CN100523853C

CN100523853C - 对电池进行监测、表征和存留时间估计的方法和装置

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Publication number: CN100523853C
Application number: CNB2004800203068A
Authority: CN
Inventors: A·H·阿勒-安布基; P·E·帕斯科
Original assignee: IDUN POWER QUALITY NZ Ltd
Current assignee: IDUN POWER QUALITY NZ Ltd; Eaton Industries Co
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2004-06-03
Publication date: 2009-08-05
Anticipated expiration: 2024-06-03
Also published as: EP1639380A4; WO2004109311A1; EP1639380B1; CN1823279A; EP1639380A1; US20060226843A1; US7402980B2

Abstract

一种监测电池的方法，包括以下步骤：从电池获取电池电压测量值；以及获取与所述电池电压测量值相关的时间测量值。通过对所述电池电压测量值关于起始电压和/或预定的终结电压进行缩放来确定缩放的电压值。依据预定的电池特性从所述缩放的电压值确定缩放的时间值。然后从所述缩放的时间值获得绝对存留时间，所述存留时间指示了在所述时间测量值和相关于所述预定的终结电压的终结时间之间的差。

Description

对电池进行监测、表征和存留时间估计的方法和装置

技术领域

本发明涉及对电池进行监测和表征(characterisation)的方法与装置。

背景技术

放电存留时间(discharge reserve time)可以被定义为电池(例如阀控式铅酸，VRLA电池)能够给负载供电的时间量。可选地，它也可以被定义为电池被放电直到它的端电压达到预定的终结电压(end voltage)(在此储存的能量被消除)所花费时间的长度。所述终结电压由操作人员规定，且最终由电池所连接(放电到其中)的设备(负载)确定。缩放的(scaled)和绝对的存留时间均可以被估计。缩放的存留时间是在1和0之间的无量纲的量，其正比于所述的存留时间。在这种情况下，缩放的存留时间的1对应于满电量剩余(full charge remaining)或最大存留时间，而缩放的存留时间的0对应于空电量剩余(no charge remaining)或无存留时间。所述绝对存留时间是时间单位中的放电存留时间

在US-B-6411911中描述了常规的系统。在此计算归一化的时间和电压值并且将其用于将电池放电到预定百分比的放电值。通过对关于峰值电压或山麓电压(foothill voltage)的绝对电压读数进行归一化来计算所述的归一化电压值。只在处理的末尾估计一次电池存留时间。所述存留时间等于放电时间乘以由100除以所期望的放电百分比所得的比。

发明内容

本发明的第一方面提供了一种监测电池的方法，包括以下步骤：

a)从所述电池获取电池电压测量值；

b)获取与在步骤a)获取的所述电压测量值相关的时间测量值；

c)通过将在步骤a)中得到的所述电池电压测量值关于预定的终结电压进行缩放来确定缩放的电压值；

d)依照预定的电池特性，从在步骤c)中确定的所述缩放的电压值确定缩放的时间值；以及

e)从在步骤d)中确定的所述缩放的时间值获得存留时间，所述存留时间指示在步骤b)中获取的所述时间测量值与相关于所述预定的终结电压的终结时间之间的差。

本发明的第一方面提供了比在US-B-6411911中给出的存留时间值更有用的指标。即，根据本发明第一方面的存留时间指示在步骤b)中获取的时间测量值与相关于预定终结电压的终结时间之间的差。

本发明的第二方面提供了一种监测电池的方法，包括以下步骤：

a)从所述电池获取电池电压测量值；

b)获取与在步骤a)获取的所述电压测量值相关的时间测量值；

c)通过对在步骤a)中得到的所述电池电压测量值关于起始电压(start voltage)以及预定的终结电压进行缩放来确定缩放的电压值；

d)依照预定的电池放电特性，从在步骤c)中确定的所述缩放的电压值确定缩放的时间值；以及

e)从在步骤d)中确定的所述缩放的时间值获得绝对时间值。

本发明的第二方面利用了这样的发现，即对电压测量值关于起始电压和终结电压二者进行缩放可以产生提高的精确度，相反地，在US-B-6411911中只关于起始电压进行归一化。

绝对时间值可以是总的电池存留时间(如在US-B-6411911中所公开的)，其指示在起始时间(例如第一次电压测量的时间)与相关于预定终结电压的终结时间之间的时间差。然而优选地，绝对时间值指示在步骤b)中获取的时间测量值与相关于所述预定终结电压的终结时间之间的差。

