JP2015534458A - 充電デバイスを含むポータブル電子システムおよび二次電池を充電する方法 - Google Patents

Abstract

一態様では、一次デバイスおよび二次デバイスを含むポータブル電気システムが提供され、一次デバイスは、第１の酸化リチウムコバルト電池を有し、二次デバイスは、第２のリン酸鉄リチウム電池またはチタン酸リチウム電池を有し、一次デバイスおよび二次デバイスは、２Ｃから１６Ｃの間のレートで第１の電池からの第２の電池の再充電を可能にするように構成される。

Description

本発明は、充電器および二次デバイスを含むポータブル電子システムに関し、二次デバイスの充電および動作のための方法に関する。本発明は、ポータブル電子喫煙システムに適用され得る。

従来技術の電気動作喫煙システムは、典型的には、喫煙物を収容するためのハウジングと、エアロゾルを生成するための加熱要素と、電源と、システムの動作を制御するための電子回路とを含む。
ポータブル電子喫煙デバイスは、従来のたばこの喫煙者によって広く採用されることになる場合、ユーザにとって小さく便利である必要がある。このことは、ポータブル電子喫煙デバイスの電源に対するいくつかの技術的な要件につながる。電源、典型的には電池は、従来のたばこと同様のサイズの喫煙デバイス内にフィットするほど十分に小さくなければならず、喫煙物からエアロゾルを生成するのに十分な電力を供給しなければならない。再充電可能電池を使用する考えは、従来技術で示唆されてきたが、商業的に実施可能なシステムでは、再充電可能電池は、少なくとも１つの喫煙セッションの間、十分な電力を供給することができ、次の喫煙セッションの間、再使用することができるレベルに迅速、安全、かつ便利に再充電することができ、数千の充電サイクルの間、動作可能でなければならない。

再充電可能電源に対するこれらの要件を満たす、システムおよび充電方法を提供することが、本発明の目的である。
本発明の一態様では、一次デバイスおよび二次デバイスを含むポータブル電気システムが提供され、一次デバイスは、第１の酸化リチウムコバルト電池を有し、二次デバイスは、第２のリン酸鉄リチウム電池またはチタン酸リチウム電池を有し、一次デバイスおよび二次デバイスは、２Ｃから１６Ｃの間のレートで第１の電池から第２の電池を再充電するか、またはその再充電を可能にするように構成される。
二次デバイスは、電気加熱喫煙デバイスであり得る。電気加熱喫煙デバイスは、第２の電池によって給電される電気ヒータを含み得る。電気ヒータは、エアロゾル形成基体を加熱するように構成され得る。一次デバイスは、ポータブル充電ユニットであることができ、従来のたばこパックと同様の形状およびサイズにされ得る。二次デバイスは、再充電サイクル中に二次デバイス内に収容され得る。

二次デバイス用のリン酸鉄リチウム（またはチタン酸リチウム）電池の使用は、安全に高速充電放電レートを可能にする。電気加熱喫煙デバイスの場合には、ほんの数分の時間期間にわたってヒータに供給されるべき高電力が必要なので、高速放電が必要である。喫煙者はしばしば、第１のたばこの後に極めて短時間で次のたばこを吸いたいので、高速充電が必要である。
単一の第１の電池から第２の電池の充電を提供するために、第１の電池は、第２の電池よりも高い電圧を有しなければならない。第１の電池はさらに、それ自体を再充電または交換する必要がないうちに複数の再充電サイクルを提供すべき場合、第２の電池よりも大きい充電容量を有しなければならない。酸化リチウムコバルト電池化学特性は、所与のサイズにおいて、リン酸鉄リチウム（または、チタン酸リチウム）電池よりも大きい電池電圧および充電容量を提供する。したがって、第１の酸化リチウムコバルト電池を有する一次デバイスと、第２のリン酸鉄リチウム電池またはチタン酸リチウム電池を有する二次デバイスとの組合せは、ポータブル電気喫煙システム、または二次デバイスが電池から高電力の短期間のバーストを必要とする任意の同様のポータブルシステムにとって有利である。
第１の電池の容量は、有利にも、第２の電池の容量よりも少なくとも５倍大きい可能性がある。第１の電池の容量は、有利にも、第２の電池の容量の５倍から４０倍の間である可能性がある。一次デバイスは、０から１．５Ｃの間のレートで主電源からの第１の電池の再充電を可能にするように構成され得る。

第２の電池は、有利にも、１サイクル当り９００Ｊを超えて少なくとも６０００充電／放電サイクルを経ることができ、１サイクル当り９００Ｊを超えて少なくとも７０００充電／放電サイクル、または１サイクル当り９００Ｊを超えて少なくとも８０００充電／放電サイクルを経ることができ得る。平均充電レートは、１２Ｃまでであり得る。第２の電池は、有利にも、しきい値電池容量、たとえば定格電池容量の８０％未満まで降下することなく、少なくとも６０００充電／放電サイクル、好ましくは少なくとも８０００充電／放電サイクルを経ることができる。第２の電池の放電レートは、約１３Ｃであり得るが、２８Ｃと同程度でもよい。

一次デバイスは、二次電池に接続するための出力端子の対と、ＤＣ電源と、充電電圧を制御するためにＤＣ電源と出力端子との間に接続された電圧調整器と、電圧調整器および出力端子に結合されたマイクロプロセッサとを含むことができ、充電デバイスおよび二次電池は、互いに結合され、充電回路を形成するように構成され、マイクロプロセッサは、
第１の充電電圧を供給するために電圧調整器を制御し、
第１の充電電圧と、第１の充電電圧よりも低い第２の充電電圧とにおける充電回路中の電流を測定することによって充電回路の内部抵抗を特定し、
特定された内部抵抗を補償するレベルまで電圧調整器によって供給される第１の充電電圧を制限する
ように構成される。

一次デバイスは、二次電池に接続するための出力端子の対と、ＤＣ電源と、充電電圧を制御するためにＤＣ電源と出力端子との間に接続された電圧調整器と、電圧調整器および出力端子に結合されたマイクロプロセッサとを含むことができ、充電デバイスおよび二次電池は、互いに結合され、充電回路を形成するように構成され、マイクロプロセッサは、
第１の充電電圧を供給するために電圧調整器を制御し、
充電回路の内部抵抗を特定し、
特定された内部抵抗および二次電池の特性に基づいて最大充電電圧を計算し、
第１の充電電圧が最大充電電圧に達するまで所定の充電電流を維持するために第１の充電電圧を調整し、その後、最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに第１の充電電圧を調整し、その後、定期的にまたは継続的に最大充電電圧を再計算し、再計算された最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに充電電圧を維持するように充電電圧を調整する
ように構成される。

