CN101171718B

CN101171718B - 双向电池充电控制器

Info

Publication number: CN101171718B
Application number: CN2006800158786A
Authority: CN
Inventors: D·马诺尔; G·温斯坦
Original assignee: Techtium Ltd
Current assignee: Techtium Ltd
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2026-03-10
Also published as: AU2006221628A1; WO2006095352A3; WO2006095353A3; KR20070119034A; US20080284370A1; US20110298414A1; US20080197801A1; CA2600512A1; EP1867002A2; US8004237B2; JP2008533961A; EP1867002A4; WO2006095352A2; RU2007136916A; BRPI0608550A2; WO2006095353A2; CN101171718A; MX2007011177A

Abstract

一种用于使用可充电主电池的便携式电子设备的双向电池充电控制系统。该系统允许辅助电池连接到设备，以便将附加电流输入设备。通过双向充电器执行对电流流入和流出辅助电池的控制。该辅助电池可包括一个或多个容易获得的单体原电池或单体二次电池，并且如果将双向充电器安装为如此，使得一般用于给设备的可充电主电池充电的连接到设备的外部充电器还可给在该辅助电池内的单体二次电池或多个单体二次电池充电。使用这种辅助电池允许主电池硬线接到该设备内。

Description

双向电池充电控制器

技术领域

本发明涉及用于便携式电子设备的装配有电池的供电系统的领域，特别是用于双向调整辅助电池的充电和放电的控制器。

背景技术

近几年内，诸如移动电话、摄像机、便携式膝上电脑等的便携式电池供电设备的发展显著，并且预计该趋势将继续下去。这些设备一般使用配置在这些设备内的可充电电池提供所需电力。电池给设备供电的时间的长度主要与电池的尺寸和配置在这些设备内的耗能部件的数量有关。例如，根据消费者的需要，移动电话制造商经常将例如传送和接收数字图片和/或文本式报文、甚至实时视频传输的能力并入电话部件。不幸地是，包括这些特征通常对给移动电话供电的可充电电池带来附加要求。最终结果是由于电力需要增加移动电话的运行时间缩短。同时，电池的电需求增加，而移动电话的尺寸和重量减小。当移动电话的尺寸减小时，一般配置在移动电话内的电池盒的尺寸也减小。这两个趋势的结合，即增加的电需求和降低的电池尺寸，常常由于在不恰当时刻电话电池耗尽而造成移动电话用户经受错过电话呼叫或数据传输。使解决该问题复杂化的另外的趋势是大多数移动电话需要具有特殊尺寸和形状特征的电池。为了鼓励消费者从移动电话制造商购买替换电池，将移动电话制成具有独特形状、锁定机构、电压需求等的电池。此外，配置在移动电话内的充电端口限制可连接到移动电话的充电器的类型。总地来说，这些因素限制了消费者用另一个电源容易地替换废弃电池的能力。

为了开发通用的用于移动电话的辅助便携式电源，已经做出许多尝试。例如，D.Manor的US6,127,801、“电池组组件”，公开了包括电池组和具有双向电路的基本单元的电源。在D.Manor和G.Weinstein的US6,479,963、“可充电电池组”中，描述了用于移动电话或其它便携式设备的可充电电池组，包括用于给设备供电的常规可充电电池和作为设备的内置充电器的、用于在用户需要时给可充电电池充电的用户可更换单体原电池。该电池组使用可更换单体原电池或多个单体原电池作为其附加能源，当该可更换单体原电池或多个单体原电池耗尽时，需要用新电池替换。在另一个例子中，O.Resch的US6,709,784、“移动电话用备用电池”，公开了一种可插入移动电话的接点以给内置的可充电电池充电和/或直接给移动电话供电的电池组。该发明不提供任何电压转换电路以使电池组输出电压与给电话的可充电电池充电所需电压匹配，而是依赖于电话的内部电荷控制电路以确保正确的电压兼容性。此外，该电池优选封装有允许电池组连接到移动电话的插头。因此，当电池耗尽时，必须丢弃整个电池组，包括插头，这增加了消费者的花费。

因此，需要一种辅助直流电源，其使用消费者可容易地插入可再利用壳体内并且从可再利用壳体内取出的常用电池，并且该辅助直流电源可以是容易得到的单体原电池或多个单体原电池、或单体二次电池或二次电池，该单体二次电池或二次电池具有利用设备的常规充电方法给在设备壳体内部的单体二次电池或二次电池充电的附加选择。电源需要重量轻、体积高效、并且容易适用于一大批使用各种形状和尺寸的电池的移动电话。

此外，配置在便携式电子设备内的可充电电池一般价格昂贵，并且不能广泛使用。因设备制造商所供应的内置电池一般是根据最佳性能和操作寿命选出来的，所以用低成本或较易得到的类型的电池代替这样的原始配置的电池，一般导致设备的可用功率下降或设备的使用时间减少。对于笔记本电脑和其它便携式电脑尤其是这样，其中所执行的任务的关键性能一般使内置电池的选取和使用之间的协调不起作用。因此，先前在提供用于这类便携式电子设备的较廉价或较通用的电池能源解决方案方面很少进行尝试。

因此，还需要提供辅助电池组以提供用于增加设备的内部可充电电池的附加电力，从而由低成本、比通常昂贵的可充电电池更易得到的电源提供附加电力，但是，不以设备的性能为代价。

在此，以引用的方式将在该部分内提及和在说明书的其它部分内提及的每个出版物所公开的内容整体并入本发明中。

发明内容

根据本发明的第一优选实施例，本发明致力于提供一种使用可充电主电池(main rechargeable battery)的新的便携式电子设备用双向电池充电控制系统。该系统使得能够将辅助或附件电池或单体电池连接到设备，以便将附加电流输入给设备。主电池和辅助电池的结合被称为混合电池。通过双向充电控制器执行对流入和流出辅助电池的电流的控制。该辅助电池可包括一个或多个单体原电池或二次电池，并且双向充电控制器是如此，使得如果辅助电池是二次电池，则例如干线壁插式充电器(mains wall plug charger)的连接到设备、并且一般用于给设备的可充电电池充电的外部充电器，还可给辅助电池内的二次电池再充电。

