CN1083595A - 测定电池后备时间的方法 - Google Patents

Abstract

电池的后备时间(T)是以反复的方式在连续的 模拟时间间隔(ΔT)内对电池放电进行模拟而获得 的。在每个模拟时间间隔内根据等效于电池的数字 模型，利用实际放电功率(P)、模拟电压(E)和模拟充 电状态(S)计算模拟放电电流(i)。电池的后备时间 (T)等于对于模拟电压(E)达到预定的阈值(E_min)所 需的模拟时间时隔之和。该方法考虑到了电池的老 化，并且当电池寿命过短时也能报警。

Description

本发明涉及测定电池后备时间的方法，包括测量电池的端电压，测量电池的充电或放电电流，从所测得的电压和电流值计算电池的放电功率以及根据该功率测定电池的后备时间。

考虑到由电池传送的电流、在电池端测得的电压以及通过实验获得的或者由电池厂家提供的放电曲线，测定电池组（特别是不间断电源的电池组）的后备时间是目前发展水平。

在目前基于微处理器的系统中，电池放电曲线以诸如表格的形式存储在与微处理器相联的存储器中。

每种类型的电池的放电曲线不同，并且不同的供应商不总是以相同的形式提供。与所用电池相应的曲线必须存储在测定后备时间的装置中。这种存储要求很大的存储容量。此外，难于考虑电池的老化、实际充电状况以及在放电过程中电量的变化。

本发明的目的在于克服这些缺点。

根据本发明，测定后备时间涉及以反复的方式，在连续的模拟时间间隔内，对电池放电进行模拟，所述模拟包括对每个模拟时间间隔，考虑到电池的功率和预定的电池特性参数，计算电池的模拟端电压，将模拟电压与电池的最小放电电压相比较，以及将连续的模拟时间间隔相加，当模拟电压达到放电电压的最小值时，电池的后备时间就等于该时间间隔之和。

根据特定实施例，模拟电压的计算包括计算模拟放电电流和计算电池充电的模拟状态。根据以下公式计算模拟放电电流：

${\mathrm{i\; =\; (\; E}}_o-\sqrt{E^2{}_0\mathrm{-\; 4R\; P\; )}}\mathrm{/2R}$

其中，E₀是电池的等效电压特性，R是电池内阻，P是电池的放电功率。

对充电的模拟状态的计算最好在每个模拟时间间隔内从先前模拟充电状态减去模拟电流和时间间隔的乘积与代表电池电容量的特性参数的比值实现的。电池内阻可在每个模拟时间间隔内从电池完全充电后代表其内阻的电池的特性参数和电池充电状态中计算出。

此外，该方法能够包括对电池实际充电状态的计算，所述实际充电状态用作模拟电池放电时初始模拟充电状态。

该方法也包括对电池特性参数的更新，该参数代表电池完全充电时的内阻和电池的容量，从而考虑到电池的使用程度。

根据最佳实施例，对电池在完全充电状态下的内阻的更新包括对所述内阻的预定的逐渐增长。电池容量的更新包括计算新的容量值，该值等于电池在完全充电状态下的内阻的更新值与通过所涉及的两个参数的初值的乘积而得的系数的比值。

该方法还能包括由测定电池的后备时间来测定电池的剩余寿命。

通过下面对本发明附图实施例的描述，其他优点和特点将更加明显。

图1示意性图示了根据本发明的完成测定UPS电池后备时间的方法的一种装置。

图2表示电池的等效电路。

图3表示根据图1的装置工作时的总流程图。

图4更详细地表示了根据图3的流程图的后备时间的计算阶段的实施例。

图5更详细地表示了根据图3的流程图的电池功率和充电状态的计算阶段的实施例。

图6更详细地表示了当电池充电时，电池充电状态的更新阶段。

图7更详细地图示了根据图3的流程图的初始化阶段。

图8表示电池初始内阻的更新阶段。

图9图示了更新电池容量的附加阶段的特定实施例。

图10图示了电池剩余寿命及其后备时间的关系。

图1图示了用于测定UPS的一个电池2的电池后备时间的装置1的应用。图中所示意的常规类型的UPS是由AC电压源3供电，并包括一个串联于DC-AC转换器或变换器5及一个负载6的AC-DC转换器4，电池2连接到转换器4的输出端。

