CN106796270B - 用于估计为系统供电的设备中的电池的健康状态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于估计为系统供电的设备中的电池的健康状态的方法，所述方法包括以下步骤：自动地切断从主电源到系统的电力供应，确定由电池向系统递送的给定的功率，以及测量跨电池的端子的电压，恢复对系统的电力供应，确定理论总电池放电时间，确定部分电池放电曲线，以及外推所述曲线以便推导出总电池放电曲线并且估计实际总电池放电时间，从中推导出电池的健康状态。

Description

用于估计为系统供电的设备中的电池的健康状态的方法

本发明涉及一种估计为系统供电的电源设备中的电池的健康状态(SoH)的方法。

本发明的背景技术

诸如中继站的隔离站点通常包括可能与一个或多个次级电源相关联并且用于为外部系统供电的主电源。它们还包括当电源不再能够提供电力时适用于为系统供电的应急电池。

电池因而很少被用于为系统供电。作为结果，如果电池发生故障或呈现低性能(尤其作为老化的结果)，则在其真正投入工作时才被检测到为时已晚。

为了减轻该缺陷，已知的是，定期地向隔离的站点派遣操作员以对电池进行测试。为此，操作员将电池与外部系统断开，以便促使电池自动地放电到电阻器中。然后，操作员相比于新的完全相同的电池的放电容量研究该电池的放电容量，并且从中推导出该电池的健康状态以便决定该电池是否应该被更换。

然而，对单个电池进行测试需要大约四个小时，使得站点保持在整个该时间段内丧失其电池能力，这在主电源发生故障的情况下可能是麻烦的。此外，其导致对电源设备中信号的干扰。

发明目的

本发明的一个目的是提供一种估计电池的健康状态的方法，该方法对由所述电池供电的系统的干扰较小。

发明简述

为了实现该目的，本发明提供了一种估计为系统供电的电源设备中的电池的健康状态的方法，该电源设备具有至少一个主电源，其名义上为所述系统供电，电池被耦合到所述主电源和所述系统，以便能够在来自所述主电源的电力供应中断的情况下为所述系统供电，该方法包括以下步骤：

－自动地中断从主电源到系统的电力供应，电池保持耦合到外部系统以便为所述外部系统供电；

－确定由电池递送到所述系统的功率并且测量由电池递送到所述系统的电压；

－在电池完全放电之前，重新建立从主电源到系统的电力供应；

－根据所递送的功率来确定电池的理论完全放电时间；以及

－根据在部分放电期间所测得的电压，确定电池的部分放电曲线，并且外推所述曲线以便从中推导出电池的完全放电曲线，以及由此推导出电池的实际完全放电时间，实际完全放电时间除以理论放电时间所得的比率给出电池的健康状态。

因此，通过自动地中断从主电源到系统的电力供应，电池为系统供电并且因此自然地向系统中放电。因此，本发明的方法有利地使得直接根据在电池的正常工作中所测得的数据来估计电池的健康状态(即，如同存在由电源提供的电力的真正中断而且系统由电池供电，并且不将电池与系统断开)成为可能。

因此，本发明的系统使得在执行该方法时避免干扰系统和电源设备成为可能，因为电池被促使来正常地工作并且当它被部分地放电时，不向电源设备的其余部分或者向系统传送任何干扰信号。

此外，该方法实现起来简单且快捷，因为不需要修改电池的连接以便研究其放电，并且此外，仅电池的部分放电得到研究。

附图简述

本发明可以鉴于以下对于本发明的特定非限定性实施例的描述而被更好地理解。对附图作出引用，在附图中：

－图1是示出用于执行本发明的方法的电源设备的一部分以及其供电的系统的图示；

－图2是示出对图1所示的设备的电池进行部分地放电的主要步骤的流程图；

－图3是示出在图2中图解地示出的部分放电已终止之后，确定图1所示的设备的电池的健康状态的步骤的图示；

－图4是绘制图1所示设备的电池在不同放电机制下的各种理论完全放电曲线的曲线图；以及

－图5是示出图1所示的设备的电池的理论完全放电曲线和实际完全放电曲线的曲线图。

发明的详细描述

参考图1，使用位于诸如中继站之类的站点上的电源设备来执行本发明的方法。电源设备具有主电源1(例如电网或发电机)，其递送交流(AC)电源。电源设备还具有适配器构件2，其用于将所述AC电源转换成适用于为外部系统S供电的直流(DC)电源。

