用于延长锂离子和相似类型电池使用寿命的系统和方法
【专利摘要】用于延长电池的使用寿命的系统和方法和合并有该系统或方法的电池供电设备。在一个实施例中，系统包括：（1）电荷检测器，可操作以检测包含在电池中的电荷水平，（2）使用建模器，耦连到电荷检测器并且可操作以从电荷检测器接收数据并且开发随着时间推移的电荷水平的模型，以及（3）电荷激励器，耦连到使用建模器并且可操作以当电池中保留足够的电荷以延续直到可能开始进行完全充电时放弃对电池进行充电的机会。
【专利说明】 用于延长锂离子和相似类型电池使用寿命的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求由Rehbock于2013年3月28日提交的、标题为“SYSTEM AND METHODFOR EXTENDING USEFUL LIFE OF LITHIUM-1ON AND BATTERIES OF SIMILAR TYPE”、序列号为13/852,441的美国申请的优先权，其与本申请共同受让并且通过援引的方式并入本文。
【技术领域】
[0003]本申请总地涉及电池充电电路，并且更具体地，涉及用于锂离子或相似类型电池的智能电池充电电路。
【背景技术】
[0004]用来对电池充电的技术应该根据正在充电的电池的化学成分来定制。例如，铅酸电池针对过度充电具有相对高的容限并且当被维持在完全充电或接近完全充电时展示出最长的使用寿命。因此，可通过将铅酸电池连接到简单充电器来对其进行充电，该简单充电器提供恒定电压或恒定电流源。恒定电压或电流可以是脉冲的或稳定的。涓流充电器长期提供少量的但却恒定的电荷以使电池“浮动”在完全充电或接近完全充电。基于计时器的充电器或汽车交流发电机在长的但却有限的时间例如一个到数个小时期间，提供适度的电荷。高速充电器在几分钟期间提供大量电荷，但是一般要求监视电池以防止过度充电。
[0005]诸如镍镉(N1-Cd)电池的可再充电碱性和镍金属氢化物电池比铅酸电池提供更高的功率密度，但可以以与铅酸电池大致相同的方式进行充电。然而，可再充电碱性电池要求脉冲源。镍金属氢化物电池的温度可以并应该在充电期间被监视作为其充电的指示以确保其不过度充电和过热。进一步地，镍金属氢化物电池经受“记忆效应(memory effect)”,其中如果其在仅部分放电之后被重复地再充电，则其逐渐失去其最大能量容量。
[0006]锂离子或L1-1on电池甚至比镍金属氢化物电池更为功率密集并且广泛地使用在消费性电子产品(诸如平板电脑、手机和MP3播放器)、工具、电动车以及医疗、军事和航空航天应用中。最普及的化学成分是锂钴氧化物(LiCoO2)t5相似的化学成分，包括磷酸铁锂(LFP)、锂镍锰钴氧化物(NMC)、锂锰氧化物(LM0)以及钛酸锂(LTO)，倾向于使用在更敏感或奇异(exotic)的应用中。
[0007]虽然非常强劲，但是锂离子电池具有两个相当大的缺点。第一，其仅可再充电有限的次数(典型地约500到1000次)，这限制其使用寿命。第二，其经受被称作热失控的、具有破坏性和潜在危险的现象，如果其过度充电，则该现象发生。因此，在三个阶段中仔细地对锂离子电池充电。第一阶段是恒定电流阶段，其中恒定电流源连接到电池直到到达每电池元(cell)最大电压。第二阶段是平衡阶段，其中恒定电流的水平降低并且采用平衡电路来平衡在构成电池的电池元之间的电荷。第三阶段是恒定电压阶段，其中恒定电压源连接到电池，恒定电压源的电压等于每电池元最大电压乘以电池中的电池元的数目。
[0008]显而易见的是，镍金属氢化物和锂离子电池在充电方面要求一些策略。因此，已经开发出所谓的“智能”电池充电器(定义为能够通过修改其充电动作来对电池的条件进行响应)以安全并且仔细地对其进行充电，使得其使用寿命合理地尽可能的长。智能电池电荷通过不定期对其进行深度放电来减轻镍金属氢化物电池中的记忆效应，并且通过仔细地监视其温度和限制其充电电流和电压来防止锂离子电池中的热失控。现今智能电池充电器被广泛使用，并且预计只要从中获益的电池还在使用，则其就会继续保留。
