CN100440610C - 备用电池充电***和提供用于管理支持***的服务的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池备用***，包括控制设备，控制设备包括功率传感设备、放电电路、充电电路和多个电池组。代表最小可接受有效能量容量的下阈值被建立。如果其有效能量容量降低到低于下阈值，则每个电池组被重新充电。此外，代表最小可接受有效能量容量加上性能余度的上阈值被建立。在双电池组***中，如果两个电池组都降低到低于上阈值，则具有最少有效能量容量的电池组被放电到最小可接受有效能量容量，并且随后被重新充电到该电池组的最大能量容量。以这种方式，防止了两个电池组同时接近最小可接受有效能量容量。这减小了电池组的尺寸或数量，并降低了其相关的成本和体积。

Description

备用电池充电***和提供用于管理支持***的服务的方法

技术领域

本发明一般涉及备用电池***领域。具体地说，本发明由用于交替对多个备用电池组充电以便减少电池组的数量或尺寸的***构成。

背景技术

在图1中，传统的备用电池***10包括：具有功率传感器14的控制设备12、充电电路16以及一个或多个电池组18。每个电池组18包括一个或多个电池20，并具有基于电池的物理特性的最大能量容量。一旦被放电到低于预定的放电阈值，某些电池组被设计成被重新充电到其最大能量容量。但是，由于温度波动、重复充电/放电以及其他的化学反应所致，电池组的最大能量容量将随着时间恶化。例如，典型的电池在其有效寿命内可能丢失其多达20％的最大能量容量。在某些类型的电池中，如果在被重新充电前它们没有被完全放电到其放电阈值，则最大能量容量上的这种减少就更为显著。

如果电池组被充电到其当前最大能量容量，由于电池内的化学反应所致，即使在无负载时，电荷也将随着时间恶化(“自放电”)。一种方法是给电池组提供连续的充电(“涓流充电”)以防止自放电。但是，这造成了其他的问题，例如大大缩短的电池寿命。因此，人们期望具有这样的备用电池***：它对自放电进行补偿，而无需付出涓流充电的缩短电池寿命的代价。

功率设备可用的能量容量(“有效能量容量”)是当前最大能量容量、当前的自放电量、当前温度和加在电池组上的负载的函数。此有效能量容量经常远远小于电池组的初始最大能量容量。因此，备用电池***必须被设计成即使在有效能量容量远远低于电池组的初始最大能量容量时，也提供足够的有效能量容量来给负载供电。

另一种方法是利用具有远远高于给负载供电所需最大能量容量的初始最大能量容量的电池组。但是，增大备用电池***的初始最大能量容量很昂贵，并且需要更大的空间体积用于相应更大的电池组。此外，增大电池组的尺寸可能大大增加备用电池***的重量。

还有一种方法是利用多个电池组，多个电池组具有远远大于设计负载所需的组合初始最大能量容量。因为这些电池组处于相同的环境，所以它们将倾向于以相同速率自放电，潜在地在大约相同的时间到达放电阈值。这种解决方案和利用单个更大的电池组有同样的缺点，即：增加的成本、体积和重量。因此，期望具有防止电池组在相同时间接近放电阈值的对多个备用电池组充电的***。

在6,583,603号美国专利中，Baldwin公开了一种用于对被用作备用电源的电池单元充电和放电的装置。该装置利用两个并联的控制开关，将电池单元与负载总线和电源部分地隔离。控制开关其中的一个每一次将一组电池连接到负载总线。虽然Baldwin公开了独立于其他组对电池组充电，但是，他没有对防止多个电池组同时接近放电阈值进行公开。

在6,504,344号美国专利中，Adams等公开了一种用于管理电池组的设备。控制器指示对单个电池的选择性负载测试。有用能量容量已经降低到预定阈值之下的电池被重新充电。但是，像Baldwin专利一样，Adams没有公开对并联电池组交替充电，以减小超额设计容量的量。因此，人们期望具有能够交替对多个电池组充电，以使所需初始最大能量容量最小化的备用电池***。

发明内容

这里公开的发明利用了备用电池***，包括：具有功率传感设备的控制设备、充电电路、多个电池组以及放电电路。每个电池组包括一个或多个电池。代表最小可接受有效能量容量的下阈值被控制设备所建立。如果其有效能量容量降低到低于下阈值，每个电池组被重新充电。此外，建立了代表最小可接受有效能量容量加上性能余度的上阈值。