装置1包括一个带有微处理器的电子处理电路7，它和显示装置8相连。电子处理电路7在输入端接收代表电池充电或放电电流Ib的信号（由电流传感器9提供）以及接收代表电池端电压Ub的信号。

电路7也包括用于输入参数的装置。在图中输入装置以键盘10的形式表示，但是也能采用任何其他相当的形式。微处理器以常规方式与存储装置11RAM及寄存器连接，使参数测量值（Ib，Ub）及不同的计算值得以存储。

电池可视为和图2所示的电路等效，并包括串联的恒定DC电压源E₀和内阻R。如果i为电池提供的电流，E为电池端电压，则公式：

E＝E₀-R_i（1）

成立。

电池内阻可由下述形式表达：

R＝R₀/S^k（2）

其中R是电池完全充电（即，其充电状态＝1）时的内阻，k是电池相应的系数。

电池的充电状态可用下列公式表达：

入端12的第二逻辑信号A2或者通过测定电流Ib的正负号。

如果电池处于放电周期（A2＝1），则微处理器计算（F6）电池提供的功率P及其实际充电状态Sb。该计算阶段将结合图5加以详细说明。

如果电池未放电（A2＝0），则微处理检查（F7）电池是否处于充电周期或者电池是否还未工作。该信息能够通过施加到输入端12的第三逻辑信号A3提供，若充电则A3为1，否则为0，或者将测得的电流与0比较，若电池未工作，则Ib为0。

如果电池没有工作（F7输入否），则微处理器将理论上的功率Pth作为功率P的值，它是任意选取的并预先存储在存储装置11中。该理论功率例如可以与包含电池的电源的满功率相应，与该功率的半值相应或者与电池传送的实际功率相应。

图3中，在电池充电期间（F7输出是），未计算后备时间，但是微处理器能够在循环返回F4的输入以进行新的后备时间测定循环之前，更新（F9）电池的实际充电状态Sb，其方法将结合图6进行更详细地说明。根据另一可选实施例（未示出），微处理器在充电期间能够以电池未工作时同样的方法，参考在F9计算的电池的实际充电状态，计算后备时间。

在阶段F6或F8之后，微处理器在F10将电池的实际充电状态Sb作为充电状态S，然后计算（F11）后备时间T。T的计算阶段将结合图4进一步详细说明。然后微处理器在循环返回F4的输入以进

S＝1-∫idt/C    （3）

其中，C是电池的容量，用Ah表示。

P＝Ei是电池提供的功率，电流i可用下列公式表示：

${\mathrm{(\; E}}_o-\sqrt{E^2\mathrm{-\; 4R\; P\; )}}\mathrm{/2R\; (\; 4\; )}$

这种数学模型用于测定电池的后备时间。

处理电路7中的微处理器连续执行图3所示的总流程图的各个阶段。

当装置首先接通以测定电池2的后备时间时，微处理器检查（F1）电池是否充电。可通过任何适当的方法将该信息提供到装置，例如利用加到图1的处理电路的输入端12的逻辑信号A1（该信号由外部监控装置（未示出）提供或者由安装于装置上的开关的动作提供），例如在最短的充电时间（比如12小时）之后进行。如果电池未充电（A1＝0），则微处理器在显示装置8上显示相应信息，例如“对电池充电”（F2）。

