CN1444415A - 手机随身充不间断充电电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种为移动电话(手机)充电的电源系统装置。以往手机充电，一般都离不开交流电网。人们在出行途中，手机没电就无法使用。本发明就是为解决在无交流电源情况下手机充电问题而做出的。该装置可随身携带，随时为手机充电，使手机不间断工作。该装置所采用的能源可以是到处都容易找到的5号一次性普通碱性干电池，也可以是5号二次镍氢干电池或小型全封闭免维护铅酸蓄电池，随身携带都很方便。该系统主要由充电电源和给充电电源充电的充电器组成。该充电器既可以给采用镍氢干电池和铅酸电池作能源的充电电源快速安全充电，又可给采用一次性普通碱性干电池作能源的充电电源充电，从而降低一次性电池的使用成本。

Description

手机随身充不间断充电电源系统

本发明是一种给移动电话(手机)充电的系统装置。

手机的发明给人们的工作、生活带来了极大的方便，目前我国已成为手机拥有量最多的国家，人们和手机的关系越来越密切。手机内使用镍镉、镍氢或锂离子蓄电池作能源，当电能耗尽时，就需给电池充电，目前人们给手机充电，一般都离不开交流电网。当出行途中的人们手机没电时，一时找不到交流电网充电，便不能使用，造成不便。

本发明可使手机在脱离交流电网情况下，用随身携带的充电电源随时充电，使其不间断工作。

该技术方案主要由充电电源和为充电电源自身充电的充电器两部分组成。充电电源电路如图2和图4所示，电路中的各元件及电池装置在如图1所示的充电电源盒内。为充电电源充电的充电器电路如图5所示。为手机充电时，充电电源与手机之间通过如图3所示的连线相连接。充电器为充电电源充电时，通过如图6所示的小二线插头连线连接。

充电电源盒如图1所示，图中3为盒盖，1、2部分为盒底，其中1为电路控制仓，2为电池仓，4为电路控制仓盖。电池安装在电池仓2中，控制电路诸元件安装在电路控制仓1内。

最简单的充电电源控制电路如图2所示。其中E为电池组，可以采用5号碱性干电池，也可以用5号镍氢干电池或小型全封闭免维护铅酸蓄电池，R₁为控制电阻，Z、F为输出插孔，Z为正极，F为负极。

图3为充电电源盒与手机之间的连接线。图3中的1为导线，2为与图2中Z、F插孔配套的空心插头，3为与手机充电插孔配套的插头。

根据手机内所用蓄电池的类型、电压、容量的实际情况，选择充电电源电池和阻值合适的电阻R₁，R₁的作用是控制充电电源电池对手机的最大充电电流不超过手机电池所能接受的最大电流，以保护手机电池。充电电源电池和R₁选定并连接装置好后，用图3所示充电电源盒与手机间的连线，将两者连接起来，便可实现对手机充电了。

手机充电开始时，因手机电池电压较低，充电电源电池的电压较高，充电电流较大(经实验，出现大电流的时间仅能持续1-2分钟)，随着充电过程的发展，手机的电池电压因被充电而升高，充电电源电池电压因放电而降低，故充电电流会逐渐降低。当降至较小值后，电路中的充电电流不再需要R₁控制，但R₁在电路中却仍在消耗电能并影响着充电速度。为了既能限制开始充电时过大的电流，又适当减少R₁对电能的消耗，提高电能利用率和充电效率，又设计了如图4所示的限流保护自动控制电路。电路中，S₁为单刀双置开关。在给手机充电时，S₁置于“1”的位置，该电路电源E支路及其左边部分与图2所示电路相比，增加了由V₁、R₂、R₃、R₄、R₁组成的过大电流分流控制电路和由V₂、R₅组成的显示电路。该电路的工作原理是，V₁，R₂支路的导通与否取决于V₁的发射结电压U_GP，而U_GP＝U_GH+U_HP，当开始充电时，如出现过大的充电电流情况，则R₁两端的电压V_HP也较大，从而使V₁发射结的电压，U_GP也较大，致使V₁导通，形成对电源E供出电流的分流，减小了充入手机的电流，当随着充电开始后手机电池电压的增高，充电电源E电压的降低，过大的充电电流很快降至正常值(时间一般在1-2分钟)，这时R₁两端的电压也随之变小，从而使V_GP变小，只要R₄、R₃的阻值参数配置适当，即可使V₁、R₂支路截止，从而使电源供出的电流几乎全部用于手机充电。此时，因R₁阻值较小，故其对电能的消耗也较少，而且使充电后期，充电电流不致过小，从而可提高充电速度，达到提高电能利用率和充电效率之目的。

