CN102540092B - 用于监控电池的最大可用容量的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监控电池的最大可用容量的方法以及设备以及涉及一种无中断的电流供给设备(30)，其使得能够预测电池(110)的当前运行时间。为此提供一种方法，根据该方法首先提供多个不同的放电结束电压值。现在使电池(110)放电，并且确定电池已改电到的放电结束电压值。紧接着，计数器(120，130)的计数器状态增加，该计数器状态与所确定的放电结束电压值关联。针时每个放电过程，重复这些步骤。现在，每个计数器(120，130)的计数器状态被读取，并且根据所读取的计数器状态确定第一因子，所述第一因子是最大可用的电池容量减小的量度。

Description

用于监控电池的最大可用容量的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于监控电池的最大可用容量的方法以及设备以及一种不间断电源，该不间断电源具有这种用于监控电池的最大可用容量的设备。

背景技术

电池、尤其是可再充电的电池被用在工业设施、汽车和多种用于供给能量的其他领域中。为了能够提供可靠的能量供给，需要监控电池的电池状态(健康状态(state of health)；SOH)、当前的电池容量、电池充电状态和多种其他参数。为此已经公知多种解决方法。

这样，例如在DE 199 52 693 A1中阐述了一种用于确定和显示电池的状态的设备。利用该公知的设备，尤其是可以确定电池的充电状态。为此，该设备具有用于检测电池电压、电池温度、电池电流(充电电流或者放电电流)的传感器。此外，公知的设备具有可以根据所测量的值确定电池状态的分析电路。此外，该公知的设备能够根据放电深度确定电池的用于确定能量吞吐量的充电和/或放电均衡。在这种情况下，尤其是也考虑电池温度。

此外，由DE 38 32 839 C2公知一种用于监控可再充电的电池的方法。该方法尤其是用于以放电特性曲线的相关值的比例计算不同放电电流的可从电池提取的容量。以这种方式可以确定，所设置的放电电流的可提取的容量何时降低到容许的最小值之下。该方法考虑所谓的Peukert效应，其意思是随着电池的放电电路的升高而可提取越来越少的能量。

DE4007883A1公开了一种用于确定电池状态的方法，利用该方法，将在从电池吸取电流之后所测得的放电电压与根据一系列电荷状态曲线而确定的电压值进行比较，并且确定这两个值的电压差。将这个电压差与特定电池类型的所存储的特性相比较，并且因此确定最大可用电池容量的减小。

DE102007029156A1公开了一种用于多个串联连接的电池的监视控制系统，其电池电势被分接(tap)并且被分析，以便优化混合动力车辆中电池的使用持续时间或使用寿命。

发明内容

现在本发明基于如下任务：从公知的解决方法出发，提供一种方法以及一种设备，利用其可更准确地确定电池的当前充电状态，以便可以以这种方式提供关于电池的预期剩余运行时间的精确预测。

本发明的核心思想被认为在于提供一种方法，利用其可以在可预先确定的时刻检测当前电池质量。电池质量的值给出关于最大可用电池容量与标称容量的比例为多大的信息。理论上能存储在电池中的最大电荷被称为标称容量。而最大可用容量表示从电池实际可最大提取的电荷量。最大可用电池容量与多种因子(诸如电池温度、使用持续时间、和电池的内阻)有关。

本发明优选地可被用在如下工业设施中：在这些工业设施中采用USV设备(USV：不间断电源)。USV设备在断电的情况下负责使所述设施的部件及其控制装置能继续工作一定时间并且接着以限定方式使其停止运行。因此，对当前的电池运行时间的准确了解是必要的，因为如果对电池运行时间的计算有错误的话，则USV的电池电压可能在负载停止运行之前失灵。

因此，对电池运行中当前的充电状态和当前的电流消耗的了解是必要的，以便可以进行对于预期剩余的电池运行时间的准确预测。这种预测使得在断电之后能够借助所采用的USV设备使所述设旋继续运行一定的持续时间，其中该持续时间甚至可对应于最大运行时间，以便有足够的电池能量可供使用以使负载能够安全可靠地停止运行。当前的充电状态可以借助充电和放电均衡来确定。

