气溶胶产生装置电力系统的制作方法

1.本发明涉及气溶胶产生装置，并且更具体地涉及气溶胶产生装置电力系统。


背景技术：

2.比如电子烟和其他气溶胶吸入器或汽化装置等气溶胶产生装置正变成越来越流行的消费产品。
3.用于汽化或气溶胶化的加热装置是本领域已知的。此类装置典型地包括加热腔室和加热器。在操作中，操作者将要气溶胶化或汽化的产品插入到加热腔室中。然后用电子加热器加热产品来使产品的成分汽化以供操作者吸入。在一些示例中，产品是类似于传统香烟的烟草产品。此类装置有时被称为“加热不燃烧”装置，因为产品被加热到气溶胶化点，而不被燃烧。
4.已知气溶胶产生装置面临的问题包括改进功率管理。


技术实现要素：

5.在第一方面，提供了一种气溶胶产生装置，该气溶胶产生装置包括：
6.电力系统，该电力系统包括超级电容器模块和电池模块，该电力系统可连接到外部电源；以及
7.控制器，其中，该控制器被配置成通过以下方式控制该电力系统的脉冲充电机制(regime)：
8.控制从该外部电源到该电力系统的第一功率流，其中，控制从该外部电源到该电力系统的第一功率流包括使该第一功率流以脉冲充电方式在第一时间段中给该电池模块充电与第二时间段中不给该电池模块充电之间周期性地切换；以及
9.控制该超级电容器模块与该电池模块之间的第二功率流，其中，控制该超级电容器模块与该电池模块之间的第二功率流包括在该第一时间段中从该超级电容器模块给该电池模块充电。
10.以这种方式，从超级电容器模块到电池模块的第二功率流在第一时间段期间增强了从外部电源到电池模块的第一功率流。这提供了优于典型脉冲充电技术的多个优点。通过使用超级电容器模块增强从外部电源进入电池模块的电流，可以使用较低功率的外部电源进行脉冲充电。例如，不需要高功率的壁式适配器来实现快速脉冲充电，而是可以使用功率较小的供电器，比如在另一装置中的较低功率的usb设备或端口。这提供了包括成本降低、损耗降低和效率提高、装置设计的更大灵活性和装置尺寸减小在内的优点。
11.优选地，控制该第一功率流进一步包括在该第二时间段期间从该外部电源给该超级电容器模块充电。
12.以这种方式，超级电容器模块得到再充电，以用于下一周期的第一时间段。
13.优选地，控制该第一功率流进一步包括在该第一时间段期间不从该外部电源给该超级电容器模块充电。
14.优选地，控制该第二功率流进一步包括在该第二时间段中不从该超级电容器模块给该电池模块充电。
15.以这种方式，电池模块在第二时间段期间是休止的。这可以提高电池模块的寿命。
16.优选地，该第一功率流包括进入该电力系统的基本上恒定的电流。
17.优选地，该电池模块包括至少一个电池和/或至少一个可移除的电源组。
18.优选地，该超级电容器模块包含串联连接的两个或更多个超级电容器。
19.以这种方式，可以使用多个较小的超级电容器来提高设计灵活性。
20.优选地，该电力系统包括与该电池模块并联连接的该超级电容器模块，其中，电压转换器连接在该超级电容器模块与该电池模块之间。
21.优选地，该电压转换器被配置成在该第一时间段中降低从超级电容器模块到电池模块的该第二功率流的电压。
22.优选地，该电力系统进一步包括连接在该电池模块与该超级电容器模块之间的第一开关装置，其中，该第一开关装置由该控制器控制以在第一时间段中给该电池模块充电与第二时间段中不给该电池模块充电之间进行切换。
23.以这种方式，可以高效地实现功率流在第一时间段与第二时间段之间的切换。
24.优选地，该第一开关装置包括由该控制器控制的晶体管。
25.在第二方面，提供了一种系统，该系统包括第一方面的气溶胶产生装置、以及外部电源。
26.优选地，该外部电源是可连接到主供电器和/或电源组的电源适配器、被配置成接收该气溶胶产生装置的插接站、或被配置成接收该气溶胶产生装置的便携式充电箱。
27.在第三方面，提供了一种控制气溶胶产生装置的电力系统的脉冲充电机制的方法，该电力系统包括超级电容器模块和电池模块并且可连接到外部电源，并且该方法包括：
28.控制从该外部电源到该电力系统的第一功率流，其中，控制从该外部电源到该电力系统的第一功率流包括使该第一功率流以脉冲充电方式在第一时间段中给该电池模块充电与第二时间段中不给该电池模块充电之间周期性地切换；以及
29.控制该超级电容器模块与该电池模块之间的第二功率流，其中，控制该超级电容器模块与该电池模块之间的第二功率流包括在该第一时间段中从该超级电容器模块给该电池模块充电。
30.可选地，该第三方面可以包括该第一方面的优选特征。
31.在第四方面，提供了一种存储指令的非暂时性计算机可读介质，这些指令当由被配置为与包括超级电容器模块和电池模块、可连接到外部电源的气溶胶产生装置电力系统一起操作的控制器的一个或多个处理器执行时，使该一个或多个处理器通过以下方式控制电力系统的脉冲充电机制：
32.控制从该外部电源到该电力系统的第一功率流，其中，控制从该外部电源到该电力系统的第一功率流包括使该第一功率流以脉冲充电方式在第一时间段中给该电池模块充电与第二时间段中不给该电池模块充电之间周期性地切换；以及
33.控制该超级电容器模块与该电池模块之间的第二功率流，其中，控制该超级电容器模块与该电池模块之间的第二功率流包括在该第一时间段中从该超级电容器模块给该电池模块充电。
34.可选地，该第四方面可以包括该第一方面的优选特征。
附图说明
