CN1164952C - 负载恒定的不间断电源电池后备时间的监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一负载恒定的不间断电源电池后备时间的监测方法，以电池恒功率放电时间作为电池放电后备时间实时计算的基准，由于UPS整流性负载的特性，可以减少后备时间计算中在不同恒流放电曲线间的跳变并提高精度，除非负载量发生变动或增减，后备时间不会出现大幅度跳变，并且，运用能量守恒的观点，很好地解决了电池放电后充电其回充比率的计算，以及电池在未充满电时再次放电的后备时间计算的难题。

Description

负载恒定的不间断电源电池后备时间的监测方法

技术领域：

本发明涉及一种负载恒定的不间断电源电池后备时间的监测方法。

背景技术：

对于电池的后备时间计算，目前普遍的计算方法是以电池的恒流放电曲线为基础数据、采用电池放出多少安时以及电池充电时充回多少安时来计算的。“安时”这个单位来源于电化学，用来计算电池的容量，当电池恒电流放电时，用安时作计算单位是比较方便和直观的。但实际使用中UPS所带负载一般是整流性负载，在用电器不发生变化时，其功率消耗一般不发生变化，以电池的恒流放电曲线为基础数据的电池后备时间计算方法，由于电池在放电过程中电压不断下降，同时为保持负载功率的恒定必须放电电流不断增大，所以此时用安时作电池容量单位就不方便，也不直观，更由于放电过程中电流的不断变化，电池放电过程中后备时间的显示出现不断的跳变现象，所以用恒流放电曲线作基础数据的后备时间计算方法精确度较差。对于电池充电过程中(即未充满时)再次出现放电及电池放电过程中(即未放完时)再次出现充电的情况，基于恒流放电曲线的计算方法误差很大。

发明内容：

本发明的目的就是为了解决以上问题，提供一种负载恒定的不间断电源电池后备时间的监测方法，所计算出的数据精度高、跳变少。

为实现上述目的，本发明提出一种负载恒定的不间断电源电池后备间的监测方法，包括如下步骤：

1)事先测量电池从充满状态开始以恒定功率P放电到关机点时的放电时间Tp；

2)电池充放电过程中动态地测量电池荷电状态系数Q：放电时，减小电池荷电状态系数Q的值；充电时，增加电池荷电状态系数Q的值；当电池处于充满状态时，Q＝1；当电池放电到关机点时，Q＝0；

3)将测得的上述Q的值和Tp的值相乘，即可得到对应当前放电功率P的后备时间T；

其中荷电状态系数(Q)的监测方法包括如下步骤：

1-1)当电池放电时，监测其放电功率P’和放电dt_放时间，并按下式计算Q值减少量：

              dt_放/TP’；

1-2)当电池放电后又充电时，监测充电电流Ib、充电电压Ub和充电dt_充，并按下式计算Q值增加量：

           AI_bU_bdt_充/(aW₀)

其中，W₀为充电前电池与完全充满状态相比所放出的总能量，A＝1-Q₀为归一化系数，Q₀为放出总量为W₀的能量后的荷电状态系数，a为电池的充电效率与放电效率之比；

1-3)电池充满后，Q值置为1；

负载恒定的不间断电源电池后备时间的监测方法其中Tp的监测方法为：监测电池的剩余容量系数K_P、为温度系数M_P，并按下式计算T_p：

          T_p＝K_pM_pT_pB

T_P’的公式相同，只需把其中的下标P改为P’；其中T_pB为容量未衰减的新电池从充满状态开始在基准温度下以恒定功率P放电到关机点时的放电时间；电池的剩余容量系数K_P表示电池的老化程度，对新电池，其取值为1，电池寿命终止时的取值为一设置的容量百分比；温度系数M_P表示电池放电时环境温度偏离基准温度时对放电时间的修正，当放电时温度为基准温度时，其值为1。

