CN109314397A - 具有可再充电电源的电操作气溶胶生成系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于容纳气溶胶形成基质的电操作气溶胶生成系统，其包括：一个或多个电气溶胶生成元件(134)；一个或多个混合电容器(126)，其用于向所述一个或多个电气溶胶生成元件供电；和电压源，其用于向所述一个或多个混合电容器供电以对所述一个或多个混合电容器进行充电。

Description

具有可再充电电源的电操作气溶胶生成系统
技术领域
本发明涉及一种包括可再充电电源的电操作系统。特别地，本发明涉及一种电操作气溶胶生成系统，其包括主要装置例如充电装置，和次要装置例如气溶胶生成装置。
背景技术
已知的电操作气溶胶生成系统包括气溶胶生成装置，其具有壳体，所述壳体具有用于容纳含有气溶胶形成基质的气溶胶生成制品的腔体；加热元件，用于生成气溶胶；可再充电电源；和电子电路，用于控制所述系统的操作。这种系统通常包括具有电压源的充电装置，所述电压源可电连接到所述装置以对所述可再充电电源进行充电。
通常，气溶胶生成装置是便携式或手持式装置。便携式气溶胶生成装置需要小巧且便于用户握持。这导致便携式气溶胶生成装置的可再充电电源的若干技术要求。可再充电电源必须足够小以适合通常具有与常规香烟相似尺寸的手持式装置，并且必须递送足够的功率以从气溶胶生成制品生成气溶胶。
诸如二次锂离子电池的可再充电电池已被用作现有技术中的便携式气溶胶生成装置的可再充电电源。锂离子电池比大多数其它可再充电电源(例如电容器和超级电容器)提供更大的能量密度，但通常需要长充电期并且需要在300-500次充电循环后更换。
希望提供一种具有可再充电电源的电操作气溶胶生成系统，所述可再充电电源能够对于至少一次用户体验(通常包括约14次抽吸)递送足够的功率，其能够快速、安全且方便地再充电至它可以再用于另一次用户体验的水平，并且其可操作用于数千次充电循环。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于容纳气溶胶形成基质的电操作气溶胶生成系统，所述系统包括：一个或多个电气溶胶生成元件；用于向所述一个或多个电气溶胶生成元件供电的一个或多个混合电容器；和用于向所述一个或多个混合电容器供电以对所述一个或多个混合电容器充电的电压源。
如本文所用，“混合电容器”是电化学储能装置，其包括两个不对称电极和所述两个电极之间的电解质。换句话说，“混合电容器”包括布置在电解质中的两种不同类型的电极。混合电容器的一个电极可以主要展现静电电容，而另一个电极可以主要展现电化学电容。例如，电极之一可以是双层(非法拉第)电极，而另一个电极可以是氧化还原(法拉第)电极。优选地，混合电容器是锂离子电容器。
如本文所用，“锂离子电容器”是混合电容器，其包括具有嵌入锂离子的石墨材料(例如石墨或硬碳)的阳极和多孔碳材料(例如活性炭)的阴极。电解质可以是锂离子盐溶液。电解质可以类似于锂离子电池中使用的电解质。
一种合适的混合电容器是40F，LIC1235R 3R8406，可从TAIYO YUDEN(U.S.A.)INC商购的锂离子电容器。这种锂离子电容器是圆柱形电容器，其直径为12.5mm且长度为35.0mm。这种锂离子电容器的最大可用电压为3.8V，最小可用电压为2.2V并且内阻为约150mΩ。
另一种合适的混合电容器是100F，LIC1840R 3R8107，可从TAIYO YUDEN(U.S.A.)INC商购的锂离子电容器。这种锂离子电容器是圆柱形电容器，其直径为18.0mm且长度为40.0mm。这种锂离子电容器的最大可用电压为3.8V，最小可用电压为2.2V并且内阻为约100mΩ。
混合电容器如锂离子电容器的能量密度通常低于电池如锂离子电池的能量密度。因此，混合电容器的储能容量可能低于相同尺寸的电池的容量。然而，混合电容器的功率密度通常高于电池的功率密度。换句话说，与相同尺寸的电池相比，混合电容器能够快速充电和放电，通常在几秒而不是几分钟内。因此，混合电容器是用于向便携式气溶胶生成装置的气溶胶生成元件提供高功率脉冲的理想电源。
混合电容器的循环寿命通常也显著大于典型电池的循环寿命。特别地，锂离子电容器的循环寿命通常显著大于锂离子电池的循环寿命。在锂离子电池需要更换之前，锂离子电池的循环寿命为约500次循环，相比之下，在锂离子电容器需要更换之前，锂离子电容器的循环寿命通常大于10 000次循环。
与大多数电容器和超级电容器相比，混合电容器通常也有利地展现较低的自放电率。
所述系统可包括任何合适数量和布置的混合电容器。电操作气溶胶生成系统可包括一个或多个混合电容器。然而，优选地，所述系统包括单个混合电容器。在系统包括多于一个混合电容器的情况下，所述混合电容器可以串联或并联布置或者以混合电容器组布置，一组中的混合电容器串联布置并且其它组混合电容器并联布置。