35.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：
36.图1是气溶胶产生装置的框图；
37.图2是气溶胶产生装置的操作模式的流程图；
38.图3是在气溶胶化过程内加热器温度与时间的曲线图；
39.图4是脉宽调制功率流的曲线图；
40.图5a是包括超级电容器模块和电池模块的电力系统的电路图；
41.图5b是进入和离开图5a的电力系统的超级电容器模块的脉宽调制功率流的电流与时间的曲线图；
42.图5c是在使用图5a的电力系统的气溶胶化过程内加热器温度与时间以及超级电容器模块的荷电状态与时间的双重曲线图；
43.图6a是连接到外部电源的图5a的电力系统的电路图；
44.图6b是脉冲充电协议的电流与时间的曲线图；以及
45.图6c示出了图6a的电力系统的脉冲充电协议针对来自外部电源的电流、进入电池模块的电流以及进入和离开超级电容器模块的电流的电流与时间的曲线图。
具体实施方式
46.图1示出了气溶胶产生装置100或蒸气产生装置(也称为电子烟)的部件的框图。出于本描述的目的，将理解，术语“蒸气”和“气溶胶”是可互换的。
47.气溶胶产生装置100具有包含控制器102的本体部分112，以及包括第一能量储存模块104和第二能量储存模块106的电力系统。电力系统可在多种可选择的操作模式下操作。在本文，提到仅一个第一能量储存模块104和一个第二能量储存模块106；然而，本领域的技术人员将理解，电力系统可以视情况包括一个或多个第一能量储存模块和一个或多个第二能量储存模块。控制器102被配置成基于选定的操作模式来控制第一能量储存模块104和第二能量储存模块106的功率流，如后续将描述的。控制器102可以是至少一个微控制器单元，该微控制器单元包括：存储器，该存储器上存储有用于操作气溶胶产生装置100的指令，包括用于执行可选择的操作模式并控制功率流的指令；以及一个或多个处理器，该一个或多个处理器被配置成执行这些指令。
48.在一些示例中，第一能量储存模块104是超级电容器模块104并且第二能量储存模块106是电池模块106。
49.在示例中，加热器108包含在本体部分112中。在这种示例中，如图1中所示出的，加热器108被布置在本体部分112中的空腔110或腔室中。空腔110通过本体部分112中的开口110a进入。空腔110被布置成接收相关联的产生气溶胶的消耗品114。产生气溶胶的消耗品可以包含产生气溶胶的材料，比如包含烟草的烟草棒。烟草棒可以类似于传统香烟。空腔110的横截面与产生气溶胶的消耗品114的横截面大致相等，并且其深度使得当相关联的产生气溶胶的消耗品114插入到空腔110中时，产生气溶胶的消耗品114的第一端部部分114a到达空腔110的底部部分110b(也就是说，空腔110的远离空腔开口110a的端部部分110b)，
并且产生气溶胶的消耗品114的远离第一端部部分114a的第二端部部分114b从空腔110向外延伸。以这种方式，当将产生气溶胶的消耗品114插入到气溶胶产生装置100中时，消费者可以在该产生气溶胶的消耗品上方吸入。在图1的示例中，加热器108被布置在空腔110中，使得产生气溶胶的消耗品114在插入到空腔110中时接合加热器108。在图1的示例中，加热器108被布置为空腔中的管子，使得当产生气溶胶的消耗品的第一端部部分114a插入到空腔中时，加热器108基本上或完全围绕产生气溶胶的消耗品114在空腔110内的部分。加热器108可以是金属丝，比如盘绕式金属丝加热器或陶瓷加热器或任何其他合适类型的加热器。加热器108可以包括沿着空腔的轴向长度顺序地布置的多个加热元件，这些加热元件可以按顺序次序独立激活(即通电)。
50.在替代性实施例(未示出)中，加热器可以被布置为空腔内的长形穿刺构件(比如针、棒或刀片的形式)；在这种实施例中，加热器可以被布置成当产生气溶胶的消耗品插入到空腔中时穿透产生气溶胶的消耗品并接合产生气溶胶的材料。
51.在另一替代性实施例(未示出)中，加热器可以呈感应加热器的形式。在这种实施例中，加热元件(即，接受器)可以设置在消耗品中，并且当消耗品插入到空腔中时，加热元件与空腔中的感应元件(即，感应线圈)感应地耦合。然后感应加热器通过感应对加热元件进行加热。
52.加热器108被布置成将产生气溶胶的消耗品114加热到预定温度以在气溶胶化过程中产生气溶胶。气溶胶化过程可以被视为对装置进行操作以从产生气溶胶的消耗品114产生气溶胶的时间。在产生气溶胶的消耗品114是烟草棒的示例中，产生气溶胶的消耗品114包括烟草。加热器108被布置成对烟草进行加热而不燃烧烟草，以产生气溶胶。也就是说，加热器108将烟草加热到低于烟草燃烧点的预定温度，使得产生基于烟草的气溶胶。本领域的技术人员将容易理解，产生气溶胶的消耗品114不一定需要包括烟草，并且任何其他适合于气溶胶化(或汽化)的物质(特别是通过对该物质进行加热而不燃烧该物质)都可以用来代替烟草。
53.在替代性方案中，产生气溶胶的消耗品可以是可汽化的液体。可汽化的液体可以包含在可接收于气溶胶产生装置中的烟弹中，或可以直接沉积到气溶胶产生装置中。
54.控制器102被布置为基于气溶胶化过程的选定的操作模式控制第一能量储存模块104和第二能量储存模块106的功率流。
55.从预热模式到浮充模式然后到浮充后模式的进行可以从图2中理解。
