CN203193349U

CN203193349U - 电容储能式可充电电池及其充电装置

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Publication number: CN203193349U
Application number: CN2013200440750U
Authority: CN
Inventors: 罗申; 罗利文
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-01-28
Filing date: 2013-01-28
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2023-01-28

Abstract

一种电容储能式可充电电池及其充电装置，包括：依次连接的由串联的接收线圈和谐振电容组成谐振接收电路、整流电路、降压稳压电路和储能电容，其中：接收线圈配合谐振电容感应接收无线感应发射线圈送出的电磁能量，并通过整流电路和降压稳压电路产生稳定的1.6V直流电压用于对储能电容充电，该储能电容为1-33F。本实用新型采用超级电容及专门设计的充电机构,可以代替A、AA或AAA型号标准电池。

Description

电容储能式可充电电池及其充电装置

技术领域

本实用新型涉及的是一种生活日用品技术领域的装置，具体是一种可替代干电池的电容储能式可充电电池及其充电装置。

背景技术

目前，很多电子装置都使用干电池来供电，如家用电器的遥控器、无线鼠标、电子钟，儿童电动玩具。这些装置中大部分功耗很小，如家用遥控器，待机功耗仅微瓦级，发射时消耗电流只有10-20mA，并且红外发射持续时间很短，通常在毫秒级，仅靠干电池就可以工作数月甚至更长的时间。有些则功耗较大，如儿童电动玩具，使用起来消耗电池量很大。这些电子设备每年消耗的干电池数量数以十亿计。干电池由于含有重金属及其它化学有害物质，废弃干电池需要专门回收处理，如果随意处置废弃干电池，将会造成为土壤和水源的污染。本实用新型中的电容储能电池所用材料和部件不含重金属及有毒化学物质，是一种新型环保可充电电池。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN202334009U，公开日2012-07-11，公开了一种替代干电池的无线循环贮能器，该技术主要由一个接收线圈，一个电能接收芯片和一个法拉电容共三个元件组成，集中分布于一组形状与干电池相似的塑料外壳中，塑料外壳是由一个带有负极的长壳和另一个带有正极的短壳联体形成的，接收线圈在长壳内，电能接收芯片和法拉电容在短壳内，外壳上有输出电能的正极和负极，正极与法拉电容的正极相连，负极与法拉电容的负极相连；电能接收芯片有三个接线端，分别是输入端、地端和输出端，接收线圈的两端分别接在电能接收芯片的输入端和地端，法拉电容的正负极分别与电能接收芯片的输出端和地端相连。但该技术缺陷在于：使用了传统的分裂变压器磁感应供电方式，这是无线感应供电技术中效率最低、传送距离最小的一种；其次，法拉电容外壳一般为金属材料铝，当有交变磁场穿过法拉电容的金属外壳时，会感应出很强的电涡流，在CN202334009U中未使用任何手段防止电涡流的产生，势必导致电涡流会消耗不必要的电能，不仅会大幅度降低供电效率，而且可能导致法拉电容金属外壳发热，轻则缩短法拉电容的使用寿命，严重的发热可能导致法拉电容爆炸。法拉电容的使用寿命与温度的关系一般符合“10度法则”，即温度每升高10度，使用年限减半。再者，CN202334009U中所描述的装置使用了永磁铁发出的磁场作为启动充电器的信号，这种方式不仅增加成本和重量，还需要用户将永磁铁和磁控开关这两个特定位置对准，这个对准的过程可能因为电池盒中电池布置位置不同而变得难以操作。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提出一种电容储能式可充电电池及其充电装置，即采用超级法拉电容替代标准A、AA或AAA型号干电池的电容储能式电池。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型涉及一种电容储能式可充电电池，包括：依次连接的由串联的接收线圈和谐振电容组成谐振接收电路、整流电路、降压稳压电路和储能电容，其中：接收线圈配合谐振电容感应接收无线感应发射线圈送出的电磁能量，并通过整流电路和降压稳压电路产生稳定的1.6V直流电压用于对储能电容充电。

