BRPI0608550A2

BRPI0608550A2 - controlador de carga de bateria bidirecional

Info

Publication number: BRPI0608550A2
Application number: BRPI0608550-4A
Authority: BR
Inventors: Dror Manor; Guy Weinstein
Original assignee: Techtium Ltd
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2010-01-12
Also published as: US20080197801A1; WO2006095352A3; MX2007011177A; EP1867002A4; EP1867002A2; US20080284370A1; WO2006095352A2; CA2600512A1; KR20070119034A; RU2007136916A; AU2006221628A1; JP2008533961A; CN101171718A; WO2006095353A3; WO2006095353A2; US8004237B2; US20110298414A1; CN101171718B

Abstract

CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BIDIRECIONAL. Trata-se de um sistema de controle de carga de bateria bidirecional para um dispositivo eletrónico portátil no qual utiliza uma bateria principal recarregável. O sistema permite a conexão de uma bateria auxiliar (16) ao dispositivo para alimentar corrente adicional ao dispositivo. Um carregador bidirecional (22) executa o controle do fluxo de corrente para dentro e para fora da bateria auxiliar. A bateria auxiliar pode conter uma ou mais células primária e secundária prontamente disponíveis, e o carregador bidirecional é tal que um carregador externo conectado ao dispositivo, utilizado geralmente para carregar a bateria recarregável principal do dispositivo, pode também recarregar uma célula ou células secundárias na bateria auxiliar, se tais são instalados. A utilização de tal bateria auxiliar permite que a bateria principal seja conectada dentro do dispositivo.

Description

"CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BIDIRECIONAL"

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se ao campo de sistemas de fornecimento de energia equipados com baterias para uso em dispositivos eletrônicos de mão e, especialmente, controladores para a regulação bidirecional do carregamento e des-carregamento de baterias auxiliares.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

A proliferação de dispositivos alimentados por baterias, tais como, telefones celulares, câmeras de video, computadores laptop portáteis, e similares, tem aumentado dramaticamente nos últimos anos e espera-se que esta tendência continue. Estes dispositivos, tipicamente, usam uma bateria recarregável que fica embutida dentro do dispositivo para fornecer a energia necessária. 0 espaço de tempo que a bateria fornece energia ao dispositivo depende, primeiramente, do tamanho da bateria e do número de recursos de consumo de energia embutidos no dispositivo. Por exemplo, em resposta à necessidade do consumidor, os fabricantes de telefones celulares geralmente incorporam nos recursos dos telefones a capacidade de enviar e receber imagens digitais e/ou mensagens de texto, e até mesmo transmissões de video em tempo real. Infelizmente, a inclusão destes recursos geralmente impõe mais rendimento sobre as baterias recarregáveis que fornecem energia aos telefones celulares. 0 resultado liquido é que os turnos em telefones celulares estão ficando mais curtos devido à maior demanda de energia elétrica. Ao mesmo tempo em que a demanda elétrica imposta sobre a bateria écrescente, o tamanho e o peso dos telefones celulares são decrescentes. À medida que o tamanho do telefone celular é reduzido, o tamanho do compartimento de bateria embutido no telefone celular também é, em geral, reduzido. A combinação destas duas tendências, isto é, demanda elétrica crescente e tamanho de bateria reduzido, geralmente, faz com que os usuários de telefones celulares percam uma chamada telefônica ou uma transmissão de dados devido ao esgotamento da bateria do telefone em um momento inoportuno. Uma tendência adicional que complica a resolução deste problema é que a maioria dos telefones celulares precisa de uma bateria que tenha características de tamanho e formato especificas. A fim de estimular que os consumidores adquiram baterias de reposição junto ao fabricante de telefones celulares, os telefones celulares são feitos com baterias que apresentam formatos, mecanismos de travamento, requisitos de tensão únicos, etc. Além disso, uma porta de recarregamento embutida no telefone celular limita o tipo de recarregador que pode ser conectado a ele. Coletivamente, estes fatores limitam a capacidade do consumidor para substituir de imediato a bateria esgotada por outra fonte de energia.

Numerosas tentativas foram feitas para desenvolver uma fonte de energia portátil auxiliar versátil para telefones celulares. Por exemplo, a patente US 6.127.801 concedida a D. Manor, para "Battery Pack Assembly", revela uma fonte de energia que inclui um pacote de bateria e uma unidade base dotada de um circuito bidirecional. Na patente US 6.479.963 concedida a D. Manor e G. Weinstein, para "Rechar-geable Battery Packs", descreve um pacote de bateria recarregavel para uso em telefones celulares ou outros dispositivos portáteis, que inclui uma bateria recarregavel convencional para fornecer energia ao dispositivo, e uma célula primária substituivel pelo usuário para recarregar a célula recarregavel quando o usuário desejar, desta maneira, agindo como um carregador embutido para o dispositivo. Este pacote de bateria utiliza como fonte de energia adicional uma célula ou bateria primária substituivel, que uma vez esgotada, precisa ser substituída por uma nova bateria. Em outro exemplo, a patente US 6.709.784 concedida a O. Resch, para "Back-up Battery for a Cellular Telephone" revela um pacote de bateria que pode ser conectado em um contato do telefone celular para recarregar a bateria recarregavel embutida dotelefone e/ou para fornecer energia diretamente ao telefone celular. Esta invenção não proporciona qualquer circuito de conversão de tensão para corresponder a tensão de saida do pacote de bateria àquela necessária para carregar a bateria recarregavel do telefone, e depende dos circuitos de controle da carga interna do telefone para garantir uma compatibilidade de tensão correta. Além disso, a bateria é preferencialmente embalada com a tomada permitindo que o pacote de bateria seja conectado ao telefone. Consequentemente, quando a bateria estiver esgotada, todo o pacote de bateria, incluindo a tomada, deve ser descartado, aumentando os custos do consumidor.

Portanto, há uma necessidade por uma fonte de e-nergia com corrente auxiliar direta que usa,uma bateria co-mumente disponível que o consumidor pode prontamente inserir e remover de um aloj amento reusável, e que pode ser uma célula ou bateria primária disponível, ou uma célula ou bateria secundária com a opção adicional de recarregar a célula ou bateria secundária dentro do alojamento do dispositivo, usando o método de carregamento usual do dispositivo. A fonte de energia precisa ter peso leve, volume eficaz e facilmente adaptável a um amplo conjunto de telefones celulares que utiliza baterias de diversos formatos e tamanhos.

Adicionalmente, as baterias recarregáveis embutidas em dispositivos eletrônicos portáteis são geralmente dispendiosas e não se encontram amplamente disponíveis. A substituição das ditas baterias originalmente equipadas por tipos de baixo custo" ou mais prontamente disponíveis de baterias geralmente resulta na degradação da energia disponível ao dispositivo, ou do tempo de uso do dispositivo, visto que as baterias embutidas fornecidas pelo fabricante do dispositivo têm sido geralmente selecionadas pelo seu desempenho otimizado e tempo de operação. Isto é particularmente verdadeiro para laptops e outros computadores portáteis, onde a natureza crítica das tarefas realizadas geralmente vai contra os princípios da seleção e uso da bateria embutida. Portanto, houve algumas tentativas anteriores de proporcionar soluções de energia à bateria menos dispendiosas ou mais versáteis para tais dispositivos eletrônicos portáteis.

Há, portanto, uma necessidade de proporcionar pacotes de bateria auxiliar para fornecer energia adicional para ampliar a bateria recarregável interna do dispositivo,desse modo, proporcionando energia adicional de fontes menos dispendiosas e mais prontamente disponíveis do que as baterias recarregáveis, em geral, dispendiosas embutidas no dispositivo, sem comprometer o desempenho do dispositivo.

As revelações de cada uma das publicações mencionadas nesta seção e em outras seções do relatório descritivo, se encontram incorporadas no presente documento a guisa de referência, cada uma em sua totalidade.

BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção procura proporcionar, de acordo com a primeira modalidade preferida da presente invenção, um novo sistema de controle de carga de bateria bidirecional para dispositivos eletrônicos portáteis que utilizam uma bateria recarregável principal. 0 sistema permite a conexão de uma bateria ou célula auxiliar ou adicional ao dispositivo para alimentar corrente adicional ao dispositivo. Esta combinação de baterias principais e auxiliares é conhecida como uma bateria híbrida. 0 controle do fluxo de corrente da bateria ou célula auxiliar é realizado por um controlador de carga bidirecional. A bateria auxiliar pode conter uma ou mais células primárias ou secundárias, e o controlador de carga bidirecional consiste, desse modo, em um carregador externo, como um carregador para tomada de parede da rede elétrica, conectado ao dispositivo e utilizado geralmente para carregar a bateria recarregável principal do dispositivo, pode também recarregar uma célula ou células secundárias na bateria auxiliar, sob a condição de que a bateria auxiliar seja uma bateria secundária.De acordo com outra modalidade preferida da presente invenção, o controlador de carga bidirecional também atua como um conversor de tensão, que serve para converter a tensão da bateria auxiliar na tensão geralmente necessária para fornecer energia ao dispositivo, e para carregar a bateria recarregável principal do dispositivo. A tensão da bateria principal é, geralmente, embora nem sempre, maior que a tensão da bateria auxiliar. A capacidade da bateria auxiliar de carregar a bateria principal do dispositivo é partiularmente útil, uma vez que células primárias prontamente disponíveis podem ser usadas como a bateria auxiliar, em situações onde a bateria principal é esgotada sem qualquer a-cesso a fonte de energia da rede elétrica para o carregamento convencional. Além disso, o controlador de carga bidirecional é, de preferência, controlado por microprocessador e programado para ser capaz de detectar a quimica da bateria auxiliar, e para neutralizar o fluxo de corrente de carga na bateria auxiliar se a quimica da célula primária for detectada. Da mesma forma, em sentido oposto, o algoritmo do microprocessador é, de preferência, capaz de regular a corrente de carga da bateria auxiliar até a bateria recarregável principal do dispositivo, de modo que a transferência de energia seja obtida em cada estágio do estado de carga da bateria principal.