根据本发明的另一个优选实施例，双向充电控制器还作为电压转换器，以便将辅助电池的电压转换成给设备供电通常所需的电压，以及用于给设备的主可充电电池充电。主电池的电压通常(但不一定)高于辅助电池的电压。因为在无法与传统再充电用干线电源连通、主电池耗尽的情形下，易得到的单体原电池可用作辅助电池，所以辅助电池的给设备的主电池充电的能力特别有用。此外，双向充电控制器优选由微处理器控制，并且经编程使其能够检测辅助电池的电池化学属性，并且如果检测到单体原电池化学属性，其使流入辅助电池内的充电电流失效。同样，在相反方向上，微处理器的算法优选能够将充电电流从辅助电池调节到设备的主可充电电池，使得对于主电池充电状态的每个阶段获得最佳能量传递。

此外，双向充电控制器优选包括智能控制特性，该智能控制特性确保从辅助电池获取的电流与设备负载的要求相匹配、与主电池的损耗水平相匹配并且与利用辅助电池的充电容量的最高效方式相匹配，特别是当辅助电池是原电池时。根据在任何给定时间对负载电流及主电池和辅助电池的输出端电压所进行的检测，实时改变这些充电特性。

在辅助电池是可充电的情况下，双向充电控制器使得辅助电池和设备的可充电主电池能够基本上彼此连通操作，从而可认为它们相当于一个大的可充电电池。因此，该情况下的辅助电池给可充电主电池有效地增加容量。这使得能够认为辅助电池组是设备的总电池容量的仅有的可充电部分，并且如果需要，这还使得主电池组能够永久地用导线连接到设备内，从而节省了成本和电池接点的潜在降低的可靠性。此外，当使用可充电辅助电池时，可配置设备的电力管理系统以首先使用该电池的容量，并且只有当其耗尽时，才使用设备的主电池。因可充电主电池的总使用量降低，从而延长了其寿命。根据该配置，可有利地构造设备，使得设备内仅有的应当为用户所容易替换的电池是辅助电池，该辅助电池可优选容纳在其专用盒内，与用户通常无需考虑的主电池分离。

根据本发明的另一个优选实施例，可以在便携式设备的外部、单独的壳体内安装和使用辅助电池，优选通过挠性导线将该辅助电池连接到便携式设备，从而将该辅助电池插入到便携式设备的外部充电输入端。在这种实施例中，优选将双向充电控制器配置在包括辅助电池的壳体内(通常在印刷电路板上)，并且该双向充电控制器使得辅助电池能够对例如外部充电器等设备提供电流，或者，如果其为二次电池，则允许通过连接到外部供电的充电器而给辅助电池充电。因此，可认为辅助电池相当于设备的小型便携式外部充电器，用于例如对干线再充电电源没有连通、设备的主电池耗尽的情形下。

因此，根据本发明的优选实施例，提供一种用于给电子设备供电的电池供电系统，包括：

(i)可充电主电池，

(ii)包括至少一个单体原电池和至少一个单体可充电电池中的一个的附加电池，以及

(iii)控制流动在附加电池和可充电电池之间的电流的双向充电控制器。

在上述系统中，双向充电控制器控制从附加电池流到可充电电池的电流或者从可充电电池流到附加电池的化学属性电流。

根据本发明的另一个优选实施例，进一步提供如上所述的电池供电系统，其中附加电池具有第一额定端电压，可充电电池具有第二额定端电压，而双向充电控制器将附加电池输出的等于第一额定端电压的电流转换为用于给设备供电的第二电压。可替换地且优选地，在这种实施例中，双向充电控制器可以将附加电池输出的等于第一额定端电压的电流转换为用于给可充电电池充电的第二电压。在两种情况中的任一情况下，第一额定端电压可优选低于第二额定端电压，或者第一额定端电压可优选高于第二额定端电压。

根据本发明的另一个优选实施例，进一步提供上述的电池供电系统中的任何一个，其确定附加电池中的单体电池的电池化学属性，并且只有当附加电池包括至少一个单体可充电电池时，其才允许电流流入附加电池。

根据本发明的进一步的优选实施例，在上述的电池供电系统中，附加电池可以包括至少一个单体原电池，并且双向充电控制器优选调节从附加电池供应的电流，以便以依赖于其充电状态的速率给可充电电池充电。

可替换地且优选地，该电池供电系统的附加电池可以包括至少一个单体原电池，并且该供电系统优选只有当主电池消耗到预定标准时才开始从附加电池获得电流。该预定标准可优选为主电池消耗至少90％。

在上述的电池供电系统中的任何一个中，附加电池中的至少一个单体可充电电池可以是NiMH电池和NiCd电池之中任何一种。另外，附加电池中的至少一个单体原电池可优选为碱性电池或燃料电池。

根据本发明的另一个进一步优选的实施例，还提供了一种根据前述实施例中任何一个的电池供电系统，其中将可充电电池无插口地(socketlessly)安装在设备内。根据该实施例，则优选只有附加电池容易被用户替换。

根据本发明的优选实施例，更进一步提供一种如上文所述的电池供电系统，其中附加电池包括至少一个单体可充电电池，并且在从可充电电池获得电流之前，双向充电控制器优先从附加电池获得电流。在这种实施例中，在从可充电电池获得电流之前优先从附加电池获得电流对延长可充电电池的寿命是有效的。此外，优选仅在附加电池基本上耗尽之后使用可充电主电池，从而延长可充电主电池的寿命。

在前述实施例中的任何一个中，可充电电池可优选为锂离子电池，而便携式电子设备可优选为移动电话、摄像机或笔记本电脑。

在前述实施例中的任何一个中，优选将附加电池安装在设备内。然而，根据本发明的另一个优选实施例，提供一种根据前述实施例中的任何一个的电池供电系统，其中将附加电池和双向充电控制器安装在设备外的壳体内。该壳体优选包括从附加电池将电流输出到便携式设备并从外部充电器向附加电池输入充电电流的单个连接器。