56.在预热模式202下，与气溶胶产生装置100相关联的加热器108被加热到预定温度，以用于从产生气溶胶的消耗品114产生气溶胶。预热阶段可以被视为执行预热模式的时间，例如加热器108达到预定温度所花费的时间。预热模式发生在气溶胶化过程的第一时间段期间。在示例中，该第一时间段可以是固定的预定时间段。在其他示例中，该第一时间段可以与将加热器108加热到预定温度所需的时间长度相对应地变化。
57.当加热器达到预定温度时，控制器102结束预热模式202并控制电力系统执行浮充模式204。在浮充模式204下，控制器102控制来自电力系统的功率流以将加热器108基本上维持在预定温度，从而产生气溶胶以供消费者吸入。浮充阶段可以被视为执行浮充模式的时间，例如在预热阶段之后加热器108使一个产生气溶胶的消耗品114(或其至少一部分)气溶胶化的时间。控制器102可以控制电力系统在气溶胶化过程的第二时间段内操作浮充模
式。该第二时间段可以是预定的并且存储在控制器102处。
58.在第二时间段到期之后，控制器102将操作模式切换为浮充后模式206。在浮充后模式下，控制器102禁用从电力系统到加热器的功率流，使得加热器不再被供电。尽管已禁用功率流，但加热器仍保留余热能量。这个余热用于在浮充后模式下继续对消耗品进行加热。浮充后阶段可以被视为执行浮充后模式的时间。浮充后阶段对应于气溶胶化过程的第三时间段。
59.图3示出了加热器温度304与时间302的示例性曲线图。在预热阶段中，控制器102控制电力系统在第一时间段308内将功率施加到加热器，直到加热器温度达到预定温度306为止。在示例中，该预定温度是230℃。在示例中，该第一时间段是20秒。在一些示例中，控制器102被配置成在固定的预定第一时间段内将加热器加热到预定温度。在其他示例中，第一时间段根据加热器达到预定温度所需的时间而变化。
60.当加热器达到预定温度306时，控制器102将操作模式切换到浮充模式使其持续第二时间段310并且在这个第二时间段310内将加热器温度基本上维持在预定温度306。在示例中，第二时间段可以是250秒。
61.在第二时间段310到期之后，控制器102将操作模式切换到浮充后模式使其持续第三时间段312。随着第三时间段312的进行，加热器温度由于不再施加功率而下降。第三时间段312可以被配置成使得其到期与加热器温度下降到阈值以下相一致。这个阈值可以对应于高于环境温度的温度，但低于该温度时就不再有效地加热消耗品。在示例中，该第三时间段可以是20秒。
62.在第三时间段312到期之后，可以通过视觉或听觉指示器通知气溶胶产生装置的用户气溶胶化过程已结束，使得他们知道消耗品不再被气溶胶化。
63.在预热模式和浮充模式下，控制器102控制从电力系统流向加热器的功率流，使得功率流是具有一个或多个脉宽调制周期的脉宽调制功率流。在图4中呈现了示例性脉宽调制功率流。脉宽调制功率流包括一个或多个脉宽调制(pwm)周期402(也称为脉宽调制开关时段)。单个pwm周期或开关时段402包括一个pwm周期“接通时段”d和一个pwm周期“关断时段”1-d。pwm周期接通时段d与pwm周期关断时段1-d的组合形成总pwm周期或开关时段402。
64.在pwm周期的pwm接通时段期间，将功率施加到加热器，也就是说，通过实施pwm控制的开关来闭合通向加热器的电力线。在pwm关断时段期间，不将功率施加到加热器，也就是说，通过实施pwm控制的开关来断开通向加热器的电力线。这样，一个脉宽调制周期402包括在接通状态与关断状态之间切换一次的功率，并且脉宽调制功率流因此包括用以一定的占空比在pwm接通时段与关断时段之间迅速地切换的功率流连续地给加热器供电。
65.脉宽调制占空比对应于接通时段(d)占周期402的总时段(d+(1-d))(即开关时段402的组合的“接通时段”和“关断时段”)的比例。
66.包括多个pwm周期的脉宽调制功率流基于占空比用pwm接通时段和pwm关断时段的平均功率连续地给加热器供电。控制占空比会控制输送到加热器的功率量。脉宽调制功率流的较高占空比输送较高的平均功率；脉宽调制功率流的较低占空比输送较低的平均功率。也就是说，对于较高占空比，与较低占空比相比，周期402的更大比例是“接通时段”d。以这种方式，可以通过控制脉宽调制功率流的占空比来实现对施加到加热器的功率水平的仔细控制。
67.在浮充模式下，控制器102被配置成控制电力系统以第一占空比机制将脉宽调制功率流施加到加热器，以将加热器基本上维持在预定的气溶胶产生温度。在预热模式下，控制器102被配置成控制电力系统以不同于第一占空比机制的第二占空比机制将脉宽调制功率流施加到加热器，以将加热器加热到气溶胶产生温度。第二占空比机制可以具有比第一占空比机制高的占空比，以这种方式，将更大量的功率施加到加热器以迅速地将其加热到预定温度，同时使用更少量的功率来将加热器维持在预定温度。第一占空比机制包括具有第一占空比比率d1的一个或多个pwm周期，并且第二占空比机制包括具有第二占空比比率d2的一个或多个pwm周期；d1与d2之间的关系可以被视为d2＝d1*k，其中，k是》》1的系数并且可以作为实施选项来选择；理论上的最大占空比在没有关断时段的情况下是1，或在非常短的关断时段下接近但小于1。在示例中，第一占空比机制包括占空比比率远小于1的一个或多个占空比，并且第二占空比机制包括占空比比率接近但小于1的一个或多个占空比。在其他示例中，第一占空比机制包括占空比比率《《0.5的一个或多个占空比，并且第二占空比机制包括占空比比率≥0.5的一个或多个占空比。在进一步示例中，第一占空比被配置成使得在浮充模式下施加《3w，并且第二占空比被配置成使得在预热模式下施加大约16w。
