CN1333939A - 能量测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对电池中剩余可利用能量做出显示的能量测量系统,包括用来存储可表示电池满容量的预定能量参数值的装置,用来确定由该参数指示的瞬时能量消耗值的装置,用来求由开始使用电池起、由该参数指示的能量消耗值积分的装置,用来从存储的电池满容量的值中减去积分的消耗值,以提供一个剩余能量值的装置,以及用来表示能量剩余值的读出装置。

Description

能量测量系统

本发明所属技术领域

本发明涉及一种用来显示电池剩余可用能量值的能量测量系统。

与本发明相关的背景技术

在电池工业中，由于消费者对由电池供电的便携式设备例如手机和笔记本电脑其方便性能有着一再增长的需求，从而对电池调节技术的需求也在不断地增长。另外，电池工业正重点朝着由电池作为基本动力源、用于新型车辆的电动机驱动工具和零排放车辆这一趋势发展。这一趋势的产生主要是由于政府管理规章的快速发展以及消费者对空气和噪音污染问题的日益关心。另一个对高性能电池产生需求的领域是储能的应用，例如负载调配，应急/备用电源以及灵敏电子部件的高性能电源系统。

因此，随着对电池供电设备的一再需求，随之也对电池工业产生了压力迫使其制造出一种理想的电池。所谓理想的电池就是一种几乎没有重量、不占有任何空间、并且具有极好的循环寿命以及具有完美充电/放电性能和在其将要用尽时对环境并不产生危害的这样一种电池。目前电池工业用得最普遍的技术就是铅壳硫酸蓄电池，但这种蓄电池正面临着诸如高能量密度、小体积、更高性能、更长循环寿命以及保证可回收利用性能这类因素的挑战。

一些制造商正在开展对一些具有特殊性能的电池的研究，包括镍氢金属、锂离子和类似的电池，但通常这类电池都太昂贵以至于目前来说对它们的使用在经济上还是不可行的，尤其是对作为目前世界上增长最快之一的两轮/三轮载客车辆的这一市场。然而，人们已经很好地意识到，通过对电池操作条件适当的控制可改善电池、即使是目前存在的铅-酸电池的性能。

因此，就需要一种具有一定智能的精确测量装置，用于监测和确定电池中剩余能量的多少，并能给操作员提供及时的信息。

发明简述

根据本发明，提供了一种用于对电池中剩余可利用能量数值作出显示的能量测量系统，包括：

(I)用来存储可表示电池满容量的预定能量参数值的装置；

(II) 用来确定由该参数指示的瞬时能量消耗值的装置；

(III)用来求由开始使用电池起、由该参数指示的能量消耗值积分的装置；

(IV) 用来从存储的电池满容量的值中减去积分的消耗值，以提供一个剩余能量值的装置；以及

(V)以及用来表示能量剩余值的读出装置。

附图简要描述

图1是一个用来从电池系统中提供一预定功率输出的电池管理系统的方框图；

图2是根据本发明第二个实施例的一个通用型电池管理系统的方框图；

图3是图1所示能量控制系统在一个铅-酸蓄电池系统中的应用方框图；

图4是用于带和不带有本发明的能量控制系统的铅-酸蓄电池的循环次数和电池容量的一个图表；以及

图5是图1所示能量控制装置在一个氧化还原-凝胶蓄电池系统中的应用方框图。

优选实施例的详细描述

图1示出的电池管理系统10适宜于从电池系统11中在和一负载如电动车相连的终端或输出装置12处提供一预定的功率输出值。在输出终端12和电池系统11的终端线13之间有一控制装置14，以感测电池系统11的预定操作参数。在第一种操作模式中，控制装置14将从电池系统11出来的能量输入到输出终端12处。

连接在电池系统11和控制装置14之间的第一电容器装置15在控制装置14处于它的第一操作模式时，存储来自电池系统11的一预定能量，并在控制装置处于第二操作模式时，根据控制装置14的需求信息向电池系统11提供存储的能量。

连接在输出终端12和控制装置14之间的第二电容器装置16在控制装置14处于它的第一操作模式时，存储来自电池系统11的一预定能量，并在控制装置14处于他的第二操作模式时，根据从控制装置14而来的需求信号向输出终端12提供存储的能量。

