CN106549437A - 用于延长电池寿命的无恒压阶段的动态充电 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于延长电池寿命的无恒压阶段的动态充电。本发明提供了一种方法，在一些实施方案中，所述方法包括：提供电池充电系统；以及通过使用多个恒流(CC)阶段而不使用恒压(CV)阶段来使用所述电池充电系统，以将电池充电至目标电量。

Description

用于延长电池寿命的无恒压阶段的动态充电

相关申请的交叉引用

本非临时申请要求提交于2015年9月16日的美国临时申请No.62/219,509的优先权，并且该临时申请以引用方式并入本文。

背景技术

各种电子设备(如助听器)中电池的充电通常有损电池的健康和寿命。已知一种常见充电技术为恒流-恒压(CC-CV)充电。CC-CV充电技术包括两个阶段。第一阶段必须将恒定充电电流施加至电池，直至电池达到全满容量。因此，这一阶段称为恒流阶段。第二阶段必须将充电电流降至较低水平，并将电池电量(电压)维持在全满容量下，直至用户停止充电。这一阶段是恒压阶段。CC-CV技术以及其他相关技术虽然普遍，但是具有许多缺点，这些缺点对电池的健康和寿命造成不利影响。

发明内容

本文所公开的至少一些实施方案涉及一种方法，包括：提供电池充电系统；以及通过使用多个恒流(CC)阶段而不使用恒压(CV)阶段来使用该电池充电系统将电池充电至目标电量。一个或多个这样的实施方案可使用以下概念的一个或多个、以任何次序以及任何组合得到补充：其中所述电池包括锂离子电池；还包括：基于所述电池的用户的使用习惯，确定所述目标电量；还包括：在可用充电周期内使用所述多个CC阶段来为所述电池充电，所述多个CC阶段在所述可用充电周期中较早部分中的至少一个要比所述多个CC阶段在所述可用充电周期中较晚部分中的至少一个具有更高充电电流；其中所述多个CC阶段在所述可用充电周期中较早部分中的所述至少一个使得电池达到预定基本使用电量；还包括：为电池充电，以使得电池在可用充电周期结束前的预定时长内达到目标电量。

至少一些实施方案涉及一种方法，包括：为所述电池确定目标电量；确定为所述电池充电的可用充电期间；基于所述目标电量和可用充电期间来确定充电电流分布方案，所述充电电流分布方案使得电池不会早于可用充电期间结束前预定时间量达到所述目标电量；以及根据充电电流分布方案来为电池充电。一个或多个此类实施方案可使用以下概念的一个或多个、以任何次序或任何组合得到补充：其中确定充电电流分布方案包括考虑电池的现有电量；其中所述充电电流分布方案包括多个恒流(CC)阶段；其中所述充电电流分布方案不包括恒压(CV)阶段；其中所述预定时间量是1分钟；还包括：接收修改过的可用充电期间，基于修改过的可用充电期间确定修改的充电电流分布方案，以及根据修改过的充电电流分布方案为电池充电。

至少一些实施方案涉及一种系统，包括：电池；以及耦接至电池的电池充电系统，该电池充电系统被配置成在可用充电期间中使用多个恒流(CC)阶段来为电池充电，其中该电池充电系统被配置成不早于可用充电期间结束前预定时间将电池充电至目标电量。一个或多个此类实施方案可使用以下概念的一个或多个、以任何次序或任何组合得到补充：其中电池充电系统在可用充电期间中不使用恒压(CV)阶段为所述电池充电；其中为了对所述电池进行充电，该电池充电系统被配置成使用具有所述多个CC阶段的充电电流分布方案，其中所述充电电流分布方案包括在可用充电期间内施加预定量的充电电流，以在所述电池中实现目标电量；其中该电池充电系统被配置成接收修改的可用充电期间，并基于修改的可用充电期间确定修改的充电电流分布方案，其中修改的充电电流分布方案包括在修改的可用充电期间内施加所述预定量的充电电流，以在所述电池中实现目标电量；其中按照充电电流分布方案施加的最大充电电流小于按照修改的充电电流分布方案施加的最大充电电流；其中所述CC阶段包括平滑化CC阶段；其中该系统包括助听设备；其中该电池充电系统包括充电器以及耦接在所述充电器与电池之间的电源管理集成电路(IC)，并且其中所述充电器包括被配置成从用户接收所述可用充电期间的指示的接口。

