專利名稱：具有通用充電輸入的電池的制作方法
具有通用充電輸入的電池
背景技術(shù)：
電池和燃料電池單元為通過電化學(xué)氧化和還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的電化學(xué)裝置。在可再充電系統(tǒng)的情形中，電池通過該過程的逆轉(zhuǎn)過程來再充電。該類型的反應(yīng)涉及電子通過電路從一種材料轉(zhuǎn)移至另一種材料。盡管常常使用術(shù)語“電池”，但所指的基礎(chǔ)電化學(xué)單元為“電池單元”。取決于期望的輸出電壓和容量，電池可包括串聯(lián)或并聯(lián)或既串聯(lián)又并聯(lián)連接的一個(gè)或多個(gè)電池單元?？稍俪潆婋姵乜蓮母鞣N電源充電，包括AC電源，例如使用AC/DC充電器；或在車輛中充電，例如使用插接到點(diǎn)煙適配器(CLA)中的DC/DC充電器；或使用便攜式充電器。然而，從不同的電源充電需要每種電源的專用充電器。對多種充電器的需求增加了成本。攜帶用于單一裝置的多種充電器也不方便，所述裝置旨在從不同的電源充電。可再充電電池通常從具有不同輸出特性的不同的電源充電。圖1A-1C為方框圖，其繪出了對裝置110中的可再充電電池進(jìn)行充電的不同電源。在圖IA中，便攜式裝置110能夠從AC電源101充電，例如使用AC/DC適配器102和充電電路108a。裝置110也能夠在車輛中充電，例如使用插接到點(diǎn)煙適配器(CLA)104中的DC/DC充電器和充電電路108b(圖1B)。裝置110也能夠從便攜式電源106例如便攜式電池充電，所述電池使用充電電路108c (圖1C)。一般來講，充電電路108a-108c (總稱108)彼此互不相同，并且取決于用于對裝置110中的可再充電電池進(jìn)行充電的電源，可包括不同的DC/DC轉(zhuǎn)換器。DC/DC轉(zhuǎn)換器108可產(chǎn)生多種經(jīng)調(diào)節(jié)過的DC電壓，例如3. 3V、5V、12V，所述電壓為用于功率管理控制器和在充電過程中所涉及的任選通信操作的供電電壓。

發(fā)明內(nèi)容
對多種充電器的需求增加了總系統(tǒng)的成本。此外，攜帶用于單一裝置的多種充電器也不方便，所述裝置旨在從不同的電源充電。通過在電池外殼或電池組中嵌置具有可再充電電池的充電電路，可消除用于對相同的可再充電電池進(jìn)行充電的多種充電電路。這樣，將外部電源簡化成DC電源，從而在沒有充電電路的情況下產(chǎn)生未調(diào)節(jié)的輸出。在商業(yè)前沿上，使用者僅需購買電池中的一種充電電路而不是按所述不同的充電選項(xiàng)購買三種外部充電電路。在某個(gè)具體實(shí)施中，在與電池相同的單元中提供充電電路消除了對獨(dú)立保護(hù)電路的需要，因?yàn)椴淮嬖谑褂缅e(cuò)誤充電器的可能性。 在一個(gè)方面，一種電池包括電池外殼,所述電池外殼包括用于提供輸出電壓的可再充電電池單元、以及充電電路。充電電路耦合到可再充電電池單元并且包括電壓轉(zhuǎn)換器以將對充電電路的輸入電壓轉(zhuǎn)換為充電電壓以對可再充電電池單元進(jìn)行充電。在另一方面，一種電池包括電池外殼,所述電池外殼包括用于提供輸出電壓的可再充電電池單元、以及耦合到可再充電電池單元的充電電路。充電電路包括用于控制充電電路的數(shù)字控制器、以及耦合到數(shù)字控制器的電壓轉(zhuǎn)換器。數(shù)字轉(zhuǎn)換器被構(gòu)造成轉(zhuǎn)換對充電電路的輸入電壓以提供對可再充電電池單兀進(jìn)行充電的輸出電壓。在另一方面，一種可再充電裝置包括裝置外殼，所述裝置外殼包括具有集成充電電路的電池。該電池包括電池外殼，所述電池外殼包括用于提供輸出電壓的可再充電電池單元、以及耦合到可再充電電池單元的充電電路。充電電路包括數(shù)字控制器和電壓轉(zhuǎn)換器，所述電壓轉(zhuǎn)換器被構(gòu)造成將輸入電壓轉(zhuǎn)換為充電電壓以用于對可再充電電池單元進(jìn)行充電。