ПОРТАТИВНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА, ВКЛЮЧАЮЩАЯ В СЕБЯ ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО, И СПОСОБ ЗАРЯДКИ ВТОРИЧНОЙ БАТАРЕИ
PORTABLE ELECTRONIC SYSTEM, INCLUDING CHARGING DEVICE, AND SECONDARY BATTERY CHARGING METHOD

Настоящее изобретение относится к портативной электронной системе, включающей в себя зарядное устройство и вторичное устройство, и к способам для зарядки и работе вторичного устройства. Изобретение может быть применено к портативным электронным курительным системам.
Курительные системы, приводимые в действие электричеством, согласно уровню техники обычно включают в себя кожух для вмещения курительного изделия, нагревательные элементы для генерирования аэрозоли, источник электропитания и электронную цепь для управления работой системы.
Портативные электронные курительные устройства должны быть маленькими и удобными для пользователя, если они будут широко применяемыми потребителями, курящими обычные сигареты. Это приводит к выдвижению нескольких технических требований для источника питания портативного электронного курительного устройства. Источник питания, как правило, батарея, должен быть достаточно маленьким, чтобы входить в курительное устройство размера аналогичного обычной сигарете, и должен подавать достаточное количество электроэнергии для генерирования аэрозоли, выходящей из курительного изделия. Идея использования перезаряжаемой батареи была предложена в работах согласно уровню техники, но в любой коммерчески выгодной системе перезаряжаемая батарея должна быть способна обеспечивать достаточное количество электроэнергии, по меньшей мере, для одного сеанса курения, должна быть способна быстро, безопасно и удобно перезаряжаться до уровня, при котором ее можно повторно использовать для другого сеанса курения, и должна быть работоспособной в течение тысяч циклов зарядки.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение системы и способа зарядки, которые отвечают этим требованиям для перезаряжаемого источника питания.
В одном аспекте изобретения обеспечена портативная электронная система, содержащая первичное и вторичное устройства, причем первичное устройство имеет первую батарею на основе оксида лития-кобальта, а вторичное устройство имеет вторую батарею на фосфате лития-железа или титанате лития, причем первичное и вторичное устройства сконфигурированы для перезарядки, или для обеспечения перезарядки второй батареи от первой батареи при скоростях 2C-16C.
Вторичное устройство может представлять собой электрически нагреваемое курительное устройство. Электрически нагреваемое курительное устройство может содержать электрический нагреватель, снабжаемый электроэнергией от второй батареи. Электрический нагреватель может быть сконфигурирован для нагрева подложки, формирующей аэрозоль. Первичное устройство может представлять собой портативной зарядный блок и может иметь форму и размер, сходный с формой и размером обычной упаковки сигарет. Вторичное устройство может быть помещено во вторичное устройство на время цикла перезарядки.
Использование батареи на основе фосфата лития-железа (или титаната лития) для вторичного устройства безопасно допускает наличие больших скоростей зарядки и разрядки. В случае электрически нагреваемого курительного устройства требуется быстрая разрядка, поскольку требуется высокая мощность, подаваемая к нагревателю в течение периода времени, составляющего лишь несколько минут. Быстрая зарядка требуется, поскольку курильщики часто желают выкурить другую сигарету очень скоро после первой сигареты.
Для обеспечения зарядки второй батареи от одиночной первой батареи, первая батарея должна обладать более высоким напряжением, чем вторая батарея. Первая батарея также должна обладать более высокой зарядной емкостью, чем вторая батарея, если предусмотрено несколько повторных циклов зарядки, перед требуемой перезарядкой или заменой самой батареи. Химия батареи на основе оксида лития-кобальта обеспечивает большее напряжение батареи и большую зарядную емкость для заданного размера, чем батарея на основе фосфата лития-железа (или титаната лития). Поэтому, сочетание первичного устройства, имеющего первую батарею на основе оксида лития-кобальта, и вторичного устройства, имеющего вторую батарею на фосфате лития-железа или титанате лития, является выгодным для портативной электрической курительной системы, или любой аналогичной портативной системы, в которой вторичное устройство требует наличия короткого выброса высокой мощности от батареи.
Емкость первой батареи может успешно быть, по меньшей мере, в пять раз больше, чем емкость второй батареи. Емкость первой батареи может успешно быть в пять-сорок раз больше емкости второй батареи. Первичное устройство может быть сконфигурировано для обеспечения перезарядки первой батареи от питания от сети со скоростью 0-1,5C.
Вторая батарея пригодна к тому, чтобы подвергаться воздействию, по меньшей мере, 6000 циклов зарядки/разрядки при более чем 900 Дж на цикл, и может быть пригодна к тому, чтобы подвергаться воздействию, по меньшей мере, 7000 циклов зарядки/разрядки при более чем 900 Дж на цикл или, по меньшей мере, 8000 циклов зарядки/разрядки при более чем 900 Дж на цикл. Средняя скорость зарядки может составлять до 12C. Вторая батарея может быть выгодно подвергнута воздействию, по меньшей мере, 6000 циклов зарядки/разрядки, а предпочтительно, по меньшей мере, 8000 циклов зарядки/разрядки, без снижения емкости батареи ниже пороговой емкости батареи, например, 80% от номинальной емкости батареи. Скорость разрядки второй батареи может составлять примерно 13C, но может составлять вплоть до 28C.
Первичное устройство может содержать:
пару выходных терминалов для подключения к вторичной батарее; источник электропитания постоянного тока;
регулятор напряжения, подключенный между источником электропитания постоянного тока и выходными терминалами для регулирования зарядного напряжения; и
микропроцессор, связанный с регулятором напряжения и с выходными терминалами, в котором зарядное устройство и вторичная батарея сконфигурированы таким образом, чтобы они были связаны друг с другом и образовывали цепь зарядки, и при этом микропроцессор сконфигурирован для:
управления регулятором напряжения для обеспечения первого зарядного напряжения;
определения внутреннего сопротивления цепи зарядки путем измерения тока в цепи зарядки при первом зарядном напряжении и при втором зарядном напряжении, в которой второе зарядное напряжение ниже, чем первое зарядное напряжение; и
ограничения первого зарядного напряжения, обеспечиваемого регулятором напряжения, до уровня, который компенсирует определенное внутреннее сопротивление.
