用于制作饮料的液体加热器具及相关方法、电力管理系统和微控制器可读介质与流程
本发明总体上涉及用于制造饮料的液体加热器具、用于该液体加热器具的电力管理系统、用于控制液体加热器具的方法以及微控制器可读介质。
背景技术：
标准的液体加热器具(例如水壶、咖啡机、沏茶壶等)使用可从该器具所连接的市电电源获得的电力来加热例如在制作饮料时使用的水。
有时，取决于使用器具的国家或地区，经由家用市电电源或实际上提供的任何其他电源所提供的电力可能不足以在合理的时间内将水加热。
例如，在美国，家用市电电源提供最大功率输出为1800瓦的电源。而在澳大利亚，家用市电电源的最大功率输出为2400瓦。因此，例如，在美国，水壶可能需要一定的时间才能使水沸腾或至少将水加热到所需温度，而在澳大利亚，使用相同的水壶使水沸腾或将水加热到所需温度所需的时间更少。在提供最大功率输出为3000瓦的家用市电电源的情况下，使水沸腾或达到所需温度的时间甚至可以进一步减少。
此外，离子迁移是印刷电路板或与负载或电池的任何连接的故障现象或疲劳性(fatigue)的子集。离子迁移是由于导致绝缘电阻降低的腐蚀而引起的绝缘材料的变质。
离子迁移是电化学迁移，其中金属离子从一个金属电极或pcb走线轨道转移到相对的金属电极或走线轨道。当在电极之间粘附有水分(例如水分凝结)的情况下施加电场时，这些电极之间就会发生这种转移。自然地，在两个带电导体之间存在电场。在液体加热器具的情况下，液体很可能进入内部电子设备。印刷在电路板上的加热元件还用于加热咖啡机中的水以冲泡咖啡。消除或减少离子迁移可延长咖啡机的使用寿命。
技术实现要素：
本发明的目的是基本上克服或至少改善现有布置的一个或多个缺点。
公开了试图通过以下方式解决上述问题中的一个或多个的布置：提供用于制作饮料的液体加热器具、用于该液体加热器具的电源管理系统、用于控制液体加热器具的方法以及微控制器可读介质，其能够改善在液体加热器具中被加热的液体的加热时间。
根据本公开的第一方面，提供了一种用于制作饮料的液体加热装置，该液体加热装置包括：用于加热液体的多个加热部件，其中，使用市电电力(mainspower)为该多个加热部件中的至少第一加热部件供电；电力管理系统，其中，该电力管理系统包括：控制器、以及能量储存设备，其中，该控制器被布置为：控制被施加到多个加热部件中的第一加热部件的市电电力的量，控制要被至少施加到多个加热部件中的第二加热部件的来自能量存储设备的储存电力的量，并且在与多个加热部件中的第二加热部件相关联的一次或多次加热循环后，切换要被施加到该多个加热部件中的第二加热部件的来自能量存储设备的储存电力的电压的极性。
控制器可以被布置为在与多个加热部件中的第二加热部件相关联的每次加热循环之后，切换来自能量存储设备的储存电力的电压的极性。
控制器可以被布置为在所定义的时间段后切换来自能量存储设备的储存电力的电压的极性。
控制器可以被布置为通过控制切换设备的占空比来切换来自能量存储设备的储存电力的电压的极性。
控制器还被布置为以所定义的顺序延迟接通和/或断开多个加热部件中的两个或更多个加热部件。
根据本公开的另一方面，还提供了一种电力管理系统，该电力管理系统在用于制作饮料的液体加热器具中使用，其中，该液体加热器具具有用于加热液体的多个加热部件，该电力管理系统包括：控制器、以及能量储存设备，其中，该控制器被布置为：控制被施加到多个加热部件中的第一加热部件的市电电力的量，控制要被至少施加到多个加热部件中的第二加热部件的来自能量存储设备的储存电力的量，并且在与多个加热部件中的第二加热部件相关联的一次或多次加热循环后，切换要被施加到多个加热部件中的第二加热部件的来自能量存储设备的储存电力的电压的极性。
控制器可以被布置为在与多个加热部件中的第二加热部件相关联的每次加热循环后，切换来自能量存储设备的储存电力的电压的极性。
控制器可以被布置为在所定义的时间段后切换来自能量存储设备的储存电力的所述电压的极性。
控制器可以被布置为通过控制切换设备的占空比来切换来自能量存储设备的储存电力的电压的极性。
控制器还可以被布置为以所定义的顺序延迟接通和/或断开多个加热部件中的两个或更多个加热部件。
根据本公开的另一方面，提供了一种控制在用于制作饮料的液体加热器具中的电力供应的方法，该方法包括以下步骤：控制被施加到液体加热器具中的多个加热部件中的第一加热部件的市电电力的量；控制被至少施加到多个加热部件中的第二加热部件的与液体加热器具集成在一起的能量储存设备中的储存电力的量；以及在与多个加热部件中的第二加热部件相关联的一次或多次加热循环后，切换要被施加到多个加热部件中的第二加热部件的来自能量存储设备的储存电力的电压的极性。
该方法可以包括以下步骤：在与所述加热部件中的第二加热部件相关联的每次加热循环之后，切换来自能量存储设备的储存电力的电压的极性。
该方法可以包括以下步骤：在所定义的时间段后，切换来自能量存储设备的储存电力的电压的极性。
该方法可以包括以下步骤：通过控制切换设备的占空比来切换来自能量存储设备储存电力的电压的极性。
该方法可以包括以下步骤：以所定义的顺序延迟接通和/或断开多个加热部件中的两个或更多个加热部件。
根据本公开的另一方面，提供了一种微控制器可读介质，其上记录有程序，其中，该程序被配置为使得该微控制器执行以下过程：控制被施加到液体加热器具中的多个加热部件中的第一加热部件的市电电力的量；控制被至少施加到多个加热部件中的第二加热部件的与液体加热器具集成在一起的能量储存设备中的储存电力的量；以及在与多个加热部件中的第二加热部件相关联的一次或多次加热循环后，切换要被施加到多个加热部件中的第二加热部件的来自能量存储设备的储存电力的电压的极性。
该程序可以被配置为使得微控制器执行以下过程：在与多个加热部件中的第二加热部件相关联的每次加热循环后切换来自能量存储设备的储存电力的电压的极性。
该程序被配置为使得微控制器执行以下过程：在所定义时间段后切换来自能量存储设备的储存电力的电压的极性。
