[0001] 本发明涉及的是一种生活日用品技术领域的装 置，具体是一种可替代干电池的电容储能 式可充电电池及其充电装置。

背景技术

[0002] 巨前， 很多电子装置都使用干电池来供电， 如家用电器的遥控器、 无线鼠标、 电子钟， 儿童电动玩具。 这些装置中大部分功耗很小， 如家用遥控器， 待机功耗仅微瓦级， 发射时消耗 电流只有 10-20mA， 并且红外发射持续时间很短， 通常在毫秒级， 仅靠干电池就可以工作数月 甚至更长的时间。 有些则功耗较大， 如儿童电动玩具， 使用起来消耗电池量很大。 这些电子设 备每年消耗的干电池数量数以十亿计。 干电池由于含有重金属及其它化学有害物质， 废弃干电 池需要专门回收处理， 如果随意处置废弃干电池， 将会造成为土壤和水源的污染。 本发明中的 电容储能电池所用材料和部件不含重金属及有 毒化学物质， 是一种新型环保可充电电池。

[0003] 经过对现有技术的检索发现， 中国专利文献号 CN202334009U, 公开日 2012-07-11， 公 开了一种替代干电池的无线循环贮能器， 该技术主要由一个接收线圈， 一个电能接收芯片和一 个法拉电容共三个元件组成， 集中分布于一组形状与干电池相似的塑料外壳 中， 塑料外壳是由 一个带有负极的长壳和另一个带有正极的短壳 联体形成的， 接收线圈在长壳内， 电能接收芯片 和法拉电容在短壳内， 外壳上有输出电能的正极和负极， 正极与法拉电容的正极相连， 负极与 法拉电容的负极相连； 电能接收芯片有三个接线端， 分别是输入端、 地端和输出端， 接收线圈 的两端分别接在电能接收芯片的输入端和地端 ， 法拉电容的正负极分别与电能接收芯片的输出 端和地端相连。 但该技术缺陷在于： 使用了传统的分裂变压器磁感应供电方式， 这是无线感应 供电技术中效率最低、 传送距离最小的一种； 其次， 法拉电容外壳一般为金属材料铝， 当有交 变磁场穿过法拉电容的金属外壳时， 会感应出很强的电涡流， 在 CN202334009U中未使用任何 手段防止电涡流的产生， 势必导致电涡流会消耗不必要的电能， 不仅会大幅度降低供电效率， 而且可能导致法拉电容金属外壳发热， 轻则缩短法拉电容的使用寿命， 严重的发热可能导致法 拉电容爆炸。 法拉电容的使用寿命与温度的关系一般符合" 10度法则"， 即温度每升高 10度， 使用年限减半。 再者， CN202334009U中所描述的装置使用了永磁铁发出的 磁场作为启动充电 器的信号， 这种方式不仅增加成本和重量， 还需要用户将永磁铁和磁控开关这两个特定位 置对 准， 这个对准的过程可能因为电池盒中电池布置位 置不同而变得难以操作。

发明内容 [0004] 本发明针对现有技术存在的上述不足， 提出一种电容储能式可充电电池及其充电装置 ， 即采用超级法拉电容替代标准 A、 AA或 AAA型号干电池的电容储能式电池。

[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0006] 本发明涉及一种电容储能式可充电电池， 包括： 依次连接的由串联的接收线圈和谐振电 容组成谐振接收电路、 整流电路、 降压稳压电路和储能电容， 其中： 接收线圈配合谐振电容感 应接收无线感应发射线圈送出的电磁能量， 并通过整流电路和降压稳压电路产生稳定的 1.6V 直流电压用于对储能电容充电。

[0007] 所述的储能电容采用大容量法拉电容器来储存 电能， 能为低功耗电子设备提供一段时间 的供电。

[0008] 所述的整流电路的输出端优选设有与降压稳压 电路并联的、带有降压二极管组的充电机 构， 该充电机构进一步优选为 mini USB-B或 Micro USB-B接口， 利用 USB接口中的 +5V电 源为超级电容充电提供第二充电方式。

[0009] 所述的谐振电路、 整流电路、 降压稳压电路、 充电机构以及储能电容封装在一个具有仿 电池单体外形的外壳内，该外壳为柱体结构， 该柱体结构由半圆柱体和长方体结合而成，其 中： 半圆柱体的直径和长方体的宽度一致且与标准 电池如 A型、 AA型或 AAA型电池的直径相匹 配， 一方面方便与现有电池兼容， 同时又更大容积便于装配必需的部件， 更多另一方面在无线 充电时可以使得电池平放于充电器上不会滚动 。

[0010] 所述的外壳的两端分别设有符合标准电池的要 求的金属正、 负电极， 以最大程度利用电 池盒的有效空间， 能适用于绝大多数的电池盒， 但不能适用于只能容纳圆柱体电池的电池盒。