具體實(shí)施包括下列中的一個(gè)或多個(gè)。該電池可包括兩者均由電池外殼支撐的充電端子和放電端子，充電端子連接到充電電路。該電池也可包括由電池外殼支撐的接地端子，接地端子連接到可再充電電池單元和充電電路兩者。電池外殼的放電端子連接到可再充電電池單元的放電端子。充電電路被鄰近地放置在電池外殼內(nèi)部使得充電電路和可再充電電池單元之間的電壓降(IR降)小于閾值。可再充電電池單元也可包括充電端子以將可再充電電池單元耦合到充電電路。充電電路中的電壓轉(zhuǎn)換器能夠提供恒定電壓或恒定電流輸出。充電電路中的電壓轉(zhuǎn)換器為模擬轉(zhuǎn)換器或數(shù)字轉(zhuǎn)換器。該電池可包括數(shù)字微控制器單元以控制充電電路。電池的輸入電壓可介于9V和16V之間。電池的輸入電壓也可大體上等于12V。
電池被構(gòu)造成接收由充電板提供的輸入電壓。電池的構(gòu)造可對應(yīng)于具有多個(gè)交變極性條的充電板。充電電路還可包括整流器以將交流電能轉(zhuǎn)換為饋給電壓轉(zhuǎn)換器的大致直流電能。裝置外殼將電池封裝在裝置外殼的使用者可觸及的或使用者不可觸及的部分中。該裝置可為手機(jī)。該裝置可包括封裝電池的可移除的后蓋。該裝置可包括可移除的后蓋，所述后蓋覆蓋將電池封裝在該裝置中的隔室。本發(fā)明的各方面允許例如手機(jī)、筆記本電腦等之類的裝置具有內(nèi)部充電器。這種與裝置或電池整合的充電器允許裝置通過通用充電輸入接受充電。通用充電輸入可被制造成與以下多種電源相容例如AC電源、點(diǎn)煙適配器(CLA)、便攜式充電裝置和充電板。換句話講，例如手機(jī)之類的裝置能夠從各種電源充電而無需不同的充電器。在一些具體實(shí)施中，使用具有各種電壓和輸出電流限制的定制AC/DC適配器的筆記本電腦能夠與不同車輛或飛機(jī)中的12V CLA相容，從而消除了攜帶不同充電器的必要性?？稍俪潆婋姵赝ǔ木哂胁煌敵鎏匦缘牟煌碾娫闯潆姟D1A-1C為方框圖，其繪出了對裝置110中的可再充電電池進(jìn)行充電的不同電源。參見圖1A，便攜式裝置110能夠從AC電源101充電，例如使用AC/DC適配器102和充電電路108a。裝置110也能夠在車輛中充電，例如使用插接到點(diǎn)煙適配器(CLA) 104中的DC/DC充電器和充電電路108b。裝置110也能夠從便攜式電源106例如便攜式電池充電，所述電池使用充電電路108c。一般來講，充電電路108a-108c (總稱108)彼此不相同，并且取決于用于對裝置110中的可再充電電池進(jìn)行充電的電源，可包括不同的DC/DC轉(zhuǎn)換器。DC/DC轉(zhuǎn)換器108可產(chǎn)生多種經(jīng)調(diào)節(jié)過的DC電壓，例如3. 3V、5V、12V，所述電壓為用于功率管理控制器和在充電過程中所涉及的任選通信操作的供電電壓。本發(fā)明的電池組的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的細(xì)節(jié)闡述于附圖和以下說明書中。通過這些說明和附圖并通過這些權(quán)利要求，其它特征、目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見。


圖1A-1C為常規(guī)(現(xiàn)有技術(shù))的可再充電電池充電方法的示意性方框圖。
圖2-3為示意圖，其表示具有通用充電輸入的電池。圖4A示出了充電板的一個(gè)實(shí)例。圖4B示出了被構(gòu)造成使用充電板來充電的裝置的一個(gè)實(shí)例。圖5為電池外殼的示意圖。
