專利名稱：雙向電池充電控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于便攜式電子設(shè)備的裝配有電池的供電系統(tǒng)的領(lǐng) 域，特別是用于雙向調(diào)整輔助電池的充電和放電的控制器。
背景技術(shù)：
近幾年內(nèi)，諸如移動電話、攝像機、便攜式膝上電腦等的便攜式 電池供電設(shè)備的發(fā)展顯著，并且預(yù)計該趨勢將繼續(xù)下去。這些設(shè)備一 般使用配置在這些設(shè)備內(nèi)的可充電電池提供所需電力。電池給設(shè)備供 電的時間的長度主要與電池的尺寸和配置在這些設(shè)備內(nèi)的耗能部件 的數(shù)量有關(guān)。例如，根據(jù)消費者的需要，移動電話制造商經(jīng)常將例如 傳送和接收數(shù)字圖片和/或文本式報文、甚至實時視頻傳輸?shù)哪芰Σ?入電話部件。不幸地是，包括這些特征通常對給移動電話供電的可充 電電池帶來附加要求。最終結(jié)果是由于電力需要增加移動電話的運行 時間縮短。同時，電池的電需求增加，而移動電話的尺寸和重量減小。 當(dāng)移動電話的尺寸減小時， 一般配置在移動電話內(nèi)的電池盒的尺寸也 減小。這兩個趨勢的結(jié)合，即增加的電需求和降低的電池尺寸，常常 由于在不恰當(dāng)時刻電話電池耗盡而造成移動電話用戶經(jīng)受錯過電話 呼叫或數(shù)據(jù)傳輸。使解決該問題復(fù)雜化的另外的趨勢是大多數(shù)移動電 話需要具有特殊尺寸和形狀特征的電池。為了鼓勵消費者從移動電話 制造商購買替換電池，將移動電話制成具有獨特形狀、鎖定機構(gòu)、電 壓需求等的電池。此外，配置在移動電話內(nèi)的充電端口限制可連接到 移動電話的充電器的類型?？偟貋碚f，這些因素限制了消費者用另一 個電源容易地替換廢棄電池的能力。
為了開發(fā)通用的用于移動電話的輔助便攜式電源，已經(jīng)做出許多
嘗試。例如，D. Manor的US 6,127,801、"電池組組件"，公開了包 括電池組和具有雙向電路的基本單元的電源。在D.Manor和G.Weinstein的US6，479，963、"可充電電池組"中，描述了用于移 動電話或其它便攜式設(shè)備的可充電電池組，包括用于給設(shè)備供電的常 規(guī)可充電電池和作為設(shè)備的內(nèi)置充電器的、用于在用戶需要時給可充 電電池充電的用戶可更換單體原電池。該電池組使用可更換單體原電 池或多個單體原電池作為其附加能源，當(dāng)該可更換單體原電池或多個 單體原電池耗盡時，需要用新電池替換。在另一個例子中，0. Resch 的US 6,709,784、"移動電話用備用電池"，公開了一種可插入移動 電話的接點以給內(nèi)置的可充電電池充電和/或直接給移動電話供電的 電池組。該發(fā)明不提供任何電壓轉(zhuǎn)換電路以使電池組輸出電壓與給電 話的可充電電池充電所需電壓匹配，而是依賴于電話的內(nèi)部電荷控制 電路以確保正確的電壓兼容性。此外，該電池優(yōu)選封裝有允許電池組 連接到移動電話的插頭。因此，當(dāng)電池耗盡時，必須丟棄整個電池組， 包括插頭，這增加了消費者的花費。
因此，需要一種輔助直流電源，其使用消費者可容易地插入可再 利用殼體內(nèi)并且從可再利用殼體內(nèi)取出的常用電池，并且該輔助直流 電源可以是容易得到的單體原電池或多個單體原電池、或單體二次電 池或二次電池，該單體二次電池或二次電池具有利用設(shè)備的常規(guī)充電 方法給在設(shè)備殼體內(nèi)部的單體二次電池或二次電池充電的附加選擇。 電源需要重量輕、體積高效、并且容易適用于一大批使用各種形狀和 尺寸的電池的移動電話。
此外，配置在便攜式電子設(shè)備內(nèi)的可充電電池一般價格昂貴，并 且不能廣泛使用。因設(shè)備制造商所供應(yīng)的內(nèi)置電池一般是根據(jù)最佳性 能和操作壽命選出來的，所以用低成本或較易得到的類型的電池代替 這樣的原始配置的電池， 一般導(dǎo)致設(shè)備的可用功率下降或設(shè)備的使用 時間減少。對于筆記本電腦和其它便攜式電腦尤其是這樣，其中所執(zhí) 行的任務(wù)的關(guān)鍵性能一般使內(nèi)置電池的選取和使用之間的協(xié)調(diào)不起 作用。因此，先前在提供用于這類便攜式電子設(shè)備的較廉價或較通用 的電池能源解決方案方面很少進行嘗試。
因此，還需要提供輔助電池組以提供用于增加設(shè)備的內(nèi)部可充電 電池的附加電力，從而由低成本、比通常昂貴的可充電電池更易得到的電源提供附加電力，但是，不以設(shè)備的性能為代價。
在此，以引用的方式將在該部分內(nèi)提及和在說明書的其它部分內(nèi) 提及的每個出版物所公開的內(nèi)容整體并入本發(fā)明中。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例，本發(fā)明致力于提供一種使用可充
電主電池(main rechargeable battery)的新的便攜式電子設(shè)備用 雙向電池充電控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使得能夠?qū)⑤o助或附件電池或單體電 池連接到設(shè)備，以便將附加電流輸入給設(shè)備。主電池和輔助電池的結(jié) 合被稱為混合電池。通過雙向充電控制器執(zhí)行對流入和流出輔助電池 的電流的控制。該輔助電池可包括一個或多個單體原電池或二次電 池，并且雙向充電控制器是如此，使得如果輔助電池是二次電池，則 例如干線壁插式充電器(mains wall plug charger)的連接到設(shè)備、 并且一般用于給設(shè)備的可充電電池充電的外部充電器，還可給輔助電 池內(nèi)的二次電池再充電。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，雙向充電控制器還作為電壓轉(zhuǎn) 換器，以便將輔助電池的電壓轉(zhuǎn)換成給設(shè)備供電通常所需的電壓，以 及用于給設(shè)備的主可充電電池充電。主電池的電壓通常(但不一定) 高于輔助電池的電壓。因為在無法與傳統(tǒng)再充電用干線電源連通、主 電池耗盡的情形下，易得到的單體原電池可用作輔助電池，所以輔助 電池的給設(shè)備的主電池充電的能力特別有用。此外，雙向充電控制器 優(yōu)選由微處理器控制，并且經(jīng)編程使其能夠檢測輔助電池的電池化學(xué) 屬性，并且如果檢測到單體原電池化學(xué)屬性，其使流入輔助電池內(nèi)的 充電電流失效。同樣，在相反方向上，微處理器的算法優(yōu)選能夠?qū)⒊?電電流從輔助電池調(diào)節(jié)到設(shè)備的主可充電電池，使得對于主電池充電 狀態(tài)的每個階段獲得最佳能量傳遞。
此外，雙向充電控制器優(yōu)選包括智能控制特性，該智能控制特性 確保從輔助電池獲取的電流與設(shè)備負載的要求相匹配、與主電池的損 耗水平相匹配并且與利用輔助電池的充電容量的最高效方式相匹配， 特別是當(dāng)輔助電池是原電池時。根據(jù)在任何給定時間對負載電流及主
電池和輔助電池的輸出端電壓所進行的檢測，實時改變這些充電特 性。
