CN107078524B - 自适应电池充电方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明描述一种电池到电池充电系统，所述系统通常操作包括恒定电流阶段，继而为恒定电压阶段的快速充电过程。然而，当用于对第二电池充电的第一电池可能不再提供足够高的电压以执行所述快速充电过程时，所述充电过程被调适成在所述“恒定电流阶段”期间降低充电电流，并由此将第一电池电压维持在高于最小电压阈值。这允许所述第一电池即使无法执行快速充电也可对所述第二电池充电至少大于一个充电循环。
Description
技术领域
本发明涉及使用一个电池对另一电池再充电的系统，所述系统尤其有利于从另一电池对锂离子电池充电。
背景技术
锂离子电池通常使用后跟着恒定电压阶段的恒定电流阶段进行充电。在恒定电流阶段中，横跨次级电池的电压经调整以维持恒定的最大充电电流Ich，直到横跨电池的电压达到限定的电压极限Vch为止，其中Ich和Vch由电池属性设定。在恒定电压阶段中，横跨电池的电压维持在固定值Vch，直到电流下降到低于预定值Ilow为止。为了快速充电，需要使恒定电流阶段的长度最大化。
当第二电池在恒定电流阶段中充电时，充电电压必须增加以补偿第二电池的逐渐增加的电压。相应地，恒定电流阶段需要从充电电池获得最小充电电压。
在电池到电池充电系统中，随着充电电池老化，它的内电阻增加，并且因此降低它可输送的电压。当它可能不再输送快速充电操作所需的最小电压时，必须对它再充电或将它替换。
发明内容
本发明的目标是提供电池到电池充电系统，所述系统可提供快速充电，并且可在充电电池需要再充电或替换之前支持相比于当前可获得的系统数目增加了的充电循环。
在本发明的第一方面中，提供从第一电池对第二电池充电的方法，包括以下步骤：
比较第一电池的输出电压与阈值电压；以及
当来自第一电池的输出电压等于或大于阈值电压时，使用第一电流对第二电池充电；以及
当来自第一电池的输出电压小于阈值电压时，降低第一电流。
在第一电池的输出电压等于或大于第二阀值电压之前可一直降低第一电流。第二阀值电压可等于第一阈值电压，或可不同于第一阈值电压。
减少电流的步骤可包括降低施加到连接在第一电池和第二电池之间的功率转换器的电压脉冲的占空比。
比较的步骤可在第二电池的充电期间反复执行。降低的步骤可包括依据比较步骤的结果，不将电压脉冲施加到连接在第一电池和第二电池之间的功率转换器。
降低电流的步骤可包括降低电流的脉冲被施加到第二电池的频率。
方法可包括当来自第一电池的输出电压等于或大于阈值电压时，使用恒定第一电流对第二电池充电，并在施加到第二电池的充电电压达到最大准许电压或来自第一电池的输出电压小于阈值电压时，降低充电电流。
当施加到第二电池的充电电压达到最大准许电压或来自第一电池的输出电压小于阈值电压时，可降低充电电流以将施加到第一电池的充电电压维持在最大准许电压或接近于最大准许电压。
方法可包括当充电电流降低到小于或等于最小电流阈值的电流时，停止第二电池的充电。
第二电池可为锂离子电池。
在本发明的第二方面中，提供充电装置，包括：
被配置成对连接到装置的次级电池充电的第一电池，和被配置成控制对次级电池的充电的控制电路，其中控制电路被配置成：
比较第一电池的输出电压与阈值电压；以及
如果来自第一电池的输出电压等于或大于阈值电压，那么使用第一电流对第二电池充电；以及
如果来自第一电池的输出电压小于阈值电压，那么降低第一电流。
控制电路可被配置成在第一电池的输出电压等于或大于第二阀值电压之前一直降低第一电流。第二阀值电压可等于第一阈值电压，或可不同于第一阈值电压。
充电装置可包括连接在第一电池和第二电池之间的功率转换器，且控制电路可被配置成通过降低从第一电池施加到功率转换器的电压脉冲的占空比来降低第一电流。
控制电路可被配置成在第二电池充电期间，定期比较第一电池的输出电压与阈值电压。控制电路可被配置成依据比较步骤的结果，不将电压脉冲施加到连接在第一电池和第二电池之间的功率转换器来降低第一电流。