步骤a)-e)可以只执行一次，但典型地在单个电池放电过程中，对步骤a)-e)进行一次或多次额外的重复。

在优选的实施例中，步骤e)包括步骤：e)i)确定在较低的(lower)时间测量值和较高的(upper)时间测量值之间的差；e)ii)确定与所述较低的和较高的时间测量值相关的一对缩放的时间值的差；以及e)iii)确定在步骤e)i)和e)ii)中确定的所述差之间的比。

所述较低的和较高的时间测量值在步骤e)的每次重复中可以改变，例如它们可能与一对相邻的重复有关。

可选地，对于步骤e)的每次重复，所述较低的时间测量值是相同的，而对于步骤e)的每次重复，所述较高的时间测量值发生变化。

典型地所述电池电压测量包括测量的起始电压(例如台阶电压(plateau voltage))，以及在步骤c)中通过对所述电池电压测量值关于所述测量的起始电压和预定的终结电压进行缩放来确定缩放的电压值。

所述预定的终结电压可以预先存储，或可以通过诸如键盘或鼠标之类的用户输入装置从用户接收。这使得所述终结电压可以由用户指定。在这种情况下，可以依照用户输入的终结电压对电池放电特性进行重新缩放。

本发明的第三方面提供了一种电池表征方法，包括：

a)从所述电池获取多个电池电压测量值，所述电池电压测量值包括起始电压和终结电压；

b)获取多个时间测量值，每个所述时间测量值与各自的所述电池电压测量值相关，所述时间测量值包括与所述终结电压相关的终结时间；

c)通过对每个所述电池电压测量值关于所述起始电压和所述终结电压进行缩放来确定多个缩放的电压值；

d)通过对每个所述时间测量值关于所述终结时间进行缩放来确定多个缩放的时间值；以及

e)存储电池放电特性，所述电池放电特性指示了在所述缩放的电压值和所述缩放的时间值之间的关系。

可以在上述的监测电池的方法的步骤e)中使用所述存储的电池放电特性。

电池放电特性对于在电池类型、电池工作条件(放电速率，温度)或电池条件(电池类型和电池健康状态的合理变化)中的可能变化提供了鲁棒性。

所述方法典型地需要来自在给定工作条件且具有给定条件的给定电池的一次完全放电的电压和时间测量值。然后其被用来导出表示在缩放的电压值和缩放的时间值之间的关系的电池放电特性。然后所述关系可以被用作任何的电池尺寸、类型或条件的关键的计算组成部分。

被配置为实现所述方法的系统典型地包括：用于获取所述电池电压测量值的传感器；用于产生所述时间测量值的计时器；以及用于执行步骤c)到e)的处理器。然后可以将步骤e)的结果存储和/或输出到例如打印机或显示单元的设备。

附图说明

下面将参照附图描述本发明的实施例，其中：

图1是原理图，示出了电池存留时间估计系统；

图2是流程图，示出了缩放特性的公式化表述；

图3a)-3f)是示图，示出了用于不同工作条件的缩放处理的鲁棒性；

图4a)-4b)是示图，示出了用于两个不同的终结电压的缩放处理，所述两个不同的终结电压分别为1.9V和1.6V/单体电池，；

图5a)-5b)是示图，示出了用于不同电池类型的缩放处理；

图6a)-6f)是示图，示出了用于不同电池条件的缩放处理；

图7是流程图，示出了放电时存留时间的计算；

图8是流程图，示出了对应用终结电压的缩放的放电特性的重新缩放；

图9是示图，示出了与时间成对比的缩放存留时间。

具体实施方式

参照图1，用于估计电池2的存留时间的系统1包括用于获取来自电池2的电压读数的传感器3。电池2可以是单个的单体电池，一组单体电池或整体电池、单体电池串或多串电池。传感器3以相比于放电持续时间有意义的有规律的间隔对闭路电池电压进行采样。传感准确度和清晰度在应用相关的程度上应该是足够的。

系统1合并了能接收和处理电压读数的三个可选的处理器。这些处理器可以一起运行或单独运行。具体地，微处理器4、本地个人计算机(PC)5或远程PC 6可以经由固定的链路7、8或无线链路9接收数据。所述链路7-9可以基于标准的或专有的协议。所述固定链路7、8可以是串行的或并行的。

