具有自动装载和卸载电池的机构的电池充电器的制作方法

专利名称：具有自动装载和卸载电池的机构的电池充电器的制作方法
具有自动装载和卸载电池的机构的电池充电器
背景技术：
典型的电池充电器要求使用者手动插入和取出电池(例如，可再
充电电池诸如AA或AAA圆柱形可再充电电池)。使用者常常会对用 于此类充电器的正确的电池取向认识不清。然而，插入或取出电池需 要用力，所述力有时会导致对充电器的意外损害。此外，使用者通常 必须周期性地检查充电器和电池之间的连接，以确保电池正在被正确 地充电。此外，如果充电器在充电操作期间被移动或受到碰撞，则充 电操作可能会被中断或换句话讲停止。
发明概述
在一个方面，用于装载/卸载一个或多个可再充电电池的机构包 括 一个或多个充电隔室和第一致动器，所述隔室被构造成接纳一个 或多个可再充电电池，所述第一致动器被构造成使一个或多个可再充 电电池从第一位置移动到第二位置。
在另一方面，用于装载/卸载一个或多个可再充电电池的机构包 括 一个或多个充电隔室和致动器，所述隔室被构造成接纳一个或多 个可再充电电池，所述致动器被构造成使一个或多个充电隔室的至少 一部分从允许将一个电池或多个电池插入或取出 一个或多个充电隔室 的第一位置移动到其中可起动充电操作的第二位置。
以下内容在此方面的范围内。
该机构包括 一个或多个可移动触点和第二致动器，所述触点被 构造成在与一个或多个可再充电电池的接触位置和与一个或多个可再 充电电池的非接触位置之间移动，所述第二致动器被构造成使一个或 多个触点在接触位置和非接触位置之间移动。第一致动器包括机械地 耦合到第一组一个或多个可移动臂上的第一凸轮，并且其中第二致动器包括耦合到第二组一个或多个可移动臂上的第二凸轮。 一个或多个 充电隔室与第一组一个或多个可移动臂机械连通，并且其中一个或多 个充电隔室被构造成响应第一组一个或多个可移动臂的移动而移动。 第一凸轮包括第一椭圆形盘。 一个或多个可移动触点与第二组一个或 多个臂机械连通，并且其中一个或多个可移动触点被构造成响应第二 组一个或多个可移动臂的移动而移动。第二凸轮包括环形盘和基本上 设置在由环形盘限定的空间中的第二椭圆形盘，环形盘和第二椭圆形 盘限定被构造成接纳凸轮从动件的槽。该机构包括马达、其上安装有 第一凸轮和第二凸轮的正齿轮以及机械地连接到马达上且与正齿轮机 械接触的蜗轮，其中蜗轮被构造成在马达带动正齿轮时传送源自马达 的旋转运动。
第一致动器和第二致动器被构造成执行有序序列的启动操作。该
机构包括^L构造成将充电电流施加到一个或多个可移动触点上的充电 模块。该机构包括第一限位开关，所述第一限位开关被构造成在一个 或多个电池到达第二位置时使马达停止启动。该机构包括第二限位开 关，所述第二限位开关被构造成在一个或多个电池回到第一位置时使 马达4亭止启动。
在另一方面，被构造成对一个或多个可再充电电池进行充电的充 电器装置包括包括一个或多个充电隔室的装载/卸载机构、第一致动 器、控制器和电路，所述隔室被构造成接纳一个或多个可再充电电池， 所述第 一致动器被构造成使一个或多个充电隔室的至少 一部分从允许 插入或取出一个电池或多个电池的第一位置移动到其中可起动充电操 作的第二位置，所述控制器被构造成确定要施加到 一个或多个可再充 电电池上的电流水平；所述电路用于将所确定的电流水平施加到一个
或多个可再充电电池上。
以下内容在此方面的范围内。
该装置包括 一个或多个可移动触点和第二致动器，所述触点被 构造成在与一个或多个可再充电电池的接触位置和与一个或多个可再 充电电池的非接触位置之间移动，所述第二致动器被构造成使一个或多个触点在接触位置和非接触位置之间移动。第一致动器包括机械地 耦合到第 一组一个或多个可移动臂上的第 一 凸轮，并且其中第二致动 器包括耦合到第二组一个或多个可移动臂上的第二凸轮。 一个或多个 充电隔室与第一组一个或多个可移动臂机械连通，并且其中一个或多 个充电隔室被构造成响应第一组一个或多个可移动臂的移动而移动。 一个或多个可移动触点与第二组一个或多个臂机械连通，并且其中一 个或多个可移动触点被构造成响应第二组一个或多个可移动臂的移动 而移动。该装置包括马达、正齿轮、安装在正齿轮上的第一凸轮和第 二凸轮以及机械地连接到马达上且与正齿轮机械接触的蜗轮，其中蜗 轮被构造成在马达带动正齿轮时传送源自马达的旋转运动。第一致动 器和第二致动器被构造成执行有序序列的启动操作。
在另一方面，用于装载/卸载一个或多个可再充电电池的机构包
括 一个或多个充电隔室、 一个或多个可移动触点、马达和耦合到马 达上的致动器，所述隔室被构造成接纳一个或多个可再充电电池，所 述触点被构造成在与一个或多个可再充电电池的接触位置和与一个或 多个可再充电电池的非接触位置之间移动，所述致动器被构造成使一 个或多个触点在接触位置和非接触位置之间移动。 以下内容在此方面的范围内。
该机构包括耦合到马达上的第二致动器，第二致动器被构造成使 一个或多个充电隔室的至少一部分从允许插入或取出 一个电池或多个 电池的第一位置移动到其中起动充电操作的第二位置。
在另一方面，用于对一个或多个可再充电电池进行充电的方法包 括将一个或多个电池接纳在对应的一个或多个充电隔室中使得一个 或多个电池设置在第一位置中；使一个或多个电池从第一位置移动到 第二位置；确定要施加到 一个或多个电池上的电流水平并且将具有基 本上所确定的电流水平的充电电流施加到电池上。
以下内容在此方面的范围内。
使一个或多个电池移动包括使用笫一致动器来启动与一个或多个 充电隔室机械连通的第一组可移动臂。该方法包括将被构造成电耦合