控制电路可被配置成当来自第一电池的输出电压等于或大于阈值电压时，使用恒定第一电流对第二电池充电，并在施加到第二电池的充电电压达到最大准许电压或来自第一电池的输出电压小于阈值电压时，降低充电电流。
当施加到第二电池的充电电压达到最大准许电压或来自第一电池的输出电压小于阈值电压时，控制电路可被配置成降低充电电流以将施加到第一电池的充电电压维持在最大准许电压或接近于最大准许电压。
控制电路可被配置成当充电电流降低到小于或等于最小电流阈值的电流时，停止第二电池的充电。
第二电池可为锂离子电池。第一电池可为锂离子电池。
根据本发明的第一和第二方面的方法和充电装置可施加到电子吸烟系统。充电装置可用于对电子吸烟装置中的次级电池充电。电子吸烟装置可包含被配置成加热气溶胶形成基质的电动加热器。气溶胶形成基质可以具有烟嘴部分的香烟的形式提供，最终使用者通过所述烟嘴部分吮吸。次级电池可有利地为单个吸烟环节提供足够的电力，从而排出单个气溶胶形成基质。
短的再充电时间对电子香烟的接受性来说至关重要。然而，用户不希望仅仅因为无法以最大可能速度实现就不能够对吸烟装置充电。本发明的方法和充电装置允许电子吸烟装置的额外充电循环，即使是在充电装置的电池老化和劣化时。充电装置可为被设计成用用户的口袋或包易于携带的手持型充电装置。
在本发明的第三方面中，提供计算机程序，所述计算机程序在充电装置中的处理器上执行时，使处理器执行本发明的第一方面的步骤，所述充电装置具有被配置成对连接到所述装置的次级电池充电的第一电池，且所述处理器被配置成控制对次级电池的充电。
在本发明的第四方面中，提供在其上存储有根据第三方面的计算机程序的计算机可读存储媒体。
相对于本发明的一个方面描述的特征可单独地或与本发明的其它所描述的方面和特征组合而应用到本发明的其它方面。
附图说明
现在将参考附图详细描述本发明的实施例，附图中：
图1是手持型电池操作的吸烟装置和包含充电电池的相关联的充电装置的示意性图示；
图2是根据本发明的说明充电系统的电路图；
图3说明锂离子电池的通常快速充电特征曲线；
图4说明根据本发明的经修改充电特征曲线；以及
图5是说明用于图4的充电特征曲线的控制过程的流程图。
具体实施方式
图1示出了主要装置100和次级装置102。此实例中的主要装置100是用于电加热吸烟系统的充电单元。此实例中的次级装置102是适于接收包括气溶胶形成基质的吸烟制品104的电加热气溶胶生成装置。次级装置包含加热器以在操作中加热气溶胶形成基质。使用者吮吸吸烟制品104的烟嘴部分以将气溶胶抽吸到使用者的口中。次级装置102被配置成接收于主要装置100的空腔112内以便对次级装置中的电源再充电。
主要装置100包括第一电池106、控制电子元件108和电触点110，所述电触点110被配置成当次级装置与电触点110连接时，将来自第一电池106的电力提供到次级装置中的次级电池。电触点110被设置成邻近空腔112的底部。空腔被配置成接收次级装置102。主要装置100的组件容纳在壳体116内。
次级装置102包括第二电池126、次级控制电子元件128和电触点130。如上所述，次级装置102的第二可再充电电池126被配置成在电接点130与主要装置100的电接点110接触时接收来自第一电池106的电力的供应。次级装置102进一步包括被配置成接收吸烟制品104的空腔132。呈(例如)叶片加热器形式的加热器134被设置成在空腔132的底部。在使用中，使用者启动次级装置102，且经由控制电子元件128将电力从电池126提供到加热器134。加热器被加热到标准操作温度，所述温度足以从气溶胶生成物品104的气溶胶形成基质生成气溶胶。次级装置102的组件容纳在壳体136内。例如，在EP2110033中更全面地描述此类型的次级装置。
优选的是，气溶胶形成基质包括含有挥发性烟草香味化合物的含烟草材料，当加热时所述挥发性烟草香味化合物从基质释放。可替代地，气溶胶形成基质可包括非烟草材料。优选的是，气溶胶形成基质进一步包括气溶胶形成剂。合适的气溶胶形成剂的实例是甘油和丙二醇。
