专利名称：多用途快速充电架的制作方法
多用途快速充电架
背景技术：
电池充电器通常通过电缆连结或端子连接对一个具体的电池驱动的装置进行充电并且通常具有超过一个小时左右的充电时间。即，例如，手机充电器通常不对数字照相机等进行充电。此类充电器一般也不包括允许充电时间少于十五分钟的高速充电连接或端子。电池单元技术方面的最新进展，包括锂离子(Li-ion)可再充电电池，已使得消费者在数分钟而非数小时的范围内完成快速电池充电的理想成为现实期望。锂离子可再充电电池通常由提供恒定电流的电源来充电，然后提供恒定电压(CC/ CV)，其中在大约4. 2V时从恒定电流转接至恒定电压。S卩，当电池的电压达到大约4. 2V时， 充电操作从恒定电流模式切换至恒定电压模式。可提供此类充电特征的电源由电子反馈机构来控制。在给定时段内对可再充电电池进行充电涉及细心且精确地调节充电装置的充电机构。为了有利于精确地调节充电电流，涉及到精确地测量电池的电压和/或电流。此外， 由于电池具有不同的容量并且要求不同水平的充电电流，因此关于电池容量的精确信息使充电操作能够在给定时段内完成。常规充电器依赖于机械或模拟或数字技术来确定待充电电池的类型并因此确定要应用的适当的充电方案。例如，一些技术是基于使用内部电池识别电阻器，其值确定该具体电池所用的充电参数。也已采用了机械技术，例如采用接口极性键的位置或者特定插针的位置来区别要求不同充电参数的不同电池型号。例如，Smart Battery Bus (SMBus)标准使用串行数据通信接口来将充电参数传送给充电装置。以上方法使用电池功率端子以外的附加连接点或一些添加的机械部件，所述添加的机械部件是将存储能量递送给便携装置的基本电池功能所不需要的。在SMBus标准的情况下，使用电路和至少两个附加插针来实现充电器和电池之间的智能接口，增加了电池的成本、复杂性和尺寸。
发明内容
一种充电架基座和快速充电电路包括单一或多个充电端子以便将一个或多个装置同时连结到充电器。充电器与每个连结的装置通信并且为每个装置选择适当的快速充电速率。对所述一个或多个装置的充电同时进行或按串行顺序进行。充电器封装了高速通用或公用连接器使得几乎任何装置可被连结以进行充电。一种设备包括充电器和多个连接器使得连接器包括开关以及充电器和连接器之间的连接。充电器被构造成引导与所述多个连接器中的一个相关联的开关以将与其相关联的连接器连接到充电器。充电器也被构造成根据在所述装置中所检测到的电池类型来对连接到连接器的装置进行充电。在所述设备的一个实施方案中，所述设备包括多个装置、连接到源自所述多个连接器的连接器的装置，其中所述多个装置被同时地充电。在另一个实施方案中，使用优先化的充电方案来对所述多个装置进行充电。所述多个装置包括第一装置子组和多个其它装置子组，并且第一装置子组具有对所述多个其它子组的优先权。第一装置子组内的多个装置中的至少一个使用优先化的充电方案来进行充电。作为另外一种选择，第一装置子组内的多个装置中的至少一个使用同时充电方案来进行充电。使用者还可通过使用者界面来确定优先化的充电方案。此外，还基于对与所述多个装置相关联的电池的识别结果来确定优先化的充电方案。在另一个实施方案中，使用连接时间串行化来对所述多个装置进行充电。在另一个实施方案中，使用循环串行化充电方案来对所述多个装置进行充电。在另一个实施方案中，所述设备包括第一装置，所述第一装置在第一时间连接到所述多个连接器内的第一连接器。所述设备也包括第二装置，所述第二装置在迟于第一时间的第二时间连接到所述多个连接器内的第二连接器。根据与所述装置相关联的电池的相对容量，充电器将电流从第一装置引导至第二装置。 在另一个实施方案中，所述设备内的充电器包括可变电流源和连接到所述多个连接器的电池类型识别器。充电器也包括控制器，所述控制器包括如下部件，所述部件用于引导与所述多个连接器中的一个相关联的开关以将其所关联的连接器连接到充电器。所述开关被引导以基于由电池类型识别器识别出的电池类型将充电电流从所述可变电流源输送至某个装置。
图1为充电架的方框图。图2为充电器的方框图。图3为充电器的电路图，示出了与装置的连接。图4为描述优先化充电过程的流程图。图5为描述同时充电过程的流程图。