所述的储能电容采用大容量法拉电容器来储存电能，能为低功耗电子设备提供一段时间的供电。

所述的整流电路的输出端优选设有与降压稳压电路并联的、带有降压二极管组的充电机构，该充电机构进一步优选为mini USB-B或Micro USB-B接口，利用USB接口中的+5V电源为超级电容充电提供第二充电方式。

所述的谐振电路、整流电路、降压稳压电路、充电机构以及储能电容封装在一个具有仿电池单体外形的外壳内，该外壳为柱体结构，该柱体结构由半圆柱体和长方体结合而成，其中：半圆柱体的直径和长方体的宽度一致且与标准电池如A型、AA型或AAA型电池的直径相匹配，一方面方便与现有电池兼容，同时又更大容积便于装配必需的部件，更多另一方面在无线充电时可以使得电池平放于充电器上不会滚动。

所述的外壳的两端分别设有符合标准电池的要求的金属正、负电极，以最大程度利用电池盒的有效空间，能适用于绝大多数的电池盒，但不能适用于只能容纳圆柱体电池的电池盒。

所述的电池单体可以直接装入电池盒中代替1节干电池，如果电子设备需要2节干电池，就需要装入两节电容电池。每节电容电池的最高充电电压为1.6V左右，可以串联或并联使用。

本实用新型涉及一种基于上述电容储能式可充电电池的无线充电器，包括：AC/DC电源、控制模块、PWM驱动器、逆变半桥电路、发射电路、检流电阻和电流信号处理电路，其中：AC/DC电源接收85V-264V交流输入并分别输出5V和18V直流电至控制模块和逆变半桥电路的电源端，控制模块输出PWM信号至PWM驱动器，PWM驱动器与逆变半桥电路的输入端相连并输出激励电流，逆变半桥电路的输出端与发射电路相连，逆变半桥电路的反馈端分别与检流电阻Rx和电流信号处理电路相连，通过检流电阻将发射电路的输出电流转变成反馈电压，经过电流信号处理电路得到一个反映电流频率的脉冲信号和一个反映电流幅度的电压信号，并分别输出至控制模块的计数器端和AD采样端，控制模块根据发射电路的输出电流的大小判断是否已完成充电。

所述的逆变半桥电路由第五和第六电容、第一和第二MOS管构成，该逆变器在控制模块的PWM控制下以100-200Khz的频率输出交变电流，该电流驱动发射线圈产生交变磁场，接收线圈感应到交变磁场并与接收电路的谐振电容产生谐振，实现最大效率的无线功率传送。

当储能电容C3的电压下降到遥控器允许的最低工作电压（通常为1V左右）以下时，电容电池需要充电。用无线感应充电器充电时，需将靠近电池盒盖的PCB印制线圈平行靠近无线感应充电器发射线圈平面，只需不到2分钟时间就可将储能电容C3从0V充电至1.6V。通常，使用过一段时间后再充电的电容电池，其内部的储能电容C3中仍有一定的剩余电荷，这种情况下，所需的充电时间会更短。

用USB充电时，则需将电源从电池盒中取出，利用USB电缆，连接电容电池的miniUSB或microUSB和其它USB充电接口，由于USB可以提供500mA的充电电流，10F的法拉电容只需10F×1.6V/0.5A=32秒钟就可从0伏充到1.6V。

技术效果

本实用新型通过短时间内发射电路的电流大小和变化情况来决定是否启动发射器以及是否结束充电，不增加任何其他部件，也省去了两个特定点的对准过程。具体地讲，一次完整的充电过程中发射电路的电流波形如图7所示，当充电器空载时，发射电流为最低的I₀；当对电容电池负载充电过程中，发射电流会经历一个快速上升到最高点，然后缓慢下降的过程。控制模块11控制发射电路工作100ms，检测此期间的电流大小及变化情况，如果持续在I₀附近，则表明无待充电负载，发射电路暂停1秒后再重复以上过程；如果在100ms期间电流有明显上升趋势，则保持发射电路继续工作，待发射电流出现最大值后开始缓慢下降，再延时一段时间（如30秒）后结束充电。如果发射电流持续在不正常的高水平，则表明发射线圈附近存在金属板状物，在金属板上出现电涡流而导致发射电流异常，充电器自动关机并报警。控制模块11还可以通过检测发射电流的频率是否为当前程序设定的频率来判断发射电路是否正常。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2为电路板后视图。