附图说明

从以下结合附图的详细说明中将更加全面地理解和评价本发明，在附图中：

图1是根据本发明的优选实施例所构造且可操作的双向电池系统的整体布局的方框电路示意图；

图2示出在从辅助电池向设备的可充电主电池提供电流、从而当需要时给可充电电池提供能量增强时的图1所示的双向电池系统的操作；

图3示出当将电流从设备的交流适配充电器经双向充电控制器提供到可充电辅助电池时的图1所示的双向电池系统的操作；

图4A-4C是笔记本电脑的底部的示意图，其示出结合采用根据本发明的另一个优选实施例所构造且可操作的混合电池系统的不同方法；图4A示出对现有技术的标准电池的结合采用，图4B和图4C示出结合采用本发明的混合电池的不同的优选方法；

图5是根据本发明的进一步的优选实施例的说明充电控制算法的伏安控制特性的曲线图；

图6是与30Wh非混合可充电电池的循环寿命相比较、说明从使用根据本发明的30Wh容量的混合电池供电的笔记本电脑的可充电主电池所获得的增加的循环寿命的曲线图；

图7是本发明的双向电池充电控制器的电力控制系统的方框电路图，其示出使本文中所述的各种部件运行的优选结构；

图8示意性说明本发明的进一步的优选实施例，从而在便携式设备外部安装和使用作为外部双向充电器单元的辅助电池；

图9是与图1-3所示的方框电路示意图相似的方框电路示意图，其示出根据图8所示的优选实施例的本发明的双向电池系统的操作；并且

图10示出使用便携式外部充电器输入电流以给便携式电子设备的电池充电时的情况。

具体实施方式

本发明的双向电池系统的目的在于提供用于例如移动电话、摄像机、笔记本电脑等的便携式电子设备的辅助电池，该辅助电池提供使用方便且通用的电力，以扩充设备内的可充电主电池，并且该辅助电池可包括不同类型的单体电池以用于备用电源功能。

现在参考图1，其说明根据本发明的优选实施例所构造且可操作的双向电池系统的整体布局。以常用方式通过其自身内置的可充电电池12给便携式设备的操作电路供电，该内置可充电电池12可优选为Li离子型电池。内部保护电路14保护内置可充电电池免受有害状况，包括过度充电、过度放电和过高温度。此外，提供辅助或附加电池20，其可被合并到设备内，当且如果有必要时容易更换电池。应该注意的是，因辅助“电池(battery)”可包括单个单体电池或包括几个单体电池，所以在本申请中关于辅助电池术语电池(battery)和单体电池(cell)有时可以互换使用，尽管它们形式上不同，从技术上来讲电池(battery)是一个以上单体电池的组件。然而，不论使用单体电池或是电池作为辅助“电池”，可知本发明是可应用的，并且当广泛使用术语电池时，可知其含义有时可互换，而事实上仅想表达单个单体电池。

辅助电池20优选包括用于将辅助电力输入给设备的电力系统的可替换、易得到的标准尺寸的单体电池(cell)或电池(cells)。然而，该辅助电池在两个主要方面与在背景技术部分中提及的现有技术中所描述的那些电池不同。

(i)第一，该辅助电池可包括单体原电池或多个单体原电池、或单体可充电电池或可充电电池。

(ii)第二，该辅助电池20通过双向充电器22与设备连接，其中双向充电器22监控和控制电流从电池流入设备的电力系统以及从设备的电力系统流入电池。此外，双向充电器22作为电压转换器以将一般较低的电池电压转换到设备的电力系统所需的较高电压，相反地将例如当连接到外部壁式插座18上的存在于设备内的较高的充电电压转换到用于给辅助电池充电的较低的电压。如果该辅助电池具有比设备的主电池高的端电压，该转换器相应地操作。总之，为了控制来自外部壁式插座的充电速率，包括充电控制器16使其作为设备电路的一部分或将其包括在壁式插座18内。

该第二个方面(ii)提供具有双功能的双向充电器。除了使用来自辅助电池的能量给可充电主电池充电以外，该充电器还可通过设备的内部充电电路给辅助电池再充电。这意味着经双向充电器22转移的能量可朝两个方向流动-由此得到术语“双向充电器”。在图2和3的方框电路图中显示了这两个不同流动方向，其中电流方向由箭头表示，如下：

(a)电流从辅助电池20流到设备的可充电主电池12，从而当需要时将可充电电池能量增强。在图2所示的方框电路图中示意性地示出了该情况。

(b)电流经双向充电器22从连接到设备10从而连接到其可充电电池12的交流壁式插座充电器18、16流到辅助电池20。因为本发明的特征，辅助电池是可充电电池，所以这种选择是有用的。在图3所示的方框电路图中示出了该情况。

该双向充电器必须能够提供并且相应地控制辅助电池的这两种可能操作的应用。为了有效满足这些功能，该双向充电器22优选是基于微处理器的。在优选包括例如镍金属氢化物(NiMH)电池或镍镉(NiCd)电池等二次电池和例如碱性电池或燃料电池的原电池或单元原电池的单单体电池或多单体电池辅助电池20，和优选包括Li离子电池的设备的单单体电池或多单体电池主电池之间提供电流接口。因主电池的额定操作电压一般高于辅助电池的额定操作电压，所以为了方便，称该辅助电池侧为“低电压侧”，称设备的可充电主电池侧为“高电压侧”。在从辅助电池20获得电流时，该双向充电器能将电流从低压侧传送到高压测，或者在外部壁式插座充电器18与高压侧连接时，该双向充电器能将电流从高压侧传送到低压侧，并且其能控制电池在上述方向上充电。

