CN104979863B - 用于适应性快速充电的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于移动装置和具有间发性功率源连接的装置的适应性快速充电的系统和方法。所述方法包括以下步骤:首先确定装置的超级电容器是否被充有电;当检测到超级电容器被充有电时,其次确定装置的电池是否被充有电;以及当检测到电池未被充有电时,首先由超级电容器对电池进行充电。优选地,所述首先确定的步骤包括确定超级电容器是否被部分充有电,并且所述其次确定的步骤包括确定电池是否被部分充有电。优选地,对所述首先充电的步骤进行适应性调整以执行选自以下中的任务:通过控制到电池的电流来保持电池的寿命;以及将超级电容器放电以对电池进行充电。优选地,所述放电使得超级电容器能够随后再被充电。
Description
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2014年4月8日提交的美国临时专利申请第61/976,551号的优先权,其全部内容通过引用合并到本文中。
技术领域
本发明涉及用于移动装置和具有间发性功率源连接的装置的适应性快速充电的系统和方法。
背景技术
用于个人以及商业用途的现代电子设备正在变得无所不在。怎么强调也不过分的是随着这样的装置的演化,移动性已经成为在技术创新的特征增强方面的关键驱动因素。虽然低功耗处理器和快闪存储器装置的快速发展已能够使得这样的移动性达到现实生产力的新水平,但是电池技术方面所取得的相当缓慢的进步严重阻碍了进一步的发展。智能电话、平板电脑、笔记本电脑、超极笔记本等(正获得越来越小的形状因子)的激增已使得这个问题甚至越发明显,原因是消费者渴望具有在再充电循环之间的越来越长的装置使用时间,而不用增加这样的装置的重量和所占台面面积的分量。
此外,不属于移动类别的电气部件和电子部件也需要延长的使用方案。这样的部件包括具有间发性功率源连接的装置(例如,备用应急传送器;远程部署电信中继器;电动车辆控制台通信器;以及离岸通信、控制和定位装置)。
这样的应用在例如电压或功率水平方面的需求迥然不同,但是全部优选由重量轻的功率存储装置服务,这样的装置可以在长时间跨度上快速且持续地提供高能量密度,并且可以被快速再充电至操作能量水平。目前为止,这样的广泛的移动能量需求由以下两种可用类型的功率存储装置之一来部分满足:可再充电电池(例如,锂离子嵌入系统)或超级电容器(例如,法拉第伪电容型、非法拉第双层反应型或混合型)。
为了满足对便携式电子装置和具有间发性功率源连接的装置的日益增长的需求,必须采用具有高比能、高功率密度、长循环寿命、低成本和高安全系数的能量存储装置。
目前,占统治地位的能量存储装置仍为电池,特别是锂离子电池。锂离子电池对几乎每一种便携式电子装置以及几乎每一种电动汽车(包括Tesla Model S和Chevy Volt)提供电力。电池以电化学方式储存能量,其中,化学反应释放出可以被提取到电路中的电载流子。在放电期间,含有能量的锂离子从高能量阳极材料穿过隔板行进至低能量阴极材料。锂离子的移动释放出被提取到外部电路中的能量。
在电池充电期间,使用能量用于使锂离子移回至高能量阳极化合物。电池中的充电和放电过程是缓慢的过程,并且会使电池内部的化学化合物随时间劣化。实现增强的性能的关键瓶颈是任意标准电池的有限的快速充电能力。快速充电使电池组件加速劣化以及因局部的过电势的累积和热量生成增多而造成潜在的火灾隐患。
例如,锂离子电池具有现有可再充电电池中的最高能量密度,但是通常由于在两个电极处出现的可逆库伦反应而经受低功率,库伦反应涉及块体电极材料中的电荷转移和离子扩散。因为扩散和电荷转移两者是缓慢的过程,所以锂离子电池的功率输送和再充电时间在动力学上受限。因此,电池具有低的功率密度,并且因材料劣化而失去了在其整个寿命期间保持能量的能力。