气溶胶形成基质可为固体基质。固体基质可包括(例如)以下各者中的一个或多个：粉末、颗粒、小球、碎片、细条、条状物或片材，所述片材含有草本植物叶、烟叶、烟草肋料、再造烟草、均质烟草、挤出烟草和膨胀烟草中的一个或多个。可替代地，气溶胶形成基质可为液体基质，且吸烟制品可包括用于保持液体基质的构件。
在此实例中，次级装置102为电加热吸烟装置。由于此类次级装置102较小(传统香烟尺寸)但又必须在仅几分钟时间段内输送高电力，所以通常单个吸烟环节约7分钟。第二电池可接着需要返回到主要装置100以进行再充电。理想地在大约几分钟和优选地低于6分钟内将再充电至少完成到足以允许另一完整的吸烟体验的水平。
主要装置中的第一电池106被配置成容纳足够充电量以在需要对自身再充电之前对第二电池126进行若干次再充电。这为使用者提供在需要从主出口再充电之前允许若干吸烟环节的便携式系统。
为了满足第二电池126具有较小大小、充足容量和安全性，同时可快速充电与放电且具有可接受寿命的竞争要求，可使用磷酸锂铁(LiFePO4)化学电池，如在此实例中。此实例中的第二电池126具有圆柱形状，其中直径为10mm，长度为37mm。此电池能够以每一循环超过900J进行8000次充电/放电循环。平均充电速率可高达12C。1C的充电速率意味着电池在一小时内从零电荷完全充电到满电荷，2C的充电速率意味着电池在半小时内从零电荷完全充电到满电荷。电池容量处于125mAh的范围内。最大充电电流可在从980mA到1.5A的范围内。使用高达2A的1毫秒脉冲来执行放电。放电速率取决于加热器的电阻，所述电阻又取决于加热器温度。在环境温度下，放电速率可高达28C，但随着加热器的电阻增加，在较高温度下会降低。在典型操作温度下，放电速率为大约13C。作为替代方案，钛酸锂电池可用于第二电池。
主要单元100中的第一电池106为棱柱型氧化钴锂(LiCoO2)电池。第一电池具有大约1350mAh的容量，比第二电池的容量高十倍以上。可从第一电池以在2C和16C之间的速率对第二电池充电。以1C的速率对第一电池放电提供对第二电池的超过10C的充电速率。可从市电电源以在0和1.5C之间的速率且通常以大约0.5C的速率执行对第一电池的充电，从而使电池寿命最大化。
氧化钴锂电池提供比磷酸锂铁更高的电池电压，从而允许从单个氧化钴锂电池对磷酸锂铁电池充电。
图2是充电系统的示意性电路图。第一电池106具有相关联的内电阻107。控制电子元件包括控制器200和开关模式功率转换器205。开关模式功率转换器205连接在第一电池和第二电池之间。控制器200被配置成控制开关模式功率转换器内的开关206的开关，并由此调节施加到第二电池126的电压和电流。在此实例中，开关模式功率转换器205是集成的降压-升压型转换器。
图3示出了用于对第二电池充电的标准充电特征曲线。图3示出了来自第一电池210的充电电压、来自充电装置的充电电流220和施加到正在充电的第二电池的充电电压230。充电特征曲线由初始恒定电流阶段300构成。在恒定电流阶段300期间，充电电压230经控制以便提供恒定的最大充电电流Ich。这通过接通开关模式功率转换器以将来自第一电池的电压脉冲以最大占空比施加到功率转换器来实现。这提供最大充电速率。然而，当维持最大充电电流所需的来自第一电池的充电电压超过最大充电电压Vch时，恒流充电电流阶段300结束。Vch被设定在维持第二电池的使用寿命的水平。一旦到达这一阶段，如在图3上的时间303处指示，恒定电压阶段302开始。在恒定电压阶段期间，充电电压230保持在最大Vch。在恒定电压阶段期间，当充电电压230和第二电池的电池电压之间的差值下降时，充电电流220下降。当充电电流220达到低阈值Iend时，停止充电过程。最大充电电流和最大充电电压由电池制造者设定。
图3中所说明的充电特征曲线可用于如参看图1所描述的系统。然而，在电池到电池充电系统中，随着充电电池老化，它的内电阻107增加，并且因此降低它可输送的电压。但是为了最快充电，在恒定电流阶段中，来自第一电池的充电电压必须能够达到最大充电电压Vch。否则，将无法完成快速充电过程。因此，在现有系统中，当第一电池可能不再输送快速充电过程所需的最小电压时，必须对它再充电或将它替换。
