具有电池健康状态估计的充电器

本发明涉及一种用于确定如电子烟等装置中电池的健康状态的方法和系统。

可再充电电池通常用于如电子烟等装置中。电子烟尤其需要体积小巧以便于消费者使用(例如，如果它们可以在某种程度上模仿常规吸烟制品(如香烟、或雪茄或烟斗等)，则会非常方便)，尤其是使得使用者能够轻松地将其与使用者的嘴唇接触，从而以使用者在吸烟期间感到舒适的方式从该装置中抽吸蒸气等。同时，电池需要充足的电力来为汽化元件提供大量电力，以便产生大量优质蒸气。因此，电子烟倾向于使用小巧但相对强效的电池(如现代锂离子电池)，这些电池正被不断开发，以优化它们对于给定的电池体积和重量(希望保持尽可能小)可以供应的电量、可以容纳的电荷量以及可以被再充电的速率。

这些电池的安全性可能受到如它们的设计和制造方法等内部因素以及与它们被使用和充电的方式有关的外部因素的影响。使用和充电的方法可能因使用者和装置类型而大不相同，这可能影响电池的安全性和使用寿命。

在多次充电放电循环之后，可再充电电池的功效会随着时间的推移而减弱，并且性能的下降会由于电池被使用和充电方式而加剧。如果在电池性能减弱的情况下继续使用电池，就会产生安全性问题。本发明的目的是提供一种用于增加可再充电电池的寿命并提高其使用安全性的技术。

根据本发明的一方面，提供了一种用于对电子烟的可再充电电池进行充电的方法，该方法包括以下步骤：获取与该可再充电电池有关的历史数据，其中，该历史数据与至少一个先前的充电操作和/或与默认数据集有关；在施加充电电压的充电时期期间，测量与该可再充电电池的充电有关的一个或多个参数；基于该一个或多个测得的参数以及该历史数据，确定该可再充电电池的健康状态；以及基于所确定的健康状态，对该电子烟执行动作。

以这种方式，可以根据所确定的健康状态来控制装置的充电。特别地，如果发现电池健康状况不佳，则可以修改或暂停充电。这可以增加电池的寿命并提高使用安全性。

默认数据集可以由制造商提供，并且可以基于对制造商在先前试验中测量的多个“健康”电池的分析、和/或基于从使用中的多个装置发送回给制造商的数据结果等。

基于该一个或多个测得的参数和该历史数据来确定该健康状态。健康状态可以是历史数据的一个或多个方面和一个或多个测得的参数的函数。可以使用大量可想到的数学模型来组合这些参数，以确定与电池的使用安全性和/或电池出现故障的可能性有关的健康状态。

历史数据可以从存储器单元中获取，该存储器单元可以位于装置中或位于如移动电话或远程服务器等相连接的资源中。该确定优选地由处理器执行，该处理器可以位于装置中，或位于充电装置中，或位于如移动电话、计算机或远程服务器等相连接的资源中。

通过本技术确定的健康状态可以代表电池健康的相对量度。因此，健康状态可以指示与电池的初始健康或至少其先前健康相比，电池的当前健康。在一个示例中，可以分析健康状态以确定电池性能随时间推移的下降。

电子烟可以包括一个或多个可再充电电池，并且充电可以以无线方式进行或通过与电源的有线连接来进行。

该一个或多个测得的参数可以包括充电电压和充电电流。充电电压和充电电流也可以作为时间的函数来测量。因此，测得的参数可以包括充电电压的变化速率、充电电流的变化速率以及更高阶微分。在其他示例中，测得的参数可以包括充电循环的持续时间、开路电压、内部电阻以及其他参数(如电池温度)。

优选地，该方法包括将该一个或多个测得的参数记录为该历史数据中的新条目的步骤。以这种方式，可以基于在充电操作期间进行的新测量来不断更新历史数据。

该方法可以涉及识别装置的步骤。优选地将历史数据与特定装置进行关联。每个装置可能有其独特的特征。取决于正在使用的装置，可以采用针对健康状态的不同确定方法。

该动作可以包括如果该健康状态在正常范围外则显示通知。以这种方式，如果可再充电电池即将接近其使用寿命的尽头，则使用者可以收到通知。这可以提示使用者更换可再充电电池，即使它可以在修改后的充电模式下继续被使用和充电。