由于为了获得精确的电荷均衡需要精确地了解电池的当前容量、即最大可用容量，所以根据本发明提供一种用于监控电池的最大可用容量的方法。

根据本方法，提供分别与一计数器关联的多个不同的在每次电流吸取结束时的放电结束电压的值。电流被从电池吸取，并且电池已放电到的放电结束电压的值被确定。紧接着，与所确定的放电结束电压值关联的计数器的计数器读数被增加。对于每个进一步的放电过程，重复上述方法步骤。在可预先确定的时刻，读取每个计数器的计数器读数。根据所读取的计数器读数确定第一因子，该第一因子是最大可用电池容量减小的量度。应注意，电流吸取或放电过程不是专门针对测量目的而被强制执行的，而是源自正常的电池运行。

由于考虑多个放电结束电压值，所以可以根据放电过程的放电深度更准确地确定电池的最大可用容量的减小。

如开始已经提及的那样，需要准确地了解最大可用电池容量，以便确定电池的当前充电状态。

确定第一因子的一种可能方案在于：针对每个要监控的电池类型设立测量序列，所述测量序列具有不同的放电结束电压值作为参数并且可被相对于放电过程的数量被绘制。在这种情况下，所述确定的值表明最大可用容量相对于标称容量已减少到何种程度的具体值与每次电流吸取结束时放电结束电压值的每个计数器读数相关。

为了能够还更精确地表明电池质量、即最大可用电池容量相对于标称容量的减少值，测量电池温度，并且以温度加权的方式增加相应计数器的计数器读数。

对于相应的电池类型，温度加权的程度可以从已针对不同电池温度而制订的不同测量序列中读出。

最大可用电池容量还可更准确地被确定，其方式是测量电池温度和电池的使用持续时间。根据所测量的电池温度和所测量的使用持续时间确定第二因子，该第二因子是最大可用电池容量减少的另一量度。在此处应注意，可以根据电池的所测量的使用持续时间推断出其使用寿命。

为了获得关于最大可用电池容量的更精确的信息，确定电池的内阻。根据所确定的内阻确定第三因子，该第三因子是最大可用电池容量减少的另一量度。

为了可以确定电池的当前充电状态，执行充电电流和放电电流均衡(Ladesrom-und Entladestrombilanzierung)、简称为电荷均衡(Ladungsbilanzierung)。为此可以应用本身公知的电荷均衡方法(Ladungsbilanzierungsmethoden)。如果此外在电池运行时测量当前的放电电流，则根据当前的充电状态、当前的放电电流和最大可用电池容量可以确定预期的电池运行时间。由于这种措施，可以在断电之后借助所采用的USV设备使设施继续运行一定的持续时间，其中所述一定的持续时间甚至可对应于最大运行时间。此外，由此确保，在最大运行时间期满之后仍然还提供足够高的电池能量来可靠安全地使负载停止运行。

对于充电电流和放电电流均衡，为要监控的电池类型所选择的特征值与所测得的当前电池电流、当前电池温度和/或当前电池电压一起被使用来由此确定当前的充电状态。

电池的特征值可以是标称电压、使用寿命、标称容量、内阻特征、热特性和其它参数。这些值事先借助多个测量系列来确定，并且在执行本方法时被考虑。

为了上述的技术问题，提出一种用于监控电池的最大可用容量的设备。该设备具有存储装置，在所述存储装置中存储放电结束电压值的的多个不同范围。此外，该设备还具有多个计数器，这些计数器分别与放电结束电压值的这些范围之一关联。控制和分析装置被构造为确定电池在每次电流吸取结束时已被放电到的放电结束电压值的范围，控制与所确定的放电结束电压值关联的计数器的计数器读数的增加，读取每个计数器的计数器读数并且根据所读取的计数器读数确定第一因子，所述第一因子是最大可用电池容量减少的量度。

