CN102792590A - 具有通用充电输入的电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池，所述电池包括（图5）电池外壳，所述电池外壳包括用于提供输出电压的可再充电电池单元（220）、以及充电电路（215）。充电电路耦合到可再充电电池单元并且包括电压转换器以将对充电电路的输入电压转换为充电电压以对可再充电电池单元进行充电。

Description

具有通用充电输入的电池

背景技术

电池和燃料电池单元为通过电化学氧化和还原反应将化学能转换为电能的电化学装置。在可再充电系统的情形中，电池通过该过程的逆转过程来再充电。该类型的反应涉及电子通过电路从一种材料转移至另一种材料。尽管常常使用术语“电池”，但所指的基础电化学单元为“电池单元”。取决于期望的输出电压和容量，电池可包括串联或并联或既串联又并联连接的一个或多个电池单元。

可再充电电池可从各种电源充电，包括AC电源，例如使用AC/DC充电器；或在车辆中充电，例如使用插接到点烟适配器（CLA）中的DC/DC充电器；或使用便携式充电器。然而，从不同的电源充电需要每种电源的专用充电器。对多种充电器的需求增加了成本。携带用于单一装置的多种充电器也不方便，所述装置旨在从不同的电源充电。

可再充电电池通常从具有不同输出特性的不同的电源充电。

图1A-1C为方框图，其绘出了对装置110中的可再充电电池进行充电的不同电源。在图1A中，便携式装置110能够从AC电源101充电，例如使用AC/DC适配器102和充电电路108a。装置110也能够在车辆中充电，例如使用插接到点烟适配器（CLA）104中的DC/DC充电器和充电电路108b（图1B）。装置110也能够从便携式电源106例如便携式电池充电，所述电池使用充电电路108c（图1C）。一般来讲，充电电路108a-108c（总称108）彼此互不相同，并且取决于用于对装置110中的可再充电电池进行充电的电源，可包括不同的DC/DC转换器。DC/DC转换器108可产生多种经调节过的DC电压，例如3.3V、5V、12V，所述电压为用于功率管理控制器和在充电过程中所涉及的任选通信操作的供电电压。

发明内容

对多种充电器的需求增加了总系统的成本。此外，携带用于单一装置的多种充电器也不方便，所述装置旨在从不同的电源充电。通过在电池外壳或电池组中嵌置具有可再充电电池的充电电路，可消除用于对相同的可再充电电池进行充电的多种充电电路。这样，将外部电源简化成DC电源，从而在没有充电电路的情况下产生未调节的输出。在商业前沿上，使用者仅需购买电池中的一种充电电路而不是按所述不同的充电选项购买三种外部充电电路。在某个具体实施中，在与电池相同的单元中提供充电电路消除了对独立保护电路的需要，因为不存在使用错误充电器的可能性。

在一个方面，一种电池包括电池外壳，所述电池外壳包括用于提供输出电压的可再充电电池单元、以及充电电路。充电电路耦合到可再充电电池单元并且包括电压转换器以将对充电电路的输入电压转换为充电电压以对可再充电电池单元进行充电。

在另一方面，一种电池包括电池外壳，所述电池外壳包括用于提供输出电压的可再充电电池单元、以及耦合到可再充电电池单元的充电电路。充电电路包括用于控制充电电路的数字控制器、以及耦合到数字控制器的电压转换器。数字转换器被构造成转换对充电电路的输入电压以提供对可再充电电池单元进行充电的输出电压。

在另一方面，一种可再充电装置包括装置外壳，所述装置外壳包括具有集成充电电路的电池。该电池包括电池外壳，所述电池外壳包括用于提供输出电压的可再充电电池单元、以及耦合到可再充电电池单元的充电电路。充电电路包括数字控制器和电压转换器，所述电压转换器被构造成将输入电压转换为充电电压以用于对可再充电电池单元进行充电。