附图说明

在附图中：

图1是实施本文所述动态充电技术的示例性系统的框图。

图2A描绘了可在图1的系统中实施的示例性充电器。

图2B是充电器的一些内容物的框图。

图3至图4是描绘示例性充电分布曲线的曲线图。

图5是示例性充电方法的流程图。

附图中给出的具体实施方案以及对它们的详细描述并不限制本公开。相反，这些实施方案和详细描述为本领域的普通技术人员提供了识别替代形式、等价形式和修改形式的基础，这些替代形式、等价形式和修改形式与给定实施方案中的一个或多个一起被涵盖在所附权利要求的范围中。

具体实施方式

本文公开了用于动态管理提供至电子设备中电池的充电电流以延长电池健康和寿命的各种技术。这些技术通常必须使用多个恒流(CC)阶段，并且在至少一些实施方案中，不使用恒压(CV)阶段。根据可用充电期间的长度调制施加至电池的充电电流。当可用充电期间相对较长(例如8至10小时)时，充电电流被施加至电池，以使电池电量正好在可用充电期间结束前达到目标电量(例如，23mAh)，并且充电电流通常保持较低。当可用充电期间相对较短(例如4小时)时，充电电流同样被施加至电池，以使电池正好在可用充电期间结束前达到目标电量，但是充电电流通常高于可用充电期间相对较长时的情况。无论如何调制充电电流，在优选实施方案中，电池电量都不早于可用充电期间结束前的预定时长(例如，8小时充电期间结束前的30分钟)达到目标电量。

在一些实施方案中，在可用充电期间中的早期部分中施加中到高的充电电流，以使电池可充电至预定基本使用电量，例如，适应于用户平均日常使用的必需电量。一旦已施加足够大充电电流以在电池中实现基本使用电量，就减小充电电流，电池电量继续攀升，直至正好在可用充电期间结束前(或可用充电期间结束时)达到目标电量。现在将参照附图描述这些实施方案和其他实施方案。

图1是实施本文所述的动态充电技术的示例性系统100的框图。系统100包括电池充电系统101，该电池充电系统包括充电器102，该充电器经由连接106耦接至电源管理集成电路(IC)108。电源管理IC 108形成电子设备104的一部分，该电子设备还包括经由连接114耦接至电源管理IC 108的数字信号处理器(DSP)112，并且还包括经由连接116耦接至电源管理IC 108的电池110。电子设备104可为使用可充电电池的任何类型的电子设备。例如，电子设备104可为助听设备(诸如助听器)；移动电话(诸如智能电话)；个人计算机；平板计算机；视频游戏系统；或任何其他合适设备或系统。电池110可包括任何合适类型的电池，但是在至少一些实施方案中，电池110包括锂离子电池。

图2A描绘了示例性充电器200，例如，图1的系统100中实施的充电器102。充电器200包括接口202、小键盘204、接收电力(例如，市电电力)所经由的连接206，以及耦接至电源管理IC(诸如图1所描绘的电源管理IC 108)所经由的连接(例如，图1的连接106)。充电器200被配置成由人类用户在为用户的电子设备充电时使用。具体地讲，充电器200和小键盘204使得用户能够输入各种参数，这些参数可由充电系统用于调节施加至电池110的充电电流。可使用小键盘204输入的具体参数可以变化，但是在至少一些实施方案中，用户可指示电池110应充电至的目标电量；将电子设备脱离充电系统前用户需要的基本使用(即，最小)电量；可用充电期间；以及是否保证可用充电期间的时长。现将更详细地描述这些参数中的每个。