图2和图4中的电源E可以采用一次性5号碱性干电池，也可以采用5号镍氢干电池，还可以采用较小容量的免维护密封铅酸蓄电池。采用5号电池的共同优点是体积小，重量轻(仅100多克)，便于携带，一次性5号电池的优点是，将其装入充电电源盒，便可使用，电用光了再更换新电池，又可以继续使用，不足之处是一次性使用成本较高，采用镍氢5号电池则相反，其优点是可长期反复充电使用，成本低，但其缺点是在为手机充电之前，必须自身先充好电，且首次购买费用较高，采用全封闭免维护铅酸蓄电池，同镍氢蓄电池相比，其优点是容量大，一次充好后可为手机充电多次，比如一个6V、4Ah的铅酸蓄电池充满后，可为手机充电4-8次(因手机电池容量的不同而异)而镍氢5号蓄电池，仅能为手机充电1-2次。其缺点是体积和重量稍大。

采用镍氢或铅酸蓄电池做能源的充电电源，必须配备有为自身充电的充电器。应用普通碱性干电池作能源的充电电源使用后如能充电使用当然会更好。目前市场上常见的蓄电池充电器，有的充电时间过长，比如给1300mAh的镍氢5号蓄电池充电需14-16小时，有的设有快充档，也得需7-8小时，对于不同的电池还需按说明书上的公式计算充电时间，一旦忘记按时切断电源，就可能充坏电池。该装置系统所设计的充电器电路如图5所示。它除了能快速安全地为镍氢、铅酸蓄电池充电的功能外，还可以给普通碱性电池充电，从而可克服使用一次性电池成本较高的不足。

图5所示的充电器线路，A、B为220V交流电源输入端，D、O为直流输出端。整个电路由五部分组成。一是由电阻R₁、电容C₁、C₂开关S和整流二极管V₁、V₂、V₃、V₄组成的降压整流电路，二是由稳压管V₁₁组成的限压保护电路，三是由电阻R₃、R₄、R₅、R₇、开关S、三极管V₁₀组成的充电电流控制电路，四是由整流二极管，V₅、V₆、V₇、发光管V₁₂和电阻R₂组成的充电显示电路，五是由整流二极管V₈、V₉、电阻R₆和发光管V₁₃组成的充足显示电路。

第一部分降压整流电路的功能是降压并将交流电变为以Z为正极F为负极的脉动直流电。

第二部分电路，稳压管V₁₁的功能是限定后面第三部分充电电流控制电路和第五部分充足显示电路的最高电压值，保护这两部分电路中的诸元件不会因承受高压，而损坏。

第三部分电路的功能是控制充电电流。在输入端接入220V交流电源，输出端D、O接入被充电池(D接正极，O接负极)后，据电路理论可知，由整流输出端供出的总直流脉动电流的大小，主要由电容C₁、C₂的数值决定，近似为定流源，该电流输出后分别流入V₁₁支路、R₃、R₄、R₅支路、R₇、V₁₀支路和被充电池支路，由于选择V₁₁的稳压值参数时，都会比被充电池总电压大一定的值，正常充电时基本不导通或只有极小的电流，R₃、R₄和R₅的等效阻值较大，该支路中也只有极小的电流，故电路中的电流主要由流入被充电池的电流和R₇、V₁₀支路中的电流这两部分组成。在充电开始时，由于被充电池的电压较低，从而使电路中G、J间的电压也较低，V₁₀的发射结电压V_HJ也即R₄、R₅两端的电压也较低，V₁₀处于截止状态，R₇、V₁₀支路中无电流，此时电路中由Z端输出的电流的绝大部分都流入被充电池。此时电池以较快的速度被充电，随充电过程的进行，被充电池电压不断升高，从而使电压U_GU、U_HJ升高，使V₁₀进入导通状态，R₇、V₁₀支路开始出现分流电流，而且被充电池的电压越高R₇、V₁₀支路的电流就会越大，由于由Z端供出的电流近似为定流源，故随着R₇、V₁₀支路电流的增加，充入电池的电流就会越来越小，当被充电池充足后，充电电流便会降至安全充电电流值之内。长时间充电也不会充坏电池。充电电流曲线如图8所示，这样，该电路即可实现对电池较快地充电，在时间足够情况下百分之百充足，又可在充足后自动实现过充保护。