因此，电力控制系统和两个电容器网络相结合，当控制装置感测到，例如，电池系统11中的极化程度太高时或由于能量首先供应于负载而使一预先设定的时间期限已过时，便开始向电池系统11反向充电。在这个放电循环中，控制装置14允许将在第一电容器网络15中存储的能量向电池系统11充电，同时第二电容器装置16向输出终端12补充未中断的能量。这一反向循环或放电循环的时间间隔是很小的，而且由于它是非常有效的，所以这可以用规则的间隔进行。

反向充电能将电池系统中的极化损失和影响消除或降低到最小。

电力控制系统同样可以与一个充电器相连来进行工作，以在操作过程中始终提供最佳的性能和电池维护。电力控制系统可适宜于防止一类未经授权的充电器连接在电池系统上，从而便防止了可能的滥用并且也保证了车主在家中不会用不正确的充电器给电池系统充电。

这种电力控制系统、充电器和车辆可以与个人的电子签名合并，使整个系统受到很准确的跟踪和监测。每次电池系统被安装到一个充电器上，电力控制系统都作自我识别，确认其从哪辆车拆下，以及车主身份。

充电器单位可对电池的能量情况进行监测并将该信息传递给使用者，以及示出交换费用的增加，电能和电池的月租金。一旦收到这类用现金或信用卡支付的费用收据，该单位就会将一种新的电池安装在车辆上。如果客户对电池滥用或改装，将会被充电器识别出来。

控制系统不仅可适宜于识别电池组的能量情况，也可适宜于在当前能量使用水平的基础上来估测可再行驶的距离。从而，车辆的驾驶者就能知道使用剩余的能量还可行驶多少公里的路程。

每一个充电装置可通过一遥测系统与一个操作中心相连，该操作中心能够不断地对充电网络中所有位置的情形进行监测。

电力控制系统可以具有速度控制模块的功能和特征，即意味着车辆的管理人员在车辆上并不需要速度控制装置，而仅通过电力控制系统便可控制输出量。这不但降低了车辆的费用，也缩减了制造商的担保量，并且只需通过遥测传达系统就可提供连续的性能监测。

该电力控制系统可用于各种各样的电池系统，例如控制阀状铅-酸电池、镍氢金属电池和氧化还原-凝胶电池，每一种系统都有其优点和专门的应用对象。

该电力控制系统同样可用于改进偏远地区电源系统、负载均衡和应急备用电池系统的备用性能。用于偏远地区电源系统和应急备用的固定电池系统可被充分的充电以用于延长的时段。由于电池在不同的速率时存在着自动放电，因此，就可将电力控制系统设定为周期性的对单个电池的状态进行扫描并且采用电池平衡的技术来保持电池内部处于平衡。同时也可使充电系统作为备用并通过所需的电力控制系统来进行控制。

如图2的方框图所示、可作为一个首选实施例的电力控制系统包括了一个微型处理器40和与其相连的、操纵下述所有功能的软件57。在该例中，微型处理器是8兆赫、8位字节，当然4位、16位、32位或64位字节的处理器同样可用。该处理器的运算速度可以是4兆赫到166兆赫之间。另外，根据单个电池的需要也可使用一数字信号处理芯片。该微型处理器带有电可擦除只读存储器、只读存储器和随机存储器。同样也可使用一ASIC(特定用途集成电路)。

单个电池电压测量模块41利用一单根电线与每一个电池的连接端相连。这条电线专门用于测量电压。以地面电压为参考，每一个电池的测量电压达到24伏。这同样也可在对每一个电池根据需要和指定的精确度要求直接进行测量的基础上完成。

通过使用包括一线路的模块42便可得到各个电池的电压测量情况，其中在该线路中通过一个电阻网络和在分离处与横跨地面的电阻器相连的滤波电容器来对电池进行分压。使用运算放大器的有源滤波器或其它的滤波器可被使用。由分配器和滤波器标定的电压是一个适合由模拟到数字转换的电压。在该例中，4.95伏就代表了电池的预定最大连接电压。一个12位的模拟数字转换器用在每一个所要测量的电池电压上。该模拟数字转化器由微处理器连续控制，它通过将每一测量电压定标和用每一个电池负极的电压减去电池正极的电压来将每一个测量电压转化为电池电压。这可在每一个电池上进行，并且这种方法适用于电池电压达到24伏或30伏的情况。