具体实施包括下列中的一个或多个。该电池可包括两者均由电池外壳支撑的充电端子和放电端子，充电端子连接到充电电路。该电池也可包括由电池外壳支撑的接地端子，接地端子连接到可再充电电池单元和充电电路两者。电池外壳的放电端子连接到可再充电电池单元的放电端子。充电电路被邻近地放置在电池外壳内部使得充电电路和可再充电电池单元之间的电压降（IR降）小于阈值。可再充电电池单元也可包括充电端子以将可再充电电池单元耦合到充电电路。充电电路中的电压转换器能够提供恒定电压或恒定电流输出。充电电路中的电压转换器为模拟转换器或数字转换器。该电池可包括数字微控制器单元以控制充电电路。电池的输入电压可介于9V和16V之间。电池的输入电压也可大体上等于12V。

电池被构造成接收由充电板提供的输入电压。电池的构造可对应于具有多个交变极性条的充电板。充电电路还可包括整流器以将交流电能转换为馈给电压转换器的大致直流电能。

装置外壳将电池封装在装置外壳的使用者可触及的或使用者不可触及的部分中。该装置可为手机。该装置可包括封装电池的可移除的后盖。该装置可包括可移除的后盖，所述后盖覆盖将电池封装在该装置中的隔室。

本发明的各方面允许例如手机、笔记本电脑等之类的装置具有内部充电器。这种与装置或电池整合的充电器允许装置通过通用充电输入接受充电。通用充电输入可被制造成与以下多种电源相容：例如AC电源、点烟适配器（CLA）、便携式充电装置和充电板。换句话讲，例如手机之类的装置能够从各种电源充电而无需不同的充电器。在一些具体实施中，使用具有各种电压和输出电流限制的定制AC/DC适配器的笔记本电脑能够与不同车辆或飞机中的12V CLA相容，从而消除了携带不同充电器的必要性。

可再充电电池通常从具有不同输出特性的不同的电源充电。图1A-1C为方框图，其绘出了对装置110中的可再充电电池进行充电的不同电源。参见图1A，便携式装置110能够从AC电源101充电，例如使用AC/DC适配器102和充电电路108a。装置110也能够在车辆中充电，例如使用插接到点烟适配器（CLA）104中的DC/DC充电器和充电电路108b。装置110也能够从便携式电源106例如便携式电池充电，所述电池使用充电电路108c。一般来讲，充电电路108a-108c（总称108）彼此不相同，并且取决于用于对装置110中的可再充电电池进行充电的电源，可包括不同的DC/DC转换器。DC/DC转换器108可产生多种经调节过的DC电压，例如3.3V、5V、12V，所述电压为用于功率管理控制器和在充电过程中所涉及的任选通信操作的供电电压。

本发明的电池组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。通过这些说明和附图并通过这些权利要求，其它特征、目标和优点将显而易见。

附图说明

图1A-1C为常规（现有技术）的可再充电电池充电方法的示意性方框图。

图2-3为示意图，其表示具有通用充电输入的电池。

图4A示出了充电板的一个实例。

图4B示出了被构造成使用充电板来充电的装置的一个实例。

图5为电池外壳的示意图。

具体实施方式

参见图2，其示出了具有通用充电输入的电池组或电池外壳208。电池外壳208被放置在装置210内。电池外壳被放置在装置的使用者可触及的或使用者不可触及的部分中。例如，在一些具体实施中，电池外壳能够与手机的可移除的后盖整合。电池外壳也可被放置在装置内，例如放置在其中电池被后盖遮掩的手机中。

在一些具体实施中，充电电路215（例如接收12V输入并且输出适用于可再充电电池220的充电电压/电流的充电电路）耦合到电池外壳208内的可再充电电池220和/或与其一起嵌置。充电电路215被构造成从不同电源接收输入。充电电路215被构造成接收由外部AC/DC转换器102提供的未经调节的输出，所述转换器继而连接到AC电源101。充电电路215也被构造成在不同的时间接收源自CLA电源104或便携式电源106的输入。便携式电源可为例如12V便携式功率电池。充电电路也可被构造成从充电板107例如源自Duracell（Bethel，CT）的

