CN102859831A - 内置充电器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双重用途设备，所述设备包括基座装置，所述基座装置具有用于向要充电的电池递送充电电流的端口、和充电电路，所述充电电路设置在基座装置中并与端口连通以使用从电池接收到的电池识别信息来确定电池的充电容量，并且基于所确定的充电容量向电池施加充电电流。

Description

内置充电器

背景技术

本公开涉及一种内置充电器。

电池由电源充电，所述电源提供恒定电流并随后提供恒定电压（CC/CV），其中从恒定电压交越至恒定电流；取决于电池的化学组成，对于锂离子可再充电电池来讲所述恒定电压为大约4.2V。为了在给定的时段内对可再充电电池进行充电，并且为了避免因施加不正确的充电电流而损害电池，用某种电池充电算法来仔细且精确地调节该充电装置的充电机构。不同类型的可再充电电池具有需要不同水平的充电电流的不同的容量。因此，该算法可收集关于可再充电电池容量的信息以使得充电操作能够在特定的时段内完成并避免损害可再充电电池。

发明内容

以举例的方式，膝上型电脑或台式电脑上的通用串行总线（“USB”）端口可向电子器具提供功率并且对该器具中的可再充电电池进行充电。该电子器具将需要控制充电算法以确保其可再充电电池不受损害。此外，流过USB端口的充电电流通常限于小电流，例如500mA。因此，通过USB端口进行充电可需要较长的时间。如果使用者未事先计划好而确保器具的电池已经充过电且随时可用，则用于将电池再充电的时间会使得该器具在需要使用的时候不可使用。

一般来讲，在一个方面，一种双重用途设备包括基座装置，所述基座装置具有用于向要充电的电池递送充电电流的端口、和充电电路，所述充电电路设置在基座装置中并与端口连通以使用从电池接收到的电池识别信息来确定电池的充电容量，并且基于所确定的充电容量向电池施加充电电流。

该方面可包括下列一个或更多个特征。

端口向电池递送充电电流，直至在预定的时间内在电池处达到预定的充电水平。预定的充电水平为电池充电容量的至少90%，并且预定的时间小于约15分钟。预定的充电水平为电池充电容量的至少90%，并且预定的时间在5至15分钟的范围内。

在一种具体实施中，端口能够向电池递送大于至少500mA的充电电流。在一些实施例中，端口能够向电池递送至少15A的充电电流。

在电池的端子达到预定的电压电平后，充电电路周期性地调节充电电流的大小以将电池的端子之间的电压保持在预定的电压电平。在预定的时间后，充电电流终止。

电池嵌入在电子器具内。基座装置包括连接器，所述连接器用于将具有电池的电子器具耦接到端口。连接器可为能够连接到不同类型的电子器具的通用连接器。

连接器可包括5针单极连接器。所述5针单极连接器可包括具有充电针和至少一个识别针的可逆连接器。

在另一方面，一种双重用途设备包括基座装置，所述基座装置具有外壳；充电电路，所述充电电路基于从电池接收到的识别信息来确定要充电的电池的容量并基于该信息向电池施加充电电流；用于接纳充电电路的基座装置的外壳的隔室部分，隔室具有用于与充电电路连通的端子；和连接到充电电路的用于与电池连通的充电端口。这方面的实例可包括充电端口，所述充电端口由基座装置的外壳支撑并位于所述外壳上。

该设备的一些优点为如下。充电端口、以及高充电速率电缆和连接器为通用的快充电速率设备，所述设备允许不同的器具连接到相同的充电端口，因此消除了旅行时携带多种充电器的必要性。这些器具被快速充电，即，在5至15分钟内充电完毕，因此使得这些器具在充电后几乎立即可用。所述高充电电流（例如，大于至少500mA）提供了对高充电速率装置进行快速充电的能力。

本发明的一个或更多个实施方案的细节阐述于附图和以下说明中。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。

