专利名称：带有可充电电池和能计算及指示设备的剩余使用次数装置的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种设备，它含有可充电电池；一个负载；用于在使用期把负载接到电池的装置；向电池充电的装置；监测电池的充电状态并产生表示电池中剩余电量的信号的装置。
这样的一种设备，特别是一种剃须刀，是已知的并由飞利浦电子公司以型号HS990而出售。这种剃须刀含有一个向马达供电的可充电电池和一个液晶(LCD)显示器，以指示在电池放完电之前剩下的剃须时间。在这个设备中电池内可供使用的电量是根据由马达所消耗的电流的持续时间和电流数值而被计算得出的。先计算出每次剃须期间的平均电流，然后剩余的(电池)容量被由计算所得的平均消耗电流相除从而得到剩下的剃须时间的预期值。显示器向剃须刀的用户显示在电池耗尽之前的“剩下的分钟”数。
实际上剃须刀的使用者并不总是能够判断显示器所指示的剩下的分钟数是否足够供下一次剃须之用。本发明的目的是提供一种设备，它带有改进的指示，这种指示和设备的使用方式有更多的相关性。这些和其它一些目的是在如开头的段落所规定的一种设备中实现的，其特征在于，该设备还含有用于测量在一次使用期间从电池流入负载的使用电量的装置；用于对使用次数进行计数的装置；用于计算在历次使用期间所消耗的总电量的第一装置；用于从总电量和使用次数计算出平均一次使用的耗电量的第二装置；用于根据电池中剩余的电量和平均使用耗电量计算出剩余使用次数的第三装置；以及用于显示剩余使用次数的装置。
按照本发明，每使用一次，例如一次剃须，所用的平均耗电量是由以前历次的使用计算而得的。电池中的实际电量是在电池的充电和放电期间被监测的。从实际电量和每次的平均耗电量可以计算并显示一个数，这个数就表明了在电池耗尽之前剩余的使用次数。剃须刀的使用者一般是不去注意每次剃须的持续时间的，但是他非常熟悉他自己的使用方式，例如一天一次或一天两次。按照本发明的在剃须刀上的“剩余剃须”次数，使得想确定在电池必须重新充电之前该剃须刀还可以用多少次变得容易得多。例如，当用户要进行业务出差时，他可以立即知道剃须刀的电池在其旅途的下一天内是否有足够的电量。
这个设备可以是个剃须刀，但本发明也可用于其它带有可充电电池的设备中，这些设备都或多或少地具有有规律的使用方式，例如，电动除毛机、电动牙刷、洁齿冲洗机、螺丝刀、电钻、真空吸尘器、搅拌机等等。在这里电池指的是一个或多个单独的可充电电池或电池组。
按照本发明的设备的一个实施例的特征在于，用于计算的第二装置是这样工作的它把被少于预定时间量所分隔开的多次使用作为单独一次使用来对待。这样就保证了被不使用的短时间所分隔的多次使用可当作是一次单独的使用。这样就可以减少“断续使用”设备对计算使用一次的平均耗电量所造成的影响。在一个实施例中平均耗电量的计算还可进一步改善，这种实施例的特征在于，用于计算的第二装置能够忽略其使用时间比某个最小时间短的使用和/或用于计算的第二装置能够忽略其使用时间比某一最大时间长的使用。在这种情况下，异常短或长的使用期就不再包括在平均电量消耗的计算之中。
按照本发明的一种实施例的特征在于，在电池充电期间；用于计算的第三装置能够借助利用最近计算所得到的平均一次的耗电量，根据减掉安全电量裕量后的剩余电量来计算剩余的使用次数。由于每次使用的平均耗电量可能会随时间改变，计算的剩余可用次数就按在电池再充电后可得到的最新数据予以更新。以这种方式所得的剩余可用次数总是可以适用于设备的改变的使用方式。该电量裕量提供了内在的安全性，它可以防止未曾预料到的出现电池耗尽的情况。