Первичное устройство может содержать:
пару выходных терминалов для подключения к вторичной батарее;
источник электропитания постоянного тока;
регулятор напряжения, подключенный между источником электропитания постоянного тока и выходными терминалами для регулирования зарядного напряжения;
и микропроцессор, связанный с регулятором напряжения и с выходными терминалами, в котором зарядное устройство и вторичная батарея сконфигурированы таким образом, чтобы они были связаны друг с другом и образовывали цепь зарядки, и при этом микропроцессор сконфигурирован для:
управления регулятором напряжения для обеспечения зарядного напряжения;
определения внутреннего сопротивления цепи зарядки;
вычисления максимального зарядного напряжения, исходя из определенного внутреннего сопротивления и характеристики вторичной батареи;
регулирования первого зарядного напряжения, для поддержания предварительно заданного тока зарядки, до тех пор пока первое зарядное напряжение не достигнет максимального значения зарядного напряжения, с последующим регулированием первого зарядного напряжения на уровне или ниже максимального зарядного напряжения, и с последующим периодическим или непрерывным перевычислением максимального зарядного напряжения и регулированием зарядного напряжения, для его поддержания на уровне при или ниже вычисленного максимального зарядного напряжения.
Во втором аспекте раскрытия обеспечен способ зарядки второй батареи во вторичном устройстве от первой батареи в первичном устройстве, причем первичное и вторичное устройства образуют портативную электронную систему, при этом первичное устройство имеет первую батарею на основе оксида лития-кобальта, а вторичное устройство имеет вторую батарею на фосфате лития-железа или титанате лития, содержащий зарядку второй батареи от первой батареи со скоростью 2-16C.
В третьем аспекте раскрытия обеспечена электрически нагреваемая курительная система, содержащая:
- батарею на фосфате лития-железа или титанате лития;
- нагревательный элемент, в котором работа нагревательного элемента разряжает батарею; и
- цепь обнаружения разряда, подключенную к батарее, в которой система сконфигурирована для прекращения работы нагревательного элемента, когда цепь обнаружения разряда определяет, что напряжение батареи находится ниже уровня порогового напряжения.
Уровень порогового напряжения может быть задан на уровне напряжения выше напряжения, ниже которого емкость батареи необратимо снижается. Например, батарея может иметь максимальное напряжение батареи, а уровень порогового напряжения может составлять 15-25% от максимального напряжения батареи. Ниже этого уровня зарядная емкость батареи может быть необратимо потеряна. Однако усовершенствования или изменения в химии батареи может позволить снизить пороговый уровень до значения менее 15%, например, до 5% от максимального напряжения батареи.
Обеспечение того, что батарея не полностью разряжается, существенно снижает необратимые реакции в батарее, и, таким образом, сохраняет срок службы батареи.
Преимущественно, вслед за отключением нагревательного элемента, когда цепь обнаружения разряда определяет, что напряжение батареи находится ниже уровня порогового напряжения, система сконфигурирована для поддержания отключенного состояния нагревательного элемента до тех пор, пока батарея не будет заряжена до достижения порогового уровня заряда, достаточного для завершения одиночного эксперимента с курением. Пороговый уровень заряда может составлять приблизительно 90% от максимальной емкости батареи.
В четвертом аспекте раскрытия обеспечен способ работы электрически нагреваемой курительной системы, содержащей:
- батарею на фосфате лития-железа или титанате лития;
- нагревательный элемент, в котором работа нагревательного элемента разряжает батарею; и
- цепь обнаружения разряда, подключенную к батарее, содержащий:
- запрещение работы нагревательного элемента, когда цепь обнаружения разряда определяет, что напряжение батареи находится ниже уровня порогового напряжения.
Способ может дополнительно содержать этап поддержания запрещения работы нагревательного элемента до тех пор, пока батарея не будет заряжена до достижения порогового уровня заряда, достаточного для завершения одиночного эксперимента с курением.
Пятый аспект раскрытия обеспечивает зарядное устройство для зарядки вторичной батареи, причем зарядное устройство содержит: пару выходных терминалов для подключения к вторичной батарее, источник электропитания постоянного тока, регулятор напряжения, подключенный между источником электропитания постоянного тока и выходными терминалами для регулирования зарядного напряжения, и микропроцессор, связанный с регулятором напряжения и с выходными терминалами, причем зарядное устройство и вторичная батарея сконфигурированы таким образом, чтобы они были соединены друг с другом и образовывали цепь зарядки, и при этом микропроцессор сконфигурирован для:
- управления регулятором напряжения для обеспечения зарядного напряжения;
- определения внутреннего сопротивления цепи зарядки путем измерения тока в цепи зарядки при первом зарядном напряжении и при втором зарядном напряжении, причем второе зарядное напряжение является более низким, чем первое зарядное напряжение; и
- ограничение первого зарядного напряжения, обеспечиваемого регулятором напряжения, до уровня, который компенсирует определенное внутреннее сопротивление.
ch
ch
ch
ch
ch
low
При идеальной системе зарядки профиль зарядки распадается на две части: на фазу постоянного тока и фазу постоянного напряжения. На фазе постоянного тока напряжение на вторичной батарее регулируют для поддержания постоянного максимального тока зарядки I, до достижения напряжением на батарее заданного предельного напряжения V, с I и V, заданными свойствами батареи. На фазе постоянного напряжения напряжение на батарее поддерживают при фиксированном значении V, пока ток не упадет ниже уровня предварительно заданного значения I. Для быстрой зарядки желательно максимизировать длину фазы постоянного тока.