具体实施例方式图1描绘了多端口充电器10的一个实例。在该实例中，将三个装置12，14，16(它们每个分别具有可再充电电池12a，14a和16a)放置在连接到单一 CC/CV充电器20的充电座18内。充电座18不限于三个装置连接器，并且可采用更多个连接器。每个可再充电电池均具有至少一个可再充电电化学电池单元(未示出)。充电座18中的每个端口均具有连接器和开关(未示出)，所述开关将装置连接到充电器20。与充电座18内的每个装置连接的连接器均具有正端子22a，24a, ^a、负端子22b，24b, 26b,以及通信端子22c，24c, 26c0 通过连接到AC电源30的交流电/直流电(AC/DC)功率转换器28来向充电器供电。也可通过直接的DC连接例如12伏的电池来向充电器20供电。将某个装置通过连接器连接到多端口充电器10的端口。充电器20引导对应的开关将充电器20与连接器连接并且根据在所述装置中所检测到的电池对连接到连接器的所述装置进行充电。充电器20被构造成对具有至少一个电化学电池单元的电池12a，14a, 16a进行充电。电池1 可为二次电池单元(或电池)。二次电化学电池单元可被重复地再充电。二次电池单元可被设计成适应于在所述电池单元中可能会发生的例如溶胀之类的变化。二次电池单元描述于例如 Falk & Salkind 的 “Alkaline Storage Batteries" (John Wiley & Sons, Inc. 1969)；以及美国专利345，124中；据此均以引用方式并入本文。在本文所述的实施方案中，电池1 为二次电池或可再充电电池。
在一些实施方案中，可再充电电池1加，1如，16a包括锂离子电池单元，所述锂离子电池单元具有石墨阳极材料或钛酸锂阳极材料、以及磷酸铁锂阴极材料，它们适于使基于此类材料的可再充电电池能够快速再充电。装置12，14，16被接纳在多端口充电座18的充电隔室内，使得充电端子36a和36b 分别电耦接和机械耦接到充电器对接端子18的端子22a，b,24a, b,26a, b，并且传感端子 36c分别电耦接和机械耦接到电池12a的传感端子22c。在一些实施方案中，端子22a，22b 和22c为销轴，所述销轴适于以配合配置与定位在充电器20的充电隔室内的相应的端子 36a, 36b和36c连接。充电器20确定要施加到电池1 上的适当的充电电流并且将该充电电流通过端子36a和36b经由充电座18的端子2 和22b施加到电池1 上。现在参见图2，充电器20具有微控制器32和使用者界面34。微控制器32被构造成控制充电过程，包括调节施加到每个装置12，14，16上的电压和/或电流。包括这种对充电过程的控制以便在给定时段内将电池12a，14a，16a充电至其预定的充电水平。此外，还包括这种控制以便每个装置12，14，16内的电池12a，14a, 16a的电压不超过预定的电压上限。最后，包括这种控制以便电压增加速率，即每个电池12a，b,14a, b，16a，b的充电端子处的电压随着充电操作的进程而增加速率，符合指定的充电特征；例如，其在充电操作的第一个1分钟内以特定速率增加。使用者界面34包括输出装置例如LED，它们向使用者提供关于连接到其上的充电器20和/或每个装置12，14，16的状态信息。使用者界面34包括例如蓝色LED 40、红色 LED 42、以及黄色LED 44，46和48。使用者界面；34也包括绿色LED 50，52，54。当充电器处在运行中并且连接到外部电源例如通过AC功率端口 30连接到充电器 20上的AC电源上时，蓝色LED 40被点亮。当将不能够适用于充电器20的装置插入到充电隔室中时，红色LED 42被启动以产生稳定的红色灯光。这种电池包括例如可再充电电池，其ID电阻器38具有代表微控制器 32的配置所不能处理的容量或电池类型的值。当将具有缺陷电池的装置插入到充电隔室中时，红色LED 42也可被启动以产生闪烁的红色灯光。例如，初始电压水平低于例如2V的电池可能会受损，并且因此充电器20不开始充电操作，直到被怀疑受损的电池被移除。红色 LED也可在检测到故障状况时被点亮，所述故障状况会不利地影响充电器的运行和/或损害充电器或电池。此类故障状况包括在电池的端子处检测到异常电压水平、电池和/或充电器的过热状况(例如，如果检测到温度超过60°C)等。一种用以检测并响应在对电池进行充电的过程中所发生的故障状况的示例性规程的发明详述提供于题目为“i^ast Battery Charger Device and Method”的专利申请USSN 11/776，021中，该专利申请的内容据此以引用方式全文并入本文。当充电器以例如6A的电流对所述装置12，14，16进行充电时，黄色LED 44,46,48 被点亮。这种充电电流可指示放置在充电器20的充电隔室内的电池具有500mAh的容量， 其中“Ah”为电池容量的单位安培小时，在6A的充电电流下，将在大约5分钟内完成充电操作。当充电器以例如8. 5A的电流对所述装置12，14，16进行充电时，绿色LED 50，52， 讨被点亮。这种充电电流可指示放置在充电器10的充电隔室内的电池具有700mAh的容量，其在8. 5A的充电电流下也将在大约5分钟内完成充电操作。
