连接，如本文所解释的。根据一个实施例，框架500可以 通过采用光刻技术形成。可替换地，框架500可以通过采用冲模、模制、印刷或其它制造导 电框架500的技术中的一个或多个的其它框架制造技术来形成。框架500可以在组装过程 中很容易地处理。在导电框架500形成之后，一个或多个电部件组装到框架500。如图37 所见，所示的电部件540、542、544和546安装在特定接触衬垫的顶部，并电连接到框架500， 以形成期望的电路配置。在所示的实施例中，电部件540可包括定时电路(例如，振荡器晶 体)，其被配置为提供定时信号(例如，32千赫)。所示的定时电路540位于接触衬垫502、 504和506的顶部。部件542可包括位于接触衬垫508和510顶部的感应器。部件544可 包括横跨接触衬垫512和514连接的电容器。电容器、感应器和可选的电阻器可配置为提 供升压电路。部件546可包括置于衬垫516顶部上的专用集成电路(ASIC)芯片，该芯片向 导向它的电路元件提供电连接。ASIC 546可用作控制电路，用于控制致动器的启动以运行 阀门。定时电路540、感应器542、电容器544和ASIC芯片546可以配置为，通过向适当的 SMA线致动器82a或82b提供电流来控制阀门致动器的启动，以开启和关闭阀门，并由此控 制流体进入流体消耗单电池20。位置传感器600安装在传感器接触衬垫602的顶部，并感 测移动板66的位置。虽然所示的电部件的具体示例设置在框架500上，但是应该意识到可 以采用其它电路部件和电路设置，而不脱离本发明的教导。在将电子部件540-546组装到框架500上之后，如图38所示，将框架500罐装在底 座550中。底座550包括非导电材料，其基本上封装了框架500的电路元件和组装在其上 的电部件540-546。底座550可以包括适于用在印刷电路板中的基底材料。根据一个实施 例，底座 550 可包括环氧树脂，例如，EPICLAM L9035(Epic Resins Electronic Products, Palmyra, WI, USA)或 ADTEC HEL-323-TC-l 环氧树月旨(Cass Polymers, Oklahoma City, OK, USA)。根据一个示例，形成底座550的环氧树脂的热膨胀系数是每摄氏度百万分之 5. 8 (ppm/°C )，而形成框架500的KOVAR⑥的热膨胀系数是5ppm/°C。因此，框架500和底 座550的热膨胀系数基本匹配。底座550具有较低的流体(例如，空气)渗透率，并由于基 本匹配的CTE而与框架500 —起膨胀和收缩。底座550的非导电材料可以通过采用传统的 模具模制在框架500之上，以获得期望的配置。在底座550没有足够低的流体渗透率的实 施例中，底座550可以涂覆另一种具有较低渗透率的材料。在图38所示的实施例中，所形成的底座550具有环绕形成的基本矩形的主体，该 主体封装了框架500的主要电路元件。此外，底座550包括在框架500的接触衬垫520之 下延伸的向内突起的壁架552。壁架552的上表面设置为邻接阀门移动板66的周界的上表 面。对角肋554和高度降低的主体556从壁架552延伸，高度降低的主体556封装了框架 500上组装的其它电路部件。底座550在形状和尺寸上设计为基本上封装了框架500的电 路元件和组装在其上的电部件540-546。应该意识到，可以将底座550模制成容纳空气均衡 通路的包含物，例如图31-34所示和本文所述的那些。 底座550具有多个卷连接器开口 560，其可以在模制底座550的过程中形成或在 模制过程之后通过加工或切削并移除材料以形成卷连接器开口 560而形成。卷连接器开口560适于容纳SMA线卷562，以便卷562被压配合到卷开口 560中，并且SMA线82a和82b与接触衬垫520电接触。根据若干实施例，本文描述了接触衬垫520和卷562和/或SMA线 82a和82b形成的电连接。参见图39，移除导电框架500的不需要的残余元件。这包括移除框架元件538。