TW201616768A - 適應性電池充電方法及系統 - Google Patents

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Abstract

描述一種電池至電池充電系統，其一般地操作快速充電程序，該快速充電程序包含恆定電流階段繼之以恆定電壓階段。然而，當用以對第二電池充電的第一電池不再可提供足夠高電壓以進行該快速充電程序時，該充電程序經調適以在該「恆定電流階段」期間減小充電電流，且藉此將該第一電池電壓維持為高於最小電壓臨限值。此情形允許該第一電池對該第二電池充電達到至少一個以上充電循環，儘管快速充電不可被進行。

Description

適應性電池充電方法及系統
本發明係關於使用一個電池來對另一電池再充電的系統，且對於由另一電池對鋰離子電池充電為特別有利的。
鋰離子電池通常使用恆定電流階段繼之以恆定電壓階段來充電。在恆定電流階段中，越過次要電池之電壓經調整以維持恆定最大充電電流Ich，直至越過電池之電壓達到所界定電壓限值Vch為止，其中Ich及Vch由電池之性質來設定。在恆定電壓階段中，越過電池之電壓維持於固定值Vch，直至電流下降至預定值Ilow以下為止。為了快速充電，需使恆定電流階段之長度達到最大化。
由於第二電池以恆定電流階段充電，因此充電電壓必須增加以補償第二電池增加之電壓。恆定電流階段因而要求充電電池提供最小充電電壓。
在電池至電池充電系統中，隨著充電電池老化，其內部電阻增加，且結果其可遞送之電壓被減小。當充電電池不再可遞送快速充電操作要求的最小電壓時，其必須經再充電或替換。
本發明之目標為提供一種電池至電池充電系統，在與當前市售系統比較時，該系統可提供快速充電，但其在充電電池需要經再充電或替換之前可支援增加的充電循環數目。
在本發明之第一態樣中，提供一種由第一電池對第二電池充電之方法，該方法包含以下步驟：比較該第一電池之輸出電壓與臨限電壓；及當來自該第一電池之該輸出電壓等於或大於該臨限電壓時，使用第一電流對該第二電池充電；及當來自該第一電池之該輸出電壓小於該臨限電壓時，減小該第一電流。
該第一電流可被減小，直至該第一電池之該輸出電壓等於或大於一第二臨限電壓為止。該第二臨限電壓可等於該第一臨限電壓，或可不同於該第一臨限電壓。
減小該電流之該步驟可包含減小施加至電力轉換器的電壓脈衝之工作循環，該電力轉換器連接於該第一電池與該第二電池之間。
該比較步驟可在該第二電池之充電期間交互地進行。該減小步驟可包含在該比較步驟之該結果之後不施加電壓脈衝至連接於該第一電池與該第二電池之間的電力轉換器。
該減小電流步驟可包含減小電流之脈衝施加至第二電池的頻率。
該方法可包含當來自該第一電池之該輸出電 壓等於或大於該臨限電壓時，使用第一恆定電流使該第二電池充電，及在施加至該第二電池的該充電電壓達到最大准許電壓或來自該第一電池之該輸出電壓小於該臨限電壓時減小該充電電流。
當施加至該第二電池的該充電電壓達到最大 准許電壓或來自該第一電池的該輸出電壓小於該臨限電壓時，可減小該充電電流以維持施加至該第一電池的該充電電壓於或靠近該最大准許電壓。
該方法可包含當充電電流減小至小於或等於最小電流臨限值的電流時停止第二電池的充電。
第二電池可為鋰離子電池。
在本發明之第二態樣中，提供一種充電裝置，其包含：第一電池，其構造成使連接至該裝置之次要電池充電，及控制電路，其構造成控制該次要電池的充電，其中該控制電路構造成：比較該第一電池之輸出電壓與臨限電壓；及若來自該第一電池之該輸出電壓等於或大於該臨限電壓，則使用第一電流對該第二電池充電；及若來自該第一電池之該輸出電壓小於該臨限電壓，則減小該第一電流。
