CN106716817A - 用于便携式电子设备的电池充电器和使用所述电池充电器的便携式电子设备 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于便携式电子设备的电池充电器(10)和一种便携式电子设备(12)。在一个实施例中，外壳(30)形成便携式电子设备(12)的外部壳体(16)的一部分。电容器位于外壳(30)内，该电容器包括其上具有接触段(74、76、78、80)的相对的间隔的板(66、68、70、72)。输出功率增大的电阻流体(82)保持在包封腔室内并且部分填充由接触段(74，76，78，80)划界的包封腔室。
Description
技术领域
本发明总体上涉及电池充电器，更具体而言，涉及产生电荷的电池充电器，该电池充电器恢复例如智能电话等便携式电子设备的电池的能量。
背景技术
所有的便携式电子设备，例如智能电话等都依赖于蓄电池提供工作功率。由于便携式电子设备的物理尺度和重量必须限于许可可接受的便携性，所以电池容量同样受到严重限制。因此，需要用于提供改进的电池容量的改进的系统和方法。
发明内容
提高便携式电子设备，例如智能电话中的电池容量是有利的。还希望启用机械到电的转换方案，这会将运动转换成电能，之后电能被转移到便携式电子设备的电池。为了更好地解决这些关注中的一个或多个，公开了一种用于便携式电子设备的电池充电器和使用所述电池充电器的便携式电子设备。在电池充电器的一个实施例中，外壳形成便携式电子设备的外部壳体的一部分。电容器可以是超级电容器，位于外壳之内，且一对电容器的每个都包括其上具有接触段的相对的间隔板。输出功率增大的电阻流体保持在之内并部分填充接触段划界的包封腔室。响应于所述便携式电子设备的运动，输出功率增大的电阻流体和接触段之间诱发的相对运动改变所述包封腔室之内的流体-接触段的接触，由此使得所述一对电容器之间的电容反向交替，并且通过摩擦生电方式产生电荷。耦合到相对分隔板的电子电路被配置成向与便携式电子设备相关联的电池转移电荷。
在另一方面中，便携式电子设备包括外壳、安装到其上的交互式显示接口和容纳于外壳之内的电池。上述电池充电器位于外部壳体之内。便携式电子设备的运动导致输出功率增大的电阻流体相对于一对电容器发生物理位移，由此利用摩擦生电，生成电荷，电荷储存于连接到电池的电蓄能器中。本发明的这些和其他方面将从下文描述的实施例变得显而易见并参考其加以阐述。
附图说明
为了更完整地理解本发明的特征和优点，现在连同附图一起参考本发明的具体实施方式，在附图中，不同图中对应的数字指示对应的部分，其中：
图1A是采用根据本文给出的教导的电池充电器的便携式电子设备的一个实施例的前透视图；
图1B是采用图1A中绘示的电池充电器的便携式电子设备的侧面正视图；
图2是图1A中绘示的电池充电器的一个实施例的示意性透视图；
图3是形成图2的电池充电器的一部分的静电能量发生器的一个实施例的更详细截面侧视图；
图4是形成电池充电器一部分的静电能量发生器另一个实施例的截面侧视图；以及
图5是绘示电能产生过程的一个实施例的过程状态图。
具体实施方式
尽管下文详细论述了本发明各实施例的制造和使用，但应当认识到，本发明提供了很多适用的发明构思，它们可以在各种具体语境中被体现。本文论述的具体实施例仅仅例示制造和使用本发明的具体方式，并不限定本发明的范围。
首先参考图1A和1B，绘示了电池充电器的一个实施例，其被示意性例示和指定为10。电池充电器10产生电荷，电荷恢复具有电池14的便携式电子设备，例如智能电话12的能量。智能电话12还包括外部壳体16、交互式显示器界面18和用户按钮20。如图所示，电池充电器(10)形成外部壳体16的一部分，并且在一个实施例中，可以与其集成或集成于其中。应当认识到，尽管示出了智能电话，但便携式电子设备可以是例如智能手表、平板计算机或蜂窝电话。
现在参考图2，绘示了电池充电器10的一个实施例。外壳30形成便携式电子设备12的外部壳体16的一部分，液体摩擦生电发生器32包括多个静电能量发生器，例如，耦接到电路(未示出)并且由物理分隔体44、46、48、50分隔的静电能量发生器34、36、38、40、42。如下文更详细所述，静电能量发生器34、36、38、40、42中利用的电容器可以是超级电容器或可变电容器。液体摩擦生电发生器32在产生电荷时利用了摩擦生电效应，电荷可以对例如与便携式电子设备12相关联的电池14充电。
