JP5958846B2 - 充電デバイスを含むポータブル電子システムおよび二次電池を充電する方法 - Google Patents
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Description
ポータブル電子喫煙デバイスは、従来のたばこの喫煙者によって広く採用されることになる場合、ユーザにとって小さく便利である必要がある。このことは、ポータブル電子喫煙デバイスの電源に対するいくつかの技術的な要件につながる。電源、典型的には電池は、従来のたばこと同様のサイズの喫煙デバイス内にフィットするほど十分に小さくなければならず、喫煙物からエアロゾルを生成するのに十分な電力を供給しなければならない。再充電可能電池を使用する考えは、従来技術で示唆されてきたが、商業的に実施可能なシステムでは、再充電可能電池は、少なくとも1つの喫煙セッションの間、十分な電力を供給することができ、次の喫煙セッションの間、再使用することができるレベルに迅速、安全、かつ便利に再充電することができ、数千の充電サイクルの間、動作可能でなければならない。
本発明の一態様では、一次デバイスおよび二次デバイスを含むポータブル電気システムが提供され、一次デバイスは、第1の酸化リチウムコバルト電池を有し、二次デバイスは、第2のリン酸鉄リチウム電池またはチタン酸リチウム電池を有し、一次デバイスおよび二次デバイスは、2Cから16Cの間のレートで第1の電池から第2の電池を再充電するか、またはその再充電を可能にするように構成される。
二次デバイスは、電気加熱喫煙デバイスであり得る。電気加熱喫煙デバイスは、第2の電池によって給電される電気ヒータを含み得る。電気ヒータは、エアロゾル形成基体を加熱するように構成され得る。一次デバイスは、ポータブル充電ユニットであることができ、従来のたばこパックと同様の形状およびサイズにされ得る。二次デバイスは、再充電サイクル中に二次デバイス内に収容され得る。
単一の第1の電池から第2の電池の充電を提供するために、第1の電池は、第2の電池よりも高い電圧を有しなければならない。第1の電池はさらに、それ自体を再充電または交換する必要がないうちに複数の再充電サイクルを提供すべき場合、第2の電池よりも大きい充電容量を有しなければならない。酸化リチウムコバルト電池化学特性は、所与のサイズにおいて、リン酸鉄リチウム(または、チタン酸リチウム)電池よりも大きい電池電圧および充電容量を提供する。したがって、第1の酸化リチウムコバルト電池を有する一次デバイスと、第2のリン酸鉄リチウム電池またはチタン酸リチウム電池を有する二次デバイスとの組合せは、ポータブル電気喫煙システム、または二次デバイスが電池から高電力の短期間のバーストを必要とする任意の同様のポータブルシステムにとって有利である。
第1の電池の容量は、有利にも、第2の電池の容量よりも少なくとも5倍大きい可能性がある。第1の電池の容量は、有利にも、第2の電池の容量の5倍から40倍の間である可能性がある。一次デバイスは、0から1.5Cの間のレートで主電源からの第1の電池の再充電を可能にするように構成され得る。
第1の充電電圧を供給するために電圧調整器を制御し、
第1の充電電圧と、第1の充電電圧よりも低い第2の充電電圧とにおける充電回路中の電流を測定することによって充電回路の内部抵抗を特定し、
特定された内部抵抗を補償するレベルまで電圧調整器によって供給される第1の充電電圧を制限する
ように構成される。
第1の充電電圧を供給するために電圧調整器を制御し、
充電回路の内部抵抗を特定し、
特定された内部抵抗および二次電池の特性に基づいて最大充電電圧を計算し、
第1の充電電圧が最大充電電圧に達するまで所定の充電電流を維持するために第1の充電電圧を調整し、その後、最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに第1の充電電圧を調整し、その後、定期的にまたは継続的に最大充電電圧を再計算し、再計算された最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに充電電圧を維持するように充電電圧を調整する
ように構成される。
本開示の第3の態様では、
リン酸鉄リチウム電池またはチタン酸リチウム電池と、