控制電路可構造成減小該第一電流，直至該第一電池之該輸出電壓等於或大於第二臨限電壓為止。該第二臨限電壓可等於該第一臨限電壓，或可不同於該第一臨限電壓。
充電裝置可包含連接於該第一電池與該第二電池之間的電力轉換器，且該控制電路可構造成藉由減小自該第一電池施加至該電力轉換器的電壓脈衝之工作循環來減小該第一電流。
控制電路可構造成在該第二電池之充電期間週期性地比較該第一電池之該輸出電壓與該臨限電壓。該控制電路可構造成藉由在該比較步驟的該結果之後不施加電壓脈衝至連接於該第一電池與該第二電池之間的電力轉換器而減小該第一電流。
該控制電路可構造成當來自該第一電池之該輸出電壓等於或大於該臨限電壓時使用恆定第一電流對該第二電池充電，且當施加至該第二電池之該充電電壓達到最大准許電壓，或來自該第一電池的該輸出電壓小於該臨限電壓時減小該充電電流。
當施加至該第二電池的該充電電壓達到最大准許電壓或來自該第一電池的該輸出電壓小於該臨限電壓時，控制電路可構造成減小該充電電流以維持施加至該第一電池的該充電電壓於或靠近該最大准許電壓。
控制電路可構造成當充電電流減小至小於或等於最小電流臨限值的電流時停止第二電池的充電。
第二電池可為鋰離子電池。第一電池可為鋰離子電池。
根據本發明之第一及第二態樣的方法及充電裝置可應用至電子吸煙系統。充電裝置可用以對電子吸煙裝置中的次要電池充電。電子吸煙裝置可包括構造成 對氣溶膠形成基材加熱的電動加熱器。氣溶膠形成基材可設置成香煙形式，該香煙具有供終端使用者吸煙的嘴件部分。次要電池可有利地提供用於單一吸煙階段的足夠電力，而耗盡單一氣溶膠形成基材。
短的再充電時間對於電子香煙之可接受性為 至關重要的。然而，對於使用者非所要的是，僅因無法以最大可能速度達成充電，致使未能對吸煙裝置充電。 本發明之方法及充電裝置允許電子吸煙裝置的額外充電循環，即使隨著充電裝置之電池老化並惡化。充電裝置可為經設計以易於使用者用口袋或皮包攜帶的手持型充電裝置。
在本發明之第三態樣中，提供一種電腦程 式，當其在充電裝置中之處理器上執行時使得該處理器進行本發明之第一態樣的步驟，該充電裝置具有第一電池，該第一電池構造成對連接至該裝置的次要電池充電，且該處理器構造成控制該次要電池的充電。
在本發明之第四態樣中，提供一種電腦可讀儲存媒體，其上儲存有根據第三態樣之電腦程式。
應明白的是，關於本發明之一個態樣所描述之特徵可單獨或結合本發明之其他所描述態樣及特徵而應用於本發明之其他態樣。
100‧‧‧主要裝置
102‧‧‧次要裝置
104‧‧‧吸煙製品
106‧‧‧第一電池
107‧‧‧內部電阻
108‧‧‧控制電子器件
110‧‧‧電接點
112‧‧‧空腔
116‧‧‧外殼
126‧‧‧第二電池
128‧‧‧控制電子器件(控制電子設備)
130‧‧‧電接點
132‧‧‧空腔
134‧‧‧加熱器
136‧‧‧外殼
200‧‧‧控制器
205‧‧‧切換模式電力轉換器
206‧‧‧切換器
210‧‧‧第一電池
220‧‧‧充電電流
230‧‧‧充電電壓
300‧‧‧恆定電流階段
302‧‧‧恆定電壓階段
303‧‧‧時間
410‧‧‧電池電壓
420‧‧‧充電電流
430‧‧‧充電電壓
500‧‧‧步驟
505‧‧‧步驟
510‧‧‧步驟
515‧‧‧步驟
520‧‧‧步驟
525‧‧‧步驟
530‧‧‧步驟
535‧‧‧步驟
540‧‧‧步驟
545‧‧‧步驟