根据需要哪个电流方向，双向充电器还允许对NiMH、NiCd和Li离子电池的化学属性的最优和自动的充电控制。在低压侧，该双向充电器自动检测辅助电池的化学属性，并且如果辅助电池包括单体原电池或多个单体原电池，其阻止充电。相反地，当从辅助电池向Li离子主电池充电时，该双向充电器实时调节充电电流以获得作为Li离子电池的电压的函数的最优能量转移。因原电池一般具有高的内电阻，当放电电流升高时，原电池的效率降低。因此，当在辅助电池内使用原电池时，当Li离子相对较满时，减小从辅助电池到Li离子电池的充电电流以提高效率，并且当Li离子相对较空时，增加从辅助电池到Li离子电池的充电电流以确保可立即操作设备。如此，如果Li离子电池几乎或完全耗尽，仅使用辅助电池立即使用设备是可能的。在正常情况下，因为在高放电率下高消耗设备的效率低，所以使用原电池不能良好地操作高消耗设备。特殊的充电电流算法能够在允许立即使用设备和随时间保持良好的效率之间实现平衡，即使利用耗尽或几乎耗尽的Li离子电池。此外，因辅助电池通过主电池给设备供电，这允许具有低内电阻的主电池传递例如移动电话等设备所需的任何短的、高的电流峰值。如果仅使用原电池或燃料电池给移动电话供电，因为原电池或燃料电池的内电阻相对较高将阻止它们处理有时由电话获得的高的电流峰值，所以一般移动电话的功能性将显著削弱。根据本发明，即使主电池确实完全耗尽，当辅助电池提供低电平连续电流用于操作设备时，因主电池还可提供传送所需高电流，所以设备仍然是起作用的，因为这些电流是超短时峰值电流从而从主电池获取极小的累积能量。此外，当从NiMH或NiCd辅助电池对Li离子主电池充电时，由Li离子供电的设备将两个化学电池整个看作单个电池源。本发明的系统还优选合并辅助电池内的和主电池内的两个电池温度传感器，并且根据所测量的电池温度，双向充电器朝当前工作的任何方向调节充电电流。

因该双向充电器是基于微处理器的，所以其执行是灵活的，并且该双向充电器优选包括根据特定应用的特殊需要可编程的若干I/O接口线。

优选通过配置在该双向充电器的读出电路和电压转换电路的方式提供双向充电器的某些上述操作特征。

如先前所提的辅助电池可包括例如NiMH或NiCd电池的单体可充电电池或多个单体电池，或者例如碱性电池或燃料电池的单体原电池或多个单体原电池。对于每种情况，系统不同地运行。

如果辅助电池是可充电的，可认为辅助电池和设备的可充电主电池相当于一个大的可充电主电池，因此辅助电池给可充电主电池有效地增加了容量。因此，因为辅助电池是设备自身的可充电电池的有效附加，可认为有效地使用了用于辅助电池的空间。在该情况下，根据本发明的另一个优选实施例，因辅助电池是易卸的，并且其有效地提供了设备的可充电电池的总容量的一部分，所以可充电主电池可永久地接入设备，使得其不再是可拆卸的，因为无需具有两组可替换的可充电电池。使用这样的永久内置式主电池有许多优点，如下：

(i)可充电主电池的性能提高，因为不仅由于电池被硬接入设备内而具有减小的接触电阻，而且还具有增加电池容量的可能性，因为通过将电池永久合并入设备内、消除对用于电池的可拆卸组件和触头的需要而节省了空间。

(ii)具有较高的可靠性和安全性，因为可充电主电池是内置的，因而用户安装非原装电池作为主电源不再可能。

(iii)具有较低的制造成本，因为(a)不需要内部电池组设计、内部电池组材料和制造成本以及金电池组触头，(b)因为在与整个设备相同的工艺而不是在分离的工艺中装配可充电主电池，所以装配更简单，以及(c)产品的集成更容易，消除了在使内电池组适应于设备内的可利用空间方面的特殊考虑的需要。

当辅助电池是原电池时，使用永久内置式主电池的上述优点也是可适用的，尽管这样的实施例一般在商业上用途较少。

因为例如利用任何其它非插拔式部件通过焊开或重新将电池焊入电路的方式，可充电主电池将仍然是可替换的，所以应当理解术语永久内置式主电池不应该按其字面意思理解。

如果辅助电池是原电池或单体原电池，其可作为设备的可充电主电池的辅助能量增强，能够给完全不依赖于任何电出口或其它这样的源的主电池提供再充满的电荷，并且能够利用这样的原电池的广泛的可用性和低价格。

使用本发明的辅助电池具有许多操作优点：

(i)这样的辅助电池为衰退的主电池提供可选的备用能量或能量增强。

(ii)如果该辅助电池是可充电的，那么可认为两个电池都作用为一个大的可充电电池，从而提供了有效替换某些“大”电池的单体电池的选择，即替换辅助电池的单体电池。这种替换将使得“大”电池能够具有较长寿命，由于两个原因：

(a)当“大”电池的一部分是可替换的时，该替换提供具有新容量的部分电池的补充；以及

(b)可设计设备的电力管理以仅在辅助电池耗尽或几乎耗尽之后使用可充电主电池，从而因为对可充电主电池的总的使用较少，所以可延长可充电主电池自身的寿命。

(iii)从市场的角度来看，因为可充电主电池是内在的并且一般不可接触，并且消费者仅接触并看见标准尺寸的辅助电池，所以用户认为该电池比没有这样的辅助电池的类似设备的电池小。

为了实现该辅助电池的准确操作，根据本发明的各种优选实施例，双向充电器应当具有许多操作特征，如下：

(i)需要实时充电电流控制以控制从辅助电池到可充电主电池的电流，以确保典型的便携式设备的最佳结果，特别是具有辅助原电池的便携式设备。使用下文中描述的电流控制算法执行该控制。

(ii)双向充电器应当具有相关的控制算法，用于自动检测辅助电池的化学属性，即其是否为原电池或可充电电池。

(iii)如果检测到可充电电池的化学属性，那么双向充电器应当确保控制从交流插座充电器(当使用时)到辅助电池的充电电流。

(iv)通过设备的主用户接口，优选通过在屏幕上的菜单，可优选使辅助电池的激活或去激活为任选的或用户可选的。可替换地且优选地，可以使用设备/电池上的机械开关。

(v)在设备的主显示屏幕上示出选项，即辅助电池的状态，例如该辅助电池是否闲置，或对可充电主电池或设备提供电流，或其自身被充电。

现在参考图4A-4C，其是膝上电脑30的底部的示意图，其示出根据本发明的更优选的实施例的合并辅助电池和双向充电控制系统的方法。在图4A内示出插入计算机30的背侧的凹部34内的现有技术的标准可充电电池组32的典型例子。在图4B内示出根据本发明的优选实施例的扩充式混合电池组36，其尺寸与一些膝上型电脑制造商所供应的扩充式电池组的尺寸相似，其中辅助电池38被安装在电池组背面的分离室40内。该分离室具有用于辅助电池的常规的电池接点，并且优选具有滑动或铰链或可拆卸盖子42或其它构件，因此，如果需要，用户容易使用该分离室，以替换辅助电池38。辅助电池可优选为一组4或6个、易得到的、AA尺寸的单体原电池或单体可充电电池。双向充电控制器电路优选配置在计算机的电力管理电路或电池组自身内。