于 是，元件538提供了结构的刚性，并允许在组装之前和组装过程中操纵引导框架500。元件 538随后在完成流体管理系统50以及其组装到电池单元20之前被移除。参见图40，所示的阀门和致动器组装到底座550。阀门的移动板66插入到向内延 伸的壁架552之下，并且下面的固定板62组装到底座550的底表面。固定板62可以粘、栓 或以其它方式连接到底座550。杠杆84连接到移动板66，并且枢转部分86置于底座550 中的开口 586内，以便杠杆84能枢转并旋转，以将移动板66左右移动来开启和关闭阀门。SMA线卷562压配合到底座550中的卷连接器开口 560内。在所示的第一实施例 中，卷562被压配合并完全插入相应开口 560的底部，以便SMA线82a和82b与接触衬垫520 电接触。更详细地如图41和42所示，卷562被完全压配合到开口 560的底部，以便在SMA 线82a和接触衬垫520之间存在足够的电接触。在这个实施例中，卷562被压到形成接触 衬垫522的电路通路上，如图42所示，并由于开口 560与卷562的壁之间的干涉配合而保 持在适当的位置。卷562的尺寸和形状(例如，圆柱形)基本上匹配开口 560的尺寸和形 状。示出的SMA线82a和82b也与相应的接触衬垫520电接触，以便通过接触衬垫520提 供的电流可以穿过SMA线82a和82b之一。应该意识到，可以应用粘结剂(例如，导电粘结 剂)来将卷562保持在相对于开口 560的适当位置，并维持SMA线82a和82b和相应的接 触衬垫520之间的电接触。非导电的插头(未示出)还可以插入到卷562的顶部，以将卷 526与上方的电池单元20绝缘。参见图43和44，其中示出了卷562和接触衬垫520之间的可替换电连接。在这 个实施例中，接触衬垫520向内折叠于卷连接器开口 560内，形成基本W形，如图43所示。 接触衬垫520的弯曲W形通常是有弹性的，以至于它提供了像弹簧一样的特性。卷562被 压配合到开口 560的壁内，并被压迫向下，从而接合和压靠于弹性的接触衬垫520。应该意 识到，通过折叠接触衬垫520，接触衬垫的弹性提供了像弹簧一样的偏置，以维持接触衬垫 520和卷562和/或与其连接的SMA线之间的适当电接触。如图44所示，卷562完全插入 到卷开口 580中，并保持与接触衬垫520的偏置接触。参见图45和46，示出的接触衬垫520在根据又一实施例的另一种配置中向内折叠 进卷连接器开口 560。在这种配置中，接触衬垫520提供从卷连接器开口 560的底部向上 延伸的一个或多个弹性的导电元件。卷562被压配合于卷连接器开口 560内，以压靠于接 触衬垫520，如图46所示。应该意识到，可以采用其它尺寸和形状的触点来接触卷562和/ 或 SMA 线 82a 和 82b。在将致动器和阀门组装到底座550和框架500之后，如图47所示，将流体消耗单 电池20组装到底座550的上表面上。应该意识到，流体消耗单电池20可以粘、栓或以其它 方式连接到底座520。随着流体消耗单电池20附接到底座550，电池触点向上弯曲，并接触流体消耗单 电池20的适当端子。在图48所示的实施例中，电池触点530、534a和534b向上弯曲并接 触形成正端子的罐34的侧壁。还应该意识到，电池触点532 (未示出)同样地接触形成正端子的罐34的侧壁。其余的电池触点536a和536b向上弯曲并接触形成流体消耗单电池 20的负端子的盖36。通过将电池10放置在模具中以对导电元件再成形来实现电池触点的 弯曲。下面的电绝缘带580应用在电池触点536a和536b之下罐34的侧壁上，以使触点 536a和536b与正电池端子电绝缘。电池触点536a和536b还延伸超出绝缘带580而至盖 36上，并接触形成负电池端子的盖36。然后如图49所示，在电池触点536a和536b上应用 上电绝缘带582。因此，流体管理系统50和结果形成的电池10有利地采用底座550，底座550具有 一体形成在其中的导电框架500以及基本上封装在底座550内的电部件。