本開示の第２の態様では、一次デバイス中の第１の電池から二次デバイス中の第２の電池を充電する方法が提供され、一次デバイスおよび二次デバイスは、ポータブル電気システムを形成し、一次デバイスは、第１の酸化リチウムコバルト電池を有し、二次デバイスは、第２のリン酸鉄リチウム電池またはチタン酸リチウム電池を有し、本方法は、２Ｃから１６Ｃの間のレートで第１の電池から第２の電池を充電するステップを含む。
本開示の第３の態様では、
リン酸鉄リチウム電池またはチタン酸リチウム電池と、
ヒータ要素であって、ヒータ要素の動作が電池を放電させる、ヒータ要素と、
電池に接続された放電検出回路であって、電池電圧がしきい値電圧レベル未満であると放電検出回路が判定したとき、ヒータ要素の動作を無効にするようにシステムが構成される、放電検出回路と
を含む、電気加熱喫煙システムが提供される。

しきい値電圧レベルは、電池容量が回復できないほど低減される電圧を超える電圧に設定され得る。たとえば、電池は、最大電池電圧を有することができ、しきい値電圧レベルは、最大電池電圧の１５％から２５％の間であり得る。この充電レベル未満では、電池容量は、回復できないほど失われ得る。しかしながら、電池化学特性の改善または変更により、しきい値レベルを１５％未満まで、たとえば最大電池電圧の５％まで低減することができ得る。
電池が完全には放電しないことを確実にすることにより、電池の不可逆反応を大幅に低減させ、それによって、電池の動作寿命を保存する。

有利にも、電池電圧がしきい値電圧レベル未満であることを放電検出回路が判定する際に加熱要素を無効にした後、システムは、単一の喫煙体験を完了するのに十分なしきい値充電レベルに電池が充電されるまで、ヒータ要素の無効化を維持するように構成される。しきい値充電レベルは、最大電池容量の約９０％であり得る。
本開示の第４の態様では、
リン酸鉄リチウム電池またはチタン酸リチウム電池と、
ヒータ要素であって、ヒータ要素の動作が電池を放電させる、ヒータ要素と、
電池に接続された放電検出回路と
を含む、電気加熱喫煙システムを動作させる方法が提供され、本方法は、
電池電圧がしきい値電圧レベル未満であることを放電検出回路が判定する際にヒータ要素の動作を無効にするステップを含む。
本方法は、単一の喫煙体験を完了するのに十分なしきい値充電レベルに電池が充電されるまで、ヒータ要素の無効化を維持するステップをさらに含むことができる。

本開示の第５の態様は、二次電池を充電するための充電デバイスを提供し、本充電デバイスは、
二次電池に接続するための出力端子の対と、ＤＣ電源と、充電電圧を制御するためにＤＣ電源と出力端子との間に接続された電圧調整器と、電圧調整器および出力端子に結合されたマイクロプロセッサと
を含み、充電デバイスおよび二次電池は、互いに結合され、充電回路を形成するように構成され、マイクロプロセッサは、
第１の充電電圧を供給するために電圧調整器を制御し、
第１の充電電圧と、第１の充電電圧よりも低い第２の充電電圧とにおける充電回路中の電流を測定することによって充電回路の内部抵抗を特定し、
特定された内部抵抗を補償するレベルまで電圧調整器によって供給される第１の充電電圧を制限する
ように構成される。

理想的な充電システムの場合、充電プロファイルは、２つの部分、すなわち、一定電流フェーズと一定電圧フェーズとに分割される。一定電流フェーズでは、二次電池の両端間の電圧は、それが規定された電圧制限値Ｖ_chに達するまで一定の最大充電電流Ｉ_chを維持するように調整され、Ｉ_chおよびＶ_chは、電池の特性によって設定される。一定電圧フェーズでは、電池の両端間の電圧は、電流が所定の値Ｉ_low未満に降下するまで固定値Ｖ_chに維持される。高速充電では、一定電流フェーズの長さを最大化するのが望ましい。
実際には、充電システムは決して理想的でない。充電デバイスおよび二次電池によって形成される充電回路は、充電回路の構成要素と、充電デバイスと二次電池との間の接触抵抗の両方の結果としての内部抵抗を有する。充電デバイスによって供給される充電電圧のある割合は、充電回路の内部抵抗の両端間で降下し、その結果、二次電池の両端間の電圧は、充電デバイスによって供給される充電電圧未満になる。本開示の第１の態様の充電デバイスは、Ｖ_chよりも大きい充電電圧を提供することができる。充電回路の内部抵抗を特定することにより、電池の両端間の電圧がＶ_chに等しいか、またはそれよりもやや小さくなるように充電電圧がＶ_chを超え得る量が計算され得る。このようにして、充電デバイスは、充電回路の内部抵抗の両端間の電圧降下を補償する充電電圧を供給する。このことにより、一定電流充電フェーズの持続時間が増加するが、それは、電圧調整器においてではなく電池におけるカットオフ電圧Ｖ_chを特定することは、カットオフ電圧に後で達することを意味するからである。

充電回路の内部抵抗は、時間とともに変化する。電池の内部抵抗は、電池の寿命とともに増加する。充電デバイスと二次電池との間の接触抵抗はまた、時間とともに変化する可能性があり、充電器によって、および電池によって変化する。本開示の第１の態様の充電デバイスは、充電サイクルの一定電流部分の長さが確実に最大化されるように、すべての充電サイクルの間、充電回路の内部抵抗を特定するように構成される。
一定電圧フェーズの間、マイクロプロセッサは、二次電池によって受け取られた電圧が所定の最大電圧Ｖ_chに等しくなるように、電圧調整器によって供給される充電電圧を制限するように構成され得る。
第２の充電電圧は、非ゼロであるのが好ましく、第１の充電電圧からの所定の電圧差を有し得る。あるいは、第２の充電電圧は、所定の非ゼロ電圧であり得る。第２の充電電圧が非ゼロであれば、充電プロセスに対するいかなる妨害もなく、充電時間が長くなる。