7到一个或多个可再充电电池的端子上的充电器触点移动到基本上覆盖一个或多个充电隔室的位置。移动包括使用第二致动器来启动与充电器触点机械连通的第二组可移动臂。
本发明公开了用于装载和卸载电池诸如可再充电电池的机构。本发明还公开了 一种充电器装置，所述装置包括这种用于装载和卸载电池的机构，这种系统有时称为装载/弹出机构。在一些实施方案中，这种充电器装置被构造成用于快速充电、大电流再充电应用。本发明所公开的机构和装置可自动地将电池装载进机构的充电隔室中、开始充电操作并且在充电操作完成时卸载电池。当将电池尤其是以相对高的
充电速率充电的电池诸如Li-Fe-P电池再充电时，该^L构可为使用者添加一层保护。在此类高充电速率的情况下，充电安培数是很高的。通过使用自动装载/弹出机构IO，可显著减小使用者接触承载高水平充电电流的触点的可能性。该机构可被构造成处理多种电池类型和构型，并且可让该机构的消费者或使用者方便地使用。该机械装载/卸载机构可独立于充电器电路的整体部分。
本发明一个或多个实施方案的细节阐述于附图和以下说明中。通过阅读说明书、附图以及权利要求书，本发明的其它特征、目的和优点将变得显而易见。
附图概述
图l为自动装载/卸载机构的一个示例性实施方案的前透视图。图2为被构造成控制电池的移动的图l的机构的第一致动器的局部透视图。
图3为

图1的机构的后透视图。
图4为被构造成控制充电器触点的移动的第二致动器的局部透视图。
图5A至B为操作中的图1的机构的前透视图和后透视图，其显示将电池从顶部放置进充电器中。
图6A至B为操作中的图1的机构的前透视图和后透视图，其显示将电池移动进充电器的充电隔室中并且将充电器的触点滑动覆盖充电隔室。
图7A至B为操作中的图1的机构的前透视图和后透视图，其显示将电池朝向触点移动。
图8A至B为操作中的图1的机构的前透视图和后透视图，其显示触点向内回缩以暴露出充电隔室的开口。
图9A至B为操作中的图1的机构的前透视图和后透视图，其显示充电隔室和设置在其中的电池向上移动至"卸载"位置。
图IOA为包括图1的机构的充电器装置的透视图，所述机构连接到容纳充电电路的外壳上。
图IOB为包封图IOA的充电器装置的充电器壳体的一个示例性实施方案的透碎见图。
图11为设置在图10A的外壳中的充电电路的一个示例性实施方案的方框示意图。
图12为图11的充电电路的电路示意图。
图13为在充电循环期间使用图10A的充电器装置执行的各操作的一个示例性实施方案的流程图。
发明详述
电化学电池可为一次电池或二次电池。 一次电化学电池意味着仅放电(例如至耗尽) 一次，然后被废弃。 一次电池不打算再充电。一次电池描述于例i口 David Linden 的 Handbook of Batteries(McGraw-Hill,第2版，1995)中。另一方面，二次电化学电池，在下文中也称为可再充电电池或电池，可再充电许多次，例如，五十次， 一百次等等。二次电池描述在例如Falk & Salkind的"AlkalineStorage Batteries，，(John Wiley & Sons, Inc. 1969);美国专利345,124;和法国专利164,681中，这些专利均据此以引用方式并入本文。
图1显示自动装载/卸载机构10，其被构造成将可再充电电池自动地装载进充电隔室中，将位于充电隔室中的电池再充电，并且在充电操作完成时卸载电池使得电池可从机构10中取出。
如图所示，机构10包括被构造成接纳可再充电电池的充电隔室12a和12b。在一些实施方案中，包括自动装载/卸栽机构诸如机构10的装置可包括仅一个充电隔室，或其可包括两个以上的充电隔室。
在本文所述的实施方案中，充电隔室12a和12b具有圆柱形结构，所述结构^f皮构造成接纳圆形可再充电AA和/或AAA型电池包括例如基于磷酸铁锂电化学电池的电池，所述电池在一些实施方案中适于在5分钟至15分钟内再充电至至少90%充电容量。也可使用基于其它电池化学物质的其它电池，包括锂离子电池、铅酸电池、镍金属氢化物电池、镍镉电池、镍锌电池、和《艮锌电池等等。充电隔室12a和12b可被结构化成能接纳包括例如棱柱电池、纽扣电池电池等等在内的电池的其它机械构型。
当将电池尤其是以相对高的充电速率充电的电池i者如Li-Fe-P电池再充电时，机构IO可为使用者添加一层保护。在此类高充电速率的情况下，充电安培数是很高的。通过使用自动装载/弹出机构10，可基本上减小使用者接触承载高水平充电电流的触点的可能性。
装载/卸载^L构10包括电动马达14，所述马达通过抗反向驱动蜗轮组机械地耦合到第一致动器16上，所述蜗轮组包括通过蜗轮20机械地耦合到电动马达14上的盘形正齿轮18。电动马达使用可提供额定的例如96V-220V和50Hz至60Hz的功率或其它地区性合适额定功率的外部AC电源、DC电源诸如可提供12VDC功率的汽车DC电源、和/或电池。可使用其它驱动机构例如曲柄或弹簧支承机构来替代马达。蜗轮20被构造成在马达14运行时围绕其中心纵向轴线旋转，从而使正齿轮18围绕其中心旋转。此类型的布置被构造成具有高减速比，因此导致高扭矩。此布置也被构造成阻抗反向驱动运动以致减少或消除当马达不运行时无益运动的发生。
如图所示，第一致动器16被构造成移动电池并且包括凸轮传动件，所述传动件具有固定到正齿轮18上的可旋转的长圆形板22以及两个臂24a和24b，所迷臂固定到充电器外壳或机罩上并且具有单自由度，即在相应的枢转点26a和26b处上下转动。当正齿轮18旋转时，椭圆形盘22遵循正齿轮18的旋转运动，同时臂24a和24b围绕枢转点26a和26b枢转。臂24a和24b的另外两端与第一和第二可移动平台28a和28b机械连通，充电隔室12a和12b分别设置在所述两平台上。可移动平台28a安装在导杆29a和29b上，所述导杆穿过限定在可移动平台28a上的孔。可移动平台28b类似地安装在导杆29c和29d上(更清楚地示于图3中)，所述导杆穿过限定在可移动平台28b上的对应的孑L。
