CN101495936A - 用于在多个独立供电设备之间管理电源寿命的系统和方法 - Google Patents

Abstract

电力管理系统(100)包括连接至电力管理控制器(109)的一组独立供电的电子设备(101－107)。电力管理控制器(109)在操作中用于确定电子设备(101－107)的每个电源的操作和充电，以通过使用预先选择的电力管理算法来管理至少一个设备的电源寿命。这些算法包括基于预期或实际设备活动性的预编程和预测算法(203，205)、基于设备优先级的优先级算法(207)或基于用户工作轮班的时间段的最大工作轮班算法(209)。

Description

用于在多个独立供电设备之间管理电源寿命的系统和方法

技术领域

[0001]本发明总体上涉及便携式设备的电力管理，特别涉及管理有线系统中便携式设备的独立电源。

发明背景

[0002]电池寿命是当今便携式电子产品世界的关键性部分，特别是在无线通信中更是如此。商界人士携带和使用诸如个人数字助理(PDA)、蜂窝电话、双向无线电收发信机等的多个设备的现象并不鲜见，这些设备经常经由有线或无线接口彼此连接与交互。当用户继续使用更多这些便携式电池供电设备时，用来响应设备的整体“系统”需求的电池电力管理方法变得更重要。过去，所有这些设备的电力都被独立管理，这可能为用户保持这些设备全都被充分充电且可操作带来负担。

[0003]大部分现有的便携式电池供电设备以两种模式之一使用其可再充电的电池：设备未使用时的充电模式，或设备被使用时使电池放电的放电模式。当用户拥有多个设备且每一设备都拥有其自己的电池和电力管理系统时，用户便承担某一设备的电池放电速度比其它设备的电池放电速度更快的风险。例如，如果一个人拥有手机和PDA，可能当手机电池完全耗尽而无法使用时，PDA却仍然保持全额电量。在设备处于使用或非活动期间时彼此之间均可物理连接的系统中，具有以下系统将是有益的，在系统中能管理每个设备的集总电力。

[0004]此外，现有技术包括能够在多个连接的设备间共享电力的电力管理系统。但是，这样的系统并不为了整个“系统”的利益而进行智能化操作。例如，很多手机通常包含用于连接至个人计算机的通用串行总线(USB)电缆。当经由USB电缆连接至计算机时，该手机可以由计算机充电。尽管手机连接至膝上型电脑的方案是两个电池供电设备共享电力的一个示例，但该方案不是管理整个系统的电力的方法。这只是简单的单向电力充电方法(从膝上型电脑到手机)，并未考虑对具有更高百分比的剩余电量的设备的使用。该示例只是一个简单的系统，当电话被连接时，该系统就自动对手机进行充电，而不管膝上型电脑或手机的可用电力。

[0005]因此，存在对这样的电力管理系统的需求，该电力管理系统可使用多个独立设备的电池充电来对所有连接至其的电子设备进行电力管理。

附图简介

[0006]在后续附图中，相同附图标记在独立视图中表示相同或功能相似的元素，它们与下列详细说明一起被并入说明书并成为说明书的一部分，用于进一步说明各个实施例，并用于解释依照本发明的各种原理和优点。

[0007]图1是图示依据本发明的智能电力管理系统的示例的框图。

[0008]图2是图示依据本发明在电力管理中使用的各种算法的选择的框图。

[0009]图3是图示预编程算法的使用的流程图。

[0010]图4是图示预测算法的使用的流程图。

[0011]图5是图示优先级算法的使用的流程图。

[0012]图6是图示最大工作轮班(work shift)算法的使用的流程图。

[0013]本领域技术人员将理解，图中的元素仅是为了简要和清晰而被示出，并且不一定按比例绘制而成。例如，为了帮助改善对本发明实施例的理解，图中一些元素的尺寸相对于其它元素被放大。

详细说明

[0014]在详细描述依据本发明的实施例之前，应注意，所述实施例主要涉及与便携式设备中的电源寿命管理的方法步骤和装置部件的组合。相应地，在附图中在适当时由常规符号表示装置部件和方法步骤，仅示出那些与理解本发明实施例相关的特定细节，其目的是避免从该说明书受益的本领域普通技术人员所熟知的细节使本公开变得模糊。