为了能够提供关于最大可用电池容量减少的更精确的信息，设置有用于测量当前电池温度的温度检测器和用于测量电池的使用持续时间的装置。控制和分析装置被构造为使得其根据所测得的电池温变和所测得的使用持续时间可以确定第二因子，所述第二因子是最大可用电池容量减少的另一量度。

此外，控制和分析装置还能够确定电池的内阻，以便根据所确定的内阻确定第三因子，所述第三因子是最大可用电池容量减少的另一量度。

为了能够提供关于当前可用最大电池容量的精确信息，控制和分析装置可以根据第一和第二和/或第三因子确定最大可用电池容量。

为了可以确定电池的当前充电状态，该设备具有用于存储电池的特征值的另一存储装置、用于检测当前电池电压的电压检测器和用于检测当前电池电流的电流检测器。控制和分析装置还被构造为执行电荷均衡。

根据本发明的用于监控电池的最大可用容量的设备可以被集成到负载的不间断电源中。

应注意，用于确定电池的当前容量的信息可在USV设备运行期间被确定。也就是说，电池在这种情况下持续地连接到USV设备。

附图说明

随后参照实施例结合所附的附图进一步解释本发明。附图中：

图1A和1B示出了解释电荷均衡和确定电池质量的流程图，

图2示出了实现本发明的不间断电源。

具体实施方式

图2示出了示例性的USV设备30、即不间断电源，其以本身公知的方式包含可再充电的电池110。利用USV设备30可以在断电的情况下给电设备或者设施暂时继续供给能量并且于是使其安全可靠地停止运行。为了监控电池110，USV设备30具有多个传感器或者检测器、诸如电压检测器60、电流检测器70和温度检测器80。电压检测器60在可调节的时刻或者连续地测量当前的电池电压。电流检测器70在可调节的时刻或者连续地测量当前的电池电流。根据电池运行，电池电流对应于放电电流或者充电电流。利用温度检测器80来在可调节的时刻或者连续地测量电池温度。检测器60、70和80的所测得的值被输送给控制和分析装置40。设置有存储器90，其中存放多个不同的放电结束电压值范围。如下面还将进一步介绍的那样，放电结束电压值范围用于确定电池110在每个放电过程中的放电深度。

此外还设置有存储器100，其中例如在初始化阶段期间存储电池110的特征值。应注意，事先借助与电池110相对应的电池类型上的一系列测量循环确定存放在存储器100中的电池特征值。存储器90和100的内容可被控制和分析装置40读取。通过显示装置50可以以光学方式输出控制和分析装置40所确定的结果。此外，多个计数器120、130被连接到控制和分析装置，这些计数器分别与存储在存储器90中的放电结束电压值范围之一关联。控制和分析装置知道该关联。

控制和分析装置40所执行的电荷均衡和电池质量监控随后将参照图1A和1B中所示的流程图进一步被解释。通过该流程图示出的示例性电荷均衡算法可以由控制和分析装置40来实施。

应首先假设，对于电池110的电荷均衡应首次被执行。在图1A中通过步骤“初始化”示出的均衡开始时，控制和分析装置40首先被初始化。为此，电池的所有特征值被输入并被存放在存储器100中。如果在第一次启动时不知道电池110的电荷状态，则在步骤1中将电池110的当前电荷设置到25％。以这种方式确保，USV设备30的立刻电池运行是可能的。此外，在下面表示最大可用电池容量的电池容量被设置等于标称容量。在步骤2，现在开始借助电流检测器70、电压检测器60和温度检测器80分别测量电池电流、电池电压和电池温度。当前的测量值由检测器60至80输送给控制和分析装置40。如在流程图的步骤3中所示的那样，控制和分析装置40根据存储在存储器100中的电池特征值和由检测器60至80所提供的当前测量值来确定对在开始时被设置为25％的当前电荷的校正值。控制和分析装置40可以使用存储在USV设备30中的相对应的特征曲线，以便确定该校正值。校正值和测量值在每个电荷均衡循环中被更新。