采用以上的方案，以电池恒功率放电时间作为电池放电后备时间实时计算的基准，由于UPS负载的恒功率特性(除非增减负载)，可以减少后备时间计算中在不同恒流放电曲线间的跳变并提高精度，除非负载量发生变动或增减，后备时间不会出现大幅度跳变，并能适用于电池在任何状态下出现放电的情况。

附图说明：

图1是本发明实施例流程示意图。

具体实施方式：

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

除非特别指明，文中所有物理量的单位为国际单位制单位。其例外有：1)电池标称容量C，单位为安时；2)在表1基础数据表中，所给出的T_PB的单位是分钟，但在公式中仍需用秒作单位，这只需在查基础数据表后转化成秒代入公式就行了。

图1所示流程实际上是本发明的一个应用实例，其中除了有后备时间计算外，还包括有UPS电池管理的部分内容，比如均、浮充转换等。所谓均充就是用较高的恒定电压对电池进行充电，一般用于电池尚未充满时，当电池充到一定程度，改为浮充，即改用较低的电压，以免过充，并补充电池自放电，但在本发明中，浮充并不是必需的。

但是，在该流程图中，电池后备时间的计算是本发明的主要内容。本发明中，电池以功率P进行放电的后备时间按下式进行计算：

     T＝QT_P

下面对其中的变量进行解释：

(一)荷电状态系数Q：它是表征电池荷电状态的一个系数，取值为0-1，Q值为1的时候表明电池处于充满状态。充电和放电(根据电池电流的方向进行判断)的Q分别描述如下：

1)电池在充电状态时，电池电荷被补充，Q的增加量为：AI_bU_bdt_充/(aW₀)

其中：

I_b为电池充电电流。

U_b为电池充电电压。

dt_充为本轮时间间隔中的充电时间，图1流程中，充电状态的检测是以固定的时间间隔进行的，软件对每个时间间隔内的Q增量进行累加。因此，在流程图1中，dt_充等于软件设置的检测电池状态的时间间隔，一般为5S-20S。

W₀为当前电池充电时已放出的能量(在上一轮放电时放出的总能量)，也即与满容量(Q＝1)时相比总共亏损的能量。注意：在整个充电过程中W₀是定值，只有在有放电的情况下，W₀才会变化(反映在流程图中就是要注意W₀＝W这一赋值命令的位置)。

A为电池充电效率与放电效率之比，它是一个≥1的系数(由于电池的充电效率一般小于放电效率，其值可根据不同电池进行设置，例如：对某一电池，当以恒定功率放电一小时后，以同样功率充电需1.2小时才能达到原来的荷电状态，则其A值取1.2)，A＝1-Q₀是容量归一系数，同W₀一样，A值在整个充电过程中是定值，只有在有放电的情况下，A才会变化，故此处用Q₀代替流程中的Q，流程图中虽仍用A＝1-Q这一赋值命令，但它的位置保证了A值的正确性。

因为Q的最大值是1，当电池充满后转浮充时可直接置Q＝1。图1中设定充电时间大于12小时或充电电流的值小于电池的容量的安时数的1％(即小于0.01C，其中C为安时数，也即电池容量的数值)时，视为已充满，改为浮充并置Q＝1。

2)电池在放电状态时，电池电荷被消耗，Q的减少量为：

        dt_放/TP’

式中：

dt_放为实际放电时间，P’为放电时的功率，它与P具有完全相同的物理含义，计算方法也相同，但P’为电池在前一轮放电时的功率，而P是计算后备时间时当前的放电功率，当二者存在于同一公式中时，有必要进行区分，但单独讨论T_P和T_P’的计算公式时，二者没有任何差别，下面以T_P为例进行说明。

T_P＝K_PM_PT_PB，它表示电池从充满状态以恒功率P放电到关机点时的总放电时间。其中：T_PB是容量未衰减的新电池在20℃常温下从充满状态以P进行恒功率放电，放电到电池关机点时的放电时间；K_P是根据电池寿命预测所估计的剩余容量系数，K_P≤1，对新电池，其取值为1，电池寿命终止时的取值为一设置的容量百分比，例如，对某一型号电池，在某一设备上运行时，如果认为容量百分比为70％时就不能用了，则电池寿命终止时K_P取值为70％；M_P是温度系数，表示电池放电时环境温度偏离基准温度时对放电时间的修正，当放电时温度为基准温度时，其值为1。K_P、M_P、T_PB三个量的计算见下文。