ヒータ要素であって、ヒータ要素の動作が電池を放電させる、ヒータ要素と、
電池に接続された放電検出回路であって、電池電圧がしきい値電圧レベル未満であると放電検出回路が判定したとき、ヒータ要素の動作を無効にするようにシステムが構成される、放電検出回路と
を含む、電気加熱喫煙システムが提供される。
電池が完全には放電しないことを確実にすることにより、電池の不可逆反応を大幅に低減させ、それによって、電池の動作寿命を保存する。
本開示の第4の態様では、
リン酸鉄リチウム電池またはチタン酸リチウム電池と、
ヒータ要素であって、ヒータ要素の動作が電池を放電させる、ヒータ要素と、
電池に接続された放電検出回路と
を含む、電気加熱喫煙システムを動作させる方法が提供され、本方法は、
電池電圧がしきい値電圧レベル未満であることを放電検出回路が判定する際にヒータ要素の動作を無効にするステップを含む。
本方法は、単一の喫煙体験を完了するのに十分なしきい値充電レベルに電池が充電されるまで、ヒータ要素の無効化を維持するステップをさらに含むことができる。
二次電池に接続するための出力端子の対と、DC電源と、充電電圧を制御するためにDC電源と出力端子との間に接続された電圧調整器と、電圧調整器および出力端子に結合されたマイクロプロセッサと
を含み、充電デバイスおよび二次電池は、互いに結合され、充電回路を形成するように構成され、マイクロプロセッサは、
第1の充電電圧を供給するために電圧調整器を制御し、
第1の充電電圧と、第1の充電電圧よりも低い第2の充電電圧とにおける充電回路中の電流を測定することによって充電回路の内部抵抗を特定し、
特定された内部抵抗を補償するレベルまで電圧調整器によって供給される第1の充電電圧を制限する
ように構成される。
実際には、充電システムは決して理想的でない。充電デバイスおよび二次電池によって形成される充電回路は、充電回路の構成要素と、充電デバイスと二次電池との間の接触抵抗の両方の結果としての内部抵抗を有する。充電デバイスによって供給される充電電圧のある割合は、充電回路の内部抵抗の両端間で降下し、その結果、二次電池の両端間の電圧は、充電デバイスによって供給される充電電圧未満になる。本開示の第1の態様の充電デバイスは、Vchよりも大きい充電電圧を提供することができる。充電回路の内部抵抗を特定することにより、電池の両端間の電圧がVchに等しいか、またはそれよりもやや小さくなるように充電電圧がVchを超え得る量が計算され得る。このようにして、充電デバイスは、充電回路の内部抵抗の両端間の電圧降下を補償する充電電圧を供給する。このことにより、一定電流充電フェーズの持続時間が増加するが、それは、電圧調整器においてではなく電池におけるカットオフ電圧Vchを特定することは、カットオフ電圧に後で達することを意味するからである。
一定電圧フェーズの間、マイクロプロセッサは、二次電池によって受け取られた電圧が所定の最大電圧Vchに等しくなるように、電圧調整器によって供給される充電電圧を制限するように構成され得る。
第2の充電電圧は、非ゼロであるのが好ましく、第1の充電電圧からの所定の電圧差を有し得る。あるいは、第2の充電電圧は、所定の非ゼロ電圧であり得る。第2の充電電圧が非ゼロであれば、充電プロセスに対するいかなる妨害もなく、充電時間が長くなる。
本開示の第6の態様によれば、二次電池を充電する方法が提供され、本方法は、
充電回路を形成するために調整可能な電圧源を有する充電デバイスに二次電池を接続するステップと、
二次電池に所定の充電電流を提供するために電圧源によって供給される第1の電圧を制御するステップと、
第1の充電電圧と、第1の充電電圧よりも低い第2の充電電圧とにおける充電回路中の電流を測定することによって、充電回路の内部抵抗を特定するステップと、
特定された内部抵抗および二次電池の特性に基づいて最大充電電圧を計算するステップと、
第1の充電電圧が最大電圧レベルに達するまで所定の充電電流を維持するために第1の充電電圧を調整し、その後、最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに第1の充電電圧を維持するために第1の充電電圧を調整するステップと
を含む。
