內置充電器的製作方法
2023-07-29 11:40:26 2
專利名稱：內置充電器的製作方法
內置充電器
背景技術：
本公開涉及一種內置充電器。電池由電源充電，所述電源提供恆定電流並隨後提供恆定電壓(CC/CV)，其中從恆定電壓交越至恆定電流；取決於電池的化學組成，對於鋰離子可再充電電池來講所述恆定電壓為大約4. 2V。為了在給定的時段內對可再充電電池進行充電，並且為了避免因施加不正確的充電電流而損害電池，用某種電池充電算法來仔細且精確地調節該充電裝置的充電機構。不同類型的可再充電電池具有需要不同水平的充電電流的不同的容量。因此，該算法可收集關於可再充電電池容量的信息以使得充電操作能夠在特定的時段內完成並避免損害可再充電電池
發明內容
以舉例的方式，膝上型電腦或桌上型電腦上的通用串行總線(「USB」)埠可向電子器具提供功率並且對該器具中的可再充電電池進行充電。該電子器具將需要控制充電算法以確保其可再充電電池不受損害。此外，流過USB埠的充電電流通常限於小電流，例如500mA。因此，通過USB埠進行充電可需要較長的時間。如果使用者未事先計劃好而確保器具的電池已經充過電且隨時可用，則用於將電池再充電的時間會使得該器具在需要使用的時候不可使用。一般來講，在一個方面，一種雙重用途設備包括基座裝置，所述基座裝置具有用於向要充電的電池遞送充電電流的埠、和充電電路，所述充電電路設置在基座裝置中並與埠連通以使用從電池接收到的電池識別信息來確定電池的充電容量，並且基於所確定的充電容量向電池施加充電電流。該方面可包括下列一個或更多個特徵。埠向電池遞送充電電流，直至在預定的時間內在電池處達到預定的充電水平。預定的充電水平為電池充電容量的至少90%，並且預定的時間小於約15分鐘。預定的充電水平為電池充電容量的至少90%，並且預定的時間在5至15分鐘的範圍內。在一種具體實施中，埠能夠向電池遞送大於至少500mA的充電電流。在一些實施例中，埠能夠向電池遞送至少15A的充電電流。在電池的端子達到預定的電壓電平後，充電電路周期性地調節充電電流的大小以將電池的端子之間的電壓保持在預定的電壓電平。在預定的時間後，充電電流終止。電池嵌入在電子器具內。基座裝置包括連接器，所述連接器用於將具有電池的電子器具耦接到埠。連接器可為能夠連接到不同類型的電子器具的通用連接器。連接器可包括5針單極連接器。所述5針單極連接器可包括具有充電針和至少一個識別針的可逆連接器。在另一方面,一種雙重用途設備包括基座裝置，所述基座裝置具有外殼；充電電路，所述充電電路基於從電池接收到的識別信息來確定要充電的電池的容量並基於該信息向電池施加充電電流；用於接納充電電路的基座裝置的外殼的隔室部分，隔室具有用於與充電電路連通的端子；和連接到充電電路的用於與電池連通的充電埠。這方面的實例可包括充電埠，所述充電埠由基座裝置的外殼支撐並位於所述外殼上。該設備的一些優點為如下。充電埠、以及高充電速率電纜和連接器為通用的快充電速率設備，所述設備允許不同的器具連接到相同的充電埠，因此消除了旅行時攜帶多種充電器的必要性。這些器具被快速充電，即，在5至15分鐘內充電完畢，因此使得這些器具在充電後幾乎立即可用。所述高充電電流(例如，大於至少500mA)提供了對高充電速率裝置進行快速充電的能力。本發明的一個或更多個實施方案的細節闡述於附圖和以下說明中。通過閱讀說明書、附圖以及權利要求書，本發明的其它特徵、目的和優點將變得顯而易見。
圖IA和IB為具有內置充電電路的實例雙重用途設備或裝置的示意圖。 圖2和3為實例內置充電電路配置的示意圖。圖4為用以接納可用電池操作的器具的對接底座實例的視圖。