图3为电路板正视图。

图4为电路板侧视图。

图5为电路板俯视图。

图6为无线充电器的结构示意图。

图7为充电过程中发射电流及法拉电容电压波形图。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：依次连接的由串联的接收线圈L和谐振电容C1组成谐振接收电路1、整流电路2、降压稳压电路3和储能电容C3，其中：接收线圈L配合谐振电容C1感应接收无线感应发射线圈送出的电磁能量，并通过整流电路2和降压稳压电路3产生稳定的1.6V直流电压用于对储能电容C3充电。

本实施例中：

所述的整流电路2为四个低压差二极管D3-D6组成的二极管整流电路，第三至第六二极管D3、D4、D5、D6为1N5818或类似的低压差的整流二极管；

所述的降压稳压电路3包括：直流稳压芯片U1、由电阻和二极管组成的降压电路以及两个并联的滤波电容，其中：第二电容和第四电容并联于降压稳压电路3的输入端，直流稳压芯片U1的输入端正极与降压稳压电路3的输入端正极相连，降压稳压电路3的输出端正极与降压电路的输入端相连。

所述的第二电容C2为不超过100μF，优选为10μF/25V电解电容；所述的第四电容C4为1nF-10nF/25V薄膜电容；

所述的降压电路由串联的第一电阻和第二电阻，以及串联在U1输出和C3间的第七二极管组成，其中：第一电阻R1和第二电阻R2构成输出电压取样反馈电路，使得降压电路的输出稳定在期望的电压值，第七二级管D7用于防止法拉电容上的电荷通过第一电阻R1和第二电阻R2泄放。

所述的第一电阻R1为12K，1/8W；所述的第二电阻R2为10KΩ，1/8W

所述的第七二极管D7为1A1或1N4001；

如图2所示，所述的接收线圈L为附着于PCB板5的印制电路接收线圈，共15圈且外围宽度12mm；所述的谐振电容C1为0.1μF/200V薄膜电容；

所述的储能电容C3应在几何尺寸允许的前提下尽可能选择容量大的法拉电容，通常在1-33F，额定电压为2.0V-2.5V；优选为10F/2.5V（用于AA型电池）或3.3F/2.5V(AAA型电池)；

如图1所示，本实施例还配有充电机构4，该充电机构通过带有降压二极管D1和D2的USB充电接口实现，本实施例中的USB接口选用mini USB-B或Micro USB-B接口，利用USB接口中的+5V电源为超级电容C3充电提供第二充电方式。

所述的第一和第二二极管D1、D2为1A1或1N4001；

如图3所示，为带有电池正极7和负极8的外壳6，其中：所述储能电容C3位于壳体6 的前端，整流电路2和降压稳压电路3分别位于壳体6的中部，充电机构4位于壳体6的尾部。

所述的外壳6的长度为49mm，高度及宽度均为14mm，与普通AA型电池相匹配。其它型号电池，如A或AAA型，则需要调整外壳尺寸。

当储能电容C3的电压下降到遥控器允许的最低工作电压（通常为1V左右）以下时，电容电池需要充电。用无线感应充电器充电时，需将靠近电池盒盖的印制电路接收线圈靠近无线感应充电器发射线圈，只需2分钟左右时间就可将储能电容C3从0V充电至1.6V。通常，使用过一段时间后再充电的电容电池，其内部的储能电容C3中仍有一定的剩余电荷，这种情况下，所需的充电时间会更短。

如图1所示，第一和第二极管D1、D2可以将USB充电电压+5V降低约1.4伏，这样可以有效降低直流稳压芯片U1（如LM1117）的输入输出压差，减小U1的发热量，同时也可以防止USB电源反接；图中第一电阻R1和第二电阻R2分压取样U1的输出电压用于反馈输出电压，可以使得U1输出稳定的期望电压值2.3V，通过二极管D7降压0.7V，可以得到约1.6V输出电压用于法拉电容的充电。在不充电时间，二极管D7的另一个重要功能就是阻断储能电容C3通过R1和R2的放电。