具體實(shí)施例方式參見圖2，其示出了具有通用充電輸入的電池組或電池外殼208。電池外殼208被放置在裝置210內(nèi)。電池外殼被放置在裝置的使用者可觸及的或使用者不可觸及的部分 中。例如，在一些具體實(shí)施中，電池外殼能夠與手機(jī)的可移除的后蓋整合。電池外殼也可被放置在裝置內(nèi)，例如放置在其中電池被后蓋遮掩的手機(jī)中。在一些具體實(shí)施中，充電電路215 (例如接收12V輸入并且輸出適用于可再充電電池220的充電電壓/電流的充電電路)耦合到電池外殼208內(nèi)的可再充電電池220和/或與其一起嵌置。充電電路215被構(gòu)造成從不同電源接收輸入。充電電路215被構(gòu)造成接收由外部AC/DC轉(zhuǎn)換器102提供的未經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出，所述轉(zhuǎn)換器繼而連接到AC電源101。充電電路215也被構(gòu)造成在不同的時(shí)間接收源自CLA電源104或便攜式電源106的輸入。便攜式電源可為例如12V便攜式功率電池。充電電路也可被構(gòu)造成從充電板107例如源自Duracell (Bethel,CT)的MYGRID 系統(tǒng)或源自 PureEnergy Solutions Inc. (Boulder,
CO.)的WILDCHARGE 系統(tǒng)接收充電輸入。在一些具體實(shí)施中，充電電路被構(gòu)造成從其它充電器或充電電路例如USB端口、感應(yīng)充電器或太陽能充電器接收充電輸入。充電電路被構(gòu)造成從所述不同電源接收不同的輸入電壓并且將它們轉(zhuǎn)換為適用于對電池220進(jìn)行充電的充電電壓/電流。例如，CLA電源104可提供12V輸入，而充電板可提供15V電力。在一些具體實(shí)施中，裝置210具有不同的倉室或連接器，所述倉室或連接器能夠用來將裝置210耦合到所述各種充電電源。裝置210上的連接器(無論它們的形式和類型如何)將所述各種輸入電源耦合到充電電路215。在一些具體實(shí)施中，裝置210設(shè)有專用連接器以從充電板107例如MYGRIDW.充電板接收充電輸入。這種充電板107的一個(gè)實(shí)例不出于圖4A中。在一些具體實(shí)施中，充電板107包括交變極性條400。裝置210能夠被簡單地放置在充電板107上以便對其進(jìn)行充電。在一些具體實(shí)施中，裝置210被改進(jìn)成從充電板107接收充電輸入。這種裝置210的一個(gè)實(shí)例示出于圖4B中。在一些具體實(shí)施中，裝置210包括專用連接器401，所述專用連接器被構(gòu)造成從充電板107的條400接收充電輸入。電池220為一個(gè)或多個(gè)可再充電電化學(xué)單元或電池單元的組合，所述電池在放電之后能夠通過以下方式被再充電至它們的初始狀況使電流在與放電電流方向相反的方向上穿過它們。如果在電池220中存在多個(gè)電池單元，則這些電池單元能夠串聯(lián)或并聯(lián)地彼此連接。在一些具體實(shí)施中，電池220 (或電池單元)可包括i)陽極或負(fù)極一還原電極或燃料電極一其向外部電路提供電子因而在電化學(xué)反應(yīng)期間被氧化；ii)陰極或正極一氧化電極一其從外部電路接收電子因而在電化學(xué)反應(yīng)期間被還原；和iii)電解質(zhì)一離子導(dǎo)體一其在電池單元內(nèi)提供用于在陽極和陰極之間轉(zhuǎn)移電荷例如離子的介質(zhì)。電解質(zhì)通常為液體，例如水或其它溶劑，其具有溶解的鹽、酸或堿以賦予離子導(dǎo)電性。在一些具體實(shí)施中，電池220可包括固體或氣體電解質(zhì)，這些電解質(zhì)在電池單元的運(yùn)行溫度下為離子導(dǎo)體。在一些具體實(shí)施中，可再充電電池220可包括鋰離子電池單元，所述鋰離子電池單元具有石墨陽極材料或鈦酸鋰陽極材料、以及磷酸鐵鋰陰極材料，它們適于使基于此類材料的可再充電電池能夠快速再充電。一般來講，電池220為電能的蓄能裝置因而也稱為“蓄電池”或“蓄能器”?？稍俪潆婋姵赜袝r(shí)候被稱為二次電池。除了它們的再充電能力以外，二次電池的特征還在于高功率密度、高放電速率、平緩的放電曲線和良好的低溫性能。裝置210可為任何使用電池的電子裝置。