按照本发明的设备的另一种实施例的特征在于，在使用期间，用于计算的第三装置能够借助利用电池在上一次充电期间所用的平均每次使用的耗电量根据剩余的电量来计算剩余使用次数的一个上限值。这个上限值可以在最新的每次使用的平均耗电量偏离了在电池上一次充电期间所使用的每次使用的平均耗电量的情况下防止不正确的计算。
电池可以在任何合适的方式下充电。然而，对电池充电状态的监测在一种实施例中可得到简化，这种实施例的特征在于，对电池充电的装置包括一个恒流源以便以恒定电流向电池充电。通过用恒定电流向电池充电，电池中累积的电量可以很容易地通过对于以恒定电流流入电池的持续时间进行计数而被计算。
本发明的上述目的和特性从以下参考附图对优选实施例所作的描述而变得更加明显，在这些图中
图1表示按照本发明的设备的电子电路方块图；图2表示按照本发明的剃须刀；图3表示说明按照本发明的设备的工作流程图的一部分；图4表示说明按照本发明的设备的工作流程图的一部分；图5表示说明按照本发明的设备的工作流程图的一部分；图6表示说明按照本发明的设备的工作流程图的一部分。
图1表示按照本发明的设备的功能方块图。这个设备，作为一个例子，是一个可充电的剃须刀，但同样也可以是其它的可充电设备，例如电动除毛机、电动牙刷、洁齿冲洗机、螺丝刀、电钻、真空吸尘器、电动搅拌机等。这些设备有一个共同点，就是，它们以“使用期”的方式被使用而中间由不使用的间歇所隔开。例如，剃须一般是每天使用一次；所以它的间歇接近于一天。电动螺丝刀通常是以一系列短暂使用期被使用，而以较短的间隙分隔开。所以，上述各种设备都有其典型的使用方式。每一使用期所消耗的能量数对于同一设备整体的各单个抽样而言可根据使用者的需要和行为而有很明显的变化；但是对每一种抽样而言每次使用所需能量却只有很小的变化，因为使用者都有规律性的使用方式。
图1所示的剃须刀含有一个可充电电池B，它由电池PS所充电。电池经过一个串联电阻RS向马达MR提供电流。电子开关ES在微控制器MC的控制下把串联电阻RS和马达MR接到电池B，微控制器则根据一个通/断开关S而动作。微控制器MC把数据送到显示器D，例如液晶显示器(LCD)。微控制器MC有一个时间基准，例如一个时钟振荡器OSC，长度为ΔT的基本时间单元就从那里得出。当电子开关ES闭合时，马达电流流经串联电阻RS，造成在这一电阻上的电压降，这个电压降是和马达电流成正比的。在串联电阻RS上的电压由一个压频转换器VFC转换成一系列的脉冲，其重复频率正比于马达电流。微控制器MC对每时间单元内的脉冲进行计数。送到微控制器MC的每个脉冲相当于流经马达MR的一定数量的电量ΔQ。压频转换器的一个例子可从美国专利第5,144,218号中找到。在充电时电源PS向电池B提供一个恒定电流直到电池B充满或直到充电被中断为止。电源PS和微控制器MC相互通信，使得微控制器MC能够通过对充电时间进行计数而追踪由电源PS提供给电池B的电量。电源PS可以是市场上可得到的任何合适的开关型恒流电源或上述的HS990型剃须刀上的电源。
当马达MR运转时微控制器MC根据在一次剃须期间所消逝的时间单元ΔT和所消耗的电量单元ΔQ而计算所消耗的电量。在经过一定次数的剃须后微控制器MC计算每次剃须的平均耗电量和在电池B的剩余电量情况下可能的剩余剃须次数。这个数字以整数形式显示在显示器D上，它表示“剩下的剃须”次数。每次剃须的平均耗电量是这样计算的把一系列剃须时每次剃须所消耗的电量相加，再把累加的总和除以相应的剃须次数。
图2表示一个带有通/断开关SW和显示器D的剃须刀。剃须头2由在外壳1内部的马达MR(未示出)所驱动，外壳1还容纳了可充电电池B、电源PS、电子开关ES、串联电阻RS、压频转换器VFO和微控制器MC(全都未示出)。
可以有不同的实施法来实现上面的“剩下剃须次数”，或者更一般性地说，“剩下次数”，的计算和指示。下面的示范性实施方法将用正常的文字、类似于Pascal的语言的伪码、和图3到图6所示的流程图来说明。
