用于向电池供电的设备提供电能的方法和装置的制作方法

专利名称：用于向电池供电的设备提供电能的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种向利用可替换的电池供电的设备提供电能的方法和装置，更具体地说，涉及一种可以通过位于亮光下进行再充电的可充电电源的使用方法。
用电池供电的装置正逐年增加，利用可更换电池的装置包括例如闪光灯、灯笼、磁带录放机、小型CD唱机、照相机、壁灯、烟雾检测器、手脚取暖器、电子游戏机和儿童玩具。在多数情况下，这些装置使用一次性电池供电，它价格贵且有废物处置的问题。此外，一次性电池的广泛使用从其制造所需的能量和材料而言存在资源浪费的问题。显然，如果更广泛地使用可充电电池，对社会将是有利的。
遗憾的是，目前实践中的固有缺点防碍了可充电电池的使用。虽然由太阳能供电的和由市电供电的充电装置在市场上可以买到，但一般充电装置的价格等于若个组一次性电池，使得初始投资费用妨碍了许多用户的使用。此外，充电装置必须和要被充电的电池相匹配。因为试图用一个不匹配的充电装置对电池充电可能引起安全问题，所以用户必须知道电池充电器的匹配性。要求可替换电池的设备中的一个主要部分是儿童玩具。如果儿童对在这种玩具中使用的电池充电，则充电器的匹配性和安全问题便极为重要。此外，因为在不同电子设备中经常要求不同类型的电池，所以用户可能需要购买几种不同类型的充电装置。常规的充电器被限制于某一尺寸和电压的电池，并限制可以一次被充电的电池的数量。因此，用户当确定要买哪种充电装置时，必须预先考虑要被使用的电池的类型、尺寸、电压和数量。这时试图在手头保持有一合适的充电装置的用户是不方便的。尤其当要被供电的设备是超小型的，此时充电装置可能比要被供电的装置本身还笨重，这种情况下则更不方便。
本发明通过提供一种对向电池供电的设备提供电能的方法来克服上述的缺点，其中使用一种自含装置，通过把它从设备中取出置于亮光下可以进行再充电。因为该装置是自含的，用户就不必单独购买充电器。通过把充电装置永久地连接在存储装置上，解决了充电器匹配的问题。因此，用户不必懂得电池充电器的匹配问题，从而大大增加了安全性和通用性。此外，用户可以一次对任意数量的自含装置充电，仅受被亮光所照射的面积的限制。本发明也是极其小型的，当被用于便携设备中时，自含装置被装在设备内部被带到任何地点，这样在手头总有充电装置备用。因为不需要电源用来充电，从而使充电可在远方区域进行，因而增强了便携性。因为自含装置不用插入电源插座进行充电，因而可由使用电池供电的玩具的儿童进行安全充电。在进一步的应用中，本发明更有教育功能，教给儿童关于能量转换的知识，并加强环境保护。
因而，本发明提供了一种用来对利用可更换的电池供电的设备提供电能的方法和装置。本发明的方法包括下列步骤(a)在要被供电的设备的电池盒内放置一个可充电的存储装置，用用存储电能，一个用来把光能转换成电能的转换装置和所述存储装置永久地连接并电气相连；(b)在可充电的存储装置和要被供电的设备之间建立电气连接；(c)按正常方式使用设备，直到可充电的存储装置的电能用完；(d)从设备的电池盒中把可充电的存储装置和连接的转换装置取出；(e)把可充电的存储装置和转换装置放于光亮照射处；(f)由转换装置向可充电的存储装置充电；(g)等待直到可充电的存储装置充电完毕；以及(h)把可充电的存储装置和转换装置重新装入被供电的设备的电池盒中。本发明的最佳实施例的特征在于一个柔性体，它含有所述转换装置，并在充电期可被展开，从而使其曝露在光下的面积最大，借以增加充电速率因而减少达到充完电所需的时间，并在弱光下也能充电。在充电之后，柔性件被绕装置的圆周卷起，使得整个装置能装进被供电设备的电池盒内。