该程序可以被配置为使得微控制器执行以下过程：通过控制切换设备的占空比来切换来自能量存储设备的储存电力的电压的极性。
该程序可以被配置为使得微控制器执行以下过程：以所定义的顺序延迟接通和/或断开多个加热部件中的两个或更多个加热部件。
根据本公开的另一方面，提供了一种用于制作饮料的液体加热器具，该液体加热器具包括：用于加热液体的多个加热部件，其中使用市电电力为该多个加热部件中的至少第一加热部件供电；电力管理系统，其中，该电力管理系统包括：控制器、能量存储设备和切换部件，其中，控制器被布置为：控制施加到多个加热部件中的第一加热部件的市电电力的量，并且控制被至少施加到多个加热部件中的第二加热部件的来自能量存储设备的储存电力的量，其中，切换部件被布置为：将来自能量存储设备的储存电力转换为相对于被施加到多个加热部件中的第一加热部件的市电电力异相的交流电。
切换部件被布置为将来自能量存储设备的储存电力转换为交流电，该交流电相对于施加到多个加热部件中第一加热部件的市电电力异相180度。
切换部件是逆变器、固态继电器或三端双向可控硅开关元件。
交流电可以是正弦交流电或者可以是方波交流电。
根据本公开的另一方面，提供了一种在用于制作饮料的液体加热器具中使用的电力管理系统，其中，该液体加热器具具有用于加热液体的多个加热部件，该电力管理系统包括：控制器、能量存储设备和切换部件，其中，控制器被布置为：控制施加到多个加热部件中的第一加热部件的市电电力的量，并且控制被至少施加到多个加热部件中的第二加热部件的来自能量存储设备的储存电力的量，其中，切换部件被布置为：将来自能量存储设备的储存电力转换为交流电，该交流电相对于施加到多个加热部件中第一加热部件的市电电力异相。
切换部件被布置为将来自能量存储设备的储存电力转换为相对于被施加到多个加热部件中的第一加热部件的市电电力异相180度的交流电。
切换部件可以是逆变器、固态继电器或三端双向可控硅开关元件。
交流电可以是正弦交流电，或者可以是方波交流电。
根据本公开的另一个方面，提供了一种控制用于制作饮料的液体加热器具中的电力供应的方法，该方法包括以下步骤：控制被施加到该液体加热器具中的多个加热部件中的第一加热部件的市电电力的量；控制被至少施加到多个加热部件中的第二加热部件的与液体加热器具集成在一起的能量存储设备中的储存电力的量；以及将来自能量存储设备的储存电力转换为交流电，该交流电相对于被施加到多个加热部件中的第一加热部件的市电电力异相。
该方法包括以下步骤：将来自能量存储设备的储存电力转换为相对于被施加到多个加热部件中的第一加热部件的市电电力异相180度的交流电。
切换部件是逆变器、固态继电器或三端双向可控硅开关元件。
交流电是正弦交流电，或者可以是方波交流电。
根据本公开的又一方面，提供了一种微控制器可读介质，其上记录有程序，其中，该程序被配置为使得微控制器执行以下过程：控制施加到液体加热器具中的多个加热部件中的第一加热部件的市电电力的量；控制被至少施加到多个加热部件中的第二加热部件的在与液体加热器具集成在一起的能量存储设备中的储存电力的量；以及将来自能量存储设备的储存电力转换为交流电。
切换部件是逆变器、固态继电器或三端双向可控硅开关元件。
交流电是正弦交流电，或者可以是方波交流电。
还公开了其他方面。
附图说明
现在将参考附图和附录描述本发明的至少一个实施例，其中：
图1a示出了根据本公开的呈水壶形式的液体加热器具；
图1b示出了根据本公开的用于控制液体加热器具的系统的框图；
图1c示出了根据本公开的用于控制液体加热器具的系统的框图；
图1d示出了根据本公开的切换设备电路图；
图1e示出了根据本公开的功能框图；
图1f示出了根据本公开的处于一种状态的切换设备电路图；
图1g示出了根据本公开的处于另一种状态的切换设备电路图；
图1h示出了根据本公开的过程流程图；
图1i示出了根据本公开的占空比图；
图1j示出了根据本公开的另一占空比图；
图1k示出了根据本公开的延迟控制时序图；
图1l示出了根据本公开的另一延迟控制时序图。
图2a示出了根据本公开的用于控制液体加热器具的电力管理系统的框图；
图2b-图2d示出了根据本公开的用于液体加热器具中使用的加热部件的驱动波形；
图3a和图3b示出了根据本公开的用于在液体加热器具中使用的加热部件的加热器布线电路；
图4示出了根据本公开的与液体加热器具一起使用的能量存储系统的示例；
图5示出了根据本公开的与液体加热器具一起使用的加热器布线电路和能量存储系统的布置；
图6示出了在根据本公开的液体加热器具中使用的过程流程图；
图7示出了根据本公开中的示例的加热过程曲线；
图8示出了根据本公开中的示例的替代加热过程曲线；
图9示出了根据本公开中的示例的另一替代过程曲线。
具体实施方式
尽管本文描述的实施例涉及用于制作饮料的水加热器具，但是应当理解，该器具可用于加热其他合适的可饮用液体或液体混合物，以用于制作饮料。
以下描述的实施例涉及一种使水沸腾以使用户能够制作热饮(例如茶、咖啡等)的水壶。将理解，所描述的部件和过程可以在能够用于制作饮料的任何合适的液体加热器具中实现，例如咖啡机、沏茶壶等。还应理解，所描述的部件和过程可以被实现为使得能够在器具中加热除水以外的液体，其中，根据被加热的液体相应地调节用于控制过程的温度。
图1a示出了呈水壶101形式的液体加热器具。
水壶101具有底座103，通过该底座103经由电源单元(未示出)提供电力。手柄105设置有用户界面，以使用户能够控制水壶。水壶的主体107形成用于容纳待加热液体的容器。设置盖109，以当在水壶内加热液体时保持液体的大部分蒸汽。设置壶嘴111以使被加热的液体能够从容器中倒出。
图1b示出了用于在水壶101被用来制作饮料时控制水壶101的系统151的框图。