使用者界面34可包括附加LED，所述附加LED可各自对应于不同的状况(例如不同的故障状况)、不同的电池容量等。此外，还可修改本文所述的颜色方案和/或灯光方案以便不同的颜色可对应于不同的电池容量或不同的状况。使用者界面34包括被构造成向使用者提供输出信息的显示装置56。例如，在被怀疑受损的电池或与充电器不相容的电池被放置在充电座18中的情况下，使用者界面将显示“缺陷电池”或“非法电池”的讯息。使用者界面34也包括使用者输入区(未示出)，所述输入区可包括开关、按钮和/ 或旋钮，使用者通过它们指示例如充电时段、和/或与充电过程相关的其它类型的参数。因此，如果使用者期望以如下速率将电池充电，所述速率不同于可在大约5分钟内完成电池至少90%充电操作的速率，则使用者可使用者界面34的使用者输入区作出这样的具体指
7J\ ο基于电池的特性(其可通过识别机构诸如ID电阻器以如下方式确定通过使用者输入区、或通过其它电池确定方案指定电池类型和/或容量)，充电器可查阅查找表，所述查找表可基于充电时段和电池特性和/或容量索引到合适的充电电流值。例如，可使用计算技术来确定所述适当的充电电流。作为另一个实例，使用者界面34的使用者输入区包括输入元件，所述输入元件控制电流向多端口充电座18中的所述各种装置的分布。例如，所述装置可同时地被充电。在该情况下，电流在已经处于充电器中的装置12，14，16 (根据它们的相应电池12a，14a, 16a 的容量)之间分流。如果有新装置被添加到可用的充电端口中，则取决于装置12，14，16的充电状态，电流从充电装置转移至所述新装置。由于充电器为恒定电压，当输出电流被递送给所述装置时，所述装置分享所述输出电流。充电器20的更多细节示出于图3中。所述AC/DC开关模式电源被构造成用于恒定电压(CV)和恒定电流(CC)输出。即，当直接在装置(所述装置中不存在充电电路)中对锂离子电池或类似电池进行充电时，输出电压保持在大约4V，并且输出电流被限制在例如 IOA0充电器20包括整流滤波器21、控制集成电路27、变压器33、辅助线圈35、齐纳二极管31、以及AC至DC转换器37。整流滤波器21包括桥式整流器23和电容滤波器25。整流滤波器获取输入的 120V、60Hz的AC信号并且将其转换成160V的DC信号。控制IC 27为内部开关晶体管，并且将源自整流滤波器21的DC信号斩波为高频脉冲。辅助线圈35向控制IC 27提供功率，以及向辅助销轴四提供反馈以帮助调节至所期望的输出电压。齐纳二极管31提供对辅助线圈的电压保护。AC至DC转换器37从控制IC 27获取电压调节的高频脉冲输出并且将其转换成 3-5V的DC恒定电流信号。初始时，充电为断开的，因为所有的MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)开关51均为“断开”的，如由MCU(微控制器单元)53所决定的那样。在成功地识别了被插入到所述各座中的一个中的某个装置时，通过串行通信，并且在预编程的算法设定了充电序列优先级之后，MCU 53 “接通”MOSFET 51中的一个以使得能够对该装置进行充电。理想的是，MCU 53应当向充电器提供反馈以设定所述适当的充电电流。如图所示，充电电流被电源自身限制为用于任何要充电的合法装置的安全值。当任何装置完成充电(通常在5分钟或更短的时间内)，其向MCU 53提供讯息以断开该装置的MOSFET 51并且接通下一个装置的MOSFET。作为另外一种选择，该过程可改为基于所经过的时间(5分钟后无条件终止)以便简化通信。该过程通过保证及时地终止充电而提供了额外的安全性。对并联的一个以上的装置进行充电是可能的，但充电电流将被分享因而充电时间将会对应地延长。此外，充电电流的分配取决于独立装置的充电状态和电池阻抗，因而不能够得到保证。同时充电过程示出于图4中。使用者可任选地通过使用者界面34来编制60任何充电优选方案。充电优选方案的实例包括优选的充电时间和要充电的装置的最大数目。使用者插入62装置以用来按任何方便的序列进行充电。在插入了某个装置之后，充电器连通 64并识别装置。识别过程包括测量耦接到如前所述的多端口充电座通信端子的ID电阻器的电阻。