如在下文中所显而易见，蜗轮18和椭圆形盘22的旋转可向臂24a和24b赋予运动，例如竖直运动，从而使平台28a和28b沿它们所安装在其上的相应的导杆竖直地移动，因此可改变被接纳在充电隔室12a和12b中的电池的竖直位置(在一些实施方案中，臂24a和24b也经历某种水平移动)。
如图l所示，有利于平台28a和28b的竖直移动的臂24a和24b具有大致水平的取向。虽然图1显示的是其中第一致动器16导致竖直移动的实施方案，但在一些实施方案中，第一致动器可导致电池在其它方向上的移动。例如，在一些实施方案中，可将可再充电电池从侧部插入，使得电池的纵向轴线(当被接纳在充电隔室中时)取向在基本上水平的方向上。在那些情况下，第一致动器可导致可再充电电池60a和60b的水平移动。对于水平取向，可将磁体定位在平台28a和28b的孔的底部中，以防止当电池被暴露时电池由于重力或充电器的左右摆动而从隔室中掉出。
参见图2，其显示了被构造成移动电池的凸轮传动件的局部后视图，靠近枢转点26a的臂24a的臂端部30a包括轮胎状凸轮从动件32,所述从动件与椭圆形盘22机械连通(为清晰起见，已从图2所示的视图中移除了正齿轮18)。当椭圆形盘旋转时，凸轮从动件32遵循椭圆形盘22的外边缘。由于椭圆形盘22具有从其中心枢转点23 (椭圆形盘在所述枢转点处固定到正齿轮18上)测量的非均匀半径，因此当凸轮从动件32遵循旋转着的椭圆形盘22的外边缘时，其竖直位置将改变，从而可使其上下移动，这取决于凸轮从动件32接触椭圆形盘22 的外边缘上的哪个点。因此，当椭圆形盘22旋转使得其渐细端25(所 述端具有从盘22的枢转点23算起的最长半径)到达其最高位置，即 大约位于盘的旋转路径上的所谓的"12点钟位置"时，其将使凸轮从动 件32和臂24a的端部30a移动到它们的最高位置。
还如图2所示，连接到臂24a的另一端上的是滚轧界面，所述界 面包括与平台28a的底部表面才几械连通的滚柱轴承34a。滚柱轴承34a 被构造成沿可移动平台28a的底部表面移动。在一些实施方案中，滚 轧界面可包括其它类型的滑动机构。当盘22旋转时，连接到臂24a 的端部30a上的凸轮从动件32被移动，从而使臂24a在竖直方向和水 平方向上均移动。例如，当盘22旋转使得盘22的渐细端25朝向其最 顶部位置移动时，其可使臂24a升高。当臂24a升高时，其通过连接 到臂22a上的滚柱轴承34a向上推压可移动平台28a。由于臂24a围 绕枢转点26a枢转，因此臂24a的升高使臂24a也水平地向内移动。 连接到臂24a上的滚柱轴承34a因此可沿可移动平台28a的底部表面 滑动。
再参见图1，连接到臂24a的端部30a上的是月牙形或C形齿轮 36a。该C形齿轮与连接到臂24b的端部30b上的对称互补的C形齿 轮36b机械连通，4吏得齿轮36a和36b的相应的开口端面向相对的方 向。当臂24a的端部30a在大致径向路径上移动时，固定到其上的C 形齿轮36a在相同的方向上移动。因此，C形齿轮36a的运动可4吏C 形齿轮36b在大致对称相对的径向路径上移动。例如，当C形齿轮36a 在大致顺时针方向上移动时，其启动C形齿轮36b在大致逆时针方向 上移动。
C形齿轮36b固定到臂24b上。连接到可移动平台28b下面的臂 24b的端部上的是滚轧界面，所述界面包括类似于滚柱轴承34a的滚 柱轴承34b。滚柱轴承34b被构造成在臂24b移动时沿可移动平台28b 的底部表面移动。因此，当臂24a通过凸轮从动件32启动而竖直地移 动时，其通过C形齿轮36a和36b之间的交互作用启动臂24b使其类似地竖直移动，所述齿轮连接到臂24a和24b的相应端部30a和30b 上。因此，当臂24b被竖直地移动时，其通过滚柱轴承34b竖直地移 动可移动平台28b。
参见图3，装载/卸载机构10包括笫二致动器40，所述第二致动 器被构造成控制充电器触点42a、 42b的移动，所述触点电耦合到被接 纳在充电隔室12a和12b内的电池的端子上。充电器触点也被电耦合 到充电电路上，所述电路提供通过电触点施加到电池上的充电电流。 在图3所示的实施方案中，第二致动器水平地移动充电器触点42a和 42b以允许将电池插入到充电隔室中。第二致动器40设置在正齿轮18 的与其上设置有第一致动器16的一侧相对的一侧上。充电器触点42a 和42b安装在导杆43a和43b上(显示于图1中)，所述导杆穿过靠 近充电器触点42a和42b的侧面定位的纵向孔。充电器触点42a和42b 因此被构造成沿导杆43a和43b可滑动地移动。充电器触点42a和42b 可包括例如可商购获得的镀镍冷轧钢弹簧触点。充电器触点42a和42b 的水平位置使用定位成大致竖直取向的两个臂44a和44b来控制，所 述臂连接到充电器触点42a和42b上。
应当理解，在所述的用于圆柱形电池的实施方案中，充电器触点 42a和42b分别接触例如电池60a和60b的正端子，而那些电池的负 端子接触设置在充电隔室的底部的触点(未示出)。另一方面，对于棱 柱电池，触点42a和42b将同时承载正触点和负触点(未示出)并且 接触棱柱电池上的对应的端子。如同圆柱形电池一样在电池的各末端 具有触点的其它类型的棱柱电池可以与圆柱形电池类似的方式容纳。