系统151具有交流市电电力输入153，其将市电电力馈送到具有emi(电磁干扰)屏蔽的市电电源155。提供负温度系数(ntc)传感器形式的第一传感器157，以用于检测水壶内被加热的液体的液体温度。第一传感器157在内部附接到水壶101的底座。
液体温度传感器被布置为感测被液体加热器具的一个或多个加热器加热的液体的温度。控制器165被布置为基于感测到的液体温度来控制施加到加热器中的一个或多个的电力的量。
根据可选示例，提供同样为负温度系数(ntc)传感器形式的第二传感器159，以用于检测用于加热水壶101中的液体的加热器的表面温度。
表面温度传感器被布置为感测主加热器的表面温度。控制器被布置为基于感测到的表面温度来控制被施加到主加热器的市电电力的量。
提供了干烧监控系统161。干烧监控系统使用加热器温度与加热器泄漏电流之间的指数关系(e-fast系统)，通过确定当水壶内没有水时水壶的加热器是否接通来为水壶的加热器提供热保护。泄漏电流可用作控制器的输入信号，以确定是否应断开加热器以防止损坏。
主pcba(印刷电路板组件)163设置有微控制器165，该微控制器165被布置为基于存储在存储器167中的指令来控制各种过程。该存储器可以是例如rom或eeprom。
包括如下其他的子系统。提供了包括主加热器167和混合加热器169的双加热器系统166。双加热器系统166与电子控制系统171通信。电子控制系统171具有电力pcba，其上组装有继电器和其他开关(例如，triac(三端双向可控硅开关元件)和固态继电器)，用于加热器167、169的控制和管理。控制线用于将控制信号从微控制器165馈送到电力pcba，以控制和管理加热器。
主加热器167可以被认为是可以具有一个或多个加热元件的单个加热部件。同样，混合加热器169可以被认为是可以具有一个或多个加热元件的单个加热部件。将理解，液体加热器具可以具有单个主加热器或多个主加热器。同样，将理解，液体加热器具可以具有单个混合加热器或多个混合加热器。
能量存储设备173被设置为具有与微控制器165通信的相关控制电路。控制线表示例如能量存储设备的充电状态或与能量存储设备相关的温度变化。能量存储设备的温度变化可以通过温度传感器(例如红外线传感器)来检测。
能量存储设备和相关控制电路可以位于器具的主体内部，可以与器具的主体集成在一起。
根据一个示例，该能量存储设备包括多个电容器组，并且具有与其相关联的一个或多个控制开关，如将在下面更详细地说明的。根据另一示例，能量存储设备可以包括一个或多个电池存储设备，其中该设备具有与其相关联的一个或多个控制开关。因此，能量存储设备可以包括电容器、电容器组、超级电容器、超级电容器组或电池。将理解的是，可以使用任何合适形式的能量存储。
逆变器175将来自能量存储设备的直流(dc)能量(即电力输出)转换为交流(ac)能量(即电力输出)，然后将其用于加热混合加热器169。
可替代地，dc电流可以被直接馈送到混合加热器169本身的加热器元件中。
图1c示出了用于在水壶101被用于制作饮料时控制水壶101的系统151的替代框图，其中来自能量存储设备的直流电力被直接馈送到混合加热器的加热元件中。为了降低加热器上电源走线轨道之间离子迁移的风险，在此示例中，控制器被布置为在混合加热器的一次或多次加热循环之后，使用来自能量存储设备的直流电力来切换要被施加到多个加热部件中的第二加热部件的直流电力信号的极性。例如，可以在每个加热循环后切换极性。可替代地，可以在每两次、三次或更多次加热循环之后切换直流电力信号的极性。可替代地，可以在存储在系统的存储器中的所定义的时间段(例如，每小时或每天)之后切换直流电力信号的极性。
在图1d中示出了另一实施例，其中，器具的电路包括电池、一个或多个直流负载和电子切换设备驱动电路。直流负载可以是加热元件、电动机、泵、线圈、灯或这些直流负载的任意组合。合并到电路中的负载数量取决于器具内部电池的容量。
根据该实施例的一个示例，为了最小化离子迁移，每x秒或y次循环切换(或改变)施加到负载的直流电压的极性。
图1e示出了用于在3个不同的直流负载(a、b和c)上切换直流电压的极性的合适的电路的示例。电路从器具的微控制器接收信号。该电路由能量储存设备供电，该能量储存设备在此示例中为电池。
在该电路中，直流负载a的切换设备q1和q5的传导、负载b的切换设备q7和q11的传导以及负载c的切换设备q13和q17的传导将在负载a、b和c中的每一个上提供直流电压的一种极性。负载a的正向传导如图1f所示。
在断开切换设备q1/q7/q13和q5/q11/q17后，负载a的切换设备q4和q6、负载b的切换设备q10和q12以及负载c的切换设备q16和q18能够被接通，然后，施加到负载a、b和c中的每个的直流电压的极性会被反转。负载a的反向传导如图1g所示。
图1h提供了示出负载操作的示例过程的流程图，负载在该示例中是加热元件。在步骤1101中，接通切换设备q1和q5。在步骤1103中，元件a正向传导。在步骤1105中，断开切换设备q1。在所定义的时间段“n”秒后，其中“n”可以是0秒以上。在步骤1107，断开切换设备q5。在步骤1109，接通切换设备q4和q6。在步骤1111，元件a反向传导。在步骤1113，断开切换设备q4。在所定义的时间段“m”秒后，其中“m”可以是0秒以上。在步骤1115，断开切换设备q6。
根据另一示例，可以通过控制切换设备的占空比来实现dc电压的极性切换。
通过接通和断开到电子切换设备的不同组的控制信号，系统可以实现不同级别的性能。
此外，通过控制施加到电子切换设备的控制信号的占空比，系统可以实现不同水平的电力的组合，以获得更好的性能，例如温度精度、沸腾声或电动机速度。
根据一个示例，其中负载仅是加热元件，如图1i和图1j所示，可以通过控制切换设备控制信号的占空比来改变加热元件的功耗。例如，当将切换设备控制信号的占空比被设置为100％时，三个加热元件所使用的总功率为1200w。当将切换设备控制信号的占空比调整为10％或50％时，加热元件所使用的功率将相应地改变。在图1j所示的情况下，功率近似为640w。