在识别了装置并认为相容之后，充电器向所述装置提供恒定电压电流。所述装置根据其关联的电池的容量来分享可用的输出电流。在对其它装置的充电开始之后，使用者向充电器中添加更多装置。充电器连通64 并识别所述其它装置并且识别过程如前所述地进行。作为另一个实例，任选地根据使用者所限定的指定优先级，一次一个地对所述装置进行充电。这种充电方案具有如下优点，能够按需要在其它装置之前对所选装置进行充 H1^ ο任选地，使用者通过使用者界面34的使用者输入区来编制充电器以选择充电端口来充电的顺序。所述编制过程通过例如使用者界面或文本编辑器来进行。编制过程还可用公用脚本语言例如VBkript、JavaScript或Perl来进行。任选地，充电器基于装置标识符来自动地设定充电优先级，所述装置标识符通过所述多端口充电座的通信端子传送给充电器。这种对充电优先级的设定可例如通过编制界面来进行。任选地，一些装置组被优先化成优先于其它装置或装置组。这种对充电优先级的设定可例如通过编制界面来进行。一次一个的充电过程的一个实例示出于图5中。使用者通过使用者界面34编制 68任何充电优选方案。充电优选方案的实例包括优选的充电时间、要充电的装置的最大数目、以及优先化装置充电的方法。使用者插入70装置以用来按任何方便的序列进行充电。 在插入了所述装置之后，充电器即连通72并识别所有存在的装置。识别过程包括测量耦接到如前所述的多端口充电座通信端子的ID电阻器的电阻。充电器首先向最高优先级的装置或装置组提供功率并对其进行充电74。应当注意，在某个组内，使用者可使用同时充电方案或优先化的充电方案。最后，在完成对优先化装置或组的充电之后，充电器提供功率给下一个优先级装置并对其进行充电76。该规程继续进行直到所有装置均被充电。其它充电方案包括例如按连接时间串行化的那些和使用循环方案的那些。对于任何上述充电方案，充电器包括用以识别电池特征的电路。以下讨论涉及装置12，其代表了旨在连接到充电器20的所有装置12，14，16。为了执行对施加到电池12a上的电压和/或电流的调节，执行对充电座22a，22b
7的端子处的电压的测量。为了减小电压测量效应的不精确性，充电座18使用一组端子22a， 22b，所述端子连接到每个电池12a以施加充电电流。使用独立的专用端子22c来确定电池容量和/或关于电池12a的其它相关信息。具体地讲，充电器20包括电池识别阅读机构， 所述机构包括ID传感端子36c。识别(ID)传感端子36c被构造成机械耦接且电耦接到电池1 的识别机构。识别机构被构造成向充电器10提供识别信息，所述信息代表电池的容量、类型、型号和/或关于要对电池1 执行的充电操作的其它数据。微控制器32被构造成与电池识别机构通信并且接收识别信息。基于从电池1 接收到的识别信息，微控制器 32确定要施加到电池12a上的充电电流。电池识别机构的一个此类实例为电池ID电阻器38，所述电阻器具有代表电池1 的对应的电池容量、类型和/或型号的电阻值。ID电阻器38可设置在电池1 的壳体的内部中，或其可设置在电池1 的外部上。在图1所示的实例中，ID电阻器38电耦接到专用的电池ID端子22c，所述端子适于机械耦接且电耦接到充电器20的端子36c。ID电阻器38电耦接到功率端子22a，22b和充电座18的传感端子22c。为了获得代表电池的容量和/或特性的信息，充电器20通过ID端子36将预定测试电流I (测试) 施加到ID电阻器38上。ID电阻器38两端的电压降VRl使用耦接到端子36的充电器20 的电压传感器来测量。ID电阻器38处的实测电压降被传送给微控制器32，所述微控制器使用所述实测电压根据Rl = VR1/I (测试)来计算ID电阻器38的电阻。将所述计算出的对应于ID电阻器38的电阻Rl用作索引或地址以查阅存有每个与多个不同的电阻值相关联的数据的查找表。此类数据包括与电阻值相关联的相应的电池容量、容许施加到电池上的充电电流值和/或关于充电过程的其它信息。作为另外一种选择，使用实测电压VRl来查阅查找表。在一些实施方案中，ID电阻器38为热敏电阻器，其电阻可随变化的温度而变化。 这种热敏电阻器识别将要充电的电池的类型并且同时监测电池的温度。充电器20基于热敏电阻器的电阻的变化来确定电池的温度。例如，对电池的温度的确定可以如下方式执行 测量由施加某个预定水平的电流所引起的热敏电阻器处的电压，并且将测量的电压、或基于测量的电压和所施加的电流计算出的电阻与查找表相匹配，所述查找表针对特定的电池容量或类型将测量值与对应的温度相关联。当电池的温度达到被认为不安全的水平时，充电器20即基于所确定的温度降低或或终止充电电流以使电池的温度下降。