Adicionalmente, o controlador de carga bidirecional, de preferência, inclui características inteligentes de controle, as quais garantem que a corrente retirada da bateria auxiliar, especialmente quando esta for uma bateria pri-mária, seja compatível aos requisitos de carga do dispositivo, ao nivel de esgotamento da bateria principal, e à maneira mais eficaz de utilizar a capacidade de carga da bateria auxiliar. Estas características de carga variam em tempo real de acordo com a leitura realizada da corrente de carga, e com as tensões terminais de saida da bateria principal e da bateria auxiliar em qualquer momento dado.

Em casos onde a bateria auxiliar é recarregavel, o controlador de carga bidirecional permite que a bateria auxiliar e a bateria recarregavel do dispositivo principal operem, de forma essencial e evidente, uma em relação à outra, de modo que se possa considerar que elas se comportam como uma bateria recarregavel grande. Desta maneira, a bateria auxiliar neste caso adiciona de forma eficaz capacidade à bateria recarregavel principal. Isto permite que o pacote de bateria auxiliar seja considerado como a única parte substituivel da capacidade total de bateria do dispositivo, e também permite que a bateria principal fique permanentemente conectada no dispositivo, se desejado, desta maneira, economizando custos e a confiabilidade potencialmente reduzida de contatos de bateria. Além disso, quando um bateria auxiliar recarregavel for usada, o sistema de gerenciamento de energia do dispositivo pode ser disposto para que se use a capacidade desta primeira bateria, e, somente se esta estiver esgotada, usar a bateria principal do dispositivo. Desta maneira, o tempo de vida da bateria recarregavel principal é prolongado, uma vez que o uso total desta é menor. De acordo com esta disposição, o dispositivo pode, vantajo-samente, ser construído de modo que somente a bateria no dispositivo, cuj o propósito é ser substituível prontamente pelo usuário, sej a a bateria auxiliar, que pode então ser alojada, de preferência, em seu próprio compartimento, separadamente da bateria principal que, em geral, o usuário não precisa se preocupar.

De acordo com as modalidades preferidas adicionais da presente invenção, a bateria auxiliar pode ser instalada e utilizada fora do dispositivo portátil, em um alojamento separado, conectado ao dispositivo portátil, de preferência, por meio de um fio flexível, e, desse modo, conectada à entrada de carregamento externa do dispositivo portátil. Em tais modalidades, o controlador de carga bidirecional fica, de preferência, embutido no alojamento que contém a bateria auxiliar, geralmente sobre uma placa de circuito impresso, e permite que a bateria auxiliar forneça corrente ao dispositivo como um carregador externo, ou, se esta for uma bateria secundária, permite que a bateria auxiliar seja carregada pela conexão a um carregador energizado externamente. Desta forma, pode-se considerar que a bateria auxiliar se comporte como um carregador externo portátil compacto para o dispositivo, para uso, por exemplo, em situações quando^ a bateria principal do dispositivo estiver esgotada sem acesso a uma fonte de energia de carregamento da rede elétrica. Assim, proporciona-se, de acordo com uma modalidade preferida da presente invenção, um sistema de fornecimento de energia à bateria para ligar um dispositivo eletrônico, que compreende :(i) uma bateria recarregável principal;

(ii) uma bateria adicional compreendendo uma de pelo menos uma célula primária e pelo menos uma célula recarregável ; e

(iii) um controlador de carga bidirecional controlando fluxo de corrente entre a dita bateria adicional e a dita bateria recarregável.

No sistema descrito anteriormente, o controlador de carga bidirecional controla o fluxo de corrente da bateria adicional até a bateria recarregável, ou da bateria recarregável até a bateria adicional.

Proporciona-se, ainda, de acordo com outra modalidade preferida da presente invenção, um sistema de fornecimento de energia à bateria conforme descrito acima, e onde a bateria adicional possui uma primeira tensão terminal nominal , e a bateria recarregável possui uma segunda tensão terminal nominal, e o controlador de carga bidirecional converte saida de corrente a partir da bateria adicional na primeira tensão terminal nominal a uma segunda tensão para energizar o dispositivo. De forma alternativa e preferencial, em tal modalidade, o controlador de carga bidirecional pode converter saida de corrente a partir da bateria adicional na primeira tensão terminal nominal a uma segunda tensão para carregar a bateria recarregável. Em qualquer um destes casos, a primeira tensão terminal nominal pode, de preferência, ser menor que a segunda tensão terminal nominal, ou a primeira tensão terminal nominal pode, de preferência, ser maior que a segunda tensão terminal nominal.Proporciona-se, ainda, de acordo com outra modalidade preferida da presente invenção, qualquer um dos sistemas de fornecimento de energia à bateria descritos acima, que determinam a quimica das células de bateria na bateria adicional, e permitem o fluxo de corrente dentro da dita bateria adicional somente se a bateria adicional compreender pelo menos uma célula recarregável.

De acordo com modalidades preferidas adicionais da presente invenção, nos sistemas de fornecimento de energia à bateria descritos acima, a bateria adicional pode compreender pelo menos uma célula primária, e o controlador de carga bidirecional então regula, de preferência, a corrente suprida a partir da bateria adicional para carregar a bateria recarregável em uma taxa que depende do seu estado de carga.

De forma alternativa e preferencial, a bateria adicional do sistema de fornecimento de energia à bateria pode compreender pelo menos uma célula primária, e o sistema de fornecimento de energia inicia a retirada de corrente a partir da bateria adicional somente quando a bateria principal estiver esgotada até um critério pré-planejado. Este critério pré-planejado pode, de preferência, ser aquele em que a bateria principal está pelo menos 90% esgotada.

Em qualquer um dos sistemas de fornecimento de e-nergia à bateria descritos anteriormente, a dita pelo menos uma célula recarregável na bateria adicional ser qualquer uma de uma célula NiMH e uma NiCd. Adicionalmente, a dita pelo menos uma célula primária na bateria adicional pode ser, de preferência, uma célula alcalina ou uma célula decombustível.

Proporciona-se, também, ainda de acordo com uma modalidade preferida adicional da presente invenção, um sistema de fornecimento de energia à bateria de acordo com quaisquer modalidades previamente descritas, e onde a bateria recarregável é instalada sem encaixe dentro do dito dispositivo. De acordo com esta modalidade, de preferência, somente a bateria adicional é acessível prontamente para substituição por um usuário.

Proporciona-se, ainda, de acordo com uma modalidade preferida da presente invenção, um sistema de fornecimento de energia à bateria conforme descrito anteriormente, e onde a bateria adicional compreende pelo menos uma célula recarregável, e o controlador de carga bidirecional preferencialmente retirar corrente da bateria adicional antes de retirar corrente da bateria recarregável. Em tal modalidade, a retirada de corrente preferencial da bateria adicional antes da bateria recarregável ser operante para prolongar o tempo de vida da bateria recarregável. Além disso,a bateriarecarregável principal é então, de preferência, usada somente após a bateria adicional ser substancialmente esgotada, de modo que a vida da bateria recarregável principal seja prolongada.

