CN107430172A - 使用放电脉冲测量的电池监测设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种方法，包括：确定在负荷区间之前和之后电池的第一电压和第二电压；确定在所述负荷区间期间通过所述电池的电流；以及从确定的所述第一电压和第二电压以及确定的所述电流，确定所述电池的状态。所述负荷区间可以包括期间放电脉冲被施加到所述电池的区间，并且，所述第一电压和第二电压可以是所述电池开路时的电压。所述第一电压可以在所述电池从开路状态过渡到脉冲放电状态之前确定，并且所述第二电压可以在所述电池从所述脉冲放电状态过渡到所述开路状态之后确定。还描述了相应的电池监测设备和计算机程序产品。
Description
技术领域
本发明的主题涉及电力系统和其操作方法，并且更具体地涉及电池系统和其操作方法。
背景技术
不间断电源(UPS)系统通常用在诸如数据中心的应用中，在这些应用中，UPS系统用来在主公用电源故障的情况下提供备用电力。在这些应用中，常常使用阀控式铅酸(VRLA)电池串。
在这些应用中，VRLA电池通常长时间保持在空闲状态，经受涓流式和/或周期性充电和间歇性测试。由于这些电池可能随时间恶化，在被要求提供电力时它们可能不能提供额定电压和/或电流。因此，数据中心操作常常包括常规的电池检查和维护以识别用完的电池或濒临其有效寿命的终点的电池。这种预防性维护可能是耗时、昂贵的。
已经开发了各种预测技术来识别即将发生的电池故障。这些技术中一些涉及监测电池参数，诸如输出电压，并由此数据确定电池状态。例如在Anbuky等人的美国专利号6,924,622、Anbuky等人的美国专利号7,199,557和Burgess的美国专利申请公布号2009/0228225中描述了这些技术的示例。
发明内容
本发明的主题的一些实施例提供一种方法，包括：确定在负荷区间之前和之后电池的第一电压和第二电压；确定在所述负荷区间期间通过所述电池的电流；以及从确定的所述第一电压和第二电压以及确定的所述电流，确定所述电池的状态。所述负荷区间可以包括期间放电脉冲被施加到所述电池所的区间，并且，所述第一电压和第二电压可以是所述电池开路时的电压。所述第一电压可以是在所述电池从开路状态过渡到脉冲放电状态之前确定的，并且所述第二电压可以是在所述电池从所述脉冲放电状态过渡到所述开路状态之后确定的。
根据一些实施例，确定在所述负荷区间之前和之后所述电池的第一电压和第二电压包括在第一负荷条件下确定所述第一电压。所述方法还可以包括在确定所述第一电压之后，使所述电池从所述第一负荷条件过渡到第二负荷条件。确定在所述负荷区间期间通过所述电池的电流可以包括在所述第二负荷条件下确定所述电流。所述方法还可以包括使所述电池从所述第二负荷条件过渡到所述第一负荷条件。确定在所述负荷区间之前和之后所述电池的第一电压和第二电压还可以包括在所述第一负荷条件下确定所述第二电压。在所述第二负荷条件下从所述电池汲取的电流比在所述第一负荷条件下从所述电池汲取的电流多很多。例如，所述第一负荷条件可以是开路条件，并且，所述第二负荷条件可以是脉冲放电条件。
根据另一些实施例，从确定的所述第一电压和第二电压以及确定的所述电流，确定所述电池的状态可以包括从确定的所述第一电压和第二电压以及确定的所述电流确定所述电池的电阻。例如，从确定的所述第一电压和第二电压以及确定的所述电流确定所述电池的电阻可以包括用确定的所述电流去除确定的所述第一电压和第二电压之间的差。
根据一些实施例，所述电池可以是阀控式铅酸(VRLA)电池，并且，所述负荷区间可以是足以使所述电池退出平衡状态的放电脉冲的区间。所述放电脉冲可以在从所述电池的安培-小时额定值的大约1倍到所述电池的安培-小时额定值的大约15倍的范围内。
