用于延長鋰離子和相似類型電池使用壽命的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】用于延長電池的使用壽命的系統(tǒng)和方法和合并有該系統(tǒng)或方法的電池供電設(shè)備。在一個實施例中，系統(tǒng)包括：（1）電荷檢測器，可操作以檢測包含在電池中的電荷水平，（2）使用建模器，耦連到電荷檢測器并且可操作以從電荷檢測器接收數(shù)據(jù)并且開發(fā)隨著時間推移的電荷水平的模型，以及（3）電荷激勵器，耦連到使用建模器并且可操作以當(dāng)電池中保留足夠的電荷以延續(xù)直到可能開始進行完全充電時放棄對電池進行充電的機會。
【專利說明】 用于延長鋰離子和相似類型電池使用壽命的系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求由Rehbock于2013年3月28日提交的、標(biāo)題為“SYSTEM AND METHODFOR EXTENDING USEFUL LIFE OF LITHIUM-1ON AND BATTERIES OF SIMILAR TYPE”、序列號為13/852,441的美國申請的優(yōu)先權(quán)，其與本申請共同受讓并且通過援引的方式并入本文。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本申請總地涉及電池充電電路，并且更具體地，涉及用于鋰離子或相似類型電池的智能電池充電電路。

【背景技術(shù)】
[0004]用來對電池充電的技術(shù)應(yīng)該根據(jù)正在充電的電池的化學(xué)成分來定制。例如，鉛酸電池針對過度充電具有相對高的容限并且當(dāng)被維持在完全充電或接近完全充電時展示出最長的使用壽命。因此，可通過將鉛酸電池連接到簡單充電器來對其進行充電，該簡單充電器提供恒定電壓或恒定電流源。恒定電壓或電流可以是脈沖的或穩(wěn)定的。涓流充電器長期提供少量的但卻恒定的電荷以使電池“浮動”在完全充電或接近完全充電?；谟嫊r器的充電器或汽車交流發(fā)電機在長的但卻有限的時間例如一個到數(shù)個小時期間，提供適度的電荷。高速充電器在幾分鐘期間提供大量電荷，但是一般要求監(jiān)視電池以防止過度充電。
[0005]諸如鎳鎘(N1-Cd)電池的可再充電堿性和鎳金屬氫化物電池比鉛酸電池提供更高的功率密度，但可以以與鉛酸電池大致相同的方式進行充電。然而，可再充電堿性電池要求脈沖源。鎳金屬氫化物電池的溫度可以并應(yīng)該在充電期間被監(jiān)視作為其充電的指示以確保其不過度充電和過熱。進一步地，鎳金屬氫化物電池經(jīng)受“記憶效應(yīng)(memory effect)”,其中如果其在僅部分放電之后被重復(fù)地再充電，則其逐漸失去其最大能量容量。
[0006]鋰離子或L1-1on電池甚至比鎳金屬氫化物電池更為功率密集并且廣泛地使用在消費性電子產(chǎn)品(諸如平板電腦、手機和MP3播放器)、工具、電動車以及醫(yī)療、軍事和航空航天應(yīng)用中。最普及的化學(xué)成分是鋰鈷氧化物(LiCoO2)t5相似的化學(xué)成分，包括磷酸鐵鋰(LFP)、鋰鎳錳鈷氧化物(NMC)、鋰錳氧化物(LM0)以及鈦酸鋰(LTO)，傾向于使用在更敏感或奇異(exotic)的應(yīng)用中。
[0007]雖然非常強勁，但是鋰離子電池具有兩個相當(dāng)大的缺點。第一，其僅可再充電有限的次數(shù)(典型地約500到1000次)，這限制其使用壽命。第二，其經(jīng)受被稱作熱失控的、具有破壞性和潛在危險的現(xiàn)象，如果其過度充電，則該現(xiàn)象發(fā)生。因此，在三個階段中仔細(xì)地對鋰離子電池充電。第一階段是恒定電流階段，其中恒定電流源連接到電池直到到達每電池元(cell)最大電壓。第二階段是平衡階段，其中恒定電流的水平降低并且采用平衡電路來平衡在構(gòu)成電池的電池元之間的電荷。第三階段是恒定電壓階段，其中恒定電壓源連接到電池，恒定電壓源的電壓等于每電池元最大電壓乘以電池中的電池元的數(shù)目。
