CN1075679C - 电池系统和使用此系统的周期性运转装置 - Google Patents

Abstract

一种电池系统，通过原电池或蓄电池向负载提供电能。此系统包括一个由原电池和蓄电池组成的电池组；一个用来存储电池放出电能的双层电容器；一个用来限制由电池对双层电容器提供的电能的限制电阻；以及一个用来控制双层电容器的放电控制器。当向双层电容器充电时，此放电控制器使双层电容器在预定的操作过程中周期性地向负载释放电能，双层电容器向负载放电的放电时间短于对双层电容器充电的充电时间。同时，放电电流大于充电电流。

Description

电池系统和使用此系统的周期性运转装置

本发明涉及一电池系统和一周期性运转装置。前者由一个电池向负载提供电能，后者使用此系统来周期性地驱动负载。

这种类型的通常的电池系统包括两个电池系统。一个电池系统是由原电池或蓄电池向负载提供电能(这以后叫做第一电池系统)，另一个电池系统是把太阳能电池的电能充入蓄电池中，并将蓄电池的电能供给负载(这以后叫做第二电池系统)。

这种通常的电池系统有以下缺陷。

一般，包括用于第一电池系统中的原电池或蓄电池的电池是由化学反应(例如氧化还原反应)来产生电能的，这个系统具有如下的特征。

就原电池而论，随着放出电能的增加，即放出电流的增加，化学反应变得更加剧烈，从而加快了内部电极材料等的损坏，导致了放电时间(持续时间)的缩短。此外，超出某一值的放电电流也将导致持续时间的剧烈下跌。

就蓄电池而论，如原电池那样，它的持续时间随放电电流增加而成比例地剧烈缩短。随着放电深度(与放电电流对于蓄电池的额定容量之比有关)的增加，用蓄电池来充电和放电的次数(循环次数)将减少。

本发明的设计考虑到上述技术的现状，它的目的在于提供了这样一个电池系统，即通过调整从电池向负载的放电电流，随着蓄电池的循环次数的增加，使它的原电池或蓄电池的持续时间延长，并且它还提供运用此电池系统的周期性运动装置。

依照本发明的第一个方面，利用一个电池系统将电能中原电池或蓄电池提供给负载来实现以上目的，此系统包括：

一个由原电池或蓄电池组成的电池组；

一个用来储存电池中的电能的双层电容器；

一个限制电阻，用来限制由电池组提供给双层电容器的电能；以及

一个放电控制器，当对双层电容进行充电时，在预定的操作过程中这样使双层电容器将电能周期性地放给负载，从而使双层电容器的电能释放给负载的放电时间短于用电能向双层电容器充电的时间，以及使放电电流大于充电电流，

其中，所述限制电阻位于所述电池组与所述双层电容器之间，所述放电控制设备位于所述双层电容器与所述负载之间。

当由电池组充电后的双层电容器释放电能给负载时，放电控制器在预定的操作过程中间歇性地给负载提供了一个大于充电电流的放电电流，同时放电时间也短于充电时间。因此，电池组以一个小电流用较长时间给双层电容器充电。这时，充电电流(即由电池组流出的放电电流)由限制电阻和双层电容器来平滑，从而调整从电池看得的流向负载的放电电流。而且，充给双层电容器的电能(充电时间×充电电流)与从那里放出的电能(放电时间×放电电流)是相等的。因此，通过缩短双层电容器的放电时间，可使向双层电容器的充电时间得以延长。这样就有可能增加在周期性运转的一个循环中提供给负载的功率。

这样，放电控制器完成了这样的控制，即使得由双层电容器对负载放电的时间比由电池组向双层电容器充电的时间短，由此，延长了电池组向双层电容器充电的时间。这时，电池组对双层电容器的充电电流由限制电阻和双层电容器来平滑，这就调节了由电池组流向负载的放电电流。这样实现了电池组持续时间的延长而且保证了它的长寿命。

放电控制器最好提供这样的控制，即放电时间为T₁，充电时间为T₂，其总和为负载的一个驱动周期T(=T₁+T₂)，放电时间T₁就是负载的驱动周期T的1％(占空比K=0.01)。

电池组最好还包括可由将光能转化为电能的太阳能电池来充电的蓄电池。

在上述结构中，双层电容器由蓄电池充电，而蓄电池再由太阳能电池充电。当双层电容器对负载释放出电能时，放电控制器就在预定的循环中周期性地为负载提供一个大于充电电流的放电电流，并且此放电电流的放电时间短于充电时间。因此，电池组以小电流长时间给双层电容器充电。这时，充电电流(即电池组流出的放电电流)由限制电阻和双层电容器来平滑，从而调整了从电池看得的流向负载的放电电流。即，蓄电池的放电深度降低。而且，用来给双层电容器充电的电能(充电时间×充电电流)与从那里放出的电能(放电时间×放电电流)是相等的。因此，通过缩短双层电容器的放电时间，可延长向双层电容器充电的时间，这样使得在周期性运转的一个周期中供给负载的功率可能增加。

这样，放电控制器可产生这样的控制，即使得双层电容器对负载的放电时间，比蓄电池对双层电容器的充电的时间短，从而延长了蓄电池对双层电容器充电的时间。这时，由蓄电池对双层电容器的充电电流由限制电阻和双层电容器来平滑，这样调节了从蓄电池流向负载的放电电流。即，放电深度下降。这样就实现了蓄电池持续时间的延长以及它的循环次数的增加，从而保证了它的长寿命。

依据本发明此电池系统最好还包括一个串在太阳能电池与蓄电池之间，防止反向电流的二极管。

在多云情况下，例如，太阳能电池的电动势可能小于在蓄电池的相对端处电压，上述二极管起到防止由蓄电池流向太阳能电池的反向电流的作用。这样，储存在畜电池中的电能可以无损耗地(通过双层电容器)提供给负载。