本发明的主题的另一些实施例提供一种设备，包括：输入端口，所述输入端口被配置成耦连至电池；负荷电路，所述负荷电路耦连至所述输入端口，并被配置成将负荷选择性耦连至所述输入端口；以及控制电路，所述控制电路耦连至所述输入端口和所述负荷电路，并被配置成在负荷区间将所述负荷耦连至所述输入，以确定在所述负荷区间之前和之后在所述输入端口处的第一电压和第二电压，并确定在所述负荷区间期间通过所述电池的电流。所述控制电路还可以被配置成从确定的所述第一电压和第二电压以及确定的所述电流确定所述电池的状态。例如，所述控制电路可以被配置成通过用确定的所述电流去除所述第一电压和第二电压之间的差，从确定的所述第一电压和第二电压和确定的所述电流确定所述电池的电阻。所述控制电路还可以被配置成确定所述电池的电压骤降特性。
在一些实施例中，所述负荷电路、电流传感器和所述控制电路可以组合在电池监测模块中，所述电池监测模块被配置成与外部控制器通信，并响应于来自所述外部控制器的控制输入，操作所述负荷电路并将关于确定的所述电阻的信息提供至所述外部控制器。
在一些实施例中，所述负荷电路可以包括开关，所述开关被配置成响应于开关控制信号，选择性耦连和去耦连所述输入端口的第一端子和第二端子。所述控制电路可以包括：电流传感器，所述电流传感器被配置成与所述输入端口串联耦连；电压传感器，所述电压传感器与所述输入端口并联耦连；模数转换器(ADC)电路，所述模数转换器电路耦连至所述电流传感器和所述电压传感器；以及处理器，所述处理器耦连至所述ADC电路，并被配置成生成所述开关控制信号。所述电流传感器可以与所述开关串联耦连。所述电压传感器可以包括分压器。所述控制电路还可以包括差分放大器电路，所述差分放大器电路具有耦连至所述分压器的第一输入、耦连至参考电压源的第二输入和耦连至所述ADC电路的输入的输出。
附图说明
图1是图解说明根据一些实施例用于监测电池的设备和方法的示意图。
图2和图3是图解说明根据各个实施例用于监测电池的操作的流程图。
图4是图解说明根据另一些实施例电池监测设备的示意框图。
图5图解说明根据一些实施例包括带无线电池监测设备的电池柜的UPS系统。
图6和图7是图解说明根据另一些实施例图5的系统的操作的流程图。
具体实施方式
现在将参照附图描述本发明的主题的特定的示例性实施例。不过，本发明的主题可以以许多不同的形式加以体现，不应当解读为局限于本文中描述的实施例；而是，提供这些实施例，使得本公开是详尽、完全的，会向本领域技术人员全面传达本发明的主题的范围。在图中，相同的数字指相同的元件。要理解，当提到一个元件“连接”或“耦连”至另一元件时，前者可以直接地连接至或耦连至后者或者可能存在的中间元件。如本文中使用的术语“和/或”包括一个或多个关联的所列项目的任意和全部组合。
本文中使用的术语只用于描述特定实施例的目的，不旨在限制本发明的主题。如本文中使用的单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述(the)”旨在也包括复数形式，除非明确指示为其它。还要理解，术语“包括(include)”、“包括(comprise)”、“包括(including)”和/或“包括(comprising)”在本说明书中使用时指陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或增加。
除非另外定义，否则在本文中使用的所有术语(包括科技术语)具有与本发明的主题所属的领域内的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。还要理解，诸如在常用词典中定义的那些术语应当解读为具有与其在说明书和相关领域的背景下的含义一致的含义，不以理想化或过于正式的含义解释，除非在本文中明确地这样定义。
本发明的主题可以体现为设备、方法和计算机程序产品。一些实施例可以参照图解说明结构和操作的框图和/或操作图示加以描述。框图和/或操作图示的各个块通常可以使用被配置成执行特定功能的电子电路实现。这些“电路”通常可以使用模拟和/或数字电路实现。这些电路可以包括离散元件和/或集成元件，诸如数据处理集成电路(例如微处理器、微控制器、数字信号处理器等等)和专用集成电路(ASIC)。