最大電圧を計算するステップ、および最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに第1の充電電圧を維持するために第1の充電電圧を調整するステップは、単一の充電サイクルの間、複数回、実行され得る。
内部抵抗を特定するステップは、充電サイクルの間、定期的に実行され得る。
内部抵抗を特定するステップ、および最大充電電圧を計算するステップは、第1の充電電圧が所定の電圧レベルに達した後だけ実行され得る。たとえば、所定の電圧レベルは、最大電池電圧Vchであり得る。
二次電池に接続するための出力端子の対と、
DC電源と、
充電電圧を制御するためにDC電源と出力端子との間に接続された電圧調整器と、
電圧調整器および出力端子に結合されたマイクロプロセッサと
を含む、充電デバイスが提供され、
充電デバイスおよび二次電池は、互いに結合され、充電回路を形成するように構成され、マイクロプロセッサは、
第1の充電電圧を供給するために電圧調整器を制御し、
充電回路の内部抵抗を特定し、
特定された内部抵抗および二次電池の特性に基づいて最大充電電圧を計算し、
第1の充電電圧が最大充電電圧に達するまで所定の充電電流を維持するために第1の充電電圧を調整し、その後、最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに第1の充電電圧を調整し、その後、定期的にまたは継続的に最大充電電圧を再計算し、再計算された最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに充電電圧を維持するように充電電圧を調整する
ように構成される。
本開示の第8の態様では、二次電池を充電する方法が提供され、本方法は、
充電回路を形成するために調整可能な電圧源を有する充電デバイスに二次電池を接続するステップと、
二次電池に所定の充電電流を提供するために電圧源によって供給される第1の電圧を制御するステップと、
充電回路の内部抵抗を特定するステップと、
特定された内部抵抗および二次電池の特性に基づいて最大充電電圧を計算するステップと、
第1の充電電圧が最大充電電圧に達するまで所定の充電電流を維持するために第1の充電電圧を調整し、その後、最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに第1の充電電圧を調整し、その後、定期的にまたは継続的に最大充電電圧を再計算し、再計算された最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに充電電圧を維持するように充電電圧を調整するステップと
を含む。
短い再充電時間は、電子たばこを受け入れるために重要である。本開示の充電デバイスおよび充電方法は、再充電プロセスの一定電流フェーズの持続時間を最大化し、一定電流フェーズが終了したとき、二次電池の両端間の電圧も最大化する。
a)少なくとも2Cのレートで電池を充電するステップと、
b)電池を放電させるステップと、
c)ステップa)およびb)を少なくとも6000回、繰り返すステップと、
d)ステップc)の後、電池容量がしきい値容量よりも大きい場合、電池が適格基準を満たすことを判定するステップと
を含む。
第9の態様では、リン酸鉄リチウム電池またはチタン酸リチウム電池のバッチを適格試験する方法が提供され、本方法は、電池のバッチから複数の電池のサンプルを選択するステップと、複数の電池の各々において第8の態様の方法を実施するステップとを含む。複数の電池は、バッチからランダムに選択され得る。複数の電池のすべてが適格基準を満たす場合、電池のバッチは、適格基準を満たすものと判定され得る。
第10の態様では、第8の態様によって、適格基準を満たすものと判定された1つの電池または電池のバッチが提供される。
本開示の一態様に関連して説明される特徴は、単独で、または本開示の他の説明される態様および特徴と組み合わせて、本開示の他の態様に適用され得ることは明らかであろう。
一次デバイス100は、第1の電池106と、制御電子回路108と、二次デバイスが電気接点110と接続しているとき、第1の電池106から二次デバイス中の第2の電池に電力を供給するように構成された電気接点110とを含む。電気接点110は、キャビティ112の底部に近接して設けられる。キャビティは、二次デバイス102を収容するように構成される。一次デバイス100の構成要素は、ハウジング116内に収容される。