现在应假设，控制和分析装置40在步骤4确定均衡循环当前涉及充电运行，USV设备因此处于电网运行中。在该运行模式下，电池110通过电网电压被充电。在步骤2中所测得的电池电流因此对应于电池的当前充电电流。因此，控制和分析装置40在步骤5中识别到充电电流正在流动，并且均衡算法分支到步骤6。在考虑步骤2中所测得的值和步骤3中所确定的校正值的情况下，在当前的均衡循环中计算电池此刻已接收的附加电荷量。先前已被设置到25％的当前电荷被增加以该值。紧接着，均衡算法继续进行到步骤7，并且控制和分析装置40检测当前电池电荷是否已达到100％。为此，控制和分析装置40检测步骤2中所测得的电池充电电流是否已降低到特定的阈值之下。在本实例中，控制和分析装置40在步骤7识别到电池还没有被充满，并且充电运行继续进行。均衡算法因此又跳回到步骤2。

再度由控制和分析装置输入检测器60、70和80的当前测量值。在步骤3，根据电池的当前测量值和特征值，再度确定当前电荷的校正因子。

假设，电流检测器70所测得的充电电流仍然还没有低于预先确定的阈值，从而在步骤4和5中，控制和分析装置40分别用“是’应答查询。因此，在步骤6中又利用检测器60至80所测得的测量值和在步骤3所确定的校正值重新计算电池电荷要被增加的电荷量。

在步骤7，控制和分析装置40现在识别到电池已充满。均衡算法因此分支到步骤8。在步骤8，控制和分析装置40结束充电运行。由于电流检测器70所测得的充电电流已经降低到指定的阈值之下，所以控制和分析装置40在步骤5中用“否”应答查询。因此，控制和分析装置40结束充电运行。而步骤4中的电网运行继续运行。继续借助均衡算法监控当前的充电状态。

现在假设，电网运行由于断电而在步骤4被终止。USV设备30以从电池吸取电流或以放电模式运行。电压检测器60再度确定当前的电池电压，电流检测器70确定当前的电池电流，并且温度检测器80确定当前的电池温度。电流检测器70所测得的电池电流现在对应于当前的或所测得的放电电流。在步骤3中，如之前所描述的那样，利用当前的测量值和特征值在控制和分析装置40中确定校正因子。均衡算法现在从步骤4分支到步骤9。校正值在步骤9中与当前的测量值一起被用于计算电池在当前均衡循环中已失去的电荷量。电池110的当前电荷被减小该值。

在此处应注意，根据Peukert效应，在电池运行时由电流检测器70所测得的放电电流决定从电池110可提取的最大电荷。控制和分析装置40被构造来在电池运行或放电模式下根据电池的当前确定的充电状态和当前测得的放电电流给出关于电池运行时间的预测。相对应的值在显示器50上示出。

在步骤10，控制和分析装置40检测当前计算的电荷是否大于使负载停止运行的所规定的剩余电荷，在图1A中用“＞0％”表示。如果是，则均衡算法分支到步骤11。

在步骤11，控制和分析装置40检测当前电池电压是否已经减低到最低的放电结束电压。如果是这种情况，则电池被假设为装载有所规定的剩余电荷，并且负载被停止运行。这在步骤10中达到规定的剩余电荷的情况下发生。但是，如果电压还没有低于最低的放电结束电压，则电池110可以继续被放电，并且均衡算法跳到步骤2。USV设备30因此可以一如既往地工作在放电运行中。但是，如果控制和分析装置40在步骤11发现电压检测器60所测得的当前电池电压小于最低的放电结束电压，则放电过程结束，只要负载停止运行。控制和分析装置40可以在显示装置50上输出关于USV-30不再准备就绪的相关信息。

控制和分析装置40因此被构造为使得其根据所确定的当前电池电荷及时触发连接到USV设备30的负载的停止工作，以致其还可以使该负载安全可靠地停止工作。只有在停止工作之后，当前电池电压才应降低到放电结束电压之下。

