CN1132355A - 预测放电电池剩余容量和剩余使用时间的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种高精度预测放电电池到某一选定终止电压时其剩余容量Q和剩余使用时间t的装置和方法，根据对开路电压、电池电压，电池温度及其内部电阻的系统考虑。电池的满电荷开路电压E_OC和由于其内部电阻消耗的电压IR_irt以及电池放电电压三者之间的差值再除以电池温度T，就是随温度变化的电池过压，它决定了电池的剩余容量Q。

Description

预测放电电池剩余容量和剩余使用时间的方法和装置

本发明涉及一种测量及预测放电电池剩余容量和剩余使用时间的装置和方法。尤其是对浸没式(flooded)或封闭铅酸电池放电到终止电压过程中剩余容量和剩余使用时间的预估。

预测电池的剩余容量和剩余使用时间，对电池设备和远地的电池的正确管理是重要的。现有技术中，预测的基本方法是基于Peukert等式：

             t＝az^b           (1)

其中t是放电到给定终止电压的剩余使用时间，I是放电电流，而“a”和“b”是实验确定的参数放电过程中的剩余使用时间由上式给出的“t”值减去实际放电时间得到。本方法中只有放电电流是实时数据，参数“a”和“b”要经过广泛检测，数据获取和参数分析而经验确定。一旦确定，参数值就不再改变，从而不能适应变化条件，也不能迅速响应变化的负载要求。

D.levine等人于1993年2月4日申请，系列号为08/013272的专利申请公开了一种能较迅速地反应放电过程中电池变化的方法。这种方法利用预定参数矩阵，这些参数包括放电到终止电压过程中，在不同的放电电流和电池电压情况下，电压相对放电时间斜率的相关系数。利用电压相对放电时间斜率预测，使这种方法能很好地适应放电过程中的电池变化。这种方法需要广泛测试推得数据、从而产生矩阵。

在美国专利4952862中，R.Biagetti和A.Pesco公开了另一种方法，这种方法是测量放电过程中，电池电压与电池台阶电压的差值，

               V_battery-V_p             (2)

放电过程中上述差值根据放电量和总放电量之比值给出：

         Q_removed/Q_{to-end-voltage}     (3)

由测量数据产生的这条曲线是具有指数区和线性区的单一曲线。利用此曲线可根据测量得的放电量Q_removed和台阶电压Vp确定剩余容量和剩余使用时间。这种方法如上述方法所述要求对被监测特定电池进行广泛的预先检测和数据分析，但它不能说明电池的使用时间，因为台阶电压是预定的固定值。

美国专利4,876,513公开了另一种确定放电电池剩余使用时间的方法，这种方法利用如下事实，在一定放电电压条件下，电池电压(随内部电阻变化而变化)与剩余的安培小时和允许总的安培小时的比值的关系曲线是单一曲线。因IR变化而变化的电池电压可以利用放电过程中周期测得的电池内部电阻计算求得。

现有方法不能在所有温度下准确估算电池放电的状态，且要求参数较多，同时与受监测的电池类型有关。

因此根据本发明，提供了一种预测放电电池剩余容量和剩余使用时间的方法和装置。

对于某一选定的终止电压，一种预测放电电池剩余容量Q和剩余使用时间t的高精度的装置和方法是基于可测电池参数，这种方法不必对电池进行广泛的预先检测。放电电池的剩余使用时间t由对放电电流、电池电压、电池温度和电池内部电阻的系统考虑确定。剩余容量Q由电池理论上的最大容量Qmax与电池当前容量Q的比值确定。随温度变化的电池过压η计算如下： $\mathrm{\η}=\frac{E_{\mathrm{oc}}-{\mathrm{IR}}_{\mathrm{int}}-V_{\mathrm{battery}}}{T}$