在本实施方法中采用下列假定-系统工作在三种状态1，剃须，用SH来表示2，充电，用CH来表示3，断开，即既不剃须也不充电，用OFF来表示。
只考虑了由SH到OFF及CH到OFF的转变。-电流测量电路(RS、VFC)向微控制器MC送出脉冲；每一脉冲相应于一个通过马达MR的充电量ΔQ-微控制器MC有一个时间基准(OSC)，从这一时间基准利用合适的程序计时循环而导出长度为ΔT的基本时间单元。-电池B的充电是以恒流方式进行的。-用SL表示的“剩余剃须”值是以整数值显示的，这个整数是由计数值向下舍入而得到的。
这一操作由术语“trunc”(从“截断”(truncate)得出)表示。
另外还采取了下列措施以便区别用于计算每次剃须的平均耗电量的单个的剃须(期)-被小于某一定时间量(Toff，max)所分隔的各次剃须实际上被认为是一次剃须，-小于某一最小持续时间(Tsh，min)或大于某一最大持续时间(Tsh，max)的剃须都不包括在计算平均值之内。
每次剃须的平均电量是这样计算的把各次剃须的电量累加直到超过某一限制电量(Qsh，sum，lim)，然后这一累加值被相应的剃须次数相除。
在充电期间“剩余剃须”(SL)值是利用最近计算所得的每次剃须的耗电量根据减去安全裕量(Qmarg)后的实际电池电量(Qaccu)导出的。
在剃须期间剩余剃须(SL)值的一个上限值(SLlim)是利用在上一次充电期间内所用的平均每次剃须电量根据实际电池电量(Qaccu)而导出的，这个平均值不一定等于最近计算所得的平均值。
即使不是严格需要，也就是说，即使“剩余剃须”(SL)值并没有超过上限值(SLlim)，在每一次超过最小持续时间(Tsh，min)的剃须之后，所显示的“剩余剃须”(SL)的值就减1。在这种情况下，在比平均值短的剃须时会造成额外的裕量。因此，所显示的“剩余剃须”值有时是比较保守的。
现在将借助于一种类似于Pascal的语言的伪码描述来说明剩余使用期或“剩余剃须”次数的计算。Pascal是大多数微控制器程序员所熟悉的一种计算机编程语言。运算符“＝”意味着在运算符右侧的表达式被赋值给在运算符左侧的变量。在花括号{}之间的文字是注释。在花括号之间的数表示将在下面讨论的流程图中的相应的方块。伪码描述定义了系统的常数和变量以及相应于以下情况的动作-在初始化(在通电)时的动作；-每一时间单元ΔT的动作；-在剃须期间(SH)每一电量单元(ΔQ)的动作；-在从SH到OFF、从OFF到SH以及从CH到OFF的状态转变时的动作；在从OFF到CH的转变时不设定任何动作。常数ΔT 基本时间单元ΔQ 基本电量单元Ich 充电电流(假定为常数)Qaccu，full 电池满时的电量Qmarg 电量裕量Tsh，min 一次剃须时间的低限Tsh，max 一次剃须时间的高限Toff，max 在一次剃须内最大间歇Qsh，sum，lim 累加电量的电量极限Anom，def Anom和Alim的约定值变量Qaccu 实际电池电量Toff 不剃须的持续时间Qsh 一次剃须的耗电量Tsh 一次剃须的持续时间Qsh，sum 各个Qsh的总和CNTsum用于求总和的计数值SL实际的“剩余剃须”值，整数SLlim SL上限值Alim SLiim和Qaccu的实际比值Anom 用于求总和的上一次计算的SLlim对Qaccu的比值DEC 表明在当前剃须期内显示的SL值是否已经减1的布尔标志初始化时的动作，相当于OFF和电池没有电SL＝0；{2}SLlim＝0；{2}Anom＝Anom，def；{2}Alim＝Anom，def；{2}Qsh，sum＝0；{2}CNTsum＝0；{2}Toff＝0；{2}Qsh＝0；{2}Tsh＝0；{2}Qaccu＝0；{2}DEC＝false；{2}每个时间单元ΔT的动作<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[ case state of OFFif Toff＜Toff，max{8} then Toff＝Toff+ΔT；{9} SHTsh＝Tsh+ΔT；{34} CH begin if Toff＜Toff，max{14} then Toff＝Toff+ΔT；{15} if Qaccu＜Qaccu，full then{16} begin Qaccu＝Qaccu+Ich*ΔT{17} if Qaccu＜Qmarg then{18} SL＝0{20} else SL＝trunc(Anom*(Qaccu-Qmarg))；{19} end； end； end；{case}]]></pre>每个电量单元ΔQ的动作；仅在剃须(SH)期间<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[ Qsh＝Qsh+ΔQ；{36} if Qaccu＞0 then{37} begin Qaccu＝Qaccu-ΔQ；{38} SLlim＝Alim*Qaccu；{38} if SL≥SLlim+1{39} then SL＝SL-1；{40} end；]]></pre>
从SH转变到OFF状态时的动作<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[ Toff＝0；{29} if(SL≥SLlim)or(SL＞0) and(Tsh≥Tsh，min) and not DEC then{30} begin SL＝SL-1；{31} DEC＝true；{31} end；]]></pre>从OFF到SH转变时的动作<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[ if Toff≥Toff，max then{22} begin if(Tsh≥Tsh，min)and(Tsh≤Tsh，max)then{23} begin Qsh，sum＝Qsh，sum+Qsh；{24} CNTsum＝CNTsum+1；{24} if Qsh，sum≥Qsh，sum，lim then{25} begin Anom＝CNTsum/Qsh，sum；{26} Qsh，sum＝0；{26} CNTsum＝0；{26} end； end； Qsh＝0；{27} Tsh＝0；{27} DEC＝false；{27} end；]]></pre>从CH到OFF转变时的动作Alim＝Anom；{12}图3到6表示对同一实施方法的流程图的描述。流程图的各方块内的语句是用和上面的相同的伪码给出的。各方块的号码在上述伪码描述的相应各行中作为注释而被指明。
上面所说明的并示于流程图中的算法可加以修改以改善其性能。-数据的收集和每次剃须平均耗电量的计算可通过下列方法加以改进(a)以不同的方式处理开头一系列的使用期，因为这时设有数据或数据很少；或(b)逐步丢弃而不是同时丢弃老的数据(方块2b)。例如，可以在老的数据被丢弃以前给老的数据加一个权重因子然后再用于每次剃须平均耗电量的下一次计算。-安全裕量(Qmarg)在整个放电过程中可以不是恒定不变的，而是在电池充满的情况下取一个较低值，然后逐步增加到电池耗空时的一个较高值。-可以把安全裕量(Qmarg)设成相对于每次剃须电量的变化程度而自行修改。这样，比较不规则的使用方式的用户比起每次剃须平均电量相同但使用方式更加有规律的用户来，会得到一个较低的“剩余剃须”(SL)数。