最终组装到底座 550中的导电框架500很容易组装，并最终形成电路元件和部件上的保护结构，其使得流体 不易通过底座550泄露。根据一个实施例，底座550可以模制在位置传感器600和连接电路的至少一部分 上，以便考虑将位置传感器600嵌入或至少部分地嵌入底座中。应该意识到，可以嵌入位置 传感器600和连接电路的所述一部分，同时每个位置传感器的一部分可以从底座550延伸 到可以感测阀门移动板66位置的处所，以至少确定阀门处于开启位置还是关闭位置。参见图50，还关于移动板66示出了位置传感器600。在开启的阀门位置，移动板 66可接触位置传感器600之一。在另一极端位置，在阀门关闭的位置，移动板66可接触另 一个位置传感器600。通过在导电的移动板66与位置传感器600之一之间提供接触，关闭 的接触连接可以指示移动板66的开启或关闭位置。可替换地，应该意识到，可以采用非接 触传感器600来感测移动板66何时处于开启和关闭位置之一。例如，电容式或激光传感器 可以用于感测从传感器600到移动板66的距离。进一步地，可以采用一个或两个位置传感 器600来感测处于开启和关闭位置之间的中间位置的移动板66的位置。应该意识到，可以 在各种阀门配置中采用一个或多个位置传感器600，以感测用于管理流向流体消耗电池的 流体的阀门的开启和关闭位置，包括本文所公开的流体管理系统的各个实施例。参见图51，根据一个实施例示出阀门控制电路610。根据这个实施例，阀门控制电 路610采用控制器620。根据一个实施例，控制器620可包括配置有执行状态逻辑例程700 的逻辑(例如软件)的专用集成电路(ASIC)。ASIC可配置在诸如图37所示部件546的芯 片上。根据另一实施例，控制器620可包括具有微处理器的微控制器，并包括诸如随机访问 存储器(RAM)和只读存储器(ROM)的存储器。微控制器620执行本文所述的状态逻辑700， 用于处理感测到的输入并提供控制输出信号，以控制阀门运行。控制电路610可以包括有 或被使用代替图37中的部件546或图4、6-8和11中所示的控制电路90。所示出的阀门控制电路610包括模数转换器(ADC)电路654，其接收各种输入，并 将模拟输入转换成输入到控制器620中的数字信号。定时电路638向控制器620提供定时 信号。此外，在块626中提供脉冲计时器1并在块628中提供脉冲计时器2，以向控制器620 提供输入，分别用于限定开启和关闭阀门的时间段。阀门控制电路610接收在输入端子612和614处的包括感测到的电压+VE和-VE 的各种输入，感测到的电压+VE和-VE指示感测到的横跨电池正负端子的电池电压。感测到 的来自输入端612和614的电压被输入到反极性保护电路616，该电路进行保护以避免与电 池反极性连接。感测到的电压+VE和-VE也输入到电压传感器和窗口比较电路618。电压 传感器和窗口比较电路618感测差分电压，并比较电池电压和定义操作窗的电压阈值。根据一个实施例，1.10伏的第一低压用作低阈值电压，以便当感测到的电压降到低于1. 10伏的第一低压时决定是否开启阀门和向电池提供流体。根据这个实施例，采用1.275伏的第 二高压作为高阈值电压，以便当感测到的电压超过1. 275伏的第二高压时决定是否关闭阀 门。电压传感器和窗口比较电路618的输出作为输入提供给控制器620。此外，提供0.9伏 至3. 0伏的电荷泵636，用于提供操作电路可用的逐渐增加的电压。阀门控制电路610也接收各种采用模数转换器654从模拟信号转换成数字信号的 传感器输入。所包括的信号输入来自用于感测阀门移动板的位置的一个或多个位置传感器 600。此外，湿度传感器632感测阀门的湿度，并向控制电路610提供输入。进一步地，温度 传感器634感测阀门的温度，并将感测到的温度信号提供给控制电路610。应该意识到，湿 度传感器632和温度传感器634实质上感测了流体管理系统的运行状况。通过感测流体管 理系统的运行状况，可以基于感测到的运行状况确定将阀门维持在开启位置所需的最短时 间TMIN。