[0015]在该文档中，诸如第一和第二、顶部和底部等的关系术语可以仅用于将一实体或动作区别于另一实体或动作，并不一定需要或表示这样的实体或动作之间的任何实际的这样的关系或顺序。术语“包含”、“包含有”或任意其它变体均意在覆盖非排它性的包括，以便包含一系列元素的过程、方法、制品或装置并不是仅包括所列出的元素，而是可以包括其它未明确列出的或对该过程、方法、制品或装置所固有的元素。如果没有更多限制，之前为“包含......一个”的元素并非排除在包含该元素的过程、方法、制品或装置中存在的其它相同的元素。

[0016]应该理解的是，此处描述的本发明的实施例可由一个或多个常规处理器和唯一存储的程序指令组成，所述唯一存储的程序指令控制一个或多个处理器与某些非处理器电路一起实现在此描述的在便携式设备中管理电源寿命的功能的一些、大部分或全部。非处理器电路可包含但不限于无线电接收机、无线电发射机、信号驱动器、时钟电路、电源电路和用户输入设备。这样，这些功能可被解释为在便携式设备中执行电源寿命管理的方法的步骤。替换地，所述功能的一些或全部可以由不具有存储的程序指令的状态机来实现，或实现在一个或多个专用集成电路(ASIC)中，在ASIC中每一功能或某些功能的某些组合被实现为定制逻辑。当然，也可以使用两种方法的组合。因此，此处已经描述了用于这些功能的方法和手段。另外，尽管可能需要大量的努力且存在例如由可用时间、当前技术和经济考虑引起的许多设计选择，可以预料的是，当被在此公开的概念和原理引导时，本领域普通技术人员将很容易地能够经过最少的实验产生这样的软件指令、程序和IC。

[0017]图1图示了智能电力管理系统(SPMS)100中的设备的整体连接的框图。本领域普通技术人员将意识到，SPMS必须能够依据整个系统的需求而在单独设备之间分布电力。这些特定需求可以因用户不同而变化，且该需求还可能根据用于控制通过系统的电力流的算法而被改变。如图1所示，SPMS 100包括连接至控制器109的一个或多个设备。这些设备包括具有3.3-伏特锂离子(LiON)电池的蜂窝电话101、具有5-伏特镍金属氢化物(NiMH)电池的全球定位系统(GPS)接收机103、具有3.3-伏特LiON电池的个人数字助理(PDA)105和具有7.5-伏特镍镉(NiCad)电池的便携式双向无线电收发信机107。为了有效控制设备之间的电力流，系统中的每个单独设备必须能够测量并记录关于设备使用和电池的剩余可用电力的信息。该信息可以包含但不限于所使用的时间(活动&空闲)、剩余电力的百分比、估计的剩余时间、电池电压、平均电力流消耗和峰值电力流消耗。此外，每一设备也将需要单一的标识，该标识使得其能够与控制器109通信。

[0018]图2图示了依据本发明在电力管理中使用的各种算法的选择的框图200。参照图1和2，一旦设备101-107连接到SMPS控制器109，用户可以基于用户的独立应用或条件来决定需要何种类型的电力管理方案。用户通过选择特定管理方案而启动201，该特定管理方案使用其自己的电力管理算法。这些算法包括此处描述的预编程算法205、预测算法207、优先级算法209和最大工作轮班算法211。设备101-107的每一个可用这些算法中的一个或多个被编程，以根据系统需求来调整电力流。例如，如果系统中的一个设备被视为对于给定的工作或任务是关键的，则该设备可以要求电池在任何时候都保持100％的电量。这可能以其它设备作为代价。为了完成这点，系统可以使用来自其它设备的电池电力，以为了将该关键设备保持在全额电量。替换地，如果系统中所有设备对操作来说都同等关键，则系统可以在设备101-107之间维持现状，以保证他们能基本上在相同时间统一放电。在此更详细地描述这些算法203-209中的每一个。