附图说明

图1A和1B为具有内置充电电路的实例双重用途设备或装置的示意图。

图2和3为实例内置充电电路配置的示意图。

图4为用以接纳可用电池操作的器具的对接底座实例的视图。

具体实施方式

参见图1A-B，示出了包括充电电路108的基座装置104例如膝上型单元或台式单元，所述充电电路用于向电子器具112中的一个或更多个可再充电电池114递送充电电流。本文将要描述的是一种独特类别的设备，在此处称作“双重用途设备”（例如，设备102），其包括基座装置104，所述基座装置除了一种或更多种通常的用途以外还具有对其它器具112（它们包括可再充电电池114）进行充电的能力，同时仍然能够实现其通常的用途。例如，图1A的双重用途设备102能够用作膝上型计算装置，并且也能够对一个或更多个器具112进行充电。充电电路108递送用于对电池114进行充电的至多例如6A的充电电流，如下文所详述。在膝上型电脑或台式电脑中，充电电路108可具有与膝上型电脑单元或台式电脑单元的其它内部组件类似的功率要求。例如，膝上型电脑或台式电脑中的内部组件可额定为12V，5V，或3.3V。被实施为例如LiFePO4电池充电电路的充电电路108通常额定为3.9V。由于所述类似的功率要求的缘故，在双重用途设备102中，能够通过最小程度地改造基座装置104中的内部电路而将充电电路108添加到基座装置104中。例如，可将如下DC-DC降压转换器添加到基座装置104的内部电路中，所述DC-DC降压转换器能够将5V降至LiFePO4电池充电电路所需的3.9V。

充电电路108通过基座装置104上的充电端口116向器具112递送充电电流。如图所示，器具112通过例如（公或母）连接器113和高充电速率电缆120连接到充电端口116。在一些具体实施中，充电端口116包括3针输出母（或公）连接器，所述连接器具有例如两个功率针和一个识别针。充电端口116位于例如计算机的后面板上以与高充电速率电缆120连接。在一些实施例中，充电端口116包括5针单极连接器。

作为另外一种选择，充电端口116能够被实施为充电座，所述充电座包括用于将充电端口116中的端子连接到器具112中的电池114的触点。在一些具体实施中，电池端子能够直接暴露于对接底座触点以最小化充电器电路108的输出和电池114之间的任何电阻。电池ID也能够用来防止用过大的电流对常规低速率锂离子电池进行充电。

在下述实施例中，器具112可为具有一个或更多个电化学电池114的任何电子装置。例如，器具112可具有下列中的任何一种：例如，便携式数字照相机、个人数字助理、或手机。在一些具体实施中，器具112可为外部电池盒，所述电池盒被构造成从充电电路108向电池114递送充电电流。

充电电路108为一种模拟的和/或数字控制的充电电路。在一些实施例中，充电电路108为一种超高功率充电电路，其能够通过充电端口116和高充电速率电缆120递送大于至少500mA的充电电流。在一些实施例中，充电电路108能够通过充电端口116并通过高充电速率电缆120递送至多至少达15A的充电电流。例如，充电电路108能够提供充电电流。充电电路108可为用于对电化学电池单元进行充电的任何电路。一个充电电路108实例可为如下专利申请所述的充电电路中的任何一个：题目为“Fast Battery Charger Device andMethod”的共同未决的美国专利申请11/776,021和题目为“Ultra Fast BatteryCharger with Battery Sensing”的共同未决的美国专利申请11/776,261，这两个专利申请的内容均全文并入本文。

在一种具体实施中，双重用途设备102包括具有外壳121的基座装置104。外壳可包括隔室部分122。充电电路108被构造成接纳在隔室122中，并且可与基座装置104分离。即，充电电路108能够作为消费者可替换的单元（CRU）或现场可替换单元（FRU）被移除和交换。隔室122具有端子（未示出），所述端子将AC功率从外部AC电源125提供到充电电路122。在其它实施例中，充电电路108被整合进基座装置104的电路中，并且不能够与基座装置104分离。

电池114包括二次电化学电池单元（或电池）电池单元。存在两种类型的电池单元。一次电化学电池意味着仅放电（例如至耗尽）一次，然后被废弃。一次电池单元通常不旨在被再充电。一次电池描述于例如David Linden的Handbook ofBatteries（McGraw-Hill，第2版，1995）中。

二次电化学电池可被再充电许多次，例如，超过五十次，超过一百次，或更多次。在一些情况下，二次电池单元包括相对坚固的分隔体，诸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。二次电池单元描述于例如Falk&Salkind的“Alkaline Storage Batteries”（John Wiley&Sons，Inc.1969）和美国专利公开345,124中；这两个文献据此均以引用方式并入本文。在本文所述的实施方案中，电池114包括二次电池、或可再充电电池。

电池114包括锂离子电池单元，所述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，它们适于使得基于此类材料的可再充电电池能够快速地再充电。在一些实施例中，充电电路108还被构造成对不同类型的电池114进行充电，包括例如圆柱形电池、棱柱形电池、和/或按钮电池单元电池。