系统或源自PureEnergy Solutions Inc.（Boulder，CO.）的

系统接收充电输入。

在一些具体实施中，充电电路被构造成从其它充电器或充电电路例如USB端口、感应充电器或太阳能充电器接收充电输入。充电电路被构造成从所述不同电源接收不同的输入电压并且将它们转换为适用于对电池220进行充电的充电电压/电流。例如，CLA电源104可提供12V输入，而充电板可提供15V电力。在一些具体实施中，装置210具有不同的仓室或连接器，所述仓室或连接器能够用来将装置210耦合到所述各种充电电源。装置210上的连接器（无论它们的形式和类型如何）将所述各种输入电源耦合到充电电路215。

在一些具体实施中，装置210设有专用连接器以从充电板107例如

充电板接收充电输入。这种充电板107的一个实例示出于图4A中。在一些具体实施中，充电板107包括交变极性条400。装置210能够被简单地放置在充电板107上以便对其进行充电。在一些具体实施中，装置210被改进成从充电板107接收充电输入。这种装置210的一个实例示出于图4B中。在一些具体实施中，装置210包括专用连接器401，所述专用连接器被构造成从充电板107的条400接收充电输入。

电池220为一个或多个可再充电电化学单元或电池单元的组合，所述电池在放电之后能够通过以下方式被再充电至它们的初始状况：使电流在与放电电流方向相反的方向上穿过它们。如果在电池220中存在多个电池单元，则这些电池单元能够串联或并联地彼此连接。在一些具体实施中，电池220（或电池单元）可包括：i）阳极或负极—还原电极或燃料电极—其向外部电路提供电子因而在电化学反应期间被氧化；ii）阴极或正极—氧化电极—其从外部电路接收电子因而在电化学反应期间被还原；和iii）电解质—离子导体—其在电池单元内提供用于在阳极和阴极之间转移电荷例如离子的介质。电解质通常为液体，例如水或其它溶剂，其具有溶解的盐、酸或碱以赋予离子导电性。在一些具体实施中，电池220可包括固体或气体电解质，这些电解质在电池单元的运行温度下为离子导体。在一些具体实施中，可再充电电池220可包括锂离子电池单元，所述锂离子电池单元具有石墨阳极材料或钛酸锂阳极材料、以及磷酸铁锂阴极材料，它们适于使基于此类材料的可再充电电池能够快速再充电。一般来讲，电池220为电能的蓄能装置因而也称为“蓄电池”或“蓄能器”。可再充电电池有时候被称为二次电池。除了它们的再充电能力以外，二次电池的特征还在于高功率密度、高放电速率、平缓的放电曲线和良好的低温性能。

装置210可为任何使用电池的电子装置。例如，装置210可包括但不限于手机、电动剃刀、电动牙刷、个人数字助理（PDA）、数字照相机、音频装置、膝上型计算机、多媒体装置。

现在参见图3，充电电路215可包括充电控制器电路312。在一些具体实施中，充电控制器312被构造成监测用于包括例如圆柱电池、棱柱电池和纽扣单元电池在内的不同类型的二次电池或可再充电电池的充电电流。

最有潜力的二次电池中的一种包括锂离子（Li离子）电池，因为它们比大多数其它类型的可再充电电池具有更高的能量密度，这导致尺寸较紧凑且重量较轻。然而，如果锂离子二次电池被过度充电，则锂离子会在负极作为锂金属分离出来。在最坏的情况下，电池甚至可能会冒烟、着火或爆炸。在另一方面，如果电池被过度放电，则内部的电极易于发生少量的短路或容量劣化。当正极和负极短路时，可产生过电流而导致异常发热。为了防止过度充电、过度放电和短路（过电流），锂离子二次电池一般设有用以监测这些异常状态的保护功能和用以防止所述异常状态的开关。