ch
ch
ch
ch
На практике, система зарядки не является идеальной. Цепь зарядки, образованная зарядным устройством и вторичной батареей, обладает внутренним сопротивлением, в результате как компонентов цепи зарядки, так и контактного сопротивления между зарядным устройством и вторичной батареей. Доля зарядного напряжения, обеспечиваемого зарядным устройством, будет падать на концах внутреннего сопротивления цепи зарядки, вследствие чего напряжение на вторичной батарее является меньшим, чем зарядное напряжение, обеспечиваемое зарядным устройством. Зарядное устройство согласно первому аспекту раскрытия может обеспечивать зарядное напряжение, большее, чем V. Путем определения внутреннего сопротивления цепи зарядки может быть вычислена величина, на которую зарядное напряжение может превышать Vтаким образом, чтобы напряжение на батарее было равным или чуть меньшим, чем V. Таким путем, зарядное устройство обеспечивает зарядное напряжение, которое компенсирует падение напряжения на концах внутреннего сопротивления цепи зарядки. Это увеличивает продолжительность фазы зарядки при постоянном токе, поскольку определение напряжения отсечки V на батарее, а не на регуляторе напряжения, означает, что напряжение отсечки достигается позже.
Внутреннее сопротивление цепи зарядки изменяется с течением времени. Внутреннее сопротивление батареи повышается с продолжительностью работы батареи. Контактное сопротивление между зарядным устройством и вторичной батареей также может изменяться с течением времени и будет изменяться от зарядного устройства к зарядному устройству и от батареи к батарее. Зарядное устройство согласно первому аспекту раскрытия сконфигурировано для определения внутреннего сопротивления цепи зарядки в ходе каждого цикла зарядки для обеспечения того, чтобы длина участка постоянного тока цикла зарядки была максимизирована.
ch
Во время фазы постоянного напряжения микропроцессор может быть сконфигурирован для ограничения зарядного напряжения, обеспечиваемого регулятором напряжения таким образом, чтобы напряжение, принимаемое вторичной батареей, было равно предварительно заданному максимальному напряжению, V.
Является предпочтительным, чтобы второе зарядное напряжение было ненулевым и могло иметь предварительно заданную разность напряжений относительно первого зарядного напряжения. В качестве альтернативы, второе зарядное напряжение может представлять собой предварительно заданное ненулевое напряжение. При ненулевом втором зарядном напряжении не происходит никакого прерывания процесса зарядки, которое могло бы удлинить время зарядки.
Микропроцессор может быть сконфигурирован для регулирования первого зарядного напряжения для поддержания постоянного тока зарядки в цепи зарядки, до тех пор пока зарядное напряжение не превысит максимальное зарядное напряжение, причем максимальное зарядное напряжение вычисляют, исходя из характеристик вторичной батареи и определенного внутреннего сопротивления цепи зарядки.
ch
Микропроцессор может быть сконфигурирован для вычисления максимального напряжения и регулирования первого зарядного напряжения для его поддержания на уровне или ниже максимального зарядного напряжения множество раз в ходе одиночного цикла зарядки. Вместо простой подачи постоянного зарядного напряжения во время фазы постоянного напряжения, является выгодным обеспечение регулируемого зарядного напряжения, которое компенсирует падение напряжения на концах внутреннего сопротивления цепи зарядки. Когда вторичная батарея приближается к полностью заряженному уровню, ток зарядки для заданного зарядного напряжения падает. В результате перепад напряжений на концах внутреннего сопротивления цепи зарядки уменьшается. Это, в свою очередь, означает, что требуемое зарядное напряжение, которое должно быть обеспечено регулятором напряжения для обеспечения того, что напряжение на батарее было равно V, падает. Потому, является выгодным вычислять максимальное зарядное напряжения множество раз в ходе цикла зарядки, в частности, когда ток зарядки падает. Следовательно, микропроцессор может быть сконфигурирован для непрерывного или периодического перевычисления максимального напряжения и регулирования первого зарядного напряжения для его поддержания на уровне или ниже максимального зарядного напряжения, после того, как первое зарядное напряжение впервые достигает максимального значения зарядного напряжения в ходе одиночного цикла зарядки.
ch
Микропроцессор может быть сконфигурирован для определения внутреннего сопротивления и вычисления максимального зарядного напряжения только после того, как первое зарядное напряжение достигло предварительно заданного уровень напряжения. Например, предварительно заданный уровень напряжения может представлять собой V, - максимальное напряжение батареи.
Согласно шестому аспекту раскрытия обеспечен способ зарядки вторичной батареи, содержащий:
подключение вторичной батареи к зарядному устройству, имеющему регулируемый источник напряжения, с образованием цепи зарядки;
регулирование первого напряжения, обеспечиваемого источником напряжения, для подачи предварительно заданного тока зарядки к вторичной батарее;
определение внутреннего сопротивления цепи зарядки путем измерения тока в цепи зарядки при первом зарядном напряжении и при втором зарядном напряжении, причем второе зарядное напряжение является более низким, чем первое зарядное напряжение;
расчет вычисление максимального зарядного напряжения, исходя из определенного внутреннего сопротивления и характеристики вторичной батареи; и
регулирование первого зарядного напряжения для поддержания предварительно заданного тока зарядки, до тех пор пока первое зарядное напряжение не достигнет максимального уровня напряжения, и с последующим регулированием первого зарядного напряжения для его поддержания на уровне или ниже максимального зарядного напряжения.
Как и в пятом аспекте, является предпочтительным, чтобы второе зарядное напряжение было ненулевым и могло иметь предварительно заданную разность напряжений относительно первого зарядного напряжения.
Этапы вычисления максимального напряжения и регулирования первого зарядного напряжения для его поддержания на уровне или ниже уровня максимального зарядного напряжения могут быть осуществлены множество раз в ходе одиночного цикла зарядки.
Этапы вычисления максимального напряжения и регулирования первого зарядного напряжения для его поддержания на уровне при или ниже уровня максимального зарядного напряжения могут быть осуществлены непрерывно после того, как первое зарядное напряжение впервые достигло максимального значения зарядного напряжения в ходе одиночного цикла зарядки.
