CN105814446B - 用于确定电池的剩余运行时间的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定电池(4)的剩余运行时间(Δti)的方法，该电池(4)向设备(2)提供电力。该方法包括以下步骤：在设备(2)的操作期间，在不同时间点(ti)处测量由电池(4)提供的电压(Ui)，以获得时间电压对(t，U，)，以及计算电池(4)的剩余运行时间(Δti)，其中，计算基于测得的时间电压对(ti，Ui)并且基于测量电压(Ui)、对应时间点(ti)与电池(4)的总运行时间(T1)之间的关系，该关系可以根据这个关系的能斯特方程的时间相关表达式导出。

Description

用于确定电池的剩余运行时间的方法和装置
本发明涉及用于确定向设备提供电力的电池的剩余运行时间的方法和装置。具体地，所述方法和装置适于确定在设备运行时电池的剩余运行时间。
对电池的运行时间结束或剩余运行时间的预测特别地与需要不间断运行的由电池供电的设备相关。这些设备包括医疗设备如给病患输注药物或针对肠内营养(肠外营养)的营养物的输液泵。
根据现有技术已知这样的方法和相应的装置。一种已知的确定电池的荷电状态的方法依赖于对电池输送的电流的测量。电流关于时间的积分对应于电荷的消耗。如果已知初始荷电状态，则从而可以推导出当前荷电状态。
另一种方法基于与电池参数如电压、电流和温度的测量相关的电池模型。采用适当的模型，根据通过神经网络或卡尔曼滤波技术的这些测量来推导出电池的荷电状态。然而，这种方法要求模型参数的校准和高性能计算资源。
本发明的目的是提供一种用于确定电池的剩余运行时间的方法，该方法在不需要高性能计算资源的情况下提供精确的结果。具体地，该精确度应该使得该方法确定的结果可以用于触发警报，其中，要遵守涉及警报信号与电池的运行时间结束之间的时间延迟的标准。
根据权利要求1，该方法包括：在设备的操作期间在不同时间点处测量由电池提供的电压，以获得时间电压对；以及执行计算以确定电池的剩余运行时间。该计算一方面基于测得的时间电压对，另一方面基于测量电压、对应时间点与电池的总运行时间之间的关系。这种关系根据能斯特方程的时间相关公式导出。
根据实施方式，(仅)当测量电压下降低于(或达到)预定电压阈值时，执行对电池的剩余运行时间的计算。在达到预定电压阈值之前，可以仅测量电压而不测量对应时间点。一旦测量电压已经下降低于(或达到)预定电压阈值，则结合对应时间点来测量电压。可替选地，在达到预定电压阈值之前和在已经达到预定电压阈值之后，可以贯穿整个方法来测量时间电压对。在任何情况下，一旦测量电压已经下降低于(或达到)预定电压阈值，则结合对应时间点来测量电压。由于不是在设备的整个操作期间都进行计算，而是仅在发现测量电压低于预定电压阈值的情况下进行计算，因此可以降低执行该方法所需的计算能力。可以通过从计算出的总运行时间中减去实际的时间点来确定剩余运行时间。
能斯特方程的有关的时间相关公式可以通过下式来表达：
其中，Ui是在时间点ti处测得的由电池提供的电压，
C1是与电池的标准电池电势ΔE0相关的常数，
C2是取决于电池的类型的常数，
T是温度，
T1是电池的总运行时间，以及
T2是取决于电池的初始状态的参数。
更具体地，时间相关能斯特方程读作
其中，Ui是时间点ti处的测量电压，
ΔE0是以伏特为单位的电池的标准电池电势，
R是通用气体常数(R＝8，314JK-1mol-1)，
T是以开尔文为单位的温度，
z是交换的电子的数目，
F是法拉第常数(F＝96485，34JV-1mol-1)，
T1是电池的总运行时间，以及
T2是取决于电池的初始状态的参数。
如将在下文中示出的，时间相关能斯特方程可以重新表述读作其中或更具体地，
根据本发明的另一方面，可以通过使用测量电压、对应时间点与电池的总运行时间之间的关系对时间电压对进行线性回归来确定电池的总运行时间，该关系可以通过根据能斯特方程的时间相关公式导出的线性方程来表达。与基于对数能斯特方程的计算相比，基于线性方程的计算要求较小的计算能力。具体地，与根据现有技术已知的神经网络或卡尔曼滤波技术相比，使用根据能斯特方程导出的线性方程的方法所要求的计算能力要求较小的计算能力。