[0008]顯而易見的是，鎳金屬氫化物和鋰離子電池在充電方面要求一些策略。因此，已經(jīng)開發(fā)出所謂的“智能”電池充電器(定義為能夠通過修改其充電動作來對電池的條件進行響應(yīng))以安全并且仔細(xì)地對其進行充電，使得其使用壽命合理地盡可能的長。智能電池電荷通過不定期對其進行深度放電來減輕鎳金屬氫化物電池中的記憶效應(yīng)，并且通過仔細(xì)地監(jiān)視其溫度和限制其充電電流和電壓來防止鋰離子電池中的熱失控?，F(xiàn)今智能電池充電器被廣泛使用，并且預(yù)計只要從中獲益的電池還在使用，則其就會繼續(xù)保留。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]一方面提供了用于延長電池的使用壽命的系統(tǒng)和合并有該系統(tǒng)或方法的電池供電的設(shè)備。在一個實施例中，系統(tǒng)包括:(I)電荷檢測器，可操作以檢測包含在電池中的電荷水平，(2)使用建模器，耦連到電荷檢測器并且可操作以從電荷檢測器接收數(shù)據(jù)并且開發(fā)隨著時間推移的電荷水平的模型以及(3)電荷激勵器，耦連到使用建模器并且可操作以當(dāng)電池中保留足夠的電荷以延續(xù)直到可能進行完全充電時放棄對電池進行充電的機會。
[0010]另一方面提供了延長電池的使用壽命的方法。在一個實施例中，方法包括:(1)監(jiān)視電池的電荷水平，(2)采用隨著時間推移所監(jiān)視的電池電荷水平來開發(fā)電池使用模型，
(3)檢測對電池進行充電的機會以及(4)采用當(dāng)前電池電荷水平和電池使用模型來確定電池保留至少一些電荷直到可能的下一次完全充電的可能性。
[0011]又一方面提供了電池供電的設(shè)備。在一個實施例中，設(shè)備包括:(I)負(fù)載，(2)鋰離子電池，(3)電荷檢測器，可操作以檢測包含在電池中的電荷水平，(4)使用建模器，耦連到電荷檢測器并且可操作以從電荷檢測器接收數(shù)據(jù)并且開發(fā)隨著時間推移的電荷水平的模型以及(5)電荷激勵器，耦連到使用建模器并且可操作以當(dāng)電池中保留足夠的電荷以延續(xù)直到可能進行完全充電時放棄對電池進行充電的機會，以及當(dāng)電池不太可能保留至少一些電荷直到可能進行完全充電時采取機會。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]現(xiàn)在對結(jié)合附圖所采取的下面的描述進行參考，其中:
[0013]圖1是包含電池充電電路的電池供電的設(shè)備的高級圖，該電池充電電路包括用于延長鋰離子電池或相似類型電池的使用壽命的系統(tǒng)；
[0014]圖2是用于延長鋰離子電池或相似類型電池的使用壽命的系統(tǒng)的一個實施例的框圖；
[0015]圖3是針對特定示范性的一日的、使用模型和電池使用的示例的曲線圖；以及
[0016]圖4是用于延長鋰離子電池或相似類型電池的使用壽命的系統(tǒng)的一個實施例的流程圖。

【具體實施方式】
[0017]鋰離子電池屬于相似化學(xué)成分的家族，即可再充電電池，其中組I堿金屬離子(通常是更活躍的金屬，包括鋰、鈉和鉀)的離子當(dāng)放電時從陰極移動到陽極，并且當(dāng)充電時從陽極移動回陰極。鋰離子電池也屬于相似類型的家族，因為其在其可再充電的次數(shù)方面受到限制。本文認(rèn)識到的是，鋰離子電池所屬于的電池類型應(yīng)視為具有與對其進行再充電相關(guān)聯(lián)的“成本”;每次再充電貶低其價值并且縮短其使用壽命。
