СПОСОБ И СИСТЕМА АДАПТИВНОЙ ЗАРЯДКИ БАТАРЕИ
METHOD AND SYSTEM FOR ADAPTIVE BATTERY CHARGING

Изобретение относится к системам, которые используют одну батарею для перезарядки другой батареи, и является предпочтительным для зарядки литий-ионной батареи от другой батареи.
ch
ch
ch
ch
ch
low
Литий-ионные батареи в основном заряжаются с использованием фазы тока постоянной величины с последующей фазой напряжения постоянной величины. В фазе тока постоянной величины напряжение на вторичной батарее регулируется для поддержания максимального тока зарядки постоянной величины I до тех пор, пока напряжение батареи не достигнет определенного предела напряжения V, причем I и V задаются свойствами батареи. В фазе напряжения постоянной величины напряжение на батарее поддерживается на фиксированном значении V до тех пор, пока ток не падает ниже заданного значения I. Для быстрой зарядки желательно увеличить до максимума длительность фазы тока постоянной величины.
Поскольку вторая батарея заряжается в фазе тока постоянной величины, напряжение зарядки должно увеличиваться, чтобы компенсировать увеличение напряжения второй батареи. Фаза тока постоянной величины, соответственно, требует минимального напряжения зарядки, поступающего от заряжающей батареи.
В системе зарядки батареи от батареи, поскольку заряжающая батарея стареет, ее внутреннее сопротивление увеличивается, и в результате напряжение, которое она может выдавать, снижается. Когда она больше не может выдавать минимальное напряжение, необходимое для выполнения быстрой зарядки, ее необходимо перезарядить или заменить.
Целью настоящего изобретения является предоставление системы зарядки батареи от батареи, которая может обеспечить быструю зарядку, но в то же время которая может поддерживать увеличенное число циклов зарядки, прежде чем заряжающую батарею будет необходимо перезарядить или заменить, по сравнению с существующими системами.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предложен способ зарядки второй батареи от первой батареи, включающий этапы:
сравнения выходного напряжения первой батареи с пороговым напряжением; и
зарядки второй батареи с использованием первого тока, если выходное напряжение первой батареи равно пороговому напряжению или больше его; и
снижения первого тока, если выходное напряжение первой батареи меньше порогового напряжения.
Первый ток может быть уменьшен, пока выходное напряжение первой батареи не будет равно второму пороговому напряжению или больше его. Второе пороговое напряжение может быть равно первому пороговому напряжению или может отличаться от первого порогового напряжения.
Этап уменьшения тока может включать уменьшение коэффициента заполнения импульсов напряжения, подаваемых на преобразователь мощности, подключенный между первой батареей и второй батареей.
Этап сравнения может быть осуществлен итерационно во время зарядки второй батареи. Этап уменьшения может включать отсутствие подачи импульса напряжения к преобразователю мощности, подключенному между первой батареей и второй батареей, по результатам проведения этапа сравнения.
Этап уменьшения тока может включать уменьшение частоты, с которой импульсы электрического тока подаются на вторую батарею.
Способ может включать зарядку второй батареи с использованием первого тока постоянной величины, если выходное напряжение первой батареи равно пороговому напряжению или больше его, и уменьшение тока зарядки, если либо напряжение зарядки, приложенное ко второй батарее, достигает максимально допустимого напряжения, либо выходное напряжение первой батареи меньше, чем пороговое напряжение.
Если напряжение зарядки, приложенное ко второй батарее, достигает максимально допустимого напряжения или выходное напряжение первой батареи меньше порогового напряжения, ток зарядки может быть уменьшен для поддержания напряжения зарядки, приложенного к первой батарее, на уровне максимально допустимого напряжения или близко к нему.
Способ может включать прекращение зарядки второй батареи, если ток зарядки уменьшается до тока, который меньше минимального порогового тока или равен ему.
Вторая батарея может представлять собой литий-ионную батарею.