68.在一些示例中，浮充模式下的pwm功率流可以被视为第一pwm功率流，并且预热模式下的pwm功率流可以被视为第二pwm功率流。
69.在浮充模式下，控制器102被配置成控制第二能量储存模块在脉宽调制周期关断时段期间给第一能量储存模块充电。以这种方式，第一能量储存模块可以在浮充模式期间被递增地充电，从而增加其能够给加热器供电的时间。这允许第一能量储存模块更小。
70.在浮充后模式下，控制器102被配置成控制第二能量储存模块106不断地给第一能量储存模块106充电，直到第一能量储存模块104充满电为止。以这种方式，第一能量储存模块在后续气溶胶化过程中被充分地充电以进行预热模式。
71.图5a呈现了参考图1至图4描述的电力系统500的特定实施方式。
72.在图5a的电力系统500中，第一能量储存模块504是超级电容器模块504并且第二能量储存模块506是电池模块506。超级电容器模块504包括一个或多个超级电容器，并且电池模块506包括一个或多个电池。
73.在特定示例中，超级电容器模块504可以被实施为串联连接的两个超级电容器。这些超级电容器可以是传统类型的超级电容器，并且各自可以具有2.5v的电压，从而提供总电压为5v的超级电容器模块504。这样，超级电容器模块504的电压(u2)可以是5v。在其他示例中，多个超级电容器可以串联连接以满足给加热器供电所需的电压要求。串联连接多个较小超级电容器而非使用单个较大的超级电容器在允许更大的设计灵活性方面是有利的。
74.电池模块506可以被实施为单个电池。这可以是高能量电池，比如使用锂离子技术、铝离子技术或锌离子技术的电池，或任何其他合适类型的电池。替代性地，电池模块可以包括多个电池。在特定示例中，电池是电压为3.7v的锂离子电池。这样，电池模块506的电压(u1)可以是3.7v。电池模块506可以集成到气溶胶产生装置100中。在其他示例中，电池模块506可以是可附接到/可从气溶胶产生装置100拆卸的电源组，而不是特定地集成到装置100中的电池。电池模块506不一定仅仅是集成电池或单独的电源组，而是电池模块可以利用两者的组合；当集成电池被完全放电时可以连接电源组并且可以在无需首先给集成电池再充电的情况下执行气溶胶化过程。
75.超级电容器模块504和电池模块506与布置在这两者之间的dc/dc电压转换器530并联连接。dc/dc电压转换器530被布置为提高电池模块电压以便从电池模块506给超级电容器模块504充电。第一开关装置522布置在电池模块506与转换器530之间。超级电容器模块504可连接到表示为负载508的加热器508、与布置在这两者之间的第二开关装置524并联。加热器508本身不是电力系统500的器件，而是由电力系统500供电。第一开关装置522和第二开关装置524可以是连接到控制器102(图5a中未示出)的晶体管。
76.在预热模式和浮充模式期间，控制电力系统500的脉宽调制功率流包括控制超级电容器模块504给加热器508供电并且控制电池模块506给超级电容器模块504再充电。只有超级电容器模块504在预热模式和浮充模式下给加热器508供电；电池模块506给超级电容器模块504再充电。在脉宽调制功率流的pwm周期接通时段期间，超级电容器模块504给加热器供电，并且在pwm周期关断时段期间，电池模块506给超级电容器模块504再充电。也就是说，在预热模式和浮充模式期间，超级电容器模块504在以下两种情况之间进行切换：在占空比的接通部分期间给加热器508供电，以及在占空比的关断部分期间由电池模块506再充电。电池模块506在占空比的接通部分期间不给超级电容器模块504充电。
77.浮充模式下的脉宽调制功率流在包括具有第一占空比比率d1的一个或多个pwm周期的第一占空比机制下操作。在预热模式下，超级电容器模块504在包括具有第二占空比比率d2的一个或多个pwm周期的第二占空比机制下用脉宽调制功率流给加热器508供电。d1与d2之间的关系可以被视为d2＝d1*k，其中，k是》》1的系数并且可以作为实施选项来选择。在示例中，第一占空比比率可以远小于1，并且第二占空比比率可以接近但小于1。在其他示例中，第一占空比比率可以《《0.5并且第二占空比比率可以≥0.5。在进一步示例中，第一占空比被配置成使得在浮充模式下施加《3w，并且第二占空比被配置成使得在预热模式下施加大约16w。
78.控制器102、第一开关装置522和第二开关装置524实现对加热和充电的这个控制。在脉宽调制功率流的pwm周期接通时段期间，控制器102控制第二开关装置524闭合并且控制第一开关装置522断开。以这种方式，功率在pwm接通时段期间从超级电容器模块504流动到加热器508，而电池模块506与超级电容器模块504和加热器508隔离。在脉宽调制功率流的pwm周期关断时段期间，控制器102控制第二开关装置524断开并且控制第一开关装置522闭合。以这种方式，功率从电池模块506流动到超级电容器模块504中以给超级电容器模块504再充电，而超级电容器模块504与加热器508隔离。这样，在脉宽调制功率流期间，迅速切换发生在pwm周期接通时段中给加热器508供电与pwm周期关断时段中给超级电容器模块504再充电之间。