参见图4，致动器40为闭型凸轮传动件，该传动件包括环形盘部 分46和基本上设置在环形盘部分46的中部的椭圆形盘部分48 (为清 晰起见，在图4的局部视图中未显示装载/卸载机构10的各种元件诸 如正齿轮18)。椭圆形盘部分48固定到正齿轮18上，使得当正齿轮 旋转时椭圆形盘部分围绕枢转点49旋转。椭圆形盘部分48在枢转点 49处固定到正齿轮18上。
可将盘部分48和环形盘部分46提供为一体件。盘部分48开始时为一实体。然后，将圆柱形和长圆形"跑道"凹槽加工到一个侧面中。
其在图4中被显示为切除，以示出从动件并且因此在图中显现为两个 部分。将环形盘部分46和椭圆形盘部分48 (下文称为环形盘46和椭 圆形盘48)实施为一体件，并且将它们接合到正齿轮18上并围绕枢 转点49旋转。
环形盘46和设置在其中的椭圆形盘48将限定"跑道"槽50。设置 在跑道槽50内的是轮胎状凸轮从动件52，所述从动件被构造成在椭 圆形盘48旋转时在槽50内遵循椭圆形盘48。还如图4所示，凸轮从 动件52固定到臂44a上，使得当凸轮从动件52通过旋转椭圆形盘48 而移动时，臂44a被水平地移动。臂44a包括尖端54a，所述尖端被 接纳在从充电器触点42a的底部表面延伸的孔56a中。当臂44a通过 椭圆形盘48作用于凸轮从动件52而启动时，臂44a被水平地移动(臂 44a也经历某种竖直移动)，并且因此可使充电器触点42a沿导杆43a 和43b水平地滑动。
再参见图3，臂44a和44b通过推拉杆57彼此连接。因此，通过 由椭圆形盘48作用于凸轮从动件52导致的启动而产生的臂44a的移 动可使臂44b移动。例如，当臂44a被启动而水平地向外移动时，臂 44b ,皮通过推拉杆57启动以在相对的方向上水平地向外移动。
如在下文中所显而易见，在一些实施方案中，第一和第二致动器 被构造成实施机械定时机构，所述机构导致耦合到致动器上的相应的 臂以特定顺序产生移动。具体地讲，在一些实施方案中，第二致动器 40被构造成使得例如臂44a和44b不移动进入覆盖被接纳的电池的关 闭位置，直到第一致动器16已使臂24a和24b将可移动平台28a和 28b移动到它们的低位置。换句话讲，致动器16和40使它们所启动 的相应的臂的移动发生在不同的时间，因此可产生有序序列的操作(其 中电池被放低，然后充电器触点42a和42b被移动覆盖放低的电池。 在充电操作完成之后，第二致动器40使充电器触点打开，并且第一致 动器16后续地升高可移动平台28a和28b,以便取出如此充电的电池。
在一些实施方案中，此类型的有序序列的操作可以如下方式实施对齐致动器16和40的相应的椭圆形盘使得它们的渐细端位于不同的 径向位置(即，它们相对于彼此不同相)。因此，当正齿轮18(椭圆 形盘22和48均固定到其上)开始旋转时， 一个椭圆形盘例如盘22 将导致臂24a和24b启动，而同时另 一个旋转着的椭圆形盘48在其路 径的径向截面中行进，其中它不会导致其所作用的臂产生显著移动。 布置致动器16和40以实施机械定时机构可减小由于例如由致动器16 和40启动的相应的臂的缠结而发生的意外臂故障的可能性。 图5至9显示操作中的装载/卸载机构10。
参见图5A和5B，将两个电池60a和60b分别插入到充电隔室12a 和12b中。在电池装栽位置，椭圆形盘22 (显示于图5A中)被取向 成使得渐细端25基本上位于其旋转路径的最顶部位置。因此，由盘 22通过固定到臂端30a上的凸轮从动件32以及C形齿轮36a和36b 启动的臂24a和24b净皮延伸4吏得平台28a和28b位于它们的最顶部位 置。
如图5B所示，致动器40的椭圓形盘48被取向成使得盘48的渐 细端基本上位于其旋转路径的"IO点钟"位置，使得固定到电池盖42a 和42b上的臂44a和44b的端部位于它们的最向内位置，因此允许盖 基本上会聚在轨道43a和43b的中部，因此打开了充电隔室以接纳电 池60a和60b。如图所示，椭圆形盘22和48的相应的渐细端沿盘所 遵循的旋转路径位于不同的径向位置，这可使机构10实施有序启动序 列，如将变得显而易见的那样。
参见图6A和6B，在起动充电循环时(例如，通过使用者按压定 位在例如其中设置了装载/卸载机构的充电器装置的外部壳体上的"起 动"按钮来起动，或通过控制器模块响应传感器指示电池已被接纳在充 电隔室中来起动)，电动马达14开始运行从而使蜗轮20和正齿轮18 旋转。正齿轮顺时针旋转(如由前视6A所观察到的)，而固定到 正齿轮18上的椭圆形盘22旋转至其中盘22的渐细端25大约与其径 向路径的最底部位置成45。的径向位置(即，渐细端位于其径向路径 的近似"4点钟，，位置)。在该位置，连接到臂 的臂端部30上的凸轮从动件32将已被启动至如下位置其中其将与靠近盘22的宽端的 盘22的一部分机械接触。与从盘的渐细端25测量的半径相比，在或 靠近椭圆形盘22的宽端的点具有较短的从盘22的枢转点23算起的半 径。因此，凸轮从动件32将基本上位于其可达到的最底部位置，并且 因此臂24a将具已被启动至其最低竖直位置。此外，连接到臂24a上 的C形齿轮36a将已顺时针旋转，因此使连接到臂24b上的C形齿轮 36b逆时针旋转，因此将臂24b启动至其最低竖直位置。因此，平台 28a和28b将已被移动到它们的最低竖直位置，因此使接纳在充电隔 室12a和12b内的电池60a和60b被放低。
参见图6B，其显示了图6A所示的装载/卸载机构的后视图，凸轮 传动件40 (其包括由椭圆形盘48和环形盘46限定的"跑道"槽50 )被 取向成使得椭圆形盘48和槽50的渐细端基本上位于椭圆形盘48的旋 转路径的"3点钟"位置。在该位置，连接到臂44a上的凸轮从动件52 将位于其与枢转点23相距的最远位置，并且因此将已将臂44a启动至 其最外水平位置。因此，充电器触点42a将位于其最外水平位置，在 那里其被基本上放置在充电隔室12a的上方。将臂44a启动至其最外 水平位置将会通过推拉杆57将臂44b启动至其最外水平位置，并且因 此充电器触点42b将位于基本上在充电隔室12b上方的位置。