基座装置104可为由AC电源125供电的任何电子装置（至少用于其操作的一部分），例如，按额定85V-265V和50Hz-60Hz提供功率的电源，其为内部AC/DC模块130供电。AC/DC模块130将AC功率转换为低DC电压（例如，5-24V），并且例如将该低DC电压馈送给例如DC-DC转换器以提供适用于为基座装置104的内部电路供电的水平。除了由AC/DC模块130供电以外，当基座装置104不连接到电源125时，装置104通常也由一个或更多个电化学电池单元（未示出）来供电。

基座装置104上的单一充电端口116能够通过如下方式被构造成向多个器具112提供充电电流：两个或更多个附加端口从单一充电端口116引出以连接器具112。作为另外一种选择，基座装置104可包括多个充电端口116以同时向多个器具112提供充电电流。充电端口116能够由基座装置104的外壳121支撑并且例如位于所述外壳上。

除了向器具112提供充电电流以外，高充电速率电缆120也可提供操作器具112所需的操作功率例如DC功率。例如，便携式音乐装置例如MP3播放器能够通过高充电速率电缆120从基座装置104中的AC/DC模块130获取操作DC功率。

现在参见图2，实例双重用途设备200包括具有充电电路108的基座装置104。双重用途设备200通过如图所示的充电端口耦接到器具112。充电电路108被构造成接纳在基座装置104中的隔室122中。AC电源125连接到隔室122中的端子123，所述端子继而连接到充电电路108上的AC功率端口204。充电电路108的充电端子214a和214b分别通过具有连接器131、131’的高充电速率电缆120电耦接且机械耦接到器具112中的电池114的电池功率端子218a和218b。传感端子216a和216b分别通过高充电速率电缆120和连接器131、131’电耦接且机械耦接到器具112中的电池114的电池传感端子220a和220b。位于基座装置104上的端子214a、214b、222、216a和216b电耦接且机械耦接到充电电路108上的类似端子219。

端子218a、218b、224、220a和220b为针，所述针适于以配合构型连接到位于连接器131’中的相应端子218a’、218b’、224’、220a’和220b’。同样地，端子214a、214b、224、216a和216b为针，所述针适于以配合构型连接到位于连接器131中的相应端子214a’、214b’、224、216a’和216b’。在一些实施例中，端子218a和218b（以及220a、220b和224）可电连接且机械连接到相应的端子，所述端子在位于器具112上的（公或母）连接器上（未示出）。因此，在一些实施例中，连接器131’可连接到器具112上的连接器。

充电电路108确定要施加到电池114的适当的充电电流，并且将该充电电流通过充电端子214a和214b施加给电池114的端子218a和218b。

在具体实施中，电压传感器（未示出）电耦接到在基座装置104处的传感端子216a和216b。电压传感器测量在电池传感端子220a和220b处的电压，所述电压对应于在电池114的电池功率端子218a和218b处的电压。基于该实测电压，充电电路108对施加到电池114的充电电压和/或电流进行一次或多次调节，以便充电电路108根据电池114的预定充电特征完成对电池114的充电，例如，在小于15分钟内获得80-90%的充电容量。

如上所述，充电电路108对具有不同容量的电池114进行充电。充电电路108根据可再充电电池114的容量施加不同水平的充电电流。就这一点而言，充电电路108包括确定电池114的容量的能力，所述电池连接到充电电路108。基于所确定的电池容量，充电电路108确定要施加到电池114的电流水平，使得电池114的预定充电量（例如，90%容量）能够在预定的时间内（例如，大约5分钟）内达到。为了获得这种充电性能，需要对应于大约10-15C的充电电流，其中1C为对应于可致使可再充电电池114在1小时内充电完毕的充电电流的充电速率，而12C为对应于可致使可再充电电池114在5分钟（即，1小时的1/12）内充电完毕的充电电流的充电速率。

通常，可再充电电池114的容量在50mAh至3Ah的范围内，其中“Ah”为电池容量的单位，安培小时。也可适用于其它容量。因此，例如，为了以12C的充电速率（即，在大约五分钟内）将500mAh容量的电池充电至大于全容量的90%，需要大约6A的充电电流（即，6A*1/12小时=500mAh）。在另一方面，为了以12C的充电速率对700mAh的电池进行充电，需要大约8.5A的充电电流。