【发明内容】
[0009]一方面提供了用于延长电池的使用寿命的系统和合并有该系统或方法的电池供电的设备。在一个实施例中，系统包括:(I)电荷检测器，可操作以检测包含在电池中的电荷水平，(2)使用建模器，耦连到电荷检测器并且可操作以从电荷检测器接收数据并且开发随着时间推移的电荷水平的模型以及(3)电荷激励器，耦连到使用建模器并且可操作以当电池中保留足够的电荷以延续直到可能进行完全充电时放弃对电池进行充电的机会。
[0010]另一方面提供了延长电池的使用寿命的方法。在一个实施例中，方法包括:(1)监视电池的电荷水平，(2)采用随着时间推移所监视的电池电荷水平来开发电池使用模型，
(3)检测对电池进行充电的机会以及(4)采用当前电池电荷水平和电池使用模型来确定电池保留至少一些电荷直到可能的下一次完全充电的可能性。
[0011]又一方面提供了电池供电的设备。在一个实施例中，设备包括:(I)负载，(2)锂离子电池，(3)电荷检测器，可操作以检测包含在电池中的电荷水平，(4)使用建模器，耦连到电荷检测器并且可操作以从电荷检测器接收数据并且开发随着时间推移的电荷水平的模型以及(5)电荷激励器，耦连到使用建模器并且可操作以当电池中保留足够的电荷以延续直到可能进行完全充电时放弃对电池进行充电的机会，以及当电池不太可能保留至少一些电荷直到可能进行完全充电时采取机会。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]现在对结合附图所采取的下面的描述进行参考，其中:
[0013]图1是包含电池充电电路的电池供电的设备的高级图，该电池充电电路包括用于延长锂离子电池或相似类型电池的使用寿命的系统；
[0014]图2是用于延长锂离子电池或相似类型电池的使用寿命的系统的一个实施例的框图；
[0015]图3是针对特定示范性的一日的、使用模型和电池使用的示例的曲线图；以及
[0016]图4是用于延长锂离子电池或相似类型电池的使用寿命的系统的一个实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0017]锂离子电池属于相似化学成分的家族，即可再充电电池，其中组I碱金属离子(通常是更活跃的金属，包括锂、钠和钾)的离子当放电时从阴极移动到阳极，并且当充电时从阳极移动回阴极。锂离子电池也属于相似类型的家族，因为其在其可再充电的次数方面受到限制。本文认识到的是，锂离子电池所属于的电池类型应视为具有与对其进行再充电相关联的“成本”;每次再充电贬低其价值并且缩短其使用寿命。
[0018]电池供电的设备(诸如平板电脑、电话、MP3播放器、工具和仪器)中的常规充电电路以典型的快速充电速率对其锂离子(或相似的)电池进行再充电，随后关闭以防止有害的过度充电。然而，当电池留在充电状态持续延长的时间段时，在甚至设备没有正被使用的情况下，常规充电电路也使电池经受反复的充电和放电循环。这表现为对可使用的充电循环的数目的特别浪费的损耗。使这个问题复杂化的是更多现代充电电路嵌入在较大系统中并且因此可被无意地唤起。仅作为一个示例，汽车可包括用于安放手机、GPS单元或MP3播放器的托架，这样其可以在驾驶时使用。不幸地是，这种托架典型地还提供电池充电功能。因此，留在托架上的设备可能不但实施有用的和所需的功能，而且无意中正对其电池进行充电。当高功率USB变得可用并且电池充电与USB集成到一起时，该问题可能变得更普遍。
[0019]如上文的【背景技术】所述，锂离子电池仅可再充电有限的次数(典型地约500到1000次)，这限制其使用寿命。本文认识到的是，虽然谨慎地对电池进行充电的确有助于延长其使用寿命，但是存在降低电池充电的频率的某一潜在性。换句话说，本文认识到的是，对电池充电的频率加以降低会降低随着再充电、随着时间推移所引发的“成本”。