优选地，测量与该可再充电电池的充电有关的该一个或多个参数的该步骤发生在预定持续时间的预充电时期期间，或者发生在该可再充电电池被充电到预定电量状态的预充电时期期间，在该预充电时期中施加了充电电压。可以特别在预充电时期期间施加充电电压，使得可以测量该一个或多个参数。这意味着当电池的健康状态可能无法支持延长的充电时期时，无需使装置经历这种延长的充电时期就可以获取分析数据。对装置执行的动作包括：如果健康状态指示可以支持对可再充电电池进行充电持续未指定的时间段，则进行这一动作。

优选地，该可再充电电池在该预充电时期之后得到休息，并且测量该一个或多个参数的该步骤是在该可再充电电池休息之后执行的。以这种方式，可以在进行测量前让电池的化学性质稳定下来。这可以提高测量结果的准确性以及随后确定健康状态的准确性。

在预充电时期以及可选的休息时期之后，可以使用与电子烟的加热元件分离的负载对装置进行部分放电。这可以允许在至少部分放电期间确定度量，以便确定健康状态。

该动作可以包括：在该预充电时期之后，如果该健康状态在正常范围内，则对该可再充电电池进行充电。在另一布置中，该动作可以包括：在该预充电时期之后，如果该健康状态在正常范围外但在可接受范围内，则以修改后的模式对该可再充电电池进行充电。该修改后的充电模式可以涉及相比于正常充电应用至少一个修改后的充电参数，如减小的充电电流、脉冲充电电流、或减小的充电电压，以延长该可再充电电池的寿命。

优选地，该动作包括如果该健康状态在不可接受的范围内则禁止对该可再充电电池进行充电。在一个示例中，这可以通过在存储器单元中设置标志以指示禁止对相关电池充电来实现，或通过烧断保险丝从而在物理上禁止充电来实现。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于对电子烟的可再充电电池进行充电的系统，该系统包括至少一个处理器，该至少一个处理器被配置为：从存储器单元获取与该可再充电电池有关的历史数据，其中，该历史数据与至少一个先前的充电操作和/或与默认数据集有关；在施加充电电压的充电时期内，测量与该可再充电电池的充电有关的一个或多个参数；基于该一个或多个测得的参数以及该历史数据，确定该可再充电电池的健康状态；以及基于所确定的健康状态，对该电子烟执行动作。

该至少一个处理器可以是微控制器或计算机。该至少一个处理器可以设置在充电器中、电子烟中或计算机中。当然，该处理器的功能可以分布在几个处理器之间，并且技术人员将理解，无论处理器的位置如何，都可以由处理器执行操作。

根据本发明的又一方面，提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质包括可执行指令，这些可执行指令在由至少一个处理器执行时使该至少一个处理器：获取与电子烟的可再充电电池有关的历史数据，其中，该历史数据与至少一个先前的充电操作和/或与默认数据集有关；在施加充电电压的充电时期内，测量与该可再充电电池的充电有关的一个或多个参数；基于该一个或多个测得的参数以及该历史数据，确定该可再充电电池的健康状态；以及基于所确定的健康状态，对该电子烟执行动作。

现在将参照附图通过示例的方式来描述本发明的实施例，在附图中：

图1A是本发明的实施例中的电子烟的前透视图；

图1B是图1A所示的电子烟的后透视图；

图1C是图1A所示的电子烟的截面视图；

图2是示出了本发明的实施例中的装置(如电子烟)以及充电装置的示意性电路图；

图3是示出了可以在本发明的实施例中的方法中执行的步骤的流程图；以及

图4是示出了本发明的实施例中的充电操作的示例的曲线图，在该曲线图中，绘出了电量状态与时间的关系。

如本文中所使用的，术语“吸入器”或“电子烟”可以包括被配置为将气溶胶递送给使用者的电子烟，气溶胶包括用于吸烟的气溶胶。用于吸烟的气溶胶可以是指粒径为0.5微米至7微米的气溶胶。粒径可以小于10微米或7微米。电子烟可以是便携式的。