当电池60a和60b已被放低至它们的最低位置时，它们一般将不 可见。
在一些实施方案中，装载/卸载机构10被构造成避免电池/接触界 面的过度的侧面装载。具体地讲，在充电器触点42a和42b已被移动 到充电隔室12a和12b上方的位置之后，用于控制平台28a和28b的 竖直移动的致动器将启动臂24a和24b以略微将平台28a和28b向上 移动。
参见图7A，椭圆形盘22在顺时针方向上进一步旋转至如下位置 其中盘22的渐细端25基本上位于其最低位置(即，基本上位于"6点 钟"位置)。在该位置，凸轮从动件32将已被启动至竖直位置，所述竖 直位置略微高于当椭圆形盘22的渐细端25基本上位于"4点钟"位置时所达到的竖直位置，并且臂24a也将同样被启动至高于当渐细端25 位于"4点钟"位置时其所达到的竖直位置。
参见图7B，控制充电器触点42a和42b的水平移动的凸轮传动件 40的旋转将导致盖42a和42b的水平移动的微小改变，但电池盖一般 将基本上保持在充电隔室12a和12b的上方。当电池向上移动以产生 接触时，盖42a和42b在电池上方静止不动。
当电池上升以与触点42a和42b产生电接触和机械接触时，充电 隔室12b的轮缘将接触"充电位置"机电式限位开关58b，所述开关固 定到从电池盖42b的侧面延伸的突出部59b上(也见图1)。上升的充 电隔室12b和限位开关58b之间的机械接触将使限位开关58b产生信 号，所述信号直接提供给马达14，或提供给控制器80 (显示于图11 中)，所述控制器被构造成控制马达14，包括使马达14停止其运行， 并且因此中止对平台28a和28b以及充电器触点42a和42b的启动。 当马达14中止了其运行时，就可开始下文所更详述的充电规程。
参见图8A,在完成了充电规程之后，马达14被重新起动，例如 通过让控制器80发送控制信号以使马达14恢复其运行。椭圆形盘22 恢复其旋转因而启动凸轮从动件32，并且因此启动臂24a，以使平台 28a和28b略微竖直地向下移动。
椭圓形盘22旋转至如下位置其中其渐细端25位于"9点钟"和 "10点钟"径向位置之间，其中凸轮从动件32停留在竖直位置，所述 竖直位置低于当盘22的渐细端25位于"6点钟"位置时凸轮从动件32 所处的竖直位置。因此，平台28和28b以及电池60a和60b将被移 动至与当执行充电时相比较低的竖直位置，如箭头61a和61b所示。 通过放低平台28a和28b，并且因此放低电池60a和60b，电池端子 与触点42a和42b脱离，因此可4吏触点42a和42b从它们的覆盖充电 隔室12和12b的位置回缩而不会受到损害。
参见图8B，恢复马达14的运行也使凸轮传动件40恢复其旋转， 因此通过固定到其上的凸轮从动件50a使臂44a和44b启动至向内的 水平位置。在臂44a和44b的启动期间，随着盘22行进穿过其径向路径的一 部分，凸轮从动件32遵循椭圆形盘22的边缘，这不会导致凸轮从动 件32的显著竖直移动，并且因此不会导致平台28a和28b的显著竖直 移动。因此，在充电器触点42a和42n已基本上回缩至大约导杆43a 和43b的中心之后，平台28a和28b将经历它们的向上竖直移动的大 部分。
参见图9A和9B，当充电器触点42a和42b已基本上完全回缩至 导杆43a和43b的中心时，电池60a和60b #皮启动而向上移动至取出 位置。如图所示，椭圆形盘22完成其径向路径并且回到如下位置其 中盘22的渐细端25位于其最顶部位置(即，基本上位于"12点钟"位 置)。因此，凸轮从动件32将基本上位于与椭圆形盘22的枢转点29 相距最远的点，并且因此臂24a和24b将已被启动至它们的最向上竖 直移动，从而使平台28a和28b4皮升高，因而电池60a和60b被暴露。 当椭圆形盘22到达其中渐细端25位于"12点钟"位置的径向位置时， "卸载"限位开关58a被接通，因而马达被停止。
如图9A所示，当在图9A中观察时，卸载开关58a安装在机构的 右上角。板59a将"弹出"开关固定到触点42a上。将螺杆59b安装到 平台28a的底部上，当电池到达弹出位置时，所述螺杆压下(启动) 开关58a。当触点42a和42b位于置中位置并且电池平台28a和28b 位于"弹出，，或"卸载"位置时，杆59b和开关58a彼此接近。
参见图10A和IOB，其显示了包括自动装载/卸载机构10的电池 充电器装置70。充电器70包括外壳72，其中设置了充电电路(未示 出于图10A至B中)。充电电路电耦合到触点42a和42b上。当可移 动盖42a和42b被启动至充电隔室12a和12b上方的位置并且与^皮接 纳在充电隔室12a和12b内的电池60a和60b的端子电气连通时，充 电电路使充电操作开始。
如图10B所示，电池充电器装置70包封在充电器壳体71中。壳 体71包括分别通向充电隔室12a和12b内的开口 73a和73b。使用者 通过开口 73a和73b方文置电池诸如电池60a和60b。
18在一些实施方案中，充电器70被构造成在小于15分钟的时间内 将可再充电电池充电至电池的充电容量的至少90%。在一些实施方案 中，充电器70可在大约五(5)分钟的时间内达到至少90%的充电 量。其它充电特征也是可能的。