[0020]更特别地，本文认识到的是，存在机会以完全放弃不必要的充电循环。进一步认识到的是，可以采用历史的电池使用模式来做出将来的电池使用预测。本文又进一步认识到的是，将来的电池使用预测连同电池包含的电荷的当前水平的知识可以提供足够的信息以确定电荷将是足够的直到可以进行完全充电的可能性。
[0021]本文仍进一步认识到的是，当用户在睡觉和不使用讨论中的设备时完全充电最可能发生。对于许多但非所有用户而言，这将会是在夜晚。本文认识到的是，完全充电应该发生的时间可以是将来的电池使用预测的一部分。
[0022]因此，本文所介绍的是用于延长锂离子和相似类型电池的使用寿命的系统和方法的各种实施例。在某些实施例中，系统和方法采用电池使用历史来预测将来的使用，这允许其当对电池进行充电的机会可能是不必要的时有意地放弃那些机会。在其他实施例中，系统和方法采用电池使用历史来预测将来电池可被完全充电的合适的时间。
[0023]图1是包含电池充电电路140的电池供电的设备100的高级图，该电池充电电路140包括用于延长锂离子电池或相似类型电池的使用寿命的系统。电池供电的设备100可以是膝上型计算机、平板计算机、手机、智能手机、便携式数字助理(PDA)、全球定位卫星(GPS)单元或者具有显示器110的任何设备。电池供电的设备可以可替代地是收音机或步话机、CD或MP3音频播放器、DVD视频播放器、诸如数字照相机的照相机、遥控器、电池供电的手持工具、手电筒、玩具或诸如音乐乐器或者科学仪器的仪器。电池供电的设备100也可以是任何其他常规或者以后所开发的设备。
[0024]电池供电的设备100包含电子电路、电气电路或另一种类型的负载120。电路或其他负载120典型地实施设备针对其存在的有用的功能并且可以包括例如集成电路(1C)、存储器、无线或有线通信电路、小键盘、电动机、开关、传感器以及天线。电池供电的设备100还包含耦连到电路或其他负载120的锂离子电池或相似化学成分、类型或者化学成分和类型二者都相似的电池130，使得电池130可对电路或其他负载120提供电力。
[0025]电池充电电路140耦连到电池130以允许电池充电电路140对电池130进行充电。电池充电电路140采用外部电力来实施充电功能。在所示出的实施例中，外部电力通过电线、连接器或者端口 150来接收。
[0026]电池充电电路140可以从电路或其他负载120接收输入，或者由电路或其他负载120所控制。在一个实施例中，本文所公开的新颖的系统是电池充电电路140的一部分。在可替代实施例中，新颖的系统是电路或其他负载120的一部分。在又一个实施例中，新颖的系统既是电池充电电路140的一部分，也是电路或其他负载120的一部分，或者是电池供电的设备的其他部分的一部分。例如，新颖的系统可以是电池供电的设备插入其中的专用电池充电器的一部分。
[0027]图2是用于延长锂离子电池或相似类型电池的使用寿命的系统的一个实施例的框图。在图2的实施例中，系统是图1的电池充电电路140的一部分。
[0028]电荷检测器210可操作以检测包含在电池130中的电荷水平。在所示出的实施例中，电荷检测器210可操作以通过监视流入和流出电池130的电流来查明电荷水平，即称为库仑计数的技术。相关领域的技术人员知道各种常规方式来确定或者估计电池具有的电荷水平。所有这种方式均落在本发明宽广的范围内。
[0029]使用建模器220耦连到电荷检测器210。在所示出的实施例中，使用建模器220可操作以从电荷检测器210接收数据并且随着时间例如一日的推移来开发电池的电荷水平的模型。模型可以采取曲线形式，其将电荷水平表示为在数日的窗口期间所平均的时间的函数。