在另一极端,电化学双层电容器(EDLC)或超电容器以及伪电容器是一种被称为超级电容器(下文中称为SC)的新型电化学电容器的一部分,该超级电容器通过在电极表面上积累离子来储存能量,具有有限的能量存储能力但具有非常高的功率密度。在这样的SC中,能量以静电方式储存在材料的表面上,并且不涉及化学反应。因此,SC可以被快速充电,产生非常高的功率密度,并且不随时间失去其存储能力。SC可以持续数百万次充电/放电循环而不失去能量存储能力。SC的主要缺点是其低能量密度,这意味着SC每单位重量可以储存的能量的量非常小,特别是当与电池进行比较时更是如此。
在单个装置中将高能量密度和高功率密度结合的最直观的方法是结合不同类型的能量存储源。到目前为止,已主要基于并联连接开发了涉及SC和电池的这样的混合功率源装置(即,SC被用作电源,同时电池被用作能量源,电池向负载和SC两者提供能量,进而SC应一直在被充电)。因SC的最低限度的使用导致部件对总存储电荷的贡献不是最佳的,并且电池因SC的附加充电而更加劣化。
在现有技术中,Kan等人发表了对光伏供电产品的存储介质中的可再充电电池和电容器的结合进行分析的研究结果(Journal of Power Sources,162(2),971-974,2006)。在这样的应用中,研究关注的是通过利用明确限定的再充电工作循环来减少电池的功率循环。
Buiel等人在电阻和电容技术研讨会(CARTS International 2013)上发表了对用于增强的锂电池的超薄超电容器在便携式电子应用方面开发的研究结果。该研究关注的是通过以下方式来扩充储存在锂电池上的可用能量:该方式使得当达到主电池的低压截止时借助使用SC向锂电池放电来补偿GSM无线电脉冲期间的电压降。类似地,这也是国际专利公开第WO/2006/112698号的可再充电电源的主题的一部分。
期望地是具有用于移动装置和具有间发性功率源连接的装置的适应性快速充电的系统和方法。这样的系统和方法尤其会克服上述各种限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于移动装置和具有间发性功率源连接的装置的适应性快速充电的系统和方法。
应指出的是,在本文中使用的表述“示例性”是指实施方式和/或实施方案的示例,而并不一定意味着传达更期望的用例。类似地,在本文中使用的表述“优选的”和“优选地”是指各种设想的实施方式和/或实施方案中的示例,而并不一定意味着传达更期望的用例。因此,根据以上应该理解,“示例性”和“优选的”在本文中可以应用于多个实施方式和/或实施方案。
本发明的优选实施方式通过并入与可再充电电池结合的高能量SC使得移动装置和具有间发性功率源连接的装置能够适应性快速充电,从而提供较高的系统功率,同时保持具有装置兼容性形状因子的电池的能量密度。
这样的适应性快速充电系统和方法的特征尤其包括以下方面。
快速充电(这是由于SC属性)
适应性充电间隔(经由电池充电特性的控制)
标准工作时间
高能量密度(这是由于固有电池属性)
高功率密度(这是由于固有SC属性)
电池寿命提高(经由电池充电特性的控制)
允许高电流输入
通过控制电流进行适应性电池充电
不会过充(SC不会过充,并且电池充电受控制)
不会过热(SC不会过热,并且电池充电受控制)
低自放电(能量累积在电池中,具有低的固有放电属性)
因此,根据本发明,提供了一种用于移动装置和具有间发性功率源连接的装置的适应性快速充电的方法,该方法包括以下步骤:(a)首先确定装置的超级电容器是否被充有电;(b)当检测到超级电容器被充有电时,其次确定装置的电池是否被充有电;以及(c)当检测到电池未被充有电时,首先由超级电容器对电池进行充电。
优选地,所述首先确定的步骤包括确定超级电容器是否被部分充有电,并且所述其次确定的步骤包括确定电池是否被部分充有电。
优选地,对所述首先充电的步骤进行适应性调整以执行选自以下中的至少一个任务:通过控制到电池的电流来保持电池的寿命;以及将超级电容器放电以对电池进行充电。
最优选地,所述放电使得超级电容器能够随后再被充电。
优选地,该方法还包括以下步骤:(d)在所述首先确定的步骤之前,初始地确定外部充电器是否连接至装置;以及(e)当检测到外部充电器连接至装置时,其次由外部充电器对超级电容器和/或电池进行充电。