在优选的实施方案中，用户可以在气溶胶生成系统上抽吸以触发气溶胶的生成。当气溶胶生成装置的电路检测到用户的抽吸时，可以向一个或多个气溶胶生成元件供电。用户抽吸的持续时间可以在约1秒至约6秒之间，约2秒至约5秒之间，或约3秒。一个或多个气溶胶生成元件生成合适的气溶胶所需的每次抽吸的平均功率可以在约10W至约2W之间，但优选地为约5W。因此，对于约3秒的抽吸，每次抽吸由气溶胶生成制品的气溶胶生成元件消耗的平均能量可以是约15J。典型的用户体验包括多于一次的抽吸，可包括约5次至约20次抽吸并且优选包括约14次抽吸。因此，这些优选实施方案的气溶胶生成装置的一个或多个混合电容器可能需要存储至少210J的能量以向气溶胶生成装置提供足够的能量以用于约14次抽吸的单次用户体验，其中每次抽吸消耗约15J。
本发明的电操作气溶胶生成系统可包括主要装置和次要装置。主要装置可以是充电装置并且次要装置可以是气溶胶生成装置。充电装置可包括电压源。气溶胶生成装置可包括一个或多个电气溶胶生成元件；和一个或多个混合电容器。通常，气溶胶生成装置是便携式装置或手持式装置。气溶胶生成装置通常可具有常规香烟或雪茄的形状和尺寸。在一些实施方案中，充电装置可以是便携式装置或手持式装置。充电装置通常可具有常规香烟包装的形状和尺寸。
充电装置可包括电路，所述电路被配置成控制从电压源到一个或多个混合电容器的功率供给。充电装置的电路可包括微处理器。充电装置的电路可以包括在电压源与一个或多个混合电容器之间的电压调节器。微处理器可以被配置或编程以控制电压调节器来控制从电压源到一个或多个混合电容器的功率供给。
气溶胶生成装置可包括电路，其配置成控制从一个或多个混合电容器到一个或多个电气溶胶生成元件的功率供给。气溶胶生成装置的电路可包括微处理器。气溶胶生成装置的电路可包括在一个或多个混合电容器与一个或多个气溶胶生成元件之间的电压调节器。微处理器可以被配置或编程以控制电压调节器来控制从一个或多个混合电容器到一个或多个气溶胶生成元件的供给功率。
充电装置的电路可以被配置或编程为在充电模式期间从电压源向一个或多个混合电容器供电，并且气溶胶生成装置的电路可以被配置或编程为在加热模式期间从一个或多个混合电容器向一个或多个气溶胶生成元件供电。
充电装置的电路可以被配置为以恒定电流从电压源向一个或多个混合电容器供电，直至电压在充电模式期间达到预定值。恒定电流和预定电压值可以通过混合电容器的特性来设定。
如果一旦达到预定的最大电压值就消除了充电电流，则一个或多个混合电容器的内阻可能导致一个或多个混合电容器的电压下降。因而，如果一旦达到预定的最大电压值就消除了充电电流，则在一个或多个混合电容器完全充电之前终止一个或多个混合电容器的充电。
充电装置的电路可以被配置为在达到预定的最大电压值之后继续对一个或多个混合电容器充电，以补偿由一个或多个混合电容器的内阻引起的电压降。特别地，充电装置的电路可以被配置为在充电模式中以恒定电压从电压源向一个或多个混合电容器供电。优选地，恒定电压值与预定电压值相同。
当一个或多个混合电容器接近完全充电状态时，充电电流可能减小。当充电电流达到零时，一个或多个混合电容器被完全充电。
在优选的实施方案中，充电装置的电路可以被配置为以恒定电流从电压源向一个或多个混合电容器供电，直至电压达到预定的最大电压值，并且随后以恒定电压从电压源向一个或多个混合电容器供电，直至电流达到充电模式中的最小电流阈值。
换句话说，可以使用恒定电流阶段然后恒定电压阶段对一个或多个混合电容器充电。在恒定电流阶段，调节混合电容器两端的电压以保持恒定的充电电流Ich，直至混合电容器两端的电压达到确定的电压极限，即预定的最大电压值Vch，其中Ich和Vch由一个或多个混合电容器的特性设定。在恒定电压阶段，一个或多个混合电容器两端的电压保持在恒定电压值Vch，直至电流降到零，此时一个或多个混合电容器被完全充电，或直至充电电流下降到预定的最小电流阈值I低以下。预定的最小电流阈值I低越低，一个或多个混合电容器所需的最小充电时间越长，但是一个或多个混合电容器将越接近完全充电状态。
为了快速充电，希望最大化恒定电流阶段的长度，并使恒定电压阶段的时间最小化。预定的最小电流阈值I低可以设定为一个或多个混合电容器具有足以向一个或多个气溶胶生成元件供给能量以用于单个气溶胶生成期的电荷状态的值。单个气溶胶生成期可包括一至二十次抽吸。优选地，单个气溶胶生成期包括约14次抽吸。
气溶胶生成装置的电路可以被配置为向用户指示何时达到预定的最小电流阈值I低。例如，气溶胶生成装置的电路可包括LED，例如绿色LED，并且电路可以被配置为当已经达到预定的最小电流阈值I低时点亮LED。因而，用户能够确定气溶胶生成装置的一个或多个混合电容器何时保持足够的电荷以提供气溶胶生成期。