Этап определения внутреннего сопротивления можно осуществлять периодически в ходе цикла зарядки.
ch
Этапы определения внутреннего сопротивления и вычисление максимального зарядного напряжения могут быть осуществлены только после того, как первое зарядное напряжение достигло предварительно заданного уровня напряжения. Например, предварительно заданный уровень напряжения может представлять собой V, - максимальное напряжение батареи.
В седьмом аспекте раскрытия обеспечено зарядное устройство, содержащее:
- пару выходных терминалов для подключения к вторичной батарее;
- источник электропитания постоянного тока;
- регулятор напряжения, подключенный между источником электропитания постоянного тока и выходными терминалами для регулирования зарядного напряжения; и
- микропроцессор, связанный с регулятором напряжения и с выходными терминалами, в которой зарядное устройство и вторичная батарея сконфигурированы таким образом, чтобы они были соединены друг с другом и образовывали цепь зарядки, и при этом микропроцессор сконфигурирован для:
- управления регулятором напряжения для обеспечения зарядного напряжения;
- определения внутреннего сопротивления цепи зарядки;
- вычисления максимального зарядного напряжения, исходя из определенного внутреннего сопротивления и характеристики вторичной батареи;
- регулирования первого зарядного напряжения для поддержания предварительно заданного тока зарядки, до тех пор пока первое зарядное напряжение не достигнет максимального значения зарядного напряжения, с последующим регулированием первого зарядного напряжения, до достижения уровня при или ниже максимального зарядного напряжения, и с последующим периодическим или непрерывным перевычислением максимального зарядного напряжения и регулированием зарядного напряжения, для его поддержания на уровне при или ниже вычисленного максимального зарядного напряжения.
ch
Вместо простого обеспечения постоянного зарядного напряжения во время фазы постоянного напряжения, является выгодным обеспечивать регулируемое зарядное напряжение, которое компенсирует падение напряжения на концах внутреннего сопротивления цепи зарядки. Когда вторичная батарея приближается к полностью заряженному уровню, ток зарядки для данного зарядного напряжения падает. В результате падение напряжения на концах внутреннего сопротивления цепи зарядки уменьшается. Это, в свою очередь означает, что требуемое зарядное напряжение, которое должно быть обеспечено регулятором напряжения для обеспечения того, что напряжение на батарее будет равно V, падает. Поэтому, является выгодным вычислять максимальное зарядное напряжение множество раз в ходе цикла зарядки, в частности, когда ток зарядки падает. Следовательно, микропроцессор сконфигурирован для непрерывного или периодического перевычисления максимального напряжения и регулирования первого зарядного напряжения для его поддержания на уровне при или ниже максимального зарядного напряжения после того, как первое зарядное напряжение впервые достигает максимального значения зарядного напряжения. Этап определения внутреннего сопротивления может содержать измерение внутреннего сопротивления или оценку внутреннего сопротивления.
В восьмом аспекте раскрытия обеспечен способ зарядки вторичной батареи, содержащий:
- подключение вторичной батареи к зарядному устройству, имеющему регулируемый источник напряжения, с образованием цепи зарядки;
- регулирование первого напряжения, обеспечиваемого источником напряжения, для подачи предварительно заданного тока зарядки на вторичную батарею;
- определение внутреннего сопротивления цепи зарядки;
- вычисление максимального зарядного напряжения, исходя из определенного внутреннего сопротивления и характеристики вторичной батареи;
- регулирование первого зарядного напряжения для поддержания предварительно заданного тока зарядки, до достижения первым зарядным напряжением максимального значения зарядного напряжения, с последующим регулированием первого зарядного напряжения на уровне или ниже максимального зарядного напряжения; и с последующим периодическим или непрерывным перевычислением максимального зарядного напряжения и регулированием зарядного напряжения, для его поддержания на уровне при или ниже вычисленного максимального зарядного напряжения.
Зарядное устройство и способ в соответствии с пятым, шестым, седьмым и восьмым аспектами раскрытия может быть применено для электронных курительных систем. Зарядное устройство может быть использовано для зарядки вторичной батареи в электронном курительном устройстве. Электронное курительное устройство может включать в себя электрически питаемый нагреватель, сконфигурированный для нагрева подложки для формирования аэрозоли. Подложка для формирования аэрозоли может быть обеспечена в форме сигареты, имеющей участок мундштука, на конце которого пользователь вдыхает. Вторичная батарея может выгодно обеспечивать достаточную мощность для одиночного сеанса курения, обедняя одиночную подложку для формирования аэрозоли.
Короткое время перезарядки является решающим для приема электронных сигарет. Зарядное устройство и способ зарядки согласно настоящему раскрытию максимизируют продолжительность фазы постоянного тока процесса перезарядки, а также максимизирует напряжение на вторичной батарее, когда была достигнута фаза постоянного тока.
В восьмом аспекте обеспечен способ квалификационного испытания батареи на фосфате лития-железа или титанате лития, содержащий:
a) зарядку батареи со скоростью, по меньшей мере, 2C;
b) разрядку батареи;
c) повторение этапов a) и b), по меньшей мере, 6000 раз;
d) вслед за этапом c), - определение того, что батарея отвечает квалификационному стандарту, если емкость батареи является большей, чем пороговая емкость.
Пороговая емкость может составлять долю номинальной емкости батареи, например 80% номинальной емкости батареи.
Этап зарядки батареи может содержать зарядку при средней скорости 12C. Этап разрядки может быть осуществлен со скоростью примерно 13C и может быть выполнен, с использованием миллисекундных импульсов. Этап c) может содержать повторение этапов a) и b), по меньшей мере, 7000 раз или, по меньшей мере, 8000 раз.
В девятом аспекте обеспечен способ квалификационного испытания партии батарей на фосфате лития-железа или титанате лития, содержащий выбор образца из множества батарей из партии батарей, и способ выполнения восьмого аспекта в отношении каждой из множества батарей. Множество батарей может быть выбрано из партии случайным образом. Если все из множества батарей отвечают квалификационному стандарту, то партия батарей может быть определена как отвечающая квалификационному стандарту.