[0018]電池供電的設(shè)備(諸如平板電腦、電話、MP3播放器、工具和儀器)中的常規(guī)充電電路以典型的快速充電速率對其鋰離子(或相似的)電池進行再充電，隨后關(guān)閉以防止有害的過度充電。然而，當(dāng)電池留在充電狀態(tài)持續(xù)延長的時間段時，在甚至設(shè)備沒有正被使用的情況下，常規(guī)充電電路也使電池經(jīng)受反復(fù)的充電和放電循環(huán)。這表現(xiàn)為對可使用的充電循環(huán)的數(shù)目的特別浪費的損耗。使這個問題復(fù)雜化的是更多現(xiàn)代充電電路嵌入在較大系統(tǒng)中并且因此可被無意地喚起。僅作為一個示例，汽車可包括用于安放手機、GPS單元或MP3播放器的托架，這樣其可以在駕駛時使用。不幸地是，這種托架典型地還提供電池充電功能。因此，留在托架上的設(shè)備可能不但實施有用的和所需的功能，而且無意中正對其電池進行充電。當(dāng)高功率USB變得可用并且電池充電與USB集成到一起時，該問題可能變得更普遍。
[0019]如上文的【背景技術(shù)】所述，鋰離子電池僅可再充電有限的次數(shù)(典型地約500到1000次)，這限制其使用壽命。本文認(rèn)識到的是，雖然謹(jǐn)慎地對電池進行充電的確有助于延長其使用壽命，但是存在降低電池充電的頻率的某一潛在性。換句話說，本文認(rèn)識到的是，對電池充電的頻率加以降低會降低隨著再充電、隨著時間推移所引發(fā)的“成本”。
[0020]更特別地，本文認(rèn)識到的是，存在機會以完全放棄不必要的充電循環(huán)。進一步認(rèn)識到的是，可以采用歷史的電池使用模式來做出將來的電池使用預(yù)測。本文又進一步認(rèn)識到的是，將來的電池使用預(yù)測連同電池包含的電荷的當(dāng)前水平的知識可以提供足夠的信息以確定電荷將是足夠的直到可以進行完全充電的可能性。
[0021]本文仍進一步認(rèn)識到的是，當(dāng)用戶在睡覺和不使用討論中的設(shè)備時完全充電最可能發(fā)生。對于許多但非所有用戶而言，這將會是在夜晚。本文認(rèn)識到的是，完全充電應(yīng)該發(fā)生的時間可以是將來的電池使用預(yù)測的一部分。
[0022]因此，本文所介紹的是用于延長鋰離子和相似類型電池的使用壽命的系統(tǒng)和方法的各種實施例。在某些實施例中，系統(tǒng)和方法采用電池使用歷史來預(yù)測將來的使用，這允許其當(dāng)對電池進行充電的機會可能是不必要的時有意地放棄那些機會。在其他實施例中，系統(tǒng)和方法采用電池使用歷史來預(yù)測將來電池可被完全充電的合適的時間。
[0023]圖1是包含電池充電電路140的電池供電的設(shè)備100的高級圖，該電池充電電路140包括用于延長鋰離子電池或相似類型電池的使用壽命的系統(tǒng)。電池供電的設(shè)備100可以是膝上型計算機、平板計算機、手機、智能手機、便攜式數(shù)字助理(PDA)、全球定位衛(wèi)星(GPS)單元或者具有顯示器110的任何設(shè)備。電池供電的設(shè)備可以可替代地是收音機或步話機、CD或MP3音頻播放器、DVD視頻播放器、諸如數(shù)字照相機的照相機、遙控器、電池供電的手持工具、手電筒、玩具或諸如音樂樂器或者科學(xué)儀器的儀器。電池供電的設(shè)備100也可以是任何其他常規(guī)或者以后所開發(fā)的設(shè)備。
[0024]電池供電的設(shè)備100包含電子電路、電氣電路或另一種類型的負(fù)載120。電路或其他負(fù)載120典型地實施設(shè)備針對其存在的有用的功能并且可以包括例如集成電路(1C)、存儲器、無線或有線通信電路、小鍵盤、電動機、開關(guān)、傳感器以及天線。電池供電的設(shè)備100還包含耦連到電路或其他負(fù)載120的鋰離子電池或相似化學(xué)成分、類型或者化學(xué)成分和類型二者都相似的電池130，使得電池130可對電路或其他負(fù)載120提供電力。