根据一个示范组装设计，这样的混合电池组实施例可包括：

(i)具有28瓦特小时(Wh)的可充电能量的标准Li离子电池组；以及

(ii)如果使用NiMH电池提供10Wh的附加可充电能量，或者如果使用Li/FeS₂单体原电池提供高达14Wh的一次能量的辅助电池。该辅助电池可优选以在位于电池组的背面的17mm深、17mm高的额外的壳体内的室内的一组4个AA尺寸的单体电池的形式存在。

在这样的实施例中，在计算机背面的室将容易用于移除其盖子以在必要时替换辅助电池。

现在参考图4C，其是笔记本电脑50的示意图，其中没有将混合电池设计成如图4B内所示的标准电池组的插入式替换，而是将其设计成计算机的组成部分。在这样的实施例中，Li离子主电池优选被配置在计算机内作为不可拆卸式组件52，不论是硬线接的或是插入式的，但不像目前的实际应用那样，优选使用户不易接触。另一方面，将辅助电池54的电池设置成用户可拆卸的，例如通过将它们安装在为此目的所设计在计算机内的空腔56内，优选具有可拆卸、可伸缩或铰链接合的盖子58。如果主电池52是硬线接在内部的，这类设计提供改进的电源性能，但是，不像图4B的实施例那样，这确实需要将混合电池的设计并入整个笔记本电脑的机械设计工艺中。

根据本发明的进一步的优选实施例，双向充电控制系统配有用于确保在主电池的各种耗尽状态下最佳利用辅助电池和主电池的电力管理算法。根据本发明的各种实施例提供几个优选的电力管理算法。尽管这些算法可用于任何移动设备，它们特别适用于便携式计算机和移动电话的应用，并且照此将在下面对这些算法进行描述。

根据电力管理算法的一个优选实施例，第一算法确保当辅助电池在使用中时，根据设备的即时电流需要实时调节所提取的电流，从而避免低效的高电流从辅助电池排出。因此，在常规操作条件下，当主电池未完全耗尽时，或者当设备未开启且主电池由辅助电池充电时，根据主电池和辅助电池的类型，该算法确保遵循智能充电模式(profile)以保证最有效使用辅助电池的有效电力容量。

因为发射状态和接收状态下设备所提取(drawn)的电流的变化大，所以该充电控制算法对于移动电话的使用特别重要。在发射过程中，峰值电流要求可能远远超过辅助电池单独可提供的电流，特别是当辅助电池包含原电池时。因此，例如，虽然给移动电话供电所需的最大平均电流一般为400mA的数量级，但是在传送过程中还使用高达2A的电流峰值。移动电话通常还在3-4.1V下运行。这意味着为了给设备供应峰值电流，用于该应用的混合电池的原电池必须提供至少6W的功率。因为标准碱性原电池在大约1.2V运行，这将需要来自电池的5A的电流峰值。因为原电池的高内电阻，所以原电池一般不能提供这样的电流负载。

使用本发明的混合电池，通过程序化充电控制器使得可充电主电池象充电电容器一样供应峰值电流，而辅助原电池象电源一样满足平均电流要求而解决该问题。因为峰值只持续非常短的时间，在例如上述移动电话的情况下满足峰值电流要求事实上只需要来自二次电池的极小的能量。因此，充电控制器必须响应平均电流负载，而不是瞬时电流。

现在参考图5，其是根据本发明的进一步的优选实施例说明充电控制器的算法的电流-电压控制特性的曲线图。该特性必定从完整混合电池供应足够的电流以操作设备，另一方面，其必须最小化与从辅助原电池提取过高电流相关的损耗。图5说明怎样控制来自辅助原电池的作为主二次电池电压的电压函数的充电电流。因为低主电池电压是部分耗尽的主电池的迹象或设备的高平均电流使用的迹象，所以当主二次电池电压低时，保持充电电流在高电平。然后，如主电池的电压上升所表明的那样，当进一步充电主电池时，降低充电电流直至将充电电流稳定在恒定的最小值。从而，在任何情况下，保持充电电流在其最小可能值，将来自原电池的内电阻的损耗最小化。

再一次参考图5，负载电流线被描绘为高负载和低负载。当设备具有高平均电流负载时，在启动时程序化该控制器以超过所需的平均电流从而确保足够电流可用于操作设备并且添满主电池的任何损耗。然后，该特性使所供应电流减小到充电电流与负载电流相等的平衡水平。在初始超越期，由于过剩电流而供应的能量未损耗，但是其被存储在二次电池内。当原电池接近于耗尽，并且可能不再提供最小操作电流时，依靠该电流。如果控制特性是如此以致于达不到对所需平均电流的超越，该设备将不能立即响应操作。

如图5所示，当设备关闭或者处于具有极低电流负载的备用模式时，该控制器同样以高充电电流启动，然后迅速将电流减小到最小电流。因为负载电流非常低，原电池可保持以低电流稳定地、缓慢地给二次电池充电，这是从原电池提取电流的最有效的方法。

因此，图5的曲线说明充电控制算法怎样覆盖包括当二次电池接近满容量时的电压控制充电的使用情况的整个范围，这是Li离子电池的要求。

在例如膝上型电脑等具有相对较高的电力负载的设备中，另外设计电力管理算法以使辅助电池能够在主电池几乎耗尽的最坏的情况下不中断地给设备供电。总之，使用原电池的辅助电池具有限定的电力输出，而该输出可能不足以单独给设备供电。因此，如果在切换到辅助电池之前，允许主电池完全耗尽，则在能够继续工作之前，用户将不得不稍许等待辅助电池给主电池充电。因此，该算法通过在主电池接近耗尽时首先检测而运行。通过预定标准确定接近耗尽的程度，但是一般为总充电容量的10％或以上，并且优选由主电池的端电压所确定。当检测到这样的状态时，电力管理系统通过起动从辅助电池获取电力而采取适当的动作以便防止主电池完全耗尽，如果这还没有发生。可通过给用户指示执行该动作，优选接入辅助电池的屏幕显示信息或者可听报警信息，或者通过控制系统自动执行该动作。因此，辅助电池的电力与来自几乎耗尽的主电池的可利用的剩余电力一起使用，以提供足够的电力从而继续设备的立即操作，直至两个电池完全耗尽。当两个电池完全耗尽时，为了继续计算机的操作，安装新的辅助电池组以继续工作或给主电池充电，或者必须使对外部电源充电器的接入是可实现的。