已知摩擦生电效应是两种接触材料之间电荷的转移，两种材料将变得带相反符号的电荷。尽管摩擦生电效应已经被人们知道了很多个世纪，但其基本机制仍然在研究中。仅在近年来才将其应用于能量采集，以制造摩擦生电发生器，将小尺度的机械能转换成电能，为简单而低成本的绿色能源技术铺平了道路。不过，人们提出的大多数摩擦生电发生器由于对腔体积恒定变化和/或滑动表面利用的必要要求而在效率方面受到限制。而且这些仅在干燥条件下工作才最好。不过，已知在液体流经绝缘体时存在摩擦生电。例如，在水流经一米长一毫米直径的橡皮管时观测到0.3V的电压变化，在从涂布有特氟隆的移液管尖端配给的每个小水滴上测量到超过5μC/m2的表面电荷密度。
本电池充电器10可以包括液体摩擦生电发生器的设计，包括填充液体的电容器或超级电容器，作为能够提高发电效率的关键元件。所提出的方法基于电荷Q和电压V与电容C之间的关系：
Q＝CV [方程(1)]
因此，产生的电流I(即摩擦生电电荷的时间导数)看起来与电容及其随时间的变化成正比：
其中d/dt和对应地代表随时间的总导数和偏导数。
利用未充分填满液体且被分隔成超过一个个体接触段的超级电容器，腔或一系列包封腔室内部液体的流动导致产生摩擦生电电荷。因此，方程(2)中的第一项是由于摩擦生电产生的电荷造成的相对电极间电势的变化，而第二项是由于液体流动，超级电容器各段中电容的局部变化，造成的电容变化。从方程(2)可以看出，利用这样有摩擦生电效应的超级电容器，能够将摩擦生电产生的效率提高超级电容器电容与常规摩擦生电发生器电容之比的倍数，这个倍数可以是很多的数量级。已知超级电容器的特征是极高的电容，高达几千法拉。
具有摩擦生电功能的填充液体的电容器或超级电容器可以以内容积(腔)为特征，内容积仅部分填充液体，从而使得液体能够在腔内部运动。具有摩擦生电功能的超级电容器还以两个或更多个体接触段为特征，使得电荷能够流出，电荷是通过腔内部液体的运动而摩擦生电产生的。
现在参考图3，图3更详细地描述了静电能量发生器34的一个实施例。如上所述，外壳30形成便携式电子设备12的外部壳体16的一部分。该外壳30包括包封的腔室60。一对可变电容器62、64可以是超级电容器或可变电容器，位于外壳30之内，该对电容器62、64的每个都包括相对的间隔板66、68、70、72，它们充当电极，其上具有相应的接触段74、76、78、80。如图所示，在一个实施例中，接触段74、76、78、80形成包封腔室60的至少一部分。
在包封的腔室60之内保持输出功率增大的电阻流体82，该输出功率增大的电阻流体82部分填充包封的腔室60，使得流体运动改变包封腔室之内流体-接触段之间的接触。如下文更详细所述，响应于便携式电子设备12的运动，输出功率增大的电阻流体82和接触段74、76、78、80之间的诱发相对运动改变包封腔室60之内的流体-接触段的接触，由此使得该对电容器62、64之间的电容反向交替，并以摩擦生电方式产生电荷。
电子电路84耦合到一对可变电容器的相对的间隔的板66、68、70、72。在一个实施例中，电子电路84可以包括二极管电桥86、88和电蓄能器90。电子电路84可以被配置成向与便携式电子设备12相关联的电池14传输电荷。在一种事件中，电蓄能器90可以至少部分地与电池14集成。
现在参考图4，图4绘示了静电能量发生器34的另一个实施例。在这一实施例中，极板66、68、70、72以驻极体材料100为特征。驻极体是一种具有准永久电荷或偶极极化的电介质，因此产生内外电场。因此，利用驻极体材料便于在液体-板界面上产生电气双层(这对于超级电容器的高电容是关键性的)，而无需向有摩擦生电功能的电容器的极板施加电压。此外，如图所示，包封的腔室60可以包括插入在相对的间隔的板66、68、70、72之间的接触段74、76、78、80内的电介质材料102、104。
现在参考图5，示出了绘示电能产生过程的一个实施例的过程状态图。通常，在流体流入周期中，输出功率增大的电阻流体82的运动出现在接近相对的间隔板66、68附近，使得流体82物理地占据包封的腔室60。流体82流入周期导致以摩擦生电方式产生符号相反的静电电荷，并接近相对分隔板66、68分布。在相对的间隔板68、70之间创建了临时电路，由此产生电压/电流峰值。之后，在流体流出周期中，输出功率增大的电路流体82的运动从相对的间隔板66、68移开，并对包封的腔室60的该部分物理地抽真空，发生静电电荷的中和。电子流向电子电路84，直到相对的间隔板66、68之间达到平衡。
