備用電池充電系統和提供用於管理支持系統的服務的方法
2023-06-01 13:23:31 1
專利名稱：備用電池充電系統和提供用於管理支持系統的服務的方法
技術領域：
本發明一般涉及備用電池系統領域。具體地說，本發明由用於交替對多個備用電池組充電以便減少電池組的數量或尺寸的系統構成。
背景技術：
在圖1中，傳統的備用電池系統10包括具有功率傳感器14的控制設備12、充電電路16以及一個或多個電池組18。每個電池組18包括一個或多個電池20，並具有基於電池的物理特性的最大能量容量。一旦被放電到低於預定的放電閾值，某些電池組被設計成被重新充電到其最大能量容量。但是，由於溫度波動、重複充電/放電以及其他的化學反應所致，電池組的最大能量容量將隨著時間惡化。例如，典型的電池在其有效壽命內可能丟失其多達20％的最大能量容量。在某些類型的電池中，如果在被重新充電前它們沒有被完全放電到其放電閾值，則最大能量容量上的這種減少就更為顯著。
如果電池組被充電到其當前最大能量容量，由於電池內的化學反應所致，即使在無負載時，電荷也將隨著時間惡化(「自放電」)。一種方法是給電池組提供連續的充電(「涓流充電」)以防止自放電。但是，這造成了其他的問題，例如大大縮短的電池壽命。因此，人們期望具有這樣的備用電池系統它對自放電進行補償，而無需付出涓流充電的縮短電池壽命的代價。
功率設備可用的能量容量(「有效能量容量」)是當前最大能量容量、當前的自放電量、當前溫度和加在電池組上的負載的函數。此有效能量容量經常遠遠小於電池組的初始最大能量容量。因此，備用電池系統必須被設計成即使在有效能量容量遠遠低於電池組的初始最大能量容量時，也提供足夠的有效能量容量來給負載供電。
另一種方法是利用具有遠遠高於給負載供電所需最大能量容量的初始最大能量容量的電池組。但是，增大備用電池系統的初始最大能量容量很昂貴，並且需要更大的空間體積用於相應更大的電池組。此外，增大電池組的尺寸可能大大增加備用電池系統的重量。
還有一種方法是利用多個電池組，多個電池組具有遠遠大於設計負載所需的組合初始最大能量容量。因為這些電池組處於相同的環境，所以它們將傾向於以相同速率自放電，潛在地在大約相同的時間到達放電閾值。這種解決方案和利用單個更大的電池組有同樣的缺點，即增加的成本、體積和重量。因此，期望具有防止電池組在相同時間接近放電閾值的對多個備用電池組充電的系統。
在6,583,603號美國專利中，Baldwin公開了一種用於對被用作備用電源的電池單元充電和放電的裝置。該裝置利用兩個並聯的控制開關，將電池單元與負載總線和電源部分地隔離。控制開關其中的一個每一次將一組電池連接到負載總線。雖然Baldwin公開了獨立於其他組對電池組充電，但是，他沒有對防止多個電池組同時接近放電閾值進行公開。
在6,504,344號美國專利中，Adams等公開了一種用於管理電池組的設備。控制器指示對單個電池的選擇性負載測試。有用能量容量已經降低到預定閾值之下的電池被重新充電。但是，像Baldwin專利一樣，Adams沒有公開對並聯電池組交替充電，以減小超額設計容量的量。因此，人們期望具有能夠交替對多個電池組充電，以使所需初始最大能量容量最小化的備用電池系統。
發明內容
這裡公開的發明利用了備用電池系統，包括具有功率傳感設備的控制設備、充電電路、多個電池組以及放電電路。每個電池組包括一個或多個電池。代表最小可接受有效能量容量的下閾值被控制設備所建立。如果其有效能量容量降低到低於下閾值，每個電池組被重新充電。此外，建立了代表最小可接受有效能量容量加上性能餘度的上閾值。
在雙電池組系統中，如果兩個電池組都降低到低於上閾值，則具有最少有效能量容量的電池組被重新充電到該電池組的最大能量容量。以這種方式，防止了兩個電池組同時接近最小可接受有效能量容量。這減小了電池組的尺寸或數量，並降低了其相關的成本和體積。為了使得電池壽命最大化並減小電池組的最大能量容量的惡化，電池組在被重新充電之前可以被放電到最小可接受有效能量容量。