マイクロプロセッサは、充電電圧が、二次電池の特性および充電回路の特定された内部抵抗に基づいて計算された最大充電電圧を超えるまで、充電回路中の一定の充電電流を維持するために第１の充電電圧を調整するように構成され得る。

マイクロプロセッサは、最大電圧を計算し、単一の充電サイクルの間、複数回、最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに第１の充電電圧を維持するために第１の充電電圧を調整するように構成され得る。一定電圧フェーズの間、一定の充電電圧を単に供給するのではなく、充電回路の内部抵抗の両端間で降下した電圧を補償する調整済充電電圧を提供するのは有利である。二次電池がフル充電レベルに近づくとき、所与の充電電圧に対する充電電流は降下する。その結果、充電回路の内部抵抗の両端間で降下した電圧は降下する。このことは、今度は、電池の両端間の電圧が確実にＶ_chに等しくなるように電圧調整器によって供給されるのに必要な充電電圧が降下することを意味する。したがって、充電サイクルの間、特に充電電流が降下しているとき、複数回、最大充電電圧を再計算することは有利である。したがって、マイクロプロセッサは、最大電圧を継続的にまたは定期的に再計算し、単一の充電サイクルの間、第１の充電電圧が最初に最大充電電圧に達した後、最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに第１の充電電圧を維持するために第１の充電電圧を調整するように構成され得る。

マイクロプロセッサは、第１の充電電圧が所定の電圧レベルに達した後だけ最大充電電圧を計算するように構成され得る。たとえば、所定の電圧レベルは、最大電池電圧Ｖ_chであり得る。
本開示の第６の態様によれば、二次電池を充電する方法が提供され、本方法は、
充電回路を形成するために調整可能な電圧源を有する充電デバイスに二次電池を接続するステップと、
二次電池に所定の充電電流を提供するために電圧源によって供給される第１の電圧を制御するステップと、
第１の充電電圧と、第１の充電電圧よりも低い第２の充電電圧とにおける充電回路中の電流を測定することによって、充電回路の内部抵抗を特定するステップと、
特定された内部抵抗および二次電池の特性に基づいて最大充電電圧を計算するステップと、
第１の充電電圧が最大電圧レベルに達するまで所定の充電電流を維持するために第１の充電電圧を調整し、その後、最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに第１の充電電圧を維持するために第１の充電電圧を調整するステップと
を含む。

第５の態様と同様に、第２の充電電圧は、非ゼロであるのが好ましく、第１の充電電圧からの所定の電圧差を有し得る。
最大電圧を計算するステップ、および最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに第１の充電電圧を維持するために第１の充電電圧を調整するステップは、単一の充電サイクルの間、複数回、実行され得る。

最大電圧を計算するステップ、および最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに第１の充電電圧を維持するために第１の充電電圧を調整するステップは、単一の充電サイクルの間、第１の充電電圧が最初に最大充電電圧に達した後、継続的に実行され得る。
内部抵抗を特定するステップは、充電サイクルの間、定期的に実行され得る。
内部抵抗を特定するステップ、および最大充電電圧を計算するステップは、第１の充電電圧が所定の電圧レベルに達した後だけ実行され得る。たとえば、所定の電圧レベルは、最大電池電圧Ｖ_chであり得る。

本開示の第７の態様では、
二次電池に接続するための出力端子の対と、
ＤＣ電源と、
充電電圧を制御するためにＤＣ電源と出力端子との間に接続された電圧調整器と、
電圧調整器および出力端子に結合されたマイクロプロセッサと
を含む、充電デバイスが提供され、
充電デバイスおよび二次電池は、互いに結合され、充電回路を形成するように構成され、マイクロプロセッサは、
第１の充電電圧を供給するために電圧調整器を制御し、
充電回路の内部抵抗を特定し、
特定された内部抵抗および二次電池の特性に基づいて最大充電電圧を計算し、
第１の充電電圧が最大充電電圧に達するまで所定の充電電流を維持するために第１の充電電圧を調整し、その後、最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに第１の充電電圧を調整し、その後、定期的にまたは継続的に最大充電電圧を再計算し、再計算された最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに充電電圧を維持するように充電電圧を調整する
ように構成される。

一定電圧フェーズの間、一定の充電電圧を単に供給するのではなく、充電回路の内部抵抗の両端間で降下した電圧を補償する調整済充電電圧を提供するのは有利である。二次電池がフル充電レベルに近づくとき、所与の充電電圧に対する充電電流は降下する。その結果、充電回路の内部抵抗の両端間で降下した電圧は降下する。このことは、今度は、電池の両端間の電圧が確実にＶ_chに等しくなるように電圧調整器によって供給されるのに必要な充電電圧が降下することを意味する。したがって、充電サイクルの間、特に充電電流が降下しているとき、複数回、最大充電電圧を再計算することは有利である。したがって、マイクロプロセッサは、最大電圧を継続的にまたは定期的に再計算し、第１の充電電圧が最初に最大充電電圧に達した後、最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに第１の充電電圧を維持するために第１の充電電圧を調整するように構成される。内部抵抗を特定するステップは、内部抵抗を測定するステップ、または内部抵抗を評価するステップを含み得る。
本開示の第８の態様では、二次電池を充電する方法が提供され、本方法は、
充電回路を形成するために調整可能な電圧源を有する充電デバイスに二次電池を接続するステップと、
二次電池に所定の充電電流を提供するために電圧源によって供給される第１の電圧を制御するステップと、
充電回路の内部抵抗を特定するステップと、
特定された内部抵抗および二次電池の特性に基づいて最大充電電圧を計算するステップと、
第１の充電電圧が最大充電電圧に達するまで所定の充電電流を維持するために第１の充電電圧を調整し、その後、最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに第１の充電電圧を調整し、その後、定期的にまたは継続的に最大充電電圧を再計算し、再計算された最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに充電電圧を維持するように充電電圧を調整するステップと
を含む。