В десятом аспекте обеспечена батарея или партия батарей, определенная как отвечающая квалификационному стандарту в соответствии с восьмым аспектом.
Следует отметить, что признаки, описанные применительно к одному аспекту раскрытия, могут быть применены для других аспектов раскрытия, по одиночке, или в сочетании с другими описанными аспектами и признаками раскрытия.
Примеры в соответствии с различными аспектами раскрытия будут теперь подробно описаны, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фигура 1 представляет собой схематическую диаграмму, показывающую пример электронной курительной системы, содержащей первичный и вторичный блоки;
Фигура 2a показывает обычный профиль зарядки для перезаряжаемой батареи в соответствии с уровнем техники;
Фигура 2b представляет собой блок-схему, иллюстрирующую процесс регулирования для профиля зарядки согласно Фигуре 2a;
Фигура 3 представляет собой схематическую иллюстрацию цепи зарядки, образованной соединенными первичным и вторичным устройствами согласно Фигуре 1;
Фигура 4 показывает профиль зарядки в соответствии с вариантом воплощения изобретения;
Фигура 5a представляет собой блок-схему, иллюстрирующую процесс регулирования для профиля зарядки согласно Фигуре 4;
Фигура 5b представляет собой блок-схему, иллюстрирующую альтернативный процесс регулирования для профиля зарядки согласно Фигуре 4;
Фигура 5c представляет собой блок-схему, иллюстрирующую дополнительный альтернативный процесс регулирования для профиля зарядки согласно Фигуре 4;
Фигура 6 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ для вычисления внутреннего сопротивления цепи зарядки; и
Фигура 7 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ регулирования, для предотвращения избыточной разрядки вторичной батареи в системе типа, показанного на Фигуре 1.
Фигура 1 показывает 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, адаптированное для приема курительного изделия 104, содержащее подложку для формирования аэрозоли. Вторичное устройство включает в себя нагреватель для нагрева, в ходе работы, подложки для формирования аэрозоли. Пользователь осуществляет вдох со стороны участка мундштука курительного изделия 104, втягивая аэрозоль в свой рот. Вторичное устройство 102 сконфигурировано таким образом, чтобы оно входило в полость 112 в первичном устройстве 100, для перезарядки источника питания во вторичном устройстве.
Первичное устройство 100 содержит первую батарею 106, электронную аппаратуру управления 108 и электрические контакты 110, сконфигурированные для подачи электроэнергии на вторую батарею во вторичном устройстве, от первой батареи 106, когда вторичное устройство подключено к электрическим контактам 110. Электрические контакты 110 обеспечены рядом с дном полости 112. Полость сконфигурирована для приема вторичного устройства 102. Компоненты первичного устройства 100 помещены в кожух 116.
Вторичное устройство 102 содержит вторую батарею 126, вторичную электронную аппаратуру управления 128 и электрические контакты 130. Как было описано выше, вторая перезаряжаемая батарея 126 вторичного устройства 102 сконфигурирована для приема энергоснабжения 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, сконфигурированную для приема курительного изделия 104. Нагреватель 134 в форме, например, пластинчатого нагревателя, обеспечен на дне полости 132. При работе пользователь приводит в действие вторичное устройство 102 и обеспечивает подачу электроэнергии от батареи 126 посредством электронной аппаратуры управления 128 к нагревателю 134. Нагреватель нагревается до обычной рабочей температуры, достаточной для генерирования аэрозоли на подложке для формирования аэрозоли, принадлежащей изделию 104 для генерирования аэрозоли. Компоненты вторичного устройства 102 помещены в кожух 136. Вторичное устройство этого типа более полно описано, например, в EP 2110033.
Является предпочтительным, чтобы подложка для формирования аэрозоли содержала табакосодержащий материал, содержащий летучие соединения со вкусом табака, которые высвобождаются из подложки при нагреве. В качестве альтернативы, подложка для формирования аэрозоли может содержать не табачный материал. Является предпочтительным, чтобы подложка для формирования аэрозоли дополнительно содержала формирователь аэрозоли. Примерами подходящих формирователей аэрозолей является глицерин и пропиленгликоль.
Подложка для формирования аэрозоли может представлять собой твердую подложку. Твердая подложка может содержать, например, одно или более из следующего: порошка, гранул, таблеток, обрезков, макаронин, лент или листов, содержащих одно или более из следующего: листов травы, листов табака, фрагментов прутиков табака, восстановленного табака, гомогенизированного табака, экструдированного табака и набухшего табака. В качестве альтернативы, подложка для формирования аэрозоли может представлять собой жидкую подложку, а курительное изделие может содержать средство для удержания жидкой подложки. Подложка для формирования аэрозоли может, в качестве альтернативы, представлять собой любую другую разновидность подложки, например, газовую подложку, или любое сочетание различных типов подложек.
В данном примере вторичное устройство 102 представляет собой электрически нагреваемое курительное устройство. Как таковое, вторичное устройство 102 бывает маленьким (с размером обычной сигареты), но должно обеспечивать высокую мощность в течение даже нескольких минут, обычно примерно 7 минут для одиночного сеанса курения. Может возникнуть необходимость в том, чтобы вторая батарея была затем возвращена в первичное устройство 100 для перезарядки. Желательно, чтобы перезарядка была завершена по достижении, по меньшей мере, уровня, достаточного для обеспечения возможности проведения другого полного эксперимента с курением, в течение нескольких минут, предпочтительно, менее 6 минут.
Первая батарея 106 в первичном устройстве сконфигурирована для поддержания достаточного заряда для перезарядки второй батареи 126 множество раз, перед возникновением необходимости в самой перезарядки. Это обеспечивает пользователя портативной системой, которая предусматривает несколько сеансов курения, перед тем, как потребуется перезарядка от выхода питающей сети.
Также является желательным, чтобы не было необходимости в частой замене второй батареи. Является предпочтительным, чтобы вторая батарея имела срок службы, по меньшей мере, один год, что равно примерно 8000 циклов зарядки/разрядки для обычного пользователя.