[0025]電池充電電路140耦連到電池130以允許電池充電電路140對電池130進行充電。電池充電電路140采用外部電力來實施充電功能。在所示出的實施例中，外部電力通過電線、連接器或者端口 150來接收。
[0026]電池充電電路140可以從電路或其他負(fù)載120接收輸入，或者由電路或其他負(fù)載120所控制。在一個實施例中，本文所公開的新穎的系統(tǒng)是電池充電電路140的一部分。在可替代實施例中，新穎的系統(tǒng)是電路或其他負(fù)載120的一部分。在又一個實施例中，新穎的系統(tǒng)既是電池充電電路140的一部分，也是電路或其他負(fù)載120的一部分，或者是電池供電的設(shè)備的其他部分的一部分。例如，新穎的系統(tǒng)可以是電池供電的設(shè)備插入其中的專用電池充電器的一部分。
[0027]圖2是用于延長鋰離子電池或相似類型電池的使用壽命的系統(tǒng)的一個實施例的框圖。在圖2的實施例中，系統(tǒng)是圖1的電池充電電路140的一部分。
[0028]電荷檢測器210可操作以檢測包含在電池130中的電荷水平。在所示出的實施例中，電荷檢測器210可操作以通過監(jiān)視流入和流出電池130的電流來查明電荷水平，即稱為庫侖計數(shù)的技術(shù)。相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員知道各種常規(guī)方式來確定或者估計電池具有的電荷水平。所有這種方式均落在本發(fā)明寬廣的范圍內(nèi)。
[0029]使用建模器220耦連到電荷檢測器210。在所示出的實施例中，使用建模器220可操作以從電荷檢測器210接收數(shù)據(jù)并且隨著時間例如一日的推移來開發(fā)電池的電荷水平的模型。模型可以采取曲線形式，其將電荷水平表示為在數(shù)日的窗口期間所平均的時間的函數(shù)。
[0030]電荷激勵器230耦連到使用建模器220。在所示出的實施例中，電荷激勵器230可操作以激活充電電路240以使電池130在適當(dāng)時進行充電。在所示出的實施例中，電荷激勵器230可操作以在某些決策點處確定是否應(yīng)開始進行充電。在所示出的實施例中，當(dāng)電池供電的設(shè)備耦連到充電電力(例如，當(dāng)設(shè)備插入到電源或置于充電器的托架中)時或在其之后不久出現(xiàn)決策點。因此，在所示出的實施例中，每個決策點當(dāng)充電的機會發(fā)生時出現(xiàn)。問題涉及是否利用機會，應(yīng)記住的是其既具有可能的益處也具有一定成本。
[0031]在所示出的實施例中，電荷激勵器230可操作以采用使用模型來確定在電池中是否保留足夠的電荷水平以延續(xù)直到可能開始進行完全充電，例如在夜晚，當(dāng)用戶可能在睡覺時。在一個實施例中，電荷激勵器230考慮來源于用戶輸入的所存儲的充電偏好250。在所示出的實施例中，充電偏好250確定用戶準(zhǔn)備接受的、電池設(shè)備將不具有足夠的電荷以延續(xù)直到可以開始進行完全充電的風(fēng)險水平。
[0032]為了理解使用建模器220和電荷激勵器230可以如何操作，現(xiàn)在將參考圖3，其是針對特定示范性的一日的、使用模型和電池使用的示例的曲線圖。因此，X軸是時間t，并且y軸是電池電荷水平Q。t示出為包括近似24小時,并且Q示出為包括沒有電荷和完全充電之間的范圍。未編號的水平虛線示出完全充電和深度放電水平，典型地最好避免后者。
