电池电荷测量与放电剩余时间预测技术与设备

摘要

一种表征电瓶特性的方法与设备,包括获得将电瓶电压表示为电荷余量的函数的多个数据点,使所述数据点参数而得到代表电压与电荷余量的函数,从而根据电瓶电压算出电荷余量;电池电荷余量、容量测量及放电剩余时间预测装置包括电压测量装置、电流测量装置、计时装置和处理装置。

说明书

发明领域

本发明涉及预测与计量电池或电化学电瓶系统中有效能量深度的方法与设备。具体地说，虽然并非专指，但是本发明涉及测量电池容量、电荷余量与剩余时间的方法与设备。

发明背景

人们早已认识到，电池或电瓶的容量依赖于若干因素，包括电池组份、几何尺寸、放电速率(即负载电流)、老化。环境、温度结束电压、服务历史(即电池最后一次充电的特性)、放电深度与浮动时间。电池的有效容量可表示成这类参数复杂而非线性的函数。直接测量若干这类参数而确定电池容量，既不实际，花费也太大。

测量电池容量最著名的技术之一是“放电测试”(IEEE Std1188-1996；“IEEE推荐的阀调节铅酸(VRLA)电池在静止应用中维护、测试和置换的操作规程”)。该法涉及电池向稳定的负载完全放电。在有关的电池应用中，(如在通信系统中)，其主要缺点是，正被供电的系统写受停电影响，因为电池在其整个放电期间必须与该系统断开。其它缺点包括必须有大的外接负载，要求备用电源，及建立与监视测试步骤涉及到的人工。

测量电池容量的其它技术所应用的方法，使一些参数与容量相关，这些参数有阻抗(Gary J.Markle，“阀调节电瓶的交流阻抗测试法”，INTELEC1992,9-4)、电导(Michael E.Troy等，“应用于通信固定备用电池场合的中点电导技术，Part Ⅵ.通信供电应用中中点电导应用的考虑因素”，INTELEC 1997,29-4)或内阻(Isamu Kurisava和Masashi Iwata，“内阻和直流测量所得内阻的VRLA电池分析的劣化及其对VRLA电池监视技术的应用”，INTELEC 1997,29-3；Gleann Alber和Marco W.Migliaro，“阻抗测试法——容量测试法的替代法”，INTELEC 1994,10-1；Katsuhiko Yamamoto等，“200安时密封沿酸电池的劣化估算法”，NTTReview Vol.7,No.4,July1995)。后几种方法一般应用一种基于若干参数的合成模型，该模型在确定电池容量方面通常结合参照电瓶电阻(Jean Paul Cun等，“UPS公司在先进的电池监视方面的经验”，INTELEC 1996,22-5；Patrick K.Ng等，“铅酸电池度弃时间预测算法的评估”，INTELEC 1996,616-21)。这些方法通常是为离线应用开发的，要求专用设备。虽然取得了一些成功，但是在本领域内通常认为这些技术最适用于识别重大的故障(Michael E.Troy等，“应用于通信固定备用电池场合的中点电导技术，Part Ⅵ.通信供电应用中中点电导应用的考虑因素”，INTELEC 1997,29-4；Katsuhiko yamamoto等，“200安时密封铅酸电池的劣化评估法”，NTT Review Vol.7,No.4,July 1995)、跟踪电池老化和电池寿命预测(Gary J.Markle，“阀调节电瓶的交流阻抗测试法”，INTE-LEC 1992,9-4；Katsuhiko Yamamoto等，“200安时密封铅酸电池的劣化评估法”，NTTReview Vol.7,No.4,July 1995)。电池容量测量的详见短期测试仍然最有效地由放电测试产生。再参照上述的后几种模型，用于在线容量测量的此类模型通常专用于特定的电瓶，且依赖于测量的参数(Isamu Kurisawa和MasashiIwata，“运用短的放电的铅酸电池的容量评估法”，INTELEC 1997,483-90)。因此，这类技术易受测量误差的影响。再者，分选整个电池操作所需的参数，数量多得使这类方法变得麻烦，运算复杂。

根据断路电压或电荷累计，已提出了另一些测定电池容量的技术(MinoruKozaki和Toshihiko yamazaki，“剩余电池容量计和计算剩余容量的方法”，美国专利No.5,691,078,1997年11月25日)。

在通信应用中，断路法是不适宜的。电池组与电源系统断开易让通信系统造成开关故障，从而使电池组与该系统偶尔隔开。再者，电荷累计法要求长期监视电池(或电池组)，还要了解电池容量准确的初始值，任何初始误差都会影响其余监视活动的结果，因而认为该法是不可靠的。