电池充电后（A1＝1），微处理器进入初始化阶段，将结合附图7进一步详细说明。

初始化阶段后，电池后备时间的测定是在固定时间间隔（△T1）例如每秒内进行的。该测定始于微处理器读取（F4）由电流传感器9提供的电流Ib。然后微处理器检查（F5）是否有放电电流。该信息能够用任何适当的方法提供到装置中，例如可通过加到处理电路的输行一个新的后备时间测定循环之前，在显示装置8上检查（F12）后备时间T的显示。

图4表示了T的计算阶段F11。该阶段开始于根据公式（2）对电池内阻的计算阶段13。从生产厂家所提供的数据中获得的表示电池特性的R₀和k值已经存储在存储器11中，其中充电状态S在阶段F10测定。在阶段F13后的F14根据公式（4），从以前分别在F13和F6或F8阶段已分别计算出的R和P以及表示电池特性的E₀值中计算由电池提供的模拟电流i，R，P和E均存储在存储器11中。

在阶段F14后的F15阶段中，根据公式（1）计算电池的模拟端电压E。接着，F18将此模拟电压和与预定的电池放电电压的最小值相应的预定值E_min比较。

如果E大于E_min（F16输出否），则下一阶段F17包括在一个预定的放电期间△t之后通过计算新值S＝S-i△t/C计算新的充电状态S。由生产厂家提供的数据而获得的电池的容量值C已事先存储在存储器11中。同时，在阶段11开始时为0的T值被T+△T取代，然后，微处理器返回到阶段F13的输入。

只要模拟电压值E仍大于或等于E_min，就重复F13到F17的计算过程。这样，根据图2所描述的数学模型，在连续的模拟时间间隔△t期间内从电池的实际充电状态Sb反复模拟电池的放电，并考虑到所涉及的电池的特性参数R₀，k，E₀和C以及电池的实际功率P。对于E变得小于E_min所必须的模拟时间间隔△t之和对应于电池后备时间T。当模拟电压E变得小于E_min（F16输出是）时，该时间得以显示（阶段F12）。

利用数学模型使放电能以相对于通常后备时间的很小的时间间隔△t加以模拟，使能够获得相对准确的T值，而不需要将电池的特线曲线存入存储器中。例如，步长△t可为10至30秒。

所用模型是自适应的，直到考虑到电池传送的实际载率P并且最好是其实际充电状态Sb对T所做的计算。此外，电池的使用程度能够通过修改R₀和C的初值加以考虑，这将进一步具体说明。

图5详细表示了阶段6。在第一阶段F18，数值T1设为0，T1的意义将结合图6解释。接着，在F19，微处理器读取电池2端电压值Ub，并计算（F20）电池的功率Pb＝UbIb。更新（F21）电池的实际充电状态Sb，以考虑到在时间间隔△T1内，电流Ib的放电：

Sb＝Sb-Ib△T₁/C （5）

如果从前一后备时间测定循环起，电功率恒定，可以执行该时间的简单更新。为此，将前一循环计算的功率P同在阶段F22期间的功率Pb上比较。如果P＝Pb（F22输出是），则新的后备时间由下式给定（F23）：

T＝T-△T₁（6）

然后显示（F12）。

另一方面，如果功率已经改变（F22输出否），无论增大或减小，都必须考虑到功率和实际充电状态Sb的新值重新计算后备时间。在阶段24，微处理器将功率Pb当作功率P，然后将后备时间T初始（F25）为0，然后通过模拟放电计算（F10和F11）新的T。

图6详细表示了在电池充电的情况下对实际充电状态Sb的更新。在阶段F26，根据下式计算新的Sb值：

Sb＝Sb+（Ib△T₁/ac） （7）

其中，a是考虑了电池效率的系数。例如，该系数a可以在1.12（新电池）和1.14（用尽的电池）之间变化，并可选择1.13。

充电时间T1在图5的F18阶段重新设置为0。当放电一开始，就在F27更新T1为：

T₁＝T₁+△T₁（8）

当实际充电状态Sb达到1（F28输出是），微处理器可能经过在阶段F31对R₀的计算之后在F4新开始测定循环。为避免因测量而产生的错误，经充电12小时后，参数Sb重新设置为1。如果Sb不等于1（F28输出否）并且如果T1＝12小时（F29输出是），在返回F4的输入之前微处理器在阶段F30将Sb值视为1。如可行，将在阶段F31之后返回F4。如果T1不是12小时，（F29输出否），微处理器保持在F26计算出的新Sb值，并返回到F4的输入。