第四部分电路的功能是充电显示。，当D、O端接入电池充电时，V₇有电流通过Z、D之间的电压，被V₅、V₆、V₇三个整流二极管限定在0.7V×3＝2.1V左右，发光管V₁₂串联电阻R₂后接在V₅、V₆、V₇两端，就会发光，指示充电正常进行，当被充电池组未接入或未接好时，V₇不会有电流通过，V₁₂就不会发光，V₁₂是否发光就指明充电是否在进行，R₂的作用是使V₁₂限定一个大小适中的电流。

第五部分电路的功能是充足显示。当被充电池快充足，R₇、V₁₀支路导通后V₈、V₉、R₆用是使V₁₂限定一个大小适中的电流。

第五部分电路的功能是充足显示。当被充电池快充足，R₇、V₁₀支路导通后V₈、V₉、R₆中就会有电流通过，随导通电流的逐渐增大，V₈、V₉、R₆两端的电压就会逐渐增大，当达到V₁₃导通所需电压值时，V₁₃就会导通发光，而且流过R₇、V₁₀支路的电流越大，V₁₃的亮度就会越大，故从发光管V₁₁的亮与否及亮度的大小，就可形象地指示充电过程。

由于该电路在对不同类型电池充电时，电池所需的最大充电电流不同，充电后的电压不同，就需针对不同类型电池适当调整充电电路中有关元件的参数。电路中的双刀双置开关S的作用就是调整电路，以适应不同电池充电。比如给镍氢干电池充电，可用较大电流，S可置于如图5中所示位置。给普通锌锰碱性干电池充电时，则需S置于另一位置，使电容C₂断开，R₅接通与R₄并联。

充电器和输出正负极(D、0)两端和充电电源盒的电源正负极端(图1D₁、O₁)均设置有连接用的如图7所示的小二线插座，两部分之间通过如图6所示的小二线插头线相连接。

图7所示的小二线插座上设有穿固定螺丝用的螺丝孔(2)，起电路连接用的金属柱(3)，在插孔内置有半圆形定位凸块(1)。

图6所示的小二线插头线，由双导线(4)和两端的插头(1)组成。每个插头均由上下两部分塑料壳组成，在上半部分的插接端置有半园形定位缺口(2)，与插座相连的一端内置有两个金属管(3)，上下两部分塑料壳通过固定螺丝(5)夹紧，两个金属管分别与双导线(4)中对应的一根焊接在一起。

应用该充电器对充电电源内的电池充电时，只需用小二线插头线将充电器与充电电源盒连接起来，将充电器的A、B端接通220V交流电源即可。当用小二线插头线的插头插入充电器和充电电源盒内的插座时，只有插座上的定位凸块(1)对准插头上的定位缺口(2)时，才能插入，反之插不进去。这就保证了在连接充电器和充电电源盒时，将充电器输出端的正极D和负极O两端分别同充电电源盒内电源的正极D₁和负极O₁两端连接起来，不会接错。

图4电路中的插座Z、F、小二线插座D₁O₁、开关S₁和S₂，装置在如图1所示的电路控制仓(图中“1”的位置)内，其中S₂为一按钮双刀开关，控制仓内的各元件装置并连接好后，将电路控制仓盖(图1中的4)盖上并用胶封好，只有S₂的按钮通过电路控制仓盖上的圆孔(图1中的5)露出仓盖外，在电源盒盖(图1中的3)打开时，开关S₂处在断开状态，只有当电源盒盖盖好时，S₂才处于闭合状态。其功能是保证充电的安全。