以已知的方式，电源设备包括被连接到适配器构件2的电池3。在该示例中，适配器构件2还充当电池3的充电器，并且其因此被配置成允许电池3从由主电源1供应的电力中进行充电。电池3从而经由适配器构件2被耦合到所述源1和外部系统S，以便能够在需要时为外部系统S供电。

具体而言，主电源1名义上为外部系统S供电。然而，每当经由主电源1向外部系统S的电力供应中断时，电池3被配置成对外部系统S供电，直到来自主电源1的电力供应被重新建立。

优选地，电源设备包括由站点外(off-site)计算机C远程管理的控制器4。控制器4与计算机C之间的通信例如由互联网、GSM网络、3G网络等提供。.以特定的方式，控制器4直接地或者经由计算机C来连接以访问列出操作员要监控的各个站点的各个电池的数据库。该数据库具体而言列出每个电池的类型(即模型)以及电池的电路配置(无论它们是否并联连接)。该数据库还包括由制造商提供的并且表征每种类型的电池的数据。

此外，电源设备包括均被连接到控制器4的各种传感器(在该示例中未示出)。在该示例中，该设备具有用于测量由电源设备向系统S递送的电压V_sys的传感器、用于测量由电源设备向系统S递送的电流I_sys的传感器、用于测量由电池3递送到适配器构件2的电流I_batt的传感器、用于测量电池的温度T_batt的传感器，以及用于测量环境温度T_amb(即，存在于电源设备外部的温度)的传感器。

在该示例中，电源设备包括继电器5，其被配置成使得从主电源1到系统S的电力供应能够被中断，该继电器由控制器4控制。

下面描述本发明的方法。

参考图1和图2，响应于计算机C向控制器4传送命令以估计电池3的健康状态，控制器4优选地确保可开始对电池3进行部分地放电。这是图2中标记为100的步骤。

在该示例中，控制器4以估计电池3是否被完全地充电开始。通常，如果适配器构件2已执行维护充电(即以通常称为“浮动模式”的模式工作)达至少两天，则电池3被视作被充分地充电。

此后，控制器4估计环境温度条件以及电池3的温度是否为可接受的。通常，如果电池的温度T_batt在给定范围内并且环境温度T_amb在给定范围内(这两个范围是由操作员预定义并且可设置的)，则这样的条件是可接受的。具体而言，在非常寒冷的天气，不可避免地存在由于温度导致的电池的充电/放电容量的暂时损失。因此，当环境温度T_amb非常低和/或当电池的温度T_batt非常低时执行本发明的方法将不能够估计电池3的真实的健康状态，因此在这样的情况下发起本发明的方法的其余部分没有意义。

如果控制器4确定该方法的剩余部分不应该被执行，则其向计算机C发送对应的消息。

如果控制器4确定电池3被完全地充电并且温度条件是可接受的(即，所述方法的剩余部分可被执行)，则控制器4通过促使控制继电器5被激活来执行所述方法的接下来的步骤101，以便自动地中断从主电源1到系统S的电力供应。作为结果，系统S由电池而不是由主电源1继续供电。电池3接着开始放电。

在对电池3进行部分地放电的步骤102期间，控制器4记录由电源设备的各种传感器提供的数据。具体地，控制器4在电池3的部分放电期间记录由电源设备向系统S递送的电压V_sys，即具体而言，由电池3递送到系统S的电压。在该示例中，控制器4还记录在电池3的整个部分放电期间由电池3递送到适配器构件2的电流I_batt。此外，控制器4还记录由电池3递送到所述系统S的功率P_batt。在该示例中，所述功率P_batt在理论上是恒定的，因为系统S以恒定功率工作，即使由电池3递送的电压和电流随时间变化。作为结果，在该示例中所递送的功率P_batt基于在部分放电开始时由电池3递送的电压和电流信息V_sys和I_batt只在电池3的部分放电开始时被确定一次。