防止反向电流的二极管最好由肖特基二极管组成。

一般二极管的正向电压V_F为0.6伏，而肖特基二极管具有数量级为0.3伏的正向电压，用来抑制由太阳能电池产生的电压的降低。结果，由太阳能电池产生的电能可以无损耗地加到双层电容器中。

放电控制器最好可实现这样的控制，即放电时间为T₁，充电时间为T₂，其总和就是负载的驱动周期T(=T₁+T₂)时，放电时间T₁是负载驱动周期T的5％(占空比K=0.05)。

在本发明的一个较佳实施例中，负载为发光器件。

在本发明的又一个较佳实施例中，负载为诸如发光二极管等。

当由电池充电的双层电容器将电能释放给发光器件时，在预定的操作过程中放电控制器周期性地为发光器件提供一个大于充电电流的放电电流，而放电时间短于充电时间。所以，电池以小电流长时间向双层电容器充电。这时，充电电流(即从电池流出的放电电流)由限制电阻和双层电容器来平滑。从而，调节从电池看得的流向发光器件的电能。此外，用来给双层电容器充电的电能(充电时间×充电电流)和从双层电容器释放的电能(放电时间×放电电流)是相等的。因此，通过缩短双层电容器的放电时间，可以延长向双层电容器充电的时间。这使得在周期运转的一个周期中，加到发光器件上的功率可能得到提高。

由此可见，放电控制器可以实现这样的控制，即可以使双层电容器对发光器件放电的时间短于电池对双层电容器的充电所用的时间，从而延长了电池向双层电容器充电所用的时间。这时，从电池流到双层电容器的充电电流由限制电阻和双层电容器来平滑。从而调节从电池流向发光器件的放电电流，这样就实现了电池持续时间的延长，以保证它的长寿命。

在本发明的一个较佳实施例中，装置是一个信号/导向灯，它包括一沿其周围排着许多发光二极管用作发光器件的管状指示器，一装配在指示器下且其中装有双层电容器、限制电阻及放电控制器的手柄，在柄周围装着一个用来提供或切断从双层电容器送到放电控制器的电能的开关，并且电池装在贴在手柄底部的一个防水盖所封闭的空间中，此外本装置还包括一个用来包裹着指示器的保护罩。

在具有上述结构的信号/导向灯中(用来在晚间引起驾驶汽车者的注意)，放电控制器提供控制以延长电池的寿命。这就省去了替换废电池，从而减少了对环境的不利影响。延长了的电池寿命带来了经济效益。

放电控制器最好产生这样的控制结果，当放电时间为T₁，充电时间为T₂，而它们的总和是发光器件的一个驱动周期T(=T₁+T₂)时，使得放电时间T₁变成驱动周期T的20％(占空比K=0.2)。

本装置最好还包含一用来检测振动的振动检测器件；和一用来检测低于预定照度大小的环境照度的测光器件，为了在给双层电容器充电时，使得双层电容器在预先的操作过程中释放电能给发光器件，使之周期性地工作，其中，只有当振动检测器件和测光器件同处于工作状态，放电控制器才会工作，从而使双层电容器对发生器件释放电能的放电时间短于给双层电容器充电用的充电时间，以及使放电电流大于充电电流，其中所述振动检测装置位于所述双层电容器和所述放电控制设备之间，所述照明检测装置也位于所述双层电容器与所述放电控制设备之间。

只有当振动检测器件和测光器件都处于工作状态时，由电池充电的双层电容器才能释放电能给发光器件。这时，放电控制器在预定的操作过程中周期性地给发光器件提供放电电流，它大于充电电流而放电时间短于充电时间。这就可能增加在周期性工作的一个周期中供给发光器件的功率。只有当振动检测器件和测光器件同处于工作状态时，发光器件才能周期性地工作，这就抑制了双层电容器的放电和电池对双层电容器的充电(即电池的放电电流)。这就导致了抑制电池消耗量的好处。

在本发明的另一个较佳实施例中，本装置是一个自行车安全灯，它包括一主体部分和一散光镜头。主体部分包含有由用作发光器件的，安装在其前部的发光二极管，和用作测光器件的，安装在其外表面上部的光敏电阻，主体部分还包括双层电容器、限制电阻、振动检测器件和放电控制器，散光镜头是用来纵向地和横向地发散由发光二极管发出的光。

在具有以上结构的自行车安全灯中(为保证夜间骑行的自行车的安全)，放电控制器提供控制以延长电池的寿命。只有当振动检测器件和光敏电阻处于工作状态时，发光二极管才发光。因此，在照度很低的条件下骑自行车时，发光二极管能自动发光，而不必接通电源开关。当自行车停下时，电源自动切断。这就消除了由于骑车者忘记断开电池开关而引起的电池的白白浪费。

光敏电阻最好由硫化镉(CdS)光电导管组成。

硫化镉光电导管的光谱响应特性接近于人的视觉敏感特性。因此，发光二极管就可依照人所感受到的亮或暗来发光和熄灭。

本装置最好还包括一个通过振动检测器件与双层电容器相连的电解电容器，其中，当振动检测器件不工作时，而发光器件工作时，使双层电容器在一依据电解电容器的电容大小的时间间隔内预定的操作过程中周期性地给发光二极管提供电能。

当振动检测器件不工作时，例如周围光线很暗而自行车在交通信号灯处停下时，发光二极管根据与电解电容器的电容量相应的一段时间内，在预定的操作过程中周期性地发光。因此，当骑车者夜间等在交通信号灯处时，就能保障安全。

散光镜头最好在其一端面中心凹入，以形成两个向底部延伸的倾斜面，而发光二极管放入散光镜头的另一端，使之对着底部。

从发光二极管发出的光线穿过散光镜头的底部向前传播，它的一部分由斜面反射而向旁边传播。当不仅仅沿发光二极管发光的方向，而且还沿着与之垂直的方向传播，这就提高了骑车安全性。