因此，本发明的目的是提供一种能精确的测量电池电荷余量的方法与设备(在放置电池的应用的约束条件内)由此中至少改良上述的若干问题，或至少向公众提供有用的选择。

发明内容

本发明的一个方面是提供一种测试/表证一个或多个电瓶特性的方法，包括步骤：

获得多个数据点，将一个或多个电瓶的电压表示为电荷余量的函数；

使所述数据点参数化以得到代表电瓶电压与电荷余量的函数，由此函数电瓶电压算出电荷余量。

在参数化后，下一步骤是计算放电剩余时间。比较好的是通过将电荷余量除以恒功率放电速率而算出放电剩余时间。

另外，通过将电荷余量除以恒电流放电速率而算出放电剩余时间。

比较好的是，使完全充电的电瓶作部分放电，将部分放电期间翻译的电荷加到电荷余量里而测出剩余容量。

比较好是，部分放电长得足以避免Coup de Fouet区，但比电瓶的完全放电短得多。

通过在特定时间间隔内测量电瓶电压与电流而得到数据点。

通过收集电压域中等距数据点、最小二乘方近似、内插和/或外插，或者采用适合对特性曲线作最佳近似的分析方法而实现参数化。

比较好的是参数化函数在结束电压处终止。

结束电压基本上对应于认为电瓶被耗尽的电压电平。

获得对一组测量精度等级足够的最少量的数据点并作参数化。

比较好的是，选择数据点时的间隔使参数化处理的固有误差减至最小。

比较好的是，鉴于电瓶特性因老化、环境与使用条件而发生变化，所述步骤要重复执行。

比较好的是，通过比较根据上一次特性化导出的对电瓶测得的电荷余量变化和该电瓶实际的电荷余量变化，确定重复诸步骤的决定。

一种电池电荷余量与容量测量及放电剩余时间预测装置，包括：

适于测量电瓶电压的电压测量装置；适于测量电瓶上当前负载的电流测量装置；

计时装置，能对电瓶几乎同时测量电压、电流与时间，由此收集多个有关电瓶电压与电荷余量的数据点；及

处理装置，适于产生有关电荷余量与电瓶电压的函数，在给定电瓶电压时可从中确定电荷余量。

该装置可以包括一微处理器，适于处理电压、时间与电流，以提供将电荷余量表示成电压的函数的数据点，其中电荷余量以安/时表示。

该装置可以包括适于计算电瓶的放电速率，所述装置利用电荷余量和放电速率确定放电剩余时间。对恒功率或恒电流放电计算放电速率，并以小时和分数小时表示放电剩余时间。

该装置可以包括一放电装置，所述放电装置适于至少让电瓶部分放电并测量所述电瓶在放电期间释放的电荷，根据放电期间释放的电荷与电荷余量推算出电瓶容量。

该装置可以包括一输出装置，适于以图表、数字或其它方式实时地指示被测电瓶的电荷余量、容量测量结果和/或放电剩余时间。

比较好的是，该装置适合在用户启动下测量数据点并自动作参数化。

该装置还适合包括一种检测使用电瓶的环境条件变化的装置，并根据预定判据适合重新测量诸数据点且建立更新的参数化。

比较好的是，该装置定期输出电瓶的电荷余量、容量测量结果和/或放电剩余时间。

比较好的是，该装置可根据用户驱动或请求而输出电荷余量、容量测量结果和/或放电剩余时间。

附图简述

下面通过举例并参照附图描述本发明，其中：

图1示出电瓶组的测试结构；

图2示出的曲线代表电荷余量域放电特性；

图3a与3b示出同类型的6个不同电瓶的时间与电荷余量域放电特性；

图4a与4b示出同类型不同电瓶在不同放电速率时的时间与电荷余量域放电特性；

图5a与5b示出放电期间速率切换的作用；图6a与6b示出同类型6个不同电瓶在不同温度下的时间与电荷余量域放电特性；

图7a与7b示出同类型8个不同电瓶在不同的放电速率与温度组合时的时间与电荷余量域放电特性；

图8a与8b示出同类型4个不同电瓶在不同电荷电平时的时间与电荷余量域放电特性；

图9示出以68安速率放电的一个新型48伏电瓶组实际的和测量的电荷余量与测量误差；

图10示出两个电瓶的放电特性，其中一个电瓶符合标称特性，另一个电瓶不符合标称特性；及

图11示出图10中符合与不符合的电瓶的实际与测得电荷余量之比。

作为一个基本点，下面主要描述通信电源系统，但不要把它视作限制，因为还有适用本发明的其它场合下面作详细讨论。

通常把通信系统的环境参数控制在规定的极限内。给出这些极限，最小每线电压可防止系统被驱动成欠电压，并提供至少能操纵通信系统的最小电压。

在数字通信系统中，将这些要求转换成可接受的±5％的负载电流变化。在模拟系统中，预计负载变化更大。限定电池电荷余量测量所需精度的另一个因素，是大多数通信地点都位于保持最佳温度的空调环境内。