充电装置可以被配置为在达到预定的最小电流阈值I低之后继续对一个或多个混合电容器充电，直至电流达到零并且一个或多个混合电容器被完全充电或直至气溶胶生成装置由用户从充电装置移除。充电装置可以被配置为在充电恒定电压下继续对一个或多个混合电容器充电。
恒定充电电流Ich可以在约0.5A至约5A之间。优选地，恒定充电电流Ich是约2A。预定最大电压值Vch可以在约1V至5V之间。优选地，预定最大电压值VCH是约3.8V。预定的最小电流阈值I低可以在约10mA至约300mA之间，可以在约20mA至约200mA之间，或者可以是约50mA。
充电装置的电路可以被配置为在混合电容器的充电期间周期性地将一个或多个混合电容器的输出电压与预定的最小阈值电压进行比较。
充电装置可包括连接在电池与混合电容器之间的功率转换器。充电装置的电路可以被配置为通过减小从电压源施加到功率转换器的电压脉冲的占空比来减小到一个或多个混合电容器的电流。充电装置的电路可以被配置为通过不向功率转换器施加电压脉冲来减小到一个或多个混合电容器的电流。
当一个或多个混合电容器以恒定电流阶段充电时，充电电压必须增加以补偿混合电容器的增加的电压。因此，恒定电流阶段需要从充电电压源获得最小充电电压。
一个或多个混合电容器是用于向便携式气溶胶生成装置的气溶胶生成元件提供高功率脉冲的理想电源。气溶胶生成装置的电路可以被配置成在加热模式期间以脉冲形式从一个或多个混合电容器向一个或多个气溶胶生成元件供电。脉冲可以具有预定的持续时间。每个脉冲的持续时间可以是抽吸的持续时间。每个脉冲的持续时间可以小于抽吸的持续时间。在抽吸的持续时间内可以向一个或多个加热元件提供一个以上的脉冲。脉冲的持续时间可以在约100μs至约5s之间。脉冲的频率可以在约0.2Hz至约1kHz之间。
气溶胶生成装置的电路可以被配置成调节供给到一个或多个气溶胶生成元件的功率。
气溶胶生成装置的电路可以被配置成通过脉冲频率调制来调节对一个或多个气溶胶生成元件的功率供给。脉冲频率调制包括改变脉冲的频率，同时保持恒定的脉冲宽度。
气溶胶生成装置的电路可以被配置成通过脉冲宽度调制来调节对一个或多个气溶胶生成元件的功率供给。脉冲宽度调制包括在恒定频率下改变占空比。占空比是电力接通时间与电力关闭时间的比率。换句话说，电压脉冲宽度与电压脉冲之间的时间的比率。5％的低占空比将提供比95％的占空比小得多的功率。
混合电容器的电压随着存储在一个或多个混合电容器中的电荷而线性变化。因而，混合电容器的电压随着混合电容器的电荷减少而降低。气溶胶生成装置的电路可以配置成在一个或多个混合电容器放电时调节对一个或多个气溶胶生成元件的功率供给，以维持对气溶胶生成元件的恒定能量供给。气溶胶生成装置的电路可以配置成使用脉冲频率调制或脉冲宽度调制来调节对一个或多个混合电容器的功率供给。
气溶胶生成装置的电路可以配置成在抽吸持续时间内调节对一个或多个气溶胶生成元件的功率供给。在一些实施方案中，气溶胶生成装置的电路可以配置成在抽吸开始时向一个或多个气溶胶生成元件供给高功率或最大功率并且减少供给到一个或多个气溶胶生成元件的功率，至在抽吸结束时达到低功率或最小功率。这可以减少单次抽吸中消耗的能量，同时保持在整个抽吸过程中产生可接受的气溶胶。这可以通过减少气溶胶生成至抽吸结束来减少气溶胶生成装置中凝结的积聚。
高功率和低功率值可以是用于从气溶胶生成系统产生可接受的气溶胶的任何合适的功率值。例如，高功率可以在约18W至约5W之间，并且低功率可以在约8W至约2W之间。例如，气溶胶生成装置的电路可以被配置为当检测到抽吸时对于一个或多个气溶胶生成元件供给约10W的高功率持续约1.5秒的第一时期，并且随后向一个或多个气溶胶生成元件供给约5W的较低功率持续约1.5秒的第二时期。
气溶胶生成装置的电路可以配置成通过脉冲频率调制或通过脉冲宽度调制在抽吸持续时间内调节对一个或多个气溶胶生成元件的功率供给。
气溶胶生成装置的电路可以配置成在抽吸持续时间内从高功率到低功率逐渐降低供给到一个或多个气溶胶生成元件的功率。气溶胶生成装置的电路可以配置成在抽吸持续时间内以两个或更多个阶段从高功率到低功率降低供给到一个或多个气溶胶生成元件的功率。气溶胶生成装置的电路可以配置成在抽吸期间以2至6个阶段降低供给到一个或多个气溶胶生成元件的功率。
每个阶段的持续时间可能相同。每个阶段的持续时间可能不同。每个阶段的持续时间可以在约0.2秒至约1.5秒之间，或约0.75秒。
每个阶段或增量的功率降低幅度对于每个阶段可能是相同的。每个阶段的功率降低幅度对于每个阶段可能是不同的。每个阶段的功率降低幅度可以在约0.5W至约4W之间，或约2W。
在一些实施方案中，在抽吸持续时间内，每个阶段的功率降低幅度可能增加。例如，气溶胶生成装置的电路可以被配置为在3秒的抽吸持续时间内以三个阶段降低供给到电气溶胶生成元件的功率，其通过以下：最初当检测到抽吸时向一个或多个电气溶胶生成元件供给10W持续0.75秒的第一时期；向一个或多个电气溶胶生成元件供给9W持续0.75秒的第二时期；向一个或多个电气溶胶生成元件供给7W持续0.75秒的第三时期；和向一个或多个电气溶胶生成元件供给3W持续0.75秒的第四时期。