每一个处理器包括各自的存储器10-12，所述的存储器包括用于进行下述处理步骤的存留时间算法软件。可以将所写的软件嵌入到微控制器4或PC 5、6中，或者作为软件包(类似电子制表软件)提供。

所述PC 5、6的每一个都有各自的用于显示存留时间信息的显示器(未示出)；并且微处理器4连接到显示单元13。

在图2的步骤20-23中显示的第一处理中，公式化了缩放的放电特性。所述公式化处理可以由客户进行，或者在以计算机软件的形式向客户提供算法之前在工厂里进行，所述软件可以在磁盘或其他存储介质中提供，或者可以通过email发送给客户。在下面给出的例子中，使用了微控制器4。在表征放电测试20中，在放电到预定系统终结电压V_end的单独深度放电时，可以从VRLA电池获取放电电压读数V(t)的总体(ensemble)。所述放电电压读数V(t)被微控制器4(其包括计时器，未示出)以时间t进行时间标记并被存储在存储器10中。与终结电压V_end相关的时间标记被指定为t_T。

然后由微控制器4对放电读数(V，t)的总体进行处理，从而如以下等式1所表达的对缩放的电压时间关系(在此称其为缩放的放电特性)进行公式化。这可以是由查找表所支持的半经验表示。其也可以是全解析的表达式。

t_scaled＝f(V_scaled) 等式1

所述方案需要基于从上述表征放电测试中收集的数据对电压和时间值进行缩放。

在步骤21中，时间读数t被缩放到最大放电时间tT。由等式2所表达，

t_scaled(t)＝t/t_T 等式2

其中，t_scaled(t)是在时刻t的缩放的放电时间；

t是放电经过的时间；以及

t_T是总的放电时间。

零时刻(t＝0)对应于零缩放时间以及起始电压的发生(参见以下等式3)。

利用起始电压和终结电压V_end，在步骤22中对电压读数V(t)也进行缩放。起始电压可以采用波谷电压(trough voltage)、台阶电压V_p或对应于从电池释放的特定电量的电压。由于台阶电压V_p是在放电使用中遇到的最高电压，它将成为在缩放的电压上的统一值(unity)的上界。在余下的描述中，假定起始电压为台阶电压V_p。

所采用的终结电压V_end是放电终止时的电压。为了提供最广泛的应用范围，所述终结电压V_end被选取为非常低-低于在感兴趣的应用中可能遇到的任何终结电压。所述的电压缩放处理由等式3表达，

V_scaled(t)＝(V(t)-V_end)/(V_P-V_end)等式3

其中：V_scaled(t)是时刻t的缩放的放电电压；

V(t) 是时刻t的放电电压；

V_end 是系统终结电压；以及

V_p 是放电台阶(起始)电压。

因而对于在时刻t的每个缩放电压V_scaled(t)，存在相应的在时刻t的缩放时间t_scaled(t)。因此，在步骤23中，由等式1所表达的缩放的放电特性被公式化，并被作为查找表、解析表达式等存储在存储器中。

针对工作条件和电池条件的变化，为了说明所述缩放处理的一致性，在图3-5中给出了若干种情况的研究。

图3a)-3f)示出了Oldham 2Hl275单体电池对时间放电电压特性以及利用等式2和3表示的相应缩放的放电特性V_scaled(t)、t_scaled(t)；a)和b)分别对于在等效的恒定电流、功率和电阻下的放电；c)和d)分别对于在不同速率下的放电；以及e)和f)分别对于在不同的环境温度下的放电。

图4a)和4b)示出了使用a)1.9V和b)1.6V作为终结电压的图3c)的放电的缩放的放电特性。

图5a)和5b)示出了不同电池类型的a)对时间的放电电压特性以及b)缩放的放电特性。

图6a)-6f)示出了对时间的放电电压特性以及相应的缩放的放电特性。a)和b)分别对于场老化(field aged)单体电池，c)和d)分别对于热加速老化单体电池，以及e)和f)分别对于补充水的(waterreplenished)热加速老化单体电池。

值得注意的是，在图3-6中，对于不同的工作条件(图3)、电池类型(图5)和电池类型(图6)，缩放的放电特性基本上是一致的。

一旦已经获得了缩放的放电特性，利用图7和图8所示的处理，就能将其用于监测不同电池的存留时间。

在步骤30中，放电开始，并且在步骤31中，在微控制器4(或PC5、6)中运行的算法搜索台阶电压V_P。当在步骤32中达到电压V_P，则在步骤33中存储台阶电压。在步骤34中，利用在步骤15中由用户先前输入的应用终结电压V_end*，用上述等式3计算缩放的电压V_scaled(t)。在步骤34的第一次迭代中，缩放的电压将具有统一值。