图4说明根据本发明的实施例的充电特征曲线。在图4中，来自第一电池的电池电压相比于图3降低，这是因为第一电池已经老化且具有更大的内电阻。在图4中，可看出在充电电压430达到它的最大Vch之前，即通常在恒定电流阶段将结束之前，充电电流420下降。降低充电电流420，以便将充电电压430维持在所需水平。这通过调整电流以将从第一电池输出的电池电压410保持在高于3.5伏的预设阈值水平来完成。当充电电压430达到Vch时，充电电流进一步降低，以便将充电电压维持在Vch或低于Vch。当充电电流降低到Iend时，过程再次结束。
图5说明用于根据图3或图4中示出的特征曲线调节电流的控制过程。所述过程开始于步骤500，其中所述过程的循环次数的计数逐一递增。接着，在步骤505中，确定计数是否已达到奇数或偶数。如果它是偶数，那么过程继续到步骤510，其中处理器切断开关模式功率转换器中的开关，以使得开关模式功率转换器中没有累积来自第一电池的能量。所述过程接着返回到步骤500，其中循环计数增加一。
接着在步骤505中，确定计数已达到奇数，且所述过程前进到步骤515。在步骤515中，确定施加到第二电池的充电电压是否已达到最大准许电压Vch。如果它已达到目标电压，那么当充电电流需要降低以降低充电电压时，功率转换器中的开关保持关断。接着，所述过程前进到步骤520，其中电压极限旗标在处理器内设定，以使得可向使用者提供恒定电流阶段已经结束的指示。
如果施加到第二电池的充电电压小于最大电压，那么所述过程前进到步骤525。在步骤525中，到第二电池的电流与目标电流Iend进行比较，低于所述目标电流时应该停止充电过程，如图3和4的充电特征曲线中所见。如果充电电流低于目标电流，那么所述过程前进到步骤530，其中设定电流极限旗标。电流极限旗标用于向最终使用者指示充电完成。
如果充电电流大于目标电流，那么过程前进到步骤535。在步骤535中，确定来自第一电池的电压是否大于用于快速充电的最小所需电压。如果第一电池的电池电压大于最小所需电压，那么在步骤545中，处理器接通开关模式功率转换器中的开关，以使得从第一电池汲取电能并在功率转换器中累积以供施加到第二电池。如果第一电池的电池电压不大于最小所需电压，那么开关模式功率转换器中的开关保持关闭，并且在步骤540中，处理器将极限电池旗标设定成使得可向最终使用者提供第一电池需要再充电或替换的指示。
在步骤520、530、540和545中的每一个之后，过程前进到步骤550。在步骤550中，获得第一电池和第二电池的电压的新测量值，并获得充电电流的新测量值。这些测量值接着转换成数字形式，以易于与下一奇数编号的循环中的对应目标值进行比较。
在下一偶数编号的循环中，在步骤510中，切断开关电源中的开关，并且将在开关电源中累积的能量作为充电电流施加到第二电池。如果在先前循环期间，开关已经切换到开启状态，那么在步骤545中，相比于在先前循环期间开关尚未切换到开启状态的情况，输出到第二电池的电压将处于更高的水平。较低的输出电压意味着从第一电池汲取较低的电流。从第一电池汲取较低电流具有在横跨第一电池的内电阻降低更少电压时增加来自第一电池的电池电压的效果。如图4的特征曲线可见，当最小所需目标电压是3.5伏时，此方案具有在电流下降时将第一电池的电池电压维持在大约3.5伏的效果。图5中的过程还确保当第二电池充满电时没有充电电流再施加到第二电池。
相比于以其它方式能够使用后跟着恒定电压的恒定电流的标准快速充电过程，此过程允许第一电池对第二电池进行多几次的再充电。这种情况的出现以用于那些额外充电循环的充电速度为代价，但是在多数情况下，额外充电循环在便利性方面大大有利于使用者。与仅使用功率转换器尝试提高第一电池电压的方法相比，所述过程是高效节能的，因为它具有相对较低的损失。
上文描述的示例性实施例是举例说明而不是限制性的。考虑到上述的示例性实施例，现在所述领域的普通技术人员将理解到与以上示例性实施例一致的其它实施例。
Claims (13)
1.一种从充电装置中的第一电池对电子吸烟装置中的第二电池充电的方法，包括：