参见图1和图2A，目标电量是电池110应被充电至的水平。在一些情况下，用户可使用小键盘204手动输入这一参数。用户可指示任何合适目标电量，例如，100％、80％、50％等。各种因素可影响用户所指示的目标电量，例如对过度充电可缩短电池寿命的了解，或对用户典型日常电池需求的了解。或者，目标电量参数可由充电器102或电子设备104基于各种因素中任一者自动设定，这些因素包括上文列出的两种示例性因素。在一些实施方案中，充电器102和/或电子设备104可监测用户日常电池使用习惯，以确定目标电量。如果用户平均每天平均仅使用电池总容量的80％，那么充电器102或电子设备104可使得目标电量被设定为80％或可能略高地设定为85％。在一些实施方案中，充电器102和/或电子设备104可基于用户电池使用模式来确定中值或其他合适的统计值，并且可相应地设定目标电量。充电器102能够通过在充电器和电子设备两者每次经由连接106(图1)耦接时与电子设备104通信并随着时间监测电子设备的电池充电状态来监测用户电池使用模式。接口202可使用户能够以百分数、以绝对值或以某种其他合适方式指示目标电量。

基本使用电量是电池110在脱离充电器102前必须要充电至的水平。换句话说，基本使用电量是认为电子设备以令人满意的方式操作所必需的基本、最小电量。这一参数可由用户手动设定，或者由充电器102或电子设备104基于各种因素(诸如用户的典型电池使用)来自动设定。在一些实施方案中，充电器102可通过确定用户日常电池使用的平均值并乘以合适乘数(例如，0.80)，确定基本使用电量。已构想出用于确定基本使用电量的其他技术，并且这些技术包括在本公开的范围之内。基本使用电量与目标电量的主要不同在于，前者是操作所必需的最小电量，但后者是理想的电量值。通常，目标电量将大于基本使用电量。

可用充电期间指示用户预期将电子设备连接至充电器102的时长。例如，如果用户睡前将电子设备耦接至充电器102，那么用户可使用小键盘204来指示可用充电期间为8小时。或者，如果用户仅为早上小睡或正在为工作做准备，那么用户可指示可用充电期间仅为1小时。可用充电期间仅为预期充电时间；在一些情况下，用户会在可用充电期间完成前将电子设备脱离充电器102。如下所述，该系统使用可用充电期间参数确定充电电流分布方案，也就是说，充电电流应施加至电池110所采用的方式。

保证参数指示是否保证电子设备在整个可用充电期间持续时间内始终保持连接至充电器102。例如，用户可指示8小时的可用充电期间，并且用户还可指示保证可用充电期间。在这种情况下，充电系统101以不同于用户已指示8小时未保证的可用充电期间的情况的方式将充电电流施加至电池110。在一些实施方案中，例如，未保证的可用充电期间将使充电系统101一开始施加中到高范围的充电电流(例如，在电池充电额定值的40％与60％之间)，直至电池110被充电至基本使用电量，并且随后充电电流将随着电池110接近目标电量而减小。电池110被快速充电至基本使用电量，使得如果用户在可用充电期间结束前将电子设备104与充电器102断开连接，用户仍可具有足够的电池电量以满足基本使用。相比之下，8小时的保证可用充电期间将使充电系统101施加相对恒定、低水平的电流，使得电池以恒定速率充电。在保证和不保证两种情况下，充电器都将充电电流施加至电池，使得电池不早于可用充电期间结束前的预定时长达到目标电量。例如，在8小时的保证可用充电期间中，电池110可在可用充电期间结束前的30分钟达到目标电量。本公开的范围不限于此，并且已构想出可用充电期间结束前的其他此类预定时长(例如但不限于1小时、1分钟、1秒和1毫秒)，并且这些预定时长落入本公开的范围内。

图2B是充电器102的一些内容物的框图。框图不是穷举式的，并且未必示出了充电器102的某些部分，例如，从市电电力至充电器102的输出的电力连接。充电器102包括处理器250、耦接至处理器250并存储可执行代码254(例如，软件、固件)的存储装置252(例如，随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM))、耦接至处理器250的一个或多个输入256(例如，小键盘204、旋钮、按钮、拨号盘、麦克风、触摸屏)，以及耦接至处理器250的接口258(例如，显示器(诸如图2A的接口202)、扬声器)。处理器250经由连接106与电子设备104通信。虽然未明确地示出，但在一些实施方案中，市电电力可经由连接106被提供至电子设备104。在其他实施方案中，可使用独立的连接。