Во втором аспекте настоящего изобретения предлагается зарядное устройство, содержащее:
первую батарею, выполненную с возможностью зарядки вторичной батареи, подключенной к устройству, и схему управления, выполненную с возможностью управления зарядкой вторичной батареи, причем схема управления выполнена с возможностью:
сравнения выходного напряжения первой батареи с пороговым напряжением; и
зарядки второй батареи с использованием первого тока, если выходное напряжение первой батареи равно пороговому напряжению или больше его; и
уменьшения первого тока, если выходное напряжение первой батареи меньше порогового напряжения.
Схема управления может быть выполнена с возможностью уменьшения первого тока до тех пор, пока выходное напряжение первой батареи не будет равно второму пороговому напряжению или больше его. Второе пороговое напряжение может быть равно первому пороговому напряжению или может отличаться от первого порогового напряжения.
Зарядное устройство может содержать преобразователь мощности, подключенный между первой батареей и второй батареей, и схема управления может быть выполнена с возможностью уменьшения первого тока посредством уменьшения коэффициента заполнения импульсов напряжения, подаваемых на преобразователь мощности, от первой батареи.
Схема управления может быть выполнена с возможностью периодического сравнения выходного напряжения первой батареи с пороговым напряжением во время зарядки второй батареи. Схема управления может быть выполнена с возможностью уменьшения первого тока благодаря отсутствию подачи импульса напряжения на преобразователь мощности, подключенный между первой батареей и второй батареей, по результатам проведения этапа сравнения.
Схема управления может быть выполнена с возможностью зарядки второй батареи с использованием первого тока постоянной величины, если выходное напряжение первой батареи равно пороговому напряжению или больше его, и уменьшения тока зарядки, если либо напряжение зарядки, приложенное ко второй батарее, достигает максимально допустимого напряжения, либо выходное напряжение первой батареи меньше порогового напряжения.
Если напряжение зарядки, приложенное ко второй батарее, достигает максимально допустимого напряжения или выходное напряжение первой батареи меньше порогового напряжения, схема управления может быть выполнена с возможностью уменьшения тока зарядки для поддержания напряжения зарядки, приложенного к первой батарее, на уровне максимально допустимого напряжения или близко к нему.
Схема управления может быть выполнена с возможностью прекращения зарядки второй батареи, если ток зарядки уменьшается до значения тока, которое меньше значения минимального порогового тока или равно ему.
Вторая батарея может представлять собой литий-ионную батарею. Первая батарея может представлять собой литий-ионную батарею.
Способ и зарядное устройство в соответствии с первым и вторым аспектом настоящего изобретения могут быть применены в электронных курительных системах. Зарядное устройство может быть использовано для зарядки вторичной батареи в электронном курительном устройстве. Электронное курительное устройство может содержать нагреватель с электрическим питанием, выполненный с возможностью нагрева субстрата, образующего аэрозоль. Субстрат, образующий аэрозоль, может быть представлен в виде сигареты, имеющей мундштучную часть, на конце которой пользователь выполняет затяжку. Вторичная батарея может преимущественно обеспечивать достаточную мощность для одного сеанса курения, исчерпывая один субстрат, образующий аэрозоль.
Короткое время перезарядки батареи имеет решающее значение для положительного отношения к электронным сигаретам. Однако для пользователя нежелательно быть не в состоянии зарядить курительное устройство только потому, что это не может быть достигнуто с максимально возможной скоростью. Способ и зарядное устройство согласно настоящему изобретению обеспечивают возможность дополнительных циклов зарядки электронного курительного устройства даже при старении и порче батареи зарядного устройства. Зарядное устройство может представлять собой портативное зарядное устройство, выполненное с возможностью легкой переноски в кармане или сумке пользователя.
В третьем аспекте настоящего изобретения предложена компьютерная программа, которая при выполнении на процессоре в зарядном устройстве предписывает процессору выполнять этапы согласно первому аспекту настоящего изобретения, причем зарядное устройство содержит первую батарею, выполненную с возможностью зарядки вторичной батареи, подключенной к устройству, и процессор, выполненный с возможностью управления зарядкой вторичной батареи.
В четвертом аспекте настоящего изобретения предложен машиночитаемый носитель данных, содержащий сохраненную на нем компьютерную программу в соответствии с третьим аспектом.