[0030]电荷激励器230耦连到使用建模器220。在所示出的实施例中，电荷激励器230可操作以激活充电电路240以使电池130在适当时进行充电。在所示出的实施例中，电荷激励器230可操作以在某些决策点处确定是否应开始进行充电。在所示出的实施例中，当电池供电的设备耦连到充电电力(例如，当设备插入到电源或置于充电器的托架中)时或在其之后不久出现决策点。因此，在所示出的实施例中，每个决策点当充电的机会发生时出现。问题涉及是否利用机会，应记住的是其既具有可能的益处也具有一定成本。
[0031]在所示出的实施例中，电荷激励器230可操作以采用使用模型来确定在电池中是否保留足够的电荷水平以延续直到可能开始进行完全充电，例如在夜晚，当用户可能在睡觉时。在一个实施例中，电荷激励器230考虑来源于用户输入的所存储的充电偏好250。在所示出的实施例中，充电偏好250确定用户准备接受的、电池设备将不具有足够的电荷以延续直到可以开始进行完全充电的风险水平。
[0032]为了理解使用建模器220和电荷激励器230可以如何操作，现在将参考图3，其是针对特定示范性的一日的、使用模型和电池使用的示例的曲线图。因此，X轴是时间t，并且y轴是电池电荷水平Q。t示出为包括近似24小时,并且Q示出为包括没有电荷和完全充电之间的范围。未编号的水平虚线示出完全充电和深度放电水平，典型地最好避免后者。
[0033]已在例如数周的窗口期间做出电荷水平测量或估计后，图2的使用建模器220可操作以计算所确定或所估计的电荷水平的采样的平均值以产生使用模型，该使用模型采取图3中以虚线示出的曲线300的形式。使用模型指示完全充电通常发生在夜晚，开始于约凌晨12时(12AM)并且延续几个小时。在其之后发生一系列放电和充电直到约凌晨12时，这时另一个完全充电开始发生。
[0034]特定示范性的一日的电池相关事件也在图3中示出。该日开始于电池供电的设备耦连到充电电力，这允许完全充电在第一段(segment) 310期间发生。在第二段320期间，电池供电的设备处于闲置。在第三段330期间，电池供电的设备从充电电力处移除并被使用，使其电池逐渐放电。在第四段340期间，电池供电的设备再次耦连到充电电力。这导致将遭遇一个在图3中标示为决策点I的决策点。在决策点I处，需要就是否开始进行电池的充电达成决策。因此，采用使用模型，其指示虽然进一步放电是可能的，但是不太可能超过保留在电池中的电荷。更具体地，不太可能导致电池的深度放电。因此，达成放弃充电的决策，导致第四段340的水平状态意味着没有充电。
[0035]在第五段350期间，电池供电的设备再次从充电电力被移除并被使用，使其电池以比在第三段330中稍大的速率放电。在第六段360期间，电池供电的设备又一次耦连到充电电力。这导致将遭遇一个在图3中标示为决策点2的另一个决策点。在决策点2处，需要就是否开始进行电池的充电达成决策。因此，再次采用使用模型，其指示虽然进一步放电又是可能的，但是仍不太可能超过保留在电池中的电荷。更具体地，保留于不太可能导致电池的深度放电。因此，再次达成放弃充电的决策，导致第六段360的水平状态意味着没有充电。
[0036]在第七段370期间，电池供电的设备再次从充电电力被移除并被使用，使其电池以比在第三段330中稍低的速率放电。在第八段380期间，电池供电的设备又一次耦连到充电电力。这导致将遭遇一个在图3中标示为决策点3的另一个决策点。在决策点3处,需要就是否开始进行电池的充电达成决策。因此，又再次采用使用模型。然而，这一次模型不但指示进一步放电是不太可能的，而且指示电池供电的设备可能会保留耦连到充电电力相当一段时间并且因此可能开始进行完全充电。因此，达成允许充电发生的决策，导致段390意味着充电的开始。
[0037]应注意到的是，术语“可能”和“不太可能”在以上示例中使用数次。如结合图2所述，在各种实施例中采用充电偏好来确定用户准备接受的风险水平，即电池供电的设备将不具有足够的电荷以延续直到可开始进行完全充电的可能性。如果用户规避风险，那么充电偏好可能要求相对高的可能性，例如99%。如果用户准备接受重大风险，那么充电偏好可能要求低得多的可能性，例如70%。相关领域的技术人员将理解的是，充电偏好可以采取许多形式并且仍然完全保留在本发明的宽广的范围内。