(二)放电时间T_PB：它表示满容量新电池在20℃常温下从充满状态以P进行恒功率放电，放电到电池关机点时的放电时间，它可以用以下两种方法得到：

(1)用基础数据表：实际使用中，可根据满容量电池在不同放电功率下的T_PB基础数据表，通过线性插值确定在20℃常温下以实际功率P放电至终止电压时可持续的时间T_PB。此处20℃是在测量基础数据时的基准温度，如果采用其他温度作为基准温度，只需对下述温度系数M_P的计算方式进行相应修改即可。表1是一种电池的T_PB基础数据表，表中给出的T_PB的单位是分钟，在使用时要将它转换为秒。

表1 NP12-100AH电池T_PB(MIN)

放电功率	2KW	3KW	4KW	5KW	6KW	20.4KW	24.5KW	27.1KW	32.1KW
										TPB	350	176	130	91	68	53	43	35	26

(2)用经验公式：

       T_PB＝3600CK_i/I

其中：T_PB单位是秒；C是电池的标称容量，单位是安时(AH)；I是电池当时放电电流，单位是安培(A)；K_i是电池放电效率，按电池放电电流大小范围分段取值，例如如下取值：

电池放电电流I小于5小时率(即标称容量除以5小时后所得的电流值，下类推)，K_i＝0.85；

电池放电电流I大于5小时率小于3小时率，K_i＝0.8；

电池放电电流I大于3小时率小于1小时率，K_i＝0.6；

电池放电电流I大于1小时率，K_i＝0.5。

对于标称容量是100AH的电池，放电电流小于20A时K_i＝0.85，放电电流大于20A小于33A时K_i＝0.8，放电电流大于33A小于100A时K_i＝0.6。

(三)剩余容量系数K_P：它是电池在使用过程中充满状态下的容量和新电池容量之间的比较结果。可用以下两种方法得到：

(1)基于基础数据表的放电法：用这种方法得到的剩余容量系数K_P与具体电池相对应的，可以保证预测结果达到比较高的精确度。

放电法的具体做法如下：在电池的定期维护放电(或电池定期自检)中，每次让电池以恒定功率P₀放电，P₀的设定值选取可按实际要求选定，例如：100AH时取P₀＝9K(或6K、3K，可在监控程序中设定)；65AH时取P₀＝6K；38AH、40AH时取P₀＝3K，超出的部分由整流器提供。维护放电中让电池放出20％的新电池容量，即放电时间为与P₀对应的T_PB的20％，而后检测电池的端电压U_B，将其和基础数据中电池在不同剩余容量阶段按P₀放出20％容量(即20％T_PB时间)后电池的端电压相比，用线性插值结果对电池老化的剩余容量K_P进行修正。

K_P＝K₁+(U₁-U_B)·(K₂-K₁)/(U₁-U₂)

其中K₁、K₂、U₁、U₂为基础数据，即当剩余容量为K₁时，以上述同样放电功率和放电时间下放电后端电压为U₁，当剩余容量为K₂时，以上述同样放电功率和放电时间下放电后端电压为U₂。

表2、3是2种电池20％初始容量放电电池端压与对应剩余容量比K_P数据：表中除非特别声明，所有数据是10个电池串联测试的数据。

表2、GP12-40AH电池K_P

端压(V)	123.8	123.4	122.2	121.5	118.9
						KP	100％	85.1％	81.2％	76.6％	30.7％

表3、GP12-65AH电池K_P

端压(V)	123.7	123.5	122.2	121.2	120.8
						KP	100％	86.6％	80.3％	72.6％	52.7％

虽然由于对浮充电压的温度补偿及电池浮充电压值的可设置，浮充电压的高低对U_B值有一定影响，但目前初步的测试结果显示，对环境温度在15～30℃间的电池剩余容量的检测精度影响在3％以下。