处理器250执行代码254，该代码使得处理器250执行本公开中归于充电器102的一些功能或全部功能。这些功能中的一些包括从一个或多个输入256接收信息，例如上文参考图2A所述的各种参数。该处理器可在接口258上提供输出，包括在用户向充电器102提供输入时有用的信息(例如，必需的参数)。处理器250使用代码254和来自一个或多个输入256的信息来确定如何调制施加至电池110的充电电流，并且经由连接106相应地指示电源管理IC108。电源管理IC 108转而包含合适的数字和/或模拟电路，该数字和/或模拟电路基于从充电器102接收的信号动态地增大或减小施加至电池110的充电电流。电源管理IC 108的实施细节未在本文中描述，因为普通技术人员将容易地理解如何设计电源管理IC。

图3是描绘用于8小时的未保证可用充电期间的示例性充电分布的曲线图300。曲线图300的y轴指示充电系统101施加至电池110的充电电流。充电电流的单位为C，它是电池110的充电电流额定值的分数的十进制表示。例如，如果电池110的额定最高容量为23毫安-小时(mAh)，那么1.0C的示例性充电电流将为23mA，0.5C的示例性充电电流将为11.5mA，并且0.1C的示例性充电电流将为2.3mA。曲线图300的y轴还指示了电池电量。在这种情况下，电量单位也为C，在这种情况下，它是电池110的总容量的分数的十进制表示。例如，如果电池110可存储23mAh的最大电量，那么1.0C的示例性电量将为23mAh。曲线图300的x轴指示按小时计的充电时间，并且在这种情况下，反映8小时的可用充电期间。最后，正如图4中的曲线图那样，曲线图300假设电池在0小时的充电时间处全部电量耗尽。

仍然参见图3，曲线图300描绘了两条曲线：曲线302，其为充电电流分布方案(即，在8小时可用充电期间内将充电电流施加至电池110所采用的方式)；以及曲线304，其为电池电量。曲线304是曲线302的函数。如曲线304所指示的，在0小时处，电池110是完全耗尽的。曲线302从相对快速升至中到高范围的充电电流开始，在这种情况下充电电流为0.5C，但本公开的范围并不限于0.5C。这样快速升至中到高的充电电流的一个目的是使得电池电量快速达到基本使用电量(在这种情况下为0.4C电池电量)。这种技术通常在无法保证可用充电期间时使用，如曲线图300的情况那样。由于无法保证可用充电期间，因此存在这样的风险：用户可能会在可用充电期间完成前将电子设备104与充电器102断开连接。通过将电池快速充电至基本使用电量，用户可确信至少有最小必需电池电量以供实现基本设备功能。

曲线302的快速充电电流上升是示例性的；在其他实施方案中，可使用更高充电电流(例如，1.0C)缩短持续时间，或者可使用更低充电电流(例如，0.4C)延长持续时间。可使用并构想其他快速充电电流。然而，应认识到，施加更高电流通常会对电池造成更多损坏，因此在至少一些实施方案中，使用实现特定目标(例如，达到基本使用电量)所必需的最低充电电流。本领域的普通技术人员将会认识到在确定充电电流曲线302中的这种快速上升时有可能使用的各种组合以及排列。

在至少一些实施方案中，曲线302被形成为阶梯状图案。曲线302中的每个台阶表示有限时间量内施加的恒定电流。因此，这些台阶称为“恒流”阶段或CC阶段。曲线302至少采用多个CC阶段，这是因为一直改变施加至电池110的充电电流会对电池110造成损坏。然而，以不连续的台阶或CC阶段来改变充电电流会减缓电池损坏。在一些实施方案中，曲线302的CC阶段的开始和结束可具有锐缘(如图3所示)，并且在其他实施方案中，曲线302的CC阶段的开始和/或结束可以是平滑化的，以使任何给定CC阶段平滑地开始和/或平滑地结束。

