專利名稱：用于管理可再充電電池組的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于管理可再充電電池組的方法，包括優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)的確定、對(duì)根據(jù)優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)選定的電池的充電以及對(duì)該電池的電參數(shù)代表的測(cè)量。
背景技術(shù)：
許多裝置包括大量的可再充電電池。電池一般同時(shí)或者依次地被再充電，以便保持電池永久地帶電(charged)。
美國(guó)專利6489743描述了一種用于管理發(fā)電站、尤其是包含與太陽(yáng)電池板相連接的電池的發(fā)電站的方法。當(dāng)太陽(yáng)能源可利用時(shí)，調(diào)整器在考慮電池的充電狀態(tài)的條件下控制電池的充電，以便依次將電池充電至最大值。
美國(guó)專利5057762和文獻(xiàn)EP-A-314155二者都描述了使用基于電池的充電狀態(tài)的優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)可再充電電池組的充電進(jìn)行管理。優(yōu)先權(quán)賦予最多帶電的電池，以便快速提供完全充電的電池。
此外，即使電池是完全充電的，電池的容量也隨時(shí)間而減少，而在許多應(yīng)用中、尤其是在電信領(lǐng)域中，當(dāng)電池容量低于其標(biāo)稱容量的80％時(shí)，就認(rèn)為該電池是有缺陷的而加以替換。
美國(guó)專利6255801描述了一種裝置，籍此，使用代表電池部分放電期間的coup de fouet效應(yīng)(突發(fā)電壓損失效應(yīng))的電參數(shù)、峰值電壓和臺(tái)階電壓(plateau voltage)，就可以確定電池的容量和/或使用年限。因此，能夠在沒(méi)有將電池完全放電的條件下判斷是否要替換電池。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供一種沒(méi)有已知系統(tǒng)缺點(diǎn)的用于管理電池組的方法，更具體地，一種能最佳使用電池組的管理方法。
根據(jù)本發(fā)明，該目的是由所附權(quán)利要求實(shí)現(xiàn)的，更具體地，是由下列事實(shí)實(shí)現(xiàn)的，即用于管理的方法包括根據(jù)在使選定的電池完全充電之后測(cè)出上述電參數(shù)，對(duì)選定電池完好狀態(tài)(the state of health)進(jìn)行分析，根據(jù)上述電池完好狀態(tài)對(duì)優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行更新，以及根據(jù)更新過(guò)的優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)對(duì)下一電池進(jìn)行選擇。


根據(jù)下文結(jié)合附圖給出的僅僅作為非限制性示例的具體實(shí)施方式
的描述，本發(fā)明的其它的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)將更為明了，圖中圖1以流程圖形式說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明用于管理的方法的具體實(shí)施方式
；圖2表示根據(jù)本發(fā)明用于管理的方法的另一具體實(shí)施方式
；圖3表示完全充電的電池端子處的電壓在部分放電期間隨時(shí)間的變化，突出了coup de fouet效應(yīng)；圖4分別說(shuō)明在完全充電后(實(shí)線)和不完全充電后(虛線)電池端子處電壓的變化；圖5示意性表示分析電池完好狀態(tài)的兩種途徑；圖6說(shuō)明鉛酸可再充電電池的峰值電壓和臺(tái)階電壓的演變；圖7和圖8說(shuō)明在部分放電期間，第一電池和第二電池端子處的電壓U分別隨時(shí)間的變化；圖9和圖10分別說(shuō)明在快速充電(boost charging)的情況下電壓U的變化，以及在脈沖電流充電的情況下電壓U和電流I的變化。
具體實(shí)施例方式
借助于任何適當(dāng)?shù)氖侄?，以及更具體地利用在其中對(duì)用于管理的方法的不同步驟進(jìn)行編程的微處理器，可以在監(jiān)控裝置中實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的用于管理的方法。
如圖1的流程圖中所示，根據(jù)本發(fā)明的用于管理的方法包括步驟F1，其中，根據(jù)預(yù)先確定的優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)，選擇要充電的電池。最初，當(dāng)電池組中的全部電池都是新的時(shí)，按照預(yù)先固定并存儲(chǔ)在監(jiān)控裝置中的任意次序，一個(gè)接著一個(gè)地依次對(duì)電池進(jìn)行充電。按照這種方式，在對(duì)首先被充電的電池再次充電之前，將所有的電池一個(gè)接著一個(gè)進(jìn)行充電。