本開示の第５、第６、第７、および第８の態様による充電デバイスおよび充電方法は、電子喫煙システムに適用され得る。電子喫煙デバイス中の二次電池を充電するために、充電デバイスが使用され得る。電子喫煙デバイスは、エアロゾル形成基体を加熱するように構成された給電ヒータを含み得る。エアロゾル形成基体は、エンドユーザが吸入するマウスピース部分を有するたばこの形態で提供され得る。二次電池は、有利にも、単一のエアロゾル形成基体を消耗する、単一の喫煙セッションの間、十分な電力を提供することができる。
短い再充電時間は、電子たばこを受け入れるために重要である。本開示の充電デバイスおよび充電方法は、再充電プロセスの一定電流フェーズの持続時間を最大化し、一定電流フェーズが終了したとき、二次電池の両端間の電圧も最大化する。

第８の態様では、リン酸鉄リチウム電池またはチタン酸リチウム電池を適格試験する方法が提供され、本方法は、
ａ）少なくとも２Ｃのレートで電池を充電するステップと、
ｂ）電池を放電させるステップと、
ｃ）ステップａ）およびｂ）を少なくとも６０００回、繰り返すステップと、
ｄ）ステップｃ）の後、電池容量がしきい値容量よりも大きい場合、電池が適格基準を満たすことを判定するステップと
を含む。

しきい値容量は、電池の定格容量のあるパーセンテージ、たとえば定格電池容量の８０％であり得る。

電池を充電するステップは、１２Ｃの平均レートで充電するステップを含み得る。放電するステップは、約１３Ｃのレートで実行することができ、ミリ秒パルスを使用して実行され得る。ステップｃ）は、少なくとも７０００回または少なくとも８０００回、ステップａ）およびｂ）を繰り返すステップを含み得る。
第９の態様では、リン酸鉄リチウム電池またはチタン酸リチウム電池のバッチを適格試験する方法が提供され、本方法は、電池のバッチから複数の電池のサンプルを選択するステップと、複数の電池の各々において第８の態様の方法を実施するステップとを含む。複数の電池は、バッチからランダムに選択され得る。複数の電池のすべてが適格基準を満たす場合、電池のバッチは、適格基準を満たすものと判定され得る。
第１０の態様では、第８の態様によって、適格基準を満たすものと判定された１つの電池または電池のバッチが提供される。
本開示の一態様に関連して説明される特徴は、単独で、または本開示の他の説明される態様および特徴と組み合わせて、本開示の他の態様に適用され得ることは明らかであろう。

ここで、本開示の様々な態様による例は、添付の図面を参照して、詳細に説明される。

一次ユニットおよび二次ユニットを含む電子喫煙システムの一例を示す概略図である。 従来技術による、再充電可能電池の標準充電プロファイルを示す図である。 図２ａの充電プロファイルの制御プロセスを示す流れ図である。 図１の結合された一次デバイスおよび二次デバイスによって形成された充電回路の概略図である。 本発明の一実施形態による充電プロファイルを示す図である。 図４の充電プロファイルの制御プロセスを示す流れ図である。 図４の充電プロファイルの別の制御プロセスを示す流れ図である。 図４の充電プロファイルのさらに別の制御プロセスを示す流れ図である。 充電回路の内部抵抗を計算するためのプロセスを示す流れ図である。 図１に示すタイプのシステム中の二次電池の余分な放電を回避するための制御プロセスを示す流れ図である。

図１は、一次デバイス１００および二次デバイス１０２を示す。この例では、一次デバイス１００は、電気加熱喫煙システム用の充電ユニットである。この例では、二次デバイス１０２は、エアロゾル形成基体を含む喫煙物１０４を収容するように構成された電気加熱エアロゾル生成デバイスである。二次デバイスは、動作時のエアロゾル形成基体を加熱するためのヒータを含む。ユーザは、エアロゾルをユーザの口に引き込むために喫煙物１０４のマウスピース部分で吸入する。二次デバイス１０２は、その中の電源を再充電するために一次デバイス１００中のキャビティ１１２内に収容されるように構成される。
一次デバイス１００は、第１の電池１０６と、制御電子回路１０８と、二次デバイスが電気接点１１０と接続しているとき、第１の電池１０６から二次デバイス中の第２の電池に電力を供給するように構成された電気接点１１０とを含む。電気接点１１０は、キャビティ１１２の底部に近接して設けられる。キャビティは、二次デバイス１０２を収容するように構成される。一次デバイス１００の構成要素は、ハウジング１１６内に収容される。

二次デバイス１０２は、第２の電池１２６、二次制御電子回路１２８、および電気接点１３０を含む。上述のように、二次デバイス１０２の第２の再充電可能な電池１２６は、電気接点１３０が一次デバイス１００の電気接点１１０に接続しているとき、第１の電池１０６から電力の供給を受けるように構成される。二次デバイス１０２は、喫煙物１０４を収容するように構成されたキャビティ１３２をさらに含む。たとえばブレードヒータの形態のヒータ１３４は、キャビティ１３２の底部に設けられる。使用時、ユーザは、二次デバイス１０２を有効にして、電力が電池１２６から制御電子回路１２８を介してヒータ１３４に供給される。ヒータは、エアロゾル生成物１０４のエアロゾル形成基体からエアロゾルを生成するのに十分な標準の動作温度まで加熱される。二次デバイス１０２の構成要素は、ハウジング１３６内に収容される。このタイプの二次デバイスは、たとえばＥＰ２１１００３３により十分に記載されている。
エアロゾル形成基体は、加熱すると、基体から放出される揮発性のタバコ風味化合物を含むタバコ含有物質を含むのが好ましい。あるいは、エアロゾル形成基体は、非タバコ物質を含み得る。エアロゾル形成基体は、エアロゾル形成物質をさらに含むのが好ましい。好適なエアロゾル形成物質の例は、グリセリンおよびプロピレングリコールである。
エアロゾル形成基体は、固体状基体であり得る。固体状基体は、たとえば、ハーブの葉、タバコの葉、タバコの葉脈の断片、再構成されたタバコ、均質化されたタバコ、押し出されたタバコ、および引き延ばされたタバコのうちの１つまたは複数を含む、粉、顆粒、ペレット、断片、スパゲティ状のもの、ストリップ、またはシートのうちの１つまたは複数を含み得る。あるいは、エアロゾル形成基体は、液体状基体であってもよく、喫煙物は、液体状基体を保持するための手段を含み得る。あるいは、エアロゾル形成基体は、任意の他の種類の基体、たとえば、気体状基体、または様々なタイプの基体の任意の組合せであり得る。