Em qualquer uma das modalidades previamente descritas, a bateria recarregável pode, de preferência, ser uma bateria de ion de litio, e o dispositivo eletrônico portátil pode ser um telefone celular, uma câmara de video ou um computador laptop.Em qualquer uma das modalidades previamente descritas , a bateria adicional é, de preferência, instalada dentro do dispositivo. Entretanto, ainda de acordo com outra modalidade preferida da presente invenção, proporciona-se um sistema de fornecimento de energia à bateria de acordo com quaisquer modalidades descritas anteriormente, e onde a bateria adicional e o controlador de carga bidirecional são instalados em um alojamento externo ao dispositivo. De preferência, este alojamento compreende um conector simples que tanto produz corrente da bateria adicional ao dispositivo portátil quanto alimenta corrente de carga para a bateria adicional a partir de um carregador externo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A presente invenção será entendida e avaliada, de forma mais completa, a partir da seguinte descrição detalhada, compreendida junto aos desenhos, onde:

A Figura 1 é um diagrama esquemático de circuito em bloco da disposição geral de um sistema, de bateria bidirecional construído e operativo de acordo com uma modalidade preferida da presente invenção;

A Figura 2 mostra a operação do sistema de 'bateria bidirecional da Figura 1, quando supre corrente a partir de uma bateria auxiliar para a bateria recarregável principal do dispositivo, desse modo, fornecendo um aumento de energia à bateria recarregável quando necessário;

A Figura 3 mostra a operação do sistema de bateria bidirecional da Figura 1, quando supre corrente a partir do carregador com adaptador AC do dispositivo através do con-trolador de carga bidirecional até a bateria auxiliar recar-regável;

As Figuras 4A a 4C são ilustrações esquemáticas da parte de baixo de um computador laptop, mostrando diferentes métodos de incorporar um sistema de bateria hibrida, construído e operável de acordo com outra modalidade preferida da presente invenção; a Figura 4A mostra a incorporação de uma bateria padrão de técnica anterior, e as Figuras 4B e 4C mostram diferentes métodos preferidos de incorporar uma bateria hibrida da presente invenção;

A Figura 5 é um gráfico que ilustra as características de controle de tensão de corrente do algoritmo de controle de carga, de acordo com uma modalidade preferida adicional da presente invenção.

A Figura 6 é um gráfico que ilustra o ciclo de tempo de vida crescente obtido a partir da bateria recarre-gável principal de um computador notebook alimentado por uma bateria hibrida com capacidade de 30Wh de acordo com a presente invenção, comparado ao ciclo de tempo de vida de uma bateria recarregável não-hibrida de 30Wh;

A Figura 7 é um diagrama de circuito em bloco do sistema de controle de energia do controlador de carga da bateria bidirecional da presente invenção, que mostra uma arquitetura preferida permitindo que os diversos recursos sejam descritos pela mesma;

A Figura 8 ilustra, de forma esquemática, uma modalidade preferida adicional da presente invenção, desse modo, a bateria auxiliar é instalada e utilizada externamenteao dispositivo portátil como uma unidade externa do carregador bidirecional;

A Figura 9 é um diagrama esquemático de circuito em bloco, similar àquele das Figuras 1 a 3, que mostra a peração do sistema de bateria bidirecional da presente invenção de acordo com a modalidade preferida da Figura 8; e

A Figura 10 mostra a situação quando o carregador externo portátil é usado para fornecer corrente para carregar a bateria do dispositivo eletrônico portátil.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

O sistema de bateria bidirecional da presente invenção é voltado em proporcionar uma bateria auxiliar para dispositivos eletrônicos portáteis, como telefones celulares, câmeras de video, computadores laptop, e similares, que fornecem energia prontamente disponível e versátil para ampliar a bateria recarregável principal no dispositivo, e que pode incluir diferentes tipos de células para uso em uma função de energia reserva.

Referindo-se agora à Figura 1, que ilustra a disposição geral de um sistema de bateria bidirecional construído e operativo de acordo com uma modalidade preferida da presente invenção. O circuito operacional do dispositivo portátil 10 é alimentado de uma forma usual através de sua própria bateria recarregável embutida 12, que pode, de preferência, ser uma bateria de ion de litio. Um circuito de proteção interna 14 protege a bateria recarregável embutida contra condições prejudiciais, incluindo sobrecarga, sobre-descarga e temperatura excessiva. Ademais, proporciona-seuma bateria auxiliar ou adicional 20, que pode ser incorporada ao dispositivo, com fácil acesso na troca da bateria quando necessário. Deve-se notar que os termos bateria e célula, embora formalmente distintos, sendo que uma bateria é tecnicamente uma montagem de mais de uma célula, são muitas vezes usados nesta aplicação alternadamente em relação à bateria auxiliar, uma vez que a "bateria" auxiliar pode conter uma única célula ou compreender diversas células. Entretanto, entende-se que a invenção seja aplicável sem levar em consideração se uma célula ou bateria é usada como a "bateria" auxiliar, e o significado algumas vezes é trocado, como no uso popular difundido do termo bateria, quando de fato pretende-se representar somente uma única célula.

De preferência, a bateria auxiliar 20 contém uma célula ou células com tamanho padrão prontamente disponíveis e substituiveis para fornecer energia auxiliar ao sistema de energia do dispositivo. Entretanto, esta bateria auxiliar se difere em dois aspectos principais daquelas descritas na técnica anterior mencionada na Seção dos Antecedentes da Invenção

(i) Primeiro, a bateria auxiliar pode compreender uma célula ou células primárias, ou uma célula ou células recarregáveis.

(ii) Segundo, a bateria auxiliar 20 é conectada ao dispositivo através de um carregador bidirecional 22, quemonitora e controla o fluxo de corrente tanto fora da bateria até o sistema de energia do dispositivo, quanto também a partir do sistema de energia do dispositivo na bateria. Alémdisso, o carregador bidirecional 22 atua como um conversor de tensão para converter a tensão de bateria, em geral, comparativamente baixa na tensão maior exigida pelo sistema de energia do dispositivo, e, de modo oposto, converter a tensão de carregamento comparativamente maior presente no dispositivo quando, por exemplo, conectado a um adaptador externo para tomada de parede 18, em uma tensão menor para carregar a bateria auxiliar. Se a bateria auxiliar tiver uma tensão terminal maior que a da bateria principal do dispôsitivo, o conversor operara de forma compatível. Em geral, um controlador de carregamento 16 é incluído, ou como parte do circuito do dispositivo, ou dentro do adaptador de parede 18, a fim de controlar a taxa de carregamento do adaptador externo de parede.

Este segundo aspecto, (ii), proporciona o carregador bidirecional com uma capacidade funcional dobrada. Além de carregar a bateria recarregável principal usando energia da bateria auxiliar, o carregador também pode recarregar a bateria auxiliar através de circuitos de carregamento internos do dispositivo. Isto significa que a energia transferida através do carregador bidirecional 22 pode fluir em duas. direções, por esse motivo o termo "carregador bidirecional". Estas duas direções de fluxo diferentes são ilustradas no diagrama de circuito em blocos das Figuras 2 e 3, onde as direções do fluxo de corrente são indicados por setas, como se segue:

(a) A corrente flui a partir da bateria auxiliar até a bateria recarregável principal 12 do dispositivo,desse modo, fornecendo um aumento de energia à bateria re-carregável quando necessário. Esta situação é ilustrada de forma esquemática no diagrama de circuito em bloco mostrado na Figura 2.

(b) A corrente flui a partir do carregador com a-daptador de parede AC do dispositivo 18, 16 conectado ao dispositivo 10 e, desse modo, a sua bateria recarregável 12, através do carregador bidirecional 22 à bateria auxiliar 20. Esta opção é útil devido ao recurso da presente invenção segundo o qual a bateria auxiliar é uma bateria recarregável-Esta situação é ilustrada no diagrama de circuito em bloco mostrado na Figura 3.

O carregador bidirecional deve ser capaz de acomodar e, da mesma forma, controlar estas duas operações operacionais possíveis da bateria auxiliar. Com a finalidade de realizar ambas as funções de forma eficaz, o carregador bidirecional 22 é, de preferência, microprocessado. Isto proporciona uma interface de corrente entre a bateria auxiliar de célula única ou de múltiplas células 20, que, de preferência, contém ou uma célula secundária como hidreto metálico de niquel (NiMH) ou um niquel cádmio (NiCd), ou uma bateria ou célula primária, como uma bateria alcalina ou uma célula de combustível, e a bateria principal de célula única ou de múltiplas células do dispositivo, que, de preferência, contém uma bateria de ion de litio. A lateral da bateria auxiliar é, convenientemente, denominada de "lateral de baixa tensão", e a bateria recarregável principal do dispositivo é, convenientemente, denominada de "lateral de alta tensão",uma vez que a tensão de operação nominal da bateria principal é geralmente maior que a da bateria auxiliar. 0 carregador bidirecional é capaz de transferir corrente e de controlar o carregamento da bateria, ou a partir da lateral de baixa tensão até a de alta tensão quando a corrente for retirada da bateria auxiliar 20, ou a partir da lateral de alta tensão até a de baixa tensão quando um carregador externo para tomada de parede 18 estiver conectado á lateral de alta tensão.