具體實施例方式參見圖1A-B，示出了包括充電電路108的基座裝置104例如膝上型單元或臺式單元，所述充電電路用於向電子器具112中的一個或更多個可再充電電池114遞送充電電流。本文將要描述的是一種獨特類別的設備，在此處稱作「雙重用途設備」(例如，設備102)，其包括基座裝置104，所述基座裝置除了一種或更多種通常的用途以外還具有對其它器具112 (它們包括可再充電電池114)進行充電的能力，同時仍然能夠實現其通常的用途。例如，圖IA的雙重用途設備102能夠用作膝上型計算裝置，並且也能夠對一個或更多個器具112進行充電。充電電路108遞送用於對電池114進行充電的至多例如6A的充電電流，如下文所詳述。在膝上型電腦或桌上型電腦中，充電電路108可具有與膝上型電腦單元或桌上型電腦單元的其它內部組件類似的功率要求。例如，膝上型電腦或桌上型電腦中的內部組件可額定為12V，5V，或3. 3V。被實施為例如LiFeP04電池充電電路的充電電路108通常額定為3.9V。由於所述類似的功率要求的緣故，在雙重用途設備102中，能夠通過最小程度地改造基座裝置104中的內部電路而將充電電路108添加到基座裝置104中。例如，可將如下DC-DC降壓轉換器添加到基座裝置104的內部電路中，所述DC-DC降壓轉換器能夠將5V降至LiFeP04電池充電電路所需的3. 9V。充電電路108通過基座裝置104上的充電埠 116向器具112遞送充電電流。如圖所示，器具112通過例如(公或母)連接器113和高充電速率電纜120連接到充電埠116。在一些具體實施中，充電埠 116包括3針輸出母(或公)連接器，所述連接器具有例如兩個功率針和一個識別針。充電埠 116位於例如計算機的後面板上以與高充電速率電纜120連接。在一些實施例中，充電埠 116包括5針單極連接器。作為另外一種選擇，充電埠 116能夠被實施為充電座，所述充電座包括用於將充電埠 116中的端子連接到器具112中的電池114的觸點。在一些具體實施中，電池端子能夠直接暴露於對接底座觸點以最小化充電器電路108的輸出和電池114之間的任何電阻。電池ID也能夠用來防止用過大的電流對常規低速率鋰離子電池進行充電。
在下述實施例中，器具112可為具有一個或更多個電化學電池114的任何電子裝置。例如，器具112可具有下列中的任何一種例如，可攜式數位照相機、個人數字助理、或手機。在一些具體實施中，器具112可為外部電池盒，所述電池盒被構造成從充電電路108向電池114遞送充電電流。充電電路10 8為一種模擬的和/或數字控制的充電電路。在一些實施例中，充電電路108為一種超高功率充電電路，其能夠通過充電埠 116和高充電速率電纜120遞送大於至少500mA的充電電流。在一些實施例中，充電電路108能夠通過充電埠 116並通過高充電速率電纜120遞送至多至少達15A的充電電流。例如，充電電路108能夠提供充電電流。充電電路108可為用於對電化學電池單元進行充電的任何電路。一個充電電路108實例可為如下專利申請所述的充電電路中的任何一個題目為「Fast BatteryCharger Device andMethod」的共同未決的美國專利申請11/776, 021和題目為「UltraFast BatteryCharger with Battery Sensing」 的共同未決的美國專利申請 11/776，261,這兩個專利申請的內容均全文併入本文。在一種具體實施中，雙重用途設備102包括具有外殼121的基座裝置104。外殼可包括隔室部分122。充電電路108被構造成接納在隔室122中，並且可與基座裝置104分離。即，充電電路108能夠作為消費者可替換的單元(CRU)或現場可替換單元(FRU)被移除和交換。隔室122具有端子(未示出)，所述端子將AC功率從外部AC電源125提供到充電電路122。在其它實施例中，充電電路108被整合進基座裝置104的電路中，並且不能夠與基座裝置104分離。電池114包括二次電化學電池單元(或電池)電池單元。存在兩種類型的電池單元。一次電化學電池意味著僅放電(例如至耗盡)一次，然後被廢棄。一次電池單元通常不旨在被再充電。一次電池描述於例如 David Linden 的 Handbook ofBatteries (McGraw-Hill,第2版，1995)中。