通过光学耦合串行通信器的串行数据的传输，可以使用上述方法的高于24伏或30伏的处理方法将电池电压分离出来。该电压也可用横穿并连接在每一个电池的变频器直接测量电池电压得到并将此信息按一定频率发送给微处理器。这些传输给变频器的的电压可被电流或光学耦合于测量频率并将其转换为电压的微处理器上。

电流测量模块43测量一并联电阻间的电压，并用一带有源滤波器的电流读出放大器来对电压进行定标。可以选择的是，也可使用一霍尔效应装置用适当的信号调节方法来测量。

通过使用电路模块44可得到电流的测量情形，在电路模块44中，分流器两端的电压被转化为一个0-5伏的、不分电流方向的信号，该信号接着被输入一个用于测量上述电压的12位模拟数字转化器的输入端。该调节线路也提供了用来输入微处理器的、指示电流方向的数字信号。通过将最小的外部部件与电路的相连可实现上述这一点。不连续的部件在这一点上解决方法同样也是有效的。

通过使用一安装在线路板上的完整线路温度传感器，温度可由线路模块45测量出。在不同的环境下可以使用任何不同数量的线路模块45，例如在电池组中、单个的电池或外部，以测量周边温度。

温度测试调整是由电路模块46完成的，在该模块中，温度值就是一个输出电压值和一个低的补偿电压值之和，运算放大器被用来将这一值缩小为0-5伏范围内的值，从而适合输入一用于电压和电流测量的同一个模拟数字转换器中。

一个液晶显示器47用来显示一些信息，例如残余容量、剩余行程的公里数和其他的信息。

显示驱动器48直接由微处理器40来驱动，将合适的数值写入微处理器40中基于查表位置的存储器中。依赖于微处理器的需要和液晶显示器的复杂程度，可使用一个分开结合的电路驱动器。也可使用一发光二极管或气体等离子显示器。同样，液晶显示模块也可用。

音响指示器49包括了一压电蜂鸣器用来向使用者提供声频信号。它可直接由微处理器驱动，必要的话也可使用一晶体管驱动器。

倘若电池被用来提供车辆动力，距离传感器50可安装在车轮上。这个传感器50可以是磁传感器，将磁体安装在车轮上，安装在车辆的固定部分的霍尔效应传感器。另外，也可以采用光学传感器。

对距离传感器的调节可通过一线路模块51来完成，其中距离传感器50的输出信号按一定频率由微处理器40定标与测量，并反过来由微处理器40将其转化为一速度值或距离值。

压力传感器模块52，包括位于电池中的低电压(大约为0-100毫伏)输出的压力传感器。

压力传感器调节模块53通过一精确的运算放大器将输出值控制在0-5伏的范围内并将其输入模拟数字转换器中。

通信模块54确保所有来自充电器的控制和通信信号能通过微处理器40的一串行总线进行通信。该串行总线也可通过一个人计算机来进行校准。

为了确保长的使用寿命，所有的组建都应是弱电流消耗。通过一由微处理器到低电流模式模块55的信号，可以调节微处理器、模拟数字转换器和所有其它的电路使其置于弱电流消耗模式。

为了取得所需的精确度，输入微处理器的模拟信号应由校准模块56进行校准，并将校准参数和偏移量存储在电可擦除只读存储器中。

软件57优选轮询确定的地址，并能在危及情形下如指示能量使用情况的当前时间、距离和车轮传感器的情形下将其中断。

该程序按一定的时间间隔对电流进行取样，并计算电流对时间的积分，提供所用的安培小时数和剩余的安培小时数。使用电流循环过程中的负载可对使用的安培小时数和剩余的安培小时数进行校正。该程序适宜于：