通过从查询表中选择时间Tmin，可以基于感测到的运行状况定期地动态调整所需的 最短时间TMIN。进一步地，应该意识到，位置传感器可提供了可以指示阀门的磨损参数的位 置信号，以便它也提供了感测到的流体管理系统的运行状况。如本文所使用的，磨损参数意 味着阀门部件的诸如物理属性或电属性的在阀门的使用寿命期间变化的属性，从而例如可 用于估计阀门预期寿命中的一点或者指示阀门即将发生的故障。例如，如一对位置传感器 所指示的，阀门从一个位置移动到另一个位置所需的时间或能量随时间推移逐渐增加和/ 或变得过于短暂而随后马上阀门就不再可接受地操作。这种变化可以缘于各种因素，例如 摩擦造成的物理磨损、重复移动造成的疲劳、不正确的操作或灰尘或破裂造成的故障等。阀门控制电路610向驱动器电路642提供输出信号。根据一个实施例，驱动器电 路642可包括在输出端644和646产生驱动信号以驱动致动器开启和关闭阀门的驱动晶体 管。参见图52，示出根据一个实施例的由控制器执行的状态逻辑例程700。逻辑例程 700包括方框702中的上电状态，其中，向待上电的设备提供能量。在上电状态702，诸如 锌-空气电池的流体消耗单电池连接到阀门切换控制电路，并激活上电复位。在上电之前， 如方框704中所示，阀门处于阀门关闭状态。在阀门关闭状态704，SMA驱动器被禁用，电压 传感器被启用。阀门保持在阀门关闭状态704，直到电池单元电压降到较低的1. 10伏的第 一阈值以下，或者电池电输出的变化速率(例如，电压变化的速率(dv/dt))超过变化阈值 速率(例如，400毫伏/秒)，如事件706所示。一旦事件706发生，阀门就开始跳变到开启 阀门状态，在此状态过程中，通过将电能施加到适当的SMA致动器，阀门开始开启。在开启 阀门状态708，禁用阀门传感器，并且启用用于激励阀门到开启位置的SMA驱动器，以激活 致动器。阀门一旦运行就在脉冲定时器1所确定的时间段之后跳变到阀门开启状态712。 根据一个示例，脉冲定时器时段大约是0.5秒。这为SMA驱动器提供了足够的时间来将阀 门驱动到全开位置。在阀门开启状态712，禁用用于开启阀门的SMA驱动器，并检查位置传 感器的状态。在步骤714中，一旦处于阀门开启状态12，例程700就等待时间段t_阀门开 启反跳，以避免错误触发的发生。时间段t_阀门开启反跳可以是足以实现稳定电压输出的 预定时间段，例如，在一个示例中是50ms。随后例程700进行到阀门开启状态716。在阀门 开启状态716，启用电压传感器，并计算保持阀门开启所需的最短时间段TMIN。当处于阀门开启状态716中时，例程700在步骤718检查所需的最短时间Tmin是否过期，如果没有，就保持阀门处于阀门开启状态716。应该意识到，最短时间段Tmin保持阀 门处于开启位置，以便阀门不重复地开启和关闭。此外，所需的最短时间Tmin用于以这样的 方式将阀门保持在开启位置通过要求阀门保持在开启位置以最短时间段Tmin来最小化阀 门致动器对能量的使用和相应的电池容量损失，否则就会提前开启阀门。从而，限制阀门以 较大的频率运行，以便不浪费电池容量。可以基于开启和关闭阀门所需的电池容量和阀门 开启时电池性能的损失来计算最短时间段TMIN。通过计算关闭阀门所需的第一电池容量损 失、计算开启阀门所需的第二电池容量损失、通过使阀门留在开启位置来计算电池容量损 失速率以及基于所计算的第一和第二电池容量损失的比较和所计算的电池容量损失速率 计算所需的最短时间，来首先计算得出最短时间段TMIN。然后，可以基于一个或多个操作状 况(例如温度)将所需的最短时间Tmin的变化存储在存储器中，并用于一旦运行就将阀门 保持在开启位置。 根据一个实施例，基于感测到的操作状况确定所需的最短时间段TMIN。更具体地， 基于感测到的操作状况动态地调整所需的最短时间段Tmin。根据一个实施例，感测到的操作 状况可包括感测到的温度。根据另一实施例，感测到的操作状况可包括湿度传感器感测到 的湿度。根据又一实施例，感测到的操作状况可包括磨损参数。