在图7详示的初始化阶段F3，功率P设置为0（F31），Sb值设置为1（在F32）。

电池老化时，其内阻增加，电容量减小。最初存储在存储器11中的R₀和C可周期性地更新考虑这种现象。

当电池完全充电时（S＝1），可在F31阶段更新R₀。例如可在图6的F30阶段之后进行更新。

当电池完全充电时，

Ub＝E₀-R₀Ib （9）

因此，根据下式可从测得的Ub和Ib值中，推导出新的R₀b值：

R₀b＝（E₀-Ub）/Ib （10）

如图8所示，R₀更新阶段F31于是包括：测量Ub的阶段F32，后随根据公式（10）计算最初内阻R₀的测量值R₀b的F33阶段。

如果新的R₀b值偏离先前存储的R₀值并超过一个预定的阈值，则用新值取代R₀。因此在F34阶段比较R₀和klR₀，kl是预定值的系数。例如kl＝1.05时，表明所考虑的新值与先前值的偏离大于5%。如果R₀b值大于klR₀（F34输出是），则R₀b取代存储器11中的R₀。否则（F34输出否），R₀保持不变。

在图8所示的最佳实施例中，R₀的任何修改（F35）之后在F36根据下式修改C：

C＝K₂/R₀（11）

R₀和C的乘积可认为是常量，K2是相应于最初存储的乘积R₀C的预定的系数。

在C的更新也能在电池端电压Ub达到最小电压值E_min时进行。这种更新能在放电时，在计算P和Sb的F6阶段，通过将一个附加阶段插入在阶段F19和F20之间或F20和F21之间（图5）而系统地完成。

图9更详细地表示了这个附加更新阶段的特定实施例。首先比较（F31）电压Ub和E_min。如果Ub不等于E_min（F37输出否），则根据下式计算（F38）自放电开始电池所消耗的Ah的相应量A：

A＝A+Ib△T₁（12）

每当电池完全充电时，即在初始化阶段F32（图7）和在F28阶段输出是后的F46阶段或在电池重新充电的F30阶段（图6），A的数值都设置为0。

放电结束（F37输出是），计算（F39）电池内阻R：

R＝（E₀-Ub）/Ib （13）

然后计算（F40）S^k：

S^k＝R₀/R （14）

然后从S^k导出（F41）S，并更新（F42）A的数值。于是根据下式计算（F43）新的容量值Cb：

Cb＝A/（1-S）    （15）

如果新的Cb值偏离先前存储的C值超过预定的阈值，则用新值代替C值。因此，在F44阶段将Cb值和K3C作比较，K3是预定值的系数，例如K3＝0.95。如果Cb小于K3C（F44输出是），则用Cb取代存储器11中的C。否则（F44输出否），C保持不变。

在电池很长期间没有工作的情况下，系统地更新R₀和C的值是有利的。实际上，既使电池未被使用，它也将老化。其相应于电池后备时间所需时间的电池寿命D（例如5年）将减小至最初的一半。根据最佳实施例，R₀的值不断增加，而容量C的值不断减少，乘积R₀C保持不变。因此可以模拟电池后备时间随时间的线性减少。这种更新能够以固定时间间隔系统地安排。比如每月一次。例如可以通过安装监测电路或任何适当的监视电路，将适当的信号加到微处理器的输入端12进行更新。