参照图1k，当切换直流电压的极性或断开直流负载时，断开切换设备q1/q7/13和q5/q11/q17时可能会有延迟。该延迟可以是0秒或n秒，具体取决于负载行为。
当再次切换直流电压的极性或断开直流负载时，断开切换设备q4/q10/16和q6/q12/q18时可能会有延迟。该延迟可以为0秒或m秒，具体取决于负载行为。当接通或断开直流负载时，负载可以被同时接通或断开。可替代地，参考图1l，切换可以按顺序发生，以在每个负载的接通或断开之间引入延迟。即，可以首先接通第一负载(例如负载a)，可以在第一负载被接通后的“t1”秒接通第二负载(例如负载b)。可以在第二负载被接通后的“t2”秒接通第三负载(例如负载c)。同样，可以首先断开第一负载。可以在第一负载被断开后的“t3”秒断开第二负载。可以在第二负载被断开后的“t4”秒断开第三负载。应当理解，还可以设想其他顺序。例如，接通顺序和断开顺序可以处于不同的负载顺序。
这种引入的延迟可以减少电池中电流的突然变化，从而延长电池寿命。
根据另一示例，来自能量存储设备的直流电力可以被转换为交流电(alternatingcurrent)以减小离子迁移效应。
由控制器产生的交流信号可以是正弦波形、方波形、三角波形、梯形波形或任何其他合适的波形形状或其组合的形式。
交流信号可以由控制器(在软件的控制下)使用任何合适的开关部件(例如，逆变器、固态继电器(ssr)、三端双向可控硅开关元件等)生成。
因此，根据一个示例，可以使用固态继电器(ssr)生成交流正弦波形以生成50hz的梯形波形。
在一个示例中，切换操作将不通电(即，切换时切换端子不带电)，因此可以使用低成本的无源切换部件。
使银迁移最小化的其他方法可以包括使用包含氧化钌或者添加钯的电阻器。
根据另一示例，可以使用诸如固态继电器(ssr)之类的任何合适的切换设备来生成50hz的方波形。
图2b至2d示出了可用于驱动液体加热器具中的多加热元件系统中的加热元件的三个不同的示例波形。
图2b示出了由控制器(在软件的操作下)基于可从能量存储设备获得的直流电力，使用切换设备(例如，逆变器或ssr)生成的正弦波形。
图2c示出了由控制器(在软件的操作下)基于可从能量存储设备获得的直流功率，使用切换设备(例如，逆变器或ssr)生成的方波形。在该示例中，生成方波以使其具有与施加到另一加热器元件的市电电力相同的时间周期，但是相对于市电电力信号异相180度。还应该理解，方波可以与市电电力信号同相。
图2d示出了由控制器(在软件的操作下)基于可从能量存储设备获得的直流功率，使用切换设备(例如，逆变器或ssr)生成的替代方波。在该示例中，生成方波以使其具有与施加到另一加热器元件的市电电力不同的时间周期(例如3分钟)，但是相对于市电电力信号异相180度。还应该理解，方波可以与市电电力信号同相。
用户界面(ui)pcba177连接到主pcba163，以在主pcba163和水壶的用户界面之间传送输入和输出信号。例如，当用户选择特定的操作模式时，可以在ui处生成一个或多个控制信号。该控制信号被传送回主pcba163至控制器165，以使控制器165能够根据所产生的控制信号来控制系统的各个部件。
图2a示出了电力管理系统200的框图，该电力管理系统200形成如参考图1b所描述的用于控制液体加热器具的系统的一部分。
电力管理系统200通过经由调节器201、203和控制器165之间的控制线来控制功率调节器201(用于主加热器167)和功率调节器203(用于混合加热器169)来使用控制器165控制施加到加热器167、169中的每个的电力的量。控制线在控制器165及能量存储设备173和逆变器175之间进行连接(也如图1b所示)。每个电力调节器被布置为调节所提供的交流电力中的有多少电力被施加到各个加热器。
根据操作模式，当不使用器具加热液体时(例如，其处于待机模式)，能量存储设备在控制器165的控制下被充电。控制信号被馈送回ui上的显示器，以通知用户能量存储设备的充电百分比。
根据另一种操作模式，在控制器165的控制下，主加热器167通过电力管理系统经由电力调节器201从市电电源汲取电力。在这种模式下，混合加热器169不从能量存储设备汲取任何电力。根据一个示例，主加热器167从市电汲取100％的可用电力以加热主加热器167。
根据另一种操作模式，在控制器165的控制下，也可以在控制器165的控制下，在主加热器167被加热的同时，使用来自能量存储设备的电力来加热混合加热器169。控制器165防止能量存储设备在该模式期间被充电。控制器165在该模式下激活两个加热电路(主电路和混合电路)。交流市电输入为主加热器167提供电力，而能量储存设备为混合加热器169提供电力。
图3a和3b示出了可以用于液体加热器具中的主加热器167和混合加热器169的加热器布线电路。
图3a示出了用于主加热器167的加热器布线电路301。为主加热器167提供一个或多个加热部件(303a、303b等)，例如，加热元件。在该示例中，加热部件是电阻加热部件。用于主加热器167的每个加热部件的第一端连接到输入的市电电力带电端子(liveterminal)。用于主加热器167的每个加热组件的第二端具有市电中性连接(nm)，其对于主加热器167的所有加热部件是公用的。通过选择性地接通各个加热部件，可以总体上控制施加到主加热器167的电力的量。可替代地，控制器165可以经由施加到调节器201的控制信号来控制施加到加热部件中的一个或多个的电力的量。
图3b示出了用于混合加热器169的加热器接线电路303。为混合加热器169提供一个或多个加热部件(305a、305b等)，例如，加热元件。在该示例中，加热部件是电阻加热部件。用于混合加热器169的每个加热部件的第一端连接到逆变器或直流电源175的带电端子，该逆变器或直流电源175连接到能量储存设备173。每个加热部件305a、305b的第二端具有混合中性连接(nh)，其对于混合加热器169的所有加热部件是公用的。通过选择性地接通各个加热部件，可以总体上控制施加到混合加热器169的电力的量。