4
Для удовлетворения конкурирующих требований для второй батареи 126 малого размера, обладающей достаточной емкостью и безопасностью, но с быстрой зарядкой и разрядкой, а также с приемлемым сроком службы, может быть использована химия батареи на фосфате лития-железа (LiFePO), как и в данном примере. Вторая батарея 126 в данном примере имеет цилиндрическую форму, с диаметром 10 мм и длиной 37 мм. Эта батарея способна подвергаться воздействию 8000 циклов зарядки/разрядки при более чем 900 Дж на цикл. Средняя скорость зарядки может составлять до 12C. Скорость зарядки 1C означает, что батарея полностью заряжена от нулевого заряда до полного заряда за один час, а скорость зарядки 2C означает, что батарея полностью заряжена от нулевого заряда до полного заряда за полчаса. Емкость батареи составляет примерно 125 мА⋅ч. Максимальный ток зарядки может находиться в диапазоне от 980 мА до 1,5А. Разрядку выполняют с использованием импульсов в 1 миллисекунду вплоть до 2А. Скорость разрядки зависит от сопротивления нагревателя, которое, в свою очередь, зависит от температуры нагревателя. При комнатной температуре скорость разрядки может быть столь высокой, что будет составлять вплоть до 28C, но она снижается при более высоких температурах, поскольку сопротивление нагревателя повышается. При обычной рабочей температуре скорость разрядки составляет примерно 13C. В качестве альтернативы, для второй батареи может быть использована батарея на титанате лития.
Образец второй батареи может быть подвергнут квалификационному испытанию, для обеспечения того, чтобы они были способны отвечать квалификационному стандарту с точки зрения количества эффективных циклов зарядки-разрядки. Квалификационное испытание может содержать: зарядку батареи со скоростью, по меньшей мере, 2C; разрядку батареи; повторение цикла зарядки/разрядки, по меньшей мере, 6000 раз; а затем, определение того, что батарея отвечает квалификационному стандарту, если емкость батареи является большей, чем пороговая емкость, такая как 80% от исходной номинальной емкости батареи.
2
Первая батарея 106 в первичном блоке 100 представляет собой батарею на оксиде лития-кобальта (LiCoO) призматического типа. Первая батарея обладает емкостью примерно 1350 мА⋅ч, что более чем в десять раз превышает емкость второй батареи. Вторая батарея может быть заряжена от первой батареи со скоростью 2C-16C. Разрядка первой батареи со скоростью 1C обеспечивает норму зарядки более 10C для второй батареи. Зарядка первой батареи может быть выполнена от сети электропитания, со скоростью 0-1,5C, а чаще всего, - со скоростью примерно 0,5C, для максимизации срока службы батареи.
Батарея на оксиде лития-кобальта обеспечивает более высокое напряжение батареи, чем батарея на фосфате лития-железа, позволяя осуществлять зарядку батареи на фосфате лития-железа от одиночной батареи на оксиде лития-кобальта.
ch
ch
ch
ch
end
Фигура 2a показывает обычный профиль зарядки для зарядки перезаряжаемой батареи. Фигура 2a показывает зарядное напряжение от зарядного устройства 210, ток зарядки 220 от зарядного устройства и напряжение батареи 230 второй батареи, которую заряжают. Профиль зарядки состоит из начальной фазы постоянного тока 300. Во время фазы постоянного тока 300 зарядное напряжение 210 регулируют таким образом, чтобы можно было обеспечивать постоянный, максимальный ток зарядки I. Это предусматривает максимальную скорость зарядки. Однако фаза постоянного ток зарядки 200 подходит к концу, когда зарядное напряжение, требуемое для поддержания максимального тока зарядки, превышает максимальное зарядное напряжение V. V задают на уровне, который сохраняет срок службы второй батареи. Как только эта стадия достигается, что указано в точке 203 на Фигуре 2a, начинается фаза постоянного напряжения 202. Во время фазы постоянного напряжения зарядное напряжение 210 поддерживается при максимальном значении V. Во время фазы постоянного напряжения ток зарядки падает с падением разности между зарядным напряжением 210 и напряжением батареи 230. Процесс зарядки прекращается, когда ток зарядки достигает нижнего порога I. Максимальный ток зарядки и максимальное зарядное напряжение задаются изготовителем батареи.
ch
ch
ch
ch
ch
end
Фигура 2b иллюстрирует этапы контроля в этом процессе. На этапе 20 ток зарядки задают равным I, т.е. максимальному току зарядки. Во время фазы постоянного тока логическая схема управления сопоставляет зарядное напряжение с максимальным разрешенным зарядным напряжением V. Этот показано в виде этапа 22. Если зарядное напряжение ниже V, то поддерживают ток зарядки. Если ток зарядки равен или превышает V, то фазу постоянного тока завершают, а зарядное напряжение задают равным V. Это показано в виде этапа 24. Логическая схема управления затем контролирует ток зарядки на этапе 26. Как только ток зарядки становится меньшим, чем I, процесс зарядки считается завершенным, и он заканчивается на этапе 28.
Профиль зарядки, проиллюстрированный на Фигурах 2a и 2b, может быть использован в системе, которая описана со ссылкой на Фигуру 1. Однако время зарядки можно укоротить за счет компенсации внутреннего сопротивления в цепи зарядки. Более короткое время зарядки является желательным, в частности, для таких систем, как электронные курительные системы, в которых время перезарядки должно составлять лишь несколько минут.