线性方程可以由表示，其中或更具体地线性方程是方程的近似，并且特别是在ti的值接近T1的情况下这些测得的时间电压对的能斯特方程的良好表示。下面的表达式仅是上面的能斯特方程的重新表述，如将在下面示出的：
可以通过针对ti的值接近T1对时间电压对进行最小二乘拟合并且通过使用线性方程来确定电池的总运行时间。
为了减小可能不利地影响计算质量的噪声，可以平滑测量值。优选地，仅对已经达到预定电压阈值之后测得的值施加平滑。可替选地，在贯穿整个方法来测量时间电压对的情况下，还可以对在达到预定电压阈值之前测得的值施加平滑或者对整个组的测量值施加平滑。可以通过将滑动窗口应用于测得的时间电压对来进行平滑，从每个窗口选择具有最大电压值的时间电压对以进行计算。
如果发现计算出的剩余运行时间低于预定阈值，则可以生成输出信号从而警告用户：电池的运行时间(即将)结束。
根据本发明的又一方面，通过根据权利要求11的用于确定电池的剩余运行时间的装置以及通过根据权利要求14的机器可读存储介质来解决上述问题。
随后将参照附图所示的实施方式来更详细地描述本发明所依据的思想。在附图中，
图1示出了由电池供电且包括用于确定电池的剩余运行时间的装置的设备的示意图；
图2示出了由电池提供的作为时间的函数的电压的示例性测量，该测量意在用于执行根据本发明的实施方式的用于确定电池的剩余运行时间的方法；以及
图3示出了平滑之后的根据图2的测量。
图1示出了由电池4供电且包括用于确定电池4的剩余运行时间Δti的装置6的设备2，电池4正在向设备2提供电力。设备2可以是医疗装置如注射泵。电池4可以是电化学电池例如镍-金属氢化物电池。
装置6包括测量装置8和计算装置10。在图1所示的实施方式中，装置6进一步包括输出装置12。
测量装置8适于测量由电池4提供的电压Ui。另外，测量装置8适于测量对应的时间点ti。优选地，测量装置8贯穿电池4的整个放电来测量电压Ui。在已经达到预定电压阈值Utr之后，可以周期性地例如每秒执行电压测量。在达到这个预定电压阈值Utr之前，可以减小电压测量的频率。根据替选，仅在装置6的用户请求时执行电压测量。优选地，仅在已经达到了预定电压阈值Utr之后，执行对应时间点ti的测量。可替选地，可以贯穿电池4的整个放电，连同电压测量一起执行对应时间点ti的测量。当连同对应时间点ti的测量一起执行电压测量时，生成时间电压对ti、Ui。每个测量电压Ui可以归因于特定时间点ti。
计算装置10包括比较器14、存储器16和中央处理单元(CPU)18。
比较器14适于将测量电压Ui与预定电压阈值Utr进行比较。电压阈值Utr可以取决于设备2的性质和/或电池4的类型。在电池4的放电期间，其电压电平在大部分时间区间上表现基本恒定。可以特定地选择电压阈值Utr以稍低于这个恒定的电压电平。
存储器16是机器可读存储介质，并且适于保存测得的时间电压对ti、Ui以及预定电压阈值Utr和适于计算电池4的剩余运行时间Δti的机器可读程序代码。可替选地，测得的时间电压对ti、Ui以及预定电压阈值Utr可以被存储在分离的存储器(未示出)中。
CPU 18被链接至比较器14并且被链接至存储器16。CPU 18适于分析比较器14的输出。在测量电压Ui低于电压阈值Utr的情况下，CPU 18基于保存在存储器16中的程序代码来启动并执行计算以确定电池4的剩余运行时间Δti。在发现测量电压Ui高于电压阈值Utr的情况下，CPU 18不启动所述计算。
计算结果被用于触发警报信号。更具体地，将所确定的剩余运行时间Δti与预定时间阈值Δttr进行比较，并且如果所确定的剩余运行时间Δti等于或小于预定时间阈值Δttr，则触发警报信号。警报信号可以由输出装置12提供。输出装置12可以是视觉装置(例如显示器)和/或听觉装置(例如扬声器)。