最优选地,该方法还包括以下步骤:(f)当检测到外部充电器未连接至装置时,由超级电容器和/或电池向装置提供能量。
根据本发明,提供了一种用于移动装置和具有间发性功率源连接的装置的适应性快速充电的系统,该系统包括:(a)用于首先确定装置的超级电容器是否被充有电的超级电容器充电控制器;以及(b)用于其次确定装置的电池是否被充有电的电池充电控制器;其中,当检测到超级电容器被充有电时并且当检测到电池未被充有电时,超级电容器充电控制器被配置成用于首先由超级电容器对电池进行充电。
优选地,所述首先确定包括确定超级电容器是否被部分充有电,并且所述其次确定包括确定电池是否被部分充有电。
优选地,所述首先充电被适应性调整以执行选自以下中的至少一个任务:通过控制到电池的电流来保持电池的寿命;以及将超级电容器放电以对电池进行充电。
最优选地,所述放电使得超级电容器能够随后再被充电。
优选地,超级电容器充电控制器还被配置成用于:(i)在所述首先确定之前,初始地确定外部充电器是否连接至装置;以及(ii)当检测到外部充电器连接至装置时,其次由外部充电器对超级电容器和/或电池进行充电。
最优选地,超级电容器充电控制器还被配置成用于:(iii)当检测到外部充电器未连接至装置时,由超级电容器和/或电池向装置提供能量。
根据下面的详细描述这些实施方式和其他实施方式变得明显。
附图说明
在本文中参照附图仅通过示例的方式对本发明进行描述,其中:
图1是根据本发明的优选实施方式的用于移动装置和具有间发性功率源连接的装置的适应性快速充电的装置结构的简化的高层级示意图;
图2是根据本发明的优选实施方式的用于移动装置和具有间发性功率源连接的装置的适应性快速充电的SC控制器的主要过程步骤的简化流程图;
图3是根据本发明的优选实施方式的用于移动装置和具有间发性功率源连接的装置的适应性快速充电的电池控制器的主要过程步骤的简化流程图;
图4是根据本发明的优选实施方式的用于移动装置和具有间发性功率源连接的装置的适应性快速充电的装置接口控制器的主要过程步骤的简化流程图;
图5A是如现有技术中所已知的典型锂离子电池充电曲线的图;
图5B是如现有技术中所已知的典型锂离子电池放电曲线的图;
图6A是如现有技术中所已知的典型SC充电曲线的图;
图6B是如现有技术中所已知的典型SC放电曲线的图;
图7是根据本发明的优选实施方式的根据表1的模拟参数的快闪电池(FlashBattery)充电/放电模拟的曲线图;
图8是根据本发明的优选实施方式的根据表2的模拟参数的快闪电池充电/放电模拟的曲线图;
图9是根据本发明的优选实施方式的根据表3的模拟参数的快闪电池充电/放电模拟的曲线图;
图10是根据本发明的优选实施方式的根据表4的模拟参数的快闪电池充电/放电模拟的曲线图;以及
图11是根据本发明的优选实施方式的根据表5的模拟参数的快闪电池充电/放电模拟的曲线图。
具体实施方式
本发明涉及用于移动装置和具有间发性功率源连接的装置的适应性快速充电的系统和方法。参照所附说明书和附图可以更好地理解用于提供根据本发明的这样的系统和方法的原理和操作。
参照附图,图1是根据本发明的优选实施方式的用于移动装置和具有间发性功率源连接的装置的适应性快速充电的装置结构的简化的高层级示意图。示出了装置2(即,移动装置或具有间发性功率源连接的装置),其具有在操作上彼此连接的SC充电控制器4、SC6、电池充电控制器8、可再充电电池10和装置接口控制器12。SC充电控制器4和电池充电控制器8均包括用于分别检测SC 6和电池10上的电荷水平的电荷感测元件(图1中未示出)。通过图1中的箭头描绘了各种部件之间的充电电流流动和电荷感测。
SC充电控制器4负责SC 6和/或电池10的充电优先级。SC 6使得能够进行快速充电用于装置2的操作,并且SC 6负责功率和能量累积。电池充电控制器8负责电池充电优先级以及从SC 6和/或从SC充电控制器4输入的电流。电池10负责能量和功率累积。装置接口控制器12负责装置2(例如,笔记本电脑、电动汽车和手机)的能量和功率输入优先级。