本發明可以被擴展到具有三個或多個電池組的備用電池系統。如果兩個或多個電池組降低到低於上閾值，則具有最少有效能量容量的電池組被放電，然後被重新充電到最大能量容量。或者，可以設置上閾值，以使僅僅當所有的電池組降低到低於上閾值時，電池組才被放電和重新充電。
依據下面的說明書中對本發明的描述，以及在所附權利要求中所特別指出的新穎特徵，本發明的各種其他目的和優點將變得清晰。因此，為了實現上述目標，本發明包含下面在附圖中被示出、在優選實施例的詳細描述中被完整地描述，並在權利要求中被特別指出的特徵。但是，這些附圖和說明僅公開了可以實踐本發明的各種方式中的幾個。
圖1是說明傳統的備用電池系統的框圖，傳統的備用電池系統包括具有功率傳感器的控制設備、充電電路以及多個電池組，每個電池組包括一個或多個電池。
圖2是交替備用電池充電系統的框圖，交替備用電池充電系統包括具有功率傳感器以及下閾值和上閾值的控制設備、充電電路、放電電路以及多個電池組，每個電池組包括一個或多個電池。
圖3是圖2的控制設備的框圖，其中，控制設備包括處理設備和存儲器設備，存儲器設備包括保存下閾值和上閾值的存儲器位置。
圖4是圖2的控制設備的框圖，其中，控制設備包括用於保持下閾值的第一硬體設備和用於保持上閾值的第二硬體設備。
圖5是示出根據本發明的交替充電算法的流程圖。
具體實施例方式
本發明基於如下構思使用控制設備來建立有效能量容量的下閾值和上閾值，並根據這些閾值對多個電池組交替充電。這裡公開的發明可以被實施為方法、裝置或使用標準的編程或工程技術來生產軟體、固件、硬體或其任何組合的產品。如此處所用的術語「產品」指實施在硬體或例如光學存儲設備和易失性或非易失性存儲器設備的計算機可讀介質中的代碼或邏輯。這樣的硬體可以包括但不局限於現場可編程門陣列(「FPGA」)、專用集成電路(「ASIC」)、複雜可編程門器件(「CPLD」)、可編程門陣列(「PLA」)、微處理器或其他類似的處理設備。
參照附圖，其中，相同的部分被給予相同的參考數字和符號，圖2是示出交替備用電池充電系統110的框圖，交替備用電池充電系統110包括具有功率傳感器114、下閾值116和上閾值118的控制設備112。交替備用電池充電系統110還包括充電電路120、放電電路122以及多個電池組124。每個電池組124包括一個或多個電池126。功率傳感器114使用電壓傳感器、電流傳感器或二者的組合來測量儲存在每個電池組124中的能量容量，並且可以包括測試負載。充電電路120可以包括電源、繼電器和限流設備。放電電路122可以包括其自己的繼電器和另一個限流設備。
下閾值116建立最小可接受有效能量容量，並且，如果電池組的有效能量容量降到低於下閾值，則每個電池組124被重新充電。上閾值118代表下閾值116的最小可接受有效能量容量加上性能餘度。在本發明的一個示範性實施例中，下閾值116被設置為電池組的初始最大能量容量的60％，並且上閾值118被設置為電池組的初始最大能量容量的80％。
上閾值118可以被選擇來代表在電池組自放電到下閾值116的時間的一半內，通過自放電所達到的能量容量。但是實際上，上閾值是幾個變量的函數，例如溫度和不同電池組在自放電速率上的個體差異，此外，通過監控環境並根據表格或方程調整標稱自放電速率，可以計入溫度的影響。通過監控每個電池組隨時間變化的實際自放電並相應地調整表格或方程，可以調整不同電池組的自放電速率之間的差別的影響。
圖3是圖2的控制設備112的一個實施例的框圖，其中，控制設備112包括處理設備128和存儲器設備130。存儲器設備130包括保存下閾值和上閾值116、118的存儲器位置132。
處理設備可以是微處理器、通用中央處理單元(「CPU」)，或者是諸如FPGA、ASIC、PLA或CPLD的可編程器件。存儲器設備可以是隨機存取存儲器(「RAM」)設備、Flash RAM或處理設備128內的寄存器組。在本發明的這個實施例中，控制設備112負責控制功率傳感器114、充電電路120以及放電電路。此外，控制設備112將來自功率傳感器114的信息與下閾值和上閾值116、118進行比較。