充电控制器电路312被构造成提供这种保护功能。在此类情况下，充电控制器电路312也能够监测电池单元温度以防止温度过高。使用充电控制器电路312来提供保护功能以如下方式消除了对锂离子电池通常所需的外部保护板的必要性：在该电池组中提供相同的水平的保护。

在一些具体实施中，充电控制器电路312或充电电路215包括控制器，所述控制器测定施加给电池220的充电电流并且使所测定的充电电流被施加给电池220。控制器使充电电流在经过指定或预定时间段之后被终止。在一些具体实施中，控制器被构造成一旦达到预定电池电压或充电水平就使充电电流终止。在一些具体实施中，对充电电流的测定通过以下方式进行：使用例如传达表示电池220的容量和/或类型数据的识别机构来识别电池220的容量和/或类型。

控制器可为例如微处理器、微控制器单元（MCU）、数字信号处理器（DSP）、可编程的逻辑单元、或它们的组合。控制器可包括被构造成存储软件的易失和/或非易失存储元件，所述软件包含使得能够进行充电电路的一般操作的计算机指令、以及用以对电池220进行充电操作的具体实施程序。

充电控制器电路312可包括被构造成从传感器接收信号的模拟-数字（A/D）转换器，所述传感器耦合到电池220，例如用于调节和控制充电操作的电压传感器。充电控制器电路312还可包括附加电路，所述附加电路包括但不限于：数字-模拟（D/A）转换器、脉冲宽度调制器（PWM），它们接收由充电控制器电路312生成的数字信号并且相应地生成电信号，所述电信号调节开关电路例如降压转换器。在一些具体实施中，充电电路215包括整流器，所述整流器被构造成将对充电电路的交流（AC）输入转换为直流（DC）输入。然后源自整流器的直流输出可被馈给DC/DC电压转换器310。

在一些具体实施中，充电控制器电路312提供任选的DC/DC调节。控制器也能够经济地控制附加充电功能，包括恒定电压（CV）和恒定电流（CC）控制、定时器、最大电压、最大电流和温度范围保护。如果需要，控制器也能够被构造成有利于进行通信，所述通信相关于用装置210识别电池或相关于外部电源。在一些具体实施中，控制器可被重新编程以用于不同的电池化学组成、尺寸、容量和电压、以及用于电池组的具体实施。

在一些具体实施中，充电电路215包括DC/DC转换器310。该转换器可为模拟转换器或数字转换器。转换器310能够接收一定范围内的输入电压并且提供对电池220进行充电所需的充电电压。在一些具体实施中，转换器310能够接收12V输入（优选地具有9至16V输入电压范围以便与CLA相容）。DC/DC转换器310可为功率电子电路以提供经调节过的输出。例如，转换器可提供升压后的电压水平、降压后的电压水平或大约相同水平的经调节过的电压。DC/DC转换器310的功率密度可比AC/DC转换器102高一个数量级。这允许在电池中结合相当紧凑的DC/DC转换器，所述转换器为电池220提供给定输出特性，例如CC-CV特征图，或简单地讲最大电压和电流限制。

在一些具体实施中，可再充电电池220使用双速率充电序列，其中电池220初始时以较快速率充电一段时间，然后一旦电池220达到预定充电水平就切换至较慢充电速率（也称为“滴流”充电速率）。快速充电序列通过以下方式终止：检测电池电压对时间曲线中的拐点或温度对时间曲线中的拐点，或当电池达到指示滴流充电速率开始的某个恒定电流/恒定电压（CC-CV）时。锂离子电池通常通过使用CC-CV方法来充电，其中电池以固定的电流速率充电直至预定的电压，随后切换至滴流充电速率。所述预定的电压一般由各制造商结合电池容量和电池循环寿命来指定。