这些图中的每个块可以代表用于实现特定的(若干)逻辑功能的计算机可执行程序代码的模块、片段或一部分。计算机可执行程序代码可以提供至一个或多个数据处理器、专用处理器、ASIC和/或其它可编程数据处理设备，使得指令执行代码时，提供在框图和/或一个或若干操作块中指定的功能/动作。
这些计算机可执行程序代码还可以存储在非瞬态介质中，非瞬态介质可以引导控制器电路以特定的方式起使用，使得存储在非瞬态介质中的程序代码构成制造品，该制造品包括实现了框图和/或操作图示的一个或若干块中指定的功能的指令。非瞬态介质可以是但不限于电子、磁、光、电磁或半导体系统、设备或装置。非瞬态介质的更多具体的示例(非详尽列表)包括以下：硬盘装置、光存储装置、磁存储装置、随机存取存储器(RAM)装置、只读存储器(ROM)装置、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)装置和光盘只读存储器(CD-ROM)。
本发明的主题的一些实施例提供可以使用准确性高但成本低的传感器硬件的预测电池监测设备和方法。根据一些实施例，电池监测模块可以执行多种类型的测量，包括放电脉冲电阻测量，电压骤降(Coup de Fouet，简写CDF)测量和在正常放电状态期间的电压测量。
根据一些实施例，放电脉冲电阻测试可以产生可能与电池的功率输送能力相关联的测量值。在一些实施例中，分别测量在短放电脉冲开始之前和短放电脉冲之后由电池产生的第一电压和第二电压。还测量在放电脉冲期间从电池汲取的电流。放电脉冲电阻由用放电脉冲电流去除脉冲前和脉冲后的电压之间的差加以确定。
根据一些实施例，放电脉冲足以使电池退出与开路电池有关的平衡状态。例如，对于VLRA电池，此放电脉冲可以在从电池的安培-小时额定值的大约1倍到电池的安培-小时额定值的大约15倍的范围内。在一些实施例中，第二电压测量在放电脉冲之后的足够长的时间进行，使得电池已经达到平衡，即第一电压测量和第二电压测量之间的时间比放电脉冲的持续时间要长。由一系列这种短放电脉冲测试产生的放电脉冲电阻测量的趋势可以与电池的恶化相关联，例如当电池老化时，放电脉冲电阻测量值增大。因此，放电脉冲电阻测量能够提供剩余容量的指示，这能够用来引导维护和其它操作。例如，当放电脉冲电阻测量值超过预定值时，可以通知用户需要更换电池。
CDF测量还可以与电池的能量容量相关联。在CDF测量中，在电池对额定负荷放电的初始周期期间测量电压。从这些电压测量中识别最小电压(“跌落(dip)”或“波谷(trough)”电压)和坪电压(plateau voltage)(跌落电压之后的稳态电压)。根据一些实施例，可以从短脉冲内部电阻测量值和这种电压骤降电压测量值的结合获得有效寿命的估计。例如，这些测量值可以在加权模型中组合，以生成剩余电池有效寿命的估计或能够用来引导电池维护和更换的类似量。
根据另一些实施例，用来支持上面描述的预测性操作的电池设备还可以用来识别电池故障。例如，该设备可以周期性监测电池电压并在电池电压指示电池故障时发信号。
图1图解说明根据一些实施例的电池监测设备100。设备100包括被配置成耦连至电池10的端口101。负荷电路110耦连至端口101，并被配置成在由控制电路120生成的控制信号的控制下，通过相对低的阻抗将端口101的第一端子和第二端子选择性相互耦连，以向电池10施加短放电脉冲。控制电路120被配置成结合负荷电路110的操作感测在输入端口101处的电池电压Vbatt和从电池10汲取的电流Ibatt。具体地，控制电路120可以被配置成控制负荷电路110并感测电压和电流，以执行上文讨论的放电脉冲电阻、CDF和电压测量。
图2图解说明可以由图1的设备执行的操作。在执行短放电脉冲短暂区间之前(例如通过相对低的阻抗将电池的端子耦连在一起)(块220)，使电池开路(即小负荷或没有负荷耦连至电池端子)，测量第一电池电压Voc1(块210)。如上面指出的，在一些实施例中，放电脉冲足以驱动电池脱离开路平衡状态。要认识到，放电脉冲可以根据例如电池的化学特性和额定容量变化。测量在放电脉冲期间从电池汲取的电流IDP(块230)。在放电脉冲结束后，通过再次使电池开路(块240)，测量第二开路电池电压Voc2(块250)。如上面指出的，可以在电池达到平衡状态之后的时间测量第二开路电压。然后根据以下关系式确定放电脉冲电阻RDP(块260)：