O carregador bidirecional também ativa o controle de carga ótimo e automático das quimicas de baterias de NiMH, NiCd e ion de litio, dependendo de qual direção de fluxo de corrente é necessária. Na lateral de baixa tensão, este detecta automaticamente a quimica da bateria auxiliar, e impede o carregamento se a bateria auxiliar conter uma célula ou células primárias. De modo oposto, quando o carregamento ocorre de uma bateria auxiliar a uma bateria principal de ion de litio, o carregador bidirecional regula a corrente de carga em tempo real para que se alcance a transferência ótima de energia como uma função da tensão da bateria de ion de litio. Visto que as baterias primárias geralmente apresentam üma alta resistência interna, seu rendimento cai à medida que a corrente de descarga aumenta. Portanto, quando uma bateria primária for usada na bateria auxiliar, a corrente de carga da auxiliar até a bateria de ion de litio é reduzida quando a mesma estiver relativamente cheia para aumentar o rendimento, e é aumentada quando a bateria de ion de litio estiver relativamente vazia, para garantir que o dispositivopossa ser operado imediatamente. Desta forma, se a bateria de ion de litio estiver quase ou completamente esgotada, o uso imediato do dispositivo, usando somente a energia da bateria auxiliar, é possível. Sob circunstâncias normais, dispositivos de alto consumo não podem ser operados normalmente com baterias primárias, devido a seu baixo rendimento em taxas altas de descarga. Os algoritmos especiais de corrente de carga permitem a realização de um equilíbrio entre a capacitação do uso imediato do dispositivo, mesmo com uma bateria de ion de litio esgotada ou quase esgotada, e a manutenção de bom rendimento através do tempo. Da mesma forma, visto que a bateria auxiliar alimenta o dispositivo através da bateria principal, permite-se que a bateria principal, que apresenta baixa resistência interna, emita quaisquer picos curtos de alta de corrente que dispositivos como telefones celulares precisam. Se um telefone celular fosse alimentado usando somente baterias primárias ou células de combustível, sua funcionalidade seria, em geral, significantemente abreviada, pelo fato da resistência interna comparativamente alta das baterias primarias ou células de combustível evitar que elas lidem com picos de alta corrente algumas vezes a-traidos pelo telefone. De acordo com a presente invenção, mesmo se a bateria principal estiver esgotada completa e virtualmente, o dispositivo ainda permanece funcional uma vez que a bateria principal ainda pode fornecer as altas correntes necessárias para a transmissão, visto que estas correntes apresentam correntes de pico com duração muito curta, que recebem muito pouca energia integrada a partir dabateria principal, enquanto a bateria auxiliar fornece corrente continua de baixo nivel para operar o dispositivo. A-dicionalmente, quando se carrega de uma bateria auxiliar de NiMH ou NiCd até uma bateria principal de ion de li tio, um dispositivo alimentado pela ion de litio enxerga a bateria de duas quimicas como uma única fonte de bateria. O sistema da presente invenção, de preferência, incorpora também sensores de temperatura de bateria, tanto na bateria auxiliar, quanto na bateria principal, e o carregador bidirecional ajusta a corrente de carregamento, em qualquer que seja a direção que este esteja atualmente trabalhando, de acordo com as temperaturas de bateria medidas.

Visto que o carregador bidirecional é microcontrolado, sua aplicação é flexivel, e inclui preferencialmente diversas linhas de interface I/O, programáveis de acordo com as necessidades ou requisitos especiais de aplicações particulares .

Alguns dos recursos operacionais do carregador bidirecional supramencionados, de preferência, são proporcionados por meio de um circuito de captação e de um circuito de.conversão de tensão embutido no carregador bidirecional.

A bateria auxiliar, conforme mencionado anteriormente, pode conter uma célula ou células recarregáveis, como uma bateria de NiMH ou NiCd, ou uma célula ou células primárias, uma bateria alcalina ou uma célula de combustível. Para cada situação, o sistema se comporta de maneira diferente .

Se a bateria auxiliar for recarregável, a bateriaauxiliar e a bateria recarregável do dispositivo principal podem ser consideradas a se comportarem como uma bateria recarregável grande, de modo que a bateria auxiliar adicione, de forma eficaz, capacidade à bateria recarregável principal. 0 espaço usado pela bateria auxiliar pode, desta maneira, ser considerado a ser eficientemente usado, à medida que é, de forma eficaz, uma adição à própria bateria recarregável do dispositivo. Nesta situação, de acordo com outra modalidade preferida da presente invenção, visto que a bateria auxiliar é prontamente removível, e contribui, de forma eficaz, para uma parte da capacidade total da bateria recarregável do dispositivo, a bateria recarregável principal pode ser permanentemente conectada dentro do dispositivo, de modo que esta não seja mais removivel, uma vez que não há necessidade de ter dois conjuntos substituiveis de baterias re-carregáveis. Há uma série de vantagens para o uso de tal bateria principal permanentemente embutida, como se segue:

(i) 0 desempenho da bateria recarregável principal aumenta, visto que não há somente resistência de contato reduzido pelo fato da bateria ser conectada fisicamente dentro do dispositivo, porém, há também a possibilidade de aumentar a capacidade da bateria, uma vez que se economiza espaço integrando-se a bateria permanentemente dentro do dispositivo, se livrando da necessidade de componentes e contatos desta-cáveis para a bateria.

(ii)Há uma melhor confiabilidade e segurança, uma vez que seja mais possivel que os usuários instalem baterias que não sejam originais como fonte de energia principal eque a bateria recarregável principal seja embutida.

(iii) Há uma redução nos custos de produção, uma vez que (a) não há necessidade de um projeto de pacote de bateria interna, material e custos de fabricação do pacote de bateria interna e de contatos de ouro do pacote de bateria, (b) a montagem é mais simples, visto que a bateria recarregável principal pode ser montada através do mesmo processo do dispositivo geral, ao invés de um processo separado, e (c) a integração do produto é mais fácil, se livrando da necessidade de considerações especiais no encaixe do pacote de bateria interna ao espaço disponível no dispositivo.

As vantagens anteriores do uso de uma bateria principal permanentemente embutida também são aplicáveis quando a bateria auxiliar for uma bateria primária, apesar de tal modalidade ser geralmente menos útil no âmbito comercial .

Deve-se entender que o termo bateria principal permanentemente embutida não tem o propósito de ser entendido literalmente, visto que a bateria recarregável principal ainda será substituivel por meio da bateria soldada e não-soldada ao circuito, como qualquer outro componente não-soquetado.

Se a bateria auxiliar for uma bateria ou célula primária, a mesma pode ser operada como um aumento de energia auxiliar para a bateria recarregável principal do dispositivo, capaz de proporcionar uma recarga da bateria principal completamente independente de qualquer tomada elétrica ou de outra fonte, e tirando vantagem da disponibilidade di-fundida e baixo preço de tais baterias primárias.

Há uma série de vantagens operacionais para o uso da bateria auxiliar da presente invenção:

(i) Tal bateria auxiliar fornece uma energia re-versa opcional ou aumento de energia a uma bateria principal enfraquecida.

(ii) Se a bateria auxiliar for recarregável, de modo que ambas as baterias possam ser consideradas a operarem como uma bateria recarregável grande, desse modo, a opção é proporcionada pela substituição eficaz de algumas das células da bateria "grande", isto é, as células da bateria auxiliar. Tal substituição permitirá que a bateria "grande" tenha uma vida mais longa, por duas razões:

(a) quando uma parte da bateria "grande" for subs-tituivel, tal substituição proporciona renovação de parte dabateria com nova capacidade; e

(b) o gerenciamento de energia do dispositivo pode ser projetado para o uso da bateria recarregável principal somente depois que a bateria auxiliar estiver esgotada ou quase esgotada, de modo que a vida da própria bateria recarregável principal pode ser prolongada, visto que há menos uso total da mesma.

(iii) A partir de um ponto de vista de comercialização, o usuário percebe que a bateria é menor que a bateriade um dispositivo similar sem tal bateria auxiliar, visto que a bateria recarregável principal é interna e geralmente intacta, e o usuário tem acesso a ela e vê somente a bateria auxiliar de tamanho padrão.Com a finalidade de realizar a operação correta da bateria auxiliar, o carregador bidirecional, de acordo com diversas modalidades preferidas da presente invenção, deveria ter uma série de recursos operacionais, como as seguintes:

(i) 0 controle da corrente de carga em tempo real é necessário para controlar o fluxo de corrente a partir da bateria auxiliar até a bateria recarregável principal, para garantir resultados ótimos em dispositivos portáteis típicos, particularmente, com uma bateria primária auxiliar. Este controle é realizado utilizando um algoritmo de controle de corrente que será descrito no presente documento nas partes que se seguem.

(ii) O carregador bidirecional deveria ter algo-ritmos de controle associados para a detecção automática daquimica da bateria auxiliar, isto é, se a mesma é uma bateria primária ou recarregável.

(iii) Se a química da bateria recarregável fosse detectada, o carregador bidirecional deveria garantir o controle da corrente de carga a partir do carregador com adap-tador AC, quando usado, até a bateria auxiliar.

(iv) A ativação ou desativação da bateria auxiliar, pode ser opcional e selecionável pelo usuário por meio da interface principal do usuário do dispositivo, de preferência, através de um menu de tela. De forma alternativa e preferencial, pode-se usar um comutador mecânico sobre o dispositivo/bateria.

(v) A opção de exibir na tela de vídeo principaldo dispositivo, o estado da bateria auxiliar, tal como, se a mesma está inativa, se está fornecendo corrente à bateria recarregável principal ou ao dispositivo, ou se ela própria está sendo carregada.

Referindo-se agora às Figuras 4A a 4C, que são ilustrações da lateral posterior inferior de um computador laptop 30, mostrando os métodos de incorporação de uma bateria auxiliar e sistema de controle de carga bidirecional, de acordo com mais modalidades preferidas da presente invenção.