79.在一些示例中，在断开第一开关装置522与闭合第二开关装置524之间可能存在小延迟。这防止来自电池模块506的功率流在脉宽调制功率流的占空比的接通时段期间无意地到达加热器508。
80.图5b示出了在预热模式或浮充模式的示例性部分期间进入和离开超级电容器模块的脉宽调制功率流的电流546与时间544的曲线图。在开关时段402的pwm周期接通时段(d)期间，功率以第一振幅554流动离开超级电容器模块504。实线550指示离开超级电容器模块504的功率流，并且中断线552指示进入超级电容器模块504的功率流。在pwm周期关断时段(1-d)期间，功率以第二振幅556流动到超级电容器模块504中。以这种方式，在pwm周期
关断时段(1-d)期间进入超级电容器模块504的功率流552至少部分地补偿在pwm周期接通时段期间离开超级电容器模块504的功率流550。在示例中，第一振幅554是10a并且第二振幅556是2a。
81.在浮充后模式期间，控制器102控制第一开关装置522闭合并且控制第二开关装置524断开。这样，禁用流向加热器508的功率流并且超级电容器模块504不再给加热器508供电。当第一开关装置522闭合时，电池模块506不断地给超级电容器模块504充电，直到超级电容器模块504充满电为止。以这种方式，超级电容器模块504将具有充足的电荷水平以进行后续气溶胶化过程的预热模式。
82.图5c示出了在包括预热模式308、浮充模式310和浮充后模式312的气溶胶化过程内加热器508的温度570与时间574以及超级电容器模块504的对应荷电状态572与时间574的双重曲线图。
83.在预热模式308期间，由超级电容器模块504例如以高占空比给加热器508供电，并且加热器508的温度增加到预定温度；在这个预热308期间，超级电容器模块504的电荷水平随着其给加热器508供电而下降。
84.在浮充模式310下，加热器508由超级电容器模块504供电并且维持在预定温度。如所描述的，脉宽调制功率流被配置成使得超级电容器模块504在pwm周期接通时段期间将功率施加到加热器508，并且电池模块506在pwm周期关断时段期间给超级电容器模块再充电。这样，超级电容器模块504的电荷水平在脉宽调制功率流的pwm周期接通时段期间下降，并且在pwm周期关断时段期间升高。这是通过在浮充模式310期间图5c中的超级电容器模块504电荷水平572随时间574的上升和下降来直观地表示的。由于电荷在pwm周期关断时段期间从电池模块506流入到超级电容器模块504不完全平衡电荷在pwm周期接通时段期间流出到加热器508，因此超级电容器模块504的电荷水平在浮充模式310的过程中具有总体向下趋势。超级电容器模块504的电荷水平的这种总体下降比在pwm周期关断时段期间不施加递增充电的情况慢。这样，由于在pwm周期关断时段期间的递增再充电，超级电容器模块504能够向加热器508提供功率更长时间。
85.在浮充后模式312下，超级电容器模块504不再给加热器508供电，并且这样加热器温度会下降。在浮充后模式期间，电池模块506不断地给超级电容器模块504充电，从而提高超级电容器模块504的电荷水平，直到其充满电为止。电池模块506可以缓慢地给超级电容器模块504充电，从而仅需要较低的最大电流；这减少对电池的压力并提高其寿命。
86.电池模块506能够储存足以在多个气溶胶化过程内给超级电容器模块504再充电的电荷。当电池模块506中的电荷水平耗尽时，装置100可以连接到比如电源充电器、usb充电器或电源组等单独的外部电源以给电池模块506再充电。
87.在电源组可以连接到气溶胶产生装置100的示例中，电源组可以充当电池模块506并且可以在脉宽调制功率流的pwm周期关断时段期间给超级电容器模块504充电。以这种方式，如果内部电池模块已耗尽电荷，则仍可以执行气溶胶化过程，但其中，电源组执行本应由内部电池模块执行的操作。这允许操作者执行气溶胶化过程而不必须首先给内部电池模块充电。
88.在脉宽调制功率流的pwm周期接通时段期间用超级电容器模块504给加热器508供电并且在脉宽调制功率流的pwm周期关断时段期间用电池模块506给超级电容器模块504再
充电的脉宽调制功率机制是有利的，因为在关断时段期间的递增再充电确保超级电容器模块504继续具有足以在浮充模式的整个过程中给加热器供电的电荷。此外，超级电容器模块504的这个递增再充电意味着超级电容器模块具有低能量/容量要求(在示例中，根据气溶胶化过程需要《0.05wh)，从而允许使用较小尺寸的超级电容器，这降低成本并提高安全性。
89.在pwm周期关断时段期间不进行再充电的情况下，超级电容器的电荷水平会很快变低，并且防止超级电容器模块504能够在整个浮充模式内给加热器508供电而无需从电池到加热器508的功率流的附加支持。
90.如果由于电池通常具有比给加热器供电所需的电压水平低的电压水平而需要升压转换器，则直接用电池给加热器供电或者用从电池到加热器的功率流支持从超级电容器到加热器的功率流可能是不利的。这样的升压转换器可能会给系统带来损耗。由于超级电容器模块504具有比电池高的电压水平，因此当仅用超级电容器模块504给加热器供电时不需要升压转换器。这避免了与这种带来损耗的升压相关联的损耗。