装置6可以进一步包括：输入装置(未示出)，其允许装置6的用户输入计算装置10要使用的数据和/或信息。
在图1所示的实施方式中，装置6被集成到由电池4供电的设备4中，并且电池4的剩余运行时间Δti将由装置6来确定。可替选地，可以将装置6提供为与设备2分离的模块。分离的模块可以被连接至向设备2提供电力的电池4，或者被连接至设备2的电路。根据另一可替选实施方式，可以将存储器16提供为分离的存储介质，该存储介质是机器可读的并且存储适于计算电池4的剩余运行时间Δti的机器可读程序代码。
用于确定电池4的剩余运行时间Δti的装置6适于执行用于确定所述电池4的剩余运行时间Δti的下述方法：
在第一步骤中，在设备2的操作期间周期性地测量由电池4提供的电压Ui。将测量电压值与预定电压阈值Utr进行比较。对于提供5.6V的最大电压的镍-金属氢化物电池，可以将电压阈值Utr选择成4.8V的量。通过比较器14来进行比较。一旦测量电压值已经下降低于(或达到)预定电压阈值Utr，则测量装置8还测量对应时间点ti。可替选地，对应时间点ti的测量独立于预定电压阈值Utr。将所得到的时间电压对ti、Ui存储在存储器16中。图2示出了电池4的典型电压信号的示例。在此，横坐标表示以秒为单位的时间，而纵坐标表示以伏特为单位的测量电压。
图2所示的时间电压对ti、Ui的测量不是从电池4的总运行时间的开始处开始的，而是从与总运行时间T1的大约90％对应的时间点ti＝0处开始的。总体电压信号随时间流逝而减小。具体地，在测量电压Ui轻微衰减之后，发生突然的电压降。
在较小的时间尺度上，可以察觉到电压降呈现(近似)周期性。这些电压降由消耗电池4提供的电力的设备2产生。
通常，电压信号从一个测量点到下一测量点进行波动。大体上，贯穿整个测量存在这种同形(shot-to-shot)波动。然而，由于图2中所选择的分辨率，所以特别地朝向测量结束，这种波动变得明显。
为了抑制由于电力消耗和同形波动而导致的电压信号波动，在该方法的第二步骤中，对测得的时间电压对ti、Ui的信号进行平滑。为此，将滑动窗口应用于测量信号，并且针对每个窗口选择最大电压值max(Ui)用于进一步处理。图3示出了所得到的平滑信号。可替选地，可以应用其它常规的平滑方法。
测量电压值与预定电压阈值Utr的比较具体地用于触发对剩余运行时间Δti的计算。如果测量电压Ui大于预定电压阈值Utr，则不执行计算。反之，如果测量电压Ui小于预定电压阈值Utr，则在第三步骤中启动对剩余运行时间Δti的计算。
通过计算装置10的CPU 18来执行计算，计算装置10执行存储在存储器16中的程序代码。计算基本上依赖于测量电压Ui、对应时间点ti与电池4的总运行时间T1之间的关系。所述关系可以根据所谓的能斯特方程的时间相关公式导出。
能斯特方程通常描述处于其平衡状态亦即无任何电流流动的电化学电池(例如电池4)。由于在该方法的第二步骤中仅针对每个窗口选择最大电压值max(Ui)(其是与最小电流对应的值Ui)，因此能斯特方程是用于描述向设备2提供电力的电池4的合理近似。
电池通常包括两个半电池。在例如镍-金属氢化物电池中，一个半电池包括碱性电解质槽中的羟基氧化镍(NiOOH)电极，而另一个半电池包括碱性电解质槽中的金属氢化物(MH)电极，其中，碱性电解质槽包括氢氧根离子(OH-)。电池的能斯特方程将电池的两个半电池之间的电势差(或电压)Ui与电池的每个半电池中的电解质浓度相关。
在镍-金属氢化物电池放电期间，发生下面的反应：
第一半电池：MH+OH-→M+H2O+e-
第二半电池：NiOOH+H2O+e-→Ni(OH)2+OH-
假设第一半电池中的氢氧根离子即在电池的放电期间要被消耗的氢氧根离子的浓度是(镍-金属氢化物)电池中的放电反应的限制因数，则第一半电池的能斯特方程读作：
其中，E1是第一半电池的电极电势，
是第一半电池的标准电极电势，
R是通用气体常数(R＝8，314JK-1mol-1)，
T是以开尔文为单位的温度，
z是交换的电子的数目，
F是法拉第常数(F＝96485，34JV-1mol-1)，