图1A至图1C示出了本发明的实施例中的电子烟3。电子烟3可以用作包含烟丝的常规香烟的替代品。电子烟3包括细长主体5、吸嘴部分6和用于接纳烟草棒(未示出)的烤箱8。烤箱8包括电加热器10，该电加热器可以加热烟草棒而不燃烧它，并产生蒸气。在替代性实施例中，电子烟3可以包括用于容纳可汽化液体的储器。

蒸气通道12被设置并在烤箱8与吸嘴部分6之间延伸。吸嘴部分6具有尖部形状以与使用者的嘴部的人类工程学相对应。电子烟附加地包括与吸嘴部分6和蒸气通道12处于流体连通的空气入口14，由此使用者在吸嘴部分6上进行的抽吸使空气流入空气入口14中并流过烤箱8和蒸气通道12到达吸嘴部分6。提供激活按钮21，使用者可以通过该激活按钮来控制电加热器10产生蒸气。

电子烟包括电池2，该电池被配置为在PCB 4中的控制电路系统的控制下向电加热器10供应电力。在一个示例中，电池2是LTO(钛酸锂氧化物)圆柱形状的电池，其容量为1100mAh，并且在充满电时提供约2.4V的工作电压。

图2是示出了可以在本发明的实施例中使用的各部件的示意性电路图。在此实施例中，计算机30经由充电器40连接到装置50。充电器40可以在计算机30或装置50的内部，或者可以是独立的部件。如上所述，在一个实施例中，装置50可以是电子烟3。

装置50包括可再充电电池2、存储器单元52、微控制器54以及一个或多个传感器56(包括用于确定电池2的温度的温度传感器)。存储器单元52可以被配置为闪速存储设备、或任何其他种类的适合的存储器存储装置。存储器单元52被配置为存储与装置的使用和充电放电循环有关的历史数据。历史数据通常包括以下信息：在装置50是电子烟的情况下使用者抽吸的次数、电池2和烤箱8的温度曲线、电池2的电量状态、已经使用的消耗品类型、以及烤箱8中加热器的电阻的测量结果。历史数据还包括已经发生过的充电事件的记录信息。记录的参数可以包括既作为瞬时值又作为时间的函数的充电电压、充电电流。以这种方式，记录的参数可以包括充电电压的变化速率、充电电流的变化速率以及更高阶微分。在其他示例中，历史数据可以包括充电循环的持续时间以及开路电压。另外，在其他示例中，历史数据可以包括负载电压。这可以通过向装置的加热器供电持续足够短的时间段来获得，该时间段足够短以至于不会产生气溶胶或不会产生大量的气溶胶(优选地少于10毫秒)，或者可替代地通过当使用者正在使用装置来生成气溶胶时测量电池的电压来获得。历史数据可以通过添加从每个充电事件得出的新数据而随着时间的推移增加。

在该示例实施例中，存储器单元52被示出为装置50的一部分。然而，同样可以将存储器单元52作为与装置50通信连接的配套装置(如移动电话)的一部分来提供。同样地，存储器单元52可以位于计算机30中或远程位于可通过网络访问的服务器中。

充电器40包括可以对装置50中的可再充电电池2充电并且可以在充电事件和预充电事件期间监测电参数的部件。在该实施例中，充电器40包括微控制器42、充电集成电路(IC)44以及定时器46，它们组合地控制充电事件。充电开关48设置在装置50的电池2与外部电源31之间，该外部电源可以作为计算机30的一部分或与计算机分开地提供。充电器40内设置有多个传感器，包括电压检测器41、电流检测器43以及用于测量(环境)温度的传感器45。充电器40还包括电阻性负载47，开关48可以可选地将该电阻性负载连接在电池2与电源31之间。当被连接时，电阻性负载47被串联地设置在电池2与电源31之间。电阻性负载47也可以在没有连接到电源31的情况下被连接到电池2，以便对电池2进行测量。在装置是如上所述的电子烟3的情况下，电阻性负载可以是该装置的加热器，或者它可以独立于加热器元件。在其他实施例中，该负载可以是阻抗负载而不是纯电阻性负载。