图11描述充电电路72的一个示例性实施方案。充电电路72被构 造成初始地将恒定充电电流施加到可再充电电池诸如被接纳在装载/ 卸载机构10的充电隔室12a中的一个中的电池60a和60b上。在其中 将恒定电流递送给电池期间(在此期间充电器据称以恒定电流或CC 模式运行)，电池60a的电压会增大。当电池的电压达到例如3.8V的 预定上限电压时(此上限电压有时称为跨越电压)，充电电路72被构 造成在充电时间的其余部分中向电池60a施加具有此值的电压。在将 基本上等于预定跨越值的恒定电压施加到电池60a上期间，充电电路 72据称以恒定电压或CV模式运行。
充电电路72耦合到功率转换模块74上。功率转换模块74包括 AC/DC转换器76，所述转换器在充电器的外部电耦合到AC电源诸如 以额定的85V - 265V和50Hz至60Hz提供功率的电源上，并且可将 该AC功率转换为l氐DC电压(例如，5V至24V),并且例如可将此 低DC电压输入给例如DC-DC转换器78以提供适用于将可再充电电 池充电的水平(例如，用于具有磷酸铁锂电化学电池的可再充电电池 的大约介于3.7V至4.2V之间的DC电压水平。其它类型的电池可具 有不同的电压水平。)
充电电路72包括控制器80，所述控制器被构造成确定要施加到 电池60a和60b上的充电电流，向电池60a和60b施加基本上等于所 确定的充电电流的电流，并且在经过了指定的或预定的时间段之后终 止充电电流。控制器80也可被构造成一旦达到了预定的电池电压或充 电水平即终止充电电流。在一些实施方案中，控制器80调节降压转换 器90以施加恒定的12C充电速率(即，1C的充电速率对应于在一个 小时内将电池充电完毕所需的电流，因此12C为在大约一小时的1/12 即五分钟内将特定电池充电完毕所需的充电速率)。施加这种12C的充电速率直到达到预定的最大充电电压，或经过了五(5)分钟的时间。 一旦达到了最大充电电压，控制器80即改变控制模式并且向电池60a 和60b施加恒定电压，直到经过了预定的充电时间，例如5分钟。
在一些实施方案中，对要施加到电池60a和60b上的充电电流的 确定可至少部分地基于使用者指定的输入，所述输入通过设置在例如 充电器70的壳体71上的使用者界面来提供。这种使用者界面可包括 例如开关、按钮和/或旋钮，使用者可通过它们指示例如有待再充电的 电池的容量。此外，在一些实施方案中，该界面可被构造成让使用者 指定与充电过程密切相关的其它参数，例如充电时间(在其中需要较 长充电时间例如15分钟至1小时的情形中)。为了确定所要使用的具 体充电电流，可查阅可指示对应于使用者所指定的参数的合适的充电 电流的查找表。
在一些实施方案中，对充电电流的确定可以如下方式来进行使 用例如可提供代表电池容量和/或电池类型的数据的识别机构来识别 放置在充电器70的充电隔室中的电池的容量。 一种包括使用基于ID 电阻器(具有代表电池容量的电阻)的识别机构的示例性充电器装置 的发明详述提供于同时提交的题目为"Ultra Fast Battery Charger with Battery Sensing"的专利申请中，该专利申请的内容据此全文以引 用方式并入本文。在一些实施方案中，对充电电流的确定可以如下方 式来进行测量可指示电池的容量和/或类型的电池的电特性中的至少 一种(例如，电池的充电电阻)。 一种可基于电池的实测特性自适应地 确定充电电流的示例性充电器装置的发明详述提供于同时提交的题目 为"Adaptive Charger Device and Method"的专矛J中请中，i亥专利中请 的内容据此全文以引用方式并入。
控制器80包括处理器装置82，所述装置被构造成控制对电池60a 和60b进行的充电操作。处理器装置82可为任何类型的计算和/或处 理装置，诸如源自Microchip Technology Inc.的PIC18F1320微控制 器。用于控制器80的具体实施的处理器装置82包括被构造成存储软 件的易失和/或非易失存储元件，所述软件包含用于实现处理器基装置的 一般操作的计算机指令、以及用于对耦合到充电器70上的电池60a 和60b执行充电操作的具体实施程序，所述充电操作包括在小于十五 (15)分钟的时间内达到至少90%充电容量的充电操作。处理器装置 82包括模-数(A/D)转换器84，所述转换器带有多个模数输入和输出 线。控制器80也包括数-模(D/A )转换器装置86和/或脉冲宽度调制 器(PWM) 88，所述装置和/或调制器可接收由处理器装置82生成的 数字信号并且相应地生成电信号，所述电信号可调节充电电路72的开 关电路，诸如降压转换器90的工作循环。
图12显示降压转换器90,该转换器包括两个例如双极结晶体管 (BJT) 92和94以及电感器96，所述电感器在功率转换模块74与降 压转换器90电气连通时存储能量，并且在功率转换模块74与降压转 换器90电隔离期间以电流形式释放出该能量(为简单起见，电路示意 图仅显示了电池60a)。图12所示的降压转换器卯也包括电容器98， 所述电容器也用作能量存储元件。电感器96和电容器98也用作输出 滤波器，以减小降压转换器90的输出处的开关电流和电压脉动。降压 转换器诸如图12所示的降压转换器90的运行更具体地描述于例如同 时提交的专利申请"Fast Battery Charger Device and Method"中，该 专利申请的内容据此全文以引用方式并入。
将晶体管的接通时间或工作循环初始地从0%工作循环升高，同 时控制器或反馈回路测量输出电流和电压。 一旦达到了所确定的充电 电流，反馈控制回路就使用闭回路线性反馈方案来管理晶体管工作循 环，例如使用比例积分微分或PID机理。 一旦充电器电压输出、或电 池端子电压达到了跨越电压，类似的控制机构可用于控制晶体管的工 作循环。