RDP＝(Voc1–Voc2)/IDP。
这个量可以指示电池状态。例如，可以在一系列周期性区间上生成放电脉冲电阻RDP的一系列值，并且分析生成的值以识别指示电池故障的可能性显著增大的趋势(例如电阻RDP增大)。
图3图解说明根据另一些实施例可以由图1的设备执行的操作。如参照图2在上面描述地测量放电脉冲电阻(块310)。还确定电压骤降特性，例如坪电压和跌落电压(块320)。这些电压可以在放电脉冲电阻测量之前或之后例如在将额定负荷耦连至电池时确定。例如，在电池用作辅助或备用电源的UPS应用中，在UPS过渡到电池供电模式时可以进行这种电压骤降测量和/或可以在安排的测试区间期间执行电压骤降测量。例如，放电脉冲电阻和电压骤降电压可以单独地和/或结合使用，以确定电池的剩余有效寿命(块330)。
图4图解说明可以用来执行上面描述的操作的电池监测模块400。模块400包括输入端口401，输入端口401被配置成耦连至电池10的端子。分压器电路410包括第一电阻器和第二电阻器R1、R2，并被配置成生成与由电池10产生的电压Vbatt的标定形式对应的电压Vbatt'。负荷电路420包括与电流感测电阻器Rs串联耦连的开关S1(例如MOSFET型开关)。缓冲放大器电路430具有耦连至电流感测电阻器Rs的输入，其接收电流感测电压Vs，并对模数转换器(ADC)电路450的输入产生缓冲电流感测电压Vs'。差分放大器电路440具有耦连至分压器电路410的第一输入和被配置成从电压参考源470接收参考电压Vref的第二输入。由差分放大器电路440产生的输出信号Vdiff代表标定的输出电压Vbatt和参考电压Vref之间的差，该输出信号Vdiff还提供至ADC电路450。ADC电路450生成与差信号Vdiff和缓冲电流感测电压Vs'对应的数字值，并将这些数字值提供至微控制器460。
微控制器460被配置成控制负荷电路420的开关S1，并由通过ADC电路450接收的电压和电流信息计算诸如上文讨论的放电脉冲电阻和电压骤降参数的一些量。微控制器460被配置成使用例如无线或有线通信链路与外部控制器通信。如所示的，微控制器460可以将电池信息，诸如放电脉冲电阻、电压骤降参数等等传送至外部控制器，以使得能够确定例如当前电池状态，并执行预测性操作，诸如预测即将发生的电池故障。
根据一些实施例，模块400能够执行精确的测量，这可能是准确确定放电脉冲电阻和电压骤降参数所需要的。例如，ADC电路450可以是高速16位转换器，诸如德州仪器ADS8327低功率、16位、500-kSPS ADC。ADC电路450与差分放大器电路440结合使用，生成相对参考电压(例如对于12伏电池为4.096V)的输出，使得可以区别电压的相对较小的不同，以支持准确地确定放电脉冲电阻，其中，脉冲前开路电压和脉冲后开路电压之间的差可以是几百毫伏的数量级。具体地，差分放大器的使用可以使电池电压值的上限映射到ADC范围，从而进一步提高由ADC提供的分辨率。
如上面讨论的，微控制器460可以包括使能够与外部装置通信的通信电路。微控制器460可以是例如高度集成的片上系统(SoC)装置，诸如德州仪器CC430F5137 16位超低功率MCU。此微控制器装置可以包括使微控制器460与外部装置无线通信的集成无线电通信能力，以使得可以命令模块执行某些测量，诸如上面讨论的放电脉冲电阻和电压骤降测量，并将关于这些测量的数据传送至外部装置以进一步处理。
图5图解说明此电池监测模块在UPS应用中的示例性应用。UPS系统包括电池柜20，电池柜20包括耦连至UPS 30的电池10串。相应的电池监测模块510耦连至相应一个电池10的端子。电池模块510与也位于电池柜20中的控制器520无线通信。控制器520被配置成与UPS控制器32通信。可以使用这种布置实现上面讨论的各种电池监测操作。