电源31设置在计算机30中或设置为与计算机并联。如图2示意性示出的，计算机30还包括中央处理单元(CPU)32、可以设置在内部或外部的存储器34、以及操作系统36。计算机30包括软件中提供的多种功能。具体地，计算机30包括充电情况曲线计算器33、健康状态估计器35、以及放电深度和电量状态估计器37。计算机30内存储的是与不同装置的充电情况曲线有关的历史数据39。当装置50与计算机30通信连接时，存储在装置上的历史数据可以被传输到计算机。计算机30可以与大量不同的装置一起使用，并且每个装置的历史数据可以在建立通信交互时被传输到计算机30，这在充电事件期间是典型地但并非排他地。

图3是示出了可以在本发明的实施例中的方法中执行的步骤的流程图。当装置50连接到计算机30和充电器40以使得充电事件可以开始时，本方法开始。在一个示例中，这可以涉及使用电缆在物理上将装置50连接到计算机30。在另一示例中，这可以涉及将装置50放置在连接到计算机30的无线充电底座上。在步骤S1处，计算机30中的CPU 32识别所连接的装置50及其可再充电电池2。这可以通过检测装置50和电池2的序列号来进行。在步骤S2处，CPU 32从装置50中的存储器单元52下载历史数据，并为相关(已识别的)装置50更新任何存储的历史数据39。在步骤S3处，充电器40中的微控制器42将电池2连接到电阻性负载47，以使得电压检测器41可以测量电池单元电压并向CPU 32发送此信息。此时，CPU 32可以将使用数据与测得的电池单元电压相关联，以估计电池2的放电深度。在可选的步骤S4处，充电器40中的微控制器42从装置50收集信息，该信息包括如由传感器56确定的电池2的温度。在步骤S5处，计算机30中的充电情况曲线计算器33计算充电电流、要达到的最大充电容量、以及预充电事件的时间段。这些计算可以基于包括针对相关电池2确定的先前使用的充电电流、进行过的充电循环次数以及先前健康状态在内的历史数据。在一个示例中，标准预充电电压大约为4.2V。可以基于历史数据、出于安全考虑而降低该值。在一个示例中，如果历史数据指示电池性能下降，则可以选择大约4.06V的预充电电压(其大约为标准预充电电压的80％)。也可以与预充电电压成比率地调整预充电事件的时间段。

在步骤S6处，充电器40中的微控制器42发起预充电事件。在相关时间段内施加在步骤S5处确定的充电电流，使得可以监测充电参数。特别地，分别由电压检测器41和电流传感器43来监测充电电压和充电电流。还监测电池2的电量状态。此外，可以监测电池2的温度和环境温度。在相关时间段结束时，预充电结束并且充电电流停止。

在一个实施例中，在步骤S6处，应用预充电，使得电池2被充电到预定的SoC。例如，电池2可以被充电到30％至40％的SoC_Full的预定水平。图4是示出了在充电操作中绘出了电池2的SoC与时间的关系的示意曲线图。在从T0到T1的第一时间段中，SoC在预充电事件期间增加，直到达到预定阈值SoC

在步骤S7处，微控制器42检查预充电事件是否完成，这意味着在相关时间段内成功执行了预充电。如果预充电没有完成，则微控制器在步骤S8处检查电池2是否与充电器40断开连接。如果电池2没有被移除，则在步骤S6处再次尝试预充电。如果电池被移除，则充电事件结束，在预充电事件期间获取的相关数据被添加到装置50和/或计算机30中的历史数据中。