因此，在晶体管92的接通期间由功率转换模块74提供的电流、 以及在晶体管92的关断期间由电感器96和/或电容器98提供的电流 应当导致基本上等于所需的充电电流的有效电流。
在一些实施方案中，控制器80周期性地接收(例如，每隔0.1秒) 流过电池60a和60b的电流的测量值。所述电流例如通过电流传感器来测量。所述传感器通过控制器80的端子80c (标记为ISENSE)传 达这一个或两个电池中的实测值。基于此接收到的实测电流，控制器 80调节工作循环以导致对流过电池60a和60b的电流的调节，以<更该 电流收敛至基本上等于充电电流水平的值。降压转换器90因此被构造 成以可调节的工作循环来运行，所述循环导致被提供给电池60a和60b 的可调节的电流水平。
除了电压传感器和/或电流传感器以外，充电器70还可包括被构 造成测量电池60a和60b和/或充电器70的其它属性的其它传感器。 例如，在其中需要热控制充电器70 (例如，对于具有15分钟以上的 充电时间的充电器)的实施方案中，充电器70可包括耦合到电池60a 和60b和/或电路板上的温度传感器(例如，热敏电阻器)，在所述电 路板上可设置充电电路72。
图13描述用于再充电可再充电电池60a和60b的示例性充电规程 100。电池60a和60b通过壳体71上的开口 73a和73b放置，所述壳 体包封机构10和电路外壳72。使用者然后可通过按压设置在壳体71 上的"起动"按钮来起动充电循环。在一些实施方案中，传感机构可检 测电池已被放置在充电隔室中，因此可自动地起动充电循环。
充电循环起动后，马达14开始运行，因而导致控制平台28a和 28b的移动的致动器的启动，以将电池60a和60b从第一位置(即， 接纳位置)移动102至其中要施加充电电流的第二位置(即，充电位 置)。在本文所述的示例性实施方案中，马达14导致包括椭圆形盘22 的凸轮传动件16的旋转，所述旋转继而通过凸轮从动件32启动臂24a 和24b以将平台28a和28b移动到机构IO的内部中。马达14的运行 也导致第二致动器40的旋转以启动臂44a和44b，从而将充电器触点 42a和42b移动覆盖电池60a和60a，使得触点42a和42b接触电池 60a和60b的端子。
在电池60a和60b已被移动到它们的充电位置之后，"充电位置" 限位开关58a使马达14的运行中止，因此停止平台28a和28b以及充 电器触点42a和42b的移动。电池现在位于它们的充电位置，并且电池的端子也与触点42a和 42b的电触点电气连通，充电过程可继续进行下去。任选地，在开始 充电规程之前，充电器70确定是否存在某些故障状况。例如，充电器 70分别测量104电池60a和60b的电压Va和Vb。充电器70确定106 实测电压是否位于预定范围内(例如，介于2V至3.8V之间)。在其 中已确定电池60a和60b中的任一个的实测电压Va和Vb不在预定的 容许范围内因此使得当前条件下的充电操作不安全的情形中，充电器 不会继续进行充电操作，因而充电过程可终止。在这些情况下，电池 ,皮如本文所述地卸载120。
充电器70基于与充电过程密切相关的信息包括电池的类型、充电 时间、电池的容量等来确定108要用于将电池60a和60b充电的充电 电流和/或充电时间。例如，充电器70可^:构造成确定用于在小于15 分钟的时间内将电池60a和60b充电至至少90%充电容量的充电电 流。在一些实施方案中，可确定适用于较长充电时间(例如，1小时 至4小时)、不同的电池容量、以及不同的充电水平的充电电流。
用于确定充电电流的信息可通过设置在例如充电器70的壳体71 上的使用者界面来提供。除此之外和/或作为另外一种选择，此类信息 还可通过识别机构来提供，例如，电池可通过所述机构向充电器传达 代表它们的特性的信息(例如，容量、类型)。在一些实施方案中，对 要施加的充电电流的确定可基于以如下方式获得的信息测量电池的 电特性(例如，充电电阻)，并且基于此类测量值确定电池60a和60b 的类型和/或容量。如果充电器70被构造成接纳具有特定类型容量的 特定类型的电池，则充电器70使用适用于该特定电池和容量的预定充 电电流。对充电电流的确定可通过查阅将充电电流与不同的电池容量、 电池类型、充电时间等相关联的查找表来进行。
在确定了要施加到电池60a和60b上的充电电流之后，起动110 定时器，所述定时器被构造成测量预指定的充电操作时间段。定时器 可为例如处理器84的专用定时器模块，或其可为以由处理器84的内 部或外部时钟测量的规则时间间隔递增的计数器。
23控制112电流/电压调节电路例如图12所示的降压转换器90，以使基本上等于所确定的电流的恒定电流被施加到可再充电电池60a和60b上。如所述的那样，所确定的充电电流用于生成施加到例如降压转换器90的晶体管92上的工作循环信号，以使基本上等于充电电流的电流被施加到电池12上。因此，控制器的输出信号被施加到例如降压转换器90的晶体管92上，以使源自功率转换模块74的电压被施加到电池60a和60b上。在特定工作循环的关断期间，功率转换模块74与电池60a和60b截止，并且存储在电感器96和/或电容器98中的能量以电流形式释放给电池。由功率转换模块74施加的电流、以及从电感器96和/或电容器98中释放出的电流组合起来可导致基本上等于所确定的充电电流的有效电流。
在一些实施方案中，充电器70实施CC/CV充电过程。因此，在此类实施方案中，周期性地测量114 (例如，每隔0.1秒)电池60a和60b的端子处的电压，以确定何时达到预定的电压上限(即，交变电压)。当电池60a和60b的端子处的电压达到了预定的电压上限例如4.2V时，控制116 (例如，通过晶体管92和94的电启动来控制)电流/电压调节电路，以在电池60a和60b的端子处保持基本上等于跨越电压水平的恒定电压水平。