選定了要充電的電池之后，在步驟F2對(duì)此電池進(jìn)行充電。與各電池相關(guān)且具體依賴于所使用電池類型的充電參數(shù)可以預(yù)先存儲(chǔ)在監(jiān)控裝置中，并且在選定電池的充電期間自動(dòng)加以考慮。
當(dāng)使選定電池完全充電時(shí)，在步驟F3測(cè)量代表電池的電參數(shù)，更具體地測(cè)量代表其完好狀態(tài)的電參數(shù)。然后，在步驟F4分析這些參數(shù)，以確定電池的完好狀態(tài)。然后，如果需要的話，在步驟F5根據(jù)對(duì)選定電池完好狀態(tài)的這種分析更新優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)這些更新過(guò)的優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)，電池的完好狀態(tài)越差，也就是代表了退化，越頻繁地對(duì)此電池進(jìn)行充電。所以，與較少退化的電池相比，處于不良狀態(tài)的電池被更頻繁地再充電，而較少退化的電池自身又比嶄新的電池更頻繁地再充電。在步驟F5之后，根據(jù)更新過(guò)的優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)選擇另一個(gè)電池。與前面一樣，這個(gè)新選定的電池在分析其完好狀態(tài)之前先進(jìn)行充電，而且，如果需要的話，再次更新優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)。
在各電池完全再充電之后分析其完好狀態(tài)，使得易于影響電池的不同類型的退化都能予以考慮，退化特別是與諸如硫酸化、分層、腐蝕、活性材料的減少......等現(xiàn)象關(guān)聯(lián)。不僅可以考慮到不可逆退化，而且還可以考慮到可逆退化，例如，與電化學(xué)或者鉛酸電池的脫硫關(guān)聯(lián)的電池完好狀態(tài)的改善。
用來(lái)分析電池完好狀態(tài)的電參數(shù)，尤其可以由電池的阻抗構(gòu)成，即在預(yù)定頻率下電池的電導(dǎo)或者電阻。
在圖2和圖3說(shuō)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，充過(guò)電的電池在以恒定電流部分放電期間電池端子處的電壓的測(cè)量值，被用來(lái)分析電池的完好狀態(tài)。分析尤其使用只在完全充電的電池部分放電開始處出現(xiàn)的coup de fouet效應(yīng)。于是，使用的電參數(shù)是分別在部分放電的第一階段和第二階段期間，由選定電池端子處的電壓達(dá)到的峰值電壓Upeak、臺(tái)階電壓Upl，或者峰值電壓與臺(tái)階電壓之間的差ΔU。
在圖2的具體實(shí)施方式
中，在緊隨步驟F1之后的步驟F6中，初始將量N設(shè)定為零。然后，在步驟F7，接著在步驟F8，分別讀取選定電池的類型和對(duì)應(yīng)的充電和放電標(biāo)準(zhǔn)，其預(yù)先存儲(chǔ)在監(jiān)控裝置中。然后，考慮先前讀取的充電標(biāo)準(zhǔn)，在步驟F2執(zhí)行選定電池的充電。對(duì)代表電池的且設(shè)計(jì)成在步驟F4中使用的電參數(shù)的測(cè)量，包括步驟F9中選定電池端子處的電壓U的測(cè)量，在該步驟期間，以恒定電流使電池經(jīng)歷部分放電。然后，在步驟F10期間分析測(cè)出的電壓值，以確定coup de fouet效應(yīng)是否事實(shí)上發(fā)生。
如圖3和圖4所示(實(shí)線)，按照已知的方式，coup de fouet效應(yīng)的特征在于在第二階段期間電壓再次增大到平穩(wěn)狀態(tài)之前，在完全充電電池的部分放電的第一階段中，電池端子處的電壓U急劇下跌。在步驟F10期間，這樣確定峰值電壓Upeak和臺(tái)階電壓Upl峰值電壓Upeak與在部分放電期間的電壓U的最小值相對(duì)應(yīng)，而臺(tái)階電壓Upl與電壓U在其后再次升高之后達(dá)到的最大值相對(duì)應(yīng)。
Coup de fouet效應(yīng)一發(fā)生，也就是在t1時(shí)刻(圖4的實(shí)線曲線)，此刻在電壓增大之后電壓再次減小，就可以中斷放電以及隨之的電壓測(cè)量。一般而言，當(dāng)電池完全充電時(shí)，此現(xiàn)象非?？斓匕l(fā)生，這使得放電時(shí)間能減少到最小值。此時(shí)間可以限制到例如幾分鐘。此外，如果電池在步驟F2沒(méi)有被完全充電(圖4的虛線曲線)，在預(yù)置的持續(xù)時(shí)間之后在t2時(shí)刻自動(dòng)中斷放電，以免給用戶帶來(lái)不利。
如果coup de fouet效應(yīng)得到確定(F10的“是”輸出)，在步驟F4執(zhí)行電池的完好狀態(tài)分析，考慮峰值電壓Upeak和/或臺(tái)階電壓Upl和/或這兩個(gè)值之間的差ΔU(ΔU＝Upl-Upeak)的值。