(2)按线性老化经验公式计算：根据电池标称寿命估算剩余容量系数，K_P≤1，它的值可以依据电池标称寿命设定为随使用时间按线性或非线性规律衰减，例如设定为如下式按线性规律变化：

K_P＝(标称寿命-已使用时间)/标称寿命

(四)是温度系数M_P：对于环境温度偏离基准温度的放电情况，需对T_P进行温度系数M_P的修正，例如定义20℃为基准温度，此时其M_P＝1，则其他温度下的M_P可以用以下两种方法得到：

(1)利用基础数据表：M_P除与温度区间范围相关外，还是放电功率的函数，必须利用电池温度系数随温度和功率变化的基础数据表进行二维线性插值。具体计算可以对应数据表中上下最接近的两个功率等级按实际温度进行线性插值，再把所得的对应该两个功率等级的温度系数按实际放电功率再进行一次线性插值即可得实际M_P值。表4、5是两种电池的实测温度系数M_P基础数据表：

表4、NP100AH电池M_P

环境温度放电功率	10℃	15℃	20℃	30℃	40℃
						1K	0.92	0.96	1	1.06	1.09
4K	0.86	0.93	1	1.12	1.18
						8K	0.88	0.93	1	1.03	1.15
16K	0.77	0.85	1	1.23	1.38

表5、GPL12-100AH电池M_P

环境温度放电功率	10℃	15℃	20℃	30℃	40℃
						1K	0.99	1.00	1	1.11	1
4K	0.96	0.94	1	1.27	1.27
						8K	0.92	0.88	1	1.39	1.39
16K	0.91	1	1	1.45	1.64

(2)用经验公式：

设定M_P随环境温度按线性或非线性变化，例如设定为按线性变化，当基准温度为25度时，M_P＝1+k(t-25)

其中t是环境温度，k_t是温度系数，例如按如下放电率范围分段取值：

电池放电电流小于10小时率，k_t＝0.006/℃；

电池放电电流大于10小时率小于5小时率，k_t＝0.007/℃；

电池放电电流大于5小时率小于3小时率，k_t＝0.008/℃；

电池放电电流大于3小时率，k_t＝0.01/℃；

(五)已放出的电能总量W：是用于表征电池放电时放出能量的变量，上面计算Q值的公式中的W₀是W在特定条件下的一个具体值，即在放电后充电前时刻的W。

引入W变量是为了解决电池在未充满电情况下，出现再次放电或在未放完电的情况下，出现再次充电时的放电时间估算问题。用能量守恒的观点，可以解决电池放电所能放出的能量大小随放电功率变化，以及随后的充电过程中能量回充比率计算的难题。充电时，W的减少量为：

I_bU_bdt_充/a

其中各量的含义同前。放电时W的增加量为：

Pdt_放

其中各量的含义同前。

Claims (7)

1、一种负载恒定的不间断电源电池后备时间的监测方法，其特征是包括如下步骤：

1)事先测量电池从充满状态开始以恒定功率P放电到关机点时的放电时间Tp；

2)在电池充放电过程中动态地测量电池荷电状态系数Q：放电时，减小电池荷电状态系数Q的值；充电时，增加电池荷电状态系数Q的值；当电池处于充满状态时，Q＝1；当电池放电到关机点时，Q＝0；

3)将测得的上述Q的值和Tp的值相乘，即可得到对应当前放电功率P的后备时间T；

其中荷电状态系数(Q)的监测方法包括如下步骤：

1-1)当电池放电时，监测其放电功率P’和放电dt_放时间，并按下式计算0值减少量：

      dt_放/T_p’；

1-2)当电池放电后又充电时，监测充电电流Ib、充电电压Ub和充电dt_充，并按下式计算Q值增加量：

      AI_bU_bdt_充/(aW₀)