[0011] 所述的电池单体可以直接装入电池盒中代替 1节干电池，如果电子设备需要 2节干电池， 就需要装入两节电容电池。每节电容电池的最 高充电电压为 1.6 V左右，可以串联或并联使用。

[0012] 本发明涉及上述电容储能式可充电电池的充电 装置， 包括： AC/DC 电源、 控制模块、 PWM驱动器、 逆变半桥电路、 发射电路、 检流电阻和电流信号处理电路， 其中： AC/DC电源 接收 85V-264V交流输入并分别输出 5V和 18V直流电至控制模块和逆变半桥电路的电源端 ， 控制模块输出 PWM信号至 PWM驱动器， PWM驱动器与逆变半桥电路的输入端相连并输出 激 励电流， 逆变半桥电路的输出端与发射电路相连， 逆变半桥电路的反馈端分别与检流电阻 Rx 和电流信号处理电路相连， 通过检流电阻将发射电路的输出电流转变成反 馈电压， 经过电流信 号处理电路得到一个反映电流频率的脉冲信号 和一个反映电流幅度的电压信号， 并分别输出至 控制模块的计数器端和 AD采样端， 控制模块根据发射电路的输出电流的大小判断 是否已完成 充电。

[0013] 所述的逆变半桥电路由第五和第六电容、 第一和第二 MOS管构成， 该逆变器在控制模 块的 PWM控制下以 100-200Khz的频率输出交变电流， 该电流驱动发射线圈产生交变磁场， 接 收线圈感应到交变磁场并与接收电路的谐振电 容产生谐振， 实现最大效率的无线功率传送。

[0014] 当储能电容 C3 的电压下降到遥控器允许的最低工作电压 （通常为 IV左右） 以下时， 电容电池需要充电。用无线感应充电器充电时 ， 需将靠近电池盒盖的 PCB印制线圈平行靠近无 线感应充电器发射线圈平面， 只需不到 2分钟时间就可将储能电容 C3从 0V充电至 1.6V。 通 常， 使用过一段时间后再充电的电容电池， 其内部的储能电容 C3 中仍有一定的剩余电荷， 这 种情况下， 所需的充电时间会更短。

[0015] 用 USB充电时，则需将电源从电池盒中取出，利用 USB电缆，连接电容电池的 mmiUSB 或 microUSB和其它 USB充电接口， 由于 USB可以提供 500mA的充电电流， 10F的法拉电容 只需 10Fxl .6V/0.5A=32秒钟就可从 0伏充到 1.6V。

技术效果

[0016] 本发明通过短时间内发射电路的电流大小和变 化情况来决定是否启动发射器以及是否 结束充电， 不增加任何其他部件， 也省去了两个特定点的对准过程。 具体地讲， 一次完整的充 电过程中发射电路的电流波形如图 7所示， 当充电器空载时， 发射电流为最低的 I。； 当对电容 电池负载充电过程中， 发射电流会经历一个快速上升到最高点， 然后缓慢下降的过程。 控制模 块 11控制发射电路工作 100ms, 检测此期间的电流大小及变化情况， 如果持续在 I。附近， 则表 明无待充电负载， 发射电路暂停 1秒后再重复以上过程； 如果在 100ms期间电流有明显上升趋 势， 则保持发射电路继续工作， 待发射电流出现最大值后开始缓慢下降， 再延时一段时间 （如 30秒）后结束充电。 如果发射电流持续在不正常的高水平， 则表明发射线圈附近存在金属板状 物， 在金属板上出现电涡流而导致发射电流异常， 充电器自动关机并报警。控制模块 11还可以 通过检测发射电流的频率是否为当前程序设定 的频率来判断发射电路是否正常。

[0017]

附图说明

[0018] 图 1为本发明结构示意图。

[0019] 图 2为电路板后视图。

[0020] 图 3为电路板正视图。

[0021] 图 4为电路板侧视图。

[0022] 图 5为电路板俯视图。

[0023] 图 6为无线充电器的结构示意图。

[0024] 图 7为充电过程中发射电流及法拉电容电压波形� �。

具体实施方式

[0025] 下面对本发明的实施例作详细说明， 本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实 施， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程， 但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例 1

[0026] 如图 1所示， 本实施例包括： 依次连接的由串联的接收线圈 L和谐振电容 C1组成谐振 接收电路 1、 整流电路 2、 降压稳压电路 3和储能电容 C3 , 其中： 接收线圈 L配合谐振电容 C1 感应接收无线感应发射线圈送出的电磁能量， 并通过整流电路 2和降压稳压电路 3产生稳定的 1.6V直流电压用于对储能电容 C3充电。