在电网运行又开始时，控制和分析装置40确保电池110被连接到电网电压并且被充电。

为了能够确定电池110的当前充电状态并且由此推导出针对当前的电池运行时间的预测，控制和分析装置40可以确定电池质量。不同于有利地逐个循环执行的电荷均衡，当前的电池质量可以相隔可参数化的更大时间间隔来检测。电池质量通过如下说明最大可用电池容量与标称容量的比例为多大的值来限定。如果电池质量例如降低到80％的值之下，则电池110被认为是不能用的。控制和分析装置40可以借助显示装置50示出相对应的信息。

电池质量或最大可用电池容量的检测在图1B中所示的流程图的步骤14中开始。在可为可选步骤的步骤14中，控制和分析装置40以本身公知的方式确定电池的使用持续时间。使用持续时间的测量可以持续地进行。在考虑温度检测器80所测得的当前电池温度和所测得的使用持续时间的情况下，确定被温度加权的因子，该因子是最大可用电池容量的降低值的量度。为此，控制和分析装置40可以已求助于相对应的特征曲线：这些特征曲线表明取块于电池的使用持续时间或其使用寿命和当前的电池温度的损耗因子。在步骤15执行最大可用电池容量的校正。

在步骤16，控制和分析装置40持续地监控电荷均衡以确定何时结束从电池吸取电流、即放电过程。如果放电过程已经结束，则控制和分析装置40确定电池110在相应放电过程中已被放电到的放电结束电压，并且将这样的放电结束电压与其放电结束电压值范围关联。为此，控制和分析装置40与相对应数目的计数器120至130相连，这些计数器分别与存放在存储器90中的放电结束电压值范围之一关联。控制和分析装置40所确定的每个放电过程因此根据所确定的放电结束电压值而在相应的计数器中被计数。控制和分析装置40可借助于相对应的特征曲线：这些特征曲线对于所使用的电池类型针对每个计数值和每个放电结束电压值提供相对应的值。根据计数器120、130的计数器读数，控制和分析装置40于是确定又作为最大可用电池容量减小的量度的因子。此外，控制和分析装置40也可以一同考虑在放电过程期间所测得的当前电池温度，以便以温度加权的方式增加相应的计数器120和130的计数器读数。

控制和分析装置40于是可以根据经过温度加权的计数器读数，确定电池质量或最大可用电池容量的还更精确的值。最大可用电池容量的相关计算在步骤16和17中被执行。

最大可用电池容量减小的另一量度可以根据电池110的动态内阻被确定。已知用于计算电池内阻的多种方法。

在本实例中，在步骤18可以如下地测量动态内阻：首先假设，电池110的动态内阻在电池充满电的情况下并且以温度补偿的方式被测量。根据第一测量方法，给电池电压叠加具有恒定频率(例如100Hz)的小交流电压，接着借助电流检测器70测量电池交流电流。内阻于是可以由控制和分析装置40根据等式R_I＝U_EFF/I_EFF来计算。

根据一可替选的测量方法，从电池110相继吸取两个直流电流，并且由此测量相对应的电池电压。内阻根据等式R_I＝ΔU/Δ1来得到。为了可以消除温度对内阻的影响，内阻的测量值与当前电池温度的测量值一起被换算为标准化温度下的电阻值。这些标准化的电阻值彼此是可比较的。为了可以对于对最大可用电池容量的影响来分析所测得的内阻，必需在电池110全新状态下测量参考值并存储该参考值。关于减小的电池容量的量度现在由内阻的升高来推导。

在步骤19，于是对于内阻的改变修正最大可用电池容量。

在此处应注意，计算电池容量的校正因子以及电池110的当前充电状态所必需的特征曲线的生成并不是本发明的主题，并且因此没有被进一步描述。

在电池质量检测结束时，算法跳到步骤2，并且上述电荷均衡过程重新开始。

Claims (16)