エアロゾル形成基体は、加熱すると、基体から放出される揮発性のタバコ風味化合物を含むタバコ含有物質を含むのが好ましい。あるいは、エアロゾル形成基体は、非タバコ物質を含み得る。エアロゾル形成基体は、エアロゾル形成物質をさらに含むのが好ましい。好適なエアロゾル形成物質の例は、グリセリンおよびプロピレングリコールである。
エアロゾル形成基体は、固体状基体であり得る。固体状基体は、たとえば、ハーブの葉、タバコの葉、タバコの葉脈の断片、再構成されたタバコ、均質化されたタバコ、押し出されたタバコ、および引き延ばされたタバコのうちの1つまたは複数を含む、粉、顆粒、ペレット、断片、スパゲティ状のもの、ストリップ、またはシートのうちの1つまたは複数を含み得る。あるいは、エアロゾル形成基体は、液体状基体であってもよく、喫煙物は、液体状基体を保持するための手段を含み得る。あるいは、エアロゾル形成基体は、任意の他の種類の基体、たとえば、気体状基体、または様々なタイプの基体の任意の組合せであり得る。
さらに、第2の電池は、頻繁に交換する必要がないのが望ましい。第2の電池は、典型的なユーザでは約8000充電/放電サイクルに相当する、少なくとも1年の耐用寿命を有するのが好ましい。
一次ユニット100中の第1の電池106は、角柱タイプの酸化リチウムコバルト(LiCoO2)電池である。第1の電池は、第2の電池の容量の10倍を超える、約1350mAhの容量を有する。第2の電池は、2Cから16Cの間のレートで第1の電池から充電され得る。1Cのレートで第1の電池を放電することにより、第2の電池に10Cを超える充電レートが提供される。第1の電池の充電は、0から1.5Cの間のレートで、典型的には電池寿命を最大化するために約0.5Cのレートで主電源から行われ得る。
酸化リチウムコバルト電池は、リン酸鉄リチウムよりも高い電池電圧を提供し、単一の酸化リチウムコバルト電池からリン酸鉄リチウム電池の充電を可能にする。
寄生抵抗rp-、rp+、rs-、rs+、rc-(t)、rc+(t)が結合されて単一の抵抗R(t)になる場合、第2の電池の両端間の電圧は、Vdrop=I*R(t)だけ電圧源からの充電電圧よりも小さい。
このことは、電圧源によって供給される充電電圧が、量I*R(t)だけ最大値Vchよりも増加することができ、第2の電池の両端間の電圧は、Vchに等しくなることを意味する。充電プロファイルの一定電流フェーズは、充電電圧がVch+I*R(t)に達する点まで、延長され得る。さらに、その後に供給される充電電圧は、Vchよりも大きく、Vch+I*R(t)以下になるように制御され得る。
一定電流フェーズ400は、充電電圧がVcomp=Vch+I*R(t)の最大値に達するまで延長する。疑似一定電圧フェーズ402では、充電電圧は、Vcompに等しくなるように制御される。充電サイクルは、充電電流がIendに等しくなるとき、終了される。
充電回路の内部抵抗を測定するためのプロセスは、図6に示される。第1のステップ610では、充電電流I1および充電電圧V1が測定される。次いで、ステップ620で、より低い電圧V2まで低減されるが、V2=V1−ΔVである。ΔVは、数ミリボルトの固定された所定の電圧差である。ステップ630で、低減された電圧V2および対応する低減された電流I2が測定される。この電圧は、マイクロコントローラによって電圧および電流を一度(または平均値を提供するために数回)測定するのに十分な長さである、100〜400μsの時間の間、低減されるだけである。ステップ640で、充電回路の内部抵抗Riが、関係式Ri=(V1−V2)/(I1−I2)を使用して計算される。このプロセスは、ステップ650で終了し、以下で説明するように繰り返され得る。