放电控制器最好还产生如下控制作用，当放电时间是T₁，充电时间为T₂，其总和是发光器件的一个工作周期T(=T₁+T₂)时，使得放电时间T₁是发光器件工作周期T的5％(占空比=0.05)。

依据本发明的装置还可包含一个用来检测海水的有/无的海水检测器件，其中只有当海水检测器件检测到海水时，放电控制器才工作，才能使双层电容器充电时，在预定的操作过程中使双层电容器对发光器件释放电能，使之周期地工作，从而双层电容器对发光器件放出电能的放电时间短于向双层电容器充电的时间，以及使放电电流大于充电电流，其中所述海水检测装置位于所述放电控制装置与所述负载之间。

只有当海水检测器件处于工作状态时，由电池充电的双层电容器才释放电能给发光器件。这时，放电控制器在预定的操作过程中周期地给发光器件提供放电电流，它大于充电电流而放电时间短于充电时间。因此，电池以小电流长时间给双层电容器充电。这时，充电电流(即由电池流出的放电电流)由限制电阻和双层电容器来平滑，从而调整从电池看得的流向发光器件的放电电流。只有当海水检测器件处于工作状态时发光器件才能周期地工作，这就抑制了双层电容器的放电和电池对双层电容器的充电(即电池的放电电流)。这带来了抑制电池消耗量的好处。

放电控制器最好产生了这样的控制，当放电时间为T₁，充电时间为T₂，其总和是发光器件的一个工作周期T(T₁+T₂)，使得放电时间T₁是发光器件工作周期T的5％(占空比=0.05)。

海水检测器件最好包含两个电极，每个电极的形状约5毫米见方，相隔约5毫米。

具有以上结构的海水检测器件，在空气中其两电极间电阻是1兆欧而在海水中约为10千欧。电阻值上的这一差别使得海水检测成为可能。

电极最好给予防腐处理。

防腐处理可以保护电极免受海水腐蚀，从而防止其电阻值的变化，以使海水检测器件可以使用很长一段时间。

在一较佳实施例中，本装置是一水下诱鱼灯，它包括上半部分和下半部分，在上半部分中装有双层电容器、限制电阻、海水检测器件以及放电控制器，在其上端有一捕鱼线连接头，下半部分与上半部分相连并在其中装有用作发光器件的发光二极管，和许多沿其周围排列的鱼钩，在其下端有一捕鱼线连接头。

在具有上述结构的水下诱鱼灯中(用以吸引生活在相当深海中的鱼)放电控制器提供控制作用，以延长电池的寿命。此外，只有当海水检测器件处于工作状态时，即水下诱鱼灯浸没在海水中时发光二极管才发光。因此，电池消耗缓慢以获得经济效益。

为了说明本发明，在图中示出了目前较佳的数种形式，但是，应该明白，本发明不只限于所示的明确的结构和装置。

图1是本发明第一个实施例中的电池系统的电路图。

图2A和图2B是放电控制器的电路图，以及显示其工作状态的时间图。

图3A和3B是电池系统的时间图。

图4是显示不同电池的放电电流与持续时间的特性图。

图5是第二个实施例中的电池系统的电路图。

图6显示的是蓄电池的放电深度和循环次数的特性图。

图7是第三个实施例中信号/导向灯的电路图。

图8是信号/导向灯的透视图。

图9是第四个实施例中自行车安全灯的电路图。

图10是自行车安全灯的透视图。

图11是散光镜头的平面图。

图12是第五个实施例中水下诱鱼灯的电路图。

图13是水下诱鱼灯的透视图。

图14是表示水下诱鱼灯的用法的说明图。

<第一个实施例>

图1是第一个实施例中的电池系统的电路图，图2A是放电控制器的电路图。图2B为显示放电控制器的工作情况的时间图。图3A和3B为表示电池系统的工作情况的时间图。

参考图1，数字1代表原电池或蓄电池，它的正极通过限制电阻2与双层电容器3的一端相连，并且与后面将描述的放电控制器4的电源线Vcc相连，这里假定电池1给出放电电流I_B，并且在限制电阻2和双层电容器3的连接处(即放电控制器4电源线Vcc)给出电势Vc。电池1的负极连接到双层电容器的另一端以及放电控制器4的接地线GND。负载L接在放电控制器4的输出线Vout和接地线GND之间。放电控制器4控制由双层电容器提供给负载L的电流(放电电流)I_o。

其次，参考图2A，它表示了放电控制器4的线路图。此放电控制器4包括多谐振荡器(它是自励的，以产生方波输出)，它由电阻R₁和R₅、电容C₁、晶体管T_r2、电阻R₂和R₃、电容C₂和晶体管T_r1组成；一电流放大级电路，由电阻R₄和晶体管T_r3组成，用来放大多谐振荡器的输出；以及用来限制供给与输出线Vout相连之负载L的电流的电阻R₆。代替限于多谐振荡器，放电控制器可包括各种其它方波输出电路中的任何一种，只要它能够循环地驱动负载。例如，可以使用具有C-MOS倒相器的振荡电路。

图2B显示了输出至构造如上所述的放电控制器4的输出线Vout的方波的一个例子，在图2B中，记号T代表了方波输出的一个周期。记号T₁代表了这样一段时间，在此期间电源放大级电路的晶体管Tr₃处于导通状态，以向负载L提供电流(负载驱动期)。记录T₂代表这样一段时间，在此期间电流放大级电路的晶体管Tr₃处于截止状态，以不给负载L提供电流(负载非驱动期)。众所周知，负载驱动期T₁和负载非驱动期T₂，以及负载工作周期T的近似值由以下的公式得出。