该充电器具有以下优点：

其一是可快速充满。该充电器电路，只要选择合适阻值的R₃、R₄、R₅即可控制被充电池组的充电电流曲线如图8所示。图8中的曲线，1为二次蓄电池的充电曲线，2为一次普通干电池的充电曲线。以给二次蓄电池充电为例，在充电开始至t₁时间里曲线如a、b段，充电电流大，电池很快被充电，到t₁时可充足85％左右的容量。t₁之后至t₂因控制三极管V10的导通，使充电电流迅速下降如曲线1中的b、c段，到t₂时电池已接近充足，再后t₂至t₃段时间里，充电电流逐渐降至安全电流值，此时电池已充足。

其二是安全性能好。它体现在一方面是对被充电池安全，不会充坏电池。当电池已被充足之后，如图8所示的曲线1已进入d以后的部分，充电电流已降至安全电流，此时即是较长时间(如十多小时)不切断交流电源，也不会充坏电池。另一方面对人身安全。由于在充电电源盒内设置了如图4中S₂所示的双刀按钮开关，而且充电池源盒的电路控制仓是封死的。当操作人员即是在充电器接通220V交流电源，忘记切断的情况下，装入或取出充电电源盒内的电池，也不会触电。因为只要充电电源盒盖一打开，按钮开关S₂就自动断开，切断了电池仓和充电器之间的电联系。

其三是操作简单。充电器为充电电源充电时，只要接通220V交流电源，盖好充电电源盒盖，图4电路所示S₁置于2的位置，用二者之间的小二线插头连线(图6所示)连接起

其四是体积小，重量轻，结构简单，工作可靠，成本低。由于该充电器采用电容器降压，这比用变压器降压占用体积小，重量轻。整个电路仅用20多个分立电子元件，且无易损件。

附图说明：

          附图1充电电源盒

1-盒底电路控制仓  2-盒底电池仓  3-电源盒盖  4-电路控制仓盖

5-按钮孔  6-输出插座  7-按钮开关  8-输入小二线插座  9-单刀双置开关

          附图2最简单的充电控制电路

E-电池  R₁-控制电阻  Z、F-输出插座

          附图3电源盒与手机间的连线

1-双导线  2-接电源盒插头  3-接手机插头

          附图4限流保护自动控制电路

E-电池  R₁、R₂、R₃、R₄、R₅-电阻  V₁-三极管  V₂-发光二极管

S₁-单刀双置开关  S₂-双刀双置按钮开关  Z、F-输出插座  D₁、O₁-输入

小二线插座

          附图5充电器电路

A、B-交流输入端  D、O-直流输出端  C₁、C₂-电容  R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇-电阻  S-双刀双置开关  V₁、V₂、V₃、V₄、V₅、V₆、V₇、V₈、V₉-整流二极管  V₁₀-控制三极管  V₁₁-稳压二极管  V₁₂、V₁₃-发光二极管