二次電化學電池可被再充電許多次，例如，超過五十次，超過一百次，或更多次。在一些情況下，二次電池單元包括相對堅固的分隔體，諸如具有許多層的那些和/或相對較厚的那些。二次電池單元還可設計成使其能適應可能在電池單元中發生的變化，如溶脹。二次電池單兀描述於例如 Falk&Salkind 的「Alkaline Storage Batteries」 (Johnffiley&Sons, Inc. 1969)和美國專利公開345，124中；這兩個文獻據此均以引用方式併入本文。在本文所述的實施方案中，電池114包括二次電池、或可再充電電池。電池114包括鋰離子電池單元，所述電池單元具有石墨陽極材料或鈦酸鋰陽極材料、以及磷酸鐵鋰陰極材料，它們適於使得基於此類材料的可再充電電池能夠快速地再充電。在一些實施例中，充電電路108還被構造成對不同類型的電池114進行充電，包括例如圓柱形電池、稜柱形電池、和/或按鈕電池單元電池。基座裝置104可為由AC電源125供電的任何電子裝置(至少用於其操作的一部分)，例如，按額定85V-265V和50Hz-60Hz提供功率的電源，其為內部AC/DC模塊130供電。AC/DC模塊130將AC功率轉換為低DC電壓(例如，5-24V)，並且例如將該低DC電壓饋送給例如DC-DC轉換器以提供適用於為基座裝置104的內部電路供電的水平。除了由AC/DC模塊130供電以外，當基座裝置104不連接到電源125時，裝置104通常也由一個或更多個電化學電池單元(未示出)來供電。
基座裝置104上的單一充電埠 116能夠通過如下方式被構造成向多個器具112提供充電電流兩個或更多個附加埠從單一充電埠 116引出以連接器具112。作為另外一種選擇，基座裝置104可包括多個充電埠 116以同時向多個器具112提供充電電流。充電埠 116能夠由基座裝置104的外殼121支撐並且例如位於所述外殼上。除了向器具112提供充電電流以外，高充電速率電纜120也可提供操作器具112所需的操作功率例如DC功率。例如，可攜式音樂裝置例如MP3播放器能夠通過高充電速率電纜120從基座裝置104中的AC/DC模塊130獲取操作DC功率。現在參見圖2，實例雙重用途設備200包括具有充電電路108的基座裝置104。雙重用途設備200通過如圖所示的充電埠耦接到器具112。充電電路108被構造成接納在基座裝置104中的隔室122中。AC電源125連接到隔室122中的端子123，所述端子繼而連接到充電電路108上的AC功率埠 204。充電電路108的充電端子214a和214b分別通過具有連接器131、131』的高充電速率電纜120電耦接且機 械耦接到器具112中的電池114的電池功率端子218a和218b。傳感端子216a和216b分別通過高充電速率電纜120和連接器131、131』電耦接且機械耦接到器具112中的電池114的電池傳感端子220a和220b。位於基座裝置104上的端子214a、214b、222、216a和216b電耦接且機械耦接到充電電路108上的類似端子219。端子218a、218b、224、220a和220b為針，所述針適於以配合構型連接到位於連接器 131』 中的相應端子 218a』、218b』、224』、220a』 和 220b，。同樣地，端子 214a、214b、224、216a和216b為針，所述針適於以配合構型連接到位於連接器131中的相應端子214a』、214b』、224、216a』 和 216b，。在一些實施例中，端子 218a 和 218b (以及 220a,220b 和 224)可電連接且機械連接到相應的端子，所述端子在位於器具112上的(公或母)連接器上(未示出)。因此，在一些實施例中，連接器131』可連接到器具112上的連接器。充電電路108確定要施加到電池114的適當的充電電流，並且將該充電電流通過充電端子214a和214b施加給電池114的端子218a和218b。在具體實施中，電壓傳感器(未示出)電耦接到在基座裝置104處的傳感端子216a和216b。