在采用所述缩放的放电特性之前，必须依照终结电压V_end*进行缩放。正如上面提到的，利用非常低的终结电压V_end产生等式1的缩放的放电特性。因此，零缩放时间将对应于所述终结电压V_end而不是所述应用终结电压V_end*。然而，缩放的放电特性包括允许其被重新缩放到所述应用终结电压V_end*的必要信息。所述重新缩放处理由以下等式4、5和6描述。

V_scaledend*＝(V_end*-V_end)/(V_P-V_end) 等式4

V_scaledend*(t)＝(V_scaled(t)-V_scaled end*)/(1-V_scaled end) 等式5

t_{scaled *} (t) = t_{scaled} / t_{scaled end *}

等式6

其中：V_end*是新的终结电压；

V_scaled end*是缩放的应用终结电压；

t_scaied end*是对应于所述应用终结电压的缩放的时间；

V_scaled*(t)是采用所述应用终结电压的重新缩放的电压；以及

t_scaled*(t)是采用所述应用终结电压的重新缩放的时间。

在步骤15中，应用终结电压V_end*由操作人员输入。在步骤16中执行图8的算法。因此，应用终结电压，V_end*，被输入到最初的缩放的放电特性(V_scaled，t_scaled)，以确定相应的缩放的新的终结电压V_scaled end*(等式4，步骤50)。然后可以将其用于确定相应的缩放的时间，t_scaled end*(步骤51)。然后利用等式5确定所述重新缩放的电压，V_scaled*(t)(步骤52)。然后利用等式6确定重新缩放的时间t_scaled*(t)(步骤53)。然后对V_scaled(t)的每个值重复此处理并存储为重新缩放的放电特性。

应注意的是：基本上V_end*≤V_end。这是必须利用尽可能/必要低的终结电压获得最初的缩放的放电特性的原因。也应注意到，对于给定的终结电压，步骤15和步骤16只进行一次，而不需要对图7的每一次迭代都重复。

在步骤35中，缩放的电压V_scaled(t)被输入到先前存储的重新缩放的放电特性，以确定重新缩放的时间t_scaled*(t)。然后在步骤36中从所述重新缩放的时间计算缩放的存留时间t_nr，如以下等式7所述，

t_nr(t)＝1-t_scaled*(t) 等式7

绝对存留时间的估计，t_r，可以在步骤37中利用如下等式8从缩放的存留时间估计获得

t_{r} (t_{2}) = \frac{t_{nr} (t_{2})}{(t_{nr} (t_{1}) - t_{nr} (t_{2}))} \cdot (t_{2} - t_{1})

等式8

其中：t_nr(t₁)和t_nr(t₂)分别是对应于自从台阶电压发生起放电经过的时间t₁和t₂的估计的缩放的存留时间。

注意到在所述第一次迭代(在该点上只获取了单个的电压读数)中忽略步骤37。

在t₁和t₂之间的持续时间必须足够长以使得放电电压充分地变化，即，放电电压采样(以及因此部分的(fractional)存留时间估计)必须单调的下降。

下面参照图9来解释等式8的推导。我们假定缩放的存留时间t_nr和时间t通过线性函数t_nr＝1-kt相关，其中k是图9中所示直线的斜率。所述斜率k可以从两个随后的读数推导为：

k = \frac{(t_{2} - t_{1})}{t_{nr} (t_{2}) - t_{nr} (t_{1})}

等式9

我们对估计的缩放的存留时间中的变化特别感兴趣，所述变化发生在目前放电经过的时间(t₂)和对应于放电结束的放电经过的时间(t_e)之间。

换句话说，我们希望找到这样的时间，t_r(t₂)，它是在目前的放电经过的时间(t₂)和与放电结束相一致的时间(t_e)之间的差。

所述放电经过的时间的变化将与缩放的存留时间中的变化相一致，其中缩放的存留时间从当前值，t_nr(t₂)，变化到与放电结束相一致的缩放的存留时间。我们知道在放电结束时的缩放的存留时间等于零。

综合所有这些，我们能得到等式8的推导，其由以下等式10详细表示：

t_{r} (t_{2}) = (t_{e} - t_{2}) = (t_{nr} (t_{e}) - t_{nr} (t_{2})) \cdot k = (t_{nr} (t_{2}) - t_{nr} (t_{e})) \frac{(t_{2} - t_{1})}{(t_{nr} (t_{1}) - t_{nr} (t_{2}))}