图1的装置结构能够使SC 6和电池10对装置2的性能的贡献最佳。这样的装置结构通过将功率性能和能量性能解耦来提供电池供电能力的显著提高,从而增加电池的循环寿命。主要通过SC 6的高供电能力来实现快速充电能力,SC 6可以使用来自外部充电器(图1中未示出)的高流动电流而被充电。在SC 6的充电完成之后,外部充电器可以断开。然后,电池10经由来自SC 6的充电电流而被充电。SC 6与电池10之间的充电/放电电流流动可以根据SC充电控制器4、电池充电控制器8和装置接口控制器12的指示而改变,从而使装置2的循环寿命更高。
SC 6包括电解质和电极。电极可以由活性炭粉末、碳纳米管、碳纳米纤维、炭气凝胶、金属氧化物、导电聚合物(例如,聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩)制成。另外,若干个SC可以串联连接或/和并联连接以形成表示为SC 6的复合部件。
SC充电控制器4允许高DC电流或脉冲电流输入,并且使得当连接有外部充电器时能够定制SC 6与电池10之间的充电优先级(例如,慢和快的放电选项)同时监测SC 6和电池10中的每一个上的累积电荷。
图2是根据本发明的优选实施方式的用于移动装置和具有间发性功率源连接的装置的适应性快速充电的SC控制器的主要过程步骤的简化流程图。当外部充电器连接至功率源(IN)时(步骤20),从外部充电器向装置2提供能量而不使用存储在SC 6和/或电池10中的能量(步骤22)。装置2所需的能量和功率从充电器自身提取,但是也可以由SC 6和/或电池10提供。
然后,SC充电控制器4的电荷感测元件确定SC 6是否被充满电(步骤24)。SC 6和/或电池10从外部充电器接收其充电电流。充电电流可以是连续电流或脉冲电流。如果SC 6被充满电,则电池充电控制器8的电荷感测元件确定电池10是否被充满电(步骤26)。如果电池10没有被充满电,则从外部充电器经由充电电流向电池10提供能量(步骤28)。如果电池10被充满电,则不从外部充电器向电池10提供能量,并且过程结束(步骤30)。外部充电器可以向装置2仅提供所需的能量和功率。
如果在步骤24中SC 6没有被充满电,则从外部充电器经由充电电流向SC 6提供能量(步骤32)或者从外部充电器经由充电电流向SC 6和电池10两者同时提供能量(步骤34)。
电池充电控制器8提供可调节的电流和/或电压输出,并且使得在外部充电器未连接至功率源(OUT)时能够定制电池10的充电优先级(例如,慢和快的放电选项)同时监测SC6和电池10中的每一个上的累积电荷。电池充电控制器8还经由例如DC-DC转换器(例如,升压或降压变压器)用作输入电流/电压控制器。
图3是根据本发明的优选实施方式的用于移动装置和具有间发性功率源连接的装置的适应性快速充电的电池控制器的主要过程步骤的简化流程图。当外部充电器未连接至功率源(OUT)时(步骤40),SC充电控制器4的电荷感测元件确定SC 6是否被充满电(步骤42)。如果SC 6甚至被部分充电,则电池充电控制器8的电荷感测元件确定电池10是否被充满电(步骤44)。如果电池10没有被充满电,则经由来自SC 6的充电电流向电池10充电(步骤46)。如果电池10被充满电,或者如果SC完全没有被充电,则过程结束(步骤48)。
装置接口控制器12负责经由电流/电压调整来对装置2的负载的能量和功率需求关于能量源和电源进行管理并且按优先顺序排序。
图4是根据本发明的优选实施方式的用于移动装置和具有间发性功率源连接的装置的适应性快速充电的装置接口控制器的主要过程步骤的简化流程图。装置接口控制器12确定外部充电器是否被连接(步骤50)。如果外部充电器被连接至功率源(IN),则从外部充电器向装置2提供能量和功率用于操作和/或如果SC 6和/或电池10未被充满电则用于对SC6和/或电池10进行充电(步骤52),并且过程返回至步骤50。