在电池3被完全地放电之前，控制器4在步骤103中起到停用控制继电器5的作用，以便自动地重新建立从主电源1到系统S的电力供应。这标志着电池3的部分放电的结束。

优选地，该命令被自动地发布而不需要操作员经由计算机C进行干预以便请求部分放电的结束。

以特定的方式，当电池电压V_sys变得小于给定阈值电压V_thresh时，控制器4命令控制继电器5的停用。所述阈值电压V_thresh可例如由操作员预定义和设置。然而，所述阈值电压V_thresh必须自然地不小于电池的停止电压V_stop，该电压由制造商定义和提供，并且对应于电池的最小工作电压，低于该最小工作电压时电池将劣化。所述阈值电压V_thresh同样被有利地选定，以大于电池3被要求递送到系统S以便使得系统S能够在其仅由电池3供电时工作的最小电压。

因此，停止电池3的部分放电的条件被设计成避免过度地长时间的放电而不利于系统S。

作为结果，在执行本发明的方法的同时对电池3进行部分地放电不会干扰系统S的操作。

参考图1、图3和图5，由控制器4记录的数据随后被处理，以便直接通过控制器4或者在数据已由控制器4传送到计算机C之后通过计算机C来确定电池3的健康状态。

为此，针对电池3计算理论完全放电时间t_{theoretical_total}。

为此目的，基于根据递送的功率给出电池能够递送的能量的数据、由数据库提供并且取决于所讨论的电池的类型和所讨论的电池的电路配置的数据，步骤200被执行以确定函数f₁，该函数根据递送的功率P给出放电时间t。

通常，函数具有式：

f₁(t)＝b.P^a (1)

其中：a和b通过使用基于上述数据的最小二乘法的常规的函数拟合算法来确定；

P是由电池递送的功率；并且

t是放电时间。

一旦计算出，则系数a和b优选地被记录在数据库中，使得它们不需要在每次再次执行本发明的方法时被确定。

基于所述函数(1)并且基于在开始电池3的部分放电时经确定的所递送的功率P_batt，于是在步骤201期间计算递送所述给定的递送功率P_batt的电池3的理论完全放电时间t_{theoretical_total}是可能的。该理论完全放电时间t_{theoretical_total}实际上对应于使与电池3相同类型、采用相同电路配置并提供相同的给定恒定功率P_batt的新电池完全地放电所需的时间。

仍就出于确定电池3的健康状态的目的，电池3的实际完全放电时间t_{real_total}同样被确定。

具体而言，在部分放电步骤102之后，在步骤204期间针对电池3绘制部分放电曲线，如图5中的实线所示。在该示例中，部分放电曲线给出作为x(即，放电时间除以先前所确定的理论完全放电时间t_{theoretical_total})的函数的由电池递送的电压V_sys。

然后，实际部分放电曲线在步骤205期间被外推，以便能够对电池的实际完全放电曲线进行建模(在图5中以虚线示出)。为了执行外推，作为示例，可以使用常规的曲线外推算法。算法优选地与校正系数相关联，该校正系数通过实验来确定并且使得提高外推的精度是有可能的。

然后可以从经外推的曲线推导出实际完全放电时间除以电池的理论完全放电时间所得的比率(即t_{real_total}/t_{theoretical_total})，其是经外推的曲线上具有纵坐标值V_stop的点的横坐标值。该比率对应于电池的健康状态SoH的值。

优选地，如果所述健康状态小于给定的阈值，则警报经由控制器4和计算机C发出，以引起操作员的注意。作为示例，预定的阈值可以是由操作员预定义并且可设置的。

以特定的方式，实际寿命同样针对电池3被确定。为此目的，知道作为外推的结果的实际完全放电曲线的方程，则可以使用常规的算法(诸如二分法或牛顿法)来根据所递送的功率P_batt的所递送的电压V_sys计算放电时间t，并且具体而言是达到被递送至系统S的特定电压所需的放电时间t，低于该特定电压则系统S不再能够工作。这给出了电池3的寿命。

因此，本发明的方法实现起来简单且快捷。具体而言，其使得通过在正常工作期间能够对电池3进行研究从而避免干扰系统S和电源设备的其余部分成为可能。其还能够被远程地执行，由此避免在站点上进行手动干预，这表示节省了时间和金钱。