充电电路108也被构造成控制充电过程。此类控制可包括例如调节施加到电池114的电压和/或电流。例如，充电电路108能够被构造成确保将电池114在某个时段内充电至其预定的充电水平。此外，充电电路108还能够被构造成确保电池的电压不超过预定的上限电压上限。在一些实施例中，充电电路108也可被构造成确保电压增加速率符合指定的充电特征（例如，充电速率被编程而在充电操作的第一数分钟内以预定速率增加），所述电压增加速率即电池114的充电端子处的电压随充电操作进程而增加的速率。

控制充电过程需要监测在电池功率端子218a和218b处的电压。然而，由于基座装置104的充电端子214a和214b具有不可忽略的电阻，因此耦接到充电端子214a和214b的电压传感装置将包括由在充电端子214a和214b处的电压降所造成的误差。为了减小电压测量的不准确性所产生的影响，提供一组独立的专用端子即传感端子216a和216b以测量电池114的电压。充电器10的传感端子216a和216b不同于基座装置104的充电端子214a和214b，所述传感端子在电池和充电电路108之间提供不同的充电和电压传感通路以在测量电池114的电压时减小电压测量误差。电池功率端子218a和218b与电池传感端子220a和220b电气连通。因此，传感端子216a和216b处的电压测量值对应于在电池功率端子218a和218b处的电压。

在一些实施例中，附加端子（即，识别端子222）能够用来确定电池114的容量和/或其它相关信息。识别端子222机械耦接且电耦接到相应的电池识别端子224。电池识别端子224与电池114中的识别机构226电气连通。识别机构226向充电电路108提供识别信息，所述信息代表电池的容量、类型、型号和/或与要对可再充电电池12执行的充电操作有关的其它数据。基于从电池12接收到的识别信息，充电器10确定要施加到电池12上的充电电流。

电池识别机构226的一个实例为电池识别电阻器228，所述电阻器具有代表电池114的相应容量、类型和/或型号的电阻值。识别电阻器228可设置在电池114的壳体内部，或可设置在电池114的外部上。

识别电阻器228电耦接到电池114的电池功率端子218b和电池传感端子220b。在由基座装置104的端子222向电池114的电池识别端子224施加电流或电压时，在电池114的端子218b和224之间形成闭合电通路，从而导致电流流过识别电阻器228。为了获取代表电池的容量和/或身份的信息，充电电路108将预定测试电流I_测试施加到识别电阻器228上。识别电阻器228两端的电压降V_R1利用耦接到端子222的电压传感器来测量。在识别电阻器228处的实测电压降被传达给充电电路108，所述充电电路使用该实测电压根据关系式R1=V_R1/I_测试来计算识别电阻器226的电阻。

对应于ID电阻器26的计算出的电阻R1随后可用作访问查找表的关键量，所述查找表存有关于电池类型和容量的相关数据的多个不同的电阻值中的每个值。此类数据也可包括允许施加到电池上的充电电流值、和/或可与充电过程密切相关的其它信息。作为另外一种选择，可使用测量的电压V_R1来访问查找表。在一些实施方案中，识别电阻器228为热敏电阻器，其电阻随温度改变而变化。因此，这种识别热敏电阻器能够同时用来识别要充电的电池的类型并且监测电池的温度。

也可利用其它类型的电池识别机构。适宜的电池识别机构可包括射频识别（RFID）机构，其中响应于激活信号（例如，无线电信号），RFID装置向充电器10传达代表电池的容量、类型、电池的充电/健康状态等的电信号。其它适宜的识别机构包括实施串行通信技术以识别电池的机构例如SmartBattery SMBus标准，从而通过串行数据通信接口将代表电池的容量和/或类型的识别数据传达给充电电路108。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。一种可基于电池的实测特性自适应地确定充电电流的示例性充电器装置的发明详述提供于题目为“Adaptive ChargerDevice and Method”的共同未决的美国专利申请11/775,987中，该专利申请的内容全文以引用方式并入本文。

参见图3，示出了示例性连接器配置300。在该配置300中，端子302a、304a、306、304b和302b为针，所述针适于以配合构型连接到位于连接器308上的相应端子302a’、304a’、306’、304b’和302b。端子302a和302b连接到充电电路108的第一电源端子310（例如，正电源端子），并且端子304a和304b连接到充电电路108（图1）的第二电源端子312（例如，负电源端子）。端子306连接到充电电路314的端子314，所述充电电路的端子连接到充电电路108内的传感电路（未示出）。在一个实施例中，充电电路108中的传感电路传感或识别器具112中的电池114的类型，如上所述。在器具112的侧上，端子316a、318a、320、318b和316b为针，所述针适于以配合构型连接到位于连接器308’上的相应端子316a’、318a’、320’、318b’和316b’。端子316a和316b连接到电池114的第一电池端子322（例如，正端子），并且端子318a和318b连接到电池114的第二电池端子326（例如，负端子）。ID电阻器“R”连接到端子320，并且其功能为如上所述。