Должно быть ясно, что признаки, описанные в связи с одним из аспектов настоящего изобретения могут быть применены к другим аспектам настоящего изобретения отдельно или в сочетании с другими описанными аспектами и признаками настоящего изобретения.
Теперь будут подробно описаны варианты осуществления настоящего изобретения со ссылками на сопровождающие графические материалы, где:
на фиг. 1 представлено схематическое изображение портативного курительного устройства с батареей и связанного с ним зарядного устройства, содержащего заряжающую батарею;
на фиг. 2 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая систему зарядки в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 3 показан типичный профиль быстрой зарядки для литий-ионной батареи;
на фиг. 4 показан модифицированный профиль зарядки в соответствии с настоящим изобретением и
на фиг. 5 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ управления для профиля зарядки, показанного на фиг. 4.
На фиг. 1 показано первичное устройство 100 и вторичное устройство 102. Первичное устройство 100 в данном примере представляет собой зарядный блок для электрически нагреваемой курительной системы. Вторичное устройство 102 в данном примере представляет собой электрически нагреваемое устройство, генерирующее аэрозоль, приспособленное для приема курительного изделия 104, содержащего субстрат, образующий аэрозоль. Вторичное устройство содержит нагреватель для нагрева субстрата, образующего аэрозоль, во время работы. Пользователь осуществляет затяжку через мундштучную часть курительного изделия 104 для втягивания аэрозоля в рот пользователя. Вторичное устройство 102 выполнено с возможностью размещения внутри полости 112 в первичном устройстве 100 с целью перезарядки источника питания во вторичном устройстве.
Первичное устройство 100 содержит первую батарею 106, управляющую электронику 108 и электрические контакты 110, выполненные с возможностью подачи электропитания из первой батареи 106 на вторую батарею во вторичном устройстве, когда вторичное устройство соединено с электрическими контактами 110. Электрические контакты 110 выполнены смежно с дном полости 112. Полость выполнена с возможностью вмещения вторичного устройства 102. Компоненты первичного устройства 100 расположены внутри корпуса 116.
Вторичное устройство 102 содержит вторую батарею 126, вторичную управляющую электронику 128 и электрические контакты 130. Как описано выше, вторая перезаряжаемая батарея 126 вторичного устройства 102 выполнена с возможностью приема подаваемого питания от первой батареи 106, когда электрические контакты 130 находятся в контакте с электрическими контактами 110 первичного устройства 100. Вторичное устройство 102 дополнительно содержит полость 132, выполненную с возможностью вмещения курительного изделия 104. На дне полости 132 предусмотрен нагреватель 134, например нагреватель в виде пластины. При использовании пользователь активирует вторичное устройство 102, и питание подается от батареи 126 через управляющую электронику 128 на нагреватель 134. Нагреватель нагревается до стандартной рабочей температуры, достаточной для генерирования аэрозоля из субстрата, образующего аэрозоль, изделия 104, генерирующего аэрозоль. Компоненты вторичного устройства 102 расположены внутри корпуса 136. Вторичное устройство этого типа описано более полно, например, в EP2110033.
Образующий аэрозоль субстрат предпочтительно содержит материал, содержащий табак, содержащий летучие ароматические соединения табака, которые высвобождаются из субстрата при нагревании. В качестве альтернативы субстрат, образующий аэрозоль, может содержать нетабачный материал. Предпочтительно субстрат, образующий аэрозоль, дополнительно содержит вещество для образования аэрозоля. Примерами подходящих веществ для образования аэрозоля являются глицерин и пропиленгликоль.
Субстрат, образующий аэрозоль, может представлять собой твердый субстрат. Твердый субстрат может содержать, например, одно или более из следующего: порошок, гранулы, шарики, кусочки, тонкие трубочки, полоски или листы, содержащие одно или несколько из следующего: травяные листья, табачные листья, фрагменты табачных жилок, восстановленный табак, гомогенизированный табак, экструдированный табак и взорванный табак. В качестве альтернативы субстрат, образующий аэрозоль, может представлять собой жидкий субстрат и курительное изделие может содержать средства для удержания жидкого субстрата.