Apresenta-se na Figura 4A um exemplo tipico de um pacote de bateria recarregável padrão de técnica anterior 32 que se conecta em seu recesso 34 na parte posterior do computador 30. Na Figura 4B, mostra-se um pacote de bateria hibrida estendida 36 de acordo com uma modalidade preferida da presente invenção, similar em tamanho aos pacotes de bateria estendida fornecidos por alguns fabricantes de computadores laptop, em que as baterias auxiliares 38 são instaladas em um compartimento separado 40 na parte de trás do pacote de bateria. Este compartimento separado é dotado de contatos debateria convencionais para as baterias auxiliares, e, de preferência, têm uma cobertura removível deslizante ou articulada 42 ou outros meios, de modo que o acesso do usuário ao compartimento para trocar as baterias auxiliares 38 seja facilitado, se, e quando, necessário. De preferência, as baterias auxiliares podem ser um conjunto de 4 ou 6, células com tamanho AA prontamente disponíveis, primárias ou recar-regáveis. O circuito do controlador de carga bidirecional, de preferência, fica embutido no circuito de gerenciamentode energia do computador ou no próprio pacote de bateria.

De acordo com um projeto de pacote exemplar, tal modalidade de pacote de bateria hibrida poderia incluir:

(i) um pacote de bateria de ion de litio com 28 Watt-horas (Wh) de energia recarregável; e

(ii) uma bateria auxiliar que contribui um adicional de 10 Wh de energia recarregável, se células de NiMH forem usadas, ou até de 14 Wh de energia primária se células primarias de Li/FeS2 forem usadas. As células da bateria auxiliar podem, de preferência, se encontrarem na forma de um conjunto de 4 células AA no compartimento situado em uma saliência adicional de 17 mm de profundidade por 17 mm de altura na parte de trás do pacote de bateria - Em tal modalidade, o compartimento na parte de trás do computador seria, então, facilmente acessível através da remoção de sua cobertura para trocar as baterias auxiliares se, e quando, necessário .

Referindo-se agora à Figura 4C, que é uma ilustração esquemática de um computador notebook 50 no qual a bateria hibrida é projetada não como uma reposição de encaixe ao pacote padrão, conforme mostrado na Figura 4B, porém, de preferência, como uma parte integral do computador. Em tal modalidade, a bateria principal de ion de litio fica, preferencialmente, embutida no computador como um componente não-removivei 52, conectada fisicamente ou soquetada, porém, ao contrário da prática atual, de preferência, sem acesso simples do usuário. Por outro lado, as células da bateria auxiliar 54 são projetadas para que seja removíveis pelo usuá-rio, tal como, por meio de sua instalação em uma cavidade 56 projetada no computador para este propósito, de preferência, com uma cobertura removível retrátil ou articulada 58. Este tipo de projeto proporciona um desempenho aperfeiçoado da fonte de energia se a bateria principal 52 for fisicamente conectada, porém, ao contrário da modalidade da Figura 4B, não precisa de uma integração do projeto da bateria híbrida no processo geral do projeto mecânico do computador notebo-ok.

De acordo com modalidades preferidas adicionais da presente invenção, o sistema de controle de carga bidirecio-nal é dotado de algoritmos de gerenciamento de energia para garantirem a utilização ótima das baterias auxiliares ou principais sob várias condições de esgotamento da bateria principal. Proporcionam-se diversos algoritmos preferidos de gerenciamento de energia de acordo com várias modalidades da presente invenção. Apesar destes algoritmos serem aplicáveis para uso em qualquer dispositivo móvel, eles são particularmente relevantes para uso em aplicações de computadores portáteis e telefones celulares, e serão descritos como tal nas descrições abaixo.

Um primeiro algoritmo, de acordo com uma modalidade preferida dos algoritmos de gerenciamento de energia, garante que, embora a bateria auxiliar esteja em uso, a retirada de corrente é regulada em tempo real de acordo com necessidades imediatas de corrente do dispositivo, a fim de evitar corrente altamente ineficaz retirada da bateria auxiliar. Desta maneira, sob condições normais de operação,quando a bateria principal não estiver completamente esgotada, ou quando o dispositivo não estiver ligado e a bateria principal estiver sendo carregada pela bateria auxiliar, o algoritmo garante que um perfil inteligente de carga seja seguido para garantir um uso mais eficaz da capacidade de energia disponível da bateria auxiliar, de acordo com os tipos de bateria principal e auxiliar.

Este algoritmo de controle de carga é particularmente importante para o uso de telefones móveis, pelo fato das grandes variações na retirada de corrente pelo dispositivo entre estados de transmissão e recepção. Durante o tempo de transmissão, requisito por pico de corrente pode estrapolar o que uma bateria auxiliar pode fornecer, especialmente quando a bateria auxiliar contém células primárias.

Desta maneira, por exemplo, enquanto a média máxima de corrente necessária para ligar um telefone móvel é geralmente da ordem de 400 mA, esta também usa picos de correntes de até 2A durante a transmissão. Os telefones móveis também o-peram tipicamente em 3 a 4,IV. Isto significa que para alimentar a corrente de pico ao dispositivo, as células primárias de uma bateria hibrida usada nesta aplicação devem fornecer ao menos 6 W de energia. Visto que a bateria alcalina primária padrão operante em cerca de 1,2 V, a mesma deveria necessitar de um pico de corrente de 5A da bateria. Por causa de sua alta resistência interna, geralmente, as baterias primárias não poderiam alimentar tal carga de corrente.

Este problema é solucionado usando a bateria hibrida da presente invenção programando-se o controlador decarga de modo que a bateria recarregável principal se comporte como um capacitor de carga, alimentando a corrente de pico, e a bateria primária auxiliar se comparte como uma fonte de corrente, fornecendo requisitos médios de corrente. Reunindo os requisitos de corrente de pico em uma situação como aquela do telefone móvel descrito anteriormente, de fato, demanda muito pouca energia da bateria secundária, pelo fato dos picos durarem por períodos muito curtos de tempo. Consequentemente, o controlador de carga deve responder à carga média de corrente,- e não à corrente instantânea.

Reportando-se agora à Figura 5, que é um gráfico que ilustra as características de controle de tensão de corrente do algoritmo do controlador de carga, de acordo com uma modalidade preferida adicional da presente invenção. Acaracterística deve fornecer corrente suficiente a partir da bateria hibrida completa para operar o dispositivo, e, por outro lado, deve minimizar as perdas associadas à extração muito alta de uma corrente a partir da bateria primária auxiliar. A Figura 5 ilustra como a corrente de carregamento a partir da bateria primária auxiliar é controlada como uma função da tensão da tensão da bateria secundária principal. A corrente de carregamento é mantida em um alto nivel quando a tensão da bateria secundária principal é menor, uma vez que a tensão baixa da bateria principal é um sinal de uma bateria principal parcialmente esgotada, ou de alto uso médio de corrente pelo dispositivo. A corrente de carregamento é então reduzida à medida que a bateria principal se torna mais carregada, conforme indicado pelo aumento de tensão dabateria principal, até que corrente de carga se estabilize a um valor minimo constante. Desta maneira, a corrente de carga é mantida em seu menor valor possivel em todas as situações, minimizando as perdas da resistência interna da bateria primária.

Reportando-se mais uma vez à Figura 5, as linhas de correntes de carga são representadas graficamente para uso de carga alto e baixo. Quando o dispositivo apresenta uma alta carga média de corrente, o controlador é programado no inicio para exceder a corrente média necessária para garantir que a corrente suficiente seja disponível tanto para operar o dispositivo, quanto para atingir o limite de qualquer esgotamento da bateria principal. Depois, a característica diminui a corrente fornecida até um nivel de equilíbrio, onde a corrente de carregamento é igual à corrente de carga. Durante o periodo de excesso inicial, a energia fornecida devido à corrente excedente não é perdida, porém, fica armazenada na bateria secundária. Conta-se com esta corrente quando a bateria primária está próxima do esgotamento e não pode mais alimentar a corrente operacional mínima. Se a característica de controle existisse, de modo que nenhum excesso da corrente média necessária fosse alcançada, o dispositivo não seria capaz de operar instantaneamente de imediato .

Quando o dispositivo estiver desligado ou em modo de espera com uma carga de corrente muito baixa, o controlador também se inicia a uma corrente de carregamento alto, e depois rapidamente a reduz até uma corrente mínima, conformemostrado na Figura 5. Visto que a corrente de carga é muito baixa, a bateria primária pode manter constante lentamente carregar a bateria secundária a uma corrente baixa, esta sendo a forma mais eficaz de retirar corrente da bateria primária auxiliar.

Desta forma, o gráfico da Figura 5 ilustra como o algoritmo de controle de carga cobre a área de alcance completa de situações de uso, incluindo a tensão de carregamento controlada à medida que a bateria secundária se aproximada capacidade completa, esta sendo um requisito para baterias de ion de litio.

Em dispositivos que tenham cargas de energia relativamente altas, como computadores laptop, projeta-se um algoritmo de gerenciamento de energia adicional para permitir que a bateria auxiliar alimente o dispositivo sem interrupção em um cenário de pior caso onde a bateria principal está quase esgotada. Em geral, uma bateria auxiliar que utiliza células primarias tem uma saida de energia limitada, e esta saida pode não ser suficiente para alimentar o dispositivo.