在其它实施方案中，在抽吸持续时间内，每个阶段的降低幅度可能减小。
在一些实施方案中，气溶胶生成装置的电路被配置成监测一个或多个气溶胶生成元件的温度。气溶胶生成装置的电路可以进一步配置成基于一个或多个气溶胶生成元件的温度来调节对一个或多个气溶胶生成元件的功率供给。
气溶胶生成装置的电路可以配置成确定一个或多个混合电容器的充电状态。换句话说，气溶胶生成装置的电路可以配置成确定存储在一个或多个混合电容器中的能量的量。气溶胶生成装置的电路可以被配置为基于一个或多个混合电容器两端的电压测量结果来确定一个或多个混合电容器的充电状态。存储能量与电压之间的关系可以使用等式1确定，如下：
E＝1/2CV2
等式1
其中E是存储在混合电容器中的能量，C是混合电容器的电容，并且V是混合电容器的电压。存储能量与电压的直接关系可以使得能够准确估计一个或多个混合电容器的充电状态。
气溶胶生成装置的电路可以被配置或编程以确定存储在一个或多个混合电容器中的能量的量。气溶胶生成装置的电路可以被配置或编程以确定一个或多个混合电容器中剩余的电荷百分比。气溶胶生成装置的电路可以被配置或编程以基于抽吸的平均能量和存储在一个或多个混合电容器中的确定能量的量来确定剩余的抽吸次数。
气溶胶生成装置的电路可以被配置为向用户指示一个或多个混合电容器的充电状态，例如以装置壳体上的显示器上的数字形式，或者以装置壳体上的点亮LED的数字形式。
气溶胶生成装置和充电装置可以在充电模式期间彼此电连接并且在加热模式期间彼此电断开。电连接可以是物理连接，例如在两个相对的电触头之间，或者可以是电感连接，例如两个平行线圈之间的电感耦合。
在一些实施方案中，气溶胶生成装置和充电装置可以在充电模式期间物理耦合，使得气溶胶生成装置的电触头接触充电装置的电触头。
气溶胶生成装置的电触头可以与充电装置的电极相同。气溶胶生成装置的电触头可以与充电装置的电极不同。电触头可以是任何合适的形状，例如环形触头、点触头或板触头。电触头可以是弹性的，以使触头偏置或促使触头与另一个装置的相对触头物理接触。
在一些实施方案中，气溶胶生成装置的电触头可以是环绕气溶胶生成装置的环形触头。在一些实施方案中，充电装置的电触头可以是环绕充电装置的腔体的环形电极，其配置成在充电模式下容纳气溶胶生成装置。在气溶胶生成装置和充电装置中的至少一个上设置环形电极可以消除在气溶胶生成装置和充电装置耦合时保持气溶胶生成装置相对于充电装置的特定旋转方向的需要。
在一些实施方案中，气溶胶生成装置和充电装置可以在充电模式期间电感耦合。
所述系统可以包括对准构件，以便于气溶胶生成装置和充电装置在充电位置对准，其中气溶胶生成装置的电触头与充电装置的电触头接触，或者气溶胶生成装置与充电装置电感耦合。
在一些实施方案中，所述系统可包括磁性对准构件。例如，气溶胶生成装置可包括第一磁性材料，并且充电装置可包括第二磁性材料，所述第二磁性材料被配置成磁性地吸引所述第一磁性材料。术语‘磁性材料’在本文中用于描述能够与磁场相互作用的材料，包括顺磁性和铁磁性材料。磁性材料可以是顺磁性材料，使得它仅在外部磁场存在下保持磁化。磁性材料可以是在外部磁场存在下磁化并且在去除外部磁场之后保持磁化的材料(例如铁磁性材料)。如本文所用的术语‘磁性材料’涵盖两种类型的可磁化材料，以及已经磁化的材料。
第一磁性材料和第二磁性材料可以布置成使得当气溶胶生成装置和充电装置处于充电位置时，第一磁性材料与第二材料相邻或紧邻。第一磁性材料和第二磁性材料可以配置成使得第一磁性材料和第二磁性材料之间的吸引磁力可以将气溶胶生成装置和充电装置保持在充电位置。当气溶胶生成装置紧邻充电装置和充电位置布置时，第一磁性材料与第二磁性材料之间的吸引磁力也可将气溶胶生成装置吸入充电位置。
气溶胶生成装置的电路和充电装置的电路可以配置成在充电模式中彼此通信。气溶胶生成装置的电路可以配置成将信号发送到充电装置，并且充电装置的电路可以配置成从气溶胶生成装置的电路接收信号。充电装置的电路可以配置成将信号发送到气溶胶生成装置，并且气溶胶生成装置的电路可以配置成从充电装置的电路接收信号。当气溶胶生成装置和充电装置物理或电感耦合时，可以经由气溶胶生成装置与充电装置之间的物理或电感连接发送信号。
充电装置的电压源可以是DC电压源。电压源可以是可再充电的电压源。电压源可以是电池。优选地，电压源是可再充电的锂离子电池。锂离子电池可以从主电源再充电。锂离子电池可以被配置为在需要再充电之前保持足够的电荷以对一个或多个混合电容器再充电若干次。锂电池可以保持足够的电荷以使装置的一个或多个混合电容器能够充电2、3、4、5、6或7次。电池可以是氧化钴锂(LiCoO2)电池。电池可以是棱柱形、圆柱形或袋形。电池可具有1000mAh至约2000mAh之间的容量。