[0019]图3图示了预编程电力管理算法300的流程图，该算法提供最大系统寿命。该预编程算法的主要目标是保证所有设备101-107均能以大体相同的速率完全放电。然而，该算法使用设备使用的预编程“预期值”，而非依赖于所测量的数据。使用如图1所示的示例，如果系统编程器知道手机101使用了50％的时间、PDA 105使用了10％的时间、GPS 103使用了30％的时间、双向无线电设备使用了10％的时间，则SPMS控制器109将依照预编程的百分比分别为各个电池的每个充电。如果设备并未在相同时间进行同样的放电，则在下一全充电/放电周期应当手动调节所述百分比。因此，该算法基于用户定义的“预编程”使用模式。使用系统中的每个设备的预期的系统使用模式(n％的使用时间)来对每一设备(n)进行预编程，以便每个设备了解其它设备的需求。状态机的一部分检查所有设备的连接，该状态机中，一旦有一个设备断开，则该算法终止。

[0020]下面的表1图示了当使用电力管理算法300时，首次连接至SPMS控制器109的设备101-107的状态和它们的目标电力管理目标的示例。

表1

首次连接时的状态	系统目标
		手机-剩余60％电量	手机-剩余65％电量
PDA-剩余80％电量	PDA-剩余65％电量
		双向无线电Xcvr-剩余55％电量	双向无线电Xcvr-剩余65％电量
GPS-剩余60％电量	GPS-剩余65％电量

[0021]从图3看出，定义预编程算法300的过程最初确定所有设备101-107是否被连接301。如果所有其它设备不是具有相同的充电算法303，则过程再次开始以确定所有设备是否被连接301。如果所有设备都使用相同的充电算法，则为设备的每个电池(n)确定305每个设备(n)的剩余容量。然后为每个设备计算307新的剩余容量，其中C_n(新)＝(n％)(C_T)，C_T＝所有设备(n)的所有C_n的求和，而n％是设备的预编程预期使用。如果C_n(新)超过了设备(n)的正常容量，则将C_n(新)值限制至该设备(n)的电池容量。这允许每个设备(n)以大体相同的速率进行放电。然后，作出关于设备的剩余容量C_n(新)是小于还是大于旧的容量(C_n)的数学确定309、311。如果剩余容量(C_n新)小于旧容量(C_n)，则该设备请求预定水平的充电313。然而，如果剩余容量(C_n新)大于旧算法，则设备请求放电315，且过程结束317。

[0022]通过为每个设备(n)321确定该设备是否正在充电323，充电/放电周期319操作。如果其不在充电，则充电/放电过程周期再次开始319。然而，如果设备正在充电，则作出关于新充电算法(C_n新)是否等于旧充电算法(C_n)的计算325。如果不相等，则充电/放电过程周期再次开始。而如果两个算法实质上相同，则过程结束327。

[0023]图4图示了定义预测算法400的过程。预测算法400用于使单个设备(n)具有最大系统寿命。该算法的操作类似预编程算法300，以确保所有设备大体上在相同时间点进行完全放电。然而，预测算法400也考虑了从每一设备记录的测量的历史数据。例如，考虑这样的用户，该用户使所有设备仅有25％的时间被连接。如果用户开始使用手机101的时间是任何其它设备的两倍，则系统将该手机101充电至比其它设备更高的百分比，以补偿该额外的使用。因此，使用电力管理算法400的方法(基于使用)预测每一设备需要多少电力，以便所有设备都大体在相同时间完全放电。使用是基于由实际的系统使用所确定的“预测”使用模式的。通过每个设备使用的系统能量的量来确定每个设备的使用的百分比。状态机的一部分是检查所有设备的连接，且一旦有一个设备断开，则该算法终止。

[0024]表2图示了当使用电力管理算法400时，首次连接至SPMS控制器109的设备101-107的状态和它们的目标电力管理目标的示例。

表2

首次连接时的状态	系统目标
		手机-剩余60％电量	手机-剩余85％电量
PDA-剩余80％电量	PDA-剩余60％电量
		双向无线电Xcvr-剩余55％电量	双向无线电Xcvr-剩余60％电量
GPS-剩余60％电量	GPS-剩余60％电量

[0025]图4是电力管理算法400的流程图，其包括确定是否所有设备被连接401的步骤。如果所有设备没有被连接，则过程继续直到所有设备被连接的时间。在所有设备均被连接之后，作出关于设备是否具有相同的充电算法的确定403。该过程还包括为每个设备n确定剩余的电池电量容量C_n的步骤405。