図5bは、別の充電プロセスを示す。図5bのプロセスでは、ステップ500および510は、図5aを参照して説明されるステップと同一である。ステップ515が、図5aに示すプロセスに追加される。ステップ515では、充電電圧が、電池製造者によって指定された最大充電電圧Vchと比較される。充電電圧がVchに等しいか、それを超える場合のみ、プロセスは、内部抵抗を特定するステップ520に進む。ステップ520および530は、図5aを参照して説明される通りであるが、図5bのプロセスでは、充電電圧がVchに達した後だけ、内部抵抗およびVcompが計算される。図5bの疑似一定電流フェーズでは、第1のステップは、ステップ535の内部抵抗の再計算である。充電回路の内部抵抗は、充電プロセス中に増加する可能性があるが、再計算により、Vcompのより十分な計算およびより短くなる可能性がある充電時間が可能になる。ステップ540、550、および560は、図5aを参照して説明された通りである。
図5cのステップ535および540は、図5bのステップ535および540と同一である。ステップ545では、充電電圧はIendと比較される。充電電圧がIendよりも大きいか、またはそれに等しい場合、プロセスはステップ535に戻り、ステップ540の前に、内部抵抗が再計算され、Vcompが更新される。ステップ550で、充電電流がIend未満である場合、充電サイクルは、ステップ560で終了され、このことがユーザに示される。以上で説明したように、Iendの値は、電池の全容量に基づく可能性があり、その結果、電池は、フル充電の一定の割合、たとえばフル充電の90%まで充電される。あるいは、Iendは、二次デバイスの単一の使用に必要な蓄積エネルギー量に基づいて設定され得る。
図7は、制御電子回路128が実行するように構成された制御プロセスを示す。このプロセスは、ステップ700で開始する。ステップ720では、二次電池の電池電圧が、デバイスの動作を可能にするための最小開始電圧Vminと比較される。電池電圧がVmin未満である場合、二次デバイスは、ヒータのさらなる動作を可能にせず、次の再充電サイクルまで電池容量を保存するために低電流モードに入る。次いで、プロセスは、ステップ730で終了する。喫煙デバイスの場合には、このことにより、単一の喫煙体験(たとえば、従来のたばこを吸う体験に相当する)を完了するのに第2の電池に十分な電荷がない場合、デバイスの加熱動作が回避される。第2の電池が再充電されると、プロセスは、ステップ700で再開する。
Claims (13)
- 再充電可能な一次デバイスおよび二次デバイスを含むポータブル電子喫煙システムであって、前記二次デバイスは、従来のたばこと同様のサイズの電気加熱タバコデバイスであり、前記二次デバイスは、エアロゾル形成基体を加熱するように構成されたヒータを含み、前記一次デバイスは、従来のたばこパックと同様の形状およびサイズを有するハウジングを含み、前記二次デバイスは、再充電サイクルの間、前記一次デバイスの前記ハウジング内に収容されるように構成され、前記一次デバイスは、酸化リチウムコバルト電池である第1の電池を有し、前記二次デバイスは、リン酸鉄リチウム電池またはチタン酸リチウム電池である第2の電池を有し、前記第1の電池の容量は、前記第2の電池の容量の5倍から40倍の間であり、前記一次デバイスおよび前記二次デバイスは、2Cから16Cの間のレートで前記第1の電池から前記第2の電池を再充電するように構成され、前記一次デバイスは、
前記第2の電池に接続するための出力端子の対と、
DC電源と、
充電電圧を制御するために前記DC電源と前記出力端子との間に接続された電圧調整器と、
前記電圧調整器および前記出力端子に結合されたマイクロプロセッサとを含み、前記一次デバイスおよび第2の電池は、互いに結合され、充電回路を形成するように構成され、前記マイクロプロセッサは、
第1の充電電圧を供給するために前記電圧調整器を制御し、
前記第1の充電電圧が所定の電圧レベルに達した後に、
前記第1の充電電圧と、前記第1の充電電圧よりも低い第2の充電電圧とにおける前記充電回路中の電流を測定することによって前記充電回路の内部抵抗を特定し、
前記特定された内部抵抗および前記第2の電池の特性に基づいて、前記電圧調整器によって供給される前記第1の充電電圧を最大充電電圧に制限する
ように構成される、ポータブル電子喫煙システム。 - 前記マイクロプロセッサは、
前記特定された内部抵抗および前記第2の電池の特性に基づいて最大充電電圧を計算し、