p-
p+
s-
s+
c-
c+
i
Фигура 3 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую цепь зарядки, образованную соединенными первичным и вторичным устройствами. Цепь разделена на сторону первичного устройства и сторону вторичного устройства. Пунктирная линия 30 отображает границу между первичным устройством 100 и вторичным устройством 102. Сторона первичного устройства содержит регулируемый источник напряжения 320, содержащий первую батарею и регулятор напряжения, и микроконтроллер 340, сконфигурированный для управления источником напряжения 340, исходя из измерений тока I и напряжения V. Сторона вторичного устройства содержит вторую батарею 126. Внутреннее сопротивление цепи зарядки содержит вклады от нескольких источников. Сопротивления r и rотображают электрические сопротивления электронной компоновки и припойных перемычек в первичном устройстве. Сопротивления r и r отображают электрические сопротивления электронной компоновки и припойных перемычек в первичном устройстве. Сопротивления r(t) и r(t) отображают электрические сопротивления контактов между первичным и вторичным устройствами. Они могут видоизменяться от устройства к устройству и могут изменяться со временем от цикла зарядки к циклу зарядки. В электрической курительной системе типа, описанного со ссылкой на Фигуру 1, первичный и вторичный блоки могут быть приведены в контакт и выведены из контакта по нескольку раз в день, и каждый раз контактные сопротивления могут быть различными. Контактные сопротивления также могут возрастать, если контакты не поддерживаются в чистоте. Сопротивление r(t) отображает внутреннее сопротивление второй батареи, которое возрастает в течение всего срока службы второй батареи.
p-
p+
s-
s+
c-
c+
drop
Если паразитные сопротивления r, r, r r, r(t) и r(t) скомбинированы в одно сопротивление R(t), то напряжение между концами второй батареи будет меньше, чем зарядное напряжение, подаваемое от источника напряжения, на V=I*R(t).
ch
ch
ch
ch
ch
Это означает, что зарядное напряжение, обеспечиваемое источником напряжения, может быть повышено более чем максимальное V, на величину I*R(t), и напряжение между концами второй батареи будет равно V. Фаза постоянного тока профиля зарядки может быть продолжена до тех пор, пока не будет достигнута точка, в которой зарядное напряжение достигает V+I*R(t). Зарядное напряжение, обеспечиваемое в дальнейшем, также можно регулировать таким образом, чтобы оно было большим, чем V, но не большим, чем V+I*R(t).
ch
Фигура 4 иллюстрирует профиль зарядки в соответствии с аспектом изобретения, в котором обеспечиваемое зарядное напряжение превышает V. Профиль зарядки содержит фазу постоянного тока 400 и фазу псевдопостоянного напряжения 402. Зарядное напряжение, подаваемое от источника напряжения, показано как 410, ток зарядки показан как 420, а напряжение второй батареи показано как 430.
comp
ch
comp
Фаза постоянного тока 400 продолжается до тех пор, пока зарядное напряжение не достигнет максимума от V=V+I*R(t). Во время фазы псевдопостоянного напряжения 402 зарядное напряжение регулируют таким образом, чтобы оно было равно V. Цикл зарядки завершается, когда ток зарядки становится равным току, показанному на Фигуре 5a, 5b и 5c, где проиллюстрированы альтернативные алгоритмы управления для воплощения профиля зарядки, как показано на Фигуре 4.
ch
Фигура 5a показывает процесс запуска на этапе 500. На этапе 510 ток зарядки задают равным I, т.е. максимальному току зарядки, указанному изготовителем. На этапе 520 измеряют внутреннее сопротивление цепи зарядки.
1
1
2
2
1
2
i
1
2
1
2
Процесс для измерения внутреннего сопротивления цепи зарядки показан на Фигуре 6. На первом этапе 610 измеряют ток зарядки I и зарядное напряжение V. Зарядное напряжение затем снижают до более низкого напряжения V на этапе 620, где V=V-ΔV. ΔV фиксируют на уровне предварительно заданной разности напряжений в несколько милливольт. Сниженное напряжение V и соответствующий сниженный ток I2 измеряют на этапе 630. Напряжение снижают только на период времени 100-400 мкс, вполне достаточный для однократного измерения напряжения и тока (или множество раз, для получения среднего значения) микроконтроллером. Внутреннее сопротивление R цепи зарядки вычисляют на этапе 640, с использованием соотношения R=(V-V)/(I-I). Процесс завершается на этапе 650 и может быть повторен, как описано ниже.
comp
i
comp
ch
imax
i
comp
На этапе 530 зарядное напряжение сопоставляют со скомпенсированным максимальным зарядным напряжением V. Внутреннее сопротивление R содержит как паразитное сопротивление R(t), так и внутреннее сопротивление батареи r(t). V =V+R(t). Максимальное внутреннее сопротивление второй батареи rобеспечивается изготовителем батареи и может быть использовано для выведения значения для R(t) из R. В качестве альтернативы, напряжение на батарее может быть измерено непосредственно и передано на микроконтроллер для обеспечения определения паразитного сопротивления. Используя значение R(t), можно вычислить V.
comp
comp
comp
comp
end
end
comp
end
end
Если зарядное напряжение меньше чем V, то фаза постоянного тока продолжается, а этап 530 повторяют, исходя из вычисленного значения V. Если зарядное напряжение равно или превышает V, то фаза постоянного тока завершается, и зарядное напряжение на этапе 540 задают на уровне V. На этапе 550 ток зарядки сопоставляют с I. Если ток зарядки больше или равен I, то процесс возвращается к этапу 540. Зарядное напряжение переустанавливают на новое значение V, исходя из вновь измеренного тока зарядки, а затем процесс продолжается до этапа 550. Эту цепь управления согласно этапам 540 и 550 можно повторять сколь угодно часто. Если на этапе 550 ток зарядки меньше чем I, то цикл зарядки заканчивают на этапе 560, и это указывается для пользователя. Значение I может быть задано, исходя из полной емкости батареи, или оно может быть задано, исходя из количества энергии, требуемой для одного обычного использования вторичного устройства, например, одиночного сеанса курения.