等式10

= t_{nr} (t_{2}) \frac{(t_{2} - t_{1})}{(t_{nr} (t_{1}) - t_{nr} (t_{2}))}

现在回到图7，在步骤38中将计算出的存留时间t_r存储在存储器中和/或显示出来。可以将其显示为语言模糊值、直方图、指示性LED或精确的数字形式。这些中的每一种可以是在LCD或VDU显示器上。LED显示器也可以用于指示越限。

然后在步骤39中处理器确定最后的电压读数是否等于V_end*。如果为是，则算法在40结束。

所述方法典型地不需要测量电池电流。

尽管利用从在给定条件下的给定尺寸的一种电池类型得出的电池放电特性已经被证明对表示其他类型、尺寸和条件的电池是有用的，定制所述特性(对具体的电池类型和条件)在估计存留时间中可以提供更高的精确度。

虽然已经通过对其实施例的描述说明了本发明，并已经详细地描述了实施例，但是本发明无意将所附权利要求的范围限定或以任何方式限制到这些细节。额外的优点和变型对本领域技术人员而言是显然的。所以，本发明在其更广泛的方面不受限于具体的细节、代表性的装置和方法、已示出和描述的说明性的例子。因此，无需背离申请人一般性的发明概念的精神或范围，可以从这些细节制造出相应装置。

Claims

1.一种电池监测方法，包括以下步骤：

a)从所述电池获取电池电压测量值；

b)获取与在步骤a)获取的所述电池电压测量值相关的时间测量值；

2.一种电池监测方法，包括以下步骤：

a)从所述电池获取电池电压测量值；

c)通过对在步骤a)中得到的所述电池电压测量值关于起始电压以及预定的终结电压进行缩放来确定缩放的电压值；

e)从在步骤d)中确定的所述缩放的时间值获得绝对时间值。

3.根据权利要求2的方法，其中，所述绝对时间值是指存留时间，所述存留时间指示在所述步骤b)中获取的所述时间测量值与相关于所述预定的终结电压的终结时间之间的差。

4.根据前述权利要求中任何一项的方法，进一步包括：在单个电池放电时，对步骤a)-e)进行一次或多次额外的重复。

5.根据权利要求4的方法，其中，所述步骤e)包括：e)i)确定在第一时间测量值和第二时间测量值之间的差；e)ii)确定与所述第一和所述第二时间测量值相关的一对缩放的时间值的差；以及e)iii)确定在步骤e)i)和e)ii)中确定的所述差之间的比。

6.根据权利要求5的方法，其中，对于步骤e)的每次重复，所述第一和所述第二时间测量值发生变化。

7.根据权利要求6的方法，其中，所述第一和所述第二时间测量值与一对相邻的重复相关。

8.根据权利要求5的方法，其中，所述第一时间测量值对于步骤e)的每次重复是相同的，而所述第二时间测量值对于步骤e)的每次重复发生变化。

9.根据权利要求4的方法，其中，所述电池电压测量值包括测量的起始电压，并且其中，通过对所述电池电压测量值关于所述测量的起始电压和所述预定的终结电压进行缩放来在步骤c)中确定所述缩放的电压值。

10.根据权利要求1-3中任何一项的方法，进一步包括接收和存储所述预定的终结电压的步骤。

11.根据权利要求10的方法，进一步包括依照所存储的所述预定的终结电压对所述预定的电池放电特性进行重新缩放的步骤。

12.一种电池表征方法，包括以下步骤：

13.根据权利要求1到3中任何一项的方法，其中，利用根据权利要求12的方法获得在所述步骤d)中所用的所述预定的电池放电特性。

14.根据权利要求13的方法，进一步包括利用根据权利要求11的方法获得所述预定的电池放电特性的步骤。

15.一种被配置为实现权利要求1到14中任何一项的方法的系统，所述系统包括：用于获取所述电池电压测量值的传感器；用于产生所述时间测量值的计时器；以及用于执行步骤c)到e)的处理器。

16.一种根据权利要求15的系统，进一步包括用于存储步骤e)的结果的存储器。

17.一种根据权利要求15或16的系统，进一步包括一个或多个用于输出步骤e)的结果的输出装置。

18.一种根据权利要求17的系统，其中，所述输出装置是显示单元。