例如，裝置210可包括但不限于手機(jī)、電動剃刀、電動牙刷、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、數(shù)字照相機(jī)、音頻裝置、膝上型計(jì)算機(jī)、多媒體裝置。現(xiàn)在參見圖3，充電電路215可包括充電控制器電路312。在一些具體實(shí)施中，充電控制器312被構(gòu)造成監(jiān)測用于包括例如圓柱電池、棱柱電池和紐扣單元電池在內(nèi)的不同類型的二次電池或可再充電電池的充電電流。最有潛力的二次電池中的一種包括鋰離子(Li離子)電池，因?yàn)樗鼈儽却蠖鄶?shù)其它 類型的可再充電電池具有更高的能量密度，這導(dǎo)致尺寸較緊湊且重量較輕。然而，如果鋰離子二次電池被過度充電，則鋰離子會在負(fù)極作為鋰金屬分離出來。在最壞的情況下，電池甚至可能會冒煙、著火或爆炸。在另一方面，如果電池被過度放電，則內(nèi)部的電極易于發(fā)生少量的短路或容量劣化。當(dāng)正極和負(fù)極短路時(shí)，可產(chǎn)生過電流而導(dǎo)致異常發(fā)熱。為了防止過度充電、過度放電和短路(過電流)，鋰離子二次電池一般設(shè)有用以監(jiān)測這些異常狀態(tài)的保護(hù)功能和用以防止所述異常狀態(tài)的開關(guān)。充電控制器電路312被構(gòu)造成提供這種保護(hù)功能。在此類情況下，充電控制器電路312也能夠監(jiān)測電池單元溫度以防止溫度過高。使用充電控制器電路312來提供保護(hù)功能以如下方式消除了對鋰離子電池通常所需的外部保護(hù)板的必要性在該電池組中提供相同的水平的保護(hù)。在一些具體實(shí)施中，充電控制器電路312或充電電路215包括控制器，所述控制器測定施加給電池220的充電電流并且使所測定的充電電流被施加給電池220?？刂破魇钩潆婋娏髟诮?jīng)過指定或預(yù)定時(shí)間段之后被終止。在一些具體實(shí)施中，控制器被構(gòu)造成一旦達(dá)到預(yù)定電池電壓或充電水平就使充電電流終止。在一些具體實(shí)施中，對充電電流的測定通過以下方式進(jìn)行使用例如傳達(dá)表示電池220的容量和/或類型數(shù)據(jù)的識別機(jī)構(gòu)來識別電池220的容量和/或類型。控制器可為例如微處理器、微控制器單元(MCU)、數(shù)字信號處理器(DSP)、可編程的邏輯單元、或它們的組合?？刂破骺砂ū粯?gòu)造成存儲軟件的易失和/或非易失存儲元件，所述軟件包含使得能夠進(jìn)行充電電路的一般操作的計(jì)算機(jī)指令、以及用以對電池220進(jìn)行充電操作的具體實(shí)施程序。充電控制器電路312可包括被構(gòu)造成從傳感器接收信號的模擬-數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器，所述傳感器耦合到電池220，例如用于調(diào)節(jié)和控制充電操作的電壓傳感器。充電控制器電路312還可包括附加電路，所述附加電路包括但不限于數(shù)字-模擬(D/A)轉(zhuǎn)換器、脈沖寬度調(diào)制器(PWM)，它們接收由充電控制器電路312生成的數(shù)字信號并且相應(yīng)地生成電信號，所述電信號調(diào)節(jié)開關(guān)電路例如降壓轉(zhuǎn)換器。在一些具體實(shí)施中，充電電路215包括整流器，所述整流器被構(gòu)造成將對充電電路的交流(AC)輸入轉(zhuǎn)換為直流(DC)輸入。然后源自整流器的直流輸出可被饋給DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器310。