Consequentemente, se for permitido que a bateria principal se esgote completamente antes da comutação na bateria auxiliar, o usuário teria que esperar a bateria auxiliar carregar a bateria principal um pouco antes de ser capaz de continuar a ação. Desta forma, este algoritmo opera detectando-se primeiramente quando a bateria principal está perto de se esgotar. A proximidade ao esgotamento é determinada por um critério pré-planejado, porém, se encontra tipicamente a 10% ou mais da capacidade total de carga e, é, de preferência,determinada pela tensão terminal da bateria principal. Quando tal estado for detectado, o sistema de gerenciamento de energia adota a ação apropriada a fim de evitar que a bateria principal se torne completamente esgotada, iniciando-se a retirada de energia da bateria auxiliar, se esta ainda não estiver acontecendo. Esta ação pode ser realizada por meio de uma indicação ao usuário, de preferência, uma mensagem exibida na tela ou uma mensagem de aviso audivel para comutar na bateria auxiliar, ou pode ser realizada automaticamente pelo sistema de controle. Desta maneira, a energia da bateria auxiliar é utilizada junto com a energia restante disponível a partir da bateria principal quase esgotada, para fornecer energia suficiente para continuar a operação imediata do dispositivo, até que ambas as baterias estejam completamente esgotadas. Quando isto acontece, para que se continue a operação do computador, ou se instala um novo conjunto de baterias auxiliares para continuar a ação, carrega-se a bateria principal, ou deve-se tornar disponível o acesso a um carregador de fonte de energia externo.

De acordo com uma modalidade exemplar, um computador notebook, que precisa de 14 W de energia para operar, possui uma bateria principal de ion de litio de 28Wh, e uma bateria auxiliar constituída de células AA de Li/FeS2, cada uma dessas pode fornecer uma corrente máxima de saida de 2A.

Isto se translada em uma energia máxima de saida de aproximadamente 2., W por célula, ou seja, 10W para as 4 células. Nesta_ saida de energia, visto que estas células podem fornecer aproximadamente lOWh de energia, as células podem pro-porcionar aproximadamente 1 hora de tempo de uso. Visto que o computador notebook apresenta um consumo de energia não muito maior que o da saida de energia da bateria auxiliar, desde que energia suficiente seja deixada na bateria principai quando este algoritmo de gerenciamento de energia comanda a comutação na energia da bateria auxiliar, o computador pode continuar a operar na combinação de bateria hibrida pelo resto de sua vida de carga. Neste exemplo, o algoritmo deveria garantir que houvesse pelo menos 4Wh (saida de 4 W por uma duração de 1 hora) deixados na bateria de ion de litio antes das células da bateria auxiliar serem usadas. A partir desse ponto, o usuário deveria, em teoria, ainda ter um total de 60 minutos de tempo de uso, retirando 10 W da bateria auxiliar e 4 W da bateria de ion de litio. Desta hora restante, o tempo adicional proporcionado, de forma eficaz, pelo uso da bateria auxiliar é de 43 minutos.

Em geral, deve-se notar que uma bateria auxiliar que contém células primárias, como as células de Li/FeS2 su-pramencionadas, proporcionam uma operação ao computador mais longa que através da utilização de células secundárias, tal como, células de NiMH, pelo fato de que as células de Li/FeS2 possuírem uma densidade maior de energia do que as células de NIMH. Entretanto, as células de NiMH têm uma maior capacidade de corrente, e, desta forma, são capazes dealimentar o computador quando a bateria principal de ion de litio estiver completamente esgotada.

Logo, tais células de Li/FeS2, se utilizadas em sua máxima retirada de energia, não somente geram muito ca-lor, mas também são operadas abaixo de sua produtividade ó-tima, seu uso no cenário de pior caso descrito acima deveria preferencialmente ser evitada. De acordo com outro método preferido da presente invenção, o sistema de gerenciamento de energia é programado para fornecer ao usuário uma notificação recente, auditivel ou na tela, que a bateria principal está acabando, sugerindo que o usuário comece a usar a bateria auxiliar mesmo embora a bateria principal ainda não tenha atingido o limite "próximo do esgotamento" descrito acima. Tal uso no tempo certo da bateria auxiliar garante uma produtividade ótima da energia armazenada na bateria.

Todas as baterias recarregáveis têm um ciclo de vida limitado, quanto maior número de ciclos de carga-descarga realizados, menor é sua capacidade de uso. Quando a bateria auxiliar compreende baterias secundárias, como células de NiMH, as baterias auxiliares trabalham juntas, como uma grande bateria recarregável. Conforme mencionado anteriormente, isto prolonga o tempo de vida útil da bateria principal dispendiosa, visto que as células da bateria auxiliarsubstituiveis menos dispendiosas empregam parte da carga. Entretanto, além deste efeito geral, e de acordo com algoritmos adicionais preferidos da presente invenção, quando a bateria auxiliar compreende células secundárias, o dispositivo é programado para gerenciar retirada de energia primeiramente a partir da bateria auxiliar, de modo que a bateria auxiliar substituivel pouco dispendiosa se submete a muitos dos ciclos de carga-descarga que seriam, por outro lado, proporcionados pela bateria principal com troca dispendiosa.Desde que os ciclos de descarga sejam superficiais, significando que a bateria está descarregada somente parcialmente entre as cargas, em geral, por exemplo, é o caso do uso de computador laptop, o algoritmo garante que quase toda a re- tirada de corrente seja extraida a partir da bateria auxiliar . Deste modo, reduz-se substancialmente o uso da bateria principal com troca dispendiosa, e, desta maneira, seu tempo de vida aumenta substancialmente.

Para ilustrar este efeito, faz-se referência agora á Figura 6, que ilustra alguns resultados experimentais obtidos na alimentação de um computador notebook usando uma bateria hibrida com capacidade de 30 Wh de acordo com a presente invenção, que contém uma bateria auxiliar com 4 células de NiMH que fornecem 10 Wh de energia, e uma bateria de ion de litio principal que fornece 20 Wh de energia. Para uma intensidade de 50% de ciclos de descarga, uma bateria equivalente com capacidade de 30 Wh que contém somente células de ion de litio deterioraria até 75% da retenção de carga após 200 ciclos. Por outro lado, quando se usa a Bateria Hibrida da presente invenção, conforme mostrado na curva superior, a seção de ion de litio da bateria hibrida ainda tem retenção de 95% após 200 ciclos, e irá tolerar centenas de ciclos antes de sua retenção cair para 7 5%. Conforme mostrado, o tempo de vida útil de uma bateria de ion de litio aumentou muitas vezes. Para uma intensidade de 33% de descarga, o tempo de vida da bateria de ion de litio em uma bateria hibrida da presente invenção pode alcançar uma ordem de magnitude melhor que uma bateria principal convencional quepossui somente células de ion de litio.

Reportando-se agora à Figura 7, que é um diagrama de circuito em bloco do sistema de controle de energia do controlador de carga da bateria bidirecional, mostrando a arquitetura que capacita os recursos descritos acima da presente invenção. A modalidade mostrada na Figura 7 é a situação mais comum onde a bateria principal que alimenta o dispositivo apresenta uma tensão maior que a bateria auxiliar. Entretanto, a situação oposta também pode ser encontrada em alguns dispositivos, onde a bateria principal que alimenta o dispositivo apresenta uma tensão menor que a bateria auxiliar e, neste caso, algumas das funções do circuito dos blocos da modalidade da Figura 7 precisam ser revertidas, porém, a estrutura de função geral é similar.

Agora, com referência à Figura 7, a bateria auxiliar 81 é, preferencialmente, construída de modo que a tensão de cada célula possa ser determinada separadamente. Isto pode ser alcançado proporcionando-se cada célula separada por tomadas de contato a partir de seus terminais para fora. Isto capacita os algoritmos de detecção da química da bateria, como aqueles descritos no pedido de patente co-pendente pelos presentes inventores por "Charging Methods for Battery Powered Devices", que serão aplicados separadamente para cada célula da bateria auxiliar. 0 sistema de controle pode então fornecer ao usuário avisos sobre qualquer célula específica da bateria. As tomadas de tensão são conectadas ao resto do circuito de controle por meio de comutadores 82. No exemplo mostrado na Figura 7, ilustra-se uma bateria auxili-ar com duas células, de modo que três fios precisam ser produzidos para que o bloco de comutação permita a determinação de cada uma das duas células. 0 bloco de comutadores 82 é organizado para produzir o resto do circuito, a tensão entre uma extremidade da bateria auxiliar e somente uma célula de cada vez. Este recurso é usado no algoritmo de equilíbrio da célula, também descrito no pedido de patente co-pendente pelos presentes inventores para "Charging Methods for Battery Powered Dispositivos".

A corrente para, e a partir da, bateria auxiliar 81 flui no Estágio de energia DC-DC bidirecional 84, que é uma unidade de conversão de tensão bidirecional, que permite o fluxo da bateria auxiliar 81 até a bateria principal 85, ou vice-versa, e converte a tensão terminal de forma adequada, dependendo da direção do fluxo de corrente.