550‧‧‧步驟
I2‧‧‧第二電池之電流
Ich‧‧‧最大充電電流
Iend‧‧‧低臨限值之目標電流
V1‧‧‧第一電池之充電電壓
V2‧‧‧第二電池之充電電壓
Vmin‧‧‧最小充電電壓
Vch‧‧‧最大充電電壓
現將參看附圖詳細地描述本發明之實施例，其中： 圖1為手持型電池操作之吸煙裝置及包括充電電池之關聯充電裝置的示意性說明；圖2為說明根據本發明之充電系統的電路圖；圖3說明用於鋰離子電池之典型快速充電曲線圖；圖4說明根據本發明之經修改充電曲線圖；且圖5為說明圖4之充電曲線圖之控制程序的流程圖。
圖1展示主要裝置100及次要裝置102。在此實例中，主要裝置100為用於電加熱吸煙系統之充電單元。在此實例中，次要裝置102為經調適以接收吸煙製品104之電加熱氣溶膠產生裝置，吸煙製品104包含氣溶膠形成基材。次要裝置包括加熱器，以在操作中加熱氣溶膠形成基材。使用者在吸煙製品104之嘴件部分上吸氣以將霧劑汲取至使用者的嘴中。次要裝置102構造成接納於主要裝置100中之空腔112內，以便對次要裝置中之電源供應器再充電。
主要裝置100包含第一電池106、控制電子器件108及電接點110，該等電接點構造成在該次要裝置與電接點110連接時將電力自第一電池106提供至該次要裝置。電接點110係鄰近空腔112之底部設置。空腔構造成以接納次要裝置102。主要裝置100之元件容納於外殼116內。
次要裝置102包含第二電池126、次要控制電子器件128及電接點130。如上所述，次要裝置102之第二可再充電電池126構造成在電接點130與主要裝 置100之電接點110接觸時自第一電池106接收電力之供應。次要裝置102更包含構造成收納吸煙製品104之空腔132。呈(例如)葉片加熱器之形式的加熱器134設置於空腔132之底部處。在使用中，使用者啟動次要裝置102，且電力經由控制電子設備128自電池126提供至加熱器134。該加熱器經加熱至足以自氣溶膠產生物104之氣溶膠形成基材產生氣溶膠的標準操作溫度。次要裝置102之元件容納於外殼136內。舉例而言，在EP2110033中更充份地描述此類型之次要裝置。
該氣溶膠形成基材較佳包含含有在加熱後自 基材釋放之揮發性菸草香味化合物的含菸草材料。或者，該氣溶膠形成基材可包含一非菸草材料。較佳地，氣溶膠形成基材進一步包含氣溶膠形成者。合適之氣溶膠形成者的實例為甘油及丙二醇。
該氣溶膠形成基材可為一固體基材。該固體 基材可包含(例如)以下各者中之一或多者：粉末、顆粒、丸、碎片、義大利麵條狀物(spaghetti)、條帶或薄片，其含有以下各者中之一或多者：香草葉、菸葉、菸草肋狀物之片段、重組型菸草、均質型菸草、擠壓型菸草及膨脹型菸草。或者，霧劑形成基材可為液體基材，且吸煙製品可包含用於保持液體基材的構件。
在此實例中，次要裝置102係電加熱吸煙裝 置。因而，次要裝置102係小的(習知香煙大小)但必須在僅幾分鐘之時段內遞送高電力，通常對於單一吸煙階段為約7分鐘。第二電池可能接著需要返回至主要裝置 100以用於再充電。再充電需要在大約幾分鐘且較佳6分鐘以下完成至少達到足以允許另一完整吸煙體驗的位準。
主要裝置中之第一電池106構造成持有足夠 的電荷，以在需要對自身再充電之前對第二電池126再充電若干次。此情形提供使用者一種在需要自電源插座再充電之前允許若干次吸煙階段的攜帶型系統。