图1是本发明的装置在充电状态下的透视图。
图2是图1的最佳实施例准备放进电气设备状态下的透视图；图3是图1和图2装置的电路图4是本发明的装置的另一个实施例的透视图；图5A至5D是表示本发明的装置在垂直状态下充电时的悬挂方法的示意图；图6是表示本发明的装置在水平状态下充电的示意图。
现在参看附图，尤其是附图1，其中示出了本发明的装置的最佳实施例，用标号10表示，用来向需要电能且有可更换的电池的电池盒的装置供应电能。装置10主要包括用来存储电能的可充电的存储装置12，柔性件14与其相连，柔性件14的部分含有用来把光能变为电能的转换装置16。一个半刚性弯曲件18被连接在柔性件14的末端，具有如下所述的几种功能。图1的装置表示从需要电能的设备的电池盒中取出后的情况，其柔性件14被展开，使转换装置16曝露在箭头表示的入射光20之下。入射光20可以是直接的或间接的太阳光，也可以是来自人造光源的光线。
现在参看图2，所示的装置10的柔性件被卷起，从而可被放进要被供电的设备的电池盒内。弯曲件18卡在卷起的柔性件14上和边缘22之间。弯曲件中的张力使其牢固地被保持在卷起的柔性件上。弯曲件18的凸起24插入边缘22的缺口21内，因此防止弯曲件的转动。这样，弯曲件18作为用于把柔性件14固定于卷起状态的装置。因为弯曲件188部分地盖住柔性件14，所以弯曲件18也作为盖住和保护柔性件14的装置。如图2所示当柔性件被卷起时，装置的外部尺寸可以和标准电池的尺寸相同，例如D、B、A、AA号电池等。当装置10被插入要被供电的电池盒中时，电接点32和34和电池盒内的常规电接点接触。电接点34可以以常规电池的方式包括充电存储装置12的整个端面。
在图1和图2所示的最佳实施例中，充电存储装置12可以是任何形式的充电电池，其中包括碱电池、镍金属氢电池、锂离子电池、铝空气电池、镍镉电池、铅酸(密封的)电池或超容量电池，但不限于这些电池。构成充电存储装置12的可充电池的外径可以比常规电池的标准尺寸略小。
转换装置16可以包括非晶硅型的柔性光电池、制造这种电池的方法例如由Kishi等人在“Japanese Journal of Applied Physics，r.31，pt.1，n.l，p.12(January 1992)”中所述。这种电池可被制在聚酰亚胺基片上并具有例如20微米的厚度。柔性件14可通过在两片透明的柔性塑料之间层叠非晶硅电池构成。柔性件的厚度例如可以是0.12毫米。例如，Kishi等人描述了一种相同厚度的柔性太阳能电池组，可弯成5毫米半径。
弯曲件18可由半刚性塑料制成，例如高密度聚乙烯，它具有足够的弹性，使其在弯曲之后可以返回其原始形状。弯曲件的壁厚例如可以是1.0毫米。从图1所示的位置到图2所示的位置弯曲件的内径例如可以增加大约7％。当处于图2的状态时，弯曲件18可以盖住例如240度的卷起的柔性件14的圆周。在弯曲件18中的第一孔26和第二孔28(见图1)可以使装置用钩子或钉子悬挂在垂直状态。一个下凹面30用于插入手指在展开柔性件14之前帮助将其展开。
现在参见图3。图3是图1和图2所示最佳实施例的示意图。第一电接点32通过电导部分40连接于可充电的存储装置12的正极上，第二电接点34，通过导电部分42连接于可充电存储装置12的负极上。这样，电接点32和34以及导电部分40和42一起构成连接装置，用于在可充电的存储装置12和要被供电的设备之间建立电接触。