1.一种用于监控电池的最大可用容量的方法，具有下列方法步骤：

a)提供多个不同的放电结束电压值，这些放电结束电压值分别与一个计数器关联；

b)使电池放电；

c)确定电池已放电到的放电结束电压值；

d)增加与所确定的放电结束电压值关联的计数器的计数器读数；

e)重复步骤b)至d)；

f)读取每个计数器的计数器读数；以及

g)根据所读取的计数器读数确定第一因子，所述第一因子是最大可用电池容量减小的量度。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

测量电池温度，并且在步骤d)以温度加权的方式增加相应计数器的计数器读数。

3.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

测量电池温度和电池的使用持续时间，并且根据所测得的电池温度和所测得的使用持续时间确定第二因子，所述第二因子是最大可用电池容量减小的另一量度。

4.根据权利要求2所述的方法，

其特征在于，

测量电池温度和电池的使用持续时间，并且根据所测得的电池温度和所测得的使用持续时间确定第二因子，所述第二因子是最大可用电池容量减小的另一量度。

5.根据权利要求1至4之一所述的方法，

其特征在于，

确定电池的内阻，并且根据所确定的内阻确定第三因子，所述第三因子是最大可用电池容量减小的再一量度。

6.根据权利要求1至4之一所述的方法，

其特征在于，

执行充电电流和放电电流均衡，以便确定电池的当前充电状态，

在电池运行时测量当前的放电电流，以及

根据当前充电状态、当前放电电流和最大可用电池容量确定预期的电池运行时间。

7.根据权利要求6所述的方法，

其特征在于，

在执行充电和放电电流均衡之前存储电池的特征值。

8.根据权利要求7所述的方法，

其特征在于，

在充电和放电电流均衡期间测量当前的电池电流、当前的电池温度和/或当前的电池电压。

9.根据权利要求8所述的方法，

其特征在于，根据电池的特征值、当前的电池电流、当前的电池温度和/或当前的电池电压确定当前的充电状态。

10.一种用于监控电池的最大可用容量的设备，具有：

控制和分析装置，

用于确定在从电池吸取电流结束时的放电结束电压的装置，

存储装置，存储多个在所确定放电结束电压的情况下的电池电荷的数值范围，

多个计数器(120，130)，这些计数器分别与在放电结束电压的情况下电池电荷的数值范围之一关联，并且用于对在相关联的数值范围中放电结束电压的出现进行计数，

另一存储装置，用于存储电池特征值，以及

用于根据电池电荷的数值范围中的计数以及电池特征值确定第一因子的装置，所述第一因子是最大可用电池容量减小的量度。

11.根据权利要求10所述的设备，

其特征在于，所述设备还具有：

温度检测器，用于测量当前的电池温度，

用于测量电池的使用持续时间的装置，以及

用于根据所测得的电池温度和所测得的使用持续时间确定第二因子的装置，所述第二因子是最大可用电池容量减小的另一量度。

12.根据权利要求10所述的设备，

其特征在于，所述设备还具有：

用于确定电池的内阻的装置，和

用于根据所确定的内阻确定第三因子的装置，所述第三因子是最大可用电池容量减小的再一量度。

13.根据权利要求11所述的设备，

其特征在于，所述设备还具有：

用于确定电池的内阻的装置，和

用于根据所确定的内阻确定第三因子的装置，所述第三因子是最大可用电池容量减小的再一量度。

14.根据权利要求13所述的设备，

其特征在于，

控制和分析装置处理第一因子和/或第二因子和/或第三因子以确定最大可用电池容量。

15.根据前述权利要求10所述的设备，

其特征在于：

所述另一存储装置适于将电池的特征值与计数器的计数关联，并且设置有用于检测当前电池电压的电压检测器和用于检测当前电池电流的电流检测器，其中控制和分析装置被构造用于执行根据权利要求6至9之一所述的方法。

16.一种不间断电源，其具有根据权利要求10至15之一所述的设备。