仍然参见图3，在电池被充电至基本使用电量后，可减小充电电流。因此，如曲线图300中所示，一旦电池在1小时处达到0.4C的电量(如曲线304指示)，充电电流曲线302就开始从0.5C下降至更低电流水平。如上所述，使用多个CC阶段。本公开的范围并不限于充电电流下降的任何特定速率，也不限于充电电流上升的任何特定速率。根据剩余可用充电期间、电池的电流充电状态和目标电量来确定曲线302在电池达到基本使用电量后下降至的充电电流水平。如曲线302所示，在可用充电期间结束前施加0.05C的恒定充电电流，但是本公开的范围并不限于施加恒定充电电流。

在至少一些实施方案中，电池电量仅仅在可用充电期间结束前的预定时间窗口之内达到目标电量。此窗口可按需设定，例如，2小时、1小时、30分钟、1分钟、1秒、1毫秒等。在至少一些实施方案中，此窗口可由充电器102或充电系统101自动设定，并且在其他实施方案中，用户可经由输入256(图2B)手动输入此窗口作为参数。在预定时间窗口内达到目标电量减缓了允许已大量充电的电池保持在延长的时间段内不使用的有害效应。因此，如图3所示，曲线304在8小时的可用充电期间结束时达到目标电量1.0C(例如，23mAh)。出于类似原因，曲线304并未包含恒压(CV)阶段，如图所示。本文针对图3和/或图4所标明的技术和原理并不在其应用方面受限；相反，它们一般可在适当的情况下适用于任何充电系统。

在一些情况下，可用充电期间可能被意外修改。例如，医师可指示可用充电期间为睡前8小时，但是她可能在夜间被召唤至医院。在动身去医院前，她可指示仅1为小时的修改的可用充电期间。在这种状况下，电池可能已被充电至基本使用电量。然而，在一些情况下，电池可能尚未达到基本使用电量，或者即使电池达到基本使用电量，但希望将电池在医师将电子设备104与充电系统101断开连接前充满电，或者充尽可能多的电。在此类情况下，当提供修改过的可用充电期间时，充电器102可生成考虑到可用于充电的减少的时间量的修改过的充电电流分布方案。通常，缩短、修改过的可用充电期间中施加的最大充电电流将会大于较长的初始可用充电期间中施加的最大充电电流。

参见例如图3，如果充电如预期进行，直至充电时间＝5小时并且此时指示1小时的修改的可用充电期间，那么1.0C的目标电量可通过充电时间＝6小时而非充电时间＝8小时来达到。无论为电池充电剩余的时间量是多少，必须要施加至电池以实现目标电量的总充电电流保持相同。然而，由于可用充电期间缩短，本应在8小时内施加至电池110的总充电电流现在将必须在6小时内施加。换句话说，曲线302下方面积必须保持相同，但并非在8小时的过程内在曲线302下方分布该面积，现在必须要在6小时的时段之内压缩曲线302下方的面积。因此，在充电时间＝5小时处，将电池充电至目标电量所需的电量仍是0.15C。0.15C的该电量可被压缩到修改的可用充电期间中剩余的1小时中，即，在充电时间＝5小时与充电时间＝6小时之间，在6小时的时间处，电子设备104将与充电器102断开连接。因此，在充电时间介于5小时与6小时之间的时间内，施加至电池110的充电电流可在最初的15分钟从0.05C增大至0.25C，随后在接下来的15分钟充电电流为0.20C，随后在下一个15分钟充电电流为0.15C，并在最后的15分钟充电电流为0.05C。这样，整个一小时的过程中施加的平均充电电流为0.15C，并同时满足充电结束时的充电电流为0.05C或更小的一般要求。通过这种方式，曲线302下方面积被压缩到修改的可用充电期间中，以便产生修改的充电电流分布方案，并且电池在充电时间＝6小时处达到目标电量。然后医师可以将电子设备104从充电器102断开连接。本公开的范围并不限于针对缩短、修改过的可用充电期间生成修改的充电电流分布方案。在至少一些情况下，修改过的充电电流分布方案可考虑到在持续时间上比初始可用充电期间更长的修改的可用充电期间。