在輔助電池是可充電的情況下，雙向充電控制器使得輔助電池和 設(shè)備的可充電主電池能夠基本上彼此連通操作，從而可認為它們相當(dāng) 于一個大的可充電電池。因此，該情況下的輔助電池給可充電主電池 有效地增加容量。這使得能夠認為輔助電池組是設(shè)備的總電池容量的 僅有的可充電部分，并且如果需要，這還使得主電池組能夠永久地用 導(dǎo)線連接到設(shè)備內(nèi)，從而節(jié)省了成本和電池接點的潛在降低的可靠 性。此外，當(dāng)使用可充電輔助電池時，可配置設(shè)備的電力管理系統(tǒng)以 首先使用該電池的容量，并且只有當(dāng)其耗盡時，才使用設(shè)備的主電池。 因可充電主電池的總使用量降低，從而延長了其壽命。根據(jù)該配置， 可有利地構(gòu)造設(shè)備，使得設(shè)備內(nèi)僅有的應(yīng)當(dāng)為用戶所容易替換的電池 是輔助電池，該輔助電池可優(yōu)選容納在其專用盒內(nèi)，與用戶通常無需 考慮的主電池分離。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，可以在便攜式設(shè)備的外部、單 獨的殼體內(nèi)安裝和使用輔助電池，優(yōu)選通過撓性導(dǎo)線將該輔助電池連 接到便攜式設(shè)備，從而將該輔助電池插入到便攜式設(shè)備的外部充電輸 入端。在這種實施例中，優(yōu)選將雙向充電控制器配置在包括輔助電池 的殼體內(nèi)(通常在印刷電路板上)，并且該雙向充電控制器使得輔助 電池能夠?qū)缤獠砍潆娖鞯仍O(shè)備提供電流，或者，如果其為二次電 池，則允許通過連接到外部供電的充電器而給輔助電池充電。因此， 可認為輔助電池相當(dāng)于設(shè)備的小型便攜式外部充電器，用于例如對干 線再充電電源沒有連通、設(shè)備的主電池耗盡的情形下。
因此，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，提供一種用于給電子設(shè)備供電 的電池供電系統(tǒng)，包括
(i)可充電主電池，
(ii )包括至少一個單體原電池和至少一個單體可充電電池中的 一個的附加電池，以及
(iii)控制流動在附加電池和可充電電池之間的電流的雙向充 電控制器。
在上述系統(tǒng)中，雙向充電控制器控制從附加電池流到可充電電池 的電流或者從可充電電池流到附加電池的化學(xué)屬性電流。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，進一步提供如上所述的電池供 電系統(tǒng)，其中附加電池具有第一額定端電壓，可充電電池具有第二額 定端電壓，而雙向充電控制器將附加電池輸出的等于第一額定端電壓 的電流轉(zhuǎn)換為用于給設(shè)備供電的第二電壓?？商鎿Q地且優(yōu)選地，在這 種實施例中，雙向充電控制器可以將附加電池輸出的等于第一額定端 電壓的電流轉(zhuǎn)換為用于給可充電電池充電的第二電壓。在兩種情況中 的任一情況下，第一額定端電壓可優(yōu)選低于第二額定端電壓，或者第 一額定端電壓可優(yōu)選高于第二額定端電壓。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，進一步提供上述的電池供電系 統(tǒng)中的任何一個，其確定附加電池中的單體電池的電池化學(xué)屬性，并 且只有當(dāng)附加電池包括至少一個單體可充電電池時，其才允許電流流 入附加電池。
根據(jù)本發(fā)明的進一步的優(yōu)選實施例，在上述的電池供電系統(tǒng)中， 附加電池可以包括至少一個單體原電、池，并且雙向充電控制器優(yōu)選調(diào) 節(jié)從附加電池供應(yīng)的電流，以便以依賴于其充電狀態(tài)的速率給可充電 電池充電。
可替換地且優(yōu)選地，該電池供電系統(tǒng)的附加電池可以包括至少一 個單體原電池，并且該供電系統(tǒng)優(yōu)選只有當(dāng)主電池消耗到預(yù)定標準時 才開始從附加電池獲得電流。該預(yù)定標準可優(yōu)選為主電池消耗至少
90%。
在上述的電池供電系統(tǒng)中的任何一個中，附加電池中的至少一個 單體可充電電池可以是NiMH電池和NiCd電池之中任何一種。另夕卜，
附加電池中的至少一個單體原電池可優(yōu)選為堿性電池或燃料電池。 根據(jù)本發(fā)明的另一個進一步優(yōu)選的實施例，還提供了一種根據(jù)前
述實施例中任何一個的電池供電系統(tǒng)，其中將可充電電池?zé)o插口地 (socketlessly)安裝在設(shè)備內(nèi)。根據(jù)該實施例，則優(yōu)選只有附加電
池容易被用戶替換。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，更進一步提供一種如上文所述的電池
供電系統(tǒng)，其中附加電池包括至少一個單體可充電電池，并且在從可 充電電池獲得電流之前，雙向充電控制器優(yōu)先從附加電池獲得電流。 在這種實施例中，在從可充電電池獲得電流之前優(yōu)先從附加電池獲得 電流對延長可充電電池的壽命是有效的。此外，優(yōu)選僅在附加電池基 本上耗盡之后使用可充電主電池，從而延長可充電主電池的壽命。
在前述實施例中的任何一個中，可充電電池可優(yōu)選為鋰離子電 池，而便攜式電子設(shè)備可優(yōu)選為移動電話、攝像機或筆記本電腦。
在前述實施例中的任何一個中，優(yōu)選將附加電池安裝在設(shè)備內(nèi)。 然而，根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，提供一種根據(jù)前述實施例中 的任何一個的電池供電系統(tǒng)，其中將附加電池和雙向充電控制器安裝 在設(shè)備外的殼體內(nèi)。該殼體優(yōu)選包括從附加電池將電流輸出到便攜式 設(shè)備并從外部充電器向附加電池輸入充電電流的單個連接器。


從以下結(jié)合附圖的詳細說明中將更加全面地理解和評價本發(fā)明， 在附圖中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例所構(gòu)造且可操作的雙向電池系 統(tǒng)的整體布局的方框電路示意圖2示出在從輔助電池向設(shè)備的可充電主電池提供電流、從而當(dāng) 需要時給可充電電池提供能量增強時的圖1所示的雙向電池系統(tǒng)的 操作；
圖3示出當(dāng)將電流從設(shè)備的交流適配充電器經(jīng)雙向充電控制器 提供到可充電輔助電池時的圖1所示的雙向電池系統(tǒng)的操作；
圖4A-4C是筆記本電腦的底部的示意圖，其示出結(jié)合采用根據(jù)本 發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例所構(gòu)造且可操作的混合電池系統(tǒng)的不同方 法；圖4A示出對現(xiàn)有技術(shù)的標準電池的結(jié)合采用，圖4B和圖4C示
出結(jié)合采用本發(fā)明的混合電池的不同的優(yōu)選方法；
圖5是根據(jù)本發(fā)明的進一步的優(yōu)選實施例的說明充電控制算法 的伏安控制特性的曲線圖6是與30Wh非混合可充電電池的循環(huán)壽命相比較、說明從使