為了滿足對於具有較小尺寸、足夠容量及安 全性但快速充電及放電以及可接受使用壽命之第二電池126的競爭要求，可使用磷酸鋰鐵(LiFePO4)電池化學，如在此實例中。在此實例中，第二電池126具有圓柱形形狀，其中直徑為10mm且長度為37mm。此電池能夠在超過每循環900J之條件下經歷8000個充電/放電循環。平均充電速率可為高達12C。1C之充電速率意謂，電池在一個小時內自零電荷完全充電至全電荷，而2C之充電速率意謂，電池在半個小時內自零電荷充電至全電荷。電池容量處於125mAh之區中。最大充電電流範圍可介於980mA與1.5A之間。放電使用直至2A之1毫秒脈衝執行為止。放電速率取決於加熱器之電阻，其又取決於加熱器溫度。在環境溫度下，放電速率可高達28C，但隨著加熱器之電阻增加而在較高溫度下減小。在典型操作溫度下，放電速率為約13C。作為替代例，鈦酸鋰電池可用於第二電池。
主要單元100中之第一電池106係稜柱類型 之鋰鈷氧化物(LiCoO2)電池。第一電池具有約1350mAh 之容量，其為第二電池的容量之十倍。第二電池可由第一電池以2C與16C之間的速率充電。以1C之速率使第一電池放電提供高於10C之充電速率至第二電池。第一電池之充電可用0與1.5C之間的速率且通常約0.5C之速率由供電幹線執行，以使電池壽命最大化。
鋰鈷氧化物電池提供高於磷酸鋰鐵的電池電 壓，從而允許自單一鋰鈷氧化物電池對磷酸鋰鐵電池充電。
圖2為充電系統的示意性電路圖。第一電池 106具有關聯內部電阻107。控制電子器件包含控制器200及切換模式電力轉換器205。切換模式電力轉換器205連接於第一電池與第二電池之間。控制器200構造成控制切換模式電力轉換器內之切換器206之切換，且藉此調節施加至第二電池126的電壓及電流。切換模式電力轉換器205在此實例中為整合式降壓-升壓轉換器。
圖3展示用於使第二電池充電的標準充電曲 線圖。圖3展示來自第一電池210之充電電壓、來自充電裝置的充電電流220，及施加至被充電之第二電池的充電電壓230。充電曲線圖由初始恆定電流階段300組成。在恆定電流階段300期間，充電電壓230經控制以便提供恆定的最大充電電流Ich。此情形藉由對切換模式電力轉換器進行切換而以最大工作循環將來自第一電池之電壓脈衝施加至電力轉換器來達成。此情形提供最大充電速率。然而，當維持最大充電電流需要的來自第一電池的充電電壓超出最大充電電壓Vch時，恆定充電電 流階段300就結束。Vch設定於保持第二電池之使用壽命的位準。一旦到達此階段，如圖3之時間303所指示，恆定電壓階段302便開始。在恆定電壓階段期間，充電電壓230保持於最大Vch。在恆定電壓階段期間，隨著充電電壓230與第二電池之電池電壓之間的相差下降，充電電流220便下降。充電程序在充電電流220達到低臨限值Iend時停止。最大充電電流及最大充電電壓由電池製造商來設定。
說明於圖3中的充電曲線圖可用於如參看圖 1描述的系統中。然而，在電池至電池充電系統中，隨著充電電池老化，其內部電阻107增加，且其可遞送之電壓因此被減小。但為了最快充電，在恆定電流階段中，來自第一電池之充電電壓必須能夠達到最大充電電壓Vch。否則，不可完成快速充電程序。因此，在先前技術系統中，當第一電池不再可遞送快速充電程序需要的最小電壓時，其必須被再充電或替換。
圖4說明根據本發明之實施例的充電曲線圖。在圖4中，來自第一電池之電池電壓與圖3比較為減小，此係因為第一電池已老化，且具有較大內部電阻。在圖4中可看出，在充電電壓430達到其最大Vch之前，亦即在恆定電流階段將一般地結束之前，充電電流420下降。充電電流420經減小，以便將充電電壓430維持於所需要位準。此藉由調整電流以保持自第一電池輸出之電池電壓410高於3.5伏特之預設臨限位準來進行。當充電電壓430達到Vch時，充電電流經進一步減小以 便維持充電電壓於Vch或以下。當充電電流減小至Iend時，程序再次結束。