根据一个典型的实施例，需要14W功率来运行的笔记本电脑具有28Wh的Li离子主电池和由4个Li/FeS₂的AA尺寸的单体电池组成的辅助电池，每个单体电池都能提供2A的最大输出电流。这意味着约2.5W的最大输出功率，即对于所有4个单体电池为10W。因为这些电池可提供约10Wh的能量，以该功率输出，电池可供给约1个小时的使用时间。因为笔记本电脑的功率损耗超过辅助电池的功率输出不大，假如当该电力管理算法命令接入辅助电池功率时，在主电池内剩余足够的功率，那么计算机可继续在合并的混合电池的充电寿命的剩余部分运行在其上上。在该例中，该算法应当确保在使用辅助电池之前Li离子电池内剩余至少4Wh(持续1小时输出4W的功率)。理论上，从这一时刻起，用户应该仍具有满60分钟的使用时间，从辅助电池获得10W，从Li离子电池获得4W。对于该剩余时间，通过使用辅助电池而有效提供的附加时间为43分钟。

总之，应当注意的是，因为Li/FeS₂电池具有比NiMH电池更高的能量密度，所以包含例如上述Li/FeS₂电池的原电池的辅助电池与使用例如NiMH电池的二次电池的辅助电池相比为计算机提供更长的操作。然而，NiMH电池具有较高的电流容量，因此其能在主电池完全耗尽时单独给计算机供电。

因为如果在其最大功耗时使用这种Li/FeS₂电池，其不仅产生大量热量，而且以小于其最优效率操作，所以应当优选避免在上述最坏的情况下使用该Li/FeS₂电池。根据本发明的另一个优选方法，程序化的电力管理系统以给用户提供可听见的或屏幕上的提前通知，即在主电池运行低时，建议用户开始使用辅助电池，即使主电池还没达到上述“接近耗尽”的阈值。该对于辅助电池的及时使用确保存储在其内的电力的最优效率。

所有可充电电池都具有有限的循环寿命-执行充电-放电循环的次数越高，其可用容量越低。当辅助电池包含例如NiMH电池等的二次电池时，主电池和辅助电池像一个大的可充电电池一样一起工作。如上文所提及，因为便宜的可充电辅助电池承担部分负载，这本身延长了昂贵的主电池的寿命。然而，除了该总的效果以外，根据本发明的进一步优选的算法，当辅助电池包含二次电池时，将设备程序化以管理主要来自于辅助电池的功耗，使得便宜的可替换的辅助电池经受许多充电/放电循环，否则这些充电/放电循环将由替换昂贵的主电池所提供。只要放电循环浅，即仅部分地在两次充电之间使电池放电，例如，一般是使用膝上型电脑的情况，则该算法确保几乎所有的电流损耗都来自辅助电池。使用该方法，实质上减少了替换昂贵的主电池的使用，因此充分增加了其寿命。

为了说明该效果，现在参考图6，图6说明根据本发明使用30Wh容量的混合电池给笔记本电脑供电而获得的一些实验结果，该30Wh容量的混合电池包含提供10Wh能量的具有4个单体NiMH电池的辅助电池，以及提供20Wh能量的Li离子主电池。对于50％深度的放电循环，仅包含Li离子电池的30Wh容量的同等的电池在200循环之后将下降到75％的电荷保持量。另一方面，当使用本发明的混合电池时，如上侧曲线所示，在200循环之后，混合电池的Li离子部分仍然具有95％的保持量，并且在其保持量下降到75％之前，Li离子部分将仍容许数百个循环。因此，可以看出Li离子电池的寿命增加了好几倍。对于33％深度的放电，本发明的混合电池内的Li离子电池的寿命可能大约达到比仅具有Li离子电池的一般主电池更高的数量级。

现在参考图7，该图是示出使本发明的上述特征能够实现的结构的双向电池充电控制器的电力控制系统的方框电路图。图7所示的实施例是较普通的情况，其中给设备供电的主电池的电压比辅助电池的高。然而，在一些设备中还可发现相反情况，其中给设备供电的主电池的电压比辅助电池的低，并且在这样的情况下，需要图7的实施例的方框电路的一些电路功能是相反的，但是总体功能结构是相似的。

现在参考图7，优选构造辅助电池81，使得可分别确定每个单体电池的电压。这可通过给每个单独的单体电池提供从电池的两个端到外部的触头而实现。这能够使电池化学属性的检测算法实现，例如在待对辅助电池的每个单体电池进行分案申请的本发明的共同未决的申请“用于电池供电设备充电方法”中所描述的算法。然后，该控制系统可给用户提供关于电池的任何特定的单体电池的警报。电压接头通过开关部件82与其余的控制电路连接。在图7所示的例子中，示出具有两个单体电池的辅助电池，因此需要三条导线输出到开关部件以允许确定两个单体电池中的每一个的电压。组织开关部件82以给其余电路一次输出在辅助电池一端和仅一个单体电池的一端之间的电压。该特征用于单体电池平衡算法，其也在本发明人的共同未决申请“用于电池供电的设备的充电方法”中得以描述。

到达或来自辅助电池81的电流流入双向DC-DC功率级84，该功率级84是双向电压转换装置，其允许电流从辅助电池81流到主电池85，反之亦然，从而根据电流的方向转换端电压。

通过双向电流传感器83测量流入或流出辅助电池81的电流的幅值，所述双向电流传感器83感应流过双向DC-DC转换器84内的电感器的电流。因为电流传感器的一些设计需要知道电流的方向，所以根据从控制块88所接收的信号反转感应到电流的方向。