再看图3，转换装置16通过导电部分38和可充电的存储装置12以及阻断二极管36串连。导电部分38和阻断二极管36在充电期间作为把电荷从转换装置16引导到可充电的存储装置12上的装置。阻断二极管用来阻阻挡转换装置处于弱光或黑暗情况下时电流的反向流动(例如当安装在电池盒中时)。阻断二极管可以被包含在柔性元件内，也可以含在一个边缘内。
在充电期间，转换装置的电压输出必须足够高以便和可充电的存储装置的电压和阻断二极管的正向压降的和相匹配。通过在转换装置内包括适当数量的光电池可以获得足够高的电压。光电池的面积可以预定确定，从而在预期的照明范围下产生所需的充电电流。一般地说，光电池的面积可以这样选择，使得可充电存储装置的电流处理能力不超过预期的最大照明下的电流，并且光电池的电压和阻断二极管可以这样选择，使得当接近充满电时随着可充电装置电压的升高充电电流逐渐减少。最佳实施例的一种改型可以包括用于调节与/或限制充电电流的常规结构(未示出)的附加电路。
图4表示本发明的另一实施例。在图4中的基本元件具有和图1、图2的标号。装置10基本上包括卷轴状结构44，其上连接着柔性件14，如图14中展开的状态所示。在本实施例中的柔性件是把转换装置16和可充电的装置12组合在一起的层状结构。本实施例的中的可充电的存储装置可以是柔性存储电池，例如柔性塑料电池或由Stevens。“IndustryWeek，v.243.n23.p.38(19 Decembes 1994)”中提出的电池。卷轴状结构44具有功能和图2的最佳实施例完全相同的电接点。卷轴状结构44主要由硬塑料制成，具有金属通路用于导电。图4和图1的实施例之间的基本区别在于柔性件14把光转换和能量存储的功能组合在一个元件上。两个实施例的其它功能和操作基本相同。
图4所示的实施例的一种变型可以把转换装置16和可充电装置12的功能组合在一个或多个柔性光电蓄电池中。在光电蓄电池中，入射光直接被电池溶液吸收，产生化学反应形成长寿命电池，以化学形式存储能量。当通过外部电路建立电连接时，化学反应产生电流，这在后面说明。为了制造柔性光电蓄电池，光电电池的光电溶液可用类似于由Steven提出的蓄电池的方式装入柔性聚合物的分子结构中。含有装入的溶液的柔性聚合物可被夹在两个导电层之间，一个是透明的，以便使光线进入电池溶液。
上述的每个实施例和其它相比是有某些优点。图1的实施例利用天然能量存储技术，因而可以容易制成各种形状、尺寸、电压、充电特性等的电池。这样，这个实施例便能广泛地用于当前的许多电池供电的设备中。此外，使装置的重量的主要部分集中在可充电存储装置中也具有某些优点，这在下面的使用方法中将会明显看出。图4的实施例及其变型的优点在于，使得可充电的存储装置和转换装置可以使用连续的薄膜生产技术制造。因而这一实施例适用于大量生产，可以大大降低费用。
当装置10采用图2所示的结构时，它具有卷起的并被固定在弯曲件18中的柔性件10，该装置可以和常规电池相同的方式安装于要被供电设备的电池盒中，通过用电接点32和34和被供电的设备电池盒中的常规电接点保持接触而和被供电设备相连。然后按通道的方式利用该设备，直到在可充电的存储装置中存储的电能耗尽为止。当在放电状态时，可把装置10从电气设备中取出，通过释放弯曲件18，展开卷起件14，如图1所示，并把其放在使光线照到转换装置16的位置进行充电。
参照图3，当光线照 转换装置16上时，电荷从转换装置16通过导电通路38和阻断二极管36流向可充电的存储装置12，从而使可充电存储装置12充电。在经过适当时间之后，可充电存储装置已充有足够的电压，再把柔性件卷起把该装置重新装入电气设备中。
参见图1和图2，为了展开柔性件14，通过抬高弯曲件18的边沿使凸起24脱离边缘22中的缺口并使弯曲件18绕其相反的边沿转动从而使其从通过卷起柔性件14形成的圆柱形脱开，这样，可以释放弯曲件18，然后可把柔性件完全打开。