因此，可以看出，存在用于主加热器167和混合加热器169的两个单独的加热回路。主加热器和混合加热器中的每一个都具有一组一个或多个加热元件或部件。每组加热元件或部件被布置为使用不同的电压源进行操作。
根据一个示例，主加热器167可以具有1800瓦的最大额定功率，而混合加热器169可以具有600瓦的最大额定功率。在该示例中，主加热器和混合加热器中的每一个可以具有单个加热元件。在另一示例中，主加热器和混合加热器中的一个或两个可以具有一个以上的加热元件。
图4示出了与液体加热器具一起使用的能量存储系统401的示例。
如本文所提到的，可以使用任何适当形式的能量存储来形成能量存储设备173。在该示例中，能量存储系统401包括利用电容器的能量存储设备173，因为与电池技术相比，这些电容器具有更快的充电和放电速率。
电路被示出为具有电容器组403，该电容器组403具有多个并联布置的电容器405以及控制开关407a、407b，以为混合加热器169提供额外的电流。电容器中的一个或多个可以是超级电容器。
第一开关407a由控制器165控制以对电容器组充电。第二开关407b由控制器控制以使电容器组放电到负载(混合加热器169)中，即，向负载供电。控制器165使用xor(异或)操作来控制开关407a、407b，以确保两个开关永远不会同时断开或闭合。
因此可以看出，在第一操作模式期间，控制器被布置为使得能量存储设备能够通过市电电力充电。同样，可以看出，在第二操作模式期间，控制器被布置为使得能量存储设备能够将储存电力施加到混合加热器。混合加热器是器具中的多个加热部件之一。
此外，可以看出，在第二模式中，控制器也可以被布置为确定存储在能量存储设备中的电力的量是否高于所定义的阈值，其中，例如，所定义的阈值已被存储在出厂设置中。如果控制器做出肯定的判断，即存储在能量存储设备中的电力的量高于所定义的阈值，则控制器可以使能量存储设备将储存电力施加到混合加热器。
图5示出了用于液体加热器具的加热器布线电路和能量存储系统的布置。该布置示出了主加热器元件501或组件如何与器具的底座505内的混合加热器元件或部件503交错。
图6示出了用于液体加热器具的过程流程图600。
过程开始于步骤601。在步骤603中，控制器最初进行检查以确定是否由市电电源为器具供电。当控制器确定电力被连接时，随后，在步骤605中对能量存储设备充电。
在步骤607中，控制器运行能量存储设备充电水平测试，以在步骤607中确定能量存储设备充电水平是否等于或高于预定阈值充电水平。例如，预定阈值充电水平可以被编程为最大充电水平的40％，使得能量存储设备即使未被充满电也能够被使用。如果控制器确定能量存储设备低于预定阈值充电水平(例如，低于最大充电水平的40％)，则在步骤609中，控制器控制器具的ui，以确保在ui上一种水加热模式或数量有限的加热模式能够供用户选择。在该示例中，在步骤609中提供单个水加热模式“标准沸腾”，其中，在下文中参考图7c对该模式进行描述。在步骤605中，控制器继续为能量存储设备充电，直到用户使用ui选择了可用模式选项为止。
当控制器从能量储存设备充电水平测试中确定能量储存设备的充电水平高于最大充电水平的40％时，控制器将控制器具的ui，以使其他水加热模式能够供用户在ui上选择，如步骤611所示。如以下参考图7a-图7c所述，这些加热模式包括“标准沸腾”、“快速沸腾”和“快速且精确”。将理解，阈值最小充电水平可以大于或小于40％，例如20％、30％、50％、60％、70％等、以及其间的任何值。
在步骤613，用户使用ui选择模式选项。在步骤615，控制器启动水垢检查过程以确定是否应清洁器具以去除多余的水垢。如果控制器确定存在水垢，则在步骤617中，将控制信号发送到ui，以在显示器上向用户指示应清洁器具。此外，该器具不启动用户在步骤613中所选择的加热模式，而是结束该过程并使器具回到待机模式，并且该过程在步骤619中结束。在用户已在步骤613中选择了选项之后，由控制器执行水垢检查，因为为了使控制器执行水垢检查，需要加热主加热器。如果在主加热器上存在水垢，则水垢将充当覆盖层，并且液体ntc温度将与加热器表面ntc显著不同，并且因此将可能影响所选择的加热模式如何操作。
如果控制器确定不存在水垢，则器具在步骤621中使用在步骤613中选择的模式(例如，“标准沸腾”、“快速沸腾”或“快速且精确”)加热水，并且在完成后将器具重置为待机模式，过程在步骤619中结束。
图7示出了当用户在图6所示的过程中的步骤613中选择了被称为“快速沸腾”的操作模式时，由控制器控制的被称为“快速沸腾”的加热过程曲线。该过程为用户提供了液体加热选项，该选项可以将液体尽快加热到所需温度。
将理解的是，所需温度可以是编程到控制器中的单个温度值，例如接近或处于沸点(例如，100摄氏度)的值。还应该理解，作为替代，所需温度可以由用户使用器具的ui进行设置。在该替代方案中，可以在用户选择所需温度值之后将其存储在存储器中以供控制器读取和使用，以便基于所测得的水温来确定是否已经达到液体的所需温度。
参考以下处理步骤描述图7中的处理。下面描述的每个步骤在图7上用圆圈中的数字表示。
步骤1：用于检查初始条件和测试目的的控制器以远低于加热液体时所施加的百分比水平的电力向主加热器167施加所定义的百分比的电力。例如，在测试过程中所施加的电力可以被设置为使用器具加热液体时所用的最大电力的10％。将理解，可以使用其他较低或较高的百分比值，例如5％、6％、7％、8％、9％、11％等。在该测试时间段内所施加的低水平电力将持续所定义的时间段，例如5秒。