91.在另一优点中，超级电容器模块504具有比典型电池低的内部电阻，从而与由电池给加热器供电的系统相比减少系统中的损耗。
92.当电池模块的电荷水平耗尽时，它可以使用脉冲充电协议被再充电，如后续将描述的。
93.图6a描绘了呈现参考图5a描述的被配置成以脉冲方式进行充电的电力系统500的示例性电路图。该电路对应于图5a的电路，其中，外部电源602(在气溶胶产生装置的电力系统500之外)在第一开关装置522与dc/dc电压转换器530之间连接到节点604。电力系统500被配置成受控制，使得使用外部电源602通过脉冲充电给电池模块506充电。外部电源602从比如主供电器、电源组、膝上型计算机、插接/充电站、便携式充电箱等外部供电器向电力系统500提供电力。外部电源602可以包括被配置成连接到主供电器、电源组、单独设备中的usb端口等的电源适配器。
94.在外部电源602是便携式充电箱的特定示例中，充电箱的尺寸可以被确定为将气溶胶产生装置接收并容纳在腔室内。充电箱包括当气溶胶产生装置被接收在充电箱中时连接到节点604的电池。以这种方式，当操作者将气溶胶产生装置插入到充电箱中时，使电力系统500与充电箱中所包括的电池连接，以给电力系统充电。充电箱的电池可以储存足以多次给电力系统500再充满电的能量。充电箱的电池本身可以通过比如usb缆线等连接或通过连接到插接站从比如电源组或主电源等外部电源充电。在示例使用过程中，操作者将气溶胶产生装置从充电箱(该气溶胶产生装置一直在这里充电)移除，执行气溶胶化过程(或多个气溶胶化过程)，并且然后将气溶胶产生装置重新插入到充电箱中，以给电力系统500充电以在未来进行气溶胶化过程。电力系统500可以被配置成储存对于第一预定数量的气溶胶化过程或抽吸足够的电荷。便携式充电箱可以被配置成储存足够的电荷以在大于第一预定数量的气溶胶化过程或抽吸的第二预定数量的气溶胶化过程或抽吸内给电力系统500再充电。脉冲充电协议(后续描述的)对于便携式充电箱是特别有益的，因为脉冲充电协议允许来自充电箱的电池的最大放电电流较小，这允许实现更好的能量密度，这本身允许在相同尺寸的电池中具有更多容量。较大容量允许便携式充电箱的电池每次充满电时从便携式充电箱进行更多的再充电循环。
95.图6b呈现了典型脉冲充电协议的电流630与时间632的曲线图。如图6b中所描绘
的，在脉冲充电中，以脉冲方式供应进入电池的电流620。流向电池模块506的脉冲充电电流620包括一个或多个脉冲周期640。脉冲周期640具有电流被引导到电池中以给电池充电的第一时间段642，以及电流不被引导到电池以允许电池休止的第二时间段644。第一时间段642和第二时间段644是共同形成总脉冲周期640的不同时间段。第一时间段642和第二时间段644的时间长度可以是相同或不同的。第一时间段642与第二时间段644之间的切换定义了脉冲充电的脉冲速率。
96.脉冲充电需要比传统恒流、恒压充电方法高得多的电流强度(current rate)。在脉冲充电中，必须在脉冲中注入更高的电流。例如，对于脉冲充电，为了比最大电流强度为1a的传统充电协议更快地给锂离子电池充电，脉冲的电流强度应》》1a。在这个示例中，如果花费0.5小时的充电时间，则使用具有1a的传统充电协议连续地充电将给电池充电1a*0.5小时＝0.5ah。对于脉冲充电，如果所累计的脉冲时间等于0.5小时的二分之一，例如，电流强度需要》2a以向电池注入比传统充电协议高的电荷(充电到更高的荷电状态)。
97.由此得出，如果需要低充电时间，则用于快速脉冲充电的最大所需的电流强度远高于用于传统充电的最大所需的电流强度。向电力系统500提供这样的电流面临许多挑战。外部电源602(比如壁式适配器)所需的最大电流和/或功率是非常高的，这显著地增加了硬件成本。非常高的电流还导致在充电期间能量损耗增加。适应高电流和/或功率的必需的充电电子设备需要大尺寸，这导致额外的成本，并且由于增加的装置尺寸和/或重量而对于操作者来说是不方便的。还可能对装置的尺寸有影响，以适应需要耗散的能量损耗(热)。这些挑战通过参考图6a描述的电力系统500来解决。
98.返回到图6a，电力系统500被配置成在第一时间段中处于第一状态并且在第二时间段中处于第二状态。控制器102控制电力系统500在每个脉冲周期中在第一状态与第二状态之间切换一次，以向电池模块506提供脉冲充电功率流。这样，脉冲充电功率流在每个脉冲周期的第一时间段中给电池充电与每个脉冲周期的第二时间段中不给电池充电之间周期性地切换。当脉冲充电功率流包括多个脉冲周期时，脉冲充电功率流以周期性方式在给电池充电与不给电池充电之间重复地切换。
99.图6a的电力系统500的控制器102(图6a中未示出)通过控制来自外部电源602的第一功率流在第一时间段中给电池模块506充电与第二时间段中不给电池模块506充电之间周期性地切换来控制脉冲充电机制。控制第一功率流进一步包括在第二时间段期间从外部电源602给超级电容器模块504充电。来自外部电源602的第一功率流可以是基本上恒定的电流。控制第一功率流可以进一步包括在第一时间段期间不从外部电源602给超级电容器模块504充电。
100.控制器102通过以下方式进一步控制脉冲充电：控制超级电容器模块504与电池模块506之间的第二功率流在第一时间段中从超级电容器模块504给电池模块506充电。控制第二功率流进一步可以包括在第二时间段中不从超级电容器模块504给电池模块506充电。
