包括充電設(shè)備的便攜式電子系統(tǒng)以及給二次電池充電的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及包括充電器和二次設(shè)備的便攜式電子系統(tǒng)，并且涉及用于二次設(shè)備的充電和操作的方法。本發(fā)明可以應(yīng)用于便攜式電子吸煙系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)的電操作的吸煙系統(tǒng)典型地包括用于容納吸煙制品的殼體、生成煙霧的加熱元件、電源以及控制系統(tǒng)操作的電子電路系統(tǒng)。
[0003]如果便攜式電子吸煙設(shè)備要被傳統(tǒng)紙煙的吸煙者廣泛采用，則它們需要對用戶而言既小又方便。這引起對便攜式電子吸煙設(shè)備的電源的幾個技術(shù)需求。電源(典型地是電池)必須小到足夠適合放在與傳統(tǒng)紙煙相似尺寸的吸煙設(shè)備中，并且必須輸送足夠的電力以從吸煙制品產(chǎn)生煙霧。使用可再充電電池的構(gòu)思已經(jīng)在現(xiàn)有技術(shù)中被建議，但是在任何商業(yè)可行的系統(tǒng)中，可再充電電池都必須能夠?qū)χ辽僖淮挝鼰熎?smoking sess1n)輸送足夠的電力，必須能夠快速、安全且方便地被再充電至它可以再用于另一次吸煙期的水平，并且必須可操作用于數(shù)千次充電循環(huán)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供滿足可再充電的電源的這些需求的系統(tǒng)和充電方法。
[0005]在本發(fā)明的一方面，提供了一種包括一次設(shè)備和二次設(shè)備的便攜式電系統(tǒng)，一次設(shè)備具有第一鈷酸鋰電池而二次設(shè)備具有第二磷酸鐵鋰電池或鈦酸鋰電池，其中一次設(shè)備和二次設(shè)備配置為以2C至16C之間的速率從第一電池給第二電池再充電，或者允許以2C至16C之間的速率從第一電池給第二電池再充電。
[0006]二次設(shè)備可以是電加熱吸煙設(shè)備。電加熱吸煙設(shè)備可以包括由第二電池供電的電加熱器。電加熱器可以配置為加熱煙霧形成基質(zhì)。一次設(shè)備可以是便攜式充電單元，并且可以被制成與傳統(tǒng)的紙煙包相似的形狀和尺寸。在再充電循環(huán)期間二次設(shè)備可以容納在二次設(shè)備中。
[0007]磷酸鐵鋰(或鈦酸鋰)電池用于二次設(shè)備安全地允許快速充電和放電速率。在電加熱吸煙設(shè)備的情況下，快速放電是需要的，因為要求經(jīng)過僅僅幾分鐘的時間段將高電力輸送到加熱器?？焖俪潆娛切枰?，因為吸煙者常常希望在吸第一支煙之后非常短的時間吸另一支煙。
[0008]為了從單個第一電池對第二電池提供充電，第一電池必須比第二電池具有更高的電壓。如果要在需要再充電或替換第一電池自身之前提供多個再充電循環(huán)，則第一電池還必須比第二電池具有更高的充電容量。對于給定的尺寸，鈷酸鋰電池化學(xué)特性比磷酸鐵鋰(或鈦酸鋰)電池提供更高的電池電壓和更大的充電容量。因此，具有第一鈷酸鋰電池的一次設(shè)備和具有第二磷酸鐵鋰電池或鈦酸鋰電池的二次設(shè)備的組合對于便攜式電吸煙系統(tǒng)或者二次設(shè)備需要來自電池的高電力短脈沖的任何類似的便攜式系統(tǒng)是有利的。
[0009]第一電池的容量可以有利地至少是第二電池的容量的五倍。第一電池的容量可以有利地在第二電池的容量的五倍至四十倍之間。一次設(shè)備可以配置為允許以O(shè)至1.5C之間的速率從電源對第一電池再充電。