包括一个或多个单体电池的用于给设备89供电的主电池85通常包括可充电Li离子电池。通常，主电池85是物理地置于便携式设备内的。按照惯例，在该便携式设备内配置壁插式充电器90，用于在需要充电时从例如干线电源等的外部电压源充电。该便携式设备还可从辅助电池81接收能量。

控制块88是双向电池充电控制器的主要控制单元，并且其控制整个电路的总体操作。该控制块88接收与每个单体电池的电压、电流和温度相关的输入，并且使用上述算法控制整个系统，包括控制电流的期望电平和电流方向。通过控制块88确定电流的期望电平。从控制台88输出的控制电平或电流的方向可用于关闭电流。可通过使用在这种设备内采用的标准数据通信线而实现便携式设备89和控制块88之间的数据通信，并且该数据通信线用于从设备传输用户生成的命令，并将控制产生的信号返回用户。

许多附加的控制元件用于图7的结构内。电压和温度的检测块86与辅助电池81连接，并且优选分别检测辅助电池81内的每个单体电池的端电压和温度。通过使用电流模式控制循环将适当占空比的PWM脉冲传送给双向DC-DC功率级84内的驱动器，电流控制器87控制通过DC-DC转换器的电流电平。根据从控制块88接收的期望电流电平设定值输出PWM脉冲。

电流控制器87还接收来自控制块88的系统时钟和来自电流传感器83的有效电流电平的输入。

现在参考图8，图8说明本发明的进一步的优选实施例，其中在包含主电池的便携式设备104外部安装并使用辅助电池100于。如图所示，辅助电池100被装入单独的壳体102内，优选通过单个连接器28和挠性导线106将其与便携式设备连接，从而插入便携式设备的外部充电输入口108内。在该实施例中，还将双向充电控制器配置在优选为印刷电路板110上的包含辅助电池的壳体内。因此，在例如在没有干线充电电源接入、设备的主电池耗尽的情形下，可认为该辅助电池相当于设备的小型便携式外部充电器或电源。

该便携式外部充电器的双向充电控制器优选并入上述图7中所示的控制器电路的所有功能。然而，两个功能是非常重要的。首先，因为壳体的暴露性质，该单元检测插入壳体内的电池的电池化学属性以防止对原电池充电是重要的。此外，该单元有效地转换根据辅助电池是供应电流还是被充电而控制的电流的电压是重要的。在先前所述的实施例中，辅助电池被配置在假定主电池的特性和要求已知的公知设备内，而该实施例与先前所述的那些实施例不同，其涉及可用于给具有兼容连接器的任何设备供电的便携式电源。因此，因为制造商不能控制单元的辅助电池将要供电的设备的类型，所以可能需要将附加功能并入控制电路，例如检查设备的主电池的状态以确定其适于充电，或者例如通过LED等向用户提供该单元包括准备供应电流的电池的视觉信号，等等。

此外，便携式外部充电器的辅助电池具有许多不同于前述实施例中描述的内部辅助电池的操作差异。例如，在该单元连接到便携式设备之前，其与设备的主电池的电源没有电接触。因此，双向充电控制器不得不通过插入壳体内的电池完全自供电。因此设计双向充电控制器电路110，以使其具有可被设置为仅几十个微安培的非常低的待用电流负载，从而在插入电池之后，能够使该单元待用数月，而不耗尽电池。此外，即使在这些条件下，并且在还没连接到负载以充电时，在辅助电池的挠性导线106也必定产生适于实现充电的较高的电压，从而导线一插入设备上的外部充电输入口108，便携式设备就检测到充电设备的存在。

此外，因为一般将壁式插座及其相似的外部电源充电器设计成用于比本发明的双向电荷充电器简单的特性，该实施例的辅助电池单元可以优选合并具有与前述实施例相比更简单的充电算法的双向充电控制器。通常，外壁式充电器相当于恒定电流源，其简单地将充电电流推入设备的外部充电输入口，而便携式设备自身的充电电路控制该充电电流的流入，直至主电池充满。因此，还可构造该实施例的外部辅助电池单元的双向充电控制器的充电算法，从而以相似的特性给设备供应电流，因此，与前述实施例的充电算法相比，其得以大大简化。因此，因为设备的内部充电控制电路被设计成遵循总的充电模式，所以例如当主电池接近充满时，将不必象前述充电算法那样执行任何“停止充电”的程序。另一方面，对于从壁式插座充电器经过双向充电控制器流到便携式外部充电辅助电池的充电电流而言，仍然需要能适当控制辅助电池的充电模式的充电电流算法。

因为便携式外部充电器的双向充电控制器允许其通过同一连接器用于充电或被充电，而无需任何用户干预来选择这两个任务中的任何一个任务，所以便携式外部充电器能够确定器自身是连接到作为负载的设备还是连接到用于给其自身的电池充电的壁式充电器是很重要的。因为壁式充电器和给设备供电的所转换的电压可以具有相似的电平，所以在连接器上的简单电压测试是不够的。因此，根据本发明的另一优选实施例，便携式外部充电器配置有功能检查程序，从而以短时间的、一般每隔数秒为十分之几秒的数量级的持续时间(一般低于0.5sec)的有规则的间隔移除连接器上的输出电压，并且测量连接器的电压。如果测量结果表现为基本稳定的电压，则显然便携式外部充电器与壁式充电器或用于给其自身的辅助电池供电的另一个外部电源连接。另一方面，如果在测量过程中电压降到一般为0.3伏特或更高的较低电平，则显然便携式外部充电器与设备连接，用于给该设备的主电池充电，且因此转换双向充电控制器的控制功能。

该辅助电池优选为二次电池，并且双向充电控制器电路的使用还通过将辅助电池的壳体连接到例如壁插式充电器的外部充电器的输出插座或汽车仪表板插座而在需要时允许给电池充电。则该便携式外部充电器具有双重且相反的功能-其可通过连接到便携式设备的充电输入连接器而给便携式设备充电，并且其可通过连接到外部壁式充电器输出连接器给自身充电。像通常配置那样，如果设备的充电输入连接器的极性与外部壁式充电器输出连接器的相反，将需要极性转接器(male-to-female adapter)，或者需要用于两种操作的两种分离的连接导线。如果将无极性连接器用于充电功能，那么将不需要该转接器。