任选地，充电器 20被实现成不具有热控制机构和/或热监测机构，并且在此类情况下，不执行对电池和/或充电器的温度的确定和对其的响应。其它类型的电池识别机构包括射频识别(RFID)机构，其中响应启动信号(例如， 无线电信号)，向微控制器32传送代表电池的容量、类型、电池的充电状态/性能状态等的电信号。其它合适的识别机构包括实现串行通信技术来识别电池的机构例如SMBus标准以将代表电池的容量和/或类型的识别数据通过串行数据通信接口传送给微控制器32。在一些实施方案中，对充电电流的确定按如下方式来执行测量指示电池的容量和/或类型 (例如，电池的DC充电电阻或AC阻抗)的电池电特征中的至少一种。一种基于电池的实测特征来自适应地确定充电电流的充电器装置的发明详述提供于题目为“Adaptive Charger Device and Method”的美国专利申请USSN 11/775，987中，该专利申请的内容据此以引用方式全文并入本文。
已描述了本发明的许多实施方案。然而应当理解，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，其它实施方案在以下权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种设备，所述设备包括多个连接器，其中每个连接器均被构造成接纳包括电池的装置；和充电器，所述充电器耦接到所述多个连接器以根据在每一所述装置中所检测到的电池类型对连接到所述多个连接器的每个装置的电池进行充电。
2.如权利要求1所述的设备，所述设备还包括多个开关，其中所述多个开关与所述多个连接器相关联以将所述多个连接器电耦接到所述充电器。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述充电器包括可变电流源；和电池类型识别器，所述电池类型识别器连接到所述多个连接器。
4.如权利要求2所述的设备，其中所述充电器还包括电路，所述电路用以基于由所述电池类型识别器识别出的电池类型来引导与所述多个连接器相关联的所述多个开关以将所述连接器连接到所述充电器，从而允许充电电流从所述可变电流源流至连接到所述多个连接器的装置。
5.如权利要求4所述的设备，其中如果有多个装置连接到所述多个连接器，则所述充电器同时地对多个装置进行充电。
6.如权利要求4所述的设备，其中如果有多个装置连接到所述多个连接器，则所述充电器使用优先化的充电方案对所述多个装置进行充电。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述优先化的充电方案向第一装置子组中的装置给予优先于多个其它装置子组的优先级。
8.如权利要求7所述的设备，其中所述充电器使用优先化的充电方案对所述第一装置子组内的装置进行充电。
9.如权利要求7所述的设备，其中所述充电器同时地对所述第一子组内的装置进行充H1^ ο
10.如权利要求7所述的设备，所述设备还包括使用者界面，所述使用者界面用于从使用者接收指令，所述使用者限定所述优先化的充电方案。
11.如权利要求7所述的设备，其中所述充电器接收对与所述多个装置相关联的电池的识别结果并且使用所述结果来确定所述优先化的充电方案。
12.如权利要求4所述的设备，其中所述充电器根据装置连接到所述多个连接器的顺序来串行地对装置进行充电。
13.如权利要求4所述的设备，其中所述充电器根据所述连接器的排序情况对装置进行充电。
14.如前述任一项权利要求所述的设备，其中如果第一装置在第一时间连接到所述多个连接器内的第一连接器并且第二装置在迟于所述第一时间的第二时间连接到所述多个连接器内的第二连接器，则所述充电器根据与所述装置相关联的电池的相对容量将电流从所述第一装置转移至所述第二装置。
全文摘要
本发明公开了一种设备，所述设备包括充电器和多个连接器，使得连接器包括开关以及充电器和连接器之间的连接。充电器被构造成引导与所述多个连接器中的一个相关联的开关以将与其相关联的连接器连接到充电器。充电器也被构造成根据在所述装置中所检测到的电池类型来对连接到连接器的装置进行充电。使用优先化的充电方案来对多个装置进行充电。
文档编号H02J7/00GK102428620SQ201080021714
公开日2012年4月25日 申请日期2010年5月12日 优先权日2009年5月19日
发明者D·N·克莱恩, G·M·辛德拉, J·M·洛托多, J·T·伯瑞尔科夫, L·匹内尔 申请人:吉列公司