图6图解说明使用图5中图示的设备生成放电脉冲电阻测量值的操作。当UPS 30正在正常模式中操作时，其中，UPS 30正从主电源(例如公用电源)向负荷提供电力，电池10串不带负荷(块610)，UPS控制器32和/或电池柜控制器520检测安排的测试已到达的时间，并命令电池监测模块10各自执行短脉冲测试(块620、630)。模块510执行命令测试，并将放电脉冲电阻的生成值和/或计算放电脉冲电阻所需的电流值和电压值报告给柜控制器520(块640)。这些数据可以由柜控制器520在本地记录，柜控制器520可以积累来自一系列此类测试的数据，并使用这些数据执行可以预测例如电池有效寿命的趋势分析。数据还可以传输至UPS控制器32或其它接收者装置以用于此分析。
如上面指出的，放电脉冲电阻可以与CDF参数结合使用以执行这些分析。如图7中所示，CDF数据还可以由图5的设备生成。当在正常模式中操作时，UPS控制器32可以检测由于例如主电源的故障或执行安排的电池测试的需要过渡到电池供电的需要(块720)。UPS控制器32可以给柜控制器520指示过渡时间，柜控制器520可以作为响应命令模块510采集并报告CDF数据(块730)。要认识到，可以以许多不同方式中的任意一种完成CDF数据的生成。例如，模块510可以以足以区分CDF特征(诸如跌落电压和坪电压)的速率连续地对电池电压采样。这些电压样本例如可以是关于参考时钟加时间戳的，模块510和/或柜控制器520可以记录这些电压样本以使得后续与和CDF行为的出现有关的负荷过渡事件相关联。模块510和/或柜控制器520可以处理与CDF事件有关的电压样本，以提取CDF参数，诸如跌落电压和坪电压。柜控制器520和/或UPS控制器32可以记录这些CDF参数，并用在电池健康状态或其它分析中。在一些实施例中，CDF参数可以根据需要生成，例如一经UPS控制器32通知即将发生到电池电力的过渡时，柜控制器520可以命令模块510开始电压采样，以支持CDF信息的提取。例如，此采样的速率可以比电池10的常规电压监测使用的采样速率更高。
在附图和说明书中，已经公开了本发明的主题的示例性实施例。尽管使用了特定的术语，但这些术语只是在通用和描述性含义上使用的，不是出于限制目的使用的，本发明的主题的范围由所附权利要求限定。
Claims (21)
1.一种方法，包括：
确定在负荷区间之前和之后电池的第一电压和第二电压；
确定在所述负荷区间期间通过所述电池的电流；以及
从确定的所述第一电压和第二电压以及确定的所述电流，确定所述电池的状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述负荷区间包括期间放电脉冲被施加到所述电池的区间，并且其中，所述第一电压和第二电压是所述电池开路时的电压。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一电压是在所述电池从开路状态过渡到脉冲放电状态之前确定的。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第二电压是在所述电池从所述脉冲放电状态过渡到所述开路状态之后确定的。
5.根据权利要求1所述的方法：
其中，确定在所述负荷区间之前和之后所述电池的第一电压和第二电压包括在第一负荷条件下确定所述第一电压；
其中，所述方法还包括在确定所述第一电压之后，使所述电池从所述第一负荷条件过渡到第二负荷条件；
其中，确定在所述负荷区间期间通过所述电池的电流包括在所述第二负荷条件下确定所述电流；
其中，所述方法还包括使所述电池从所述第二负荷条件过渡到所述第一负荷条件；以及