[0027] 本实施例中：

[0028] 所述的整流电路 2为四个低压差二极管 D3-D6组成的二极管整流电路， 第三至第六二 极管 D3、 D4、 D5、 D6为 1N5818或类似的低压差的整流二极管；

[0029] 所述的降压稳压电路 3包括： 直流稳压芯片 Ul、 由电阻和二极管组成的降压电路以及 两个并联的滤波电容， 其中： 第二电容和第四电容并联于降压稳压电路 3的输入端， 直流稳压 芯片 U1的输入端正极与降压稳压电路 3的输入端正极相连， 降压稳压电路 3的输出端正极与 降压电路的输入端相连。

[0030] 所述的第二电容 C2为不超过 10(^F， 优选为 1(^F/25V电解电容； 所述的第四电容 C4 为 InF-lOnF /25V薄膜电容；

[0031] 所述的降压电路由串联的第一电阻和第二电阻 ， 以及串联在 U1 输出和 C3间的第七二 极管组成， 其中： 第一电阻 R1和第二电阻 R2构成输出电压取样反馈电路， 使得降压电路的输 出稳定在期望的电压值，第七二级管 D7用于防止法拉电容上的电荷通过第一电阻 R1和第二电 阻 R2泄放。

[0032] 所述的第一电阻 R1为 12K， 1/8W; 所述的第二电阻 R2为 10ΚΩ, 1/8W

[0033] 所述的第七二极管 D7为 1A1或 1N4001 ;

[0034] 如图 2所示， 所述的接收线圈 L为附着于 PCB板 5的印制电路接收线圈， 共 15圈且外 围宽度 12mm; 所述的谐振电容 C1为 O. ^F /200V薄膜电容；

[0035] 所述的储能电容 C3应在几何尺寸允许的前提下尽可能选择容量� ��的法拉电容， 通常在 1-33F,额定电压为 2.0V-2.5V;优选为 10F/2.5V (用于 AA型电池）或 3.3F/2.5V(AAA型电池)； [0036] 如图 1所示， 本实施例还配有充电机构 4， 该充电机构通过带有降压二极管 D1和 D2 的 USB充电接口实现， 本实施例中的 USB接口选用 mini USB-B或 Micro USB-B接口， 利用 USB接口中的 +5V电源为超级电容 C3充电提供第二充电方式。

[0037] 所述的第一和第二二极管 Dl、 D2为 1A1或 1N4001 ;

[0038] 如图 3所示， 为带有电池正极 7和负极 8的外壳 6， 其中： 所述储能电容 C3位于壳体 6 的前端，整流电路 2和降压稳压电路 3分别位于壳体 6的中部，充电机构 4位于壳体 6的尾部。 [0039] 所述的外壳 6的长度为 49mm， 高度及宽度均为 14mm， 与普通 AA型电池相匹配。 其 它型号电池， 如 A或 AAA型， 则需要调整外壳尺寸。

[0040] 当储能电容 C3 的电压下降到遥控器允许的最低工作电压 （通常为 IV左右） 以下时， 电容电池需要充电。 用无线感应充电器充电时， 需将靠近电池盒盖的印制电路接收线圈靠近无 线感应充电器发射线圈， 只需 2分钟左右时间就可将储能电容 C3从 0V充电至 1.6V。 通常， 使用过一段时间后再充电的电容电池， 其内部的储能电容 C3 中仍有一定的剩余电荷， 这种情 况下， 所需的充电时间会更短。

[0041] 用 USB充电时，则需将电源从电池盒中取出，利用 USB电缆，连接电容电池的 mmiUSB 或 microUSB和其它 USB充电接口， 由于 USB可以提供 500mA的充电电流， 10F的法拉电容 只需 10Fxl .6V/0.5A=32秒钟就可从 0伏充到 1.6V。

[0042] 如图 1所示， 第一和第二极管 Dl、 D2可以将 USB充电电压 +5V降低约 1.4伏， 这样可 以有效降低直流稳压芯片 U1 (如 LM1117 ) 的输入输出压差， 减小 U1的发热量， 同时也可以 防止 USB电源反接； 图中第一电阻 R1和第二电阻 R2分压取样 U1的输出电压用于反馈输出 电压， 可以使得 U1输出稳定的期望电压值 2.3V, 通过二极管 D7降压 0.7V, 可以得到约 1.6V 输出电压用于法拉电容的充电。 在不充电时间， 二极管 D7的另一个重要功能就是阻断储能电 容 C3通过 R1和 R2的放电。