[OH-]1是第一半电池中的氢氧根离子的浓度。
相应地，第二半电池的能斯特方程读作：
其中，E2是第二半电池的电极电势，
是第二半电池的标准电极电势，
R是通用气体常数(R＝8，314JK-1mol-1)，
T是以开尔文为单位的温度，
z是交换的电子的数目，
F是法拉第常数(F＝96485，34JV-1mol-1)，
[OH-]2是第二半电池中的氢氧根离子的浓度。
两个半电池之间的电势差ΔE＝E2-E1描述在该方法的第一步骤中测量的由电池4提供的电压U。从而整个电池的能斯特方程读作：
其中，U是由电池提供的电压，以及
是以伏特为单位的电池的标准电池电势。
不依赖半电池的类型，电池的能斯特方程通常可以被表达为：
其中，U是由电池提供的电压，
ΔE0是以伏特为单位的电池的标准电池电势。
R是通用气体常数(R＝8，314JK-1mol-1)，
T是以开尔文为单位的温度，
z是交换的电子的数目，
F是法拉第常数(F＝96485，34JV-1mol-1)，
c1是第一半电池中的电解质浓度，以及
c2是第二半电池中的电解质浓度。
在电池4的操作期间，浓度c1和c2变化，具体地，c1减小而c2增大。从而在不同时间点ti处由电池4提供的电压Ui取决于浓度变化。这种依赖关系可以以能斯特方程表达如下：
其中，Ui是在时间点ti处由电池提供的电压，
是放电开始(ti＝0)处第一半电池中的电解质浓度，
是放电开始(ti＝0)处第二半电池中的电解质浓度，以及
k是电化学反应的反应速率常数。
通过k对方程(V)的对数项进行归一化而得到：
其中，并且由于是在反应速率常数为k的反应中在第一半电池中要被消耗的电解质的浓度，因此T1表示在ti＝0与这种电解质被消耗完的时间点之间的时间段。亦即，T1表示电池的总运行时间。T2是取决于第二半电池中的初始电解质浓度的参数。
为了确定总运行时间T1，对时间电压对ti、Ui进行线性回归。在测量电压Ui小于预定电压阈值Utr的情况下，亦即，在时间值ti接近总运行时间T1的结束的情况下，使用时间电压对ti、Ui来执行线性回归。线性回归基于根据能斯特方程(VI)导出的线性方程。
首先，能斯特方程(VI)被改写成
其中，
由于T2比ti大得多，所以可以将方程(VII)近似成
方程(VIII)是具有参数T1和T2以及变量xi和ti的线性方程。变量xi取决于测量电压Ui并且取决于(常量)参数，使得可以根据测量电压值Ui来直接计算xi。假设以及方程(VIII)可以被写成
xi＝Ati+B (IX)
通过使用方程(IX)搜索n个时间电压对ti、Ui的最小二乘拟合来进行线性回归。例如，使用n＝200个时间电压对ti、Ui来进行线性回归。因此，必须选择参数A和B以使以下函数最小化：
还被称为最佳拟合参数的A和B的所得到的值为：
以及
其中，并且
最后CPU 18根据下式在电池4的时间点ti处确定剩余运行时间Δti：
Δti＝T1-ti (XI)
在该方法的第四步骤中，如果剩余运行时间Δti低于预定时间阈值Δttr，则输出装置12生成输出信号，从而警告用户：设备2由于缺乏电力而将很快关机。时间阈值Δttr可以取决于设备2的类型，并且被选择以遵照(国际)国家标准和规定。根据一个实施方式，时间阈值Δttr在15分钟至90分钟之间，优选地，在30分钟至60分钟之间。

Claims (14)

1.一种用于确定电池(4)的剩余运行时间(Δti)的方法，所述电池(4)向设备(2)提供电力，所述方法包括以下步骤：
在所述设备(2)的操作期间，在不同时间点(ti)处测量由所述电池(4)提供的电压(Ui)，以获得时间电压对(ti，Ui)，以及