(I)计算消耗了的能量和安培小时数；

(II) 计算消耗了的平均能量和平均安培小时数；

(III)计算可用的能量和安培小时容量；

(IV) 在当前消耗的安培小时数的基础上计算可用时间；

(V) 在当前消耗了安培小时数的基础上计算可用距离；

(VI) 在一个确定的安培小时消耗量的基础上计算还可行驶的时间和距离；

(VII)当可用电容量接近临界点水平时，开始启动低电池功率和/或进行安培小时警报；以及

(VIII)显示上述所有特征的状态。

微处理器40也可驱动场效应晶体管或IGBT来控制流向电动机58的电流。它可对电刷式电动机、或带有用于多种无电刷发动机如磁阻电动机或无电刷直流电动机的准正弦曲线电动机提供一调制的单脉冲线宽的控制信号。

一个场效应晶体管或IGBT开关59用来保护对电池提供保护，所使用的场效应晶体管具有低的内阻。

开关59被由微处理器40驱动的开关控制模块60控制，场效应晶体管或IGBT的驱动是采用一转换电源来促使电压向高边驱动。

在内阻控制模块61中，微处理器控制一场效应晶体管，该场效应晶体管所起的作用就是周期性地以一个高于电池电压的电压向电容器充电，并在更换另一个具有能保持当前负载电流的电荷量的同时将上述电容器的电量输入到电池中。

能量计量表62的输出显示在液晶显示器上，显示所剩能量。这个数值是通过求电流对时间的积分计算出来的。按照一定的时间间隔进行电流取样，从总量中减去计算值，计算百分比，给出所余电量。

内阻/阻抗模块63通过测量在电流变化前后电压值的变化量来计算内阻和阻抗的值。这在充电和放电过程中都可进行。交流电或交流电压也可被输入电池中，合成的电压或电流可被测定以用来确定内阻和阻抗。

电池平衡模块64所起的作用就是当一个电池被认为在电池组中和其它的相比自动放电更厉害时，利用一转换模式整流器将来自整个电池组的能量转化为一个适当的电压值，并将其分配给最弱的电池，从而达到电池的平衡。

通常的铅-酸电池都存在着有限的容量利用率、放电深度低、循环寿命短、低能量密度、热能处理问题方面的缺陷，以及需要不断地补充充电来维持电池电量的不变。铅-酸电池也需要长时间的充电并且在非常低的充电状态下高充电电流只能用数分钟的时间。如果使用高的电流，通常就会使其达到的电压值高于允许的电压值，从而会引起电解液的损失以及电池容量的降低。在使用合适的充电器的情况下，用补充充电的方式对铅-酸电池进行充电至少需要4个小时的时间。

一个铅酸蓄电池的循环寿命很大程度上依赖于在循环过程中所能达到的放电深度。拿电动车的应用来说，一个90-100％的DOD(放电深度)也许很平常，并且在这种水平上，通常的深度放电铅酸蓄电池的循环寿命可达到大约300个周期。

图3示出了电力控制系统20应用于在一个铅-酸电池中的情形，不过，它的电池结构采用了先进的螺旋缠绕的技术。该十二节单个电池21的电极连在一起形成一个大的表面，其中是以螺旋环绕的方式将各个具有很低阻抗的单个电池连接起来。使用高级的电解液来促使可从铅-酸电池中获取非常高的电流。该电池系统和以螺旋环绕技术和改进的电解液与电力控制系统20相结合成为一体。电池以一定顺序连接在总线22上，同样。第一电容其装置23、控制装置24、第二电容器装置25以及输出终端26也连在总线22上。虚线27代表了从控制装置24到第一电容器装置23的命令信号。这种阀门限制的铅酸方式的使用以相对低的费用提供了一种证实了的技术，可作为“租赁能量”系统的一个起点。

通过使用该电力控制系统20和将电池组设计为能够表现上述特征最佳特性的式样，就可只需稍微提高点制造成本便可获得一种表现在提高了的电流值、容量、增长了的循环周期以及缩短了的充电时间等方面的、具有重大改进性能的电池。