在双电池组***中，如果两个电池组都降低到低于上阈值，则具有最少有效能量容量的电池组被重新充电到该电池组的最大能量容量。以这种方式，防止了两个电池组同时接近最小可接受有效能量容量。这减小了电池组的尺寸或数量，并降低了其相关的成本和体积。为了使得电池寿命最大化并减小电池组的最大能量容量的恶化，电池组在被重新充电之前可以被放电到最小可接受有效能量容量。

本发明可以被扩展到具有三个或多个电池组的备用电池***。如果两个或多个电池组降低到低于上阈值，则具有最少有效能量容量的电池组被放电，然后被重新充电到最大能量容量。或者，可以设置上阈值，以使仅仅当所有的电池组降低到低于上阈值时，电池组才被放电和重新充电。

依据下面的说明书中对本发明的描述，以及在所附权利要求中所特别指出的新颖特征，本发明的各种其他目的和优点将变得清晰。因此，为了实现上述目标，本发明包含下面在附图中被示出、在优选实施例的详细描述中被完整地描述，并在权利要求中被特别指出的特征。但是，这些附图和说明仅公开了可以实践本发明的各种方式中的几个。

附图说明

图1是说明传统的备用电池***的框图，传统的备用电池***包括具有功率传感器的控制设备、充电电路以及多个电池组，每个电池组包括一个或多个电池。

图2是交替备用电池充电***的框图，交替备用电池充电***包括具有功率传感器以及下阈值和上阈值的控制设备、充电电路、放电电路以及多个电池组，每个电池组包括一个或多个电池。

图3是图2的控制设备的框图，其中，控制设备包括处理设备和存储器设备，存储器设备包括保存下阈值和上阈值的存储器位置。

图4是图2的控制设备的框图，其中，控制设备包括用于保持下阈值的第一硬件设备和用于保持上阈值的第二硬件设备。

图5是示出根据本发明的交替充电算法的流程图。

具体实施方式

本发明基于如下构思：使用控制设备来建立有效能量容量的下阈值和上阈值，并根据这些阈值对多个电池组交替充电。这里公开的发明可以被实施为方法、装置或使用标准的编程或工程技术来生产软件、固件、硬件或其任何组合的产品。如此处所用的术语“产品”指实施在硬件或例如光学存储设备和易失性或非易失性存储器设备的计算机可读介质中的代码或逻辑。这样的硬件可以包括但不局限于：现场可编程门阵列(“FPGA”)、专用集成电路(“ASIC”)、复杂可编程门器件(“CPLD”)、可编程门阵列(“PLA”)、微处理器或其他类似的处理设备。

参照附图，其中，相同的部分被给予相同的参考数字和符号，图2是示出交替备用电池充电***110的框图，交替备用电池充电***110包括具有功率传感器114、下阈值116和上阈值118的控制设备112。交替备用电池充电***110还包括充电电路120、放电电路122以及多个电池组124。每个电池组124包括一个或多个电池126。功率传感器114使用电压传感器、电流传感器或二者的组合来测量储存在每个电池组124中的能量容量，并且可以包括测试负载。充电电路120可以包括电源、继电器和限流设备。放电电路122可以包括其自己的继电器和另一个限流设备。

下阈值116建立最小可接受有效能量容量，并且，如果电池组的有效能量容量降到低于下阈值，则每个电池组124被重新充电。上阈值118代表下阈值116的最小可接受有效能量容量加上性能余度。在本发明的一个示范性实施例中，下阈值116被设置为电池组的初始最大能量容量的60％，并且上阈值118被设置为电池组的初始最大能量容量的80％。

上阈值118可以被选择来代表在电池组自放电到下阈值116的时间的一半内，通过自放电所达到的能量容量。但是实际上，上阈值是几个变量的函数，例如温度和不同电池组在自放电速率上的个体差异，此外，通过监控环境并根据表格或方程调整标称自放电速率，可以计入温度的影响。通过监控每个电池组随时间变化的实际自放电并相应地调整表格或方程，可以调整不同电池组的自放电速率之间的差别的影响。

图3是图2的控制设备112的一个实施例的框图，其中，控制设备112包括处理设备128和存储器设备130。存储器设备130包括保存下阈值和上阈值116、118的存储器位置132。