[0010]第二電池有利地能夠以每個循環(huán)多于900J經(jīng)歷至少6000個充電/放電循環(huán)，并且可以以每個循環(huán)多于900J經(jīng)歷至少7000個充電/放電循環(huán)或者以每個循環(huán)多于900J經(jīng)歷至少8000個充電/放電循環(huán)。平均充電速率可以高達12C。在不降至閾值電池容量以下(例如額定電池容量的80% )的情況下，第二電池有利地能夠經(jīng)歷至少6000個充電/放電循環(huán)，并且優(yōu)選地經(jīng)歷至少8000個充電/放電循環(huán)。第二電池的放電速率可以是大約13C，但是可以高達28C。
[0011]一次設(shè)備可以包括:用于連接到二次電池的一對輸出端子；DC電源；連接在DC電源之間并連接到輸出端子用于控制充電電壓電壓調(diào)節(jié)器；以及耦合到電壓調(diào)節(jié)器并耦合到輸出端子的微處理器，其中充電設(shè)備和二次電池配置為耦合到一起并且形成充電電路，以及其中微處理器配置為:
[0012]控制電壓調(diào)節(jié)器以供應(yīng)第一充電電壓；
[0013]通過在第一充電電壓和在第二充電電壓測量充電電路中的電流來確定充電電路的內(nèi)部電阻，其中第二充電電壓比第一充電電壓低；以及
[0014]將由電壓調(diào)節(jié)器供應(yīng)的第一充電電壓限定到補償所確定的內(nèi)部電阻的電平。
[0015]—次設(shè)備可以包括:用于連接到二次電池的一對輸出端子；DC電源；連接在DC電源之間并連接到輸出端子用于控制充電電壓的電壓調(diào)節(jié)器；以及耦合到電壓調(diào)節(jié)器并耦合到輸出端子的微處理器，其中充電設(shè)備和二次電池配置為耦合到一起并且形成充電電路，以及其中微處理器配置為:
[0016]控制電壓調(diào)節(jié)器以供應(yīng)第一充電電壓；
[0017]確定充電電路的內(nèi)部電阻；
[0018]基于所確定的內(nèi)部電阻和二次電池的特性來計算最大充電電壓；
[0019]調(diào)整第一充電電壓以維持預(yù)定的充電電流直到第一充電電壓達到最大充電電壓為止，其后將第一充電電壓調(diào)整到處于或低于最大充電電壓的電平，并且其后周期性地或者持續(xù)地重新計算最大充電電壓并調(diào)整充電電壓，以將充電電壓維持在處于或低于重新計算的最大充電電壓的電平。
[0020]在本公開內(nèi)容的第二方面，提供了一種從一次設(shè)備中的第一電池給二次設(shè)備中的第二電池充電的方法，一次設(shè)備和二次設(shè)備形成便攜式電系統(tǒng)，一次設(shè)備具有第一鈷酸鋰電池，而二次設(shè)備具有第二磷酸鐵鋰電池或鈦酸鋰電池，該方法包括:以2C至16C之間的速率從第一電池給第二電池充電。
[0021]在本公開內(nèi)容的第三方面，提供了一種電加熱吸煙系統(tǒng)，包括:
[0022]磷酸鐵鋰電池或鈦酸鋰電池；
[0023]加熱器元件，其中加熱器元件的操作使電池放電；以及
[0024]連接到電池的放電檢測電路，其中系統(tǒng)配置為當(dāng)放電檢測電路確定電池電壓小于閾值電壓電平時禁用加熱器元件的操作。
[0025]閾值電壓電平可以設(shè)置成一個電壓以上的電壓，在該電壓以下電池容量不可恢復(fù)地減小。例如，電池可以具有最大電池電壓并且閾值電壓電平可以在最大電池電壓的15%至25%之間。在這個充電水平以下，則電池容量可能不可恢復(fù)地喪失。但是，電池化學(xué)特性的改進或改變可以允許閾值電平減小至15%以下，例如，減小至最大電池電壓的5%。
[0026]確保電池不完全放電大幅度減小電池中的不可逆反應(yīng)，由此保持電池的操作壽命O
[0027]有利地，在當(dāng)放電檢測電路確定電池電壓小于閾值電壓電平時禁用加熱元件之后，系統(tǒng)配置為維持加熱器元件的禁用，直到電池已經(jīng)被充電至足以完成單次吸煙體驗的閾值充電水平為止。閾值充電水平可以是最大電池容量的大約90%。