本发明的方法优选地包括估计电池3的“部分”健康状态SoH'的步骤。

为此目的，借助于与可从数据库获得的完全放电曲线相关的、并且取决于所讨论的电池的类型和所讨论的电池的电路配置的数据。更精确地，该数据包括各完全放电曲线，这些曲线给出针对各种放电机制(即，针对一直到所讨论的电池完全放电，由该电池递送的电流的不同恒定值)的作为时间的函数的该电池的电压。该数据可由制造商提供或者可在实验室中通过对新电池进行实验来测得。

基于该数据，给出针对各种所递送的功率(并且具体而言是针对给定的所递送的功率P_batt)的理论完全放电的函数在步骤202期间被确定。

通常，每个函数具有以下式：

f₂(V_sys)＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³+a₄x⁴ (2)

其中a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅通过使用根据上述数据的最小二乘法的常规的函数拟合算法来确定，x是放电时间除以电池的理论完全放电时间(即，新电池完全放电将需要的时间)，而V_sys是由电池递送的电压。与由函数f₂定义的P_batt相对应的理论完全放电曲线在图5中也被示为点划线。

一旦计算出，系数a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅优选地被记录在数据库中，并且它们不针对本发明的方法的每个新的实现来确定。

这样的函数(2)用于绘制针对各种放电机制(并且尤其是针对所递送的功率P_batt)的理论完全放电曲线，如图4所示。因此，所述函数(2)使得根据电池的放电容量的百分比来计算由电池递送的电压V_sys成为可能，并且这种做法用于多个放电机制(包括与所递送的功率P_batt相对应的机制)也是可能的。此外，这样的函数(2)还使得通过使用常规的算法(诸如二分法或牛顿法)来根据所递送的电压V_sys计算电池的放电容量百分比成为可能，并且这种做法用于多个放电机制(包括与所递送的功率P_batt相对应的机制)也是可能的。

在本示例中，针对所递送的功率P_batt的函数(2)可在步骤203中被使用，以确定达到阈值电压所需的理论放电时间t_{theoretical_thresh}。

此外，还从部分放电步骤102中已知达到阈值电压所需的实际放电时间t_{real_thresh}。然后有可能在步骤206中计算电池的实际阈值放电时间除以理论阈值放电时间所得的比率t_{real_thresh}/t_{theoretical_thresh}。该比率对应于电池3的“部分”健康状态SoH'的值。

“部分”健康状态SoH'的这个值提供了关于电池3的状态的附加的信息，并且尤其使得具有关于最终的健康状态SoH的值的近似概念成为可能。

自然，本发明不限于所描述的实现，并且可以在不超出由权利要求限定的本发明的范围的情况下对其应用变型。

电源设备可具有除了所示的配置之外的配置。例如，除了主电源之外，电源设备可具有次级电源，诸如可再生能源。

在该示例中，虽然给定的所递送的功率只在电池的部分放电开始时被计算出一次，但是可以通过测量电池在其整个部分放电期间所递送的功率，并随后在部分放电的持续时间内对所述功率进行平均来确定所述递送的功率。这使得可以对可能在所递送的功率的值中发生的可能的变化加以考虑，理论上讲，该递送功率的值应该是恒定的。

除阈值电压之外的用于停止部分放电的条件可被提供。例如，当放电时间达到阈值时间时，控制器可促使控制继电器被停用。在一个变体中，当电池放电的容量超过阈值容量时或者当电池放电的能量变得大于阈值能量时，控制器可促使控制继电器被停用。选择哪个阈值取决于具体情况。例如，操作员可能更愿意限制在电池的部分放电期间所放电的能量的量，以便确保即使在电池的部分放电之后立即发生电气故障的情况下系统继续可运行。各种阈值可由操作员来预定义。通过使阈值可由操作员来设置，适应各种条件成为可能。例如，阈值电压通常与所供电的系统所需的最小电压相对应。因此，阈值电压的值可根据站点变化，这解释了使该值可由操作者来设置的优点。虽然在该示例中仅提供了用于停止部分放电的一个条件，但是可针对单次部分放电提供更多数量的停止条件。