参见图5，图中示出了用于悬挂该装置进行充电的几种方法。使柔性件14打开，弯曲件18作为把该装置悬挂在垂直位置的装置。如图5A，5B，5C所示，弯曲件可被直接挂在环境中钩子上。或利用在弯曲件中的孔挂住，如图5D所示。通过从柔性件的端部把该装置挂在垂直位置，可充电存储装置的重量使柔性件14伸直，并使转换装置16面向入射光20的方向，在户外进行充电时，防止大风吹落。
参见5A，一个伸长的物体46可以是环境中的天然的成人造物体，例如树枝、杆、晒衣绳等。参见图5B，水平边沿48例如可以是桌边，架子或窗台。参见图5C，垂直边沿50可以是例如围墙的顶端，椅子背或靠在外墙上的板。参见图5D，挂钩52可以是例如钩子，钉子之类。
在户内，可把该装置可通过一个挂钩挂在面向窗户的内表面附近进行充电，挂钩可呈吸力杯型，对窗户平面的内表面具有吸力，把第一孔(图1)挂在挂钩的钩子上。另外该装置可通过钩住弯曲件使其挂在窗户附近，例如用窗帘杆按图5A的方式。同样，把该装置悬挂在窗户内表面附近的方法对许多用户可能是最佳的充电方式，因为可以把备用装置一直悬挂在窗内，直到使用时将其取下。
为了在人造光下充电，该装置例如可用钩子被悬挂在具有灯罩的灯泡附近，可钩住灯罩的边沿，使柔性件的内部面向灯罩，转换装置面向灯泡。
将本装置保持在水平位置进行充电的方法如图6所示，弯曲件18被钩在环境中的支撑物体4的边缘上(例如桌面)，把支撑块56放在柔性件14下面，使柔性件伸平，转换装置16曝露在入射光20下。在理想情况下，支撑块56的厚度应略大于边缘22的半径，从而通过略高于支撑物体54表面的悬挂着的边缘24用可充电的存储装置的重量将柔性件拉平。用这种方式，装置10可被牢固地固定在户外充电，即使在风大时。支撑块56可由木头或任何方便材料制成，也可以是在环境中找到的其它合适形状的物体，例如书本、空盒子等等。支撑块56可以足够大，以便同时支撑多个装置进行充电。
由下面的说明可以理解，这种用于向由电池供电的设备提供电能的方法和装置具有许多其它优点，并且显然还可以作出各种改型，在其形状、构造和零部件的排列方面不脱离本发明的构思和范围可以作出各种改变，这些改变不会牺牲其主要优点。例如，用于把柔性件固定于卷起状态的装置，以及当卷起时用于盖住和保护柔性件的装置，可以使用圆柱套筒，将其在把该装置插入被供电的设备之前套在该装置上。或者使柔性件和可充电的存储装置以类似于胶片的形式装在盒内，这时可通过在盒一侧上的槽拉出其一端使其展平。柔性件还可以用围绕装置圆周的弹性带使其固定在卷起位置。弹性带可被永久地连接在柔性件的端部并用于把装置悬挂在垂直状态进行充电的装置。虽然这种实施例和上述最佳实施例相比不提供任何附加的优点，但旨在用来说明它们也落在本发明的范围之内。
附加的实施例可以在尺寸和形状上与前述最佳实施例不同。例如，代替单个标准电池的尺寸、形状和电压，这些实施例可以具有“双倍长度”或“双倍宽度”。“双倍宽度”的结构用于锂电池。例如被用于照相机中。本发明可以采用非圆柱形状，例如没有圆边的长方形形状。这种非圆柱形形状的例子包括6伏的电池、9伏(9V-号)电池，以及被用于小型计算机中和收录机中的电池组。此外，转换装置可以具有两个柔性件表面，使得不用考虑方向问题用周围光线充电。另一实施例可以包括指示装置的充电状态的指示器。
因此，以上的说明并不构成对本发明的限制，本发明的范围由其权利要求及其等效物确定，而不由这些例子确定。
权利要求