在电压源是可再充电的电压源的情况下，充电装置的电路可包括用于将充电装置电连接到外部电源以对电池进行再充电的构件。外部电源可以是主电源或墙上电源。
在一些实施方案中，充电装置的电路可包括用于将充电装置物理连接到外部电源的构件。例如，充电装置可包括连接器，例如USB端口。
在一些实施方案中，充电装置的电路可包括用于将充电装置电感耦合到外部电源的构件。例如，充电装置可包括一个或多个环形连接器或线圈。
充电装置和气溶胶生成装置可包括壳体。壳体可以由相同的材料制成。壳体可包括任何合适的材料或材料组合。合适的材料的实例包括金属，合金，塑料或含有一种或多种这些材料的复合材料，或适用于食品或药物应用的热塑性塑料，例如聚丙烯、聚醚醚酮(PEEK)和聚乙烯。材料可以是轻质且不易碎的。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于电操作气溶胶生成系统的气溶胶生成装置，所述装置包括：壳体，其具有用于容纳包含气溶胶形成基质的气溶胶生成制品的腔体；一个或多个电气溶胶生成元件；和一个或多个混合电容器，用于向所述一个或多个电气溶胶生成元件供电。
气溶胶生成装置还可包括电路，所述电路被配置成控制从一个或多个混合电容器到一个或多个电气溶胶生成元件的功率供给，所述一个或多个混合电容器在加热模式中通过一个或多个气溶胶生成元件放电。
气溶胶生成装置的电路可包括用于检测用户在气溶胶生成系统上抽吸的抽吸检测器。
在一些实施方案中，气溶胶生成装置的气溶胶生成元件可以是电加热元件，例如电阻或电感加热元件。在其它实施方案中，气溶胶生成元件可以是可振动元件或适于雾化气溶胶生成制品的气溶胶形成基质的任何其它类型的元件。
气溶胶生成装置的电路可以进一步配置成与外部装置(例如电话或个人计算机)通信。气溶胶生成装置的电路可以配置成将使用或充电数据发送到外部装置。气溶胶生成装置的电路可以配置成与外部装置无线通信。例如，气溶胶生成装置的电路可包括收发器。气溶胶生成装置的电路可包括电连接器，例如USB端口，用于连接到外部装置。
充电装置的电路可以进一步配置为与外部装置例如电话或个人计算机通信。充电装置的电路可以配置为将使用或充电数据发送到外部装置。充电装置的电路可以配置为与外部装置无线通信。例如，充电装置的电路可包括收发器。充电装置的电路可以配置为经由用于将充电装置电连接到外部电源的装置与外部装置通信。
根据本发明的第三方面，提供了一种对包括混合电容器电源的气溶胶生成装置进行充电的方法。所述方法包括：将混合电容器的输出电压与阈值电压进行比较；当来自混合电容器的输出电压等于或大于阈值电压时，使用恒定的第一电流对混合电容器充电，并且当施加到混合电容器的充电电压达到最大允许电压或者来自电池的输出电压小于阈值电压时降低充电电流；以及当施加到混合电容器的充电电压达到最大允许电压或者来自电池的输出电压小于阈值电压时，降低充电电流以使施加到电池的充电电压保持在或接近最大允许电压。
根据本发明的第四方面，提供了一种操作气溶胶生成装置的方法，所述装置包括一个或多个气溶胶生成元件和配置成向所述一个或多个气溶胶生成元件供电的一个或多个混合电容器，所述方法包括：检测用户在气溶胶生成装置上的抽吸；以及当检测到用户的抽吸时以给定时间的脉冲从一个或多个混合电容器向一个或多个气溶胶生成元件供电。
根据本发明的第一、第二和第三方面的系统、装置和方法可以应用于电子操作吸烟系统。充电装置可用于对电子操作吸烟装置中的混合电容器进行充电。电子操作吸烟装置可包括一个或多个电动加热器，其被配置成加热气溶胶形成基质。气溶胶形成基质可以具有烟嘴部分的香烟形式提供，最终用户在烟嘴部分上吸气。混合电容器可有利地为单次吸烟期提供足够的功率，从而耗尽单一气溶胶形成基质。
应该清楚的是，关于本公开的一个方面描述的特征可以单独地或与本公开的其它描述的方面和特征组合应用于本公开的其它方面。
附图说明
现在将参考附图详细描述本发明的实施方案，在所述附图中：
图1是根据本发明的电操作气溶胶生成系统的示意图，所述系统包括具有混合电容器电源的气溶胶生成装置和包括充电电池的相关充电装置；
图2是说明图1的电操作气溶胶生成系统的充电系统的电路图；和
图3示出了图1的气溶胶生成装置的混合电容器电源的典型充电和放电曲线。
具体实施方式
图1示出了主要装置100和具有可再充电电源的次要装置102。该实施例中的主要装置100是用于电操作气溶胶生成装置的充电单元。该实施例中的次要装置102是电操作气溶胶生成装置，其适于容纳包含气溶胶形成基质的气溶胶生成制品104。气溶胶生成装置102包括加热器134，以在操作中加热气溶胶形成基质。用户在气溶胶生成制品104的烟嘴部分上吸气，以将气溶胶吸入到使用者的口中。气溶胶生成装置102被配置成容纳在充电装置100中的腔体112内，以便为气溶胶生成装置102中的电源再充电。