为了更好地说明本发明，下面参照本发明的方法与设备讨论各种数据。图3～8示出的数据是用图1的测试电路收集的。

参照图1，用由3个24伏120安装流器模块组成的供电系统对电池充电。电瓶用2500瓦电子负载放电。电池数据用变分辨率数据采集单元获得。该示意电路虽然并不代表本发明的实用装置，但是可以说明和支持下面的描述。

图1的电路可用于采集放电速率、温度与电压，电此获得的数据可以利用合适的用户接口在个人计算机上作分析。为了计量本发明方法在不同温度下的变化与预测能力，测试系统内有一环境室。

放电速率用一经校正的150A75mV分流器测量。在到1Hz的采集频率下，测试系统的电流分辨率优于1mA，电压分辨率优于1mA。对于数据分析中涉及的大多数关键特征，发现12秒的采样速率已足够了。

如上所述，通过检查电瓶的放电电压/时间特性，可以监视电池放电特性。这类特性曲线只代表该特定放电状况专有的单次操作状态，因而用这类特性曲线作电荷余量计算，就要求若干允许、温度放电速率、电瓶类型等参数变化的调整因子，提供这些参数的校正系数是众所周知的。然而，仅在平均估算值，对有效的测量结果还不够精确。

根据本发明，发现用放电电压/电荷余量特性代替放电电压/时间特性，该特性曲线就很小受到上述参数变化的影响。

图2示出的放电电压特性是电荷余量的函数，其中电荷余量以Ah(安时)为单位测得。

参照图2，以零电荷余量标识结束电压。选择这一条件一般取决于通信系统的要求，然而，可根据本发明的具体应用而使用不同的结束电压。

把放电电压/电荷余量特性曲线连接到结束电压，使放电曲线可重复，且在相当窄的容限内跟随类似线性的趋势。该技术用放电电压对电荷余量提供了高度预测能力。

下面的讨论将示明该特性对若干温度、放电速率与电池类型等主要电池工作参数的敏感性。

图3～9示出的放电测试结果是对存放四年的Hawker Energy IRG310型2V、310Ah电瓶测试得到的。除非另外指出，环境温度为20℃，所使用的放电速率为C/3或100A。

参照图3a与3b，将6只电瓶完全充电，然后以3/C速率放电。将曲线与在C/10放电速率产生的标称放电曲线作比较，不同的电瓶会呈现反映它们电荷保存状态的不同的电荷余量。然而，所有的电瓶与标称曲线完全一致。从图3a可以看出，放电曲线呈现-“Coup de Fouet区”造成的初始偏差，不同的放电曲线相互有边际偏差，特性曲线呈现的偏差在这些电瓶特定应用要求所控制的规定容限带内。从图3b可以看出，与时基特性(见图3a)相比，把该特性曲线转换为电荷余量域，导致更紧密的容限带。图4a与4b相对于不同的放电速率测量放电电压与电荷余量特性的结果，选用的速率为C/10、C/6、C/4、C/4、C/2.5和C/2，示出了基于时间(即原有技术)和基于电荷余量的代表性结果。图4b示出，根据本发明获得的所有放电曲线都位于规定的容限带内。

图5示出在放电期间改变放电速率的作用。放电速率从高切换成低，使电瓶翻放更多的电荷，然后沿标称放电曲线跳回(见图5b的箭头)。或者，从低速率切换到高速率(见图5a的箭头)，则减少了电荷余量，使电瓶超向于沿标称放电曲线向前跳。这些例子都表明，尽管放电速率的变化造成电荷余量发生变化，但是在跟随标称放电曲线方面是一致的。

图6a与6b示出在若干不同温度下测试放电电压与电荷余量关系的结果。规定大多数通信设施都配有空调环境，温度置于15～25℃，对于这样的温度带，根据本发明获得的特性曲线都保持在要求的容限内。

图7a与7b示出在放电速率与温度都变化时，使放电电压与电荷余量相关的测试结果，这种测试旨在验证这种关系对多个参数变化的耐久性。参照图7b可以看出，在要求的容限范围内，大多数放电曲线均与标称放电曲线一致。

最垢，图8a与8b示出4只初始荷余量不一的电瓶的放电结果。电减放电到不同的深度，然后稳定1小时，之后电减放电到结束电压，因而这4只电瓶在开始放电时含有不同的电荷余量。图8a示出时间域中的放电特性，图6b示出电荷余量域中的放电特性，结果表明，在规定的容限带内，在跟随标称放电曲线趋势方面具体有良好的一致性。

从图3～8的结果可以看出，发现在电池放电电压与电荷余量之间存在一种坚实的关系。把电池或电瓶基本上当成“黑盒”来处理，就可利用特性曲线来测量电池在放电期间的电荷余量。