在步骤S9a处，并且在成功完成预充电事件后，电池2在从T1到T2的预定弛豫时间段内得到休息，以在进行任何测量前让电池稳定下来并让任何化学反应完成。在实施例中，取决于电池考虑因素或设计考虑因素，该预定弛豫时间段可以是10至15分钟、或15至30分钟、或另一个值。

在步骤S9b处，在休息时期之后，微控制器42测量电池2的开路电压以及电池2在DC模式和AC模式下的内部电阻。在步骤S10处，微控制器42操作开关48以将电池2连接到电阻性负载47，以便测量负载条件下的电池单元电压。换句话说，参考图4，在步骤S10处，电池在从T2到T3的第三时间段内经由电阻性负载47进行部分放电。电池2的温度和环境温度也可以在步骤S10由微控制器42使用相关温度传感器45、56来确定。包括温度在内的测量优选地使用在5℃至50℃的范围内以12位工作的模数转换器以高分辨率进行。技术人员应认识到也可以使用其他分辨率，如10位或14位。通过以高分辨率进行测量，可以获得更准确的信息以便更精确地确定SoH并实现改进的充电性能。在步骤S11处，微控制器42将获取的数据发送到计算机30。然后，计算机中的健康状态估计器35估计电池的健康状态。健康状态是基于从预充电事件中测得的参数以及从装置中的存储器52获取的历史数据来确定的。在不同的实施例中，可以使用大量数学模型来确定健康状态。健康状态的确定值是基于历史数据的一个或多个方面和一个或多个测得的参数的函数来计算的，以确定与电池使用安全性和/或电池出现故障的可能性有关的度量。健康状态估计器35中使用的算法和/或数据可以通过互联网从web服务器下载，或者可以由web服务器更新。这允许更新充电器中的固件，以使得新的且改进的算法或数据在变得可用的时候可以被部署。在一个示例中，健康状态估计器35可以利用来自本领域类似装置中使用的其他电池的实际数据。这些数据可以由其他装置上传到web服务器，从该web服务器可以访问这些数据。以这种方式，可以关于根据世界范围内使用的其他装置中的类似电池的充电放电循环确定的数据来评估电池的健康状态。

在一个确定电池健康状态的简单示例中，可以执行以下步骤。首先，确定健康状态相关参数的基准值。这可以在制造时作为组装和测试过程的一部分进行，或者可以在使用者首次执行充电时进行。为此，系统估计电池的电量水平(这可以通过测量电池的带负载电池电压和/或开路电池电压并将该测量结果与预先指定的跟不同电量状态水平相关联的带负载电池电压和/或开路电池电压进行比较来进行，或者通过由电池制造商专门针对该电池而提供的专业方法来进行。使用这种估计电池电量状态的方法，本方法继续进行以下操作：在通过固定负载使电池放电固定时间段之后，测量带负载电池单元电压。然后基于电压下降计算比率。该比率是针对不同的电量状态水平(例如25％的电量状态(SoC)、50％的SoC、75％的SoC和满充状态(由充电停止的时间决定))而计算的。这些电压下降测量结果之比形成了一组基线测量结果。在每一个随后的充电事件期间，通过在充电事件期间进行新的测量、计算电压下降比率并将这些比率与(历史)基线比率进行比较来计算健康状态参数。健康状态值是基于该比较来确定的。例如，在实施例中，如果所有不同的SoC的测量点的平均比率增加到比这些不同的SoC测量点的平均(历史)基线比率高出第一预定量(例如30％)以上或者如果任一SoC测量点的比率增加到比该SoC测量点的对应(历史)基线比率高出第二预定量(例如40％)以上，则将健康状态值设置为“不良”。可以基于上述平均比率的增加量在零增加和30％增加这两个极端之间来计算出中间健康状态值。

例如，可以在第一充电事件中确定以下基线比率：25％的SoC时，3.5V-3.2V/3.5V＝0.085；50％的SoC时，3.8-3.7V/3.8V＝0.026；75％的SoC时，4.15-4.14V/4.15V＝0.002；100％的SoC时，4.2-4.18V/4.2V＝0.004。平均基线比率＝(0.085+0.026+0.002+0.004)/4＝0.029。