[0038]图4是用于延长锂离子电池或相似类型电池的使用寿命的系统的一个实施例的流程图。方法始于开始步骤410。在步骤420，监视电池电荷水平。在步骤430，采用随着时间推移所监视的电池电荷水平来开发电池使用模型。在步骤440，检测对电池进行充电的机会。在步骤450，采用当前电池电荷水平、每日电池使用模型和充电偏好来确定现存的电荷延续直到可能的下一次完全充电的可能性。在步骤460，如果现存的电荷可能延续直到可能的下一次完全充电，那么放弃对电池进行充电的机会。否则，如果现存的电荷不太可能延续直到可能的下一次完全充电，那么采取对电池进行充电的机会。方法结束于结束步骤470。
[0039]应该阐明的是，电池供电的设备在任何情况下都不会经受比常规充电方法造成的更多充电循环，并且进一步地，电池供电的设备很可能在电池的寿命期间经历更多有用的充电循环。
[0040]本申请相关领域的技术人员将领会的是，可以对所描述的实施例做出其他和进一步的添加、删除、代替和修改。
【权利要求】
1.一种用于延长电池的使用寿命的系统，包括: 电荷检测器，可操作以检测包含在所述电池中的电荷水平； 使用建模器，耦连到所述电荷检测器并且可操作以从所述电荷检测器接收数据并且开发随着时间推移的所述电荷水平的模型；以及 电荷激励器，耦连到所述使用建模器并且可操作以当在所述电池中保留足够的电荷以延续直到可能开始进行完全充电时放弃对所述电池进行充电的机会。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述电荷检测器可操作以通过监视流入或流出所述电池的电流来查明所述电荷水平。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述检测器可操作以检测在至少一日期间的所述电荷水平。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述使用模型将电荷水平表示为在数日的窗口期间所平均的时间的函数。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述完全充电发生在夜晚。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述电荷激励器配置为基于来源于用户输入的充电偏好而放弃所述机会。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述充电偏好确定用户准备接受的、所述电池将不具有足够的电荷以延续直到能开始进行所述完全充电的风险水平。
8.—种电池供电的设备，包括: 负载； 锂离子电池； 电荷检测器，可操作以检测包含在所述电池中的电荷水平； 使用建模器，耦连到所述电荷检测器并且可操作以从所述电荷检测器接收数据并且开始随着时间推移的所述电荷水平的模型；以及 电荷激励器，耦连到所述使用建模器并且可操作以当在所述电池中保留足够的电荷以延续直到可能开始进行完全充电时放弃对所述电池进行充电的机会，并且当所述电池不太可能保留至少一些电荷直到可能开始进行所述完全充电时采取所述机会。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述电荷检测器可操作以通过监视流入和流出所述电池的电流来查明所述电荷水平。
10.根据权利要求8所述的设备，其中所述检测器可操作以在至少一日期间检测所述电荷水平。
【文档编号】H02J7/00GK104079025SQ201310687172
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2013年3月28日
【发明者】威廉·E·雷博克 申请人:辉达公司