更具体而言，在状态(a)(可以是具有摩擦生电功能的填充液体的电容器或超级电容器的初始状态)，未充分填充输出功率增大的电阻流体82的包封腔室60包括一对电容器62、64，每个都包括其上具有接触段的相对的间隔板66、68、70、72。出于例示的目的，相对于图5应当认识到，针对接近间隔板66、68的接触段74、76描述了摩擦生电产生的过程。应当进一步认识到，类似描述和过程也适
用于接近间隔板70、72的接触段78、80。
在状态(b)，相对于流体流入周期，随着流体82在包封腔室60内部运动，以摩擦生电方式产生符号相反的静电电荷并在由相对的间隔板66、68代表的超级电容器段的极板66、68的两个内表面上分布。在状态(c)，经由摩擦生电效应为与间隔的极板66、68相关联的中性金属电极充电。在状态(d)，继续流体流入周期，电子流经电路84，产生电压/电流峰值。在状态(e)，在超级电容器段中形成暂时的电势平衡。流体流出周期开始，在状态(f)，在状态(g)中电子经由电路84流回之前，在流体流出过程期间，内表面上的大部分静电电荷被中和，直到在与极板66、68相关联的两个金属电极之间形成电势平衡。这使得电流从摩擦生电发生器单向流出到电路84，包括要充电的电蓄能器90和/或电池14。
在另一实施例中，电池充电器10可以是用于便携式电子设备的运动激活的充电器，包括界定包封腔室的外壳。外壳之内的可移动元件与外壳共同合作以产生电荷。电池充电器10的本实施例包括被配置成向蓄电池转移所产生电荷的电路。在另一实施例中，公开了一种用于便携式电子设备电池的充电系统，包括界定包封腔室的外壳和外壳之内容纳的变换器，变换器将用户的体热转换成电能。电池充电器10的本实施例还包括被配置成向蓄电池转移所产生电荷的电路。在2014年4月3日以Laslo Olah的名义提交的题为“BatteryCharger for Portable Electronic Devices”的美国专利申请No.61/995159中进一步论述了这些实施例；在此出于所有目的通过引用将其全文并入本文。
除非另作说明，本文例示和描述的方法和数据流的执行或进行次序并非必要。亦即，除非另作说明，可以按照任何次序执行方法和数据流的要素，并且方法可以包括比本文公开那些更多或更少的要素。例如，想到过在另一要素之前、与之同时或在其后执行或进行特定要素，这些全部是可能的执行序列。
尽管已经参考示范性实施例对本发明进行了说明，但是不应将这一说明推断为具有限制意义。在参考说明书之后，例示性实施例以及本发明其他实施例的各种修改和组合对于本领域技术人员而言将显而易见。因此，所附权利要求意在涵盖任何这样的修改或实施例。
Claims (10)
1.一种用于便携式电子设备的电池充电器，所述电池充电器包括：
外壳，所述外壳形成所述便携式电子设备的外部壳体的一部分，所述外壳包括包封的腔室；
一对电容器，所述一对电容器位于所述外壳内，所述一对电容器的每个电容器都包括其上具有接触段的相对的间隔的板；
所述接触段形成所述包封腔室的至少一部分；
输出功率增大的电阻流体，所述输出功率增大的电阻流体保持在所述包封腔室之内，所述输出功率增大的电阻流体部分填充所述包封腔室，使得流体运动改变所述包封腔室之内流体-接触段之间的接触；
响应于所述便携式电子设备的运动，所述输出功率增大的电阻流体和接触段之间诱发的相对运动改变所述包封腔室之内的所述流体-接触段之间的接触，由此使得所述一对电容器之间的电容反向交替，并且通过摩擦生电方式产生电荷；以及
电子电路，所述电子电路耦合到所述一对电容器的所述相对的间隔的板，所述电子电路被配置成向与所述便携式电子设备相关联的电池转移所述电荷。
2.根据权利要求1所述的电池充电器，其中，所述便携式电子设备还包括智能电话。
3.根据权利要求1所述的电池充电器，其中，所述便携式电子设备还包括从智能电话、平板计算机、智能手表和蜂窝式电话构成的组中选择的设备。
4.根据权利要求1所述的电池充电器，还包括所述便携式电子设备的运动学运动导致所述输出功率增大的电阻流体相对于所述一对电容器发生物理位移。
5.根据权利要求1所述的电池充电器，其中，相对的间隔的板还包括驻极体材料，所述相对的间隔的板在所述接触段附近产生内电场，在所述包封腔室附近产生外电场，从而增加通过摩擦生电产生的所述电荷。
6.根据权利要求1所述的电池充电器，其中，所述包封腔室还包括插入在所述相对的间隔的板之间的所述接触段之内的电介质材料。
7.根据权利要求1所述的电池充电器，还包括每对可变电容器被配置用于：