在确定118经过了基本上等于充电时间段的时间段之后，或在达到了某个充电水平或电压水平之后(如可通过对电池60a和60b的周期性测量来确定)，终止施加到电池60a和60b上的充电电流(例如，中止晶体管92的电启动以使由功率转换模块74递送的功率终止)。
可通过恢复马达14的运行将电池60a和60b从充电器中取出120。马达14的运行使正齿轮18恢复旋转，因此使凸轮传动件16和40启动它们所作用的相应的臂。在由这两个致动器实施的有序序列的操作中，包括旋转着的椭圆形盘22的凸轮传动件16启动臂24a和24b以略微移动电池，从而使充电器触点42a和42b可从覆盖充电隔室12a和12b的位置开始回缩而不会受到损害。包括在一起限定跑道槽50的椭圆形盘48和环形盘46的凸轮传动件40启动臂44a和44b以将充电器触点42a和42b回缩至基本上导杆43a和43b的中心。旋转着的椭圆形盘22启动臂24a和24b以移动平台28a和28b，并且因此将电池60a和60b移动至它们的卸载位置。在该点，"卸载"限位开关被接通，并且马达14的运行中止，因而电池60a和60可由使用者取出。
充电电路和充电规程的附加示例性实施方案描述于例如同时提交的题目为"Fast Battery Charger Device and Method"和"Lithium IronPhosphate Ultra Fast Battery Charger"的专利申请中，这些专利申请的内容均据此全文以引用方式并入本文。
其它实施方案
现在已描述了本发明的一些实施方案。例如，充电隔室可包括活动的基座部分和固定的例如圆筒形侧壁，其中活动的基座部分由机构10启动以在第一和第二位置之间移动电池，同时充电隔室的侧壁保持静止不动。但是应当理解，在不背离本发明精神和范围的条件下可以进行各种修改。因此，其它实施方案也在以下权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种用于装载/卸载一个或多个可再充电电池的机构，所述机构包括一个或多个充电隔室，所述充电隔室被构造成接纳一个或多个可再充电电池；第一致动器，所述第一致动器被构造成使所述一个或多个可再充电电池从第一位置移动到第二位置。
2. —种用于装载/卸载一个或多个可再充电电池的机构，所述机 构包括一个或多个充电隔室，所述充电隔室被构造成接纳一个或多个可 再充电电池；致动器，所述致动器被构造成使所述一个或多个充电隔室的至少 一部分从允许将一个电池或多个电池插入所述一个或多个充电隔室或 从中取出的第一位置移动到其中可起动充电操作的第二位置。
3. 如4又利要求2所述的才几构，所述才几构还包括 一个或多个可移动触点，所述触点被构造成在与所述一个或多个可再充电电池的接触位置和与所述一个或多个可再充电电池的非接触 位置之间移动；和第二致动器，所述第二致动器被构造成使所述一个或多个触点在 所述接触位置和所述非接触位置之间移动。
4. 如权利要求3所述的机构，其中所述第一致动器包括机械地耦 合到第一组一个或多个可移动臂上的笫一凸轮，并且其中所述第二致 动器包括耦合到第二组一个或多个可移动臂上的第二凸轮。
5. 如权利要求4所述的机构，其中所述一个或多个充电隔室与所 述第一组一个或多个可移动臂机械连通，并且其中所述一个或多个充 电隔室被构造成响应所述第一组一个或多个可移动臂的移动而移动。
6. 如权利要求4所述的才几构，所述才几构还包括马达；正齿轮，所述第一凸轮和所述笫二凸轮安装在所述正齿轮上；和 蜗轮，所述蜗轮机械地连接到所述马达上并且与所述正齿轮机械接触，其中所述蜗轮被构造成在所述马达带动所述正齿轮时传送源自所述马达的旋转运动。
7. 如权利要求3所述的才几构，所述才几构还包括充电模块，所述充电模块被构造成将充电电流施加到所述一个或 多个可移动触点上。
8. 如权利要求6所述的机构，所述机构还包括 第一限位开关和/或第二限位开关，所述第一限位开关被构造成在所述一个或多个电池到达所述第二位置时使所述马达停止启动，所述 第二限位开关被构造成在所述一个或多个电池回到所述第一位置时使所述马达停止启动。
9. 一种被构造成对一个或多个可再充电电池进行充电的充电器装 置，所述装置包括装载/卸载机构，所述机构包括一个或多个充电隔室，所述充电隔室被构造成接纳一个或多 个可再充电电池；和第一致动器，所述第一致动器被构造成使所述一个或多个充 电隔室的至少一部分从允许插入或取出一个电池或多个电池的第一位 置移动到其中可起动充电操作的第二位置；和 控制器，所述控制器被构造成确定要施加到所述一个或多个可再充电电池上的电流水平；和用于将所确定的所述电流水平施加到所述一个或多个可再充 电电池上的电路。
10. —种用于对一个或多个可再充电电池进行充电的方法，所述 方法包括将所述一个或多个电池接纳在对应的一个或多个充电隔室中，使 得所述一个或多个电池位于第一位置；使所述一个或多个电池从所述第一位置移动到第二位置； 确定要施加到所述一个或多个电池上的电流水平；以及 将具有基本上所确定的电流水平的充电电流施加到所述电池上。
全文摘要
本发明公开了用于装载/卸载一个或多个可再充电电池的机构。该机构包括被构造成接纳一个或多个可再充电电池的一个或多个充电隔室和被构造成使一个或多个可再充电电池从第一位置移动到第二位置的第一致动器。
文档编号H02J7/00GK101641851SQ200880009822
公开日2010年2月3日 申请日期2008年3月20日 优先权日2007年3月26日
发明者L·J·平内尔, M·R·斯通 申请人:吉列公司