В данном примере вторичное устройство 102 представляет собой курительное устройство с электрическим нагревом. Таким образом, вторичное устройство 102 имеет небольшой размер (как у обычной сигареты), однако оно должно подавать высокую мощность в течение периода времени, равного лишь нескольким минутам, обычно примерно 7 минутам, в процессе одного сеанса курения. Затем может потребоваться возврат второй батареи в первичное устройство 100 для перезарядки. Перезарядку желательно завершить по меньшей мере до уровня, достаточного для обеспечения еще одного полного сеанса курения, в течение нескольких минут и предпочтительно менее чем за 6 минут.
Первая батарея 106 в первичном устройстве выполнена с возможностью хранения заряда, достаточного для многократной перезарядки второй батареи 126 до тех пор, пока не потребуется ее собственная перезарядка. Таким образом, для пользователя обеспечена портативная система, которая обеспечивает возможность выполнения множества сеансов курения до тех пор, пока не потребуется перезарядка через электрическую розетку.
Для того, чтобы вторая батарея 126 удовлетворяла противоречивым требованиям в отношении малого размера, достаточной емкости и безопасной, но быстрой зарядки и разрядки, а также приемлемого срока службы, может использоваться литий-железо-фосфатная (LiFePO4) батарея, как в данном примере. Вторая батарея 126 в данном примере имеет цилиндрическую форму с диаметром 10 мм и длиной 37 мм. Данная батарея способна выдерживать 8000 циклов зарядки/разрядки при более 900 Дж на цикл. Средняя скорость зарядки может составлять до 12C. Скорость зарядки 1C означает, что батарея полностью заряжается от нулевого заряда до полного заряда в течение одного часа, и скорость зарядки 2C означает, что батарея полностью заряжается от нулевого заряда до полного заряда через полчаса. Емкость батареи находится в области 125 мА⋅ч. Максимальный ток зарядки может находиться в диапазоне от 980 мА до 1,5 А. Разрядка осуществляется с использованием импульсов длительностью 1 миллисекунда и амплитудой до 2А. Скорость разрядки зависит от сопротивления нагревателя, который, в свою очередь, зависит от температуры нагревателя. При температуре окружающей среды скорость разрядки может составлять вплоть до 28C, но снижается при более высоких температурах при возрастании сопротивления нагревателя. При типичной рабочей температуре скорость разрядки составляет приблизительно 13C. В альтернативном варианте в качестве второй батареи может использоваться литий-титановая батарея.
Первая батарея 106 в первичном блоке 100 представляет собой литий-кобальт-оксидную (LiCoO2) батарею призматического типа. Первая батарея имеет емкость приблизительно 1350 мА⋅ч, которая более чем в десять раз больше емкости второй батареи. Вторая батарея может заряжаться от первой батареи со скоростью от 2C до 16C. Разрядка первой батареи со скоростью 1C обеспечивает скорость зарядки второй батареи свыше 10C. Зарядка первой батареи может быть выполнена от питающей сети со скоростью от 0 до 1,5C и в основном со скоростью приблизительно 0,5C, чтобы максимально увеличить срок службы батареи.
Литий-кобальт-оксидная батарея обеспечивает более высокое напряжение батареи, чем литий-железо-фосфатная батарея, что обеспечивает возможность зарядки литий-железо-фосфатной батареи от одной литий-кобальт-оксидной батареи.