この例では、二次デバイス１０２は、電気加熱喫煙デバイスである。したがって、二次デバイス１０２は、小さい（従来のたばこサイズ）が、単一の喫煙セッションでは、ほんの数分、典型的には約７分の時間にわたって高電力を供給しなければならない。その場合、第２の電池は、再充電するために一次デバイス１００に戻される必要があり得る。数分間のうちに、好ましくは６分未満で次の完全な喫煙体験を可能にするのに少なくとも十分なレベルまで、再充電が完了されるのが望ましい。

一次デバイス中の第１の電池１０６は、それ自体を再充電する必要がないうちに、第２の電池１２６を数回再充電するのに十分な電荷を保持するように構成される。これにより、ユーザは、主電源のコンセントからの再充電が必要とされないうちに、いくつかの喫煙セッションを可能にするポータブルシステムを提供される。
さらに、第２の電池は、頻繁に交換する必要がないのが望ましい。第２の電池は、典型的なユーザでは約８０００充電／放電サイクルに相当する、少なくとも１年の耐用寿命を有するのが好ましい。

小さいサイズ、十分な容量および安全性があるが、高速に充電および放電でき、許容可能な寿命がある第２の電池１２６の競合する要件を満たすために、この例などでは、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ₄）電池化学特性が使用され得る。この例では、第２の電池１２６は、１０ｍｍの直径および３７ｍｍの長さの円筒形状を有する。この電池は、１サイクル当り９００Ｊを超えて８０００サイクルの充電／放電を経ることができる。平均充電レートは、１２Ｃまでであり得る。１Ｃの充電レートは、電池が、０充電からフル充電まで１時間で完全に充電されることを意味し、２Ｃの充電レートは、電池が、０充電からフル充電まで半時間で完全に充電されることを意味する。電池容量は、１２５ｍＡｈ程度である。最大充電電流は、９８０ｍＡから１．５Ａの範囲であり得る。２Ａまでの１ミリ秒パルスを使用して放電が行われる。放電レートは、ヒータの抵抗に依存し、同様に、ヒータの温度に依存する。大気温度では、放電レートは、２８Ｃと同じ高さであり得るが、より高い温度では、ヒータの抵抗が増加するにつれて低減される。典型的な動作温度では、放電レートは、約１３Ｃである。代替として、第２の電池にチタン酸リチウム電池が使用され得る。

第２の電池のサンプルは、充電／放電の耐用サイクルの数の点で確実に適格基準を満たすことができるように適格試験され得る。適格試験は、少なくとも２Ｃのレートで電池を充電するステップと、電池を放電するステップと、少なくとも６０００回、充電／放電サイクルを繰り返すステップと、次いで、電池容量が元の定格電池容量の８０％などのしきい値容量よりも大きい場合に、電池が適格基準を満たすことを判定するステップとを含み得る。
一次ユニット１００中の第１の電池１０６は、角柱タイプの酸化リチウムコバルト（ＬｉＣｏＯ２）電池である。第１の電池は、第２の電池の容量の１０倍を超える、約１３５０ｍＡｈの容量を有する。第２の電池は、２Ｃから１６Ｃの間のレートで第１の電池から充電され得る。１Ｃのレートで第１の電池を放電することにより、第２の電池に１０Ｃを超える充電レートが提供される。第１の電池の充電は、０から１．５Ｃの間のレートで、典型的には電池寿命を最大化するために約０．５Ｃのレートで主電源から行われ得る。
酸化リチウムコバルト電池は、リン酸鉄リチウムよりも高い電池電圧を提供し、単一の酸化リチウムコバルト電池からリン酸鉄リチウム電池の充電を可能にする。

図２ａは、再充電可能電池を充電するための標準充電プロファイルを示す。図２ａは、充電デバイスからの充電電圧２１０と、充電デバイスからの充電電流２２０と、充電されている第２の電池の電池電圧２３０とを示す。充電プロファイルは、初期の一定電流フェーズ３００からなる。一定電流フェーズ３００の間、充電電圧２１０は、一定の最大充電電流Ｉ_chを供給するように制御される。これにより、最大レートの充電が提供される。しかしながら、一定充電電流フェーズ２００は、最大充電電流を維持するのに必要な充電電圧が最大充電電圧Ｖ_chを超えるとき、終了する。Ｖ_chは、第２の電池の寿命を保存するレベルに設定される。図２ａの点２０３で示す、このステージに達すると、一定電圧フェーズ２０２が開始する。一定電圧フェーズの間、充電電圧２１０は、最大値Ｖ_chに保持される。一定電圧フェーズの間、充電電圧２１０と電池電圧２３０との間の差が降下するとき、充電電流が降下する。充電電流が低しきい値Ｉ_endに達するとき、充電プロセスは停止される。最大充電電流および最大充電電圧は、電池製造者によって設定される。

図２ｂは、このプロセスにおける制御ステップを示す。ステップ２０では、充電電流が、最大充電電流Ｉ_chに設定される。一定電流フェーズの間、制御ロジックは、充電電圧を最大許容充電電圧Ｖ_chと比較する。このことは、ステップ２２として示される。充電電圧がＶ_ch未満である場合、充電電流が維持される。充電電流がＶ_chに等しいかまたはそれを超える場合、一定電流フェーズは終了され、充電電圧がＶ_chに設定される。このことは、ステップ２４として示される。次いで、制御ロジックは、ステップ２６で充電電流を監視する。充電電流がＩ_end未満であると、充電プロセスは、完了したと見なされ、ステップ２８で終了される。

図２ａおよび図２ｂに示す充電プロファイルは、図１を参照して説明されるシステムに使用され得る。しかしながら、充電回路における内部抵抗を補償することによって、充電時間がより短くされ得る。より短い充電時間は、特に、再充電時間がほんの数分でなければならない、電子喫煙システムなどのシステムには望ましい。