[0026]该过程涉及使用算法n％＝(C_MAXn-C_n)/(C_Tmax-C_T)，其中C_T是所有设备(n)的C_n的求和；C_Tmax是当所有电池被完全充电时的最大系统电量；C_MAXn以毫安时(mAh)为单位的设备n电池的最大容量。对于每个电池电量的剩余容量(C_n)，作出关于(C_n新)的值是小于还是大于每个电池的剩余容量C_n的确定413。如果C_n新大于C_n，则设备需要充电415。然而，如果C_n新小于C_n，则设备需要放电。如果确定设备需要充电或放电，则过程结束419。充电/放电周期421包括为每个设备(n)423确定该设备是否正在充电425的步骤。如果设备不在充电，则充电/放电周期再次开始421。然而，如果设备在充电，则作出关于每个设备的剩余容量C_n是否等于C_n新的确定427。如果这些值不相等，则充电/放电周期再次开始421。然而，如果它们相等，则过程结束429。

[0027]图5图示了使用优先级算法500的流程图，该算法依据优先级使设备寿命最大化。该电力管理算法的目标是最大化系统中的设备中的一个的寿命。例如，在一个公共安全环境中，用户的双向无线电收发信机往往是所使用的最具“关键任务”的设备，其中该双向无线电收发信机的寿命也必须长于所有其它设备。当设备101-107被连接时，应当将电力从任何其它设备引向双向无线电收发信机，以确保最大寿命预期。每个其它设备的系统优先级也是预先指定的。最高优先级的设备保持被完全充电，而其它设备的优先级确定在能量共享充电周期期间的能量源设备。因此，流程图500并未示出如图3-4所述的方法所做的，最大化系统寿命的步骤。每个设备均被给定寿命预期的优先级。接着，该系统共享能量，以确保最高优先级设备被完全充电，其中如果需要则允许较低优先级的设备完全放电。状态机的一部分是检查所有设备(n)的连接，其中一旦一个设备断开，该算法终止。

[0028]表3图示了当使用电力管理算法500时，首次连接至SPMS控制器109的设备101-107的状态和它们的目标电力管理目标的示例。

表3

首次连接时的状态	系统目标
		手机-剩余60％电量	手机-剩余40％电量
PDA-剩余80％电量	PDA-剩余40％电量
		双向无线电Xcvr-剩余55％电量	双向无线电Xcvr-剩余60％电量
GPS-剩余60％电量	GPS-剩余30％电量

[0029]优先级算法500包括确定所有设备是否被连接501的步骤。如果所有设备未被连接，则过程再次开始。然而，如果所述设备被连接，则作出关于所有设备是否具有相同的充电算法的确定503。该过程包括确定以下的步骤505：1)每个设备的剩余容量C_n，2)每个设备n的电池的目标容量C_TARn(mAh)；和3)为n个设备的每个定义的设备n的寿命预期的优先级P_n。对于每个设备n，作出关于优先级P_n是否等于1(即最高优先级)509的计算507。如果P_n是最高优先级511，则设备n需要充电。然而，如果设备不是最高优先级513，则其需要放电。在确定充电或放电之后，过程结束515。

[0030]充电/放电周期517包括如下步骤，其中对于每个设备n作出519该设备是否处于充电模式的确定521。如果该设备并不处于充电模式，则充电/放电周期重新开始517。如果设备n在充电，则充电设备从次级设备D_L充电。该过程包括确定充电算法是否等于C_TARn的步骤525，其中C_TARn是设备n电池的目标容量。如果充电算法等于C_TRAn，则结束过程531。如果充电算法不等于C_TARn，则作出关于最低优先级设备D_L是否被耗尽的确定527。如果没有被耗尽，则设备继续从设备D_L充电523。如果最低优先级设备被耗尽，则将下一个最低优先级设备的优先级进行升级529，以使得D_L+1＝D_L。这使得最高优先级设备能够从下一个最低优先级设备充电，且过程结束531。