其中Eoc是电池全部电量的开路电压，IRint是由于电池(ψ)内部电阻消耗的电压，V_battery是电池电压。

电池放电特性可简化为剩余电池容量与最大理论容量之比： $\frac{Q}{Q_{\max }}-----\left(5\right)$

绘制这个归一化的电池容量值相对随温度变化的电池过压的函数关系可得到一条不随放电速率、温度、电池体积和使用时间变化的放电特性曲线，此曲线只与电池内部设计有关。归一化的电池容量和固定参数及η值的关系式为： $\frac{Q}{Q_{\max }}=\mathrm{ex}{p}^{(a+{\mathrm{b\η}}^c+{\mathrm{d\η}}^e)}-----\left(6\right)$

它表征了放电特性并可用以确定Q。

利用关系式 $t=\frac{Q}{I}-----\left(7\right)$

可计算剩余使用时间t。

将特性曲线和动态变量存在计算机中并连续处理，可得到对放电电池剩余容量和剩余使用时间t的连续实时预测。

图1是一个电池设备及其监控系统的框图。

图2是一条典型的电池电压相对消耗容量的安培小时的放电曲线图。

图3是一条典型的电荷比相对随温度变化的电池过压的电池放电曲线图。

图4是说明确定放电电池剩余容量Q和剩余使用时间t的方法的流程图。

图1所示的电池设备和监测系统包括若干电池101-1到101-n，串联这些电池给负载102供电。整流器103与AC(交流)电源相连，为电池串101-1到101-n再充电提供整流充电电压。具有存贮程序控制的电池监测单元105与控制器—电池接口110相连。电池接口110有若干连接端111-1至111-n，用以检测每个电池的电压，还有用于检测负载电流的连接端112，以及检测至少一个电池温度的连接端113。电池监测单元有一个接入设备117用于用户输入和数据输出。

电池监测单元105包括一个存储程序控制、它可以接受来自电池接口的数据及用户输入/接入设备117输入的背景数据。存储程序控制器还包括利用数据输入预测电池串中电池101放电到规定终止电压的剩余容量和剩余使用时间的指令。确定的数据通过用户接入接口117传送给数据输出设备，该数据输入设备可包括和远距离输出设备通信的设备。

图2是电池放电容量的常规图。该放电曲线示出了电压与容量(安培小时)的函数关系。曲线显示了三个不同特征区。初始区201表明电池电压由于起动和欧姆律电阻现象的初始下降。其后的第2区202表明由于放电过程中不断增加的内部电阻，使电池电压不断减小，内部电阻增加是因为电池反应物质和/或反应表面区域的减小引起的。最后一个区203示出了电池电压的迅速下降，这是因为缺少放电反应的反应物，致使到电极表面的传送受到大量转移的限制。放电期间这些复杂的变化与其间电池的剩余容量有关。

电池放电特性是基于剩余容量与最大理论容量的比率Q/Q_max随温度变化的电池过压之间的函数关系。当实际容量Q可用来代替Q_max时，该比值不随电池大小而改变。在给定的电池电压，到终止电压的剩余容量可由给定电压的剩余容量Q与终止电压时的剩余容量之差求得。

图3示出了温度对放电的影响，说明了在两种不同的温度下同一电池的放电曲线301和302。

图4是根据控制器存贮的指令预测放电电池剩余容量和剩余使用时间的流程图。处理过程开始于起始框401，然后是方框403，其指令指示控制器检索由接口监测器测得的放电电流。判断框405的指令用于通过观察电流方向判断电池是否在放电。若电池不在放电，则返回403控制器继续监测电流。若电池在放电，就执行方框407的指令，测量并记录电池电压、电流和温度。方框409的指令是利用这些监测的参数计算电池剩余容量。该过程使用方框411所示的由存贮器提供的电池参数和特性表。第次确定剩余电池容量的计算过程为：

     Q(V，I，T)＝(Q_max)x exp(a+bη^c+dη^e)    (8)