電壓傳感器測量在電池傳感端子220a和220b處的電壓，所述電壓對應於在電池114的電池功率端子218a和218b處的電壓。基於該實測電壓，充電電路108對施加到電池114的充電電壓和/或電流進行一次或多次調節，以便充電電路108根據電池114的預定充電特徵完成對電池114的充電，例如，在小於15分鐘內獲得80-90%的充電容量。如上所述，充電電路108對具有不同容量的電池114進行充電。充電電路108根據可再充電電池114的容量施加不同水平的充電電流。就這一點而言，充電電路108包括確定電池114的容量的能力，所述電池連接到充電電路108。基於所確定的電池容量，充電電路108確定要施加到電池114的電流水平，使得電池114的預定充電量(例如，90%容量)能夠在預定的時間內(例如，大約5分鐘)內達到。為了獲得這種充電性能，需要對應於大約10-15C的充電電流，其中IC為對應於可致使可再充電電池114在I小時內充電完畢的充電電流的充電速率，而12C為對應於可致使可再充電電池114在5分鐘(S卩，I小時的1/12)內充電完畢的充電電流的充電速率。通常，可再充電電池114的容量在50mAh至3Ah的範圍內，其中「Ah」為電池容量的單位，安培小時。也可適用於其它容量。因此，例如，為了以12C的充電速率(S卩，在大約五分鐘內)將500mAh容量的電池充電至大於全容量的90%，需要大約6A的充電電流(即，6A*1/12小時=500mAh)。在另一方面，為了以12C的充電速率對700mAh的電池進行充電，需要大約8. 5A的充電電流。充電電路108也被構造成控制充電過程。此類控制可包括例如調節施加到電池114的電壓和/或電流。例如，充電電路108能夠被構造成 確保將電池114在某個時段內充電至其預定的充電水平。此外，充電電路108還能夠被構造成確保電池的電壓不超過預定的上限電壓上限。在一些實施例中，充電電路108也可被構造成確保電壓增加速率符合指定的充電特徵(例如，充電速率被編程而在充電操作的第一數分鐘內以預定速率增加)，所述電壓增加速率即電池114的充電端子處的電壓隨充電操作進程而增加的速率。控制充電過程需要監測在電池功率端子218a和218b處的電壓。然而，由於基座裝置104的充電端子214a和214b具有不可忽略的電阻，因此耦接到充電端子214a和214b的電壓傳感裝置將包括由在充電端子214a和214b處的電壓降所造成的誤差。為了減小電壓測量的不準確性所產生的影響，提供一組獨立的專用端子即傳感端子216a和216b以測量電池114的電壓。充電器10的傳感端子216a和216b不同於基座裝置104的充電端子214a和214b，所述傳感端子在電池和充電電路108之間提供不同的充電和電壓傳感通路以在測量電池114的電壓時減小電壓測量誤差。電池功率端子218a和218b與電池傳感端子220a和220b電氣連通。因此，傳感端子216a和216b處的電壓測量值對應於在電池功率端子218a和218b處的電壓。在一些實施例中，附加端子(S卩，識別端子222)能夠用來確定電池114的容量和/或其它相關信息。識別端子222機械耦接且電耦接到相應的電池識別端子224。電池識別端子224與電池114中的識別機構226電氣連通。識別機構226向充電電路108提供識別信息，所述信息代表電池的容量、類型、型號和/或與要對可再充電電池12執行的充電操作有關的其它數據。基於從電池12接收到的識別信息，充電器10確定要施加到電池12上的充電電流。電池識別機構226的一個實例為電池識別電阻器228，所述電阻器具有代表電池114的相應容量、類型和/或型號的電阻值。識別電阻器228可設置在電池114的殼體內部，或可設置在電池114的外部上。識別電阻器228電耦接到電池114的電池功率端子218b和電池傳感端子220b。在由基座裝置104的端子222向電池114的電池識別端子224施加電流或電壓時，在電池114的端子218b和224之間形成閉合電通路，從而導致電流流過識別電阻器228。