在一些情况下，电池220能够承受具有恒定输出电压的DC/DC转换器310所能够提供的最大充电电流。在该情况下，仅恒定电压（CV）操作而不是恒定电流/恒定电压（CC/CV）操作能够导致较快的充电以及电路和固件（如果可得的话）的简化。在此类情况下，充电电流仅受到电池内阻的限制。在一些具体实施中，由于电池和充电器的均衡性，输出电压将会随时间的推移逐渐减小，从而提供可能的最快充电。在锂离子化学组成的情形中，不需要充电终止，因为最大充电电压被选择为用于连续操作的安全值。

现在参见图5，示意图示出了包含电池220和充电电路的电池外壳208的细节。在一些具体实施中，电池外壳208包括放电端子402、充电端子404和接地端子412。充电电路215包括输入端子405、输出端子407和接地端子410a。电池外壳的充电端子404连接到充电电路215的输入端子405。充电电路215的接地端子410a连接到电池外壳208的接地端子412。电池220也包括充电端子408、放电端子406和接地端子410b。充电端子408连接到充电电路215的输出端子。在一些具体实施中，电池220和充电电路215被放置得彼此足够邻近使得沿连接端子407和408的连接器的电压降被最小化。在一些具体实施中，所述邻近性基于电压降的阈值来测定。电池的放电端子406连接到电池外壳的放电端子402。

其它实施方案在以下权利要求书的范围之内。

Claims (15)

1.一种电池，所述电池包括：

电池外壳，所述电池外壳包括：

充电端子输入；

用于提供输出电压的可再充电电池单元；和

耦合到所述可再充电电池单元的充电电路，所述充电电路包括：

电压转换器，所述电压转换器耦合到所述充电端子输入以将所述充电端子输入处的输入电压转换为充电电压以对所述可再充电电池单元进行充电。

2.如权利要求1所述的电池，所述电池还包括：

由所述电池外壳支撑的第一充电端子，所述第一充电端子连接到所述充电电路；

由所述电池外壳支撑的放电端子；和

由所述电池外壳支撑的接地端子，所述接地端子连接到所述可再充电电池单元和所述充电电路两者。

3.如权利要求2所述的电池，其中所述电池外壳的放电端子连接到所述可再充电电池单元的放电端子。

4.如权利要求2所述的电池，其中所述第一充电端子被构造成从下列中的一种接收所述输入电压：车辆适配器、壁式适配器、USB端口、便携式充电器、感应充电器、太阳能充电器和充电板。

5.如权利要求2所述的电池，其中所述可再充电电池单元还包括第二充电端子以将所述可再充电电池单元耦合到所述充电电路。

6.如任一项前述权利要求所述的电池，其中所述充电电路被邻近地放置在所述电池外壳内部使得所述充电电路和所述可再充电电池单元之间的电压降小于阈值。

7.如任一项前述权利要求所述的电池，其中所述充电电路中的电压转换器提供恒定电压输出。

8.如权利要求7所述的电池，其中所述充电电路中的电压转换器为模拟转换器和数字转换器中的一种。

9.如权利要求7所述的电池，其中所述充电电路中的电压转换器还提供恒定电流输出。

10.如任一项前述权利要求所述的电池，所述电池还包括数字控制器以控制所述充电电路。

11.如任一项前述权利要求所述的电池，其中所述输入电压介于9V和16V之间。

12.如任一项前述权利要求所述的电池，其中所述输入电压大体上等于12V。

13.如任一项前述权利要求所述的电池，其中所述电池被构造成接收由充电板提供的输入电压。

14.如权利要求13所述的电池，其中所述电池的构造对应于具有多个交变极性条的充电板。

15.如任一项前述权利要求所述的电池，其中所述充电电路还包括整流器以将交流电能转换为馈给所述电压转换器的大致直流电能。

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