1.一种用于向要求电力的并具有用来容纳至少一个可拆下的电池的电池盒的设备提供电能的方法，包括下列步骤(a)在所述电池盒内插入具有柔性件的用于存储电能的可充电的存储装置，所述柔性件卷绕在所述可充电的存储装置并含有把光变为电能的转换装置，所述柔性件可被卷起或展开；(b)在所述可充电的存储装置和所述设备之间建立电连接；(c)使用所述的设备，直到所述可充电的存储装置至少被部分地放电；(d)从所述电池盒中除去所述可充电的存储装置和所述柔性件。(e)展开所述柔性件形成基本上平的平面；(f)把可充电的存储装置和所述柔性件放在能被光线照在所述转换装置上的位置；(g)使光照射所述转换装置从所述转换装置对所述可充电的存储装置进行充电；(h)在光照射在所述转换装置上后等待一段时间，使所述可充电的存储装置至少被部分地充上电；(i)围绕所述可充电的存储装置卷紧所述柔性件，使可充电的存储装置与所述柔性件可装入所述电池盒内；(j)把所述可充电的存储装置和柔性件重新插入所述电池盒中。
2.如权利要求1所述的方法，其中把所述可充电的存储装置和柔性件放到光照到转换装置上的位置的步骤包括和环境中的一个固定物体上钩住连接在所述柔性件一端的弯曲件从而使柔性件保持基本垂直的状态的步骤。
3.如权利要求1所述的方法，其中把所述可充电的存储装置和柔性件放到光照到转换装置上的位置的步骤包括在环境中的一个固定物体上钩住连接在所述柔性件一端的弯曲件使所述柔性件处于基本水平的位置，并在所述柔性件下放一支撑块使所述柔性件保持在伸展状态的步骤。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述的围绕所述可充电的存储装置卷紧所述柔性件使所述可充电的存储装置和所述柔性可被装入电池盒内的步骤包括用所述弯曲件固定在所述柔性件上从而使其固定在卷紧状态的步骤，所述弯曲件连接所述柔性件末端，在卷紧时，它至少盖住所述柔性件圆周的一半。
5.一种从一个确定的容积内向要求电能的设备提供电能的方法，包括下列步骤(a)在所述确定的容积内插入一个柔性件，所述柔性件含有用于存储电能的可充电的存储装置和把光变成电能的转换装置，所述柔性件可被卷起成为小型的，并可被展开成为伸展的；(b)在所述可充电的存储装置和所述设备之间建立电连接；(c)利用所述的设备，直到所述可充电的存储装置至少被部分地放电；(d)从所述确定的容积中取出所述柔性件；(e)展开所述柔性件，使其形成基本平的表面；(f)把所述柔性件放在可以被光照到转换装置上的一个位置；(g)当光照到所述转换装置上时，从所述转换装置向所述可充电存储装置充电；(h)等待一段时间，直到由于光照到所述转换装置上使得所述可充电装置至少一部分地被充电；(i)折迭所述柔性件，使得它足够小从而可再放插入所述确定的容积内。
6.一种用于向需要电能的并具有用于至少一个可拆下的电池的电池盒的用电设备提供电能的能源，所述电池盒中具有电接点，可以和所述设备建立电连接，包括(a)用于存储电能的可充电的存储装置；(b)用于把光变成电能的转换装置；(c)一个柔性件，其至少一部分含有所述转换装置；(d)导电装置，用于从所述转换装置向所述可充电的存储装置进行充电；(e)连接装置，用于在所述可充电的存储装置和所述电接点之间建立电连接；(f)由所述可充电存储装置，转换装置，柔性件，导电装置和连接装置形成的一个装置，它可以被装在所述设备的所述电池盒内；(g)所述柔性件可通过折迭成为小型的，并可被展开成为伸展的，当其完全展开时，形成基本平的表面，其最长的尺寸大于所述电池盒的至少一个横向尺寸。
7.如权利要求6所述的能源，其中所述装置还包括一个连接于所述柔性件的远端的弯曲件，所述弯曲件的形状和刚性使得当所述柔性件被展开，并把所述弯曲件钩在环境中的固定物体上时可以支撑所述装置的重量，所述弯曲件以这种方向被形成并连接在所述柔性件上，当所述柔性件处于其卷起状态时，所述弯曲件至少部分地盖住所述柔性件。