在一些具體實(shí)施中，充電控制器電路312提供任選的DC/DC調(diào)節(jié)?？刂破饕材軌蚪?jīng)濟(jì)地控制附加充電功能，包括恒定電壓(CV)和恒定電流(CC)控制、定時(shí)器、最大電壓、最大電流和溫度范圍保護(hù)。如果需要，控制器也能夠被構(gòu)造成有利于進(jìn)行通信，所述通信相關(guān)于用裝置210識別電池或相關(guān)于外部電源。在一些具體實(shí)施中，控制器可被重新編程以用于不同的電池化學(xué)組成、尺寸、容量和電壓、以及用于電池組的具體實(shí)施。在一些具體實(shí)施中，充電電路215包括DC/DC轉(zhuǎn)換器310。該轉(zhuǎn)換器可為模擬轉(zhuǎn)換器或數(shù)字轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器310能夠接收一定范圍內(nèi)的輸入電壓并且提供對電池220進(jìn)行充電所需的充電電壓。在一些具體實(shí)施中，轉(zhuǎn)換器310能夠接收12V輸入(優(yōu)選地具有9至16V輸入電壓范圍以便與CLA相容)。DC/DC轉(zhuǎn)換器310可為功率電子電路以提供經(jīng)調(diào)節(jié)過的輸出。例如，轉(zhuǎn)換器可提供升壓后的電壓水平、降壓后的電壓水平或大約相同水平的經(jīng)調(diào)節(jié)過的電壓。DC/DC轉(zhuǎn)換器310的功率密度可比AC/DC轉(zhuǎn)換器102高一個(gè)數(shù)量級。這允許在電池中結(jié)合相當(dāng)緊湊的DC/DC轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器為電池220提供給定輸出特性，例如CC-CV特征圖，或簡單地講最大電壓和電流限制。 在一些具體實(shí)施中，可再充電電池220使用雙速率充電序列，其中電池220初始時(shí)以較快速率充電一段時(shí)間，然后一旦電池220達(dá)到預(yù)定充電水平就切換至較慢充電速率(也稱為“滴流”充電速率)?？焖俪潆娦蛄型ㄟ^以下方式終止檢測電池電壓對時(shí)間曲線中的拐點(diǎn)或溫度對時(shí)間曲線中的拐點(diǎn)，或當(dāng)電池達(dá)到指示滴流充電速率開始的某個(gè)恒定電流/恒定電壓(CC-CV)時(shí)。鋰離子電池通常通過使用CC-CV方法來充電，其中電池以固定的電流速率充電直至預(yù)定的電壓，隨后切換至滴流充電速率。所述預(yù)定的電壓一般由各制造商結(jié)合電池容量和電池循環(huán)壽命來指定。在一些情況下，電池220能夠承受具有恒定輸出電壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器310所能夠提供的最大充電電流。在該情況下，僅恒定電壓(CV)操作而不是恒定電流/恒定電壓(CC/CV)操作能夠?qū)е螺^快的充電以及電路和固件(如果可得的話)的簡化。在此類情況下，充電電流僅受到電池內(nèi)阻的限制。在一些具體實(shí)施中，由于電池和充電器的均衡性，輸出電壓將會隨時(shí)間的推移逐漸減小，從而提供可能的最快充電。在鋰離子化學(xué)組成的情形中，不需要充電終止，因?yàn)樽畲蟪潆婋妷罕贿x擇為用于連續(xù)操作的安全值?，F(xiàn)在參見圖5，示意圖示出了包含電池220和充電電路的電池外殼208的細(xì)節(jié)。在一些具體實(shí)施中，電池外殼208包括放電端子402、充電端子404和接地端子412。充電電路215包括輸入端子405、輸出端子407和接地端子410a。電池外殼的充電端子404連接到充電電路215的輸入端子405。充電電路215的接地端子410a連接到電池外殼208的接地端子412。電池220也包括充電端子408、放電端子406和接地端子410b。充電端子408連接到充電電路215的輸出端子。在一些具體實(shí)施中，電池220和充電電路215被放置得彼此足夠鄰近使得沿連接端子407和408的連接器的電壓降被最小化。在一些具體實(shí)施中，所述鄰近性基于電壓降的閾值來測定。電池的放電端子406連接到電池外殼的放電端子 402。其它實(shí)施方案在以下權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電池,所述電池包括 電池外殼，所述電池外殼包括 充電端子輸入； 用于提供輸出電壓的可再充電電池單元；和 耦合到所述可再充電電池單元的充電電路，所述充電電路包括 電壓轉(zhuǎn)換器，所述電壓轉(zhuǎn)換器耦合到所述充電端子輸入以將所述充電端子輸入處的輸A電壓轉(zhuǎn)換為充電電壓以對所述可再充電電池單元進(jìn)行充電。