其中η为： $\mathrm{\η}=\frac{(E_{\mathrm{oc}}-{\mathrm{IR}}_{\mathrm{int}}-V_{\mathrm{battery}})}{T}$

a、b、c、d、和e是放电特性曲线的曲线拟合参数。

接下来由方框413的指令通过关系式

      t＝Q(V、I、T)/I     (10)

计算实际预测的剩余使用时间。接下来判断框415的指令确定计算的剩余容量和时间是否达到报警极限。若达到报警极限，就如方框417和419所示向用户报警。若未达到报警极限，判断框421就判断是否放电结束。若放电结束，处理过程就终止于结束框423。若仍在放电，流程就返回方框407，继续处理过程。

Claims (18)

1.一种预测放电过程中电池的剩余容量和剩余使用时间的方法，其包括以下步骤：

确定电池的开路电压；

其特征在于：

测量放电过程中电池的放电电流和放电电压；

测量放电过程中电池的温度；

通过导出电池过压值，根据确定和测量的包括开路电压，放电电流、放电电压以及电池温度的电池参数来确定放电电池的剩余容量。

2.如权利要求1的一种预测放电过程中电池的剩余容量和剩余使用时间的方法：

其中电池过压定义为： $\mathrm{\η}=\frac{E_{\mathrm{oc}}-{\mathrm{IR}}_{\mathrm{int}}-V_{\mathrm{battery}}}{T}.$

3.如权利要求2的一种预测放电过程中电池的剩余容量和剩余使用时间的方法，其中确定放电过程中电池剩余容量的步骤，包括将剩余容量与最大容量之比表示为一个指数函数。

4.如权利要求3的一种预测放电过程中电池的剩余容量和剩余使用时间的方法，其中给出的指数表示为： $\frac{Q}{Q_{\max }}=e^{(a+{\mathrm{b\η}}^c+{\mathrm{d\η}}^e)}$

其中Q_max，a、b、c、d和e是由电池实施方式确定的预定参数。

5.如权利要求1的一种预测放电过程中电池的剩余容量和剩余使用时间的方法，其中利用剩余容量确定到最终终止电压时的剩余使用时间的步骤，包括测量放电电流以及剩余容量与放电电流之比的步骤。

6.一种利用已知的最大容量预测放电电池的剩余使用时间的方法包括以下步骤：

确定温度与放电电池的电池过压的关系；

将温度与电池过压的关系简化为放电电池容量与其最大容量之比；

测量放电电流并将它与放电电池的电池容量相组合以确定电池放电到终止电压时的剩余使用时间。

7.如权利要求5的一种利用已知的最大容量预测放电电池剩余使用时间的方法，其中将电池过压与温度的关系简化为放电电池容量与其最大容量之比的步骤，包括如下等式的计算： $\frac{Q}{Q_{\max }}=e^{(a+{\mathrm{b\η}}^c+{\mathrm{d\η}}^e)}.$

8.如权利要求5的一种利用已知的最大容量预测放电过程中电池的剩余使用时间的方法其中确定温度关系的步骤，包括如下等式： $\mathrm{\η}=\frac{E_{\mathrm{oc}}-{\mathrm{IR}}_{\mathrm{int}}-V_{\mathrm{battery}}}{T}.$

9.一种预测放电电池剩余容量和剩余使用时间的方法，其特征在于如下步骤：

测量电池的放电电压，放电电流和温度，以确定如下形式的随温度变化的电池过压η： $\mathrm{\η}=\frac{E_{\mathrm{oc}}-{\mathrm{IR}}_{\mathrm{int}}-V_{\mathrm{battery}}}{T}$