[0043] 如图 2所示，为几何尺寸兼容 AA型号干电池（5号电池尺寸：直径 14mm，长度 49mm) 的带有外壳 6的 AA型号电容电池结构图， 替代其它各种型号 （A， AAA, SC， C， D， N， F ) 干电池的电容储能电池的结构与图 2类似， 只是几何尺寸需按各型号电池的尺寸做调整。 感应接收线圈采用在 PCB板 5的背面印制的线圈， PCB板 5的正面中间部分为贴片元件面， 在所述的储能电容 C3和 PCB板 5之间、 USB连接器和 PCB板 5之间、储能电容 C3的外部以 及 USB连接器的外部均设有防涡流屏蔽层 9。

[0044] 该防涡流屏蔽层 9的厚度为 0.5-0.8mm， 可以用 TDK的 PC44或性能相近的其它软磁材 料， 其作用是防止感应充电时高频磁场在法拉电容 及 USB连接器的金属外壳上产生强涡流。

[0045] 所述的防涡流屏蔽层 9与 PCB板用胶水固定， 长度比被屏蔽的法拉电容和 USB连接器 略长。

实施例 2

[0046] 如图 6所示， 本实施例涉及一种针对上述电池的无线充电器 ， 包括： AC/DC电源 10、 控制模块 11、 PWM驱动器 12、 逆变半桥电路 13、 发射电路 14、 检流电阻 Rx和电流信号处理 电路 15， 其中： AC/DC电源 10接收 85V-264V交流输入并分别输出 5V和 18V直流电至控制 模块 11和逆变半桥电路 13的电源端， 控制模块 11输出 PWM信号至 PWM驱动器 12， PWM 驱动器 12与逆变半桥电路 13的输入端相连并输出激励电流， 逆变半桥电路 13的输出端与发 射电路 13相连， 逆变半桥电路 13的反馈端分别与检流电阻 Rx和电流信号处理电路 15相连， 通过检流电阻 Rx将发射电路 14的输出电流转变成反馈电压， 经过电流信号处理电路 15得到 一个反映电流频率的脉冲信号和一个反映电流 幅度的电压信号，并分别输出至控制模块 11的计 数器端和 AD采样端， 控制模块 11根据发射电路 14的输出电流的大小来判断是否有待充电负 载以及储能电容充电是否已充满。

[0047] 所述的逆变半桥电路 13由第五和第六电容 C5、 C6、第一和第二 MOS管 Ql、 Q2构成， 该逆变器在控制模块的 PWM控制下以 100-200Khz频率输出交变电流，该电流驱动发射� �圈产 生交变磁场， 接收线圈感应到交变磁场并于与接收电路的谐 振电容产生谐振， 实现最大效率的 无线功率传送。

[0048] 一次完整的充电过程中发射电路的电流波形如 图 7所示， 当充电器空载时， 发射电流为 最低的 I。； 当对电容电池负载充电过程中， 如图 7所示， 发射电流会经历一个快速上升到最高 点， 然后缓慢下降的过程。 控制模块 11控制发射电路工作 100ms, 检测此期间的电流幅度， 如 果持续在 I。附近， 则表明无待充电负载， 发射电路暂停 1秒后再重复以上过程； 如果在 100ms 期间电流有明显上升趋势， 则保持继续工作， 待发射电流出现最大值后开始缓慢下降， 再延时 一段时间 （如 30 秒） 后结束充电。 如果发射电流持续在不正常的高水平， 则表明发射线圈附 近存在金属板状物， 在金属板上出现电涡流而导致发射电流异常， 充电器自动关机并报警。 控 制模块 11 还可以通过检测发射电流的频率是否为当前程 序设定的频率来判断发射电路是否正 常。

[0049] 以 AA型号电容电池为例， 选用 10F/2.5V的法拉电容， 实际最高充电电压 1.6V, 则最 大储存电荷为 10Fx l .6V=16C， 以 0.2A电流充电， 所需时间为 16C/0.2A=80S。 干电池最低工作 电压一般为 IV， 则遥控器实际可利用电荷为 (1.6V-1.0V)x lOF=6C。 如果用 1节 10F/1.6V的法 拉电容给家电遥控器供电， 假定遥控器待机电流为 ΙμΑ (多数都低于 ΙμΑ) ， 自放电电流典型 值为 22μΑ (初始自放电电流值)， 则待机时间理论上可达 6σ(22μΑ +1μΑ)=2.6χ 10¾=3天； 假定 遥控器每次按键发送的串行码中有 lObits需要 15mA电流点亮红外发射管， 每次点亮持续时间 3ms , 则每次按键消耗储能电容 18mAx l5 x4mS=108(^C 的电荷， 6C 的实际可利用电荷可供 6CV108(^C=5555次按键。所以，用法拉电容储能来� ��类似家用遥控器的低功耗电子设备供电是 完全可行的， 与传统干电池相比， 这种新电池不含重金属等有害物质， 而且可以快速充电， 最 大充电时间不超过 2分钟， AA型号电容电池一次充满电可以待机约 3天，可供按键次数约在 5 千次左右。