圖4是圖2的控制設備112的另一個實施例的框圖，其中，控制設備112包括用於保持下閾值的第一硬體設備134和用於保持上閾值的第二硬體設備136。第一和第二硬體設備134、136可以是分壓器電路或電壓檢測器。在本發明的這個實施例中，來自功率傳感器的輸出被施加於第一和第二硬體設備134、136。控制設備對來自第一和第二硬體設備134、136的信號做出反應，以指示充電電路120和放電電路的行動。本實施例的控制設備自己可以是例如固態電路的硬體設備。
在雙電池組系統中，如果兩個電池組都降低到低於上閾值(80％)，則具有最小有效能量容量的電池組被重新充電到電池組的最大能量容量。以這種方式，兩個電池組都被防止同時接近最小可接受有效能量容量(60％)。這減小了電池組的尺寸或數量，並降低了其相關的成本和體積。為了使得電池壽命最大並減小電池組的最大能量容量的惡化，電池組在被重新充電之前可以被放電到最小可接受有效能量容量。在充電之前放電的需要是電池類型和閾值被設置於何處的函數。對於某些電池技術和閾值，在充電前對電池放電提高了電池壽命和容量。在其他的情況下，對放電並無益處，所以這個步驟可以被省略。
本發明可以被擴展到具有三個或多個電池組的備用電池系統。如果兩個或多個電池組降低到低於上閾值，則具有最少有效能量容量的電池組被放電，然後被重新充電到最大能量容量。或者，可以設置上閾值以使僅僅當所有的電池組降低到低於上閾值時，電池組才被放電和重新充電。而在本發明的另一個實施例中，上閾值可以被設置在平均電池組將自放電到下閾值加上下閾值與當前最大能量容量之間的差的三分之一的點。
在本發明的另一個實施例中，上閾值可以被設置在下閾值加上下閾值與當前最大能量容量之間的差的三分之二，並且一個中間閾值可以被設置在下閾值加上下閾值和當前最大能量容量之間的差的三分之一。
圖5的交替充電算法200說明了交替備用電池充電的過程。在步驟202，功率傳感器114對每個電池組124進行估計，以確定其有效能量容量。功率傳感器包括電池容量估算器，該估算器考慮電池單元電壓、溫度史、以前重新充電所需的能量容量，以及有載時所用的電流。此外，功率傳感器可以將製造商關於電池單元的數據納入考慮。以這種方式，電池容量估算器將結合定時器和周期性溫度採樣，使用製造商的隨時間變化的自放電曲線以及製造商的隨時間變化的最大容量和溫度曲線來估計容量。
在步驟204，控制器112把這些估計與上閾值118進行比較。如果所有電池組124的有效能量容量均高於上閾值118，則無需操作，並且處理返回步驟202以重新開始循環。
如果電池組124中的任意一個的有效能量容量低於上閾值118，則處理前進到步驟208。在步驟208，確定是否所有電池組124的有效能量容量均低於上閾值118。如果是，則過程前進到步驟212，在步驟212，控制器112指示充電電路，將具有最少量有效能量容量的電池充電到其當前最大能量容量。如果至少一個電池組高於上閾值，則處理前進到步驟210。
在步驟210，電池組124的有效能量容量被與下閾值116進行比較。如果任何電池組具有小於下閾值的容量，則處理前進到步驟212，在步驟212，控制器112指示充電電路，將具有最少量有效能量容量的電池充電到其當前最大能量容量。如果所有電池組124的有效能量容量均低於下閾值116，則無需進一步的操作，並且處理返回步驟202以重新開始循環。
在步驟212，對電池充電的處理可以選擇性地包括使用放電電路122將電池放電到下閾值116。在對具有最小容量的電池組充電之後，處理返回步驟202以重新開始循環。