在这0到5秒钟之间，控制器通过加热组件中的e-fast泄漏电流来检测干烧防止测试，以查看是否正在使用该器具而没有在其中放置足够的液体。泄漏电流用于数字检测是否存在干烧。
步骤2：在5秒钟的采样后，如果有可选的加热器表面ntc温度传感器可用，则确定加热器表面温度，并将其用作e-fast泄漏电流的替代或补充，以确定是否发生干烧。如果加热器的表面ntc温度为δt<130c，则不会标记出干烧。
在一个实施例中，液体ntc用于检测干烧，然而，由于热量从加热元件传递到液体ntc会存在时间延迟，因此干烧检测和标记与表面ntc相比并不是那么快速和有效。例如，如果在5秒的加热时间段后液体ntc升高δt<100c(或者在制造时编程的替代值或由用户设置的替代值)，则可以确定器具并未试图“干烧”。如果检测到干烧(参见步骤3)，则控制器将断开器具或将其置于待机模式。
步骤3：在5秒的采样后，计算器具中的近似液体量。控制器所使用的等式为δt·m·c°＝p`t，其中δt为梯度温度(在此示例中，是从室温到5秒时温度的小梯度)，m为水的质量，c°是常数，p是施加到加热元件的功率，t是最初向主加热器供电的时间(在此示例中为5秒)。因此，重新排列等式，可以计算出m。如果控制器确定m小于定义的阈值，则控制器将设备切换到待机模式并在ui上显示警告消息。否则，将启动包括以下计算的步骤4。
控制器计算出温度升高δt，进一步得出器具内部的近似含水量，然后得出近似的沸腾时间tc。最终所需温度是已知的，初始室温和5秒时间段内的δt也是已知的。因此，所需温度减去5秒时间段内的δt，减去室温，得出最终温度δt。因此，除了通过液体ntc检测沸腾以外，还可以重新排列等式以计算沸腾时间。这样可以确保在ntc出现故障或不准确时进行备份。
步骤4：如果控制器165确定器具中有足够的液体，或者相反地确定器具中没有足够的液体，则控制器会将100％的可用市电电力切换到主加热器167。
步骤5：控制器165将能量储存设备中100％的可用电力切换到混合加热器169。
步骤6：当两个加热器167、169都工作时，控制器165连续地监控由液体温度传感器157提供的液体ntc的温度。
步骤7：如果控制器确定液体ntc读数已经达到所定义的所需温度，或者确定液体ntc温度读数在所定义的时间段(例如，5秒)内没有升高，则控制器165停止向两个加热器167、169施加电力。进行检查以确定温度是否在定义的时间段内没有升高，以确定液体的温度是否饱和，即取决于液体和环境条件达到峰值，并因此随后停止加热过程。例如，在较高的海拔下，水的温度可能永远不会达到100摄氏度，并且可能会例如在98摄氏度时沸腾。
因此，控制器基于对感测到的液体温度是否已经达到定义的阈值温度的确定来控制施加到主加热器的市电电力的量。另外，作为替代，控制器基于对感测到的液体温度是否在定义的时间段内未升高的确定来控制施加到主加热器的市电电力的量。
步骤8：在完成步骤7之后，控制器断开施加到主加热器和混合加热器的电力。
图8示出了当用户在图6所示的过程中在步骤613中选择了被称为“快速且精确”的操作模式时，控制器所使用的被称为“快速且精确”的加热过程曲线。由于越接近所需温度时所施加的电力越小，因此该过程在达到所需(目标)温度时更为精确，因此在加热过程中出现过高的所需温度的机会较小。例如，当用户希望将水加热到低于100摄氏度的温度时，该模式可能是理想的。
根据该过程，在该“快速且精确”模式下，控制器也执行如上所述的参考图7所描述的“快速沸腾”模式所描述的步骤1-6。
“快速沸腾”模式的步骤7和8被以下3个步骤7b、8b和9b代替，并且在图8中以圆圈中的附图标记示出。
步骤7b：等式用于时间计算，以保持从加热元件施加的一定百分比的热量；
步骤8b：在时间(t)＝tc-10时，控制器断开混合加热器。将理解，在此阶段，所施加的主加热器电力可以是100％的可用电力或小于100％的可用电力，以使得能够精确地达到所需温度。用于主加热器的电力的量将至少取决于所需温度和当断开混合电力时水已达到的温度。
步骤9b：当达到具有所施加的偏移的设定温度时，控制器断开主加热器。偏移可以例如是5摄氏度。将理解，偏移值在制造时被预编程到器具中，并且偏移值可以是任何其他合适的值。
图9示出了当用户在图6所示的过程中的步骤613中选择了被称为“标准沸腾”的操作模式时，控制器所使用的被称为“标准沸腾”的过程曲线。
根据该过程，仅主加热器167被加热。如上所述，控制器在该“标准沸腾”模式下执行参考“快速沸腾”模式所描述的步骤1-4。
实施新的步骤5c、6c、7c和8c以代替上述关于“快速沸腾”模式的步骤5至8。
步骤5c：控制器165向主加热器施加100％的市电电力，直到达到具有所施加的偏移的设定温度。偏移可以例如是5摄氏度。将理解的是，偏移值在制造时被预编程到器具中，并且偏移值可以是任何其他合适的值。
步骤6c：在步骤5c之后，控制器165向主加热器施加减少的电力的量。例如，将60％的可用电力施加到主加热器，以使加热器能够加热液体，使得液体达到预定(例如选定的)温度。
步骤7c：如果控制器165确定液体ntc读数已经达到定义的所需温度，或者确定液体ntc温度读数在确定的时间段(例如，5秒)内没有增加，则控制器165停止向主加热器167施加电力。
步骤8c：控制器165停止向主加热器施加电力。
就由控制器进行的电力控制的操作的优先级而言，提供以下层次作为示例。例如，用于确定如何向加热器施加电力的系统操作优先级可以是(以最高优先级为第一的顺序)：i)使用e-fast信号检测确定干烧，ii)确定能量储存设备是否已充电，iii)确定测量到的表面加热器温度(surfacentc)是否已达到阈值表面加热器温度，以及iv)确定测量到的液体温度(liquidntc)是否已达到阈值液体温度。