На фиг. 2 представлена принципиальная электрическая схема системы зарядки. Первая батарея 106 обладает связанным с ней внутренним сопротивлением 107. Управляющая электроника содержит контроллер 200 и импульсный преобразователь 205 мощности. Импульсный преобразователь 205 мощности подключен между первой батареей и второй батареей. Контроллер 200 выполнен с возможностью управления переключением ключа 206 в импульсном преобразователе мощности и регулирования таким образом напряжения и тока, подаваемых на вторую батарею 126. Импульсный преобразователь 205 мощности в данном примере представляет собой интегральный промежуточный вольтодобавочный преобразователь.
ch
ch
ch
ch
end
На фиг. 3 показан стандартный профиль зарядки для зарядки второй батареи. На фиг. 3 показано напряжение зарядки первой батареи 210, ток 220 зарядки зарядного устройства и напряжение 230 зарядки, приложенное ко второй батарее, подлежащей зарядке. Профиль зарядки состоит из начальной фазы 300 тока постоянной величины. Во время фазы 300 тока постоянной величины напряжение 230 зарядки управляется таким образом, чтобы обеспечить максимальный ток зарядки постоянной величины I. Это достигается за счет переключения импульсного преобразователя мощности с целью подачи импульса напряжения от первой батареи на преобразователь мощности при максимальном коэффициенте заполнения. Это обеспечивает максимальную скорость зарядки. Однако фаза 300 зарядки током постоянной величины завершается, если напряжение зарядки от первой батареи, которое требуется для поддержания максимального тока зарядки, превышает максимальное напряжение зарядки V. V устанавливается на уровне, который сохраняет срок службы второй батареи. После того как данный этап, указанный в момент времени 303 на фиг. 3, достигнут, начинается фаза 302 напряжения постоянной величины. Во время фазы напряжения постоянной величины напряжение 230 зарядки удерживается на максимальном V. Во время фазы напряжения постоянной величины ток зарядки 220 снижается, поскольку снижается разница между напряжением 230 зарядки и напряжением батареи второй батареи. Процесс зарядки прекращается, когда ток 220 зарядки достигает нижнего порогового значения I. Максимальный ток зарядки и максимальное напряжение зарядки устанавливаются изготовителем батареи.
ch
Профиль зарядки, показанный на фиг. 3, может быть использован в системе, как это описано со ссылкой на фиг. 1. Тем не менее в системе зарядки батареи от батареи, поскольку заряжающая батарея стареет, внутреннее сопротивление 107 увеличивается, и поэтому напряжение, которое она может выдавать, снижается. Но для самой быстрой зарядки в фазе тока постоянной величины напряжение зарядки от первой батареи должно быть в состоянии достигнуть максимального напряжения зарядки V. В противном случае процесс быстрой зарядки не может быть завершен. Соответственно, в предшествующих системах, если первая батарея больше не может выдавать минимальное напряжение, необходимое для быстрого процесса зарядки, она должна быть перезаряжена или заменена.
ch
ch
ch
end
На фиг. 4 показан профиль зарядки в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг. 4 напряжение батареи первой батареи снижается по сравнению с фиг. 3, потому что первая батарея постарела и имеет большее внутреннее сопротивление. На фиг. 4 видно, что ток 420 зарядки снижается до того, как напряжение 430 зарядки достигает своего максимума V, то есть до того, как фаза тока постоянной величины будет нормально окончена. Ток 420 зарядки уменьшается, чтобы поддерживать напряжение 430 зарядки на требуемом уровне. Это производится путем регулирования тока, чтобы поддерживать напряжение 410 батареи, подаваемое из первой батареи, выше заданного порогового уровня 3,5 вольта. Если напряжение 430 зарядки достигает V, ток зарядки далее снижается, чтобы поддерживать напряжение зарядки на уровне V или ниже. Способ снова заканчивается, когда ток зарядки уменьшается до I.
На фиг. 5 показан способ управления, используемый для регулирования тока в соответствии с профилем, показанным на фиг. 3 или фиг. 4. Способ начинается с этапа 500, в котором значение счетчика числа циклов процесса увеличивается на единицу. Затем на этапе 505 определяется, достигло ли значение счетчика нечетного числа или четного числа. Если число четное, способ переходит к этапу 510, в котором процессор выключает ключ в импульсном преобразователе мощности, таким образом, энергия не накапливается в импульсном преобразователе мощности от первой батареи. Затем способ возвращается к этапу 500, в котором значение счетчика циклов увеличивается на единицу.