用根據(jù)本發(fā)明的30Wh容量的混合電池供電的筆記本電腦的可充電主 電池所獲得的增加的循環(huán)壽命的曲線圖7是本發(fā)明的雙向電池充電控制器的電力控制系統(tǒng)的方框電 路圖，其示出使本文中所述的各種部件運行的優(yōu)選結(jié)構(gòu)；
圖8示意性說明本發(fā)明的進一步的優(yōu)選實施例，從而在便攜式設(shè) 備外部安裝和使用作為外部雙向充電器單元的輔助電池；
圖9是與圖1-3所示的方框電路示意圖相似的方框電路示意圖， 其示出根據(jù)圖8所示的優(yōu)選實施例的本發(fā)明的雙向電池系統(tǒng)的操作； 并且
圖10示出使用便攜式外部充電器輸入電流以給便攜式電子設(shè)備 的電池充電時的情況。
具體實施例方式
本發(fā)明的雙向電池系統(tǒng)的目的在于提供用于例如移動電話、攝像 機、筆記本電腦等的便攜式電子設(shè)備的輔助電池，該輔助電池提供使 用方便且通用的電力，以擴充設(shè)備內(nèi)的可充電主電池，并且該輔助電 池可包括不同類型的單體電池以用于備用電源功能。
現(xiàn)在參考圖1，其說明根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例所構(gòu)造且可操作 的雙向電池系統(tǒng)的整體布局。以常用方式通過其自身內(nèi)置的可充電電 池12給便攜式設(shè)備的操作電路供電，該內(nèi)置可充電電池12可優(yōu)選為 Li離子型電池。內(nèi)部保護電路14保護內(nèi)置可充電電池免受有害狀況， 包括過度充電、過度放電和過高溫度。此外，提供輔助或附加電池 20，其可被合并到設(shè)備內(nèi)，當(dāng)且如果有必要時容易更換電池。應(yīng)該注 意的是，因輔助"電池(battery)"可包括單個單體電池或包括幾個 單體電池，所以在本申請中關(guān)于輔助電池術(shù)語電池(battery)和單 體電池(cell)有時可以互換使用，盡管它們形式上不同，從技術(shù)上 來講電池(battery)是一個以上單體電池的組件。然而，不論使用 單體電池或是電池作為輔助"電池"，可知本發(fā)明是可應(yīng)用的，并且
當(dāng)廣泛使用術(shù)語電池時，可知其含義有時可互換，而事實上僅想表達 單個單體電池。
輔助電池20優(yōu)選包括用于將輔助電力輸入給設(shè)備的電力系統(tǒng)的 可替換、易得到的標準尺寸的單體電池(cell)或電池(cells)。然 而，該輔助電池在兩個主要方面與在背景技術(shù)部分中提及的現(xiàn)有技術(shù) 中所描述的那些電池不同。
(i) 第一，該輔助電池可包括單體原電池或多個單體原電池、 或單體可充電電池或可充電電池。
(ii) 第二，該輔助電池20通過雙向充電器22與設(shè)備連接，其 中雙向充電器22監(jiān)控和控制電流從電池流入設(shè)備的電力系統(tǒng)以及從 設(shè)備的電力系統(tǒng)流入電池。此外，雙向充電器22作為電壓轉(zhuǎn)換器以 將一般較低的電池電壓轉(zhuǎn)換到設(shè)備的電力系統(tǒng)所需的較高電壓，相反 地將例如當(dāng)連接到外部壁式插座18上的存在于設(shè)備內(nèi)的較高的充電 電壓轉(zhuǎn)換到用于給輔助電池充電的較低的電壓。如果該輔助電池具有 比設(shè)備的主電池高的端電壓，該轉(zhuǎn)換器相應(yīng)地操作?？傊?，為了控制 來自外部壁式插座的充電速率，包括充電控制器16使其作為設(shè)備電 路的一部分或?qū)⑵浒ㄔ诒谑讲遄?8內(nèi)。
該第二個方面(ii)提供具有雙功能的雙向充電器。除了使用來 自輔助電池的能量給可充電主電池充電以外，該充電器還可通過設(shè)備 的內(nèi)部充電電路給輔助電池再充電。這意味著經(jīng)雙向充電器22轉(zhuǎn)移 的能量可朝兩個方向流動一由此得到術(shù)語"雙向充電器"。在圖2和 3的方框電路圖中顯示了這兩個不同流動方向，其中電流方向由箭頭 表示，如下
(a) 電流從輔助電池20流到設(shè)備的可充電主電池12，從而當(dāng) 需要時將可充電電池能量增強。在圖2所示的方框電路圖中示意性地 示出了該情況。
(b) 電流經(jīng)雙向充電器22從連接到設(shè)備10從而連接到其可充 電電池12的交流壁式插座充電器18、 16流到輔助電池20。因為本 發(fā)明的特征，輔助電池是可充電電池，所以這種選擇是有用的。在圖 3所示的方框電路圖中示出了該情況。
該雙向充電器必須能夠提供并且相應(yīng)地控制輔助電池的這兩種 可能操作的應(yīng)用。為了有效滿足這些功能，該雙向充電器22優(yōu)選是
基于微處理器的。在優(yōu)選包括例如鎳金屬氫化物(NiMH)電池或鎳鎘 (NiCd)電池等二次電池和例如堿性電池或燃料電池的原電池或單元 原電池的單單體電池或多單體電池輔助電池20，和優(yōu)選包括Li離子 電池的設(shè)備的單單體電池或多單體電池主電池之間提供電流接口。因 主電池的額定操作電壓一般高于輔助電池的額定操作電壓，所以為了 方便，稱該輔助電池側(cè)為"低電壓側(cè)"，稱設(shè)備的可充電主電池側(cè)為 "高電壓側(cè)"。在從輔助電池20獲得電流時，該雙向充電器能將電流 從低壓側(cè)傳送到高壓測，或者在外部壁式插座充電器18與高壓側(cè)連 接時，該雙向充電器能將電流從高壓側(cè)傳送到低壓側(cè)，并且其能控制 電池在上述方向上充電。
根據(jù)需要哪個電流方向，雙向充電器還允許對NiMH、 NiCd和Li 離子電池的化學(xué)屬性的最優(yōu)和自動的充電控制。在低壓側(cè)，該雙向充 電器自動檢測輔助電池的化學(xué)屬性，并且如果輔助電池包括單體原電 池或多個單體原電池，其阻止充電。相反地，當(dāng)從輔助電池向Li離 子主電池充電時，該雙向充電器實時調(diào)節(jié)充電電流以獲得作為Li離 子電池的電壓的函數(shù)的最優(yōu)能量轉(zhuǎn)移。因原電池一般具有高的內(nèi)電 阻，當(dāng)放電電流升高時，原電池的效率降低。因此，當(dāng)在輔助電池內(nèi) 使用原電池時，當(dāng)Li離子相對較滿時，減小從輔助電池到Li離子電 池的充電電流以提高效率，并且當(dāng)Li離子相對較空時，增加從輔助 電池到Li離子電池的充電電流以確?？闪⒓床僮髟O(shè)備。如此，如果 Li離子電池幾乎或完全耗盡，僅使用輔助電池立即使用設(shè)備是可能 的。在正常情況下，因為在高放電率下高消耗設(shè)備的效率低，所以使 用原電池不能良好地操作高消耗設(shè)備。特殊的充電電流算法能夠在允 許立即使用設(shè)備和隨時間保持良好的效率之間實現(xiàn)平衡，即使利用耗 盡或幾乎耗盡的Li離子電池。此外，因輔助電池通過主電池給設(shè)備 供電，這允許具有低內(nèi)電阻的主電池傳遞例如移動電話等設(shè)備所需的 任何短的、高的電流峰值。如果僅使用原電池或燃料電池給移動電話 供電，因為原電池或燃料電池的內(nèi)電阻相對較高將阻止它們處理有時 由電話獲得的高的電流峰值，所以一般移動電話的功能性將顯著削 弱。根據(jù)本發(fā)明，即使主電池確實完全耗盡，當(dāng)輔助電池提供低電平連續(xù)電流用于操作設(shè)備時，因主電池還可提供傳送所需高電流，所以 設(shè)備仍然是起作用的，因為這些電流是超短時峰值電流從而從主電池