充电装置100包括电池106、电路108和电触头110，其配置成当气溶胶生成装置102与电触头110连接时，从电池106向气溶胶生成装置102中的可再充电电源提供电力。电触头110设置在腔体112的底部附近。所述腔体被配置成容纳气溶胶生成装置102。充电装置100的部件容纳在壳体116内。
气溶胶生成装置102包括呈混合电容器126形式的可再充电电源、次级电路128和电触头130。如上所述，气溶胶生成装置102的混合电容器126被配置为当电触头130与充电装置100的电触头110接触时接收来自电池106的功率供给。气溶胶生成装置102还包括腔体132，其被配置成容纳吸烟制品104。呈例如叶片加热器形式的加热器134设置在腔体132的底部。在使用中，用户启动气溶胶生成装置102，并且经由电路128从混合电容器126向加热器134提供功率。将加热器加热到标准操作温度，该温度足以从气溶胶生成制品104的气溶胶形成基质生成气溶胶。气溶胶生成装置102的部件容纳在壳体136内。这种类型的气溶胶生成装置在例如EP2110033中更充分地描述。
气溶胶形成基质优选包含含有挥发性烟草香味化合物的含烟草材料，所述挥发性烟草香味化合物在加热时从基质中释放。或者，气溶胶形成基质可包含非烟草材料。优选地，气溶胶形成基质还包含气溶胶形成剂。合适的气溶胶形成剂的实例是甘油和丙二醇。
气溶胶形成基质可以是固体基质。固体基质可以包括例如以下中的一种或多种：粉末、颗粒、球粒、细片、细条、条带或片材，其含有以下中的一种或多种：草本植物叶、烟草叶、烟草叶脉片段、复原烟草、均质烟草、挤出烟草以及膨胀烟草。
在该实施例中，气溶胶生成装置102是便携式电操作气溶胶生成装置。因此，需要气溶胶生成装置102很小(常规香烟尺寸)，以便它可以握持在用户的手中，但也需要对于用户在气溶胶生成制品104的烟嘴上进行的每次抽吸在短短几秒的时期内递送高功率。通常，气溶胶生成装置102必须在每次抽吸时递送高功率约3秒，并且在单次用户体验中提供14次抽吸。然后，混合电容器126可能需要返回到充电装置100以进行再充电。希望在几分钟并且优选小于一分钟之内完成再充电，至少达到足以允许另一次完全吸烟体验的水平。
充电装置中的电池106是锂离子电池。电池106被配置为在本身需要再充电之前保持足够的电荷以对混合电容器126再充电若干次。这为用户提供了便携式系统，其允许在需要从主电源插座再充电之前进行多次用户体验。
本实施例中的混合电容器126是40F，LIC1235R 3R8406，可从TAIYO YUDEN(U.S.A.)INC商购的锂离子电容器。混合电容器126是圆柱形电容器，其直径为12.5mm且长度为35.0mm。混合电容器136能够在每个循环大于280J下进行10 000次充电/放电循环。每次抽吸由混合电容器递送的平均功率为约5W，在约3秒的时期内向加热器134递送约15J。
充电装置100中的电池106是棱柱型的氧化钴锂(LiCoO2)电池。电池的容量为约1350mAh。电池的充电可以从主电源以0至1.5C的速率进行，并且通常以约0.5C的速率进行以使电池寿命最大化。
图2是说明由耦合的充电装置100和气溶胶生成装置102形成的充电电路的电路图。所述电路分为充电装置侧和气溶胶生成装置侧。虚线30表示充电装置100和气溶胶生成装置102之间的边界。充电装置侧包括受控电压源，其包括电池106和微控制器108。微控制器108被配置成基于混合电容器126两端的电流和电压测量结果来控制从电池106供给到混合电容器126的功率。气溶胶生成装置侧包括混合电容器126。
充电电路的内阻包括来自多个来源的贡献。电阻rp-和rp+表示充电装置100中的电子布局和焊片的电阻。电阻rs-和rs+表示气溶胶生成装置102中的电子布局和焊片的电阻。电阻rc-(t)和rc+(t)表示主要装置与气溶胶生成装置之间的接触电阻。它们将在不同装置之间变化，并且可以随着时间在不同充电循环之间变化。在参考图1所述类型的电操作气溶胶生成系统中，充电装置100和便携式气溶胶生成装置102可以每天多次接触和脱离接触，并且每次接触电阻可能不同。如果触头未保持清洁，则接触电阻也可能增加。电阻ri(t)表示混合电容器126的内阻。
接触电阻rc-(t)和rc+(t)可以根据混合电容器126两端的电压的测量结果来确定。气溶胶生成装置102的微控制器128被配置为测量混合电容器126两端的电压，并且经由触头将混合电容器126两端的测量电压与充电装置100的微控制器108通信。充电装置100的微控制器108被配置为使用混合电容器126两端的测量电压来确定接触电阻rc-(t)和rc+(t)。应当理解，在其它实施方案中，气溶胶生成装置102的微控制器128可以被配置为使用混合电容器126两端的测量电压来确定接触电阻并将所述接触电阻与充电装置100的微控制器108通信。