其中，W₀为充电前电池与完全充满状态相比所放出的总能量，A＝1-Q₀为归一化系数，Q₀为放出总量为W₀的能量后的荷电状态系数，a为电池的充电效率与放电效率之比；

1-3)电池充满后，Q值置为1；

负载恒定的不间断电源电池后备时间的监测方法其中Tp的监测方法为：监测电池的剩余容量系数K_p、为温度系数M_p，并按下式计算T_D：

      T_p＝K_pM_pT_pB

T_p’的公式相同，只需把其中的下标P改为P’；其中T_pB为容量未衰减的新电池从充满状态开始在基准温度下以恒定功率P放电到关机点时的放电时间；电池的剩余容量系数K_p表示电池的老化程度，对新电池，其取值为1，电池寿命终止时的取值为一设置的容量百分比；温度系数M_p表示电池放电时环境温度偏离基准温度时对放电时间的修正，当放电时温度为基准温度时，其值为1。

2、如权利要求1所述的负载恒定的不间断电源电池后备时间的监测方法，其特征是其中电池的剩余容量系数K_p的监测方法是监测其已使用时间，然后按如下线性老化经验公式计算：

          K_p＝(标称寿命-已使用时间)/标称寿命

3、如权利要求1所述的负载恒定的不间断电源电池后备时间的监测方法，其特征是其中K_p的监测方法为放电法：即让电池以一确定功率放电规定的时间或容量后，测量电池的端电压U_B，从事先在同样放电功率和放电时间下用实验测定的电池基础数据中查找最接近的值U₁、U₂以及对应的电池剩余容量系数K₁、K₂，并用线性插值计算：

         K_p＝K₁+(U₁-U_B)·(K₂-K₁)/(U₁-U₂)

其中K₁、K₂、U₁、U₂为基础数据，即当剩余容量为K₁时，以上述同样放电功率和放电时间下放电后端电压为U₁，当剩余容量为K₂时，以上述同样放电功率和放电时间下放电后端电压为U₂。

4、如权利要求1所述的负载恒定的不间断电源电池后备时间的监测方法，其特征是当基准温度为25度时，其中M_D的监测方法是：监测环境温度t，并采用下述经验公式计算：

M_p＝1+K_t(t-25)

其中t是环境温度，K_t是温度系数，分段取值：

电池放电电流小于10小时率，K_t＝0.006/℃；

电池放电电流大于10小时率小于5小时率，K_t＝0.007/℃；

电池放电电流大于5小时率小于3小时率，K_t＝0.008/℃；

电池放电电流大于3小时率，K_t＝0.01/℃。

5、如权利要求1所述的负载恒定的不间断电源电池后备时间的监测方法，其特征是其中M_D的监测方法为二维线性插值法：监测实际放电功率，并在事先用实验测得的电池温度系数随温度和功率变化的基础数据表中，找到上下最接近的两个功率等级按实际温度进行线性插值，再把所得的对应该两个功率等级的温度系数按实际放电功率再进行一次线性插值即可得实际M_R值。

6、如权利要求1所述的负载恒定的不间断电源电池后备时间的监测方法，其特征是其中T_pB监测方法是：测量电池当时放电电流I，并采用如下经验公式计算：

T_PB＝3600C K_i/I

其中：C是电池的标称容量，单位为安时；I是电池当时放电电流；K_i是电池放电效率，按电池放电电流大小范围分段取值：

电池放电电流I小于5小时率，K_i＝0.85；

电池放电电流I大于5小时率小于3小时率，K_i＝0.8；

电池放电电流I大于3小时率小于1小时率，K_i＝0.6；

电池放电电流I大于1小时率，K_i＝0.5。

7、如权利要求1所述的负载恒定的不间断电源电池后备时间的监测方法，其特征是其中T_pB的计算方法为插值法：利用事先用实验测定的满容量新电池在基准温度下以不同放电功率放电的T_PB基础数据表，通过线性插值确定在基准温度下以实际功率P放电至终止电压时可持续的时间T_PB。