獲取極小的累積能量。此外，當(dāng)從NiMH或MCd輔助電池對Li離子 主電池充電時，由Li離子供電的設(shè)備將兩個化學(xué)電池整個看作單個 電池源。本發(fā)明的系統(tǒng)還優(yōu)選合并輔助電池內(nèi)的和主電池內(nèi)的兩個電 池溫度傳感器，并且根據(jù)所測量的電池溫度，雙向充電器朝當(dāng)前工作 的任何方向調(diào)節(jié)充電電流。
因該雙向充電器是基于微處理器的，所以其執(zhí)行是靈活的，并且 該雙向充電器優(yōu)選包括根據(jù)特定應(yīng)用的特殊需要可編程的若干I/O 接口線。
優(yōu)選通過配置在該雙向充電器的讀出電路和電壓轉(zhuǎn)換電路的方 式提供雙向充電器的某些上述操作特征。
如先前所提的輔助電池可包括例如NiMH或NiCd電池的單體可充
電電池或多個單體電池，或者例如堿性電池或燃料電池的單體原電池 或多個單體原電池。對于每種情況，系統(tǒng)不同地運行。
如果輔助電池是可充電的，可認為輔助電池和設(shè)備的可充電主電 池相當(dāng)于一個大的可充電主電池，因此輔助電池給可充電主電池有效 地增加了容量。因此，因為輔助電池是設(shè)備自身的可充電電池的有效 附加，可認為有效地使用了用于輔助電池的空間。在該情況下，根據(jù) 本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，因輔助電池是易卸的，并且其有效地提 供了設(shè)備的可充電電池的總?cè)萘康囊徊糠?，所以可充電主電池可永?地接入設(shè)備，使得其不再是可拆卸的，因為無需具有兩組可替換的可 充電電池。使用這樣的永久內(nèi)置式主電池有許多優(yōu)點，如下
(i) 可充電主電池的性能提高，因為不僅由于電池被硬接入設(shè) 備內(nèi)而具有減小的接觸電阻，而且還具有增加電池容量的可能性，因 為通過將電池永久合并入設(shè)備內(nèi)、消除對用于電池的可拆卸組件和觸 頭的需要而節(jié)省了空間。
(ii) 具有較高的可靠性和安全性，因為可充電主電池是內(nèi)置的， 因而用戶安裝非原裝電池作為主電源不再可能。
(iii) 具有較低的制造成本，因為(a)不需要內(nèi)部電池組設(shè)計、
內(nèi)部電池組材料和制造成本以及金電池組觸頭，(b)因為在與整個設(shè) 備相同的工藝而不是在分離的工藝中裝配可充電主電池，所以裝配更 簡單，以及(C)產(chǎn)品的集成更容易，消除了在使內(nèi)電池組適應(yīng)于設(shè) 備內(nèi)的可利用空間方面的特殊考慮的需要。
當(dāng)輔助電池是原電池時，使用永久內(nèi)置式主電池的上述優(yōu)點也是 可適用的，盡管這樣的實施例一般在商業(yè)上用途較少。
因為例如利用任何其它非插拔式部件通過焊開或重新將電池焊 入電路的方式，可充電主電池將仍然是可替換的，所以應(yīng)當(dāng)理解術(shù)語 永久內(nèi)置式主電池不應(yīng)該按其字面意思理解。
如果輔助電池是原電池或單體原電池，其可作為設(shè)備的可充電主 電池的輔助能量增強，能夠給完全不依賴于任何電出口或其它這樣的 源的主電池提供再充滿的電荷，并且能夠利用這樣的原電池的廣泛的 可用性和低價格。
使用本發(fā)明的輔助電池具有許多操作優(yōu)點
(i) 這樣的輔助電池為衰退的主電池提供可選的備用能量或能 量增強。
(ii) 如果該輔助電池是可充電的，那么可認為兩個電池都作用 為一個大的可充電電池，從而提供了有效替換某些"大"電池的單體 電池的選擇，即替換輔助電池的單體電池。這種替換將使得"大"電 池能夠具有較長壽命，由于兩個原因
(a) 當(dāng)"大"電池的一部分是可替換的時，該替換提供具有新 容量的部分電池的補充；以及
(b) 可設(shè)計設(shè)備的電力管理以僅在輔助電池耗盡或幾乎耗盡之 后使用可充電主電池，從而因為對可充電主電池的總的使用較少，所 以可延長可充電主電池自身的壽命。
(iii) 從市場的角度來看，因為可充電主電池是內(nèi)在的并且一 般不可接觸，并且消費者僅接觸并看見標準尺寸的輔助電池，所以用 戶認為該電池比沒有這樣的輔助電池的類似設(shè)備的電池小。
為了實現(xiàn)該輔助電池的準確操作，根據(jù)本發(fā)明的各種優(yōu)選實施
例，雙向充電器應(yīng)當(dāng)具有許多操作特征，如下
(i) 需要實時充電電流控制以控制從輔助電池到可充電主電池 的電流，以確保典型的便攜式設(shè)備的最佳結(jié)果，特別是具有輔助原電 池的便攜式設(shè)備。使用下文中描述的電流控制算法執(zhí)行該控制。
(ii) 雙向充電器應(yīng)當(dāng)具有相關(guān)的控制算法，用于自動檢測輔助 電池的化學(xué)屬性，即其是否為原電池或可充電電池。
(iii) 如果檢測到可充電電池的化學(xué)屬性，那么雙向充電器應(yīng) 當(dāng)確?？刂茝慕涣鞑遄潆娖?當(dāng)使用時)到輔助電池的充電電流。
(iv) 通過設(shè)備的主用戶接口，優(yōu)選通過在屏幕上的菜單，可優(yōu) 選使輔助電池的激活或去激活為任選的或用戶可選的?？商鎿Q地且優(yōu) 選地，可以使用設(shè)備/電池上的機械開關(guān)。
(v) 在設(shè)備的主顯示屏幕上示出選項，即輔助電池的狀態(tài)，例 如該輔助電池是否閑置，或?qū)沙潆娭麟姵鼗蛟O(shè)備提供電流，或其自 身被充電。
現(xiàn)在參考圖4A-4C，其是膝上電腦30的底部的示意圖，其示出 根據(jù)本發(fā)明的更優(yōu)選的實施例的合并輔助電池和雙向充電控制系統(tǒng) 的方法。在圖4A內(nèi)示出插入計算機30的背側(cè)的凹部34內(nèi)的現(xiàn)有技 術(shù)的標準可充電電池組32的典型例子。在圖4B內(nèi)示出根據(jù)本發(fā)明的 優(yōu)選實施例的擴充式混合電池組36，其尺寸與一些膝上型電腦制造 商所供應(yīng)的擴充式電池組的尺寸相似，其中輔助電池38被安裝在電 池組背面的分離室40內(nèi)。該分離室具有用于輔助電池的常規(guī)的電池 接點，并且優(yōu)選具有滑動或鉸鏈或可拆卸蓋子42或其它構(gòu)件，因此， 如果需要，用戶容易使用該分離室，以替換輔助電池38。輔助電池 可優(yōu)選為一組4或6個、易得到的、AA尺寸的單體原電池或單體可 充電電池。雙向充電控制器電路優(yōu)選配置在計算機的電力管理電路或 電池組自身內(nèi)。
根據(jù)一個示范組裝設(shè)計，這樣的混合電池組實施例可包括
(i) 具有28瓦特小時(Wh)的可充電能量的標準Li離子電池
組；以及
(ii) 如果使用NiMH電池提供lOWh的附加可充電能量，或者如 果使用Li/FeS2單體原電池提供高達14Wh的一次能量的輔助電池。該
輔助電池可優(yōu)選以在位于電池組的背面的17mm深、17mm高的額外的 殼體內(nèi)的室內(nèi)的一組4個AA尺寸的單體電池的形式存在。
在這樣的實施例中，在計算機背面的室將容易用于移除其蓋子以 在必要時替換輔助電池。