          附图6小二线插头连线

1-插头2-定位缺  3-金属管4-导线  5-固定螺丝孔

          附图7小二线插座

1-定位凸块  2-固定螺丝孔  3-金属柱

          附图8充电电流曲线

1-蓄电池曲线  2-普通干电池曲线

下面参照附图结合实施例进一步说明本发明。

先列举一个用普通碱性5号干电池给手机充电的实例。

考虑到目前的手机所使用的绝大多数为3.6V的锂离子电池或镍氢电池，假设手机电池为3.6V，900mAh镍氢电池，以如图2所示最简单的控制电路为例，选4节5号新碱性普通干电池串联使用，每节新电池的电压，一般为1.6V左右，内阻为0.35左右，4节串联后总电压为1.6V×4＝6.4V，总内阻为0.35Ω×4＝1.4Ω，手机内的电池是由3个单元电池相串联组成的，其放电后，每个单元电池的电压在1.1V左右，内阻在0.5Ω左右，则手机电池的总电压为1.1V×3＝3.3V左右，内阻约为0.5Ω×3＝1.5Ω，选电阻R₁为1.5Ω，再考虑到连线及各种接触电阻设为0.3Ω，则充电开始时的电流应为，(充电电源总电压—手机电池的总电压)÷(充电电源总电阻+手机电池总电阻+接触电阻+R₁)＝(6.4-3.3)÷(1.4+1.5+0.3+1.5)＝3.1÷4.7＝0.66(A)，即660毫安，该电流对手机电池是可以承受的，当然，充电开始后，由于开始手机电池电压上升和充电电源电池电压下降都较快，故在1-2分钟内，充电电流使会降至500mA左右。经实验，3个多小时，就可把手机电池充满(容量小的电池充电时间会更短)。当手机电池充足后，手机内的保护电路启动，其充电电流在一个较小范围内跳变，是不会充坏手机内电池的。即是手机内无保护电路，随着充电的继续进行，充电电源的电压会进一步减小，内阻还会继续增大，充电电流会越来越小，也不必担心会充坏手机电池。

如果选用镍氢电池，或全封闭免维护铅酸蓄电池作为充电电源电池，可据上述同样的方法通过计算选用合适阻值的R₁。如采用如图4所示的电路，则适当减小R₁阻值，这里不再赘述。

下面再列举一个如图5所示可给镍氢干电池和普通碱性干电池充电的充电器实施例。

如图5所示电路中，选C₁、C₂为4.4μF，400V电容；V₁₀为2A，20W三极管；V₁-V₉为1A，1000V整流二极管；V₁₁为8V，2W稳压管；V₁₂、V₁₃为发光二极管；R₁为500KΩ，1/4W电阻；R₂为200Ω，1/8W电阻；；R₆为0.2Ω，1/8W电阻；R₇为3.3Ω，2W电阻；R₃为330Ω，1/8W电阻；R₄、R₅通过计算和调试确定阻值；S为双刀双置开关，当给镍氢电池充电时，S置于图5所示位置，当给普通碱性电池充电时，S置于另一位置，使C₂断开，R₅与R₄并接在一起。

在上述各元件参数情况下，为由4节1300mAh的5号镍氢电池串联组成的充电电源电池组充电，开始充电电流可达500mA以上，并可持续充电2小时左右时间，电池已充入85％左右的容量，之后逐渐下降，4小时左右时，电池已充满。此时充电电流已降至130mA左右，对电池是安全的。当给4节5号碱性锌锰干电池串联组成的充电电源电池组充电时，将S置于相应位置，开始时的充电电流在250mA左右，之后逐渐下降，当充电电池组总电压达7V左右时(大约需10多小时)，充电电流降至10mA左右，此电流对充满电的普通碱性电池是安全的，时间再长也不会充坏。

Claims (8)

1、一种可给移动电话(手机)充电的系统装置，该装置主要由充电电源和为充电电源充电的充电器两部分组成，其特征在于，该充电电源，可以在脱离交流电源的情况下，采用如5号碱性普通干电池或镍氢干电池或小型全封闭免维护铅酸蓄电池之类可随身携带的电池作能源，通过充电控制电路(图2、图4)，实现随时给手机充电，从而使手机不间断使用；该充电器(图5)既可以实现对采用镍氢和铅酸蓄电池作能源的充电电源的快速安全充电，又可以对采用普通碱性干电池作能源的充电电源充电。

2、如权利要求书1所述的充电电源控制电路(图2和图4)，其特征是，接有控制保护电阻R1。

3、如权利要求书1所述的充电电源控制电路(图4)其特征是，由V₁、R₁、R₂、R₃、R₄组成的过电流保护电路。

4、如权利要求书1所述的充电器(图5)，其特征是，由V₁₀、R₃、R₄、R₅、R₇、组成的充电电流控制电路。

5、如权利要求书1所述的充电器(图5)，其特征是，由V₁₁稳压管组成的限压保护电路。

6、如权利要求书1所述的充电器(图5)，其特征是，由V₅、V₆、V₇、R₂、V₁₂组成的充电显示电路。

7、、如权利要求书1所述的充电器(图5)，其特征是，由V₈、V₉、V₁₃、R₆组成的充足显示电路。

8、如权利要求书1所述的充电器(图5)，其特征是，电路中接有适应不同类型电池充电的转换开关S。

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