[0031]图6是图示最大化工作轮班(work shift)算法600的流程图，该算法使设备n的工作轮班最大化。该电力管理算法的目标是确保适当设备在工作时间段或“轮班”期间持续工作。因此，如果用户具有八小时的轮班，且在该轮班的开始的时候，用户的双向无线电收发装置被着重操作，则SPMS将以其它设备为代价而保持该无线电收发装置被完全充电。然而，当用户接近轮班结束时，系统控制知道用户不需要无线电收发装置中的100％的电量来持续到该轮班。如果双向无线电收发装置只剩余10％电量，但这绝对足以持续到该轮班结束，那么不会从其它设备提取电力。因此，最大化工作轮班算法没有如图3和4所示的算法那样来最大化系统寿命。系统共享能量，以使预编程的工作轮班时间的寿命最大化。状态机的一部分是检查所有设备的连接，且一旦一个设备断开，该算法终止。

[0032]最大化工作轮班算法600包括确定所有设备是否被连接的步骤601。如果所有设备未被连接，则过程重新开始。如果所有设备被连接，则作出关于所有设备是否具有相同的充电算法的确定603。如果所有设备不具有相同充电算法，则过程重新开始。为了确定设备是否具有相同的充电算法603，为每个设备计算605C_MAXn、C_Tp、T_n、T_s、C_Pn和C_n的全部，其中，C_MAXn是设备n的电池的最大容量；C_Tp是所有设备n的先前采样的求和C_n；T_n是从设备n最后连接在系统中起，设备n被使用的时间百分比的时间；T_s是轮班的预编程时间中剩余的当前时间的时间戳；C_Pn是设备n的电池的先前采样剩余容量(mAh)；及C_Tmax是当所有电池被充分充电时的最大系统电量。对于设备n，还计算607C_TARn和T_Rn609，其中C_TARn是为了让设备n能操作至预编程轮班时间的结束的设备n的目标频率电池容量(mAh)，而T_Rn是设备n需要操作至预编程轮班时间的结束的实际操作时间。通过如下公式计算这些参数：T_Rn＝(T_n)(C_Pn/(C_Pn-C_n)；和C_TARn＝(C_T)(C_Pn-C_n)/(C_Tp-C_T)。

[0033]然后作出关于T_R新是小于还是大于T_S新的确定611。如果T_Rn小于T_Sn，则设备需要充电615，这里T_Sn＝(T_s)(T_n)。然而，如果T_Rn的值大于T_Sn的值，则设备n可被放电，且能量可以被转移到需要充电的设备615。接下来，作出关于C_TARn的值是否大于C_MAXn的值的确定617。如果不是，则结束过程621。如果该值大于C_MAXn，则作出关于C_TARn是否等于C_MAXn的确定619。这也将结束过程。针对每个设备n 625进行的充电/放电周期623包括确定设备是否正在充电的步骤627。如果设备不在充电，则过程重新开始623。如果设备正在充电，则设备n从可以放电的设备的电池进行充电629。这包括确定设备n的电池剩余容量的值(C_n)是否等于C_TARn的步骤631。如果不等于，则设备继续充电629。如果充电算法等于C_TARn，则过程结束633。本领域普通技术人员将意识到，此处并未详细描述针对设备的能量分布而分配放电设备的顺序。最大工作轮班算法600允许任何本领域普通技术人员确定合适算法来执行用于放电的设备n的选择。

[0034]因此，本发明是下述智能电力管理系统(SPMS)，该系统能够利用连接的系统中的多个独立电子设备的电池电量，来控制连接至该系统的电子设备的电池寿命。可以通过使用基于设备的使用类型的算法来预先选择独立设备的电量。当充电器连接至系统时，除过一个唯一差别，其可以被视作与任何其他设备相同；所报告的剩余可用电力总是100％。这强制系统在SPMS中将电池电力从充电器提取到其它所有设备。对独立设备进行充电的顺序依赖于所选择的算法。

[0035]在上述说明中，已经描述了本发明的特定实施例。但是，本领域普通技术人员理解，在不偏离所附权利要求所限定的保护范围的前提下，可以进行各种修改和变化。相应地，所有的说明和附图均仅为说明性的，而非限制意义的，且所有此类修改旨在被包括在本发明的范围之内。益处、优点、问题的解决方案以及使益处、优点或解决方案发生或变得更明显的任何元素(多个)均不应被理解为任何或所有权利要求的关键的、必须的或本质的特征或元素。本发明仅由所附的权利要求限定，所述权利要求包括在该申请未决期间作出的任何修改和所发布的权利要求的所有等价物。