現(xiàn)在參考圖4C,其是筆記本電腦50的示意圖，其中沒有將混合 電池設(shè)計成如圖4B內(nèi)所示的標準電池組的插入式替換，而是將其設(shè) 計成計算機的組成部分。在這樣的實施例中，Li離子主電池優(yōu)選被 配置在計算機內(nèi)作為不可拆卸式組件52，不論是硬線接的或是插入 式的，但不像目前的實際應(yīng)用那樣，優(yōu)選使用戶不易接觸。另一方面， 將輔助電池54的電池設(shè)置成用戶可拆卸的，例如通過將它們安裝在 為此目的所設(shè)計在計算機內(nèi)的空腔56內(nèi)，優(yōu)選具有可拆卸、可伸縮 或鉸鏈接合的蓋子58。如果主電池52是硬線接在內(nèi)部的，這類設(shè)計 提供改進的電源性能，但是，不像圖4B的實施例那樣，這確實需要 將混合電池的設(shè)計并入整個筆記本電腦的機械設(shè)計工藝中。
根據(jù)本發(fā)明的進一步的優(yōu)選實施例，雙向充電控制系統(tǒng)配有用于 確保在主電池的各種耗盡狀態(tài)下最佳利用輔助電池和主電池的電力 管理算法。根據(jù)本發(fā)明的各種實施例提供幾個優(yōu)選的電力管理算法。 盡管這些算法可用于任何移動設(shè)備，它們特別適用于便攜式計算機和 移動電話的應(yīng)用，并且照此將在下面對這些算法進行描述。
根據(jù)電力管理算法的一個優(yōu)選實施例，第一算法確保當(dāng)輔助電池 在使用中時，根據(jù)設(shè)備的即時電流需要實時調(diào)節(jié)所提取的電流，從而 避免低效的高電流從輔助電池排出。因此，在常規(guī)操作條件下，當(dāng)主 電池未完全耗盡時，或者當(dāng)設(shè)備未開啟且主電池由輔助電池充電時， 根據(jù)主電池和輔助電池的類型，該算法確保遵循智能充電模式 (profile)以保證最有效使用輔助電池的有效電力容量。
因為發(fā)射狀態(tài)和接收狀態(tài)下設(shè)備所提取(drawn)的電流的變化 大，所以該充電控制算法對于移動電話的使用特別重要。在發(fā)射過程 中，峰值電流要求可能遠遠超過輔助電池單獨可提供的電流，特別是 當(dāng)輔助電池包含原電池時。因此，例如，雖然給移動電話供電所需的 最大平均電流一般為400mA的數(shù)量級，但是在傳送過程中還使用高達
2A的電流峰值。移動電話通常還在3-4. 1V下運行。這意味著為了給 設(shè)備供應(yīng)峰值電流，用于該應(yīng)用的混合電池的原電池必須提供至少 6W的功率。因為標準堿性原電池在大約1.2V運行，這將需要來自電 池的5A的電流峰值。因為原電池的高內(nèi)電阻，所以原電池一般不能 提供這樣的電流負載。
使用本發(fā)明的混合電池，通過程序化充電控制器使得可充電主電 池象充電電容器一樣供應(yīng)峰值電流，而輔助原電池象電源一樣滿足平 均電流要求而解決該問題。因為峰值只持續(xù)非常短的時間，在例如上 述移動電話的情況下滿足峰值電流要求事實上只需要來自二次電池 的極小的能量。因此，充電控制器必須響應(yīng)平均電流負載，而不是瞬 時電流。
現(xiàn)在參考圖5，其是根據(jù)本發(fā)明的進一步的優(yōu)選實施例說明充電 控制器的算法的電流-電壓控制特性的曲線圖。該特性必定從完整混 合電池供應(yīng)足夠的電流以操作設(shè)備，另一方面，其必須最小化與從輔 助原電池提取過高電流相關(guān)的損耗。圖5說明怎樣控制來自輔助原電 池的作為主二次電池電壓的電壓函數(shù)的充電電流。因為低主電池電壓 是部分耗盡的主電池的跡象或設(shè)備的高平均電流使用的跡象，所以當(dāng) 主二次電池電壓低時，保持充電電流在高電平。然后，如主電池的電 壓上升所表明的那樣，當(dāng)進一步充電主電池時，降低充電電流直至將 充電電流穩(wěn)定在恒定的最小值。從而，在任何情況下，保持充電電流 在其最小可能值，將來自原電池的內(nèi)電阻的損耗最小化。
再一次參考圖5，負載電流線被描繪為高負載和低負載。當(dāng)設(shè)備 具有高平均電流負載時，在啟動時程序化該控制器以超過所需的平均 電流從而確保足夠電流可用于操作設(shè)備并且添滿主電池的任何損耗。 然后，該特性使所供應(yīng)電流減小到充電電流與負載電流相等的平衡水 平。在初始超越期，由于過剩電流而供應(yīng)的能量未損耗，但是其被存 儲在二次電池內(nèi)。當(dāng)原電池接近于耗盡，并且可能不再提供最小操作 電流時，依靠該電流。如果控制特性是如此以致于達不到對所需平均 電流的超越，該設(shè)備將不能立即響應(yīng)操作。
如圖5所示，當(dāng)設(shè)備關(guān)閉或者處于具有極低電流負載的備用模式
時，該控制器同樣以高充電電流啟動，然后迅速將電流減小到最小電 流。因為負載電流非常低，原電池可保持以低電流穩(wěn)定地、緩慢地給 二次電池充電，這是從原電池提取電流的最有效的方法。
因此，圖5的曲線說明充電控制算法怎樣覆蓋包括當(dāng)二次電池接 近滿容量時的電壓控制充電的使用情況的整個范圍，這是Li離子電 池的要求。
在例如膝上型電腦等具有相對較高的電力負載的設(shè)備中，另外設(shè) 計電力管理算法以使輔助電池能夠在主電池幾乎耗盡的最壞的情況 下不中斷地給設(shè)備供電?？傊褂迷姵氐妮o助電池具有限定的電 力輸出，而該輸出可能不足以單獨給設(shè)備供電。因此，如果在切換到 輔助電池之前，允許主電池完全耗盡，則在能夠繼續(xù)工作之前，用戶 將不得不稍許等待輔助電池給主電池充電。因此，該算法通過在主電 池接近耗盡時首先檢測而運行。通過預(yù)定標準確定接近耗盡的程度， 但是一般為總充電容量的10°/?；蛞陨?，并且優(yōu)選由主電池的端電壓所 確定。當(dāng)檢測到這樣的狀態(tài)時，電力管理系統(tǒng)通過起動從輔助電池獲 取電力而采取適當(dāng)?shù)膭幼饕员惴乐怪麟姵赝耆谋M，如果這還沒有發(fā) 生?？赏ㄟ^給用戶指示執(zhí)行該動作，優(yōu)選接入輔助電池的屏幕顯示信 息或者可聽報警信息，或者通過控制系統(tǒng)自動執(zhí)行該動作。因此，輔 助電池的電力與來自幾乎耗盡的主電池的可利用的剩余電力一起使 用，以提供足夠的電力從而繼續(xù)設(shè)備的立即操作，直至兩個電池完全 耗盡。當(dāng)兩個電池完全耗盡時，為了繼續(xù)計算機的操作，安裝新的輔 助電池組以繼續(xù)工作或給主電池充電，或者必須使對外部電源充電器 的接入是可實現(xiàn)的。
根據(jù)一個典型的實施例，需要14W功率來運行的筆記本電腦具有 28Wh的Li離子主電池和由4個Li/FeS2的AA尺寸的單體電池組成的 輔助電池，每個單體電池都能提供2A的最大輸出電流。這意味著約 2.5W的最大輸出功率，即對于所有4個單體電池為IOW。因為這些電 池可提供約10Wh的能量，以該功率輸出，電池可供給約1個小時的 使用時間。因為筆記本電腦的功率損耗超過輔助電池的功率輸出不 大，假如當(dāng)該電力管理算法命令接入輔助電池功率時，在主電池內(nèi)剩
余足夠的功率，那么計算機可繼續(xù)在合并的混合電池的充電壽命的剩 余部分運行在其上上。在該例中，該算法應(yīng)當(dāng)確保在使用輔助電池之
前Li離子電池內(nèi)剩余至少4Wh (持續(xù)1小時輸出4W的功率)。理論 上，從這一時刻起，用戶應(yīng)該仍具有滿60分鐘的使用時間，從輔助 電池獲得10W，從Li離子電池獲得4W。對于該剩余時間，通過使用 輔助電池而有效提供的附加時間為43分鐘。