如果寄生电阻rp-、rp+、rs-、rs+、rc-(t)和rc+(t)组合成单个电阻R(t)，则混合电容器126两端的电压将小于电压源的充电电压，V降＝I*R(t)。
这意味着由电压源提供的充电电压可以在最大值Vch之上增加量I*R(t)，并且混合电容器126两端的电压将等于Vch。充电曲线的恒定电流阶段可以延长，直至充电电压达到Vch+I*R(t)。其后提供的充电电压也可以控制为大于Vch但不大于Vch+I*R(t)。因此，充电装置100的微控制器108可以被配置为控制由电压源供给到混合电容器126的充电电压，以补偿混合电容器126两端的电压降V降。
充电装置侧可包括在电池106与混合电容器126之间的电压调节器(未示出)，例如开关模式功率转换器。微控制器108可以被配置为控制开关模式功率转换器内的开关的切换，从而调节施加到混合电容器126的电压和电流。开关模式功率转换器可以是集成降压-升压转换器。
充电装置100包括充电端口137，例如USB端口，用于将充电装置100连接到外部电源138，例如主电源。充电装置100可以连接到外部电源以对电池106进行再充电。应当理解，在其它实施方案中，充电装置可包括一个或多个充电线圈，用于电感耦合到外部电源的充电线圈以对电池106进行再充电。
微控制器108还包括模块139，用于将电荷和使用数据发送到其它装置，例如用户的电话或计算机，用于跟踪充电装置的使用。
气溶胶生成装置侧102包括微控制器128，其控制从混合电容器126向加热器134的功率供给。微控制器128包括抽吸检测器(未示出)并且被配置为检测何时用户在气溶胶生成制品104的烟嘴上抽吸。微控制器128由混合电容器126供电；然而，在混合电容器126与微控制器128之间提供电压调节器129以保护微控制器的电压敏感部件。电压调节器129将从混合电容器126供给到微控制器128的电压维持在阈值水平(通常约1.8V)以下。
微控制器128控制开关133，以完成混合电容器128与加热器134之间的电路，以通过加热器对混合电容器126放电。这为加热器134提供了高功率脉冲，用于从气溶胶生成制品104的气溶胶形成基质生成气溶胶。微控制器128被配置为闭合开关133并在微控制器128检测到用户在气溶胶生成制品104的烟嘴上抽吸时向加热器134供电。
微控制器128还被配置为周期性地确定混合电容器126的充电状态。微控制器128被配置为基于混合电容器126两端的电压测量结果来确定混合电容器126的充电状态。微控制器128被配置为在显示器135上显示充电状态以告知用户。
微控制器128还包括模块，用于将充电状态和使用数据发送到其它装置，例如用户的电话或计算机，以跟踪装置的使用。
图3示出了图1的混合电容器126的标准充电和放电曲线。图3示出了混合电容器126的充电电压210、充电电流220和总放电容量230。
充电曲线包括初始恒定电流充电阶段240。在恒定电流阶段240期间，控制充电电压220以便提供恒定的充电电流Ich，在该实施例中为约2A。这通过切换开关模式功率转换器接通以在最大占空比下从电池向功率转换器施加电压脉冲来实现。这提供了最大充电速率。然而，当维持充电电流所需的来自电池的充电电压220超过最大充电电压Vch(在该实施例中为约3.8V)时，恒定充电电流阶段240结束。一旦达到该阶段，恒定电压充电阶段250开始。在恒定电压阶段250期间，充电电压220保持在最大Vch。在恒定电压阶段250期间，充电电流220随着充电电压220与混合电容器的电压之间的差异下降而下降。当充电电流210达到低阈值I结束(在该实施例中为50mA)时停止充电过程。最大充电电流和最大充电电压由混合电容器制造商设定。
一旦充电电流210达到低阈值I结束，混合电容器就具有足够的电荷以用于气溶胶生成期。气溶胶生成期通常包括在气溶胶生成装置上的7至14次抽吸，每次抽吸持续约3秒。气溶胶生成装置可以通过点亮装置壳体上的LED向用户指示混合电容器126具有足够的电荷用于气溶胶生成期。
当充电电流210达到低阈值I结束时，充电装置停止对混合电容器充电。然而，应当理解，在一些实施方案中，充电装置可以继续对混合电容器充电，直至充电电流达到零，或者用户将气溶胶生成装置从充电装置移除。
当气溶胶生成装置从充电装置移除以供使用时，混合电容器在加热阶段中放电。图3中所示的充电曲线还包括这样的加热阶段260。在加热阶段260期间，用户在气溶胶生成装置上进行一系列抽吸。每次抽吸持续约3秒的时期。当气溶胶生成装置的微处理器检测到气溶胶生成装置上的抽吸时，微处理器关闭开关133以从混合电容器向加热器134供给高功率脉冲以生成气溶胶。脉冲持续3秒的抽吸持续时间，并且每次抽吸消耗约15J。每次脉冲逐渐降低混合电容器的电压，直至达到电压下限，在该实施例中电压下限为2.2V。当混合电容器电压达到电压下限时，混合电容器不能向加热器递送足够的能量以用于另一次脉冲。在该实施例中，混合电容器已经存储了足够的能量以向加热器提供七次脉冲，对应于用户的七次抽吸。在优选的实施方案中，混合电容器存储足够的能量以向加热器提供十四次脉冲，对应于用户的十四次抽吸。