101.也就是说，在第一时间段中，控制器102控制电力系统500，使得来自外部电源602的第一功率流给电池模块506充电。同时，控制器102还控制来自超级电容器模块504的第二功率流在第一时间段中给电池模块506充电。这是通过控制器102将电力系统500配置为处于第一状态来实现的。如参考图5a至图5c所描述的，在浮充后模式之后，超级电容器模块504是再充满电的。以这种方式，超级电容器模块504中的电荷可立即用于在脉冲充电的第
一时间段期间补充来自外部电源602的电流。
102.在第二时间段中，控制器102控制电力系统500，使得来自外部电源602的第一功率流不给电池模块506充电。同时，控制器102还控制来自外部电源602的第一功率流在第二时间段中给超级电容器模块504充电。这是通过控制器102将电力系统500配置为处于第二状态来实现的。以这种方式，超级电容器模块504的电荷水平在第二时间段中是加满的以能够在第一时间段中给电池模块506充电。
103.以这种方式，从外部电源602输入的基本上恒定的电流在第一时间段中给电池模块506充电并且在第二时间段中给超级电容器模块504充电。
104.更详细地，第一开关装置522由控制器102控制，以在第一时间段中给电池模块506充电与第二时间段中不给电池模块506充电之间切换。也就是说，在第一状态下，第一开关装置522是闭合的以允许流向电池模块506的第一功率流。在第二状态下，第一开关装置522是断开的以停止流向电池模块506的第一功率流。
105.电压转换器530被配置成在第一时间段中(即，在第一状态下)降低从超级电容器模块504到电池模块506的第二功率流的电压。电压转换器530是双向电压转换器，并且由控制器102控制以防止来自外部电源602的第一功率流在第一时间段期间(即在第一状态下)流动到超级电容器模块504。倘若超级电容器模块504在第二时间段结束之前被充满电，则电压转换器530还控制流向超级电容器模块504的功率流以防止过度充电。
106.控制器102控制第一开关装置522以脉冲充电的脉冲速率断开和闭合。同样地，控制器102控制电压转换器530以脉冲充电的脉冲速率在允许与防止从外部电源602到超级电容器模块504功率流之间切换，以及在允许与防止从超级电容器模块504到电池模块506的功率流之间切换。这提供了功率管理控制以使电力系统500在第一时间段中的第一状态与第二时间段中的第二状态之间切换。也就是说，控制器102控制第一开关装置522和电压转换器530使电力系统500在第一状态与第二状态之间切换以管理脉冲充电机制。
107.在示例中，控制器102被配置成自动地检测外部电源602何时连接到节点604。在检测到外部电源602连接到节点604时，控制器102启动脉冲充电机制。
108.图6c示出了针对从外部电源650输入的基本上恒定的电流(点线)以及进入电池模块506(上面板)的电流652(实线)以及进入和离开超级电容器模块504(下面板)的电流654(虚线)的电流660与时间662的图例性双重曲线图。该曲线图还示出了如何在包括第一时间段642和第二时间段644的脉冲周期640中实施这些电流，该脉冲周期之后是下一脉冲周期的第一时间段642。
109.如所呈现的，来自外部源的电流650是基本上恒定的。
110.在第一时间段642期间，控制器102将电力系统500控制为处于第一状态。来自外部源的电流650被引导到电池模块506并且与从超级电容器模块504到电池模块506的电流564组合。这样，进入电池模块506的电流652的振幅大于从外部源进入电力系统500的基本上恒定的电流650。
111.在第二时间段644期间，控制器102将电力系统500控制为处于第二状态。来自外部源的电流650被引导到超级电容器模块504并且(至少部分地)补偿在第一时间段642中从超级电容器模块504放电到电池模块506中的电流。
112.以这种方式，在第一时间段642中，从超级电容器模块504进入电池模块506的电流
增强了从外部源进入电池模块506的电流650。在第二时间段644中，从外部源进入超级电容器模块504的电流给超级电容器模块504再充电。
113.因此切换来自外部源的基本上恒定的电流650，使得其用于在第一时间段642中给电池充电以及在第二时间段644中给超级电容器模块504充电。
114.在传统脉冲充电中，在第一时间段中给电池充电，而在第二时间段中禁用来自外部源的电流。也就是说，在传统脉冲充电中，在第二时间段中不利用来自外部源的电流。参考图6a和图6b描述的实施方式是有利的，因为在第二时间段中利用来自外部源的电流给超级电容器模块504充电。这然后增强了在第一时间段中给电池模块506的充电，以通过更好地利用电力从外部电源602更迅速地给电池模块506充电达到给定的输入电流水平。
115.通过使用超级电容器模块504增强从外部电源602进入电池模块506的电流，可以使用较低功率的外部电源602进行脉冲充电。例如，不需要高功率的壁式适配器来实现快速脉冲充电，而是可以使用功率较小的供电器，比如在另一装置中的较低功率的usb设备或端口。这提供了包括成本降低、损耗降低和效率提高、装置设计的更大灵活性和装置尺寸减小在内的优点。