如果外部充电器未被连接至功率源(OUT),则SC充电控制器4的电荷感测元件确定SC 6是否甚至被部分充有电(步骤54)。如果SC 6甚至被部分充有电,则电池充电控制器8的电荷感测元件确定电池10是否甚至被部分充有电(步骤56)。如果电池10完全未被充有电,则仅从SC6经由充电电流向装置2提供功率(步骤58),并且过程返回至步骤50。如果在步骤56中电池10甚至被部分充有电,则从SC 6和电池10两者同时向装置2提供能量和功率(步骤60),并且过程返回至步骤50。
如果在步骤54中SC 6完全未被充有电,则电池充电控制器8的电荷感测元件确定电池10是否甚至被部分充有电(步骤62)。如果电池10甚至被部分充有电,则仅从电池10提供能量和功率(步骤64),并且过程返回至步骤50。如果电池10完全未被充有电,则过程返回至步骤50。
模拟
作为参考,如现有技术中所已知的,图5A是典型锂离子电池充电曲线的图,并且图5B是典型锂离子电池放电曲线的图。如现有技术中所已知的,图6A是典型SC充电曲线的图,并且图6B是典型SC放电曲线的图。
与电池不同,SC可以在非常高的电流下被充电和放电,致使快的充电/放电速率。SC可以通过恒定电流被充电。DC至DC恒流稳压器是有源充电的最简单形式。根据应用,可以使用降压稳压器或升压稳压器。由于连续输出的充电电流,所以降压稳压器为优选的拓扑结构。
本发明涉及用于移动装置和具有间发性功率源连接的装置的适应性快速充电的系统和方法。利用快闪电池系统来进行充电/放电模拟如下。
SC充电控制器——输出电压:最高达10V;输出电流:最高达30A(例如,LinearTechnology,LT3741)
SC——电容C=180F;电压V=10.8V;能量E=3Wh;充电时间:@30A,约60秒
电池充电控制器——输入电压:最小200mV;输出电压:最高达4.5V;输出电流:最高达1000mA;锂离子可再充电电池;容量1500mAh;电压V=3.7V;充电时间:@500mA,约200分钟或者@1000mA,约100分钟(LinearTechnology,LTC3105)
装置接口控制器——电流在SC与电池之间切换
装置——恒定负载:200mA(即,用于具有2100mAh的电池并且充电达11小时的手机的3G移动服务的平均电流)
利用上面列出的快闪电池参数,获得了下面的模拟数据:(1)SC在60秒内被充满电;(2)SC被放电至0.5%容量;以及(3)电池分别利用1000mA和500mA在100分钟或200分钟内被充满电。下面在下表中提供了模拟参数的细节。
表1充电达60秒的快闪电池系统的充电/放电模拟参数,其中,电池利用1000mA以快速模式被充电(模拟#1)。
图7是根据本发明的优选实施方式的根据表1的模拟参数的快闪电池充电/放电模拟的曲线图。
表2快闪电池系统的SC和电池两者均被100%充电的充电/放电模拟参数,其中,电池利用1000mA以快速模式被充电(模拟#2)。
图8是根据本发明的优选实施方式的根据表2的模拟参数的快闪电池充电/放电模拟的曲线图。
表3依靠电池操作的充电达60秒的快闪电池系统的充电/放电模拟参数,其中,电池利用1000mA以快速模式被充电(模拟#3)。
图9是根据本发明的优选实施方式的根据表3的模拟参数的快闪电池充电/放电模拟的曲线图。
表4快闪电池系统的由SC进行低电流电池充电的充电/放电模拟参数,其中,电池利用500mA以低电流模式被充电(模拟#4)。
图10是根据本发明的优选实施方式的根据表4的模拟参数的快闪电池充电/放电模拟的曲线图。在装置空闲时的待机时间期间可以应用低电流模式以节省电池寿命。
表5快闪电池系统的100%由外部充电器进行充电的充电/放电模拟参数,其中,电池利用1000mA以快速模式被充电(模拟#5)。
图11是根据本发明的优选实施方式的根据表5的模拟参数的快闪电池充电/放电模拟的曲线图。
模拟汇总
表6将由快闪电池系统得到的结果与标准手机电池得到的结果进行比较
表6具有组合SC和电池配置的快闪电池系统的充电/放电模拟参数。
在这样的情况下,快闪电池系统从具有灵活和方便的适应性快速充电能力的SC和电池来向装置提供功率,致使长操作时间。此外,通过控制电流使得能够对智能电池进行充电,使得系统能够适应用户需要。
虽然已关于有限数目的实施方式对本发明进行了描述,但是应理解,可以对本发明进行许多变型、修改和其他应用。