[0033]已在例如數(shù)周的窗口期間做出電荷水平測量或估計后，圖2的使用建模器220可操作以計算所確定或所估計的電荷水平的采樣的平均值以產(chǎn)生使用模型，該使用模型采取圖3中以虛線示出的曲線300的形式。使用模型指示完全充電通常發(fā)生在夜晚，開始于約凌晨12時(12AM)并且延續(xù)幾個小時。在其之后發(fā)生一系列放電和充電直到約凌晨12時，這時另一個完全充電開始發(fā)生。
[0034]特定示范性的一日的電池相關(guān)事件也在圖3中示出。該日開始于電池供電的設(shè)備耦連到充電電力，這允許完全充電在第一段(segment) 310期間發(fā)生。在第二段320期間，電池供電的設(shè)備處于閑置。在第三段330期間，電池供電的設(shè)備從充電電力處移除并被使用，使其電池逐漸放電。在第四段340期間，電池供電的設(shè)備再次耦連到充電電力。這導(dǎo)致將遭遇一個在圖3中標(biāo)示為決策點I的決策點。在決策點I處，需要就是否開始進行電池的充電達成決策。因此，采用使用模型，其指示雖然進一步放電是可能的，但是不太可能超過保留在電池中的電荷。更具體地，不太可能導(dǎo)致電池的深度放電。因此，達成放棄充電的決策，導(dǎo)致第四段340的水平狀態(tài)意味著沒有充電。
[0035]在第五段350期間，電池供電的設(shè)備再次從充電電力被移除并被使用，使其電池以比在第三段330中稍大的速率放電。在第六段360期間，電池供電的設(shè)備又一次耦連到充電電力。這導(dǎo)致將遭遇一個在圖3中標(biāo)示為決策點2的另一個決策點。在決策點2處，需要就是否開始進行電池的充電達成決策。因此，再次采用使用模型，其指示雖然進一步放電又是可能的，但是仍不太可能超過保留在電池中的電荷。更具體地，保留于不太可能導(dǎo)致電池的深度放電。因此，再次達成放棄充電的決策，導(dǎo)致第六段360的水平狀態(tài)意味著沒有充電。
[0036]在第七段370期間，電池供電的設(shè)備再次從充電電力被移除并被使用，使其電池以比在第三段330中稍低的速率放電。在第八段380期間，電池供電的設(shè)備又一次耦連到充電電力。這導(dǎo)致將遭遇一個在圖3中標(biāo)示為決策點3的另一個決策點。在決策點3處,需要就是否開始進行電池的充電達成決策。因此，又再次采用使用模型。然而，這一次模型不但指示進一步放電是不太可能的，而且指示電池供電的設(shè)備可能會保留耦連到充電電力相當(dāng)一段時間并且因此可能開始進行完全充電。因此，達成允許充電發(fā)生的決策，導(dǎo)致段390意味著充電的開始。
[0037]應(yīng)注意到的是，術(shù)語“可能”和“不太可能”在以上示例中使用數(shù)次。如結(jié)合圖2所述，在各種實施例中采用充電偏好來確定用戶準(zhǔn)備接受的風(fēng)險水平，即電池供電的設(shè)備將不具有足夠的電荷以延續(xù)直到可開始進行完全充電的可能性。如果用戶規(guī)避風(fēng)險，那么充電偏好可能要求相對高的可能性，例如99%。如果用戶準(zhǔn)備接受重大風(fēng)險，那么充電偏好可能要求低得多的可能性，例如70%。相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的是，充電偏好可以采取許多形式并且仍然完全保留在本發(fā)明的寬廣的范圍內(nèi)。
[0038]圖4是用于延長鋰離子電池或相似類型電池的使用壽命的系統(tǒng)的一個實施例的流程圖。方法始于開始步驟410。在步驟420，監(jiān)視電池電荷水平。在步驟430，采用隨著時間推移所監(jiān)視的電池電荷水平來開發(fā)電池使用模型。在步驟440，檢測對電池進行充電的機會。在步驟450，采用當(dāng)前電池電荷水平、每日電池使用模型和充電偏好來確定現(xiàn)存的電荷延續(xù)直到可能的下一次完全充電的可能性。在步驟460，如果現(xiàn)存的電荷可能延續(xù)直到可能的下一次完全充電，那么放棄對電池進行充電的機會。否則，如果現(xiàn)存的電荷不太可能延續(xù)直到可能的下一次完全充電，那么采取對電池進行充電的機會。方法結(jié)束于結(jié)束步驟470。