在一些实施例中，用以测量电池114两端的电压的传感线可连接到基座装置104上的连接器330的背面上的端子302a和304a，并且进一步连接到充电电路108的传感器端子332和334。这些传感器端子332和334可连接到例如上述的实施在充电电路108中的电压传感器电路。

连接器308,308’为可逆的，即，连接器308,308’能够以处于上位或下位的正确极性的电压向电池114提供功率，所述上位和下位彼此转过180度。配置300的一个优点是，连接器308和308’能够以任何取向连接到基座装置104和器具112上的连接器330,340，而不必注意匹配连接器中的相应端子。例如，连接器330能够被连接成使得端子316a’、318a’、320’、318b’和316b分别对应于端子316b、318b、320、318a和316a。

在具体实施中，在器具112的侧上，连接器308’可具有仅3个针并且仍然以任何取向连接到器具112上的连接器340。例如，端子316a’和318a’可被架空，使得端子318b’和316b’承载全部功率。在一些实施例中，端子318b’和316b’可被架空，使得端子316a’和318a’承载全部功率。在一些具体实施中，可对连接器308和330实施类似的构型。在连接器中具有仅3个端子的一个优点是，高速率电缆对应于连接器端子仅需具有3根线而不是5根线。

在一些实施例中，充电端口116能够被实施为对接底座结构以接纳具有可再充电电池114的器具112。参见图4，其示出了示例性对接底座400和可用电池操作的器具412诸如个人数字助理（PDA），所述器具被构造成以与对接底座400配合的构型被接纳。对接底座400包括如下端子，所述端子耦接到设置在可用电池操作的器具412上的相应端子。可按与如上所述类似的方式来实施用于对接底座400的端子连接方案。

其它实施方案

已描述了本发明的许多实施方案。然而应当理解，在不脱离本发明的实质和范围的条件下，可以进行各种修改。因此，其它实施方案在所述权利要求的范围之内。

Claims (15)

1.一种双重用途设备，所述设备包括：

基座装置，所述基座装置包括：

端口，所述端口用于向要充电的电池递送充电电流；和

充电电路，所述充电电路设置在所述基座装置中并与所述端口连通以使用从所述电池接收到的电池识别信息来确定所述电池的充电容量，并且基于所确定的充电容量向所述电池施加所述充电电流。

2.如权利要求1所述的双重用途设备，其中所述端口向所述电池递送所述充电电流，直至在预定的时间内在所述电池处达到预定的充电水平。

3.如权利要求2所述的双重用途设备，其中所述预定的充电水平为所述电池的充电容量的至少90%，并且所述预定的时间小于约15分钟。

4.如权利要求2所述的双重用途设备，其中所述预定的充电水平为所述电池的充电容量的至少90%，并且所述预定的时间在5至15分钟的范围内。

5.如任一项前述权利要求所述的双重用途设备，其中所述端口向所述电池递送大于至少500mA的充电电流。

6.如任一项前述权利要求所述的双重用途设备，其中所述端口向所述电池递送至少15A的充电电流。

7.如任一项前述权利要求所述的双重用途设备，其中在所述电池的端子处达到预定的电压电平后，所述充电电路周期性地调节所述充电电流的大小以将所述电池的端子之间的所述电压保持在所述预定的电压电平。

8.如权利要求2所述的双重用途设备，其中所述充电电流在所述预定的时间后终止。

9.如任一项前述权利要求所述的双重用途设备，其中所述电池嵌入在电子器具内。

10.如任一项前述权利要求所述的双重用途设备，其中所述基座装置包括用于将具有电池的电子器具耦接到所述端口的连接器。

11.如权利要求10所述的双重用途设备，其中所述连接器为能够连接到不同类型的电子器具的通用连接器。

12.如权利要求10所述的双重用途设备，其中所述连接器包括5针单极连接器。

13.如权利要求12所述的双重用途设备，其中所述5针单极连接器包括具有充电针和至少一个识别针的可逆连接器。

14.如任一项前述权利要求所述的双重用途设备，所述设备还包括：

用于接纳所述充电电路的所述基座装置的隔室部分，隔室具有用于与所述充电电路连通的端子。

15.如权利要求14所述的双重用途设备，其中所述端口由所述基座装置的外壳支撑并位于所述外壳上。

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