ch
ch
comp
ch
comp
Фигура 5b иллюстрирует альтернативный процесс зарядки. В процессе согласно Фигуре 5b этапы 500 и 510 идентичны этапам, описанным со ссылкой на Фигуру 5a. Этап 515 добавляют к процессу, показанному на Фигуре 5a. На этапе 515 зарядное напряжение сопоставляют с V, т.е. с максимальным зарядным напряжением, указанным изготовителем батареи. Лишь если зарядное напряжение равно или превышает V, процесс переходит к этапу 520, т.е., к определению внутреннего сопротивления. Этапы 520 и 530 являются такими, какие описаны со ссылкой на Фигуру 5a, но для процесса согласно Фигуре 5b внутреннее сопротивление и V вычисляют лишь после достижения зарядным напряжением значения V. Для фазы псевдопостоянного тока согласно Фигуре 5b первый этап представляет собой перевычисление внутреннего сопротивления на этапе 535. Внутреннее сопротивление цепи зарядки может повышаться в ходе процесса зарядки, и перевычисление обеспечивает лучшее вычисление V и потенциально более короткое время зарядки. Этапы 540, 550 и 560 являются такими же, какие описаны со ссылкой на Фигуру 5a.
comp
comp
Фигура 5c иллюстрирует дополнительный альтернативный процесс зарядки. Для процесса согласно Фигуре 5c этапы 500, 510 и 520 являются такими же, какие описаны со ссылкой на Фигуру 5a. На этапе 525 зарядное напряжение сопоставляют со скомпенсированным максимальным зарядным напряжением V, таким же образом, что и на этапе 530 на Фигуре 5a и 5b. Однако на этапе 525, если зарядное напряжение является большим или равным V, то процесс возвращается к этапу 520.
end
end
comp
end
end
end
Этапы 535 и 540 согласно Фигуре 5c идентичны этапам 535 и 540 согласно Фигуре 5b. На этапе 545 ток зарядки сопоставляют с I. Если ток зарядки больше или равен I, то процесс возвращается к этапу 535, а внутреннее сопротивление вычисляют, и Vобновляют перед этапом 540. Если на этапе 550 ток зарядки меньше чем I, то цикл зарядки заканчивается на этапе 560, и это указывается для пользователя. Как было разъяснено выше, значение Iможет быть установлено, исходя из полной емкости батареи, вследствие чего батарея заряжается до некоторой доли от полного заряда, допустим, до 90% от полного заряда. В качестве альтернативы, I может быть задан, исходя из количества сохраненной энергии, требуемой для одиночного использования вторичного устройства.
Фигуры 5a, 5b и 5c представляют собой примерные процессы регулирования, и следует отметить, что возможны и другие процессы, в соответствии с тем же общим принципом. Например, любые фазы постоянного тока согласно Фигурам 5a, 5b и 5c могут быть использованы с любой из фаз псевдопостоянного напряжения согласно Фигурам 5a, 5b и 5c, с обеспечением девяти различных возможных процессов регулирования.
В таких системах, как электрическая курительная система любое уменьшение времени, требуемого для перезарядки вторичного устройства, может значительно повысить усвоение пользователем. Ключевым требованием является простота и удобство использования, и в цикле перезарядки в течение последних лишь нескольких минут существенна каждая секунда. Процессы перезарядки, описанные со ссылкой на Фигуру 4 и Фигуры 5a, 5b и 5c, предусматривают быструю перезарядку в рамках ограничений работе, указанных изготовителем батареи.
Дополнительный аспект данного раскрытия проиллюстрирован на Фигуре 7. Со ссылкой на вторичное устройство, показанное на Фигуре 1, вторичное устройство 102 может быть сконфигурировано для предотвращения работы, если вторая батарея падает ниже 20% от ее уровня полной зарядки. Этот сохраняет срок службы второй батареи. Электронная аппаратура управления 128 сконфигурирована для мониторинга напряжения второй батареи в ходе ее работы. Когда напряжение батареи падает до 20% от уровня напряжения полной зарядки, устройство отключается, до перезарядки второй батареи до порогового уровня заряда. Пороговый уровень заряда может быть выбран таким образом, чтобы он был меньше, чем уровень максимальной емкости батареи, то есть 90% от полной емкости, опять же, для сохранения срока службы батареи. Было обнаружено, что уровень 20% является хорошим пороговым уровнем для батареи на фосфате лития-железа, но может быть использован любой уровень в диапазоне 15-25%, но могут быть выбраны и другие уровни, соответствующие батареям с различными химическими свойствами.
min
min
Фигура 7 иллюстрирует процесс регулирования, для исполнения которого сконфигурирована электронная аппаратура управления 128. Процесс приводят в действие на этапе 700. На этапе 720 напряжение вторичной батареи сопоставляют с минимальным напряжением запуска V, для обеспечения работы устройства. Если напряжение батареи меньше V, то вторичное устройство не будет допускать дополнительную эксплуатацию нагревателя, и будет вводить режим работы с низким потреблением мощности, для сохранения емкости батареи до следующего цикла перезарядки. Затем процесс завершается на этапе 730. В случае курительного устройства это предотвращает нагрев рабочего устройства, если имеет место недостаточный заряд во второй батарее для завершения одиночного эксперимента с курением (соответствующего упомянутому эксперименту с курением обычной сигареты). Как только вторая батарея перезаряжается, процесс можно перезапускать на этапе 700.
min
min
min
min
min
Если напряжение батареи больше или равно V, то устройству позволяют работать в режиме полноценной работы. В ходе работы напряжение второй батареи постоянно сопоставляют со второй пороговой величиной, в данном случае, с V/5, т.е., с 20% от минимального напряжения запуска батареи. Это показано в виде этапа 740. Если напряжение батареи больше чем V/5, то устройство продолжает функционировать, и этап 740 повторяется. Если напряжение батареи меньше или равно V/5, то устройство входит в режим работы с низким потреблением мощности, при котором нагреватель отключается на этапе 750. Как только нагреватель отключается, процесс регулирования должно запускать заново на этапе 700, и, таким образом, нагреватель не может работать до перезарядки второй батареи до уровня, при котором напряжение батареи больше или равно V.
Примерные варианты воплощения, описанные выше, являются иллюстративными, а не ограничивающими. Ввиду обсуждаемых выше примерных вариантов воплощения, другие варианты воплощения, совместимые с вышеприведенными примерными вариантами воплощения, теперь должны быть ясны обычному специалисту в данной области техники.