Claims (11)
1.一种用于移动装置或者具有间发性功率源连接的其他装置的适应性快速充电的方法,所述移动装置或者所述其他装置包括一个或更多个超级电容器以及一个或更多个可再充电电池并且被配置成由外部充电器至少对所述一个或更多个超级电容器进行充电,所述方法包括:在所述移动装置或者所述其他装置没有连接到外部充电器时,
确定移动装置或者其他装置的超级电容器是否至少部分地被充有电;
当检测到所述超级电容器至少部分地被充有电时,确定所述移动装置或者所述其他装置的电池是否被充满电;以及
当检测到所述电池未被充满电时,首先由所述超级电容器对所述电池进行充电。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,对所述首先由所述超级电容器对所述电池进行充电的步骤进行适应性调整以通过控制到所述电池的电流来保持所述电池的寿命。
3.根据权利要求2所述的方法,其中,所述方法进一步包括对所述超级电容器进行放电以对所述电池进行充电,并且所述放电使得所述超级电容器能够随后再被充电。
4.根据权利要求1所述的方法,所述方法还包括以下步骤:
在所述确定所述移动装置或者所述其他装置的超级电容器是否至少部分地被充有电的步骤之前,确定外部充电器是否连接至所述移动装置或者所述其他装置;以及
当检测到所述外部充电器连接至所述移动装置或者所述其他装置时,由所述外部充电器对所述超级电容器和/或所述电池进行充电。
5.根据权利要求4所述的方法,还包括以下步骤:
当检测到所述外部充电器未连接至所述移动装置或者所述其他装置时,由所述超级电容器和/或所述电池向所述移动装置或者所述其他装置提供能量。
6.一种电气或电子装置,包括:
一个或更多个超级电容器以及一个或更多个可再充电电池,所述电气或电子装置被配置成由外部充电器至少对所述一个或更多个超级电容器进行充电,
用于确定所述电气或电子装置的超级电容器是否被充有电的超级电容器充电控制器;以及
用于确定所述电气或电子装置的电池是否被充有电的电池充电控制器;
其中,所述电池充电控制器被配置成,在所述电气或电子装置没有连接到外部充电器时,当检测到所述电气或电子装置的所述超级电容器至少部分地被充有电时并且当检测到所述电气或电子装置的所述电池未被充满电时,首先由所述超级电容器对所述电池进行充电。
7.根据权利要求6所述的电气或电子装置,其中,所述首先由所述超级电容器对所述电池进行充电被适应性调整以通过控制到所述电池的电流来保持所述电池的寿命。
8.根据权利要求7所述的电气或电子装置,其中,所述电池充电控制器被配置成使所述超级电容器放电以对所述电池进行充电,并且所述放电使得所述超级电容器能够随后再被充电。
9.根据权利要求6所述的电气或电子装置,其中,所述超级电容器充电控制器还被配置成用于:
在所述确定所述电气或电子装置的超级电容器是否至少部分地被充有电之前,确定外部充电器是否连接至所述电气或电子装置;以及
当检测到所述外部充电器连接至所述电气或电子装置时,由所述外部充电器对所述超级电容器和/或所述电池进行充电。
10.根据权利要求9所述的电气或电子装置,其中,所述超级电容器充电控制器还被配置成用于:
当检测到所述外部充电器未连接至所述电气或电子装置时,由所述超级电容器和/或所述电池向所述电气或电子装置提供能量。
11.根据权利要求6所述的电气或电子装置,其中:
所述超级电容器充电控制器包括第一电荷感测元件,所述第一电荷感测元件被配置成确定所述电气或电子装置的超级电容器的电荷水平;
所述电池充电控制器包括第二电荷感测元件,所述第二电荷感测元件被配置成确定所述电气或电子装置的电池的电荷水平;以及
所述电池充电控制器被配置成从所述第一电荷感测元件接收感测信号,并且响应于所述第一电荷感测元件检测到所述电气或电子装置的超级电容器至少部分地被充有电并且所述第二电荷感测元件确定所述电气或电子装置的电池未被充满电,执行对所述电池的充电。
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