為了獲取代表電池的容量和/或身份的信息，充電電路108將預定測試電流Iem施加到識別電阻器228上。識別電阻器228兩端的電壓降Vki利用耦接到端子222的電壓傳感器來測量。在識別電阻器228處的實測電壓降被傳達給充電電路108，所述充電電路使用該實測電壓根據關係式R1=VK1/I#W來計算識別電阻器226的電阻。對應於ID電阻器26的計算出的電阻Rl隨後可用作訪問查找表的關鍵量，所述查找表存有關於電池類型和容量的相關數據的多個不同的電阻值中的每個值。此類數據也可包括允許施加到電池上的充電電流值、和/或可與充電過程密切相關的其它信息。作為另外一種選擇，可使用測量的電壓Vki來訪問查找表。在一些實施方案中，識別電阻器228為熱敏電阻器，其電阻隨溫度改變而變化。因此，這種識別熱敏電阻器能夠同時用來識別要充電的電池的類型並且監測電池的溫度。也可利用其它類型的電池識別機構。適宜的電池識別機構可包括射頻識別(RFID)機構，其中響應於激活信號(例如，無線電信號)，RFID裝置向充電器10傳達代表電池的容量、類型、電池的充電/健康狀態等的電信號。其它適宜的識別機構包括實施串行通信技術以識別電池的機構例如SmartBattery SMBus標準，從而通過串行數據通信接口將代表電池的容量和/或類型的識別數據傳達給充電電路108。在一些實施方案中，對充電電流的確定可以如下方式來進行測量可指示電池的容量和/或類型(例如，電池的DC充電電阻)的電池電特性中的至少一種。一種可基於電池的實測特性自適應地確定充電電流的示例性充電器裝置的發明詳述提供於題目為「Adaptive ChargerDevice and Method」的共同未決的美國專利申請11/775,987中，該專利申請的內容全文以引用方式併入本文。參見圖3，示出了示例性連接器配置300。在該配置300中，端子302a、304a、306、304b和302b為針，所述針適於以配合構型連接到位於連接器308上的相應端子302a』、304a』、306』、304b』和302b。端子302a和302b連接到充電電路108的第一電源端子310(例如，正電源端子)，並且端子304a和304b連接到充電電路108(圖I)的第二電源端子312 (例如，負電源端子)。端子306連接到充電電路314的端子314，所述充電電路的端子連接到充電電路108內的傳感電路(未示出)。在一個實施例中，充電電路108中的傳感電路傳感或識別器具112中的電池114的類型，如上所述。在器具112的側上，端子316a、318a、320、318b和316b為針，所述針適於以配合構型連接到位於連接器308』上的相應端子316a』、318a』、320』、318b』和316b，。端子316a和316b連接到電池114的第一電池端子322 (例如，正端子)，並且端子318a和318b連接到電池114的第二電池端子326 (例如，負端子)。ID電阻器「R」連接到端子320，並且其功能為如上所述。在一些實施例中，用以測量電池114兩端的電壓的傳感線可連接到基座裝置104上的連接器330的背面上的端子302a和304a，並且進一步連接到充電電路108的傳感器端子332和334。這些傳感器端子332和334可連接到例如上述的實施在充電電路108中的電壓傳感器電路。連接器308，308』為可逆的，即，連接器308，308』能夠以處於上位或下位的正確極性的電壓向電池114提供功率，所述上位和下位彼此轉過180度。配置300的一個優點是，連接器308和308』能夠以任何取向連接到基座裝置104和器具112上的連接器330，340，而不必注意匹配連接器中的相應端子。例如，連接器330能夠被連接成使得端子316a』、318a』、320』、318b』 和 316b 分別對應於端子 316b、318b、320、318a 和 316a。