基于阀门的已知状态和位 置传感器感测到的阀门处于开启和关闭位置可确定感测到的磨损参数。阀门维持在阀门开启状态716，直到步骤720中发生两个事件，电池电压超过 1.275伏的第二电压上限并且最小时间段Tmin过期。如果电池电压超过1.275伏的第二电 压上限并且最小时间段Tmin过期，那么阀门跳变到关闭阀门状态722，在关闭阀门状态722 过程中，阀门向关闭位置运行。在关闭阀门状态722中，禁用电压传感器，并且启用用于关 闭阀门的SMA驱动器。然后，在步骤724，在等待脉冲定时器2所设置的时间段之后，在一 个示例中例如0. 5秒，阀门跳变到阀门关闭状态726。在阀门关闭状态726，启用电压传感 器，并检查位置传感器的状态。随后，例程700在步骤728中在时间段t_阀门关闭反跳之 后进行到进一步跳变到阀门关闭状态704，以避免错误触发发生。时间段t_阀门关闭可以 是足以实现稳定的状态输出电压的预定时间，例如50ms。在阀门关闭状态704，禁用SMA驱 动器，并启用电压传感器。应该意识到，例程700随后可以在各种状态中重复。流体管理系统通过监控电池电压并控制提供给流体消耗电池的流体来有利地控 制提供给流体消耗电池的流体，其中通过在监控的电压降到每个单电池1.10伏的第一低 电压阈值之下时开启阀门，而在电压上升到每个单电池1.275伏的第二上限电压之上时关 闭阀门来控制提供给流体消耗电池的流体。此外，本发明的流体管理系统和方法还监控电 池电压针对时间的变化速率。特别地，监控电池的电压变化速率dv/dt，并将其与电压变化 速率的阈值(例如，400毫伏/秒/单电池)进行比较，并且当所监控的电压变化速率超过变 化速率的阈值时，开启阀门。应该意识到，虽然本文将电池电输出的变化速率示出和描述为 电压的变化速率，但是应该意识到，根据其它实施例，可以使用各种能量测量结果，例如，开 路电压、闭路电压、电流、功率及其组合。根据另一实施例，所监控的电池电输出可包括电流 检测器检测的电池电流，并且电池电流的变化速率与电流变化速率的阈值进行比较。根据 一个实施例，当阀门处于关闭位置时，监控电压的变化速率，并且电压变化的速率是电压的 降低速率。应该意识到，通过在监控的电压变化速率超过电压变化速率阈值时开启阀门，本 发明的流体管理系统和方法有利地更快速地打开阀门，以避免电池供电的设备服务中断。进一步地，可以基于感测到的操作状况调整变化速率的阈值。根据一个实施例，用于调整变 化速率阈值的感测到的操作状况是温度、湿度和磨损参数组成的组中的至少一员。根据另 一实施例，感测到的操作状况包括温度、湿度和磨损参数中的任一个或任意组合。

基于感测到的操作状况动态调整用于将阀门保持在开启位置所需的最短时间段 TMIN。根据一个实施例，感测到的操作状况是温度传感器感测到的感测温度。参见图23，查 询表提供了多个温度和相应的最短时间段Tmin，根据一个示例，可以从表中进行选择以调整 所需的最短时间。当感测到的温度变化时，根据感测到的温度的函数动态调整所需的最短 时间TMIN。所需的最短时间Tmin可以通过插值或外推温度数据来确定，并可以基于方程来确 定。应该意识到，基于其它感测到的操作状况(例如，湿度和磨损参数)可以采用类似的查 询表，并且可以采用多种感测到的操作状况的组合来调整所需的最短时间TMIN。尽管以上已经针对向具有单个单元的单个电池提供流体的流体管理系统描述了 本发明，但是本发明的方面可以适用于具有多个单元的电池和具有多个电池的电池组。例 如，流体管理系统可以完全或部分地置于电池组的外壳中，以选择性地开启和关闭允许空 气或其它流体穿过电池组外壳的阀门。在这种情况下，不需要针对每个电池的单独的流体 管理系统。进一步地，流体管理系统可以从电池的任一个或任一组或电池组内的所有电池 或者从电池组外的另一电池来供电。流体管理系统也可以完全或部分地置于一个电池、多个电池或电池组所供电的或 者以其它方式从电池、多个电池或电池组单独提供的设备内。例如，阀门可以是适于多种多 单元电池组尺寸的预先封装的模块。因此，独立于流体消耗电池的封装阀门、阀门供电和控 制是有利的。