比较所述第一电池的输出电压与第一阈值电压；
当来自所述第一电池的所述输出电压等于或大于所述第一阈值电压时，使用第一电流对所述第二电池充电；以及
当来自所述第一电池的所述输出电压小于所述第一阈值电压时，降低所述第一电流，直到所述第一电池的所述输出电压等于或大于第二阀值电压为止。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二阀值电压等于第一阈值电压。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述降低所述第一电流的步骤包括降低施加到连接在所述第一电池和所述第二电池之间的功率转换器的电压脉冲的占空比。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述比较步骤在所述第二电池的充电期间反复执行，并且其中所述降低步骤包括依据所述比较步骤的结果，不将电压脉冲施加到连接在所述第一电池和所述第二电池之间的功率转换器。
5.根据权利要求1或2所述的方法，包括当来自所述第一电池的所述输出电压等于或大于所述第一阈值电压时，使用恒定的第一电流对所述第二电池充电，并在施加到所述第二电池的充电电压达到最大准许电压或来自所述第一电池的所述输出电压小于所述第一阈值电压时，降低所述第一电流。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，当施加到所述第二电池的所述充电电压达到所述最大准许电压或来自所述第一电池的所述输出电压小于所述第一阈值电压时，降低所述第一电流以将施加到所述第二电池的所述充电电压维持在所述最大准许电压或接近于所述最大准许电压。
7.一种充电装置，包括：
被配置成对连接到所述充电装置的电子吸烟装置中的第二电池充电的第一电池，以及被配置成控制对所述第二电池的充电的控制电路，其中所述控制电路被配置成：
比较所述第一电池的输出电压与第一阈值电压；以及
如果来自所述第一电池的所述输出电压等于或大于所述第一阈值电压，那么使用第一电流对所述第二电池充电；以及
如果来自所述第一电池的所述输出电压小于所述第一阈值电压，那么降低所述第一电流直到所述第一电池的所述输出电压等于或大于第二阀值电压为止。
8.根据权利要求7所述的充电装置，其中所述控制电路被配置成当来自所述第一电池的所述输出电压等于或大于所述第一阈值电压时，使用恒定的第一电流对所述第二电池充电，并在施加到所述第二电池的充电电压达到最大准许电压或来自所述第一电池的所述输出电压小于所述第一阈值电压时，降低所述第一电流。
9.根据权利要求8所述的充电装置，其中所述控制电路被配置成当施加到所述第二电池的所述充电电压达到所述最大准许电压或来自所述第一电池的所述输出电压小于所述第一阈值电压时，降低所述第一电流以将施加到所述第二电池的所述充电电压维持在所述最大准许电压或接近于所述最大准许电压。
10.根据权利要求7至9中任一权利要求所述的充电装置，包括连接在所述第一电池和所述第二电池之间的功率转换器，并且其中所述控制电路被配置成通过降低从所述第一电池施加到所述功率转换器的电压脉冲的占空比来降低所述第一电流。
11.根据权利要求7至9中任一权利要求所述的充电装置，其中所述控制电路被配置成在所述第二电池的充电期间，定期比较所述第一电池的所述输出电压与所述第一阈值电压。
12.根据权利要求11所述的充电装置，其中所述控制电路被配置成通过依据所述比较步骤的结果，不将电压脉冲施加到连接在所述第一电池和所述第二电池之间的功率转换器来降低所述第一电流。
13.一种计算机可读存储媒体，其上存储有计算机程序，所述计算机程序当在充电装置中的处理器上执行时，使所述处理器执行根据权利要求1到6中任一权利要求所述的方法，所述充电装置具有被配置成对连接到所述充电装置的电子吸烟装置中的第二电池充电的第一电池，且所述处理器被配置成控制对所述第二电池的充电。
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