如图2所示，为几何尺寸兼容AA型号干电池（5号电池尺寸：直径14mm，长度49mm）的带有外壳6的AA型号电容电池结构图，替代其它各种型号（A，AAA，SC，C，D，N，F）干电池的电容储能电池的结构与图2类似，只是几何尺寸需按各型号电池的尺寸做调整。感应接收线圈采用在PCB板5的背面印制的线圈，PCB板5的正面中间部分为贴片元件面，在所述的储能电容C3和PCB板5之间、USB连接器和PCB板5之间、储能电容C3的外部以及USB连接器的外部均设有防涡流屏蔽层9。

该防涡流屏蔽层9的厚度为0.5-0.8mm，可以用TDK的PC44或性能相近的其它软磁材料，其作用是防止感应充电时高频磁场在法拉电容及USB连接器的金属外壳上产生强涡流。

所述的防涡流屏蔽层9与PCB板用胶水固定，长度比被屏蔽的法拉电容和USB连接器略长。

实施例2

如图6所示，本实施例涉及一种针对上述电池的无线充电器，包括：AC/DC电源10、控制模块11、PWM驱动器12、逆变半桥电路13、发射电路14、检流电阻Rx和电流信号处理电路15，其中：AC/DC电源10接收85V-264V交流输入并分别输出5V和18V直流电至控制模块11和逆变半桥电路13的电源端，控制模块11输出PWM信号至PWM驱动器12，PWM驱动器12与逆变半桥电路13的输入端相连并输出激励电流，逆变半桥电路13的输出端与发射电路13相连，逆变半桥电路13的反馈端分别与检流电阻Rx和电流信号处理电路15相连，通过检流电阻Rx将发射电路14的输出电流转变成反馈电压，经过电流信号处理电路15得到一个反映电流频率的脉冲信号和一个反映电流幅度的电压信号，并分别输出至控制模块11的计数器端和AD采样端，控制模块11根据发射电路14的输出电流的大小来判断是否有待充电负载以及储能电容充电是否已充满。

所述的逆变半桥电路13由第五和第六电容C5、C6、第一和第二MOS管Q1、Q2构成，该逆变器在控制模块的PWM控制下以100-200Khz频率输出交变电流，该电流驱动发射线圈产生交变磁场，接收线圈感应到交变磁场并于与接收电路的谐振电容产生谐振，实现最大效率的无线功率传送。

一次完整的充电过程中发射电路的电流波形如图7所示，当充电器空载时，发射电流为最低的I₀；当对电容电池负载充电过程中，如图7所示，发射电流会经历一个快速上升到最高点，然后缓慢下降的过程。控制模块11控制发射电路工作100ms，检测此期间的电流幅度，如果持续在I₀附近，则表明无待充电负载，发射电路暂停1秒后再重复以上过程；如果在100ms期间电流有明显上升趋势，则保持继续工作，待发射电流出现最大值后开始缓慢下降，再延时一段时间（如30秒）后结束充电。如果发射电流持续在不正常的高水平，则表明发射线圈附近存在金属板状物，在金属板上出现电涡流而导致发射电流异常，充电器自动关机并报警。控制模块11还可以通过检测发射电流的频率是否为当前程序设定的频率来判断发射电路是否正常。

以AA型号电容电池为例，选用10F/2.5V的法拉电容，实际最高充电电压1.6V，则最大储存电荷为10F×1.6V=16C，以0.2A电流充电，所需时间为16C/0.2A=80S。干电池最低工作电压一般为1V，则遥控器实际可利用电荷为(1.6V-1.0V)×10F=6C。如果用1节10F/1.6V的法拉电容给家电遥控器供电，假定遥控器待机电流为1μA（多数都低于1μA），自放电电流典型值为20μA，则待机时间理论上可达6C/(20μA+1μA)=6×10⁶S=3.3天；假定遥控器每次按键发送的串行码中有10bits需要15mA电流点亮红外发射管，每次点亮持续时间3ms，则每次按键消耗储能电容15mA×10×3mS=450μC的电荷，6C的实际可利用电荷可供6C/450μC=13333次按键。所以，用法拉电容储能来为类似家用遥控器的低功耗电子设备供电是完全可行的，与传统干电池相比，这种新电池不含重金属等有害物质，而且可以快速充电，最大充电时间不超过2分钟，AA型号电容电池一次充满电可以待机3天以上，可供按键次数约在1万次以上。