流体消耗电池和流体管理系统的组合可以包括一模块，其包含插入有一个或多个 可替代流体消耗电池的流体管理系统的所有或部分。这使得可以重新使用流体管理系统的 至少一部分，从而减少用户的每电池的成本。该模块可包括一个或多个流体入口，还可包括 为流体提供达到电池的通路的内部通道、高压间或其它内部空间。模块和电池可以按任何 适当的方式保持在一起，包括使用作为模块一部分的电触点，它们与作为电池一部分的相 应电触点协作配合，以避免模块和电池的无意中的分离。例如，模块上的电触点可以采用突 起叶片的形式，它们扣入包含电池电触点的电池壳体的狭缝中。叶片以任何适当的方式固 定在狭缝中，例如，干涉配合、一个或多个弹簧、机械锁定机构及其各种组合。模块和电池的 尺寸、形状和电触点可被配置成仅以正确的朝向对模块和电池进行配合，以确保正确的电 接触和避免电池反向。模块、电池或者二者具有外部接触端子，用于与安装有组合的电池和 模块的设备正确电接触。在一些实施例中，可以不从设备中移除模块来替换电池。
权利要求
1.一种控制提供给流体消耗电池的流体的方法，所述方法包括如下步骤提供流体管理系统，所述流体管理系统包括用于调整流体流入电池的流体消耗电极的 速率的阀门和用于操作所述阀门的致动器； 感测所述流体管理系统的操作状况；基于感测到的操作状况确定用于将所述阀门保持在开启位置所需的最短时间； 当需要较大的电池电输出时，控制所述阀门的运行，以开启所述阀门； 将所述阀门维持在所述开启位置达所述所需的最短时间；以及 当需要较小的电池电输出时，控制所述阀门的运行，以关闭所述阀门。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤基于感测到的操作状况定 期地调整所述所需的最短时间。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，基于以下步骤计算所述所需的最短时间计算关闭所述阀门所需的第一电池容量损失； 计算开启所述阀门所需的第二电池容量损失； 通过将所述阀门留在所述开启位置计算电池容量损失速率；以及 进一步基于所计算的第一和第二电池容量损失和所计算的电池容量损失速率来计算 所述所需的最短时间。
4.如之前任一权利要求所述的方法，其特征在于，确定所述所需的最短时间的步骤包 括从查询表中选择所述所需的最短时间。
5.如之前任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述操作状况包括感测到的温度。
6.如之前任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述操作状况包括磨损参数。
7.如之前任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述操作状况包括感测到的湿度。
8.如之前任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述流体消耗电极包括空气电极。
9.如之前任一权利要求所述的方法，其特征在于，当需要较大的电池电输出时控制所 述阀门的运行以开启所述阀门的步骤包括当电池电压降到电压阈值下限之下时控制所述 阀门的运行以开启所述阀门；当需要较小的电池电输出时控制所述阀门的运行以关闭所述 阀门的步骤包括当电池电压超过电压阈值上限时控制所述阀门的运行以关闭所述阀门。
10.如之前任一权利要求所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤监控电池电压的 变化速率，以及基于监控到的电池电压的变化速率控制所述阀门以开启所述阀门。
11.如之前任一权利要求所述的方法，其特征在于，还包括感测所述阀门的位置的步马聚O
12.如之前任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述阀门包括可移动板，并且通过 移动所述可移动板来开启和关闭所述阀门。