ch
Затем на этапе 505 определяется, что значение счетчика достигло нечетного числа, и способ переходит к этапу 515. На этапе 515 определяется, достигло ли напряжение зарядки, приложенное ко второй батарее, максимально допустимого напряжения V. Если оно достигло целевого напряжения, то ключ в преобразователе мощности остается выключенным, поскольку необходимо уменьшить ток зарядки, чтобы уменьшить напряжение зарядки. Затем способ переходит к этапу 520, на котором в процессоре устанавливается флаг предела напряжения, чтобы указать пользователю на то, что фаза тока постоянной величины закончилась.
end
Если напряжение зарядки, приложенное ко второй батарее, меньше максимального напряжения, то способ переходит к этапу 525. На этапе 525 ток второй батареи сравнивается с целевым током I, ниже которого процесс зарядки должен быть остановлен, что видно на профилях зарядки на фиг. 3 и 4. Если ток зарядки ниже целевого тока, то способ переходит к этапу 530, в котором устанавливается флаг ограничения тока. Флаг ограничения тока используется для указания конечному пользователю того, что зарядка завершена.
Если ток зарядки больше целевого тока, то способ переходит к этапу 535. На этапе 535 определяется, больше ли напряжение первой батареи минимально требуемого напряжения для быстрой зарядки. Если напряжение батареи первой батареи больше минимально требуемого напряжения, то на этапе 545 процессор включает ключ в импульсном преобразователе мощности, чтобы электрическая энергия поступала из первой батареи и накапливалась в преобразователе мощности для подачи ко второй батарее. Если напряжение батареи первой батареи не превышает минимально требуемого напряжения, то ключ в импульсном преобразователе мощности остается выключенным, и на этапе 540 процессор устанавливает флаг ограничения батареи, чтобы конечному пользователю могло быть представлено указание на то, что первая батарея нуждается в перезарядке или замене.
После каждого из этапов 520, 530, 540 и 545 способ переходит к этапу 550. На этапе 550 выполняются новые измерения напряжения первой батареи и второй батареи и выполняется новое измерение тока зарядки. Эти измерения затем преобразуются в цифровую форму, готовую для сравнения с соответствующими целевыми значениями в следующем нечетном цикле.
В следующем четном цикле на этапе 510 ключ в импульсном преобразователе мощности выключается, и энергия, накопленная в импульсном преобразователе мощности, подается в виде тока зарядки на вторую батарею. Если во время предыдущего цикла ключ был переключен во включенное состояние, на этапе 545 напряжение, подаваемое на вторую батарею, будет иметь более высокий уровень, чем если бы ключ не был переключен во включенное состояние во время предыдущего цикла. Меньшее выходное напряжение означает, что из первой батареи потребляется пониженный ток. Потребление пониженного тока из первой батареи имеет эффект увеличения напряжения батареи первой батареи, так как меньшее напряжение падает на внутреннем сопротивлении первой батареи. Как можно видеть на профиле на фиг. 4, если минимально требуемое выходное напряжение составляет 3,5 вольта, эта схема имеет эффект поддержания напряжения батареи первой батареи на уровне приблизительно 3,5 вольта, поскольку ток снижается. Способ на фиг. 5 также обеспечивает то, что ток зарядки не подается на вторую батарею, когда она полностью заряжена.
Благодаря способу первая батарея может перезаряжать вторую батарею на несколько циклов больше, чем это было бы в ином случае при применении стандартного процесса быстрой зарядки током постоянной величины с последующим напряжением постоянной величины. Это происходит за счет скорости зарядки для этих дополнительных циклов зарядки, но во многих случаях дополнительные циклы зарядки дают большие преимущества для пользователя с точки зрения удобства. Способ характеризуется низким энергопотреблением по сравнению со способами, которые просто пытаются увеличить напряжение первой батареи с помощью преобразователя мощности, так как он допускает относительно низкие потери.
Вышеописанные приведенные в качестве примера варианты осуществления являются иллюстративными, а не ограничительными. С учетом рассмотренных приведенных выше в качестве примера вариантов осуществления специалисту в данной области техники будут понятны другие варианты осуществления, соответствующие вышеописанным приведенным в качестве примера вариантам осуществления.