前記第1の充電電圧が前記最大充電電圧に達するまで所定の充電電流を維持するために前記第1の充電電圧を調整し、その後、前記最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに前記第1の充電電圧を調整し、その後、定期的にまたは継続的に前記最大充電電圧を再計算し、前記再計算された最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに前記充電電圧を維持するように前記充電電圧を調整する
ように構成される、請求項1に記載のポータブル電子喫煙システム。 - 前記マイクロプロセッサは、前記第1の充電電圧から電圧を所定の電圧差だけ低減させることによって前記第2の充電電圧を特定するように構成される、請求項1または2に記載のポータブル電子喫煙システム。
- 前記マイクロプロセッサは、前記内部抵抗を定期的に再計算するように構成される、請求項1から3までのいずれか1項に記載のポータブル電子喫煙システム。
- 前記第2の電池は、10mmの直径および37mmの長さを有する、請求項1から4までのいずれか1項に記載の電子喫煙システム。
- 従来のたばこパックと同様の形状およびサイズを有するハウジングを含み、エアロゾル形成基体を加熱するように構成されたヒータを含む、一次デバイス中の第1の電池から従来のたばこと同様のサイズの二次電気加熱タバコデバイス中の第2の電池を充電する方法であって、前記一次デバイスおよび前記二次デバイスは、ポータブル電子喫煙システムを形成し、前記一次デバイスは、酸化リチウムコバルト電池である第1の電池を有し、前記二次デバイスは、リン酸鉄リチウム電池またはチタン酸リチウム電池である第2の電池を有し、前記第1の電池の容量は、前記第2の電池の容量の5倍から40倍の間であり、前記一次デバイスおよび前記二次デバイスは、2Cから16Cの間のレートで前記第1の電池から前記第2の電池を再充電するように構成され、前記方法は、
充電回路を形成するために調整可能な電圧源を有する前記一次デバイスに前記第2の電池を接続するステップと、
前記第2の電池に所定の充電電流を提供するために前記電圧源によって供給される第1の充電電圧を制御するステップと、
前記第1の充電電圧と、前記第1の充電電圧よりも低い第2の充電電圧とにおける前記充電回路中の電流を測定することによって、前記充電回路の内部抵抗を特定するステップと、
前記特定された内部抵抗および前記第2の電池の特性に基づいて最大充電電圧を計算するステップと、
前記第1の充電電圧が前記最大充電電圧レベルに達するまで所定の充電電流を維持するために前記第1の充電電圧を調整し、その後、前記最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに前記第1の充電電圧を維持するために前記第1の充電電圧を調整するステップと
を含み、
前記内部抵抗を特定する前記ステップ、および前記最大充電電圧を計算する前記ステップは、前記第1の充電電圧が所定の電圧レベルに達した後だけ実行される方法。 - 前記第2の充電電圧は、前記第1の充電電圧から所定の電圧差を有する、請求項6に記載の方法。
- 前記最大充電電圧を計算する前記ステップ、および前記最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに前記第1の充電電圧を維持するために前記第1の充電電圧を調整する前記ステップは、単一の充電サイクルの間複数回実行される、請求項6または7に記載の方法。
- 前記最大充電電圧を計算する前記ステップ、および前記最大充電電圧のレベルまたはそれ未満のレベルに前記第1の充電電圧を維持するために前記第1の充電電圧を調整する前記ステップは、単一の充電サイクルの間、前記第1の充電電圧が最初に前記最大充電電圧に達した後継続的に実行される、請求項7に記載の方法。
- 前記内部抵抗を特定する前記ステップは、定期的に実行される、請求項6から9までのいずれか1項に記載の方法。
- 単一の喫煙セッションの後、前記第2の電池を再充電するために前記二次デバイスを前記一次デバイスに戻すステップをさらに含む、請求項6から10までのいずれか1項に記載の方法。
- 前記単一の喫煙セッションは7分続く、請求項11に記載の方法。
- 6分未満の間、前記第2の電池を再充電するステップをさらに含む、請求項6から12までのいずれか1項に記載の方法。
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