製造備用電池系統領域的熟練技術人員可以開發出本發明的其他實施例。例如，本發明可以被擴展到包括三個或多個電池組的備用電池系統。如果兩個或多個電池組降低到低於上閾值，則具有最小有效能量容量的電池組被選擇性地放電到下閾值，然後被重新充電到其當前最大能量容量。或者，可以設置上閾值，以便僅僅當所有電池組都降低到低於上閾值時，電池組才被放電到下閾值並被重新充電。
但是，在前面的說明書中已經採用的術語和表達方式僅僅被用作描述的術語而非限制，並且，在使用這些術語和表達方式時，並無排除所示出和描述的特徵或其一部分的等效物的企圖，應當理解，本發明的範圍僅僅由所附權利要求所定義和限制。
權利要求
1.一種備用電池系統，包含第一電池組，它具有第一有效能量容量和第一最大能量容量；第二電池組，它具有第二有效能量容量和第二最大能量容量；充電電路，它電連接到第一和第二電池組；和控制設備，包括功率傳感器以及下閾值和上閾值；其中，所述功率傳感器適於檢測第一能量容量何時降低到低於下閾值，並且，控制設備適於指示充電電路將第一電池組充電到第一最大能量容量。
2.如權利要求1所述的備用電池系統，其中，功率傳感器還適於檢測第一能量容量和第二能量容量何時降低到低於上閾值，並且，控制設備還適於指示充電電路將第一電池組充電到第一最大能量容量。
3.如權利要求2所述的備用電池系統，還包含電連接到第一和第二電池組的放電電路，並且，控制設備還適於在指示充電電路將第一電池組充電到第一最大能量容量之前，指示放電電路把第一電池組放電到下閾值。
4.如權利要求1所述的備用電池系統，其中，控制設備包括處理設備和存儲器設備，所述存儲器設備包括保存下閾值和上閾值的存儲器位置。
5.如權利要求1所述的備用電池系統，其中，處理設備是微處理器。
6.如權利要求1所述的備用電池系統，其中，控制設備包括用於保持下閾值的第一硬體設備和用於保持上閾值的第二硬體設備。
7.如權利要求6所述的備用電池系統，其中，第一硬體設備和第二硬體設備包括分壓器電路。
8.如權利要求1所述的備用電池系統，其中，功率傳感器包括電壓傳感器。
9.如權利要求4所述的備用電池系統，其中，存儲器設備是隨機存取存儲器(「RAM」)設備。
10.如權利要求2所述的備用電池系統，還包含具有第三有效能量容量和第三最大能量容量的第三電池組；其中，功率傳感器還適於檢測能量容量中的任意兩個何時已經降低到低於上閾值，並且，控制設備還適於指示充電電路將第一電池組充電到第一最大能量容量。
11.如權利要求2所述的備用電池系統，還包含具有第三有效能量容量和第三最大能量容量的第三電池組；其中，功率傳感器還適於檢測第一、第二和第三能量容量何時已經降低到低於上閾值，並且，控制設備還適於指示充電電路將第一電池組充電到第一最大能量容量。
12.如權利要求10所述的備用電池系統，還包含電連接到第一、第二和第三電池組的放電電路，並且，控制設備還適於在指示充電電路將第一電池組充電到第一最大能量容量之前，指示放電電路將第一電池組放電到下閾值。
13.如權利要求11所述的備用電池系統，還包含電連接到第一、第二和第三電池組的放電電路，並且，控制設備還適於在指示充電電路將第一電池組充電到第一最大能量容量之前，指示放電電路將第一電池組放電到下閾值。
14.一種對備用電池系統充電的方法，包含步驟檢測第一電池組的第一能量容量何時降低到低於下閾值；將第一能量容量與第二電池組的第二能量容量進行比較；和如果第一能量容量小於第二能量容量，則指示充電電路將第一電池組充電到第一最大能量容量。
15.如權利要求14所述的方法，還包含步驟檢測第一能量容量和第二能量容量何時降低到低於上閾值；和將第一電池組充電到第一最大能量容量。
16.如權利要求15所述的方法，在將第一電池組充電到第一最大能量容量的步驟之前，還包含將第一電池組放電到下閾值的步驟。
17.如權利要求15所述的方法，還包含步驟檢測第三電池組的第三能量容量；檢測能量容量中的任意兩個何時已經降低到低於上閾值；和將第一電池組充電到第一最大能量容量。
18.如權利要求15所述的方法，還包含步驟檢測第三電池組的第三能量容量；檢測第一、第二和第三能量容量何時已經降低到低於上閾值；和將第一電池組充電到第一最大能量容量。