図３は、結合された一次デバイスおよび二次デバイスによって形成された充電回路を示す回路図である。一次デバイス側と二次デバイス側とに分割される。点線３０は、一次デバイス１００と二次デバイス１０２との間の境界を表す。一次デバイス側は、第１の電池および電圧調整器を含む制御電圧源３２０と、電流Ｉおよび電圧Ｖの測定値に基づいて電圧源３４０を制御するように構成されたマイクロコントローラ３４０とを含む。二次デバイス側は、第２の電池１２６を含む。充電回路の内部抵抗は、いくつかの電源からの寄与を含む。抵抗ｒ_p-およびｒ_p+は、一次デバイスにおける電子回路レイアウトおよび半田タブの電気抵抗を表す。抵抗ｒ_s-およびｒ_s+は、一次デバイスにおける電子回路レイアウトおよび半田タブの電気抵抗を表す。抵抗ｒ_c-（ｔ）およびｒ_c+（ｔ）は、一次デバイスと二次デバイスとの間の接点の電気抵抗を表す。これらの電気抵抗は、デバイスによって変化し、充電サイクルによって時間とともに変化する。図１を参照して説明されるタイプの電気喫煙システムでは、一次ユニットおよび二次ユニットは、１日に数回、接触され、また離され、各回で接触抵抗が異なり得る。接触抵抗は、接点が掃除されていない場合も増加し得る。抵抗ｒ_i(t)は、第２の電池の内部抵抗を表し、第２の電池の寿命にわたって増加する。
寄生抵抗ｒ_p-、ｒ_p+、ｒ_s-、ｒ_s+、ｒ_c-（ｔ）、ｒ_c+（ｔ）が結合されて単一の抵抗Ｒ（ｔ）になる場合、第２の電池の両端間の電圧は、Ｖ_drop＝Ｉ^*Ｒ（ｔ）だけ電圧源からの充電電圧よりも小さい。
このことは、電圧源によって供給される充電電圧が、量Ｉ^*Ｒ（ｔ）だけ最大値Ｖ_chよりも増加することができ、第２の電池の両端間の電圧は、Ｖ_chに等しくなることを意味する。充電プロファイルの一定電流フェーズは、充電電圧がＶ_ch＋Ｉ^*Ｒ（ｔ）に達する点まで、延長され得る。さらに、その後に供給される充電電圧は、Ｖ_chよりも大きく、Ｖ_ch＋Ｉ^*Ｒ（ｔ）以下になるように制御され得る。

図４は、本発明の一態様による充電プロファイルを示し、供給される充電電圧は、Ｖ_chを超える。充電プロファイルは、一定電流フェーズ４００および疑似一定電圧フェーズ４０２を含む。電圧源からの充電電圧は、４１０として示され、充電電流は４２０として示され、第２の電池の電圧は４３０として示される。
一定電流フェーズ４００は、充電電圧がＶ_comp＝Ｖ_ch＋Ｉ^*Ｒ（ｔ）の最大値に達するまで延長する。疑似一定電圧フェーズ４０２では、充電電圧は、Ｖ_compに等しくなるように制御される。充電サイクルは、充電電流がＩ_endに等しくなるとき、終了される。

図５ａ、図５ｂ、および図５ｃは、図４に示された充電プロファイルを実施するための別の制御ストラテジーを示す。図５ａは、ステップ５００で開始するプロセスを示す。ステップ５１０では、充電電流は、製造者によって指定された最大充電電流Ｉ_chに設定される。ステップ５２０では、充電回路の内部抵抗が測定される。
充電回路の内部抵抗を測定するためのプロセスは、図６に示される。第１のステップ６１０では、充電電流Ｉ₁および充電電圧Ｖ₁が測定される。次いで、ステップ６２０で、より低い電圧Ｖ₂まで低減されるが、Ｖ₂＝Ｖ₁−ΔＶである。ΔＶは、数ミリボルトの固定された所定の電圧差である。ステップ６３０で、低減された電圧Ｖ₂および対応する低減された電流Ｉ₂が測定される。この電圧は、マイクロコントローラによって電圧および電流を一度（または平均値を提供するために数回）測定するのに十分な長さである、１００〜４００μｓの時間の間、低減されるだけである。ステップ６４０で、充電回路の内部抵抗Ｒ_iが、関係式Ｒ_i＝（Ｖ₁−Ｖ₂）／（Ｉ₁−Ｉ₂）を使用して計算される。このプロセスは、ステップ６５０で終了し、以下で説明するように繰り返され得る。

ステップ５３０では、充電電圧は、補償済最大充電電圧Ｖ_compと比較される。内部抵抗Ｒ_iは、寄生抵抗Ｒ（ｔ）と電池の内部抵抗ｒ_i（ｔ）の両方を含む。Ｖ_comp＝Ｖ_ch＋Ｒ（ｔ）。第２の電池の最大内部抵抗ｒ_imaxは、電池製造者によって提供され、Ｒ（ｔ）の値をＲ_iから導くために使用され得る。代替として、電池の両端間の電圧は、寄生抵抗を特定することができるように、直接測定され、マイクロコントローラに渡され得る。Ｒ（ｔ）の値を使用して、Ｖ_compが計算され得る。

充電電圧がＶ_comp未満である場合、一定電流フェーズは継続し、ステップ５３０は、Ｖ_compの計算値に基づいて繰り返される。充電電圧がＶ_compに等しいか、またはそれを超える場合、一定電流フェーズは終了し、ステップ５４０で、充電電圧はＶ_compに設定される。ステップ５５０では、充電電流はＩ_endと比較される。充電電流がＩ_endよりも大きいか、またはそれに等しい場合、プロセスはステップ５４０に戻る。充電電圧は、新規に測定された充電電流に基づいてＶ_compの新規の値に再設定され、次いで、プロセスはステップ５５０に進む。ステップ５４０および５５０のこの制御ループは、必要に応じた頻度で繰り返され得る。ステップ５５０で充電電流がＩ_end未満である場合、ステップ５６０で充電サイクルは終了され、このことがユーザに示される。Ｉ_endの値は、電池の全容量に基づいて設定され得るか、または二次デバイスの１回の標準的な使用、たとえば単一の喫煙セッションに必要なエネルギー量に基づく可能性がある。
図５ｂは、別の充電プロセスを示す。図５ｂのプロセスでは、ステップ５００および５１０は、図５ａを参照して説明されるステップと同一である。ステップ５１５が、図５ａに示すプロセスに追加される。ステップ５１５では、充電電圧が、電池製造者によって指定された最大充電電圧Ｖ_chと比較される。充電電圧がＶ_chに等しいか、それを超える場合のみ、プロセスは、内部抵抗を特定するステップ５２０に進む。ステップ５２０および５３０は、図５ａを参照して説明される通りであるが、図５ｂのプロセスでは、充電電圧がＶ_chに達した後だけ、内部抵抗およびＶ_compが計算される。図５ｂの疑似一定電流フェーズでは、第１のステップは、ステップ５３５の内部抵抗の再計算である。充電回路の内部抵抗は、充電プロセス中に増加する可能性があるが、再計算により、Ｖ_compのより十分な計算およびより短くなる可能性がある充電時間が可能になる。ステップ５４０、５５０、および５６０は、図５ａを参照して説明された通りである。