2.如權(quán)利要求I所述的電池，所述電池還包括 由所述電池外殼支撐的第一充電端子，所述第一充電端子連接到所述充電電路； 由所述電池外殼支撐的放電端子；和 由所述電池外殼支撐的接地端子，所述接地端子連接到所述可再充電電池單元和所述充電電路兩者。
3.如權(quán)利要求2所述的電池，其中所述電池外殼的放電端子連接到所述可再充電電池單元的放電端子。
4.如權(quán)利要求2所述的電池，其中所述第一充電端子被構(gòu)造成從下列中的一種接收所述輸入電壓車輛適配器、壁式適配器、USB端口、便攜式充電器、感應(yīng)充電器、太陽能充電器和充電板。
5.如權(quán)利要求2所述的電池，其中所述可再充電電池單元還包括第二充電端子以將所述可再充電電池單元耦合到所述充電電路。
6.如任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的電池，其中所述充電電路被鄰近地放置在所述電池外殼內(nèi)部使得所述充電電路和所述可再充電電池單元之間的電壓降小于閾值。
7.如任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的電池，其中所述充電電路中的電壓轉(zhuǎn)換器提供恒定電壓輸出。
8.如權(quán)利要求7所述的電池，其中所述充電電路中的電壓轉(zhuǎn)換器為模擬轉(zhuǎn)換器和數(shù)字轉(zhuǎn)換器中的一種。
9.如權(quán)利要求7所述的電池，其中所述充電電路中的電壓轉(zhuǎn)換器還提供恒定電流輸出。
10.如任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的電池，所述電池還包括數(shù)字控制器以控制所述充電電路。
11.如任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的電池，其中所述輸入電壓介于9V和16V之間。
12.如任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的電池，其中所述輸入電壓大體上等于12V。
13.如任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的電池，其中所述電池被構(gòu)造成接收由充電板提供的輸入電壓。
14.如權(quán)利要求13所述的電池，其中所述電池的構(gòu)造對應(yīng)于具有多個(gè)交變極性條的充電板。
15.如任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的電池，其中所述充電電路還包括整流器以將交流電能轉(zhuǎn)換為饋給所述電壓轉(zhuǎn)換器的大致直流電能。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電池，所述電池包括(圖5)電池外殼，所述電池外殼包括用于提供輸出電壓的可再充電電池單元(220)、以及充電電路(215)。充電電路耦合到可再充電電池單元并且包括電壓轉(zhuǎn)換器以將對充電電路的輸入電壓轉(zhuǎn)換為充電電壓以對可再充電電池單元進(jìn)行充電。
文檔編號H03J7/00GK102792590SQ201180013304
公開日2012年11月21日 申請日期2011年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月17日
發(fā)明者J·T·布里爾科弗, J·羅通多 申請人:吉列公司