当电池即将接近其寿命的尽头时，可以进行以下测量：

25％的SoC时，3.1-2.8V/3.1V＝0.096；50％的SoC时，3.4-3.1V/3.4V＝0.088；75％的SoC时，3.8-3.6V/3.8V＝0.052；100％的SoC时，4.2-3.9V/4.2V＝0.071。平均比率＝(0.096+0.088+0.0052+0.071)/4＝0.076。

具有从不同健康状态的电池单元生成的数据的查找表有助于针对给定比率确定对应的SoH，0.029对应于100％的SoH，以及0.076对应于37％的SoH。

在示例实施例中，计算出的小于40％的健康状态(如在以上阐述的示例中)可能足以触发以下动作：如在固定电流充电阶段期间减小充电电流以及在固定电压充电阶段期间减小充电电压，以便保护电池在充电期间不受损坏。同时这可能对使用者发出警告：电池即将接近其寿命的尽头，使用者应该购买新的电池了(或如果无法更换电池则购买新的装置，等等)。类似地，在这样的示例实施例中，0％或更少的健康状态将使得该装置禁止电池被进一步充电，并向使用者发出警告：现在电池需要更换，直到更换了电池(或如果无法更换电池则更换装置)装置才能继续工作，等等。

在步骤S12处，CPU 32确定健康状态度量是否在正常范围内。如果健康状态正常，则在步骤S13处，发起充电。因此，仅在当预充电完成并且CPU 32已经确定健康状态满足安全充电时，才发起电池2的正常充电。参考图4，在从T3到T4的第四时间段内应用正常充电，直到SoC为100％、或接近100％为止。在步骤S14处，一旦充电操作完成，就重新初始化装置数据。在步骤S15处，一旦电池2被充满电，则在第五时间段(即T4之后的时间段)期间，将在充电事件期间获取的相关数据作为条目添加到装置50的存储器单元52中存储的历史数据中。这完成了装置50的充电事件。

如果在步骤S12处，发现健康状态在正常范围之外(并且在不可接受的范围内)，则在步骤S16处，用相关诊断数据更新计算机30和装置50处存储的历史数据。在步骤S17处，禁止对电池充电。这可以通过在装置50的存储器单元52中设置阻止未来充电事件的标志来实现。可替代地，可以在物理上禁止充电事件，例如通过烧断保险丝或激活开关。

在另一布置中，在步骤S12处，CPU 32可以确定健康状态度量是否在正常范围之外、但在可接受范围内。在这种情况下，可以发起修改后的充电阶段。在修改后的充电阶段中，相比于正常充电，可以施加减小的充电电流。这可能延长完成充电所需的时间，但可以提高性能下降的电池2的工作寿命和使用安全性。可以减小充电电流的绝对值，或者可以应用脉冲充电，其中在脉冲之间具有选定的时间间隔。在一些布置中，充电电流可以被减小约20％至30％。充电电流减小的量可以取决于SoH值。可以基于SoH值来逐步减小充电电流或充电电压。例如，在一些实施例中，对于特别差的SoH值，充电电流可以减小最多达约50％。也可以施加减小的充电电压，其为正常充电电压的约80％。例如，减小的充电电压可以为4.06V，而正常充电电压为4.2V。

可以提供显示器(未示出)，以显示关于健康状态度量的信息。在一个示例中，在发起修改后的充电阶段的情况下，显示器可以提供如下通知：可再充电电池2即将接近其使用寿命的尽头。这可以提示使用者更换可再充电电池，即使它可以在修改后的充电模式下继续被使用。在已经确定可再充电电池2的健康状态在不可接受的范围内的情况下，显示器可以提供必须更换该可再充电电池的通知。

健康状态的确定可能消耗计算资源或可能延长充电时间，因此可能希望定期(而不是在每次充电事件期间)安排健康状态评估。在一个示例中，可以每周或每月安排健康状态评估，或者可以根据使用者的特定要求来执行健康状态评估。这可以在不妨碍正常使用的情况下确保电池的安全工作。