负载驱动期T₁0.069R₂C₂

负载非驱动期T₂0.69R₁C₁

负载驱动周期TT₁+T₂

这样设定放电控制器4的常数，使负载驱动期T₁小于负载非驱动期T₂。例如，负载驱动期T₁是周期T的1％(占空比K)。假定，例如，负载驱动周期是1秒(即充电时间)，则负载驱动期T₁是0.01秒(=K·T)，并且负载非驱动期T₂是0.99秒。对用蓄电池(例如镍-镉电池)，在充电时间T(=1秒)中如此短暂的充电和放电是不可能的。只有使用双层电容器3，才能够在短时间内充电和放电。此双层电容器3通过将电荷吸附至活性炭或从活性炭上解吸，来实现充电和放电，而且这样它就可以重复使用，而不降低品质。

其次，参考图3A和图3B，图3A所示是双层电容器3两极间的电压Vc的时间图。图3B所示是对双层电容器3充电的电流Ii和供给负载L的负载电流I_o(放电电流)的时间图。

如图3A中实线所示，双层电容器3处的电压Vc可以由放电控制器4来改变。然而，电压Vc可变到如双点-划线所示曲线，由限制电阻2和双层电容器3来平滑。此外，如图3B的实线所示，对双层电容器3的充电电流Ii，从电池1输出的放电电流I_B给出的一个峰处下降。然而，充电电流Ii实际上也可被平滑如图所示的双点-划线那样变化。充电特性(充入电能)由以下公式表示，这里双层电容器的电容量为C(法拉)，充电时间为T(秒)，对充电时间T来说，充电电流Ii有一平均值I′_i。把晶体管Tr₁和Tr₂的集电极电阻R₃和R₅设定为大阻值从而才能使放电控制器4的电流损耗足够小，与放电电流Io相比可以忽略。

C·V_B=I′_i·T                                …(1)

放电特性(放出电能)可由以下公式表示：

C·V_B=I_o·K·T                               …(2)

假定双层电容器3的电容量C和电池1的电压V_B是不随重复的充、放电而改变的，充入的电能和放出的电能是相等的。因此，由方程(1)和(2)可得以下方程，

I′_i·T=I_o·K·T

∴I′_i=I_o·K                                 …(3)

将占空比K=0.01(1％)代入方程(3)，I′_i=0.01I_o。因此，充电电流的平均值I′_i是供给负载的电流I_o的 。(乘以占空比K)。充入双层电容器3的电能(充电时间×充电电流)和从那里放出的电能(放电时间×放电电流)是相等的。因此，通过缩短双层电容器3的放电时间，可以延长对双层电容器充电的时间。于是延长电池1对双层电容器3的充电时间(即电池1的放电时间)就成为可能，这就使电池1的放电电流I_B变小了。

双层电容器相对两端间的电压Vc以基于限制电阻R₂和其本身的电容决定的时间常数而增加，直到大体上达到电池1的输出电压V_B(严格地说，要低限制电阻2上的电压降)。这时充电电流Ii从电池1的输出电流I_B处于降而形成一个峰。充入双层电容器3的电能(即由电池1放出的电能)，由方程(1)及图3B中区域S2来表示。此外，充电电流Ii的平均值I′_i由图3B所示。相对端处的实际电压V_c和放电电流Ii由限制电阻2和双层电容器3来平滑，如图3B双点-划线所示。

在负载非驱动期T₂(=T-KT)终止时，放电控制器4的晶体管Tr₃变成“导通”状态，从输出线Vout向负载L提供放电电流I_o。根据方程(3)，这个放电电流I_o是平均充电电流的100倍。由双层电容器3释放的电能可以由图3B中的区域S₁表示。在负载驱动期T₁(=TK)终止时，重复由电池1向双层电容器3充电和由双层电容器3向负载L的放电。

如上所述，负载L不是直接由电池1接收电能供给，而是通过限制电阻2和双层电容器3接收的。限制电阻2和双层电容器3平滑来自电池1的放电电流I_B，从而大大地降低了电池1的实际放电电流I′_i(它就是从双层电容器的放电电流I_o用占空比K乘)以减轻落在电池1上的负荷。

下文将参考图4对本发明的系统和通常的系统进行比较，图4是表明不同电池放电电流和持续时间的特性曲线。在图4中，圆圈中的标号1指出锰原电池的特性曲线，圆圈中标号2指出锂原电池的特性曲线，而圆圈中的标号3指出锂蓄电池的特性曲线。假定，例如，采用圆圈中标号1的锰原电池，在通常的系统中它给负载提供1安(1000毫安)的放电电流I_o，并且负载L在占空比K为1％时周期性地工作，于是由电池直接输出放电电流I_o(=1000毫安)，放电电流的持续时间是1小时，将1小时被占空比K(=0.01)除，得出允许负载周期性工作的持续时间T_P是100小时。在实施本发明的系统中，双层电容器的放电电流是1000毫安，但电池的放电电流I′_i(=I_B)是被占空比

去乘，而变为10毫安。因此，持续时间T_I是700小时，它是通常的系统的持续时间的7倍。如果持续时间相等，那么电池容量可以是

。

<第二个实施例>

图5是第二个实施例的电池系统的电路图。在图5中，用相同的标号来表示与第一个实施例中的相同部分，而不再说明了。

标号5代表正端与蓄电池1的正端通过一反向电流保护二极管6相连的太阳能电池。当太阳能电池5受光照射时，在其相对端之间产生电压V_s，于是可得电流I_s。当光照射太阳能电池5时，此电路开始大致以电流I_s对蓄电池1充电，持续到蓄电池相对端之间的电压V_B与电压V_s相等。此外，当蓄电池1的相对端之间的电压V_B低于电压V_s时，蓄电池1由太阳能电池5充电。