计算所述电池(4)的剩余运行时间(Δti)，其中，所述计算基于测得的时间电压对(ti，Ui)并且基于测量电压(Ui)、对应时间点(ti)与所述电池(4)的总运行时间(T1)之间的关系，所述关系可以根据所述关系的能斯特方程的时间相关公式导出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述测量电压(Ui)下降低于预定电压阈值(Utr)时，执行对所述电池(4)的剩余运行时间(Δti)的计算。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在特定时间点ti处的剩余运行时间(Δti)读作Δti＝T1-ti。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述能斯特方程的时间相关公式读作：
其中，Ui是在时间点ti处测量的由所述电池(4)提供的电压，
C1是与所述电池的标准电池电势相关的常数，
C2是取决于所述电池(4)的类型的常数，
T是温度，
T1是所述电池(4)的总运行时间，以及
T2是取决于所述电池的初始状态的参数。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述测得的时间电压对(ti，Ui)的关系读作
其中，
Ui是在时间点ti处测量的由所述电池(4)提供的电压，
C1是与所述电池的标准电池电势相关的常数，
C2是取决于所述电池(4)的类型的常数，
T是温度，
T1是所述电池(4)的总运行时间，以及
T2是取决于所述电池的初始状态的参数。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过所述时间电压对(ti，Ui)的线性回归来确定所述电池(4)的总运行时间(T1)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过使函数最小化来执行所述线性回归，其中， 以及n是用于所述线性回归的时间电压对(ti，Ui)的数目。
8.根据权利要求1、2和7中任一项所述的方法，其特征在于，在执行所述计算之前，所述测得的时间电压对(ti，Ui)通过平滑方法来处理。
9.根据权利要求1、2和7中任一项所述的方法，其特征在于，将滑动窗口应用于所述测得的时间电压对(ti，Ui)，并且从每个窗口选择具有最大电压值(max(Ui))的时间电压对(ti，Ui)以执行所述计算。
10.根据权利要求1、2和7中任一项所述的方法，其特征在于，如果发现所述剩余运行时间(Δti)低于预定时间阈值(Δttr)，则生成输出信号。
11.一种用于确定电池(4)的剩余运行时间(Δti)的装置，所述电池(4)向设备(2)提供电力，所述装置包括：
测量装置(8)，其适于在所述设备(2)的操作期间在不同时间点(ti)处测量由所述电池(4)提供的电压(Ui)，以获得时间电压对(ti，Ui)，以及
计算装置(10)，其被编程成基于测得的时间电压对(ti，Ui)并且基于测量电压(Ui)、对应时间点(ti)与所述电池(4)的总运行时间(T1)之间的关系来计算所述电池(4)的剩余运行时间(Δti)，所述关系可以根据所述关系的能斯特方程的时间相关公式导出。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，比较器(14)，其适于将所述测量电压(Ui)与预定电压阈值(Utr)进行比较，并且如果所述测量电压(Ui)下降低于所述预定电压阈值(Utr)，则通过所述计算装置(10)来启动对所述剩余运行时间(Δti)的计算。
13.根据权利要求11或12所述的装置，其特征在于，所述装置(6)适于执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法。
14.一种包括机器可读程序代码的机器可读存储介质，所述机器可读程序代码适于由装置(6)执行以用于确定向设备(2)提供电力的电池(4)的剩余运行时间(Δti)；并且当所述装置(6)执行所述程序代码时，使所述装置(6)执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法。
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