19.如權利要求17所述的方法，在將第一電池組充電到第一最大能量容量的步驟之前，還包含將第一電池組放電到下閾值的步驟。
20.如權利要求18所述的方法，在將第一電池組充電到第一最大能量容量的步驟之前，還包含將第一電池組放電到下閾值的步驟。
21.一種包括數據存儲介質的產品，所述數據存儲介質包括一組機器可讀指令，機器可讀指令可由處理設備執行以實施一種算法，所述算法包含步驟檢測第一電池組的第一能量容量何時降低到低於下閾值；將第一能量容量與第二電池組的第二能量容量進行比較；和如果第一能量容量小於第二能量容量，則指示充電電路將第一電池組充電到第一最大能量容量。
22.如權利要求21所述的產品，還包含步驟檢測第一能量容量和第二能量容量何時降低到低於上閾值；和將第一電池組充電到第一最大能量容量。
23.如權利要求22所述的產品，在將第一電池組充電到第一最大能量容量的步驟之前，還包含將第一電池組放電到下閾值的步驟。
24.如權利要求22所述的產品，還包含步驟檢測第三電池組的第三能量容量；檢測能量容量中的任意兩個何時已經降低到低於上閾值；和將第一電池組充電到第一最大能量容量。
25.如權利要求22所述的產品，還包含步驟檢測第三電池組的第三能量容量；檢測第一、第二和第三能量容量何時已經降低到低於上閾值；和將第一電池組充電到第一最大能量容量。
26.如權利要求24所述的產品，在將第一電池組充電到第一最大能量容量的步驟之前，還包含將第一電池組放電到下閾值的步驟。
27.如權利要求25所述的產品，在將第一電池組充電到第一最大能量容量的步驟之前，還包含將第一電池組放電到下閾值的步驟。
28.一種提供用於管理支持系統的服務的方法，包含將計算機可讀代碼集成進計算系統，其中，計算機可讀代碼結合計算系統能夠執行下列步驟檢測第一電池組的第一能量容量何時降低到低於下閾值；將第一能量容量與第二電池組的第二能量容量進行比較；和如果第一能量容量小於第二能量容量，則指示充電電路將第一電池組充電到第一最大能量容量。
29.如權利要求28所述的方法，還包含步驟檢測第一能量容量和第二能量容量何時降低到低於上閾值；和將第一電池組充電到第一最大能量容量。
30.如權利要求29所述的方法，在將第一電池組充電到第一最大能量容量的步驟之前，還包含將第一電池組放電到下閾值的步驟。
31.如權利要求29所述的方法，還包含步驟檢測第三電池組的第三能量容量；檢測能量容量中的任意兩個何時已經降低到低於上閾值；和將第一電池組充電到第一最大能量容量。
32.如權利要求29所述的方法，還包含步驟檢測第三電池組的第三能量容量；檢測第一、第二和第三能量容量何時已經降低到低於上閾值；和將第一電池組充電到第一最大能量容量。
33.如權利要求31所述的方法，在將第一電池組充電到第一最大能量容量的步驟之前，還包含將第一電池組放電到下閾值的步驟。
34.如權利要求32所述的方法，在將第一電池組充電到第一最大能量容量的步驟之前，還包含將第一電池組放電到下閾值的步驟。
全文摘要
本發明涉及一種電池備用系統，包括控制設備，控制設備包括功率傳感設備、放電電路、充電電路和多個電池組。代表最小可接受有效能量容量的下閾值被建立。如果其有效能量容量降低到低於下閾值，則每個電池組被重新充電。此外，代表最小可接受有效能量容量加上性能餘度的上閾值被建立。在雙電池組系統中，如果兩個電池組都降低到低於上閾值，則具有最少有效能量容量的電池組被放電到最小可接受有效能量容量，並且隨後被重新充電到該電池組的最大能量容量。以這種方式，防止了兩個電池組同時接近最小可接受有效能量容量。這減小了電池組的尺寸或數量，並降低了其相關的成本和體積。
文檔編號G01R31/36GK1776956SQ200510084999
公開日2006年5月24日 申請日期2005年7月26日 優先權日2004年11月18日
發明者卡爾·E·瓊斯 申請人:國際商業機器公司