図５ｃは、さらに別の充電プロセスを示す。図５ｃのプロセスでは、ステップ５００、５１０、および５２０は、図５ａを参照して説明された通りである。ステップ５２５では、図５ａおよび図５ｂのステップ５３０と同様に、充電電圧が、補償済最大充電電圧Ｖ_compと比較される。しかしながら、ステップ５２５では、充電電圧がＶ_compよりも大きいか、またはそれに等しい場合、プロセスはステップ５２０に戻る。
図５ｃのステップ５３５および５４０は、図５ｂのステップ５３５および５４０と同一である。ステップ５４５では、充電電圧はＩ_endと比較される。充電電圧がＩ_endよりも大きいか、またはそれに等しい場合、プロセスはステップ５３５に戻り、ステップ５４０の前に、内部抵抗が再計算され、Ｖ_compが更新される。ステップ５５０で、充電電流がＩ_end未満である場合、充電サイクルは、ステップ５６０で終了され、このことがユーザに示される。以上で説明したように、Ｉ_endの値は、電池の全容量に基づく可能性があり、その結果、電池は、フル充電の一定の割合、たとえばフル充電の９０％まで充電される。あるいは、Ｉ_endは、二次デバイスの単一の使用に必要な蓄積エネルギー量に基づいて設定され得る。

図５ａ、図５ｂ、および図５ｃは、例示的な制御プロセスであり、同じ一般原則に従えば、他のプロセスが可能であることが明らかであろう。たとえば、図５ａ、図５ｂ、および図５ｃの一定電流フェーズのいずれも、図５ａ、図５ｂ、および図５ｃの疑似一定電圧フェーズのいずれかとともに使用されてもよく、９つの異なる可能な制御プロセスを提供する。

電気喫煙システムなどのシステムでは、二次デバイスを再充電するのに掛かる時間が減少すると、ユーザの選択を大幅に増やし得る。重要な要件は、使いやすさおよび使い勝手の良さであり、数分しか続かない再充電サイクルでは、１秒１秒が目立つ。図４ならびに図５ａ、図５ｂ、および図５ｃを参照して説明された再充電プロセスは、電池製造者によって指定された動作制限内で高速再充電を提供する。

本開示のさらなる態様が、図７に示される。図１に示す二次デバイスを参照すれば、二次デバイス１０２は、第２の電池がそのフル充電レベルの２０％未満まで降下した場合に動作を回避するように構成され得る。これにより、第２の電池の寿命が保護される。制御電子回路１２８は、使用時の第２の電池の電池電圧を監視するように構成される。電池電圧がフル充電電圧の２０％まで降下したとき、本デバイスは、第２の電池がしきい値充電レベルに再充電されるまで無効になる。しきい値充電レベルは、再度、電池の寿命を保護するために、その最大電池容量よりも小さくなるように、たとえば全容量の９０％になるように選択され得る。２０％レベルは、リン酸鉄リチウム電池には良いしきい値レベルであることがわかったが、１５％から２５％の間の任意のレベルを使用することができ、様々な電池化学特性に合わせるために他のレベルを選択することができる。
図７は、制御電子回路１２８が実行するように構成された制御プロセスを示す。このプロセスは、ステップ７００で開始する。ステップ７２０では、二次電池の電池電圧が、デバイスの動作を可能にするための最小開始電圧Ｖ_minと比較される。電池電圧がＶ_min未満である場合、二次デバイスは、ヒータのさらなる動作を可能にせず、次の再充電サイクルまで電池容量を保存するために低電流モードに入る。次いで、プロセスは、ステップ７３０で終了する。喫煙デバイスの場合には、このことにより、単一の喫煙体験（たとえば、従来のたばこを吸う体験に相当する）を完了するのに第２の電池に十分な電荷がない場合、デバイスの加熱動作が回避される。第２の電池が再充電されると、プロセスは、ステップ７００で再開する。

電池電圧がＶ_minよりも大きいか、またはそれに等しい場合、デバイスは十分に動作することが可能になる。動作中、第２の電池の電池電圧が、第２のしきい値、この場合Ｖ_min／５、すなわち最小開始電池電圧の２０％と繰り返し比較される。これは、ステップ７４０として示される。電池電圧がＶ_min／５よりも大きい場合、デバイスは、動作可能であり続け、ステップ７４０が繰り返される。電池電圧がＶ_min／５よりも小さいか、またはそれに等しい場合、デバイスは、ステップ７５０でヒータが無効になる、低電力モードに入る。ヒータが無効になると、制御プロセスは、ステップ７００で再度開始しなければならず、その結果、ヒータは、電池電圧がＶ_minよりも大きいか、またはそれに等しいレベルに第２の電池が再充電されるまで、動作することができない。

上述の例示的な実施形態は、例示するが、限定されない。ここで、上述の例示的な実施形態を考慮すれば、以上の例示的な実施形態と矛盾しない他の実施形態が当業者には明らかになるであろう。

Claims (21)