A magnitude do fluxo de corrente para dentro ou para fora da bateria auxiliar 81 é medido pelo senso de corrente bidirecional 83, que capta a corrente que flui através do indutor no conversor DC-DC bidirecional 84. Visto que alguns proj etos de sensores de corrente precisam conhecer a direção do fluxo, a direção em que a corrente é captada é revertida de acordo com o sinal recebido do Bloco de Controle 88.

A bateria principal 85, que serve para alimentar o dispositivo 89, compreende uma ou mais células, geralmente, contém células de ion de litio. Em geral, a bateria principal 85 fica fisicamente dentro dispositivo portátil. Como é usual em tais dispositivos portáteis, proporciona-se um car-regador de parede 90 para carregamento, se desejado, a partir de uma fonte de tensão externa, como uma fonte de energia da rede elétrica. O dispositivo portátil também pode receber energia da bateria auxiliar 81.

O bloco de controle 8 8 é a unidade de controle principal do controlador de carga da bateria bidirecional, e controla a operação geral de todo o circuito. Ele recebe entradas correspondentes à tensão, corrente e temperatura de cada célula, e usa os algoritmos supramencionados para controlar todo o sistema, incluindo o nivel e direção desejados de fluxo de corrente. O nivel desej ado de corrente é determinado pelo bloco de controle 88. A saida de niveis de controle da caixa de controle 8 8 ou a direção de fluxo de corrente podem ser usadas para desligar o circuito. A comunicação de dados entre o dispositivo portátil 89 e o bloco de circuito 8 8 pode ser alcançada pelo uso das linhas padrões de comunicação de dados adotadas em tais dispositivos, e são usadas para comunicar os comandos gerados pelo usuário a partir do dispositivo, e para enviar as mensagens de controle geradas de volta ao usuário.

Uma série de elementos de controle adicionais são operativos dentro da arquitetura da Figura 7. Um Bloco de Captação de Tensão e Temperatura 86 é conectado à bateria auxiliar 81, e, de preferência, capta tanto a tensão quanto a temperatura terminal de cada uma das células na bateria auxiliar 81 separadamente. O Controlador de Corrente 87 controla o nivel de corrente através do conversor DC-DC enviando pulsos PWM do ciclo de trabalho apropriado, usando um ci-cio de controle do modo da corrente, ao controlador no Estágio de Energia DC-DC Bidirecional 84. Os pulsos PWM são produzidos de acordo com o ajuste do nivel de corrente desejado recebido a partir do bloco de controle 88.

0 controlador de corrente 87 também recebe entradas do relógio do sistema a partir do bloco de controle 88, e do nivel real de corrente a partir do sensor de corrente 83.

Reportando-se agora à Figura 8, que ilustra uma modalidade preferida adicional da presente invenção, desse modo, a bateria auxiliar 100 é instalada e usada externamente com relação ao dispositivo portátil 104, que contém a bateria principal. Apresenta-se a bateria auxiliar 100 embalada em um alojamento separado 102, conectada ao dispositivoportátil, de preferência, por meio de um único conector 28 e um fio flexivel 106, e conectada na entrada de carregamento externo 108 do dispositivo portátil. Nesta modalidade, o controlador de carga bidirecional também fica embutido no alojamento que contém a bateria auxiliar, de preferência, em uma placa de circuito impresso 110. Desta maneira, pode-se considerar que a bateria auxiliar se comporta como um carregador externo portátil compacto ou fonte de energia ao dispositivo, para üso, por exemplo, em casos quando a bateria principal do dispositivo estiver esgotada sem acesso a uma fonte de energia de carregamento da rede elétrica.

O controlador de carga bidirecional do carregador externo portátil incorpora, de preferência, todas as funções do circuito do controlador mostrado na Figura 7 acima. En-tretanto, duas funções são de importância particular. Primeiramente, devido à natura exposta do alojamento, é importante que a unidade capta a quimica da bateria da bateria inserida no alojamento para evitar o carregamento de uma célula primária. Da mesma forma, é importante que a unidade converta, de forma eficaz, a tensão da corrente que está sendo controlada, dependendo se a bateria auxiliar está fornecendo corrente ou sendo carregada. Esta modalidade é diferente das descritas anteriormente, onde a bateria auxiliar fica embutida em um dispositivo conhecido com as características e requisitos da bateria principal supostamente conhecidos , em que envolvem uma fonte de energia portátil que pode ser usada para alimentar qualquer dispositivo que tenha um conector compatível. Desta maneira, visto que o fabricante não tem controle sobre o tipo de dispositivo, a bateria auxiliar da unidade serve para alimentar, pode haver necessidades adicionais a serem incorporadas nos circuitos de controle, como verificar o estado da bateria principal do dispositivo para determinar se é adequada para que seja carregada, ou proporcionar um sinal visual ao usuário, como pode meio de um LED, que a unidade contém uma célula pronta para fornecer corrente, e outras.

Além disso, a bateria auxiliar de um carregador externo portátil tem uma série de diferenças opcionais a partir das baterias auxiliares internas descritas nas modalidades anteriores. Por exemplo, antes da unidade ser conectada ao dispositivo portátil, a mesma não tinha contato elétrico com a fonte de energia da bateria principal do dispo-sitivo. Portanto, o controlador de carga bidirecional precisa ser completamente auto-alimentável, por meio da célula inserida no alojamento. Desta forma, o circuito do controlador de carga bidirecional 110 é projetado para ter um carga de corrente em modo de espera muito baixa, que pode ser disposta para ser de apenas algumas dezenas de microamperes, desta maneira, permitindo que a unidade esteja pronta para o uso, após a inserção de uma bateria, por periodos de meses sem que a bateria se esgote. Além disso, mesmo sob estas condições, e quando não estiver ainda conectada a uma carga para que seja carregada, deve gerar uma alta tensão em seu fio flexivel 106, adequado para realizar uma carga, de modo que o dispositivo portátil detecte a presença de um dispositivo de carregamento no momento em que o fio é conectado à entrada de carregamento externo 108 no dispositivo.

Além disso, visto que os carregadores de fornecimento de energia para tomadas de parede ou externos são geralmente projetados para operarem com as características mais simples que aquelas do controlador de carga bidirecional da presente invenção, a unidade da bateria auxiliar da presente modalidade, de preferência, pode incorporar um controlador de carga bidirecional com um algoritmo de carregamento mais simples comparado com aquele das modalidades anteriores . Freqüentemente, os carregadores externos de parede se comportam como uma fonte de corrente constate, simplesmente puxando corrente de carga dentro da entrada de carregamento externo do dispositivo, e os circuitos de carregamento do próprio dispositivo portátil controle este fluxo deentrada de corrente de carga até que a bateria principal esteja cheia. O algoritmo de carregamento do controlador de carga bidirecional da unidade da bateria auxiliar externa da presente modalidade também pode, desta forma, ser construído para fornecer corrente ao dispositivo com características similares, e, desta maneira, ser consideravelmente simplificados, comparado com aquele das modalidades anteriores. Desta forma, por exemplo, o mesmo não terá que realizar qualquer rotina de "interrupção de carregamento" quando a bateria principal estiver quase cheia, como os algoritmos de carga anteriores tinham que realizar, visto que o circuito de controle de carga interna do dispositivo é projetado para seguir o perfil geral de carregamento. Por outro lado, para carregar corrente que flui através do controlador de carga bidirecional a partir do carregador para tomada de parede até a bateria auxiliar do carregador externo portátil, ainda há uma necessidade por um algoritmo de corrente de carga que controlará, apropriadamente, o perfil de carregamento da bateria auxiliar.

Visto que o controlador de carga bidirecional do carregador externo portátil permite que este seja usado para carregar ou para ser carregado através do mesmo conector, e sem qualquer intervenção do usuário para selecionar uma destas funções, é importante que o carregador externo portátil possa determinar por ele mesmo se fica conectado a um dispositivo como uma carga, ou a um carregador de parede para o recarregamento de sua própria bateria. Um simples teste de tensão no conector é insuficiente, visto que o carregador deparede e a tensão convertida para alimentar o dispositivo podem se encontrar em niveis diferentes. Portanto, de acordo com outra modalidade preferida da presente invenção, o carregador externo portátil é munido com uma rotina de verificação de função, desse modo, a tensão de saida no conector é removida em intervalos regulares por um curto periodo de tempo, tipicamente, poucos segundos por uma duração da ordem de alguns décimos de segundo, e, tipicamente, menor que 0,5 seg, e a tensão do conector é medida. Se uma medição mostrar uma tensão essencialmente estável, então, fica claro que o carregador externo portátil está conectado a um carregador de parede ou a outra fonte de energia externa para o carregamento de sua própria bateria auxiliar. Se, por outro lado, a tensão cair durante a medição até um nivel menor, tipicamente, por 0,3 volts ou mais, então, fica claro que o carregador externo portátil está conectado a um dispositivo para recarregar a bateria principal do dispositivo, e as funções de controle do controlador de carga bidirecional são comutadas de forma correspondente.