应当理解，上面关于电操作气溶胶生成系统描述的特征也可以适用于其它电操作系统。特别地，其它电操作气溶胶生成系统可包括气溶胶生成装置，所述装置包括具有一个或多个混合电容器的电源和具有电压源的充电装置，所述电压源用于向所述装置的一个或多个混合电容器供电。
上述示例性实施方案是说明性而非限制性的。鉴于上面讨论的示例性实施方案，与上述示例性实施方案一致的其它实施方案现在对于本领域普通技术人员而言是显而易见的。

Claims (14)

1.一种用于容纳气溶胶形成基质的电操作气溶胶生成系统，所述系统包括：
一个或多个电气溶胶生成元件；
一个或多个混合电容器，用于向所述一个或多个电气溶胶生成元件供电；和
电压源，用于向所述一个或多个混合电容器供电以对所述一个或多个混合电容器进行充电。
2.根据权利要求1所述的电操作气溶胶生成系统，其中所述系统包括：
气溶胶生成装置，其包括：
所述一个或多个电气溶胶生成元件；和
所述一个或多个混合电容器；和
充电装置，其包括：
所述电压源。
3.根据权利要求2所述的电操作气溶胶生成系统，其中：
所述充电装置还包括配置成控制从所述电压源向所述一个或多个混合电容器的功率供给的电路；并且
所述气溶胶生成装置还包括配置成控制从所述一个或多个混合电容器向所述一个或多个电气溶胶生成元件的功率供给的电路。
4.根据权利要求3所述的电操作气溶胶生成系统，其中：
所述充电装置的所述电路被配置成在充电模式期间从所述电压源向所述一个或多个混合电容器供电；并且
所述气溶胶生成装置的所述电路被配置成在加热模式期间从所述一个或多个混合电容器向所述一个或多个气溶胶生成元件供电。
5.根据权利要求4所述的电操作气溶胶生成系统，其中所述充电装置的所述电路被配置成在恒定电流下从所述电压源向所述一个或多个混合电容器供电，直至电压在所述充电模式期间达到预定值。
6.根据权利要求4所述的电操作气溶胶生成系统，其中所述充电装置的所述电路被配置成在恒定电流下从所述电压源向所述一个或多个混合电容器供电，直至电压达到预定值，并且随后在恒定电压下从所述电压源向所述一个或多个混合电容器供电，至少直至电流在所述充电模式期间达到预定值。
7.根据权利要求4、5或6所述的电操作气溶胶生成系统，其中所述气溶胶生成装置的所述电路被配置成在所述加热模式期间以给定持续时间的脉冲从所述一个或多个混合电容器向所述一个或多个气溶胶生成元件供电。
8.根据权利要求7所述的电操作气溶胶生成系统，其中所述气溶胶生成装置的所述电路被配置成通过脉冲频率调制或通过脉冲宽度调制来调节向所述一个或多个气溶胶生成元件的功率供给。
9.根据权利要求7或8所述的电操作气溶胶生成系统，其中所述气溶胶生成装置的所述电路被配置成在抽吸持续时间内以两个或更多个阶段从高功率到低功率调节供给到所述一个或多个气溶胶生成元件的功率。
10.根据权利要求4至9中任一项所述的电操作气溶胶生成系统，其中所述气溶胶生成装置和所述充电装置在所述充电模式期间彼此电连接并且在所述加热模式期间彼此电断开。
11.根据任何前述权利要求所述的电操作气溶胶生成系统，其中所述一个或多个混合电容器是锂离子电容器。
12.一种用于根据权利要求2至11中任一项所述的电操作气溶胶生成系统的电操作气溶胶生成装置，所述装置包括：
壳体，其具有用于容纳包含气溶胶形成基质的气溶胶生成制品的腔体；
一个或多个电气溶胶生成元件，其布置在所述腔体处或周围；和一个或多个混合电容器，其用于向所述一个或多个电气溶胶生成元件供电。
13.根据权利要求12所述的电操作气溶胶生成装置，其中所述装置还包括电路，所述电路被配置成：
控制从所述一个或多个混合电容器向所述一个或多个电气溶胶生成元件的功率供给，所述一个或多个混合电容器在加热模式中通过所述一个或多个气溶胶生成元件放电。
14.一种对包括混合电容器电源的气溶胶生成装置进行充电的方法，所述方法包括：
比较所述一个或多个混合电容器的输出电压与阈值电压；
当来自所述一个或多个混合电容器的输出电压等于或大于所述阈值电压时，使用恒定充电电流对所述一个或多个混合电容器进行充电，并且当施加到所述一个或多个混合电容器的充电电压达到预定最大允许电压或者来自所述一个或多个混合电容器的输出电压小于所述阈值电压时，降低所述充电电流；并且
当施加到所述一个或多个混合电容器的充电电压达到最大允许电压或者来自所述一个或多个混合电容器的输出电压小于所述阈值电压时，降低所述充电电流以维持施加到所述一个或多个混合电容器的充电电压处于或接近所述最大允许电压。
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