Claims (20)

1.一种电力管理系统，包括：

连接至电力管理控制器的多个独立供电的电子设备；并且

其中，所述电力管理控制器在操作中用于确定所述电子设备的每个电源的操作和充电，用于控制至少一个设备的电源寿命。

2.如权利要求1所述的电力管理系统，其中所述多个独立供电的电子设备物理地连接至所述电力管理控制器。

3.如权利要求1所述的电力管理系统，其中所述电力管理控制器利用至少一个电力管理算法，用于控制所述多个设备的操作。

4.如权利要求3所述的电力管理系统，其中所述至少一个电力管理算法被提供用于基于预编程信息而允许所述多个电子设备在相同时刻完全放电。

5.如权利要求3所述的电力管理系统，其中所述至少一个电力管理算法被提供用于基于预测历史信息而允许所述多个电子设备中的所述电源在相同时刻完全放电。

6.如权利要求3所述的电力管理系统，其中所述至少一个电力管理算法被提供用于允许所述多个设备中的一个最大化其电源寿命。

7.如权利要求3所述的电力管理系统，其中所述至少一个电力管理算法被提供用于允许所述多个设备中的至少一个在预定时间段最大化其电源寿命。

8.一种用于在多个电子设备之间管理电源寿命的系统，包括：

电力管理控制器，用于与所述多个电子设备一起使用；

多个电源，所述多个电源的每个对所述多个电子设备中的每一个进行独立供电；并且

其中基于所述电子设备的特定使用以及所述电子设备的期望寿命的预期来调整来自所述多个电源的电力流。

9.如权利要求8所述的用于在多个电子设备之间管理电源寿命的系统，其中所述多个电子设备有线连接至所述电力管理控制器。

10.如权利要求8所述的用于在多个电子设备之间管理电源寿命的系统，其中基于预先选择的算法来调整所述电源。

11.如权利要求10所述的用于在多个电子设备之间管理电源寿命的系统，其中所述预先选择的算法利用电子设备使用的预编程预期值来使所有所述电子设备在大体相同时刻放电。

12.如权利要求10所述的用于在多个电子设备之间管理电源寿命的系统，其中所述预先选择的算法利用从每个电子设备记录的测量的历史数据来使所有所述电子设备在大体相同时刻放电。

13.如权利要求10所述的用于在多个电子设备之间管理电源寿命的系统，其中所述预先选择的算法选择所述多个电子设备中的单个电子设备以使其寿命最大化。

14.如权利要求10所述的用于在多个电子设备之间管理电源寿命的系统，其中所述预先选择的算法选择所述多个电子设备中的至少一个，以确保其电源在预定时间段被维持。

15.一种用于在多个电子设备之间管理电源寿命的方法，包括以下步骤：

将所述多个电子设备直接连接至电力管理控制器；

由所述电力管理控制器确定电源信息，该电源信息来自与所述多个电子设备的每个相连接的电源；以及

基于所述电子设备的特定使用和期望寿命的预期来管理所述电源的每个的充电和消耗。

16.如权利要求15所述的用于在多个电子设备之间管理电源寿命的方法，进一步包括以下步骤：

基于预先选择的算法调整所述电源的每个的充电和消耗。

17.如权利要求16所述的用于在多个电子设备之间管理电源寿命的方法，进一步包括以下步骤：

利用基于电子设备使用的预编程预期值的算法，使得所有所述电子设备在大体相同时刻放电。

18.如权利要求16所述的用于在多个电子设备之间管理电源寿命的方法，进一步包括以下步骤：

利用基于从每个电子设备记录的测量的历史数据而操作的算法，使得所述多个电子设备在大体相同时刻放电。

19.如权利要求16所述的用于在多个电子设备之间管理电源寿命的方法，进一步包括以下步骤：

利用下述算法，该算法从所述多个电子设备中选择一个电子设备，以使所述一个电子设备的寿命最大化。

20.如权利要求16所述的用于在多个电子设备之间管理电源寿命的方法，进一步包括以下步骤：

利用下述算法，该算法选择所述多个电子设备中的至少一个，以确保其电源在预定时间段被维持。

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