[0039]應(yīng)該闡明的是，電池供電的設(shè)備在任何情況下都不會經(jīng)受比常規(guī)充電方法造成的更多充電循環(huán)，并且進一步地，電池供電的設(shè)備很可能在電池的壽命期間經(jīng)歷更多有用的充電循環(huán)。
[0040]本申請相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將領(lǐng)會的是，可以對所描述的實施例做出其他和進一步的添加、刪除、代替和修改。
【權(quán)利要求】
1.一種用于延長電池的使用壽命的系統(tǒng)，包括: 電荷檢測器，可操作以檢測包含在所述電池中的電荷水平； 使用建模器，耦連到所述電荷檢測器并且可操作以從所述電荷檢測器接收數(shù)據(jù)并且開發(fā)隨著時間推移的所述電荷水平的模型；以及 電荷激勵器，耦連到所述使用建模器并且可操作以當(dāng)在所述電池中保留足夠的電荷以延續(xù)直到可能開始進行完全充電時放棄對所述電池進行充電的機會。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述電荷檢測器可操作以通過監(jiān)視流入或流出所述電池的電流來查明所述電荷水平。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述檢測器可操作以檢測在至少一日期間的所述電荷水平。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述使用模型將電荷水平表示為在數(shù)日的窗口期間所平均的時間的函數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述完全充電發(fā)生在夜晚。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述電荷激勵器配置為基于來源于用戶輸入的充電偏好而放棄所述機會。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述充電偏好確定用戶準(zhǔn)備接受的、所述電池將不具有足夠的電荷以延續(xù)直到能開始進行所述完全充電的風(fēng)險水平。
8.—種電池供電的設(shè)備，包括: 負(fù)載； 鋰離子電池； 電荷檢測器，可操作以檢測包含在所述電池中的電荷水平； 使用建模器，耦連到所述電荷檢測器并且可操作以從所述電荷檢測器接收數(shù)據(jù)并且開始隨著時間推移的所述電荷水平的模型；以及 電荷激勵器，耦連到所述使用建模器并且可操作以當(dāng)在所述電池中保留足夠的電荷以延續(xù)直到可能開始進行完全充電時放棄對所述電池進行充電的機會，并且當(dāng)所述電池不太可能保留至少一些電荷直到可能開始進行所述完全充電時采取所述機會。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述電荷檢測器可操作以通過監(jiān)視流入和流出所述電池的電流來查明所述電荷水平。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述檢測器可操作以在至少一日期間檢測所述電荷水平。
【文檔編號】H02J7/00GK104079025SQ201310687172
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月28日
【發(fā)明者】威廉·E·雷博克 申請人:輝達公司