-由于电池的“自放电”而引起的电池电量的损失可以通过从电池的实际电量中扣除在OFF期间自放电量而被考虑在内。-由于微控制器MC和电源PS能相互通信，所以微控制器MC能够认识到这种情形，即电源PS从交流电源处直接提供部分或全部马达电流。-系统可以对电池采用充电/放电方式，这种方式对于(改变的)电池容量是自适应的。除了恒电流充电器外同样也可以使用变化的充电电流的电源。在这种情况下在充电时的充电流可以用同一个串联电阻RS和与电池B串联连接的压频转换器VFC来测量，或者也可用第二个电阻和转换器。本实施方式是用剃须刀来解释的。很清楚，类似的方法可用于上述的其它各种设备。在那种情况下，一次“剃须”应该解释为“使用期”而“剩余剃须”应理解为“剩余的次数”。
权利要求
1.一种设备，包括可充电电池(B)；一个负载(MR)；用于在使用期间把负载(MR)接到电池(B)上的装置；用于对电池(B)充电的装置(PS)；用于监测电池(B)充电状态并产生一个表示电池(B)中剩余电量的信号的装置(MC、PS)，其特征在于该设备还包括用于测量在一次使用期间由电池(B)流入负载的使用电量的装置(RS、VFC)；用于对使用次数进行计数的装置(MC、S)；用于计算在历次使用期间所消耗的总电量的第一装置(MC)；用于从总的电量和使用次数计算出平均一次使用的耗电量的第二装置(MC)；用于根据电池(B)中剩余的电量和平均使用耗电量而计算剩余使用次数的第三装置(MC)；以及用于显示剩余使用次数的装置(D)。
2.如权利要求1所提出的设备，其特征在于，用于计算的第二装置能够把被小于预定时间量所分隔开的各次使用作为单独一次使用来处理。
3.如权利要求1所提出的设备，其特征在于，用于计算的第二装置能够忽略其使用时间小于一个最小时间的各次使用。
4.如权利要求1或2所提出的设备，其特征在于，用于计算的第二装置能够忽略其使用时间超过一个最大时间的各次使用。
5.如权利要求1所提出的设备，其特征在于在电池充电期间，用于计算的第三装置能够借助利用最近计算所得到的平均一次的耗电量根据减掉安全电量裕量之后的剩余电量来计算剩余的使用次数。
6.如权利要求1所提出的设备，其特征在于在一次使用期间，用于计算的第三装置能够借助利用电池在上一次充电期间所用的平均每次使用的耗电量根据剩余的电量来计算剩余使用次数的一个上限值。
7.如权利要求1所提出的设备，其特征在于用于对电池充电的装置包括一个恒流源以便以恒定电流向电池充电。
8.如权利要求1所提出的设备，其特征在于用于计算的第二装置能够在计算平均每次使用电量时逐步丢弃以前历次使用期间的每次使用电量。
9.如权利要求5所提出的设备，其特征在于安全充电裕量从在电池中的剩余电量较高的情况下具有的较低的值，逐步增加到在电池中的剩余电量较低的情况下的一个较高的值。
10.如权利要求1所提出的设备，其特征在于用于计算的第一装置能够用一个表示电池在使用期外的自放电的值来校正使用期间所消耗的总电量。
11.如前面任何一项权利要求所提出的设备，其特征在于该设备是一个剃须刀，它具有一个马达，该马达是负载。
全文摘要
带有可充电电池(B)、负载(MR)和对电池(B)充电的电源(PS)的设备。当负载(MR)从电池(B)接收电流时,负载(MR)消耗的电量借助于串联电阻(RS)和电压频率转换器(VFC)来测量。微控制器(MC)计算每次使用期消耗的电量,并根据在电池(B)中的实际电量和每次使用的平均电量来计算剩余使用次数,并把此次数表示在显示器(D)上。
文档编号H02J7/00GK1174609SQ96191935
公开日1998年2月25日 申请日期1996年11月27日 优先权日1995年12月14日
发明者O·罗姆霍尔特 申请人:菲利浦电子有限公司