可替换地且优选地，可使用原电池作为辅助电池，那么该单元提供双向充电控制器的控制功能的所有优点，例如电压检测、电压转换和充电速率控制，但是因为不可充电该电池，所以当其耗尽时必须更换。

因为图8内所示的实施例允许使用广泛可用且廉价的单个AA尺寸的单体电池，所以其是特别方便的。电压转换器电路确保在该单元供应电流时，单体辅助电池的比较低的电压被放大到设备电路所需电压，并且其有效地降低了外部充电器电压输出，从而在给该单元内的单体电池充电时限定充电电流。然而，可知这样的外部充电器辅助电池还可优选包括不只一个单体电池。

现在参考图9和图10，它们是与图1-3相似的方框电路示意图，其示出具有在便携式外部充电器内的外部辅助电池的双向电池系统的操作，如图8的实施例中所示出，即当通过连接到外部壁插式充电器18而直接向辅助电池100充电。该充电操作模式一般代替图3所示的充电操作，因为与图3内所示的实施例不同，当常规的壁插式充电器18连接到外部辅助电池20、以便充电该外部辅助电池20时，因为一般只有一个连接器28，所以该辅助电池不能同时连接到设备。图9示出当便携式外部充电器用于输入电流以给便携式电子设备10的电池12充电时的情况。可以在本申请的发明人的标题为“便携式电池操作的电源”的共同未决PCT申请内找到具有外部附加电池的双向充电控制器的操作和使用的细节。

本领域的技术人员可认识到，本发明不局限于在上文中特别示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括将使本领域的技术人员在阅读上述内容时想到并且不属于现有技术的在上文内所述的各种特征的结合和部分结合，以及其变动和修改。

Claims

1.一种用于给便携式电子设备供电的电池供电系统，包括：

可充电主电池；

用于容纳附加电池的空腔，所述附加电池包括至少一个单体原电池和至少一个单体可充电电池中的一个；

用于连接到外部电源的单个端口；以及

双向充电控制器，其适于控制所述附加电池和所述可充电主电池之间的电流流动并且适于允许电流从连接到所述单个端口的所述外部电源流到所述附加电池，所述双向充电控制器包括电压转换器，从而能够将从处于第一电压的所述可充电主电池和所述附加电池之一流出的电流转换成流入处于第二电压的所述可充电主电池和所述附加电池中的另一个的电流，

其中所述电池供电系统适于安装在所述便携式电子设备内。

2.根据权利要求1所述的电池供电系统，其中所述附加电池具有第一额定端电压，而所述可充电主电池具有第二额定端电压，并且所述双向充电控制器将处于所述第一额定端电压的所述附加电池输出的电流转换为输入到处于第二电压的所述设备和所述可充电主电池中的至少一个的电流。

3.根据权利要求2所述的电池供电系统，其中所述第一额定端电压比所述第二额定端电压低。

4.根据权利要求2所述的电池供电系统，其中所述第一额定端电压比所述第二额定端电压高。

5.根据权利要求1所述的电池供电系统，其确定所述附加电池内的单体电池的电池化学属性，并且仅当所述附加电池只包括至少一个单体可充电电池时，才允许电流流入所述附加电池。

6.根据权利要求1所述的电池供电系统，其中所述附加电池包括至少一个单体原电池，并且其中所述双向充电控制器调节所述附加电池所供应的电流，以便以取决于所述可充电主电池的充电状态的速率给所述可充电主电池充电。

7.根据权利要求1所述的电池供电系统，其中所述附加电池包括至少一个单体原电池，并且其中仅当主电池消耗到预定标准时，所述供电系统才开始从所述附加电池提取电流。

8.根据权利要求7所述的电池供电系统，其中所述预定标准是所述可充电主电池至少消耗90％。

9.根据权利要求1所述的电池供电系统，其中所述附加电池内的所述至少一个单体可充电电池是单体NiMH电池和单体NiCd电池中的任何一个。

10.根据权利要求1所述的电池供电系统，其中所述附加电池内的所述至少一个单体原电池是单体碱性电池。

11.根据权利要求1所述的电池供电系统，其中所述可充电主电池被无插口地安装在所述设备内。

12.根据权利要求1所述的电池供电系统，其中使所述附加电池比所述可充电主电池更容易实现由用户替换。

13.根据权利要求1所述的电池供电系统，其中所述附加电池包括至少一个单体可充电电池，并且所述双向充电控制器在从所述可充电主电池提取电流之前从所述附加电池提取电流。

14.根据权利要求13所述的电池供电系统，其中所述在从所述可充电主电池提取电流之前从所述附加电池提取电流用于延长所述可充电主电池的寿命。

15.根据权利要求13所述的电池供电系统，其中仅在所述附加电池基本上耗尽之后，才使用所述可充电主电池，从而延长了所述可充电主电池的寿命。

16.根据权利要求1所述的电池供电系统，其中所述可充电主电池是Li离子电池。

17.根据权利要求1所述的电池供电系统，其中所述便携式电子设备是移动电话、摄像机和膝上型电脑中的任何一个。

18.一种用于给便携式电子设备供电的电池供电系统，包括：

可充电主电池；

与所述便携式电子设备分离的壳体，该壳体用于容纳附加电池，该附加电池包括至少一个单体原电池和至少一个单体可充电电池中的一个；

用于连接到所述壳体中的所述附加电池的单个端口；以及

其中所述附加电池和所述双向充电控制器均安装在所述壳体内，与所述便携式电子设备分离。

19.根据权利要求18所述的电池供电系统，其中所述单个端口适于从所述附加电池将电流输出到所述便携式电子设备，也适于从外部充电器向所述附加电池输入充电电流。

20.一种用于给便携式电子设备供电的电池供电系统，包括：

可充电主电池；

用于容纳附加电池的空腔，所述附加电池包括至少一个单体燃料电池和至少一个单体可充电电池中的一个；

用于连接到外部电源的单个端口；以及

其中所述电池供电系统适于安装在所述便携式电子设备内。

21.根据权利要求20所述的电池供电系统，其确定所述附加电池内的单体电池的电池化学属性，并且仅当所述附加电池只包括至少一个单体可充电电池时，才允许电流流入所述附加电池。