通过用放电电压/电荷余量数据表来代表特性曲线，可实施该。在电瓶放电期间，可利用这种数据在每个放电电压计算电荷余量，或借助实时确定法连续地计算电荷余量。

为了实际实施该技术，对放电电压与电荷余量作多次测量，然后以曲线形式将这些数据参数化，从而对于任何给定的放电电压，都能从该曲线推算出电荷余量值。通常，把电荷余量值表示成相对额定电瓶容量的百分数。举例来说，图9示出对一组24只Hawker Energy 2H1275型2伏电瓶测量的电荷余量，结果表明，在电瓶整个放电过程中，百分数误差小于5％。测量结果的质量之优，部分归因于新电瓶的一致性，部分归因于电瓶组的均化作用。

在通信供电环境中实施该技术时发现，为了在这类场合限定的容限内提供所需的预测能力，仅需6个数据点。选择6个数据点代表放电数据，表示在精度与数据存贮之间采取的折衷办法，这也符合IEEE关于最少用5点代表放电的要求(IEEE Std 1188-1996；“IEEE推荐的阀调节铅酸(VRLA)电池在静止应用中维护、测试和置换的操作规程”)。

此外，对于用户驱动的处理，发现6个数据点是可以接受的点数，从而由用户编制人工放电表。因为考虑到增加数据点数会增加人工数据输入误差的机会，所以实行了这一限制。一旦得到了6个数据点，就可利用线性内插法推算出电荷余量。根据这条曲线，便可对任一放电电压算出电荷余量。

在实际实施中，实施本发明的装置可以配备自动放电表生成功能和人工表生成功能，前者可让用户以随机的或预定的时间间隔更新电池特性表。判断是否要对电池重新特征化，可能取决于贮存电池的环境条件，或取决于环境条件与期望的电池随老化而变的特性的变化。

即使可用电压可靠地测量电荷余量，但是由于热应力或某种其它操作上的原因，电池的行为可以发生剧变，此时可能要求对标称放电曲线重新特征化。通常被测电荷余量的变化率与实际电荷余量的变化率(相当于被释放的电荷的变化率)之间的互校验，可以提出重新特征化的要求。图10与11示出一个例子。图10示出标称(16A)放电和来自Oldham 6RG180集团内部的顺从与不顺从(均为60A)电瓶的放电，图11示出对这两种60A放电测量的和实际的电荷余量变化速率的比率。在整个放电过程中，这些曲线最好等于1。然而，与不顺从电瓶相关的曲线明显地偏离1，必须重新特征化。这种跟踪测量的电荷余量变化率的技术还可用作电池置换指示器，或直接用作能调整电荷余量测量方法的元件。在任何有意的或操作的放电期间，能以实时模式测试重新特征化的要求。

这样，本发明对电池放电期间的电荷余量测量提供了一种高度耐用的方法与设备。业已发现，测量精度优于10％，在通信应用要求的范围内。本发明对同类型不同电瓶、不同的放电速率、环境温度与电荷电平都有效。实施本技术可以应用霜种自动测试法生成要求的放电表，或者该表通过用户的交互作用以人工生成。

一旦测量出电荷余量，就能计算放电剩余时间。计算时通常将电荷余量除以放电速率，而且可对恒功率或恒电流放电的情况作出计算，由此得出以小时与时小分数为单位的放电剩余时间测量结果。

除了测得电池电荷余量外，该技术还能测量电池容量，测量时，通过对完全充电的电池作一次短暂放电而测出电荷余量，这一短暂放电要长得足以避开Coupde Fouet区，但比完全放电到指定的系统结束电压要短得多。测量电荷余量后，将它加到在短暂放电时释放的电荷里而测出电池容量。

可以设想出其它特别适宜采用这种电池监视技术的应用场合。具体而言，电动车辆是一种理想的应用场合，因为它们经常呈现出大范围的负载电流，因而在用户驱动电动车辆时，可在电瓶特性放电曲线的宽广部分内获取数据。在这种应用中，根据本发明的装置类似于显示在特定速度下的剩余距离的油量计，像上述那样可根据测量结果定期更新。本发明的其它应用有一般的供电，本领域的技术人员显然明白其实施方法。

参照本发明的实施方法，可在软件中实施本发明的数据处理方法。为此，本发明的一个附带优点在于供电系统中早已有了信号处理输入。因此，与特定应用中可能要求遥测显示电路的情况不同，本发明实施方便，无需加添大量的硬件。

上述描述参照了具有已知等效物的单元或整体，因而这类等效物像单独设置的那样包括在内。

虽然通过举例和参照特定实施例描述了本发明，但是应当理解，在不背离所附权项的范围或精神的情况下，可作出各种变更和/或改进。