这也在图4中得到了验证，其中示出了带和不带本发明的电力控制系统的铅-酸电池循环数和电池容量的曲线图。一个循环是指从充电开始到放电再回到充电这样一个过程。

该提高了的电流容量就意味着能量和容量的利用都得到了提高，从而也得到了一个更高的可获安培小时率和扩大了的车辆行驶范围。该提高了的循环寿命意味着电池与被替换前相比具有更多的放电次数，从而降低了年操作费用。缩短了的充电时间意味着电池的回转周期会更快，从而降低了能量租赁系统中所需的空闲电池数。

该电力控制系统可被用于通常的镍-金属-氢化物(NiMH)电池，该电池使用一般会使电池系统价格昂贵的经先进程序加工过的高纯度材料。为了获得高性能的电池，膨胀了的镍泡沫与高纯度的氢氧化镍混合物和加工过的金属合金材料的质量控制都需要具有非常高的程度。

NiMH氢化物电池也面临着自动放电的问题，而且它也同样受温度的影响。高电流的获得可能会引起电池组电池的损伤，并且必须注意使电池组避免过量放电。在这一点上，就需要高级的电池充电器来保证正确地进行充电。

本实施例中的镍-金属-氢化物电池系统就利用了用于设计来完全利用提供的电池电力控制系统的优点的高级镍-金属-氢化物技术。该电池构造利用了电池缠绕技术以允许电池具有一更高功率输出性能的输出量。该电力控制系统结合在电池组电池上成为一体。该电力控制系统能明显地减小极化的影响，从而能使电池系统在不危及循环寿命的前提下可提供一更高的电流。

由于电力控制系统监测着所有模块的性能，所以该整体模块是一个智能化很高的能量存储系统。该电力控制系统能采取主动行动来使电池保持最佳的工作性能，同时提高了循环寿命。

理想情况下，由于其具有高能量密度、大功率、长循环寿命和充电时间短的优点，该镍-金属-氢化物系统很适合用于一“能量租赁”系统。该系统与阀门限制电池组系统相比，其用在电动车上具有更大的行驶距离，但只是费用稍微高了点。然而，本实施例中该系统的制造成本明显低于现有的产品，以目前的费用来估计，该镍-金属-氢化物系统的总费用大约是当前可用的小体积的产品的1/10。

该镍-金属-氢化物系统尤其适合电动自行车，为长距离旅行准备的小型电池系统是符合要求的。

该电力控制系统同样也可用于多年来一直被研究的氧化还原电池中。这些电池一般是一些氧化还原电池，其中能量存储在电池组各部分的液态电解液中。在操作过程中，电解液通过该系统不断的再循环，从而能量在电解液中交替被转换。该氧化还原电池通常面临着低能量密度和电解液由于在该系统中反复抽送而引起的损失这样一些问题。在一些例子中，由于膜片的存在或内部分流的存在，高的自动放电率是可能存在的。

氧化还原-凝胶电池不同于氧化还原流电池，主要是其电解质不需要再循环，因为其电解质是高度浓缩的凝胶。

通常的电池系统使用一些固体金属电极的形式包括了相位转换反应。这通常会导致重量的增加和性能的降低。该氧化还原-凝胶电池使用了包括一种高浓度凝胶，其中在各自的凝胶中包含有高浓度的正极和负极反应离子。所有的反应类型都包括在凝胶中，并且由于最小损失而导致的高性能非相位转换反应也包含在其中。

本发明的电力控制系统可用于结合在氧化还原-凝胶电池组中来减少极化的影响。由于凝胶是高浓度的，当高的负载用于电池系统时，极化程度会更高。一专门用在氧化还原-凝胶电池组中的电力控制系统可缓解在氧化还原-凝胶电池组设计时的许多限制条件。

图5所示的电力控制系统包括了一中间连接在电池32上的总线系统31，控制装置33、第一电容器装置34、第二电容器装置35和输出终端36。线路37代表了命令信号。

为氧化还原-凝胶电池组特定设计的控制装置33同时也执行了一些监测的功能，例如监测单个电池的电压和温度。它也同样可监测密封电池组的内压并在任何给出条件下确定能允许的系统负载限制。控制装置33具有增加了的重要的性能，能采取主动的措施以在任何状态的充电器下都能使电池保持最佳的性能。在这种系统高度的控制下，该系统可反复利用它全部的容量并保持一非常长的循环寿命。