8.如权利要求6所述的能源，其中所述装置还包括用于把所述柔性件固定在其卷起状态的固定装置，所述固定装置连接于所述柔性件的远方端，并当所述柔性件被固定在其卷起状态时，至少覆盖所述柔性件的圆周的一半。
9.如权利要求8所述的能源，其中所述固定装置包括一个部分空心的圆柱，其内径比卷起的柔性件的外径小，所述部分空心的圆柱具有足够的弹性，使其可以被安装在所述卷起的柔性件上而不会产生永久形变。
10.如权利要求8所述的能源，其中所述固定装置包括一个弯曲件，其形状使得至少部分地盖住处于卷起状态的柔性件。
11.如权利要求10所述的能源，其中所述弯曲件具有向其一个端部凹下的内表面，借以使所述凹下的表面在展开所述柔性件之前用来帮助松开所述的固定装置。
12.如权利要求6所述的能源，其中所述装置还包括如此的凸缘，使得所述柔性件可被在所述凸缘之间卷起，以及连接在所述柔性件另一末端的弯曲件，所述弯曲件的形状使得在柔性件处于卷起状态时，弯曲件基本上安装在所述凸缘之间。
13.如权利要求12所述的能源，其中所述装置还包括在所述凸缘中的缺口，并且其中所述弯曲件具有当柔性件处于卷起状态时和所述缺口接合的凸起。
14.如权利要求6所述的能源，其中所述可充电装置被包含在所述柔性件的部分内。
15.如权利要求14所述的能源，其中所述转换装置和所述可充电存储装置一起构成至少一个光电池。
16.如权利要求14所述的能源，其中所述可充电存储装置包括至少一个锂离子型柔性蓄电池。
17.如权利要求14所述的能源，其中所述装置还包括具有凸缘的卷筒结构，所述柔性件的一端和卷筒结构相连，并可被卷在所述凸缘之间。
18.如权利要求6所述的能源，其中所述转换装置包括至少一个光电池。
19.如权利要求6所述的能源，其中所述的装置使得具有保持在卷起状态的所述柔性件的所述能源的尺寸基本上和标准电池的尺寸相同，从而使所述能源可以替代标准尺寸的常规电池。
20.如权利要求19所述的能源，其中所述的标准尺寸从由D号、C号、B号、A号、AA号组成的组中选择。
21.如权利要求5所述的方法，其中所述把柔性件放在光可以照在所述转换装置上的步骤包括通过把连接在柔性件一端的弯曲件钩在环境中的一个固定的物体上使所述柔性件基本处于垂直位置的步骤。
22.如权利要求5所述的方法，其中所述把柔性件放在光可以照到所述转换装置上的步骤包括通过把固定在柔性件一端的弯曲件钩在环境中的一个固定物体上并在柔性件下面放一支撑块，使所述柔性件保持在拉紧的展开状态，从而使其处于基本水平位置的步骤。
23.如权利要求5所述的方法，其中所述卷紧所述柔性件使其足够小以便重新装入所述有限容积的步骤包括通过使一个弯曲件装到所述柔性件上来固定所述柔性件的步骤，所述弯曲件连接于所述柔性件的末端，当所述柔性件被卷起时，至少盖住其圆周的一半。
全文摘要
用于向利用可拆下的电池供电的设备提供电能的方法和装置,该方法包括:在设备的电池盒内放置可充电的存储装置,一个转换装置被永久地固定在其上并电气相连;在存储装置和设备之间建立电连接;利用所述设备直到存储装置的能量变少;从设备的电池盒内取出存储装置和转换装置;放在可被光照到转换装置的位置上;等待充电完成;把存储装置和转换装置放入设备的电池盒中。本发明装置包括一个含有转换装置的柔性件,使被光照射的面积最大。
文档编号H02J7/00GK1184357SQ9612340
公开日1998年6月10日 申请日期1996年12月4日 优先权日1996年12月4日
发明者丹尼斯·J·汤姆斯 申请人:丹尼斯·J·汤姆斯