總之，應(yīng)當(dāng)注意的是，因為Li/FeS2電池具有比Ni麗電池更高的 能量密度，所以包含例如上述Li/FeS2電池的原電池的輔助電池與使 用例如NiMH電池的二次電池的輔助電池相比為計算機提供更長的操 作。然而，NiMH電池具有較高的電流容量，因此其能在主電池完全 耗盡時單獨給計算機供電。
因為如果在其最大功耗時使用這種Li/FeSs電池，其不僅產(chǎn)生大 量熱量，而且以小于其最優(yōu)效率操作，所以應(yīng)當(dāng)優(yōu)選避免在上述最壞 的情況下使用該Li/FeS2電池。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選方法，程序 化的電力管理系統(tǒng)以給用戶提供可聽見的或屏幕上的提前通知，即在 主電池運行低時，建議用戶開始使用輔助電池，即使主電池還沒達到 上述"接近耗盡"的閾值。該對于輔助電池的及時使用確保存儲在其 內(nèi)的電力的最優(yōu)效率。
所有可充電電池都具有有限的循環(huán)壽命一執(zhí)行充電-放電循環(huán)的 次數(shù)越高，其可用容量越低。當(dāng)輔助電池包含例如NiMH電池等的二 次電池時，主電池和輔助電池像一個大的可充電電池一樣一起工作。 如上文所提及，因為便宜的可充電輔助電池承擔(dān)部分負載，這本身延 長了昂貴的主電池的壽命。然而，除了該總的效果以外，根據(jù)本發(fā)明 的進一步優(yōu)選的算法，當(dāng)輔助電池包含二次電池時，將設(shè)備程序化以 管理主要來自于輔助電池的功耗，使得便宜的可替換的輔助電池經(jīng)受 許多充電/放電循環(huán)，否則這些充電/放電循環(huán)將由替換昂貴的主電池 所提供。只要放電循環(huán)淺，即僅部分地在兩次充電之間使電池放電， 例如， 一般是使用膝上型電腦的情況，則該算法確保幾乎所有的電流 損耗都來自輔助電池。使用該方法，實質(zhì)上減少了替換昂貴的主電池 的使用，因此充分增加了其壽命。
為了說明該效果，現(xiàn)在參考圖6，圖6說明根據(jù)本發(fā)明使用30Wh 容量的混合電池給筆記本電腦供電而獲得的一些實驗結(jié)果，該30Wh 容量的混合電池包含提供10Wh能量的具有4個單體Ni腿電池的輔助 電池，以及提供20Wh能量的Li離子主電池。對于50%深度的放電循 環(huán)，僅包含Li離子電池的30Wh容量的同等的電池在200循環(huán)之后將 下降到75%的電荷保持量。另一方面，當(dāng)使用本發(fā)明的混合電池時， 如上側(cè)曲線所示，在200循環(huán)之后，混合電池的Li離子部分仍然具 有95%的保持量，并且在其保持量下降到75%之前，Li離子部分將仍 容許數(shù)百個循環(huán)。因此，可以看出Li離子電池的壽命增加了好幾倍。 對于33%深度的放電，本發(fā)明的混合電池內(nèi)的Li離子電池的壽命可 能大約達到比僅具有Li離子電池的一般主電池更高的數(shù)量級。
現(xiàn)在參考圖7，該圖是示出使本發(fā)明的上述特征能夠?qū)崿F(xiàn)的結(jié)構(gòu) 的雙向電池充電控制器的電力控制系統(tǒng)的方框電路圖。圖7所示的實 施例是較普通的情況，其中給設(shè)備供電的主電池的電壓比輔助電池的 高。然而，在一些設(shè)備中還可發(fā)現(xiàn)相反情況，其中給設(shè)備供電的主電 池的電壓比輔助電池的低，并且在這樣的情況下，需要圖7的實施例 的方框電路的一些電路功能是相反的，但是總體功能結(jié)構(gòu)是相似的。
現(xiàn)在參考圖7，優(yōu)選構(gòu)造輔助電池81，使得可分別確定每個單體 電池的電壓。這可通過給每個單獨的單體電池提供從電池的兩個端到 外部的觸頭而實現(xiàn)。這能夠使電池化學(xué)屬性的檢測算法實現(xiàn)，例如在 待對輔助電池的每個單體電池進行分案申請的本發(fā)明的共同未決的 申請"用于電池供電設(shè)備充電方法"中所描述的算法。然后，該控制 系統(tǒng)可給用戶提供關(guān)于電池的任何特定的單體電池的警報。電壓接頭 通過開關(guān)部件82與其余的控制電路連接。在圖7所示的例子中，示
出具有兩個單體電池的輔助電池，因此需要三條導(dǎo)線輸出到開關(guān)部件 以允許確定兩個單體電池中的每一個的電壓。組織開關(guān)部件82以給 其余電路一次輸出在輔助電池一端和僅一個單體電池的一端之間的 電壓。該特征用于單體電池平衡算法，其也在本發(fā)明人的共同未決申 請"用于電池供電的設(shè)備的充電方法"中得以描述。
到達或來自輔助電池81的電流流入雙向DC-DC功率級84，該功
率級84是雙向電壓轉(zhuǎn)換裝置，其允許電流從輔助電池81流到主電池 85，反之亦然，從而根據(jù)電流的方向轉(zhuǎn)換端電壓。
通過雙向電流傳感器83測量流入或流出輔助電池81的電流的幅 值，所述雙向電流傳感器83感應(yīng)流過雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器84內(nèi)的電感 器的電流。因為電流傳感器的一些設(shè)計需要知道電流的方向，所以根 據(jù)從控制塊88所接收的信號反轉(zhuǎn)感應(yīng)到電流的方向。
包括一個或多個單體電池的用于給設(shè)備89供電的主電池85通常 包括可充電Li離子電池。通常，主電池85是物理地置于便攜式設(shè)備 內(nèi)的。按照慣例，在該便攜式設(shè)備內(nèi)配置壁插式充電器90，用于在 需要充電時從例如干線電源等的外部電壓源充電。該便攜式設(shè)備還可 從輔助電池81接收能量。
控制塊88是雙向電池充電控制器的主要控制單元，并且其控制 整個電路的總體操作。該控制塊88接收與每個單體電池的電壓、電 流和溫度相關(guān)的輸入，并且使用上述算法控制整個系統(tǒng)，包括控制電 流的期望電平和電流方向。通過控制塊88確定電流的期望電平。從 控制臺88輸出的控制電平或電流的方向可用于關(guān)閉電流?？赏ㄟ^使 用在這種設(shè)備內(nèi)采用的標準數(shù)據(jù)通信線而實現(xiàn)便攜式設(shè)備89和控制 塊88之間的數(shù)據(jù)通信，并且該數(shù)據(jù)通信線用于從設(shè)備傳輸用戶生成 的命令，并將控制產(chǎn)生的信號返回用戶。
許多附加的控制元件用于圖7的結(jié)構(gòu)內(nèi)。電壓和溫度的檢測塊 86與輔助電池81連接，并且優(yōu)選分別檢測輔助電池81內(nèi)的每個單 體電池的端電壓和溫度。通過使用電流模式控制循環(huán)將適當(dāng)占空比的 P酒脈沖傳送給雙向DC-DC功率級84內(nèi)的驅(qū)動器，電流控制器87控 制通過DC-DC轉(zhuǎn)換器的電流電平。根據(jù)從控制塊88接收的期望電流
電平設(shè)定值輸出P麗脈沖。
電流控制器87還接收來自控制塊88的系統(tǒng)時鐘和來自電流傳感 器83的有效電流電平的輸入。
現(xiàn)在參考圖8，圖8說明本發(fā)明的進一歩的優(yōu)選實施例，其中在 包含主電池的便攜式設(shè)備104外部安裝并使用輔助電池100于。如圖 所示，輔助電池100被裝入單獨的殼體102內(nèi)，優(yōu)選通過單個連接器28和撓性導(dǎo)線106將其與便攜式設(shè)備連接，從而插入便攜式設(shè)備的 外部充電輸入口 108內(nèi)。在該實施例中，還將雙向充電控制器配置在 優(yōu)選為印刷電路板110上的包含輔助電池的殼體內(nèi)。因此，在例如在 沒有干線充電電源接入、設(shè)備的主電池耗盡的情形下，可認為該輔助 電池相當(dāng)于設(shè)備的小型便攜式外部充電器或電源。