其中，确定在所述负荷区间之前和之后所述电池的第一电压和第二电压还包括在所述第一负荷条件下确定所述第二电压。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述第二负荷条件下从所述电池汲取的电流比在所述第一负荷条件下从所述电池汲取的电流多很多。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一负荷条件包括开路条件，并且其中，所述第二负荷条件包括脉冲放电条件。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，从确定的所述第一电压和第二电压以及确定的所述电流，确定所述电池的状态包括从确定的所述第一电压和第二电压以及确定的所述电流确定所述电池的电阻。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，从确定的所述第一电压和第二电压以及确定的所述电流确定所述电池的电阻包括用确定的所述电流去除确定的所述第一电压和第二电压之间的差。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电池是阀控式铅酸(VRLA)电池，并且其中，所述负荷区间包括足以使所述电池退出平衡状态的放电脉冲的区间。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述放电脉冲在从所述电池的安培-小时额定值的大约1倍到所述电池的安培-小时额定值的大约15倍的范围内。
12.一种计算机程序产品，包括体现在非瞬态计算机可读介质中并被配置成在数据处理设备上执行以执行权利要求1所述的方法的计算机程序代码。
13.一种设备，包括：
输入端口，所述输入端口被配置成耦连至电池；
负荷电路，所述负荷电路耦连至所述输入端口，并被配置成将负荷选择性耦连至所述输入端口；以及
控制电路，所述控制电路耦连至所述输入端口和所述负荷电路，并被配置成在负荷区间将所述负荷耦连至所述输入，以确定在所述负荷区间之前和之后在所述输入端口处的第一电压和第二电压，并确定在所述负荷区间期间通过所述电池的电流。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述控制电路还被配置成从确定的所述第一电压和第二电压以及确定的所述电流确定所述电池的状态。
15.根据权利要求13所述的设备，其中，所述控制电路被配置成通过用确定的所述电流去除所述第一电压和第二电压之间的差，从确定的所述第一电压和第二电压以及确定的所述电流确定所述电池的电阻。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述负荷电路、电流传感器和所述控制电路组合在电池监测模块中，所述电池监测模块被配置成与外部控制器通信，并响应于来自所述外部控制器的控制输入，操作所述负荷电路并将关于确定的所述电阻的信息提供至所述外部控制器。
17.根据权利要求15所述的设备，其中，所述控制电路还被配置成确定所述电池的电压骤降特性。
18.根据权利要求13所述的设备：
其中，所述负荷电路包括开关，所述开关被配置成响应于开关控制信号，选择性耦连和去耦连所述输入端口的第一端子和第二端子；以及
其中，所述控制电路包括：
电流传感器，所述电流传感器被配置成与所述输入端口串联耦连；
电压传感器，所述电压传感器与所述输入端口并联耦连；
模数转换器(ADC)电路，所述模数转换器电路耦连至所述电流传感器和所述电压传感器；以及
处理器，所述处理器耦连至所述ADC电路，并被配置成生成所述开关控制信号。
19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述电流传感器与所述开关串联耦连。
20.根据权利要求18所述的设备，其中，所述电压传感器包括分压器。
21.根据权利要求20所述的设备，其中，所述控制电路还包括差分放大器电路，所述差分放大器电路具有耦连至所述分压器的第一输入、耦连至参考电压源的第二输入和耦连至所述ADC电路的输入的输出。
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