圖5說明用以根據展示於圖3或圖4中之曲 線圖調節電流的控制程序。程序以步驟500開始，在該步驟中，程序之循環數目之計數遞增1。接著，在步驟505中，判定計數已達到了奇數抑或偶數。若計數為偶數，則程序繼續至步驟510，在該步驟中，處理器切斷切換模式電力轉換器中的切換器，使得無來自第一電池之能量累積於切換器模式功率轉換器中。程序接著返回至使循環計數遞增1的步驟500。
接著在步驟505中，判定計數已達到奇數， 程序行進至步驟515。在步驟515中，判定施加至第二電池之充電電壓是否已達到最大准許電壓Vch。若達到了目標電壓，則電力轉換器中的切換器保持關斷，此係由於充電電流需要被減小以減小充電電壓。程序接著行進至步驟520，在該步驟中，在處理器內設定電壓限值旗標，使得恆定電流階段已結束的指示可提供至使用者。
若施加至第二電池之充電電壓小於最大電 壓，則程序行進至步驟525。在步驟525中，至第二電池之電流與目標電流Iend進行比較，在該目標電流Iend以下時，充電程序應停止，如圖3及圖4的充電曲線圖中可見。若充電電流低於目標電流，則程序行進至步驟530，在該步驟中設定電流限值旗標。電流限值旗標用以向終端使用者指示充電完成。
若充電電流大於目標電流，則程序行進至步 驟535。在步驟535中，判定來自第一電池之電壓是否大於用於快速充電的最小需要電壓。若第一電池之電池電壓大於最小需要電壓，則在步驟545中，處理器接通切換式模式電力轉換器中的切換器，使得電能自第一電池汲取出，並累積於電力轉換器中從而施加至第二電池。若第一電池之電池電壓不大於最小需要電壓，則切換模式電力轉換器中的切換器保持關斷，且在步驟540中處理器設定限值電池旗標，使得第一電池需要再充電或替換的指示可提供至終端使用者。
在步驟520、530、540及545中之每一者之 後，程序行進至步驟550。在步驟550中，進行第一電池及第二電池之電壓的新量測，且進行充電電流的新量測。此等量測接著被轉換成數位形式從而為與下一奇數編號循環中的對應目標值進行比較做好準備。
在下一偶數編號循環中，在步驟510中，切 換模式電力供應器中的切換器經切斷，且累積於切換器模式電力供應器中的能量作為充電電流被施加至第二電池。若在之前循環期間切換器在步驟545中已切換至接通狀態，則至第二電池的電壓輸出與切換器在之前循環期間尚未切換至接通狀態情況相比較將處於較高位準。 較低輸出電壓意謂自第一電池汲取較低電流。自第一電池汲取較低電流具有使來自第一電池之電池電壓增加的效果，此係由於越過第一電池之內部電阻的較小電壓下降。如在圖4之曲線圖中可看出，當最小需要目標電壓 為3.5伏特時，此方案具有隨著電流下降將第一電池之電池電壓維持於大約3.5伏特的效果。圖5中之程序亦確保當第二電池經充分充電時，無充電電流施加至第二電池。
相較於第一充電電池以其他方式使用恆定電流繼之以恆定電壓的標準快速充電程序能夠進行的充電次數，此程序允許第一電池使第二電池再充電多幾次。此情形以彼等額外充電循環的充電速度為代價，但在許多狀況下，額外充電循環依據方便性對於使用者具有大的益處。與僅試圖使用電力轉換器提昇電池電壓的方法比較，該程序因遭受相對較低損耗而為具能量效益的。