除了健康状态、“部分”健康状态或电池的寿命之外的参数可在部分放电结束时进行计算，诸如电池的更换日期。

电源设备不需要包括控制器，并且可直接由远程计算机进行远程控制。

Claims (13)

1.一种估计为外部系统供电的电源设备中的电池的健康状态的方法，所述电源设备具有名义上为所述外部系统供电的至少一个主电源，所述电池被耦合到所述主电源和所述外部系统，以便能够在来自所述主电源的电力供应中断的情况下为所述外部系统供电，所述方法包括以下步骤：

－自动地中断从所述主电源到所述外部系统的电力供应，所述电池保持耦合到外部系统以便为所述外部系统供电；

－确定从所述电池递送到所述外部系统的功率并且测量由所述电池递送到所述外部系统的电压；

－在所述电池完全放电之前，重新建立从所述主电源到所述外部系统的电力供应；

－根据所递送的功率来确定所述电池的理论完全放电时间；以及

－根据在部分放电期间所测得的电压，确定所述电池的部分放电曲线，并且外推所述曲线以便从中推导出所述电池的完全放电曲线，并因此估计所述电池的实际完全放电时间，所述实际完全放电时间除以所述理论完全放电时间所得的比率给出所述电池的健康状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所递送的功率只在对所述电池进行放电的开始时被确定一次。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当由所述电池递送到所述外部系统的电压下降到低于阈值电压时，从所述主电源到所述外部系统的电力供应被重新建立。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括通过计算达到所述阈值电压的实际放电时间除以达到所述阈值电压的理论放电时间所得的比率来估计所述电池的部分健康状态的步骤。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括验证从所述主电源到所述外部系统的电力供应的自动中断可被发起的在先步骤。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当所述电池被完全地充电和/或所述电池的温度在给定范围内和/或环境温度在给定范围内时，所述验证步骤确认发起从所述主电源到所述外部系统的电力供应的自动中断。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电池的理论完全放电时间由以下来确定：

－确定函数，所述函数根据递送的功率给出放电时间；以及

－根据所述函数以及根据所递送的功率来计算所述电池的理论完全放电时间。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括根据所述经外推的曲线来计算所述电池的寿命的步骤。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括如果所述电池的健康状态小于给定的阈值则启动警报的步骤。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电源设备包括控制继电器，所述控制继电器使得从所述主电源到所述外部系统的电力供应能够被中断，并且所述控制继电器由所述电源设备的控制器控制，所述控制器被远程地控制以便激活或停用所述控制继电器。

11.一种用于执行根据任一前述权利要求所述的方法的电源设备，所述电源设备包括：

－所述电池；

－将所述电池耦合到所述主电源和所述外部系统两者的适配器构件；

－控制继电器，所述控制继电器使得从所述主电源到所述外部系统的电力供应能够被中断；

－控制所述控制继电器的控制器，所述控制器具有用于与计算机进行远程通信的装置；以及

－用于测量由所述电池递送到所述外部系统的电压的至少一个传感器以及用于测量由所述电池递送到所述适配器构件的电流的传感器。

12.一种估计为外部系统供电的电源设备中的电池的健康状态的装备，所述电源设备具有名义上为所述外部系统供电的至少一个主电源，所述电池被耦合到所述主电源和所述外部系统，以便能够在来自所述主电源的电力供应中断的情况下为所述外部系统供电，所述装备包括：

用于自动地中断从所述主电源到所述外部系统的电力供应的装置，所述电池保持耦合到外部系统以便为所述外部系统供电；

用于确定从所述电池递送到所述外部系统的功率并且测量由所述电池递送到所述外部系统的电压的装置；

用于在所述电池完全放电之前，重新建立从所述主电源到所述外部系统的电力供应的装置；

用于根据所递送的功率来确定所述电池的理论完全放电时间的装置；以及

用于根据在部分放电期间所测得的电压，确定所述电池的部分放电曲线，并且外推所述曲线以便从中推导出所述电池的完全放电曲线，并因此估计所述电池的实际完全放电时间的装置，所述实际完全放电时间除以所述理论完全放电时间所得的比率给出所述电池的健康状态。

13.储存包括用于使控制器或计算机类型的设备执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法的指令的计算机程序的存储装置。

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