例如，最好由肖特基二极管来构成反向电流保护二极管6，它具有很小的正向电压，从而使得太阳能电池5产生的电压V_s保持得尽可能高。

在此实施例中，如在第一个实施例那样，通过缩短双层电容器3的放电时间，可以延长蓄电池1对双层电容器3的充电时间，因此可以延长蓄电池1对双层电容器3充电的时间，即蓄电池1的放电时间。这就使蓄电池1的放电电流变小，并且降低了蓄电池1的放电深度(相应于放电电流与蓄电池额定容量之比)。因此，蓄电池的循环次数(使用蓄电池来充、放电的次数)可能增加。

如上所述，负载L不直接由蓄电池1接收电能供给，而通过限制电阻2和双层电容器3接收。限制电阻2和双层电容器3可以平滑蓄电池1的放电电流I_B，从而显著地减小实际蓄电池1的放电电流I′_i(即降低放电深度)(它是双层电容器3的放电电流I_o被占空比K除得的值)，以减轻落在蓄电池1上的负荷。

假定向负载L的放电电流I_o为50毫安，占空比是5％。

I_B=I_i=50毫安×0.05=2.5毫安

若负载一天工作12小时，蓄电池1所需的容量由以下方程式表示，

2.5毫安×12小时/天=30毫安·小时/天

若放电深度是10％，则蓄电池1所需的容量由下式表示：

30毫安·小时÷0.1=300毫安·小时

若太阳能电池5的损耗系数是0.6，而光照时间是3小时，则太阳能电池的输出(I_s)可由下式表达，

30毫安·小时/(3小时+0.6)=8.33毫安

考虑到雨天的充电情况，将此值乘以10。因此，太阳能电池可提供输出I_s为83毫安。

参考图4将本发明的系统与通常的系统作一比较，其中图4示出不同电池的放电电流和持续时间特性曲线。本实施例中的蓄电池1是圆圈中标号3所指的锂蓄电池。

本实施例中的蓄电池1提供了2.5毫安的放电电流，由图4得它的持续时间T₁是35小时。这样，一个蓄电池1的容量是2.5毫安×35小时=87.5毫安·小时，使负载L一天工作12小时所需的蓄电池1的容量是300毫安·小时(放电深度：10％)。蓄电池的数量为300毫安·小时/87.5毫安·小时=3.4。即，用四个蓄电池并联就足够了。

另一方面，在通常的系统中，I_B=50毫安，由图4得蓄电池1的放电持续时间为0.2小时。具有占空比K=5％的放电持续时间T_p=0.2小时/0.05小时=4小时。因此，一个蓄电池1的容量是50毫安×0.05×4小时=10毫安·小时。使负载一天工作12小时所需的蓄电池1的容量为300毫安·小时。蓄电池的数量是300毫安·小时/10毫安·小时=30。即，需要多达30个蓄电池相并联。

其次，参考图6，它是表示放电深度和循环次数的特性曲线。一般蓄电池的放电深度为30％～50％，这使得循环次数大约为100到300。在本实施例中，放电深度定为10％。这样，根据图4，循环次数大约为1000，它大约是在更大放电深度(30％至50％)下循环次数的3到10倍。当把放电深度降到低于10％时，可能得到大约3000次循环。即可以延长蓄电池的寿命。在由太阳能电池对蓄电池充电，并由蓄电池向负载提供电能来使负载工作的电池系统中，一般蓄电池具有维持10到20天的容量，以补偿阳光少的天气。这样，此系统不可避免需要一大容量的蓄电池。然而，循环数是几千的数量级，可以每天实行充、放电。不必对阳光少的天气作补偿，因而使蓄电池的容量可减少。因此，一个小容量的蓄电池就足够了。此外，在雨天情况下，设定太阳能电池的输出电流，可实现全天候电池系统。

<第三个实施例>

下文将描述信号/导向灯，它是运用第一个实施例中所描述的电池系统的周期性运作装置的一个实例。图7是信号/导向灯的电路图，而图8是透视图，它显示了信号/导向灯的外观。此信号/导向灯是一个在晚上提醒驾车者留心马路上的工程等类似的障碍物，或者指出一条行驶路线的装置，并且它还运用了发光二极管或者类似器件来促使人们留心。

在图7中，标号10代表开关，是用来启动和停止双层电容器3向放电控制器4和负载L提供电能的，此开关10闭合或打开以进行或中断对放电控制器4和负载L提供电能。此信号/导向灯中的负载L包括15个用作发光器件的并联的发光二极管，此信号/导向灯的电源是由两个AA型的锰原电池串联而成。举例来说，可设置放电控制器4的周期T=0.1秒，占空比K=20％。

参考图8，信号/导向灯包括在其上半部分形成的指示器11，用来引起驾车者等的注意。指示器11具有15个发光二极管(负载L)，排列在其周界上，指示器11外螺接一保护罩12，以保护发光二极管L免受雨水等的侵蚀。保护罩12给出不光滑的为外表面，以散射发光二极管L发出的光。此外信号/导向灯还包括一安装在指示器11下面的手柄13，可让使用者可以拿在手上。手柄13包括一装在其底面上的防水盖14，拧开盖可以装入电池1。信号/导向灯的开关10装在手柄13的上部的周界部位。

本信号/导向灯的负载L(由15个发光二极管并联而成)消耗100毫安的电流。即，放电电流I_o=1000毫安。取占空比K=0.2，根据方程3，电池1的电流I_B是200毫安。因此，从显示放电电流和持续时间的图4中的特性曲线可见，此信号/导向灯的电池1的持续时间T_I为20小时。

在通常的信号/导向灯中，电池1的电流I_B是1000毫安，因此它的持续时间是1小时。取占空比K=0.2，电池1的持续时间T_P=1小时/0.2=5小时。则本实施例中的信号/导向灯提供了四倍于(=T_I/T_P)通常的信号/导向灯的持续时间。若工作时间相同，则电池1的容量可以减少到1/4。