处理设备可以是微处理器、通用中央处理单元(“CPU”)，或者是诸如FPGA、ASIC、PLA或CPLD的可编程器件。存储器设备可以是随机存取存储器(“RAM”)设备、Flash RAM或处理设备128内的寄存器组。在本发明的这个实施例中，控制设备112负责控制功率传感器114、充电电路120以及放电电路。此外，控制设备112将来自功率传感器114的信息与下阈值和上阈值116、118进行比较。

图4是图2的控制设备112的另一个实施例的框图，其中，控制设备112包括用于保持下阈值的第一硬件设备134和用于保持上阈值的第二硬件设备136。第一和第二硬件设备134、136可以是分压器电路或电压检测器。在本发明的这个实施例中，来自功率传感器的输出被施加于第一和第二硬件设备134、136。控制设备对来自第一和第二硬件设备134、136的信号做出反应，以指示充电电路120和放电电路的行动。本实施例的控制设备自己可以是例如固态电路的硬件设备。

在双电池组***中，如果两个电池组都降低到低于上阈值(80％)，则具有最小有效能量容量的电池组被重新充电到电池组的最大能量容量。以这种方式，两个电池组都被防止同时接近最小可接受有效能量容量(60％)。这减小了电池组的尺寸或数量，并降低了其相关的成本和体积。为了使得电池寿命最大并减小电池组的最大能量容量的恶化，电池组在被重新充电之前可以被放电到最小可接受有效能量容量。在充电之前放电的需要是电池类型和阈值被设置于何处的函数。对于某些电池技术和阈值，在充电前对电池放电提高了电池寿命和容量。在其他的情况下，对放电并无益处，所以这个步骤可以被省略。

本发明可以被扩展到具有三个或多个电池组的备用电池***。如果两个或多个电池组降低到低于上阈值，则具有最少有效能量容量的电池组被放电，然后被重新充电到最大能量容量。或者，可以设置上阈值以使仅仅当所有的电池组降低到低于上阈值时，电池组才被放电和重新充电。而在本发明的另一个实施例中，上阈值可以被设置在平均电池组将自放电到下阈值加上下阈值与当前最大能量容量之间的差的三分之一的点。

在本发明的另一个实施例中，上阈值可以被设置在下阈值加上下阈值与当前最大能量容量之间的差的三分之二，并且一个中间阈值可以被设置在下阈值加上下阈值和当前最大能量容量之间的差的三分之一。

图5的交替充电算法200说明了交替备用电池充电的过程。在步骤202，功率传感器114对每个电池组124进行估计，以确定其有效能量容量。功率传感器包括电池容量估算器，该估算器考虑电池单元电压、温度史、以前重新充电所需的能量容量，以及有载时所用的电流。此外，功率传感器可以将制造商关于电池单元的数据纳入考虑。以这种方式，电池容量估算器将结合定时器和周期性温度采样，使用制造商的随时间变化的自放电曲线以及制造商的随时间变化的最大容量和温度曲线来估计容量。

在步骤204，控制器112把这些估计与上阈值118进行比较。如果所有电池组124的有效能量容量均高于上阈值118，则无需操作，并且处理返回步骤202以重新开始循环。

如果电池组124中的任意一个的有效能量容量低于上阈值118，则处理前进到步骤208。在步骤208，确定是否所有电池组124的有效能量容量均低于上阈值118。如果是，则过程前进到步骤212，在步骤212，控制器112指示充电电路，将具有最少量有效能量容量的电池充电到其当前最大能量容量。如果至少一个电池组高于上阈值，则处理前进到步骤210。

在步骤210，电池组124的有效能量容量被与下阈值116进行比较。如果任何电池组具有小于下阈值的容量，则处理前进到步骤212，在步骤212，控制器112指示充电电路，将具有最少量有效能量容量的电池充电到其当前最大能量容量。如果所有电池组124的有效能量容量均低于下阈值116，则无需进一步的操作，并且处理返回步骤202以重新开始循环。

在步骤212，对电池充电的处理可以选择性地包括使用放电电路122将电池放电到下阈值116。在对具有最小容量的电池组充电之后，处理返回步骤202以重新开始循环。

制造备用电池***领域的熟练技术人员可以开发出本发明的其他实施例。例如，本发明可以被扩展到包括三个或多个电池组的备用电池***。如果两个或多个电池组降低到低于上阈值，则具有最小有效能量容量的电池组被选择性地放电到下阈值，然后被重新充电到其当前最大能量容量。或者，可以设置上阈值，以便仅仅当所有电池组都降低到低于上阈值时，电池组才被放电到下阈值并被重新充电。