就使用控制器控制充电或使用能量储存设备的条件而言，提供以下层次作为示例。例如，要应用的操作优先级是(以最高优先级为第一的顺序)：i)通过使用测量到的表面加热器温度(表面ntc)来测量加热器是否在所定义的温度范围内，以防止过热；ii)通过在检测到充电水平低于所定义的耗尽阈值时停止能量储存设备向混合加热器供电，从而避免能量设备完全放电，以及iii)通过在检测到充电水平已经达到所定义的最大充电阈值时停止对能量存储设备充电来避免能量存储设备过度充电。
工业实用性
所描述的布置适用于液体加热器具行业，并且尤其适用于制造用于制作饮料的液体加热器具行业。
前述内容仅描述了本发明的一些实施例，并且在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以对其进行修改和/或改变，这些实施例是说明性的而非限制性的。
在本说明书的上下文中，词语“包括”是指“主要包含但不一定单独包括”或者“具有”或“包含”，而不是“仅由...组成”。词语“包括(comprising)”的变体，例如“包括(comprise)”和“包括(comprises)”具有相应的不同的含义。
以下条款定义了本发明实施例的其他方面：
条款1：一种用于制作饮料的液体加热器具，该液体加热器具包括用于加热液体的多个加热部件，其中，使用市电电力为该多个加热部件中的至少第一加热部件供电；电力管理系统，其中，该电力管理系统包括：控制器和能量存储设备，其中，该控制器被布置为控制施加到多个加热部件中的第一加热部件的市电电力的量，并且还被布置为控制要被至少施加到多个加热部件中的第二加热部件的来自能量存储设备的储存电力的量。
条款2：根据条款1所述的液体加热器具，其中，在第一操作模式期间，控制器被布置为使能量存储设备能够通过市电电力充电，并且在第二操作模式期间，控制器被布置为使能量存储设备能够将储存电力至少施加到多个加热部件中的第二加热部件。
条款3：根据条款2所述的液体加热器具，其中，在第二模式中，控制器还被布置为确定存储在能量存储设备中的电力的量是否高于所定义的阈值，并且在做出肯定的判断时，使能量存储设备能够将储存电力至少施加到多个加热部件中的第二加热部件。
条款4：根据条款1所述的液体加热器具，还包括逆变器和电力调节器，其中，逆变器被布置为将从能量存储设备输出的直流电力转换为交流电力输出，并且电力调节器被布置为调节交流电力输出中有多少电力被至少施加到多个加热部件中的第二加热部件。
条款5：根据条款1所述的液体加热器具，其中，液体加热器具具有两个加热部件，其中，这两个加热部件彼此交错。
条款6：根据条款1所述的液体加热器具，其中，能量存储设备包括电容器、电容器组、超级电容器、超级电容器组或电池中的至少一个。
条款7：根据条款1所述的液体加热器具，还包括液体温度传感器，其中，液体温度传感器被布置为感测由液体加热器具加热的液体的温度，其中，控制器还被布置为基于感测到的液体温度来控制施加到多个加热部件中的至少一个加热部件的电力的量。
条款8：根据条款7的所述的液体加热器具，其中，控制器还被布置为基于液体的温度来控制施加到第一加热部件的市电电力的量。
条款9：根据条款8所述的液体加热器具，其中，控制器还被布置为基于以下方式控制施加到第一加热部件的市电电力的量：i)确定所感测的液体温度是否已达到定义的阈值温度，或ii)确定所感测的液体温度在定义的时间段内未升高。
条款10：一种在用于制作饮料的液体加热器具中使用的电力管理系统，其中，液体加热器具具有用于加热液体的多个加热部件，该电力管理系统包括：控制器和能量存储设备，其中，控制器被布置为控制被施加到多个加热部件中的第一加热部件的市电电力的量，并且还被布置为控制将被至少施加到多个加热部件中的第二加热部件的来自能量储存设备的电力的量。
条款11：根据条款10所述的电力管理系统，其中，在第一操作模式期间，控制器被布置为使能量存储设备能够通过市电电力充电，并且在第二操作模式期间，控制器被布置为使能量存储设备能够将储存电力至少施加到多个加热部件中的第二加热部件。
条款12：根据条款11所述的电力管理系统，其中，在第二模式中，控制器还被布置为确定存储在能量存储设备中的电力的量是否高于所定义的阈值，并且在做出肯定的判断时，使能量存储设备能够将储存电力至少施加到多个加热部件中的第二加热部件。
条款13：根据条款10所述的电力管理系统，还包括逆变器和电力调节器，其中，逆变器被布置为将从能量存储设备输出的直流电力转换为交流电力输出，并且电力调节器被布置为调节交流电力输出中有多少电力被至少施加到多个加热部件中的第二加热部件。
条款14：根据条款10所述的电力管理系统，其中，能量存储设备包括电容器、电容器组、超级电容器、超级电容器组或电池中的至少一个。
条款15：根据条款10的所述的电力管理系统，其中，控制器还被布置为基于液体加热器具中液体的温度来控制施加到第一加热部件的市电电力的量。
条款16：根据条款10所述的电力管理系统，其中，控制器还被布置为基于以下方式控制施加到第一加热部件的市电电力的量：i)确定所感测的液体温度是否已达到定义的阈值温度，或ii)确定所感测的液体温度在定义的时间段内未升高。
条款17：一种控制用于制作饮料的液体加热器具中的电力供应的方法，该方法包括以下步骤：控制被施加到液体加热器具中的多个加热部件中的第一加热部件的市电电力的量；以及控制被至少施加到多个加热部件中的第二加热部件的与液体加热器具集成在一起的能量存储设备中的储存电力。
条款18：根据条款17所述的方法，还包括以下步骤：在第一操作模式期间，使能量存储设备能够通过市电电力充电；以及在第二操作模式期间，使能量存储设备能够将储存电力至少施加到多个加热部件中的第二加热部件。
条款19：根据条款18所述的方法，还包括以下步骤：在第二模式中，确定存储在能量存储设备中的电力的量是否高于所定义的阈值，以及在做出肯定的判断时，使能量存储设备能够将储存电力至少施加到多个加热部件中的第二加热部件。
条款20：根据条款17所述的方法，还包括以下步骤：将从能量存储设备输出的直流电力转换为交流电力输出；以及调节将交流电力输出中的多少电力至少施加到多个加热部件中的第二加热部件。