1. 一次デバイスおよび二次デバイスを含むポータブル電気システムであって、前記一次デバイスは、第１の酸化リチウムコバルト電池を有し、前記二次デバイスは、第２のリン酸鉄リチウム電池またはチタン酸リチウム電池を有し、前記一次デバイスおよび前記二次デバイスは、２Ｃから１６Ｃの間のレートで前記第１の電池からの前記第２の電池の再充電を可能にするように構成される、ポータブル電気システム。
2. 前記第１の電池の容量は、前記第２の電池の容量よりも少なくとも５倍大きい、請求項１に記載のポータブル電気システム。
3. 前記第１の電池の容量は、前記第２の電池の容量の５倍から４０倍の間である、請求項３に記載のポータブル電気システム。
4. 前記二次デバイスは、電気加熱喫煙デバイスである、請求項１から３までのいずれか１項に記載のポータブル電気システム。
5. 前記一次デバイスは、０から１．５Ｃの間のレートで主電源からの前記第１の電池の再充電を可能にするように構成される、請求項１から４までのいずれか１項に記載のポータブル電気システム。
6. 前記第２の電池は、１サイクル当り９００Ｊを超えて少なくとも６０００充電／放電サイクルを経ることができる、請求項１から５までのいずれか１項に記載のポータブル電気システム。
7. 前記第２の電池は、１サイクル当り９００Ｊを超えて少なくとも８０００充電／放電サイクルを経ることができる、請求項１から６までのいずれか１項に記載のポータブル電気システム。
8. 前記一次デバイスは、
   前記二次電池に接続するための出力端子の対と、
   ＤＣ電源と、
   充電電圧を制御するために前記ＤＣ電源と前記出力端子との間に接続された電圧調整器と、
   前記電圧調整器および前記出力端子に結合されたマイクロプロセッサとを含み、前記充電デバイスおよび二次電池は、互いに結合され、充電回路を形成するように構成され、前記マイクロプロセッサは、
   第１の充電電圧を供給するために前記電圧調整器を制御し、
   前記第１の充電電圧と、前記第１の充電電圧よりも低い第２の充電電圧とにおける前記充電回路中の電流を測定することによって前記充電回路の内部抵抗を特定し、
   前記特定された内部抵抗を補償するレベルまで前記電圧調整器によって供給される前記第１の充電電圧を制限する
   ように構成される、請求項１から７までのいずれか１項に記載のポータブル電気システム。
9. 前記一次デバイスは、
   二次電池に接続するための出力端子の対と、
   ＤＣ電源と、
   充電電圧を制御するために前記ＤＣ電源と前記出力端子との間に接続された電圧調整器と、
   前記電圧調整器および前記出力端子に結合されたマイクロプロセッサとを含み、前記充電デバイスおよび二次電池は、互いに結合され、充電回路を形成するように構成され、前記マイクロプロセッサは、
   第１の充電電圧を供給するために前記電圧調整器を制御し、
   前記充電回路の内部抵抗を特定し、
   前記特定された内部抵抗および前記二次電池の特性に基づいて最大充電電圧を計算し、
   前記第１の充電電圧が前記最大充電電圧に達するまで所定の充電電流を維持するために前記第１の充電電圧を調整し、その後、前記最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに前記第１の充電電圧を調整し、その後、定期的にまたは継続的に前記最大充電電圧を再計算し、前記再計算された最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに前記充電電圧を維持するように前記充電電圧を調整する
   ように構成される、請求項１から６までのいずれか１項に記載のポータブル電気システム。
10. 一次デバイス中の第１の電池から二次デバイス中の第２の電池を充電する方法であって、前記一次デバイスおよび前記二次デバイスは、ポータブル電気システムを形成し、前記一次デバイスは、第１の酸化リチウムコバルト電池を有し、前記二次デバイスは、第２のリン酸鉄リチウム電池またはチタン酸リチウム電池を有し、２Ｃから１６Ｃの間のレートで前記第１の電池から前記第２の電池を充電するステップを含む、方法。
11. リン酸鉄リチウム電池またはチタン酸リチウム電池と、
    ヒータ要素の動作が前記電池を放電させるヒータ要素と、
    前記電池に接続された放電検出回路とを含み、電池電圧がしきい値電圧レベル未満であると前記放電検出回路が判定したとき、前記ヒータ要素の動作を無効にし、単一の喫煙体験を完了するのに十分なしきい値充電レベルに前記電池が充電されるまで、前記ヒータ要素の無効化を維持するようにシステムが構成される、電気加熱喫煙システム。
12. 前記しきい値電圧レベルは、電池容量が回復できないほど低減される電圧を超えて設定される、請求項１１に記載の電気加熱喫煙システム。
13. 前記しきい値電圧レベルは、それがフル充電されたとき、前記電池の電圧の１５％から２５％の間である、請求項１１または１２に記載の電気加熱喫煙システム。
14. 前記しきい値充電レベルは、最大電池容量の約９０％である、請求項１１、１２、または１３に記載の電気加熱喫煙システム。
15. リン酸鉄リチウム電池またはチタン酸リチウム電池と、
    ヒータ要素の動作が前記電池を放電させるヒータ要素と、
    前記電池に接続された放電検出回路と
    を含む、電気加熱喫煙システムを動作させる方法であって、
    電池電圧がしきい値電圧レベル未満であることを前記放電検出回路が判定する際に前記ヒータ要素の動作を無効にするステップと、
    単一の喫煙体験を完了するのに十分なしきい値充電レベルに前記電池が充電されるまで、前記ヒータ要素の無効化を維持するステップと
    を含む、方法。
16. リン酸鉄リチウム電池またはチタン酸リチウム電池を適格試験する方法であって、
    ａ）少なくとも２Ｃのレートで前記電池を充電するステップと、
    ｂ）前記電池を放電させるステップと、
    ｃ）ステップａ）およびｂ）を少なくとも６０００回、繰り返すステップと、
    ｄ）ステップｃ）の後、電池容量がしきい値容量よりも大きい場合、前記電池が適格基準を満たすことを判定するステップと
    を含む、方法。
17. 前記電池を充電する前記ステップは、１２Ｃの平均レートで充電するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記電池を放電する前記ステップは、１３Ｃの平均レートで放電するステップを含む、請求項１６または１７に記載の方法。
19. ステップｃ）は、ステップａ）およびｂ）を少なくとも８０００回、繰り返すステップを含む、請求項１６、１７、または１８に記載の方法。
20. リン酸鉄リチウム電池またはチタン酸リチウム電池のバッチを適格試験する方法であって、電池の前記バッチから複数の電池のサンプルを選択するステップと、前記複数の電池の各々において請求項１６から１９までのいずれか１項の方法を実施するステップとを含む、方法。
21. 請求項１６から１９までのいずれか１項による、適格基準を満たすものと判定される電池。

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