图4是描绘另一个示例性充电分布的曲线图500。在曲线图500中，可用充电期间是10小时且未保证。目标电量是1.0C，并且指定了0.4C的基本使用电量。曲线502表示施加至电池110的充电电流，并且曲线504表示电池电量。在这种情况下，由于未保证可用充电期间，因此最初施加0.5C的中到高的电流，直到电池被充电至0.4C的基本使用电量，这发生在1小时标记处。然后，逐渐降低充电电流，在3小时标记处达到约0.036C的恒定充电电流。相较于图3的曲线图300，曲线图500在3小时标记前几乎相同。此时，在曲线图500中，可用充电期间中剩余的时间(7小时)大于曲线图300的可用充电期间中剩余的时间(5小时)。因此，可以将较低恒定充电电流施加至电池110。电池110在10小时的可用充电期间结束前并不会达到1.0C的目标电量，从而减缓了电池损坏。此外，如曲线图502中所示，使用多个CC阶段，并且如曲线图504中所示，未使用CV阶段。

图5是示例性充电方法600的流程图。方法600开始于确定电池目标电量(步骤602)。如所解释的那样，目标电量可由充电器自动确定，或者可提取自从外部来源诸如用户接收的目标电量。接下来，方法600包括确定为电池充电的可用充电期间(步骤604)。这个参数同样可由充电器自动确定(例如，基于先前充电时长)，或者可从外部来源诸如用户接收。方法600还包括确定充电电流分布方案，该充电电流分布方案使得电池在预定时间窗口内达到目标电量(步骤606)。在确定充电电流分布方案(诸如图3至图4所示那些)时，可以对充电器进行编程以考虑各种因素。此类因素可包括但不限于，电池的电流充电状态、目标电量、基本使用电量、可用充电期间、是否保证可用充电期间，以及可提供至充电器或由充电器产生的任何或所有其他适当因素。方法600还包括根据充电电流分布方案为电池充电(步骤608)。如下文将详细解释的，该充电电流分布方案可在充电过程期间被动态地修改，例如，如果指定了修改的可用充电期间。在这种情况下，确定并实施修改的充电电流分布方案。方法600可按需修改，包括通过添加、删除、修改或重排一个或多个步骤来实现修改。此外，本公开所描述的任何原理和技术均可应用于方法600。

一旦完全理解了上述公开的内容，对于本领域技术人员来说许多其他变型形式和修改形式就将变得显而易见。以下权利要求书被解释为旨在涵盖所有此类变型形式、修改形式和等价形式。另外，应当在包括式意义上解释术语“或”。

Claims (10)

1.一种方法，包括：

提供电池充电系统；以及

使用多个恒流(CC)阶段而不使用恒压(CV)阶段，使用所述电池充电系统将电池充电至目标电量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电池包括锂离子电池。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：基于所述电池的用户的使用习惯确定所述目标电量。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：在可用充电期间内使用所述多个CC阶段来为所述电池充电，所述多个CC阶段在所述可用充电期间中较早部分中的至少一个比所述多个CC阶段在所述可用充电期间中较晚部分中的至少一个具有更高的充电电流。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：为所述电池充电以使得所述电池在可用充电期间结束前的预定时长之内达到所述目标电量。

6.一种系统，包括：

电池；以及

耦接至所述电池的电池充电系统，所述电池充电系统被配置成在可用充电期间中使用多个恒流(CC)阶段为所述电池充电，

其中所述电池充电系统被配置成不早于所述可用充电期间结束前的预定时间将所述电池充电至目标电量。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述电池充电系统在所述可用充电期间中不使用恒压(CV)阶段为所述电池充电。

8.根据权利要求6所述的系统，其中为了对所述电池充电，所述电池充电系统被配置成使用具有所述多个CC阶段的充电电流分布方案，其中所述充电电流分布方案包括在所述可用充电期间内施加预定量的充电电流，以在所述电池中实现所述目标电量。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述电池充电系统被配置成接收修改的可用充电期间，并基于所述修改的可用充电期间确定修改的充电电流分布方案，其中所述修改的充电电流分布方案包括在所述修改的可用充电期间内施加所述预定量的充电电流，以在所述电池中实现所述目标电量。

10.根据权利要求9所述的系统，其中按照所述充电电流分布方案施加的最大充电电流小于按照所述修改的充电电流分布方案施加的最大充电电流。