条款21：根据条款17所述的方法，还包括以下步骤：感测由液体加热器具加热的液体的温度；以及基于感测到的液体温度来控制施加到多个加热部件中的至少一个加热部件的电力的量。
条款22：根据条款21所述的方法，还包括以下步骤：基于液体的温度来控制施加到第一加热部件的市电电力的量。
条款23：根据条款22所述的方法，还包括以下步骤：基于以下方式控制施加到所述第一加热部件的市电电力的量：i)确定感测到的液体温度是否已达到所定义的阈值温度，或ii)确定感测到的液体温度未在定义的时间段内升高。
条款24：一种微控制器可读介质，其上记录有程序，其中，该程序被配置为使得微控制器执行以下过程：控制施加到液体加热器具中的多个加热部件中的第一加热部件的市电电力的量；以及控制被至少施加到多个加热部件中的第二加热部件的在与液体加热器具集成在一起的能量存储设备中的储存电力的量。
条款25：根据条款24所述的微控制器可读介质，其中，程序被配置为使得微控制器执行以下过程：在第一操作模式期间，使能量存储设备能够通过市电电力充电，并且在第二操作模式期间，使能量存储设备能够将储存电力至少施加到多个加热部件中的第二加热部件。
条款26：根据条款25所述的微控制器可读介质，其中，程序被配置为使得微控制器执行以下过程：在第二模式中，确定存储在能量存储设备中的电力的量是否高于所定义的阈值，以及在做出肯定的判断时，使能量存储设备能够将储存电力至少施加到多个加热部件中的第二加热部件。
条款27：根据条款24的所述微控制器可读介质，其中，程序被配置为使得微控制器执行以下过程：基于液体加热器具中液体的温度，控制施加到第一加热部件的市电电力的量。
第28条：根据条款24的微控制器可读介质，其中，程序被配置为使得微控制器执行程序以基于以下方式控制施加到第一加热部件的市电电力：i)确定感测到的液体温度是否已达到所定义的阈值温度，或者ii)确定感测到的液体温度在所定义的时间段内未升高。
条款29：一种用于制作饮料的液体加热器具，该液体加热器具包括：用于加热液体的多个加热部件，其中使用市电电力为该多个加热部件中的至少第一加热部件供电；电力管理系统，其中，该电力管理系统包括：控制器、能量存储设备和切换部件，其中，控制器被布置为：控制施加到多个加热部件中的第一加热部件的市电电力的量，并且控制要被至少施加到多个加热部件中的第二加热部件的来自能量存储设备的储存电力的量，其中，切换部件被布置为：将来自能量存储设备的储存电力转换为交流电。
条款30：根据条款29所述的液体加热器具，其中，切换部件被布置为将来自能量存储设备的储存电力转换为交流电，该交流电相对于施加到多个加热部件中第一加热部件的市电电力异相180度。
条款31：根据条款29的所述液体加热器具，其中，切换部件是逆变器、固态继电器或三端双向可控硅开关元件。
条款32：根据条款29所述的液体加热器具，其中，交流电可以是正弦交流电或者可以是方波交流电。
条款33：一种在用于制作饮料的液体加热器具中使用的电力管理系统，其中，该液体加热器具具有用于加热液体的多个加热部件，其中，该电力管理系统包括：控制器、能量存储设备和切换部件，其中，控制器被布置为：控制施加到多个加热部件中的第一加热部件的市电电力的量，并且控制要被至少施加到多个加热部件中的第二加热部件的来自能量存储设备的储存电力的量，其中，切换部件被布置为：将来自能量存储设备的储存电力转换为交流电，该交流电相对于施加到多个加热部件中第一加热部件的市电电力异相。
条款34：根据条款33所述的电力管理系统，其中，切换部件被布置为将来自能量存储设备的储存电力转换为相对于被施加到多个加热部件中的第一加热部件的市电电力异相180度的交流电。
条款35：根据条款33所述的电力管理系统，其中，切换部件可以是逆变器、固态继电器或三端双向可控硅开关元件。
条款36：根据条款33所述的电力管理系统，其中，交流电可以是正弦交流电，或者可以是方波交流电。
条款37：一种控制用于制作饮料的液体加热器具中的电力供应的方法，该方法包括以下步骤：控制被施加到该液体加热器具中的多个加热部件中的第一加热部件的市电电力的量；控制被至少施加到多个加热部件中的第二加热部件的与液体加热器具集成在一起的能量存储设备中的储存电力的量；以及将来自能量存储设备的储存电力转换为交流电，该交流电相对于被施加到多个加热部件中的第一加热部件的市电电力异相。
条款38：根据条款37所述的方法，其中，该方法还包括以下步骤：将来自能量存储设备的储存电力转换为相对于被施加到多个加热部件中的第一加热部件的市电电力异相180度的交流电。
条款39：根据条款37所述的方法，其中，切换部件是逆变器、固态继电器或三端双向可控硅开关元件。
条款40：根据条款37所述的方法，其中，交流电是正弦交流电，或者可以是方波交流电。
条款41：一种微控制器可读介质，其上记录有程序，其中，该程序被配置为使得微控制器执行以下过程：控制施加到液体加热器具中的多个加热部件中的第一加热部件的市电电力的量；控制被至少施加到多个加热部件中的第二加热部件的在与液体加热器具集成在一起的能量存储设备中的储存电力的量；以及将来自能量存储设备的储存电力转换为交流电，该交流电相对于被施加到多个加热部件中的第一加热部件的市电电力异相。
条款42：根据条款41所述的微控制器可读介质，其中，切换部件被布置为将来自能量存储设备的储存电力转换为相对于被施加到多个加热部件中的第一加热部件的市电电力异相180度的交流电。
条款43：根据条款41所述的微控制器可读介质，其中，切换部件是逆变器、固态继电器或三端双向可控硅开关元件。
条款44：根据条款41所述的微控制器可读介质，其中，交流电是正弦交流电，或者可以是方波交流电。
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