De preferência, a bateria auxiliar é uma célula secundária, e o uso do circuito do controlador de carga bidirecional também permite que a célula seja carregada quando desejado conectando-se o alojamento da bateria auxiliar ao soquete de saida de um carregador externo, como um carregador para tomada de parede, ou a um soquete de painel de automóvel. Então, o carregador externo portátil apresenta uma função dupla e reciproca, ele pode carregar o dispositivo portátil através da conexão do conector de entrada de carre-gamento do dispositivo portátil, e pode se auto carregar a-través da conexão a um conector de saida do carregador de parede externo. Se o conector de entrada de carregamento do dispositivo tiver o sexo oposto ao conector de saida do carregador de parede externo, como esta é a disposição usual, haverá a necessidade de um adaptador macho-fêmea, ou, alternativamente, fios de conexão separados para as duas operações. Se um conector neutro for usado para a função de carregamento, .então, não será necessário tal adaptador.

De forma alternativa e preferencial, uma célula primária pode ser usada como a bateria auxiliar, e a unidade proporciona todas as vantagens das funções de controle do controlador de carga bidirecional, como captação de tensão, conversão de tensão e controle da taxa de carga, porém, visto que a bateria não pode ser recarregada, e mesma deve ser substituída quando esgotada.

A modalidade mostrada na Figura 8 é, particularmente, conveniente, visto que permite o uso de uma única célula AA, que é amplamente disponível e tem baixo custo. 0 circuito do conversor de tensão garante que a tensão comparativamente baixa da célula auxiliar seja aumentada até a-quela necessária pelo circuito do dispositivo quando a unidade está fornecendo corrente, e converte para baixo, de forma eficaz, a saida de tensão do carregador externo, a fim de limitar a corrente de carregamento quando a célula na u-nidade estiver sendo carregada. Deve-se entender que tal bateria auxiliar do carregador externo, de preferência, também pode conter mais de uma célula.Reportando-se agora às Figuras 9 e 10, que são diagramas esquematicos de circuito em blocos, similares àqueles das Figuras 1 a 3, que mostram a operação do sistema de bateria bidirecional com uma bateria auxiliar externa em um carregador externo portátil, conforme ilustrado na modalidade da Figura 8, quando a bateria auxiliar 100 está sendo carregada diretamente pela conexão ao carregador externo para tomada de parede 18. Este modo de operação de carregamento geralmente substitui a operarão mostrada na Figura 3, visto que, diferentemente da modalidade mostrada na Figura 3, quando o carregador regular para tomada de parede 18 é conectado à bateria auxiliar externa 2 0 para carregá-la, a bateria auxiliar não pode ser conectada ao dispositivo ao mesmo tempo, porque geralmente só há um conector 28. A Figura 9 mostra a situação quando o carregador externo portátil é usado para alimentar corrente com a finalidade de carregar a bateria 12 do dispositivo eletrônico portátil 10. Detalhes mais completos da operação e uso do controlador de carga bidirecional com uma bateria adicional externa devem ser encontrados no pedido PCT co-pendente, aos inventores do presente pedido, e intitulado "Portable Battery Operated Power Supply".

Deve-se avaliar por pessoas versadas na técnica que a presente invenção não tem caráter limitativo pelo o que tem sido particularmente mostrado e descrito anteriormente . De preferência, o escopo da presente invenção inclui tanto combinações quanto subcombinações de diversos recursos descritos anteriormente, bem como, variações e modificaçõesdeste que poderiam acontecer a uma pessoa versada na técnica mediante a leitura da descrição anterior e que não se encontram na técnica anterior.

Claims

1. Sistema de fornecimento de energia à bateria para ligar um dispositivo eletrônico, CARACTERIZADO por compreender :uma bateria recarregavel principal;uma bateria adicional compreendendo uma de pelo menos uma célula primária e pelo menos uma célula recarregavel; eum controlador de carga bidirecional controlando fluxo de corrente entre a dita bateria adicional e a dita bateria recarregavel.

2. Sistema de fornecimento de energia à bateria, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de o dito controlador de carga bidirecional controlar fluxo de corrente da dita bateria adicional à dita bateria recarregavel .

3. Sistema de fornecimento de energia à bateria, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de o dito controlador de carga bidirecional controlar fluxo de corrente da dita bateria recarregavel à dita bateria adicional .

4. Sistema de fornecimento de energia à bateria, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADO pelo fato de a dita bateria adicional possuir uma primeira tensão terminal nominal, e a dita bateria recarregavel possuir uma segunda tensão terminal nominal, e o dito controlador de carga bidirecional converter saida de corrente a partir da dita bateria adicional na dita primeiratensão terminal nominal a uma segunda tensão para energizar o dito dispositivo.

5. Sistema de fornecimento de energia à bateria, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes,CARACTERIZADO pelo fato de a dita bateria adicional possuir uma primeira tensão terminal nominal, e a dita bateria recarrega vel possuir uma segunda tensão terminal nominal, e o dito controlador de carga bidirecional converter saida de corrente a partir da dita bateria adicional na dita primeira tensão terminal nominal a uma segunda tensão para carregar a dita bateria recarregável.

6. Sistema de fornecimento de energia à bateria, de acordo .com qualquer uma das reivindicações 4 e 5, CARACTERIZADO pelo fato de a dita primeira tensão terminal nominal ser menor do que a dita segunda tensão terminal nominal.

7. Sistema de fornecimento de energia à bateria, de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 e 5, CARACTERIZADO pelo fato de a dita primeira tensão terminal nominal ser maior do que a segunda tensão terminal nominal.

8. Sistema de fornecimento de energia à bateria, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADO pelo fato de determinar a química das células de bateria na dita bateria adicionai,, e permitir o fluxo de corrente dentro da dita bateria adicional somente se a dita bateria adicional compreender pelo menos uma célula recarregável.

9. Sistema de fornecimento de energia à bateria,de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADO pelo fato de a dita bateria adicional compreender pelo menos uma célula primária, e onde o dito controlador de carga bidirecional regula a corrente suprida a partir da dita bateria adicional para carregar a dita bateria recarregável em uma taxa que depende do seu estado de carga.

10. Sistema de fornecimento de energia à bateria, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADO pelo fato de a dita bateria adicional compreender pelo menos uma célula primária, e onde o dito sistema de fornecimento de energia inicia a retirada de corrente a partir da dita bateria adicional somente quando a bateria principal é esgotada para um critério pré-planejado.

11. Sistema de fornecimento de energia à bateria, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato deo dito critério pré-planejado ser aquele em quê a dita bateria principal está pelo menos 90% esgotada.

12. Sistema de fornecimento de energia à bateria, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes,CARACTERIZADO pelo fato de a dita pelo menos uma célula recarregável na dita bateria adicional ser qualquer uma de uma célula NiMH e uma NiCd.

13. Sistema de fornecimento de energia à bateria, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes,CARACTERIZADO pelo fato de a dita pelo menos uma célula primária na dita bateria adicional ser uma célula alcalina.

14. Sistema de fornecimento de energia à bateria, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes,CARACTERIZADO pelo fato de a dita pelo menos uma célula primária na dita bateria adicional ser uma célula de combustível.

15. Sistema de fornecimento de energia à bateria, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADO pelo fato de a dita bateria recarregavel ser instalada sem encaixe dentro do dito dispositivo.

16. Sistema de fornecimento de energia à bateria, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato desomente a dita bateria adicional ser acessível prontamente para substituição por um usuário.

17. Sistema de fornecimento de energia à bateria, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADO pelo fato de a dita bateria adicional compreender pelo menos uma célula recarregavel, e o dito controlador de.carga bidirecional preferencialmente retirar corrente da dita bateria adicional antes de retirar corrente da dita bateria recarregavel.

18. Sistema de fornecimento de energia à bateria, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de a dita retirada de corrente preferencial da dita bateria a-dicional antes da dita bateria recarregavel ser operante para prolongar o tempo de vida da dita bateria recarregavel.

19. Sistema de fornecimento de energia à bateria, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato dea dita bateria recarregavel principal ser usada somente após a bateria adicional ser substancialmente esgotada, tal que a vida da bateria recarregavel principal é prolongada.

20. Sistema de fornecimento de energia à bateria, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADO pelo fato de a dita bateria recarregável ser uma bateria de ion de litio.

21. Sistema de fornecimento de energia à bateria, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADO pelo fato de o dito dispositivo eletrônico portátil ser qualquer um de um telefone celular, uma câmera de video e um computador laptop.

22. Sistema de fornecimento de energia à bateria, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADO pelo fato de a dita bateria adicional ser instalada no dito dispositivo.

23. Sistema de fornecimento de energia à bateria, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8 e 12, CARACTERIZADO pelo fato de a dita bateria adicional e o dito controlador de-carga bidirecional serem instalados em um a-lojamento externo ao dito dispositivo.

24. Sistema de fornecimento de energia à bateria, de acordo com a reivindicação 23, CARACTERIZADO pelo fato de o dito alojamento compreender um conector simples que tanto produz corrente da dita bateria adicional ao dito dispositivo portátil quanto alimenta corrente de carga para a dita bateria adicional a partir de um carregador externo.