[0028]在本公開內(nèi)容的第四方面，提供了一種操作電加熱吸煙系統(tǒng)的方法，電加熱吸煙系統(tǒng)包括:
[0029]磷酸鐵鋰電池或鈦酸鋰電池；
[0030]加熱器元件，其中加熱器元件的操作使電池放電；以及
[0031]連接到電池的放電檢測電路，該方法包括:
[0032]當(dāng)放電檢測電路確定電池電壓小于閾值電壓電平時，禁用加熱器元件的操作。
[0033]該方法還可以包括如下步驟:維持加熱器元件的禁用直到電池已經(jīng)被充電至足以完成單次吸煙體驗的閾值充電水平為止。
[0034]本公開內(nèi)容的第五方面提供了一種用于給二次電池充電的充電設(shè)備，該充電設(shè)備包括:
[0035]用于連接到二次電池的一對輸出端子，DC電源，連接在DC電源之間并連接到輸出端子用于控制充電電壓的電壓調(diào)節(jié)器，以及耦合到電壓調(diào)節(jié)器并耦合到輸出端子的微處理器，其中充電設(shè)備和二次電池配置為耦合到一起并且形成充電電路，以及其中微處理器配置為:
[0036]控制電壓調(diào)節(jié)器以供應(yīng)第一充電電壓；
[0037]通過在第一充電電壓和在第二充電電壓測量充電電路中的電流來確定充電電路的內(nèi)部電阻，其中第二充電電壓比第一充電電壓低；以及
[0038]將由電壓調(diào)節(jié)器供應(yīng)的第一充電電壓限定到補償所確定的內(nèi)部電阻的電平。
[0039]對于理想的充電系統(tǒng)，充電曲線被分成兩部分:恒定電流階段和恒定電壓階段。在恒定電流階段，二次電池兩端的電壓被調(diào)整成維持恒定的最大充電電流Idl,直到電池兩端的電壓達到限定的電壓限值Vdl為止，其中Idl和Vdl由電池的屬性設(shè)置。在恒定電壓階段，電池兩端的電壓維持在固定的值Vdl,直到電流降至預(yù)定的值Ilmt以下為止。對于快速充電，期望最大化恒定電流階段的長度。
[0040]在實踐中，充電系統(tǒng)從來都不是理想的。由于充電電路的部件以及充電設(shè)備與二次電池之間的接觸電阻，由充電設(shè)備和二次電池形成的充電電路具有內(nèi)部電阻。由充電設(shè)備供應(yīng)的充電電壓的一部分將在充電電路的內(nèi)部電阻兩端下降，使得二次電池兩端的電壓小于由充電設(shè)備供應(yīng)的充電電壓。本公開內(nèi)容的第一方面的充電設(shè)備可以提供大于Vdl的充電電壓。通過確定充電電路的內(nèi)部電阻，可以計算充電電壓可以超過Vdl使得電池兩端的電壓等于Vdl或僅比Vdl小一點的量。以這種方式，充電設(shè)備供應(yīng)補償充電電路的內(nèi)部電阻兩端的電壓降的充電電壓。這增加恒定電流充電階段的持續(xù)時間，因為在電池處而不是在電壓調(diào)節(jié)器處確定截止電壓Vdl意味著更晚到達截止電壓。
[0041]充電電路的內(nèi)部電阻隨時間變化。電池的內(nèi)部電阻隨電池的壽命增加。充電設(shè)備與二次電池之間的接觸電阻也可能隨時間變化并且將對各充電器和對各電池有所不同。本公開內(nèi)容第一方面的充電設(shè)備配置為在每次充電循環(huán)期間確定充電電路的內(nèi)部電阻，以確保充電循環(huán)的恒定電流部分的長度被最大化。
[0042]在恒定電壓階段期間，微處理器可以配置為限制由電壓調(diào)節(jié)器供應(yīng)的充電電壓，使得由二次電池接收的電壓等于預(yù)定的最大電壓V。,。
[0043]第二充電電壓優(yōu)選地是非零的，并且可以具有與第一充電電壓的預(yù)定電壓差。作為替代，第二充電電壓可以是預(yù)定的非零電壓。由于第二充電電壓非零，充電過程不會有任何