为了进一步提高准确性，可以根据电池生产厂家提供的温度和C的关系对C进行修正。最初存储的C值是相应于预定的温度（例如20或25℃）的值。

对后备时间的测定能够用于检测电池损坏的紧急情况。实际上，在电池寿命的终点，电池的后备时间通常已减半。监测后备时间T的变化能提供对电池剩余寿命的指示。Tth是电池后备时间的理论值，当T＝Tth/2时，就可认为电池已耗尽。图10图示了电池剩余寿命D和电池后备时间T的关系，例如电池的理论上的寿命Dth（例如为5年），相应的后备时间Tth（例如为10分钟）。当T＝Tth/2时，剩余寿命为0。通过推算，每当时间T测定时，就能测定电池的剩余寿命。如果曲线D（T）是线性的，如图10所示，则以下式表示：

D＝2Dth×（T/Tth）-Dth    （16）

Dth和Tth的值都在先前存储到存储器11内，微处理器在每次计算新T值时都能够根据公式（14），从其中导出电池实际的寿命D的值。

D的计算能够自动地进行，例如在阶段F11之后的附加阶段F46（图3）中进行，在F11中计算T。

该附加阶段F46还包括一个同预定最小阈值作比较的阶段。如果D低于该阈值，则微处理器触发一个紧急损坏警报。

Claims (10)

1、一种测定电池(2)的后备时间(T)的方法，包括测量(F19，F4)电池的端电压(Ub)，测量电池的充电或放电电流(Ib)，从所测得的电压和电流值计算(F6，F20)电池的放电功率(Pb)以及根据该功率测定电池的后备时间(T)，该方法特征在于测定后备时间(T)涉及以反复的方式在连续的模拟时间间隔(△T)内，对电池的放电进行模拟(F11)，所述模拟包括对每个模拟时间间隔(△T)，考虑到电池的功率(Pb)和预定的电池特性参数(R₀，C，K)，计算(F13，F14，F15，F17)电池的模拟端电压(E)，将模拟电压(E)与电池的最小放电电压(E_min)相比较(F16)，以及将连续的模拟时间间隔相加(F17)，当模拟电压(E)达到放电电压的最小值(E_min)时，电池的后备时间(T)就等于时间间隔之和。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于模拟电压（E）的计算包括计算（F14）模拟放电电流（i），和计算（F17）电池充电的模拟状态（S）。

3、根据权利要求2的方法，其特征在于根据公式

${\mathrm{i\; =\; (\; E}}_o-\sqrt{E_o\mathrm{-\; 4R\; P\; )}}\mathrm{/2R}$

，其中E₀是电池的等效电压特性，R是电池内阻，P是电池的放电功率。

4、根据权利要求2的方法，其特征在于对充电的模拟的状态（S）的计算（F17）是在每个模拟时间间隔（△T）内，从先前的模拟充电状态减去模拟电流（i）与时间间隔（△T）的乘积与代表电池容量的特性参数（C）的比值实现的。

5、根据权利要求3的方法，其特征在于电池内阻（R）可在每个模拟时间间隔期间从电池完全充电后的代表其内阻（R₀）的电池特性参数和电池的充电状态（S）中计算出。

6、根据权利要求2的方法，其特征在于该方法包括对电池实际充电状态（Sb）的计算（F6，F9），所述实际充电状态用作模拟（F11）电池放电时初始的模拟充电状态（S）。

7、根据权利要求1的方法，其特征在于包括对电池参数特性的更新，该参数代表电池完全充电时的内阻（R₀）以及电池的容量（C），从而考虑到电池的使用程度。

8、根据权利要求7的方法，其特征在于对电池在完全充电时的内阻（R₀）的更新包括对所述内阻（R₀）的预定的逐步增大。

9、根据权利要求7的方法，其特征在于电池容量（C）的更新包括计算（F36）新的容量值，该值等于电池完全充电状态下的电池内阻（R₀）的更新值与通过所涉及的两个参数（C，R₀）的初值的乘积而得系数（K₂）的比值。

10、根据要求1的方法，其特征在于该方法包括由测定电池的后备时间（T）来测定（F46）电池的剩余寿命（D）。

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