当用作电源的电池在晚上用完时，则此信号/导向灯不能引起驾车者的注意。这对施工的人和驾车者都构成严重危险。因此，为稳当起见，不论目前使用的电池是否还有充足的能量，在使用前还是要换上一个新电池。换下的电池就扔掉了，这就提出了对环境有不利影响的问题。然而，对于本实施例，电池的寿命延长了，是通常系统的4倍，这就产生了经济上的效益。

<第四个实施例>

下文将描述自行车安全灯，它是运用第一个实施例中所描述的电池系统的周期性工作装置的又一个实施例。图9是此自行车安全灯的电路图，图10是示出此自行车安全灯外观的透视图。此自行车安全灯是为了保证晚间骑车安全而装在自行车的座垫或尾部挡泥板上的装置。

参考图9，振动传感器20的一端与双层电容器3的正端相连，电解电容器21的一端与振动传感器20的另一端相连。电解电容器21的另一端与放电控制器4的接地线GND相连。振动传感器20可以是各种类型中的一种。在本实施例中，振动传感器包括一可绕枢轴转动的电极和一固定电极，可转动电极的一端是固定在它上面，另一端附带有重物。此振动传感器20对应于本发明中的振动检测装置。

电阻器22和用作光检测器件的光敏电阻23串联在振动传感器20和电解电容器21的节点上。一般，光敏电阻23是硫化镉(CdS)或碲化镉(CdTe)光电导管，它是具有随着光照而阻值可变的光传感器。虽然光敏电阻23可由各种类型中的一种来构成，但对用来检测日落，最好选用硫化镉光电导管，因为它的光谱响应特性接近于人的视觉敏感特性。晶体管24的基极连在电阻器22和光敏电阻23的节点上。晶体管24的集电极通过电阻器25连在双层电容器3的正端上。晶体管24的发射极连在放电控制器4的接地线GND上。此外，晶体管24的集电极通过电阻器26与晶体管27的基极相连。晶体管27的发射极连到双层电容器3的正端。晶体管27的集电极连到放电控制器4的电源线Vcc。用作发光器件的一发光二极管L连到放电控制器4的输出端Vout上。例如，周期性地供给发光二极管L50毫安的正向电流。设定放电控制器4的不同的常数，以得到周期T=0.5秒，占空比K=0.05(5％)。

在此自行车安全灯中，只有当振动传感器20和光敏电阻23同时工作时，发光二极管L才周期性地发光。即，当振动传感器20检测到振动时，电解电容器21连到双层电容器3的正端上。然后，双层电容器3对电解电容器21充电，电流流向电阻器22和光敏电阻23。在白天条件下，因为光敏电阻23的阻值为几百欧姆的数量级，所以晶体管4不导通。日落以后，光敏电阻23的阻值变为几百千欧姆的数量级，使得晶体管24处于导通状态。随着晶体管24的导通，电流流经电阻器25，使晶体管27变得导通，随着晶体管27的导通，放电控制器4工作，以使发光二极管L周期性地工作。

电解电容器21与电阻22和光敏电阻23是并联的。因此，晚上当自行车因交通信号灯而停下时，即当振动传感器20不工作时，储存在电解电容器21中的电能流向电阻器22和光敏电阻23，以维持晶体管24在一段由电解电容器的电容量确定的时间内导通。这样，晚上当骑车人等在交通信号灯处时也可以保证安全。

参考图10，光敏电阻23装在自行车安全灯主壳体30的上表面上。发光二极管I装在主壳体30的前部位置处，该处有一个由高折射率的树脂做成的散光镜头31。正如在图11的设计图所示，散光镜头31在其一端向中间凹入，以形成两个向底部31a延伸的斜面31b。发光二极管L嵌入镜头31的另一端，而与底面31a相对。从嵌在散光镜头31中的发光二极管L发出的光(在图11中由箭头示出)，主要穿过底面31a向前传播，而有一小部分光由斜面31b反射，以从散光镜头31向例面传播。因此，当有此散光镜头31的自行车安全灯的主壳体30装在自行车的座垫或尾部泥板上时，增加了侧面和后部的可见度以保证安全。

自行车安全灯一般带有装在车把上或安全灯上的电源开关，用来开灯和关灯。在此情况下，骑车人常常忘记关掉开关，从而浪费电池。因此，大多数骑车人骑车时不打开电源开关，而这样做是危险的。然而，应用本实施例中的自行车安全灯时，由光敏电阻23在白天或晚上检测亮暗情况，并且由振动传感器20检测自行车的使用情况，来免除打开电源开关的麻烦。由于不用电源开关，就避免了当骑车人忘记关掉电源开关而在需要时电池却用完而引起的不便。

为了减小自行车安全灯的体积和减轻其重量，例如，电池1可由体积小且高密度型的锂原电池来构成(图4中标号2)。现在计算一下此电池可用的时间。假定发光二极管L消耗电流为50毫安，放电控制器4提供的周期T=0.5秒，占空比为0.05(5％)。则对双层电容器3的充电电流Ii(电池1的放电电流I_B)由下式得到：

I_i=50毫安×0.05=2.5毫安由图4的标号2，可得锂原电池的持续时间T_I为700小时，这样，若自行车安全灯的使用率为每天十五分钟，且电池1无自行放电，则此电池可用大约八年(700小时×60分/15=2800天)。

其次，对通常的电池系统也做同样的计算。电池1的放电电流IB为50毫安，因此它的持续时间不能由图4的标号2的特性曲线来得出。这表明锂原电池不能在如此大的电流下使用。假定对图4的特性曲线作延长线，它的持续时间为0.1小时，发光二极管L以占空比K=0.05发光，则持续时间T_P是2小时(=0.1小时/0.05)。这样，本实施例具有延长电池寿命的优点，它的寿命是通常的系统的350倍(=700H/2H)。