该系统在费用上是极具竞争力的，并能比当前可用的能量存储系统提供出更高优良的性能。氧化还原-凝胶电池组使用的电极其作用仅仅在于使电能进入和从电解液中出来。该电极是内插的，而且能用专门的、发展很成熟了的塑料材料制成。该系统与氧化还原-凝胶电池组和能量控制系统结合为一体以形成一个能量密度几乎是镍-金属-氢化物系统两倍的能量存贮系统。由于凝胶电解液的稳定，该系统同样具有非常长的循环周期。该系统作为一个整体是非常具有效能成本合算的。由于它的轻重量和坚固耐用，该系统非常适宜用于“租赁能量的”车辆更换电池。

本发明的另一个实施例，涉及电池的充电和调节模块，该模块与电力控制系统结合成一体，被集成在电池系统中。

电池系统面临着诸多问题，其中主要的一个问题就是不正确的充电或整批的充电，其中电池的总体状态被记录下来并且实施定量的充电。然而它并不适于单个电池的情形，也因此最高的充电电池通常过度充电，而最低的充电电池却充电不足。其结果就是整个电池组的寿命显著缩短。

另一个问题是由于内部效应的存在，如果内阻作用在各个部件上，电池就不能适应高的充电电流。快速充电通常会产生电液泡效应，其中产生出氢气，不仅危险、而且由于电解液的减少缩短了电池的寿命。充电器与电力控制系统相连，而且限制了内阻，由此允许更快的充电率而不影响电池的循环寿命。

本发明提供了一种独特的电池充电和调节模块，它和结合于电池系统的电力控制系统相结合在一起成为一体。该电力控制系统的主要功能在于减小由于电池内阻的存在而带来的极化效应。更重要的是，它允许对多项功能进行控制，如监测单个电池、提供功率输出控制功能、操作并与专门的充电器相连接、提供保护和调节功能。

专门的电池充电器可以识别电力控制系统并因此识别出电池模块的序列号，其中通过一遥感通信系统将其中继给操作中心。一旦电池被记录下来而且客户通过验证，电力控制系统便控制电池充电器开始充电。

实际的充电功能是由一相连的电力控制系统来执行以确保每一个电池都被监测和根据需要进行调节。这一功能防止了通过充电不足或过量充电给电池带来的损害，而且因此显著的提高了整个电池组的循环寿命。

所述的电池充电器能够识别电池的类型，并且能够自动选择正确的方式。如果未经授权的电池被安装到该充电器上，将不允许连接。该充电器还能够通过来自电力控制系统的反馈，检查电池是否已用任何其它装置充过电，或者检查所述的优化模块或电池是否已经任何途径被篡改，并且把这种信息及时地传送给操作中心。

每个充电器单元，都经由遥测系统被连接到操作中心，该中心持续不断地监视网络中所有站点，附带监控每个电池的位置、每个帐户的状况。

工业实用性

所述的电池管理系统可以用于租赁能量概念，可在许多服务设施中安装，例如，可装在自动售货机、手动安装充电组件、自动拆卸和更换电池的传送装置、机器人电池更换设施和停车/充电站。

Claims (5)

1.一种用于对电池中剩余可利用能量做出显示的能量测量系统，包括：

(I)用来存储可表示电池满容量的预定能量参数值的装置；

(II)用来确定由该参数指示的瞬时能量消耗值的装置；

(III)用来求由开始使用电池起、由该参数指示的能量消耗值积分的装置；

(IV)用来从存储的电池满容量的值中减去积分的消耗值，以提供一个剩余能量值的装置；以及

(V)以及用来表示能量剩余值的读出装置。

2.根据权利要求1所述的能量测量系统，其中，所述能量参数是安培小时。

3.根据权利要求2所述的能量测量系统，其中，所述电流是按照一定的时间间隔进行取样的。

4.根据权利要求1所述的能量测量系统，其中，所述读出装置以占满容量的百分比来显示剩余的能量。

5.根据权利要求1所述的能量测量系统，还包括在当能量剩余值少于一满容量的预定百分比时，能提供一声音警报的警报装置。

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