其中E_oc是电池开路电压，I是电池放电电流，R_int是电池内部电阻，

V_battery是放电过程中的电池电压，T是电池温度；

用特性曲线 $\frac{Q}{Q_{\max }}=e^{(a+{\mathrm{b\η}}^c+{\mathrm{d\η}}^e)}$

和参数Q_max和a、b、c、d、e的预定值确定剩余容量Q，

根据下列关系式，确定剩余使用时间： $\mathrm{Reserve\; Time}=\frac{Q}{I}.$

10.一种预测放电电池剩余容量和剩余使用时间的方法，其特征在于如下步骤：

在选定的恒定放电电流测量电池放电数据，从而根据如下关系式： $\frac{Q}{Q_{\max }}=e^{(a+{\mathrm{b\η}}^c+{\mathrm{d\η}}^e)}$

获得电池容量相对随温度变化的电池过压的特性曲线，其中： $\mathrm{\η}=\frac{E_{\mathrm{oc}}-{\mathrm{IR}}_{\mathrm{int}}-V_{\mathrm{battery}}}{T}$

Q_max是电池最大理论容量，Eoc是电池开路电压，I是电池放电电流，R_int是电池内部电阻，V_battery是放电过程中的电池电压，T是电池温度，a、b、c、d、e是与电池设计有关的曲线拟合参数；并根据关系式

求解剩余使用时间t的剩余容量值。

11.预测放电电池的剩余容量和剩余使用时间的装置，其特征在于：

与电池终端电压相连的电压检测电路；

连接用于检测电池负载电流的电流检测电路；

温度检测装置用于检测电池温度；

所连接的电池监测电路用于接收电压检测电路，电流检测电路和温度检测装置的输入，并包括预测剩余使用时间的子单元，该子单元具有

存储程序控制器，用于控制和接收电压检测电路、电流检测电路和温度检测装置的输入，并确定电池是否在放电，

与存储程序控制器相连的存贮器，存有电池特征数据Eoc、R_int，Q_max和电池参数；

存储程序控制器包括确定如下数值的指令： $\frac{Q}{Q_{\max }}=e^{(a+{\mathrm{b\η}}^c+{\mathrm{d\η}}^e)}$

利用关系等式： 计算预测的剩余使用时间t。

12.一种预测放电过程中电池剩余容量和剩余使用时间的方法包括以下步骤：

确定电池的开路电压；

其特征在于：

测量放电过程中电池的放电电流和放电电压；

利用放电过程中电池的环境温度；

通过导出电池过压值，根据所确定和测量的包括开路电压、放电电流、放电电压以及电池温度的电池参数来确定放电电池的剩余容量；

利用剩余容量确定放电到某一最终终止电压的剩余使用时间。

13.如权利要求11的一种预测放电过程中电池剩余容量和剩余使用时间的方法，其中

与电池过压定义有关的温度表示为：

         ηT＝E_oc-IR_int-V_battery

其中T是电池温度，E_oc是电池开路电压。

14.如权利要求12的一种预测放电过程中电池的剩余容量和剩余使用时间的方法，其中确定放电过程中电池剩余容量的步骤，包括将剩余容量与最大容量之比表示为一个η的函数： $\frac{Q}{Q_{\max }}=f\left(\mathrm{\η}\right)$

其中Q_max是电池实施方式的预定参数。

15.如权利要求13的一种预测放电过程中电池的剩余容量和剩余使用时间的方法，其中所述表达式如下： $\frac{Q}{Q_{\max }}=e^{(a+{\mathrm{b\η}}^c+{\mathrm{d\η}}^e)}$

16.一种预测放电过程中电池剩余容量和剩余使用时间的方法包括以下步骤：

确定电池开路电压；

其特征在于：

测量放电过程中电池的放电电流和放电电压；通过导出电池过压值，根据所确定和测量的包括开路电压，放电电流和放电电压的电池参数来确定放电电池的剩余容量；

利用剩余容量确定剩余使用时间。

17.如权利要求15的一种预测放电过程中电池剩余容量和剩余使用时间的方法还包括在放电过程中进一步测量电池的温度。

18.如权利要求15的一种预测放电过程中电池剩余容量和剩余使用时间的方法还包括进一步考虑电池在室外温度的工作并利用这个温度。

Images