116.这样，参考图5a和图6a描述的电力系统500的配置出于多种原因是有利的：首先，在气溶胶化过程期间实现递增充电，从而增加超级电容器模块504能够给加热器供电的时间，其次，允许超级电容器模块504增强外部电源以进行快速脉冲充电。
117.在前面的描述中，控制器102可以存储用于操作气溶胶产生装置的指令，并且根据需要执行这些指令。本领域的技术人员将容易理解，控制器102可以被配置成视情况以相互组合的方式执行上述特征中的任何一种。本文描述的由控制器102执行的处理步骤可以存储在与控制器102相关联的非暂时性计算机可读介质或存储装置中。计算机可读介质可以包括非易失性介质和易失性介质。易失性介质尤其可以包括半导体存储器和动态存储器。非易失性介质尤其可以包括光盘和磁盘。
118.本领域的技术人员应容易理解，前面描述中的前述实施例不是限制性的；每个实施例的特征可以视情况并入到其他实施例中。

技术特征：
1.一种气溶胶产生装置，该气溶胶产生装置包括：电力系统，该电力系统包括超级电容器模块和电池模块，该电力系统可连接到外部电源；以及控制器，其中，该控制器被配置成通过以下方式控制该电力系统的脉冲充电机制：控制从该外部电源到该电力系统的第一功率流，其中，控制从该外部电源到该电力系统的第一功率流包括使该第一功率流以脉冲充电方式在第一时间段中给该电池模块充电与第二时间段中不给该电池模块充电之间周期性地切换；以及控制该超级电容器模块与该电池模块之间的第二功率流，其中，控制该超级电容器模块与该电池模块之间的第二功率流包括在该第一时间段中从该超级电容器模块给该电池模块充电。2.如权利要求1所述的气溶胶产生装置，其中，控制该第一功率流进一步包括在该第二时间段期间从该外部电源给该超级电容器模块充电。3.如任一前述权利要求所述的气溶胶产生装置，其中，控制该第一功率流进一步包括在该第一时间段期间不从该外部电源给该超级电容器模块充电。4.如任一前述权利要求所述的气溶胶产生装置，其中，控制该第二功率流进一步包括在该第二时间段中不从该超级电容器模块给该电池模块充电。5.如任一前述权利要求所述的气溶胶产生装置，其中，该第一功率流包括进入该电力系统的基本上恒定的电流。6.如任一前述权利要求所述的气溶胶产生装置，其中，该电池模块包括至少一个电池和/或至少一个可移除的电源组。7.如任一前述权利要求所述的气溶胶产生装置，其中，该超级电容器模块包含串联连接的两个或更多个超级电容器。8.如任一前述权利要求所述的气溶胶产生装置，其中，该电力系统包括与该电池模块并联连接的该超级电容器模块，其中，电压转换器连接在该超级电容器模块与该电池模块之间。9.如权利要求8所述的气溶胶产生装置，其中，该电压转换器被配置成在该第一时间段中降低从超级电容器模块到电池模块的该第二功率流的电压。10.如任一前述权利要求所述的气溶胶产生装置，其中，该电力系统进一步包括连接在该电池模块与该超级电容器模块之间的第一开关装置，其中，该第一开关装置由该控制器控制以在第一时间段中给该电池模块充电与第二时间段中不给该电池模块充电之间进行切换。11.一种系统，该系统包括如任一前述权利要求所述的气溶胶产生装置、以及外部电源。12.如权利要求11所述的系统，其中，该外部电源是可连接到主供电器和/或电源组的电源适配器、被配置成接收该气溶胶产生装置的插接站、或被配置成接收该气溶胶产生装置的便携式充电箱。13.一种控制气溶胶产生装置的电力系统的脉冲充电机制的方法，该电力系统包括超级电容器模块和电池模块并且可连接到外部电源，并且该方法包括：控制从该外部电源到该电力系统的第一功率流，其中，控制从该外部电源到该电力系
统的第一功率流包括使该第一功率流以脉冲充电方式在第一时间段中给该电池模块充电与第二时间段中不给该电池模块充电之间周期性地切换；以及控制该超级电容器模块与该电池模块之间的第二功率流，其中，控制该超级电容器模块与该电池模块之间的第二功率流包括在该第一时间段中从该超级电容器模块给该电池模块充电。14.一种存储指令的非暂时性计算机可读介质，这些指令当由被配置为与包括超级电容器模块和电池模块、可连接到外部电源的气溶胶产生装置电力系统一起操作的控制器的一个或多个处理器执行时，使该一个或多个处理器通过以下方式控制电力系统的脉冲充电机制：控制从该外部电源到该电力系统的第一功率流，其中，控制从该外部电源到该电力系统的第一功率流包括使该第一功率流以脉冲充电方式在第一时间段中给该电池模块充电与第二时间段中不给该电池模块充电之间周期性地切换；以及控制该超级电容器模块与该电池模块之间的第二功率流，其中，控制该超级电容器模块与该电池模块之间的第二功率流包括在该第一时间段中从该超级电容器模块给该电池模块充电。

技术总结
提供了一种包括电力系统(500)和控制器(102)的气溶胶产生装置。电力系统包括超级电容器模块(504)和电池模块(506)，并且可连接到外部电源(602)。控制器被配置成通过以下方式控制电力系统的脉冲充电机制：控制从外部电源到电力系统的第一功率流以使第一功率流以脉冲充电方式在第一时间段中给电池模块充电与第二时间段中不给电池模块充电之间周期性地切换；以及控制超级电容器模块与电池模块之间的第二功率流在第一时间段中从超级电容器模块给电池模块充电。块给电池模块充电。块给电池模块充电。


技术研发人员：G
受保护的技术使用者：日本烟草国际股份有限公司
技术研发日：2021.10.25
技术公布日：2023/8/5