該便攜式外部充電器的雙向充電控制器優(yōu)選并入上述圖7中所 示的控制器電路的所有功能。然而，兩個功能是非常重要的。首先， 因為殼體的暴露性質(zhì)，該單元檢測插入殼體內(nèi)的電池的電池化學(xué)屬性 以防止對原電池充電是重要的。此外，該單元有效地轉(zhuǎn)換根據(jù)輔助電 池是供應(yīng)電流還是被充電而控制的電流的電壓是重要的。在先前所述 的實施例中，輔助電池被配置在假定主電池的特性和要求己知的公知 設(shè)備內(nèi)，而該實施例與先前所述的那些實施例不同，其涉及可用于給 具有兼容連接器的任何設(shè)備供電的便攜式電源。因此，因為制造商不 能控制單元的輔助電池將要供電的設(shè)備的類型，所以可能需要將附加 功能并入控制電路，例如檢查設(shè)備的主電池的狀態(tài)以確定其適于充 電，或者例如通過LED等向用戶提供該單元包括準備供應(yīng)電流的電池 的視覺信號，等等。
此外，便攜式外部充電器的輔助電池具有許多不同于前述實施例 中描述的內(nèi)部輔助電池的操作差異。例如，在該單元連接到便攜式設(shè) 備之前，其與設(shè)備的主電池的電源沒有電接觸。因此，雙向充電控制 器不得不通過插入殼體內(nèi)的電池完全自供電。因此設(shè)計雙向充電控制 器電路110，以使其具有可被設(shè)置為僅幾十個微安培的非常低的待用 電流負載，從而在插入電池之后，能夠使該單元待用數(shù)月，而不耗盡 電池。此外，即使在這些條件下，并且在還沒連接到負載以充電時， 在輔助電池的撓性導(dǎo)線106也必定產(chǎn)生適于實現(xiàn)充電的較高的電壓， 從而導(dǎo)線一插入設(shè)備上的外部充電輸入口 108，便攜式設(shè)備就檢測到 充電設(shè)備的存在。
此外，因為一般將壁式插座及其相似的外部電源充電器設(shè)計成用 于比本發(fā)明的雙向電荷充電器簡單的特性，該實施例的輔助電池單元 可以優(yōu)選合并具有與前述實施例相比更簡單的充電算法的雙向充電 控制器。通常，外壁式充電器相當(dāng)于恒定電流源，其簡單地將充電電 流推人設(shè)備的外部充電輸入口 ，而便攜式設(shè)備自身的充電電路控制該 充電電流的流入，直至主電池充滿。因此，還可構(gòu)造該實施例的外部 輔助電池單元的雙向充電控制器的充電算法，從而以相似的特性給設(shè) 備供應(yīng)電流，因此，與前述實施例的充電算法相比，其得以大大簡化。 因此，因為設(shè)備的內(nèi)部充電控制電路被設(shè)計成遵循總的充電模式，所 以例如當(dāng)主電池接近充滿時，將不必象前述充電算法那樣執(zhí)行任何 "停止充電"的程序。另一方面，對于從壁式插座充電器經(jīng)過雙向充 電控制器流到便攜式外部充電輔助電池的充電電流而言，仍然需要能 適當(dāng)控制輔助電池的充電模式的充電電流算法。
因為便攜式外部充電器的雙向充電控制器允許其通過同一連接 器用于充電或被充電，而無需任何用戶干預(yù)來選擇這兩個任務(wù)中的任 何一個任務(wù)，所以便攜式外部充電器能夠確定器自身是連接到作為負 載的設(shè)備還是連接到用于給其自身的電池充電的壁式充電器是很重 要的。因為壁式充電器和給設(shè)備供電的所轉(zhuǎn)換的電壓可以具有相似的 電平，所以在連接器上的簡單電壓測試是不夠的。因此，根據(jù)本發(fā)明 的另一優(yōu)選實施例，便攜式外部充電器配置有功能檢查程序，從而以 短時間的、 一般每隔數(shù)秒為十分之幾秒的數(shù)量級的持續(xù)時間(一般低
于0.5sec)的有規(guī)則的間隔移除連接器上的輸出電壓，并且測量連 接器的電壓。如果測量結(jié)果表現(xiàn)為基本穩(wěn)定的電壓，則顯然便攜式外 部充電器與壁式充電器或用于給其自身的輔助電池供電的另一個外 部電源連接。另一方面，如果在測量過程中電壓降到一般為0.3伏特 或更高的較低電平，則顯然便攜式外部充電器與設(shè)備連接，用于給該 設(shè)備的主電池充電，且因此轉(zhuǎn)換雙向充電控制器的控制功能。
該輔助電池優(yōu)選為二次電池，并且雙向充電控制器電路的使用還 通過將輔助電池的殼體連接到例如壁插式充電器的外部充電器的輸 出插座或汽車儀表板插座而在需要時允許給電池充電。則該便攜式外 部充電器具有雙重且相反的功能一其可通過連接到便攜式設(shè)備的充 電輸入連接器而給便攜式設(shè)備充電，并且其可通過連接到外部壁式充 電器輸出連接器給自身充電。像通常配置那樣，如果設(shè)備的充電輸入 連接器的極性與外部壁式充電器輸出連接器的相反，將需要極性轉(zhuǎn)接
器(male-to-female adapter),或者需要用于兩種操作的兩種分離 的連接導(dǎo)線。如果將無極性連接器用于充電功能，那么將不需要該轉(zhuǎn) 接器。
可替換地且優(yōu)選地，可使用原電池作為輔助電池，那么該單元提 供雙向充電控制器的控制功能的所有優(yōu)點，例如電壓檢測、電壓轉(zhuǎn)換 和充電速率控制，但是因為不可充電該電池，所以當(dāng)其耗盡時必須更 換。
因為圖8內(nèi)所示的實施例允許使用廣泛可用且廉價的單個AA尺 寸的單體電池，所以其是特別方便的。電壓轉(zhuǎn)換器電路確保在該單元 供應(yīng)電流時，單體輔助電池的比較低的電壓被放大到設(shè)備電路所需電 壓，并且其有效地降低了外部充電器電壓輸出，從而在給該單元內(nèi)的 單體電池充電時限定充電電流。然而，可知這樣的外部充電器輔助電 池還可優(yōu)選包括不只一個單體電池。
現(xiàn)在參考圖9和圖10，它們是與圖1-3相似的方框電路示意圖，
其示出具有在便攜式外部充電器內(nèi)的外部輔助電池的雙向電池系統(tǒng) 的操作，如圖8的實施例中所示出，即當(dāng)通過連接到外部壁插式充電 器18而直接向輔助電池100充電。該充電操作模式一般代替圖3所 示的充電操作，因為與圖3內(nèi)所示的實施例不同，當(dāng)常規(guī)的壁插式充 電器18連接到外部輔助電池20、以便充電該外部輔助電池20時， 因為一般只有一個連接器28，所以該輔助電池不能同時連接到設(shè)備。 圖9示出當(dāng)便攜式外部充電器用于輸入電流以給便攜式電子設(shè)備10 的電池12充電時的情況?？梢栽诒旧暾埖陌l(fā)明人的標題為"便攜式 電池操作的電源"的共同未決PCT申請內(nèi)找到具有外部附加電池的雙 向充電控制器的操作和使用的細節(jié)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員可認識到，本發(fā)明不局限于在上文中特別示出 和描述的內(nèi)容。相反，本發(fā)明的范圍包括將使本領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱 讀上述內(nèi)容時想到并且不屬于現(xiàn)有技術(shù)的在上文內(nèi)所述的各種特征 的結(jié)合和部分結(jié)合，以及其變動和修改。
權(quán)利要求