Claims

1.一种电容储能式可充电电池，其特征在于，包括：依次连接的由串联的接收线圈和谐振电容组成谐振接收电路、整流电路、降压稳压电路和储能电容，其中：接收线圈配合谐振电容感应接收无线感应发射线圈送出的电磁能量，并通过整流电路和降压稳压电路产生稳定的1.6V直流电压用于对储能电容充电。

2.根据权利要求1所述的电容储能式可充电电池，其特征是，所述的储能电容为法拉电容，电容量为1-33F，额定电压为2.0V-2.5V。

3.根据权利要求1所述的电容储能式可充电电池，其特征是，所述的整流电路的输出端设有与降压稳压电路并联的、带有降压二极管组的充电机构。

4.根据权利要求3所述的电容储能式可充电电池，其特征是，所述的谐振电路、整流电路、降压稳压电路、充电机构以及储能电容封装在外壳内的PCB板上，该外壳为柱体结构，该柱体剖面由半圆形和长方形组成，其中：圆柱体的直径和长方体的宽度一致且与标准电池的直径相匹配；

所述的储能电容位于壳体的前端，整流电路和降压稳压电路分别位于壳体的中部，充电机构位于壳体的尾部；所述的储能电容和PCB板之间、充电机构和PCB板之间、储能电容的外部以及充电机构的外部均设有防涡流屏蔽层。

5.根据权利要求1或4所述的电容储能式可充电电池，其特征是，所述的整流电路为四个低压差二极管组成的二极管整流电路。

6.根据权利要求1或4所述的电容储能式可充电电池，其特征是，所述的降压稳压电路包括：直流稳压芯片、由电阻和二极管组成的降压电路以及两个并联的滤波电容，其中：第二电容和第四电容并联于降压稳压电路的输入端，直流稳压芯片的输入端正极与降压稳压电路的输入端正极相连，降压稳压电路的输出端正极与降压电路的输入端相连。

7.根据权利要求6所述的电容储能式可充电电池，其特征是，所述的降压电路由串联的第一电阻和第二电阻，以及串联在U1输出和C3间的第七二极管组成，其中：第一电阻和第二电阻构成输出电压取样反馈电路，使得降压电路的输出稳定在期望的电压值，第七二级管用于防止法拉电容上的电荷通过第一电阻和第二电阻泄放。

8.根据权利要求1所述的电容储能式可充电电池，其特征是，所述的接收线圈为附着于PCB板的印制电路接收线圈，共15圈且外围宽度12mm。

9.一种根据上述任一权利要求所述电容储能式可充电电池的无线充电器，其特征在于，包括：AC/DC电源、控制模块、PWM驱动器、逆变半桥电路、发射电路、检流电阻Rx和电流信号处理电路，其中：AC/DC电源接收85V-264V交流输入并分别输出5V和18V直流电至控制模块和逆变半桥电路的电源端，控制模块输出PWM信号至PWM驱动器，PWM驱动器与逆变半桥电路的输入端相连并输出激励电流，逆变半桥电路的输出端与发射电路相连，发射电路的反馈包括检流电阻Rx和电流信号处理电路，通过检流电阻Rx将发射电路的输出电流转变成反馈电压，经过电流信号处理电路得到一个反映电流频率的脉冲信号和一个反映电流幅度的电压信号，并分别输出至控制模块的计数器端和AD采样端，控制模块根据发射电路的输出电流的大小判断当前是否有待充电的电容电池以及是否已完成充电。

10.根据权利要求9所述的无线充电器，其特征是，所述的逆变半桥电路由第五和第六电容、第一和第二MOS管构成，该逆变器在控制模块的PWM控制下以100-200Khz的频率输出交变电流，该电流驱动发射线圈产生交变磁场，接收线圈感应到交变磁场并于与接收电路的谐振电容产生谐振，实现最大效率的无线功率传送。