在具體實施中，在器具112的側上，連接器308』可具有僅3個針並且仍然以任何取向連接到器具112上的連接器340。例如，端子316a』和318a』可被架空，使得端子318b』和316b』承載全部功率。在一些實施例中，端子318b』和316b』可被架空，使得端子316a』和318a』承載全部功率。在一些具體實施中，可對連接器308和330實施類似的構型。在連接器中具有僅3個端子的一個優點是，高速率電纜對應於連接器端子僅需具有3根線而不是5根線。在一些實施例中，充電埠 116能夠被實施為對接底座結構以接納具有可再充電電池114的器具112。參見圖4，其示出了示例性對接底座400和可用電池操作的器具412諸如個人數字助理(PDA)，所述器具被構造成以與對接底座400配合的構型被接納。對接底座400包括如下端子，所述端子耦接到設置在可用電池操作的器具412上的相應端子。可按與如上所述類似的方式來實施用於對接底座400的端子連接方案。其它實施方案 已描述了本發明的許多實施方案。然而應當理解，在不脫離本發明的實質和範圍的條件下，可以進行各種修改。因此，其它實施方案在所述權利要求的範圍之內。
權利要求
1.一種雙重用途設備，所述設備包括 基座裝置，所述基座裝置包括 埠，所述埠用於向要充電的電池遞送充電電流；和 充電電路，所述充電電路設置在所述基座裝置中並與所述埠連通以使用從所述電池接收到的電池識別信息來確定所述電池的充電容量，並且基於所確定的充電容量向所述電池施加所述充電電流。
2.如權利要求I所述的雙重用途設備，其中所述埠向所述電池遞送所述充電電流，直至在預定的時間內在所述電池處達到預定的充電水平。
3.如權利要求2所述的雙重用途設備，其中所述預定的充電水平為所述電池的充電容量的至少90%，並且所述預定的時間小於約15分鐘。
4.如權利要求2所述的雙重用途設備，其中所述預定的充電水平為所述電池的充電容量的至少90%，並且所述預定的時間在5至15分鐘的範圍內。
5.如任一項前述權利要求所述的雙重用途設備，其中所述埠向所述電池遞送大於至少500mA的充電電流。
6.如任一項前述權利要求所述的雙重用途設備，其中所述埠向所述電池遞送至少15A的充電電流。
7.如任一項前述權利要求所述的雙重用途設備，其中在所述電池的端子處達到預定的電壓電平後，所述充電電路周期性地調節所述充電電流的大小以將所述電池的端子之間的所述電壓保持在所述預定的電壓電平。
8.如權利要求2所述的雙重用途設備，其中所述充電電流在所述預定的時間後終止。
9.如任一項前述權利要求所述的雙重用途設備，其中所述電池嵌入在電子器具內。
10.如任一項前述權利要求所述的雙重用途設備，其中所述基座裝置包括用於將具有電池的電子器具耦接到所述埠的連接器。
11.如權利要求10所述的雙重用途設備，其中所述連接器為能夠連接到不同類型的電子器具的通用連接器。
12.如權利要求10所述的雙重用途設備，其中所述連接器包括5針單極連接器。
13.如權利要求12所述的雙重用途設備，其中所述5針單極連接器包括具有充電針和至少一個識別針的可逆連接器。
14.如任一項前述權利要求所述的雙重用途設備，所述設備還包括 用於接納所述充電電路的所述基座裝置的隔室部分，隔室具有用於與所述充電電路連通的端子。
15.如權利要求14所述的雙重用途設備，其中所述埠由所述基座裝置的外殼支撐並位於所述外殼上。
全文摘要
本發明公開了一種雙重用途設備，所述設備包括基座裝置，所述基座裝置具有用於向要充電的電池遞送充電電流的埠、和充電電路，所述充電電路設置在基座裝置中並與埠連通以使用從電池接收到的電池識別信息來確定電池的充電容量，並且基於所確定的充電容量向電池施加充電電流。
文檔編號H02J7/00GK102859831SQ201180020388
公開日2013年1月2日 申請日期2011年4月21日 優先權日2010年4月23日
發明者J·T·鮑裡科夫, D·C·巴特森, G·M·辛德拉, A·卡普蘭, D·N·克萊恩, L·J·皮內爾, J·M·洛託多 申請人:吉列公司