<第五个实施例>

下文将描述水下诱鱼灯，它是运用第一个实施例中所描述的电池系统的周期性工作装置的又一个实例。图12是水下诱鱼灯的电路图，图13是表示了水下诱鱼灯外观的透视图。水下诱鱼灯是一个用来吸引生活在相当深的海水(大约100米)中鱼类(例如鱿鱼，弯刀鱼和大海鳗)的发光灯。

参考图12，放电控制器4′具有图2A所示的电路，它把电流放大电路(晶体管Tr₃和电阻器R₆)给去除了，并且将电阻器R₄和电阻器R₅之间的接点作为输出端Vout。用作海水检测器件的海水传感器40的一端40a与放电控制器4′的输出端Vout相连。海水传感器40的另一端40b通过晶体管41的偏置电阻42连到双层电容器3的正端，并与晶体管41的基极相连。晶体管41的发射极连到双层电容器3的正端上。晶体管41的集电极通过一限制电阻器43连到用作发光器件的发光二极管L上。

设定放电控制器的各个常数，以得到周期T=0.2秒，占空比K=0.05(5％)。限制电阻器43的值为以提供发光二极管L大小为提供50毫安的正向电流所需的值。

海水传感器40有电极40a和40b，它们的形状都是每边长约为5毫米的正方形，并且相隔约5毫米。由于电极40a和40b要接触海水，因此最好首先对它们进行防腐处理，为使它们的阻值不会随所受的腐蚀而改变。海水传感器40的电极40a和40b之间的阻值在海水中大约为10千欧，在空气中阻值大约是1兆欧。此外，当它们接触雨水而不是海水时，它们之间的阻值大约为100千欧。这样，海水传感器40的阻值只有在海水中才下降，从而产生流经偏置电阻42的电流，以使晶体管41处于导通状态。

参考图13，水下诱鱼灯包括上半部分50a和下半部分50b(后者是由一种用来透射从发光二极管L发出的光的材料构成)，在每一部分的一端都有捕鱼线连接头51。电池1、双层电容器3、放电控制器4′和海水传感器40都装在上半部分50a中。海水传感器40在上半部分50a的侧面上，使电极40a和40b接触到海水。在设计图中，下半部分50b包括沿其周围对称地排列的四个鱼钩52。发光二极管装在下半部分50b中。

如图14所示，例如70个水下诱鱼灯50是以间隔1米连接在捕鱼线上的。这些诱鱼灯50从捕鱼船上吊入水中，最上面的一个捕鱼灯50位于捕鱼船下大约30米深处。因为此海水传感器40如前所述只有在海水中才能工作，所以只有当水下诱鱼灯放入水中时，发光二极管L才发光。那么，将慢慢使用电池1而产生经济效益。使用此种水下诱鱼灯的捕鱼过程大约能持续12小时。此外，因为在使用小灯作为光源时，每次工作时电池要更换。然而，依据本实施例，由发光二极管作为光源，而且电池1的放电电流可以减小。那么可以压缩电池1的消耗。

现在计算一下由锂原电池(图4中标号2)构成的电池1的持续时间。电池1的放电电流I_B为2.5毫安(=50毫安×0.05)，由图4得持续时间T_I是700小时。若一天工作12小时，此电池可用大约58天，(700小时/12小时=58.3)(大约两个月)。

在通常的系统中，电池1的放电电流I_B为50毫安，那么它的持续时间不能由图4标号2的特征曲线得出。这表明锂原电池不能在如此大电流下使用。假定延长图4的特性曲线得持续时间大约是0.1小时。而发光二极管L以占空比K=0.05发光，则持续时间T_p是2小时(=0.1小时/0.05)，因此，此实施例具有延长电池寿命350(=700小时/2小时)倍于通常的系统的优点。

压力传感器可串联到海水传感器40上，或者可以使用压力传感器来代替海水传感器40，当水下诱鱼灯50达到预定深度时，可以驱动发光二极管L。最好用一个机械膜型的简单压力传感器。这样的压力传感器可包括在振动膜不接触海水的一侧形成的导电电极，以及对着导电电极以一预定间隔安装的一对电极。当水下诱鱼灯50达到某一预定深度，具有如此结构的膜就发生变形，从而使导电电极移动，并与那一对电极接触。则，当或仅当水下诱鱼灯达到海水中某一深度时，才能使发光二极管L开始发光。这就达到更进一步压缩电池1消耗的效果。

第三至第五个实施例已描述过了，即以用作负载的发光器件例如一个或多个发光二极管L来作示例。然而，负载可由不同的可周期性工作的操作机构或发声器件中的任一种来构成，以代替一个或多个发光二极管。

信号/导向灯、自行车安全灯和水下诱鱼灯都作为周期性工作装置被描述过了。本发明不局限于这些灯，而还适用于不同的周期性工作装置。这些装置包括太阳能收音机、无线电收发报机、电池供电的打火机、泵、洒水器、电力驱动的百叶窗、平交道口栏水以及自动门。

本发明可以在不违背其精神或其主要特征的基础上以其它的特殊形式来体现，因此在指定本发明的范围时应参考附加的权利要求而不是参考以上的说明。

Claims (20)

1．由原电池或蓄电池向负载提供电能的电池系统，包括一个由所述原电池或所述蓄电池组成的电池组以及一个用来储存由所述电池组放出的电能的双层电容器，其特征在于还包括：

一个用来限制由该电池组供给该双层电容器电能的限制电阻；以及

放电控制设备，其作用是当向所述双层电容器充电时，使所述双层电容器在预定的操作过程中周期性地向所述负载释放电能，从而使由所述双层电容器向该负载释放电能的放电时间小于向该双层电容器充入电能的充电时间，并且使放电电流大于充电电流，