上文所述之例示性實施例說明，但並非限制性的。鑒於上文所描述之例示性實施例，現對一般熟習此項技術者而言，與以上例示性實施例一致之其他實施例，將為顯而易見的。

Claims (14)

  1. 一種由第一電池對第二電池充電的方法，其包含：比較該第一電池之輸出電壓與臨限電壓；及當來自該第一電池之該輸出電壓等於或大於該臨限電壓時，使用第一電流對該第二電池充電；及當來自該第一電池之該輸出電壓小於該臨限電壓時，減小該第一電流，直至該第一電池之該輸出電壓等於或大於第二臨限電壓為止。
  2. 如請求項1之方法，其中該第二臨限電壓等於該第一臨限電壓。
  3. 如請求項1或2之方法，其中減小該電流之該步驟包含減小施加至電力轉換器的電壓脈衝之工作循環，該電力轉換器連接於該第一電池與該第二電池之間。
  4. 如前述請求項中任一項之方法，其中該比較步驟在該第二電池之充電期間交互地進行，且其中該減小步驟包含在該比較步驟之該結果之後不施加電壓脈衝至連接於該第一電池與該第二電池之間的電力轉換器。
  5. 如前述請求項中任一項之方法，其包含當來自該第一電池之該輸出電壓等於或大於該臨限電壓時，使用恆定第一電流對該第二電池充電，及在施加至該第二電池的該充電電壓達到最大准許電壓或來自該第一電池之該輸出電壓小於該臨限電壓時減小該充電電流。
  6. 如請求項6之方法，其中當施加至該第二電池的該充電電壓達到最大准許電壓或來自該第一電池的該輸出電壓小於該臨限電壓時，減小該充電電流以維持施加 至該第一電池的該充電電壓於或靠近該最大准許電壓。
  7. 一種充電裝置，其包含：第一電池，其構造成對連接至該裝置之次要電池充電，及控制電路，其構造成控制該次要電池的充電，其中該控制電路構造成：比較該第一電池之輸出電壓與臨限電壓；及若來自該第一電池之該輸出電壓等於或大於該臨限電壓，則使用第一電流對該第二電池充電；及若來自該第一電池之該輸出電壓小於該臨限電壓，則減小該第一電流，直至該第一電池之該輸出電壓等於或大於第二臨限電壓為止。
  8. 如請求項7之系統，其中該控制電路構造成當來自該第一電池之該輸出電壓等於或大於該臨限電壓時使用恆定第一電流對該第二電池充電，且當施加至該第二電池之該充電電壓達到最大准許電壓，或來自該第一電池的該輸出電壓小於該臨限電壓時減小該充電電流。
  9. 如請求項8之系統，其中該控制電路構造成當施加至該第二電池的該充電電壓達到最大准許電壓或來自該第一電池的該輸出電壓小於該臨限電壓時減小該充電電流以維持施加至該第一電池的該充電電壓於或靠近該最大准許電壓。
  10. 如請求項7、8或9之系統，其包含連接於該第一電池與該第二電池之間的電力轉換器，且其中該控制電 路構造成藉由減小自該第一電池施加至該電力轉換器的電壓脈衝之工作循環來減小該第一電流。
  11. 如請求項7、8、9或10中任一項之系統，其中該控制電路構造成在該第二電池之充電期間週期性地比較該第一電池之該輸出電壓與該臨限電壓。
  12. 如請求項11之系統，其中該控制電路構造成藉由在該比較步驟的該結果之後不施加電壓脈衝至連接於該第一電池與該第二電池之間的電力轉換器而減小該第一電流。
  13. 一種電腦程式，當其在充電裝置中之處理器上執行時，使得該處理器進行請求項1至6中任一項的方法，該充電裝置具有第一電池，該第一電池構造成對連接至該裝置的次要電池充電，且該處理器構造成控制該次要電池的充電。
  14. 一種電腦可讀儲存媒體，其上儲存有如請求項13之電腦程式。
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