流体流入周期，其中，所述输出功率增大的电阻流体运动接近所述相对的间隔的板并且物理地占据所包封的腔室；
所述流体流入周期导致以摩擦生电方式产生符号相反并且接近所述相对的间隔的板分布的静电电荷；
临时电路，所述临时电路横跨所述相对的间隔的板创建并且产生电压/电流峰值；
流体流出周期，其中，所述输出功率增大的电阻流体从所述相对的间隔的板移出并且对所述包封腔室物理地抽真空；
所述流体流出周期导致所述静电电荷的中和；以及
电子经由所述电路流向所述电子电路，直到所述相对的间隔的板之间达到平衡。
8.一种用于便携式电子设备的电池充电器，所述电池充电器包括：
外壳，所述外壳形成所述便携式电子设备的外部壳体的一部分，所述外壳包括包封腔室；
一对超级电容器，所述一对超级电容器位于所述外壳之内，所述一对超级电容器的每个超级电容器都包括其上具有接触段的相对的间隔的板；
所述相对的间隔的板包括驻极体材料，所述相对的间隔的板产生所述接触段附近的内电场和所述包封腔室附近的外电场，从而增加通过摩擦生电产生的电荷；
所述接触段形成所述包封腔室的至少一部分；
输出功率增大的电阻流体，所述输出功率增大的电阻流体保持在所述包封腔室之内，所述输出功率增大的电阻流体部分填充所述包封腔室，使得流体运动改变所述包封腔室之内流体-接触段之间的接触；
响应于所述便携式电子设备的运动，所述输出功率增大的电阻流体和接触段之间诱发的相对运动改变所述包封腔室之内的流体-接触段之间的接触，由此使得所述一对超级电容器之间的电容反向交替，并且通过摩擦生电方式产生电荷；以及
电子电路，所述电子电路耦合到所述一对超级电容器的所述相对的间隔的板，所述电子电路被配置成向与所述便携式电子设备相关联的电池转移所述电荷；
流体流入周期，其中，所述输出功率增大的电阻流体运动接近所述相对的间隔的板并且物理地占据所包封的腔室；
所述流体流入周期导致以摩擦生电方式产生符号相反并且接近所述相对的间隔的板分布的静电电荷；
临时电路，所述临时电路横跨所述相对的间隔的板创建并产生电压/电流峰值；
流体流出周期，其中，所述输出功率增大的电阻流体从所述相对的间隔的板移出并且对所述包封腔室物理地抽真空；
所述流体流出周期导致所述静电电荷的中和；以及
电子经由所述电路流向所述电子电路，直到所述相对的间隔的板之间达到平衡。
9.根据权利要求8所述的电池充电器，其中，所述便携式电子设备还包括从智能电话、平板计算机、智能手表和蜂窝式电话构成的组中选择的设备。
10.一种便携式电子设备，包括：
外部壳体、安装到所述外部壳体的交互式显示器接口以及容纳在所述外部壳体内的电池；
电池充电器，包括：
外壳，所述外壳形成所述外部壳体的一部分，所述外壳包括包封腔室，
一对电容器，所述一对电容器位于所述外壳之内，所述一对电容器的每个电容器都包括其上具有接触段的相对的间隔的板，
所述相对的间隔的板包括驻极体材料，所述相对的间隔的板产生所述接触段附近的内电场和所述包封腔室附近的外电场，从而增加通过摩擦生电产生的电荷，
所述接触段形成所述包封腔室的至少一部分，
输出功率增大的电阻流体，所述输出功率增大的电阻流体保持在所述包封腔室之内，所述输出功率增大的电阻流体部分填充所述包封腔室，使得流体运动改变所述包封腔室之内流体-接触段之间的接触；
响应于所述便携式电子设备的运动，所述输出功率增大的电阻流体和接触段之间诱发的相对运动改变所述包封腔室之内的流体-接触段之间的接触，由此使得所述一对电容器之间的电容反向交替，并且通过摩擦生电方式产生电荷；
电子电路，所述电子电路耦合到所述一对电容器的相对的间隔的板，所述电子电路被配置成向所述电池转移所述电荷，
流体流入周期，其中，所述输出功率增大的电阻流体运动接近所述相对的间隔的板并且物理地占据所包封的腔室；
所述流体流入周期导致以摩擦生电方式产生符号相反并且接近所述相对的间隔的板分布的静电电荷，
临时电路，所述临时电路横跨所述相对的间隔的板创建并且产生电压/电流峰值，
流体流出周期，其中，所述输出功率增大的电阻流体从所述相对的间隔的板移出并且对所述包封腔室物理地抽真空，
所述流体流出状态导致所述静电电荷的中和，以及
电子经由所述电路流向所述电子电路，直到所述相对的间隔的板之间达到平衡；以及
所述便携式电子设备的运动学运动导致所述输出功率增大的电阻流体相对于所述一对可变电容器发生物理位移。
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