其中，所述限制电阻位于所述电池组与所述双层电容器之间，所述放电控制设备位于所述双层电容器与所述负载之间。

2．如权利要求1所述的一种电池系统，其特征在于该放电控制设备提供了这样的控制，当所述放电时间是T₁，所述充电时间是T₂，其总和是该负载工作周期T(=T₁+T₂)时，所述放电时间T₁是所述负载的所述驱动周期的1％(占空比K=0.01)。

3．如权利要求1所述的一种电池系统，其特征在于该电池组由可由把光能转化为电能的太阳能电池充电的蓄电池来组成。

4．如权利要求3所述的一种电池系统，其特征在于还包括串联在该太阳能电池和该蓄电池之间的反向电流保护二极管。

5．如权利要求4所述的一种电池系统，其特征在于该反向电流保护二极管由肖特基二极管构成

6．如权利要求3所述的一种电池系统，其特征在于该放电控制设备产生了这样的控制，当所述放电时间是T₁，所述充电时间是T₂，其总和是所述负载的驱动周期T(=T₁+T₂)时，所述放电时间T₁是所述负载的所述驱动周期的5％(占空比K=0.05)。

7．如权利要求1所述的一种电池系统，其特征在于所述负载为发光装置。

8．如权利要求7所述的一种电池系统，其特征在于该装置是一个信号/导向灯，它包括一用作所述发光装置并在其周界上排列着许多发光二极管的管状指示器；一装在所述指示器下，并在其中装有所述双层电容器、所述限制电阻和所述放电控制设备的手柄；一用来提供或切断由所述双层电容器向所述放电控制设备的电能且装在手柄外面的开关；以及装在由贴于手柄底部的防水盖形成的闭合空间中的所述电池组，还包括包围着所述指示器的保护罩。

9．如权利要求7所述的一种电池系统，其特征在于所述放电控制设备提供了这样的控制，当所述放电时间为T₁，充电时间为T₂，其总和为所述发光装置的驱动周期T(=T₁+T₂)时，所述放电时间T₁是所述驱动周期T的20％(占空比K=0.2)。

10．如权利要求7所述的一种电池系统，其特征在于还包括用来检测振动的振动检测装置，和用来检测低于一预定照度的环境照度的照明检测装置，其中，只有当所述振动检测装置和所述照明检测装置都处于工作状态时，所述放电控制设备才能工作，从而当给双层电容器充电时，在预定的操作过程中周期性地使所述双层电容器向所述发光装置释放电能以驱动其工作，从而使所述双层电容器对所述发光装置放电的放电时间小于向所述双层电容器充电的充电时间，并且使放电电流大于充电电流，其中所述振动检测装置位于所述双层电容器和所述放电控制设备之间，所述照明检测装置也位于所述双层电容器与所述放电控制设备之间。

11．如权利要求10所述的一种电池系统，其特征在于该装置是一个自行车安全灯，它包括一个主壳体部分，在其前部装有用作所述发光装置的发光二极管，在其外表面的顶部装有用作所述照明检测装置的光敏电阻，所述主壳体包括所述双层电容器、所述振动检测装置和所述放电控制设备，以及一散光镜头，用以使从所述发光二极管发出的光纵向和横向地向外发散。

12．如权利要求11所述的一种电池系统，其特征在于该光敏电阻由硫化镉光电导管来构成。

13．如权利要求11所述的一种电池系统，其特征在于还包括一通过振动检测装置连到所述双层电容器上的电解电容器，其中，当所述振动检测装置不工作且所述照明检测装置工作时，可使所述放电控制设备工作，从而在预定的操作过程中使所述双层电容器周期性地对所述发光二极管提供电能，其时间间隔依据该电解电容器的电容量。

14．如权利要求11所述的一种电池系统，其特征在于，所述散光镜头的一头向中间凹入，而形成两个向底面延伸的斜面，所述发光二极管嵌入所述散光镜头的另一端，正对着所述底面。

15．如权利要求10所述的一种电池系统，其特征在于所述放电控制设备提供了这样的控制，当所述放电时间为T₁，所述充电时间为T₂，其总和是该发光装置的工作周期T(=T₁+T₂)时，所述放电时间T₁是所述发光装置的所述驱动周期T的5％(占空比K=0.05)。

16．如权利要求7所述的一种电池系统，其特征在于还包括用来检测是否有海水的海水检测装置，其中，只有当所述海水检测装置检测到海水时，所述放电控制设备才能工作，从而当向该双层电容器充电时，使所述双层电容器在预定的操作过程中周期性地释放电能来驱动所述发光装置，这样使所述双层电容器对所述发光装置放电的放电时间小于给所述双层电容器充电的充电时间，并且使放电电流大于充电电流，其中所述海水检测装置位于所述放电控制装置与所述负载之间。

17．如权利要求16所述的一种电池系统，其特征在于所述放电控制设备提供这样的控制，当所述放电时间为T₁，所述充电时间为T₂，其总和为所述发光装置的驱动周期T(=T₁+T₂)时，所述放电时间T₁是该发光装置的所述驱动周期的5％(占空比K=0.05)。

18．如权利要求16所述的一种电池系统，其特征在于该海水检测装置包括两个电极，形状都是边长大约为5毫米的正方形，并相隔大约5毫米的间隔。

19．如权利要求16所述的一种电池系统，其特征在于所述电极经防腐处理。

20．如权利要求16所述的一种电池系统，其特征在于所述装置是一个水下诱鱼灯，它包括上半部分，在其中装有所述双层电容器、所述限制电阻、所述海水检测装置和所述放电控制设备，在其上端形成了捕鱼线连接头，下半部分与所述上半部分相连，并在其中含有用作所述发光装置的发光二极管，在所述下半部分周界上排列着多个鱼钩，并且有一个捕鱼线连接器在其下端形成。

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