1、一種用于給電子設(shè)備供電的電池供電系統(tǒng)，包括可充電主電池；附加電池，其包括至少一個單體原電池和至少一個單體可充電電池中的一個，；以及雙向充電控制器，其控制所述附加電池和所述可充電電池之間的電流流動。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池供電系統(tǒng)，其中所述雙向充電控 制器控制電流從所述附加電池流到所述可充電電池。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池供電系統(tǒng)，其中所述雙向充電控 制器控制電流從所述可充電電池流到所述附加電池。
4、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電池供電系統(tǒng)，其中所述 附加電池具有第一額定端電壓，而所述可充電電池具有第二額定端電 壓，并且所述雙向充電控制器將所述附加電池輸出的等于所述第一額 定端電壓的電流轉(zhuǎn)換為用于給所述設(shè)備供電的第二電壓。
5、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電池供電系統(tǒng)，其中所述 附加電池具有第一額定端電壓，而所述可充電電池具有第二額定端電 壓，并且所述雙向充電控制器將所述附加電池輸出的等于所述第一額 定端電壓的電流轉(zhuǎn)換為用于給所述可充電電池充電的第二電壓。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的電池供電系統(tǒng)，其中所述第一額 定端電壓比所述第二額定端電壓低。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的電池供電系統(tǒng)，其中所述第一額 定端電壓比所述第二額定端電壓高。
8、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電池供電系統(tǒng)，其確定所 述附加電池內(nèi)的單體電池的電池化學(xué)屬性，并且僅當(dāng)所述附加電池包 括至少一個單體可充電電池時，才允許電流流入所述附加電池。
9、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電池供電系統(tǒng)，其中所述 附加電池包括至少一個單體原電池，并且其中所述雙向充電控制器調(diào) 節(jié)所述附加電池所供應(yīng)的電流，以便以取決于其充電狀態(tài)的速率給所 述可充電電池充電。
10、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電池供電系統(tǒng)，其中所述 附加電池包括至少一個單體原電池，并且其中僅當(dāng)主電池消耗到預(yù)定 標準時，所述供電系統(tǒng)才開始從所述附加電池提取電流。
11、 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的電池供電系統(tǒng)，其中所述預(yù)定標準 是所述主電池至少消耗90%。
12、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電池供電系統(tǒng)，其中所述 附加電池內(nèi)的所述至少一個單體可充電電池是單體NiMH電池和單體 NiCd電池中的任何一個。
13、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電池供電系統(tǒng)，其中所述 附加電池內(nèi)的所述至少一個單體原電池是單體堿性電池。
14、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電池供電系統(tǒng)，其中在所 述附加電池內(nèi)的所述至少一個單體原電池是單體燃料電池。
15、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電池供電系統(tǒng)，其中所述 可充電電池被無插口地安裝在所述設(shè)備內(nèi)。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的電池供電系統(tǒng)，其中僅使所述附加 電池容易實現(xiàn)由用戶替換。
17、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電池供電系統(tǒng)，其中所述 附加電池包括至少一個單體可充電電池，并且所述雙向充電控制器優(yōu) 選在從所述可充電電池提取電流之前從所述附加電池提取電流。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的電池供電系統(tǒng)，其中所述優(yōu)選在所 述可充電電池之前從所述附加電池提取電流用于延長所述可充電電 池的壽命。
19、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的電池供電系統(tǒng)，其中僅在所述附加 電池基本上耗盡之后，才使用所述可充電主電池，從而延長了所述可 充電主電池的壽命。
20、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電池供電系統(tǒng)，其中所述 可充電電池是Li離子電池。
21、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電池供電系統(tǒng)，其中所述 便攜式電子設(shè)備是移動電話、攝像機和膝上型電腦中的任何一個。
22、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電池供電系統(tǒng)，其中所述 附加電池安裝在所述設(shè)備內(nèi)。
23、 根據(jù)前述權(quán)利要求1-8和12中任一項所述的電池供電系統(tǒng)， 其中所述附加電池和所述雙向充電控制器安裝在所述設(shè)備的外部殼 體內(nèi)。
24、 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電池供電系統(tǒng)，其中所述殼體包括 單個連接器，所述連接器既從所述附加電池將電流輸出到所述便攜式 設(shè)備，也從外部充電器向所述附加電池輸入充電電流。
全文摘要
一種用于使用可充電主電池的便攜式電子設(shè)備的雙向電池充電控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)允許輔助電池連接到設(shè)備，以便將附加電流輸入設(shè)備。通過雙向充電器執(zhí)行對電流流入和流出輔助電池的控制。該輔助電池可包括一個或多個容易獲得的單體原電池或單體二次電池，并且如果將雙向充電器安裝為如此，使得一般用于給設(shè)備的可充電主電池充電的連接到設(shè)備的外部充電器還可給在該輔助電池內(nèi)的單體二次電池或多個單體二次電池充電。使用這種輔助電池允許主電池硬線接到該設(shè)備內(nèi)。
文檔編號H01M10/46GK101171718SQ200680015878
公開日2008年4月30日 申請日期2006年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月11日
發(fā)明者D·馬諾爾, G·溫斯坦 申請人:泰克蒂姆有限公司