但是，在前面的说明书中已经采用的术语和表达方式仅仅被用作描述的术语而非限制，并且，在使用这些术语和表达方式时，并无排除所示出和描述的特征或其一部分的等效物的企图，应当理解，本发明的范围仅仅由所附权利要求所定义和限制。

Claims (18)

1.一种备用电池***，包含：

第一电池组，它具有第一有效能量容量和第一最大能量容量；

第二电池组，它具有第二有效能量容量和第二最大能量容量；

充电电路，它电连接到第一和第二电池组；和

控制设备，包括功率传感器以及保存下阈值和上阈值的存储设备；其中，所述功率传感器适于检测第一有效能量容量何时降低到低于下阈值，并且，控制设备适于指示充电电路将第一电池组充电到第一最大能量容量；其中，所述功率传感器还适于检测第一有效能量容量和第二有效能量容量何时降低到低于上阈值，并且，控制设备还适于指示充电电路将第一电池组充电到第一最大能量容量。

2.如权利要求1所述的备用电池***，还包含电连接到第一和第二电池组的放电电路，并且，控制设备还适于在指示充电电路将第一电池组充电到第一最大能量容量之前，指示放电电路把第一电池组放电到下阈值。

3.如权利要求1所述的备用电池***，其中，控制设备包括处理设备。

4.如权利要求3所述的备用电池***，其中，处理设备是微处理器。

5.如权利要求1所述的备用电池***，其中，控制设备包括用于保持下阈值的第一硬件设备和用于保持上阈值的第二硬件设备。

6.如权利要求5所述的备用电池***，其中，第一硬件设备和第二硬件设备包括分压器电路。

7.如权利要求1所述的备用电池***，其中，功率传感器包括电压传感器。

8.如权利要求3所述的备用电池***，其中，存储器设备是随机存取存储器RAM设备。

9.如权利要求1所述的备用电池***，还包含具有第三有效能量容量和第三最大能量容量的第三电池组；其中，功率传感器还适于检测有效能量容量中的任意两个何时已经降低到低于上阈值，并且，控制设备还适于指示充电电路将第一电池组充电到第一最大能量容量。

10.如权利要求1所述的备用电池***，还包含具有第三有效能量容量和第三最大能量容量的第三电池组；其中，功率传感器还适于检测第一、第二和第三有效能量容量何时已经降低到低于上阈值，并且，控制设备还适于指示充电电路将第一电池组充电到第一最大能量容量。

11.如权利要求9所述的备用电池***，还包含电连接到第一、第二和第三电池组的放电电路，并且，控制设备还适于在指示充电电路将第一电池组充电到第一最大能量容量之前，指示放电电路将第一电池组放电到下阈值。

12.如权利要求10所述的备用电池***，还包含电连接到第一、第二和第三电池组的放电电路，并且，控制设备还适于在指示充电电路将第一电池组充电到第一最大能量容量之前，指示放电电路将第一电池组放电到下阈值。

13.一种对备用电池***充电的方法，包含步骤：

检测第一电池组的第一能量容量何时降低到低于下阈值；

将第一能量容量与第二电池组的第二能量容量进行比较；

如果第一能量容量小于第二能量容量，则指示充电电路将第一电池组充电到第一最大能量容量；以及

检测第一能量容量和第二能量容量何时降低到低于上阈值；

将第一电池组充电到第一最大能量容量。

14.如权利要求13所述的方法，在将第一电池组充电到第一最大能量容量的步骤之前，还包含将第一电池组放电到下阈值的步骤。

15.如权利要求13所述的方法，还包含步骤：

检测第三电池组的第三能量容量；

检测能量容量中的任意两个何时已经降低到低于上阈值；和

将第一电池组充电到第一最大能量容量。

16.如权利要求13所述的方法，还包含步骤：

检测第三电池组的第三能量容量；

检测第一、第二和第三能量容量何时已经降低到低于上阈值；和

将第一电池组充电到第一最大能量容量。

17.如权利要求15所述的方法，在将第一电池组充电到第一最大能量容量的步骤之前，还包含将第一电池组放电到下阈值的步骤。

18.如权利要求16所述的方法，在将第一电池组充电到第一最大能量容量的步骤之前，还包含将第一电池组放电到下阈值的步骤。

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