13.一种用于管理流向流体消耗电池的流体的流体管理系统，所述系统包括 阀门，用于调整流体流入电池的流体消耗电极的速率；致动器，用于在至少开启位置与关闭位置之间操作所述阀门； 传感器，用于感测所述流体管理系统的操作状况；和控制器，用于控制所述致动器的操作以开启和关闭所述阀门，所述控制器控制致动器， 当需要较大的电池电输出时，开启所述阀门，而当需要较小的电池电输出时，关闭所述阀门，其中，所述控制器将所述阀门保持在所述开启位置达所需的最短时间段，并且其中，基 于感测到的操作状况确定所需的最短时间段。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述控制器基于感测到的操作状况动态 地调整所述所需的最短时间段。
15.如权利要求13或14所述的系统，其特征在于，从查询表中选择所述所需的最短时 间段。
16.如权利要求13-15中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述传感器包括用于 将温度作为感测到的操作状况进行感测的温度传感器。
17.如权利要求13-16中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述传感器包括用于 感测所述阀门的磨损参数的磨损检测器。
18.如权利要求13-17中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述传感器包括用于 感测湿度的湿度传感器。
19.如权利要求13-18中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述流体消耗电极包 括空气电极。
20.如权利要求13-19中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述控制器监控所述 电池的电压变化速率，并基于所述电压变化速率控制所述阀门。
21.如权利要求13-20中任一权利要求所述的系统，其特征在于，还包括感测所述阀门 的位置的位置传感器。
22.如权利要求13-21中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述控制器计算关闭 所述阀门所需的第一电池容量损失，计算开启所述阀门所需的第二电池容量损失，通过将 所述阀门留在所述开启位置计算电池容量损失速率，并进一步基于所计算的第一和第二电 池容量损失和所计算的电池容量损失速率来计算所述所需的最短时间。
23.如权利要求13-22中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述阀门包括可移动 板，该可移动板能够由所述致动器驱使以开启和关闭所述阀门。
24.如权利要求13-23中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述控制器控制致动 器，当需要较大的电池电压时开启所述阀门，而当需要较小的电池电压时关闭所述阀门。
25.如权利要求13-24中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述系统的至少一部 分置于由所述流体消耗电池供电的设备中。
全文摘要
提供一种流体管理系统用于控制流向具有流体消耗单电池的流体消耗电池的流体。流体管理系统包括阀门，阀门具有与固定板相邻设置的移动板，移动板和固定板具有流体进入端口，以开启和关闭阀门。流体管理系统也包括用于移动移动板以开启和关闭阀门的致动器。当需要较大的电池电输出来操作设备时，控制致动器打开阀门，并在所需要的最短时间内将阀门维持在开启位置，以最小化由于流体管理系统的操作而损耗的电池容量。
文档编号H01M8/04GK102037603SQ200980118248
公开日2011年4月27日 申请日期2009年5月14日 优先权日2008年5月20日
发明者迈克尔·J·布兰登二世 申请人:永备电池有限公司