如果在t2時(shí)刻沒(méi)有coup de fouet效應(yīng)，對(duì)應(yīng)于電池的不完全充電(F10的“否”輸出)，在返回到步驟F8以完成電池的充電之前，在步驟F11中可以修改充電標(biāo)準(zhǔn)。在圖2例示的具體實(shí)施方式
中，然后在跟隨步驟F11之后的步驟F12中，使量N加一(N＝N+1)，然后，在步驟F13中將量N的新值與預(yù)置門限n進(jìn)行比較。如果量N低于門限n(F13中的“是”輸出)，監(jiān)控裝置循環(huán)回到步驟F8，以完成電池的充電。否則(F13中的“否”輸出)，即如果在n次嘗試之后仍然不能使電池完全充電，就認(rèn)為該電池是有缺陷的，并且通知用戶，在步驟F14替換該電池(“更換電池”)。
分析電池完好狀態(tài)的步驟F4后緊隨的是步驟F15，與圖1的步驟F5一樣，根據(jù)電池的完好狀態(tài)，如果需要，步驟F15包括優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)的更新。同時(shí)，根據(jù)電池的完好狀態(tài)，也可以更新充電和放電標(biāo)準(zhǔn)。然后，在步驟F16，將更新的充電和放電標(biāo)準(zhǔn)與預(yù)置的界限進(jìn)行比較，該界限與所使用的電池類型以及使用此電池的應(yīng)用相關(guān)。如果更新的充電和放電標(biāo)準(zhǔn)保持在這些界限內(nèi)(F16的“是”輸出)，監(jiān)控裝置循環(huán)返回到步驟F1，并且根據(jù)更新過(guò)的優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)選擇另一個(gè)電池。與以前一樣，在分析此新選擇電池的完好狀態(tài)之前對(duì)其進(jìn)行充電，并且，如果需要的話，再更新優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)。
如果充電和放電標(biāo)準(zhǔn)在界限之外(F16的“否”輸出)，則認(rèn)定電池是有缺陷的，并且監(jiān)控裝置進(jìn)行到步驟F14，在循環(huán)回到步驟F1之前，通知用戶該電池應(yīng)當(dāng)替換。
通過(guò)在步驟F3或者F9期間電池完全充電后測(cè)出的電參數(shù)(阻抗、電導(dǎo)、電阻、Upeak、Upl、或者ΔU)的值與預(yù)置門限的比較，或者分析這些參數(shù)的演變，可以完成對(duì)電池完好狀態(tài)的分析(步驟F4)。
例如，如圖5的實(shí)線曲線所示，在用于分析電池完好狀態(tài)的第一方法中，將峰值電壓Upeak與門限Us比較。當(dāng)在t4時(shí)刻峰值電壓下跌到門限Us以下時(shí)，檢測(cè)到電池完好狀態(tài)的退化，強(qiáng)制執(zhí)行優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)和可能的充電及放電標(biāo)準(zhǔn)的更新。
根據(jù)用圖5的虛線曲線表示的用于分析的另一種方法，分析峰值電壓Upeak相對(duì)時(shí)間的演變。在t3時(shí)刻，雖然峰值電壓的值高于門限Us，但是斜率中出現(xiàn)的突變被確認(rèn)是代表了電池完好狀態(tài)退化，要求更新優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)和可能的充電及放電標(biāo)準(zhǔn)。
例如，圖6說(shuō)明在4個(gè)月的使用期間第一鉛酸可再充電電池的峰值電壓Upeak和臺(tái)階電壓Upl相對(duì)時(shí)間的演變，變化分別用虛線和實(shí)線代表。該電池由電解液開口電化學(xué)單元電池構(gòu)成，具有25Ah的初始容量。其在放電1.75V和充電2.3V的電壓門限的情況下使用，以2.5A的充電和放電電流，充電或者放電10小時(shí)。
圖7說(shuō)明在該第一電池工作4.2個(gè)月之后，也就是在工作的第128天，在步驟F9中測(cè)量和在步驟F10(圖2)觀察的coup de fouet效應(yīng)。然后，得到峰值電壓Upeak與先前測(cè)量并記錄的在圖6中示出的峰值電壓曲線的比較，表明在峰值電壓的演變中沒(méi)有突變。此外，測(cè)出的峰值電壓保持高于門限Us，其為每單元電池(cell)例如1.9V(也就是，對(duì)包含6個(gè)單元電池的電池而言為11.46V)。所以，在步驟F15不更新優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)和充電及放電標(biāo)準(zhǔn)。
在5個(gè)月的工作之后，在步驟F9中第二電池端子處電壓U的測(cè)量值，在圖8中示出。涉及的電池是鉛酸電化學(xué)單元電池，帶有25Ah的初始容量。其在放電1.75V和充電2.4V的電壓門限的情況下使用，以2.3A的充電及放電電流，充電或者放電10小時(shí)。沒(méi)有任何coup de fouet效應(yīng)的出現(xiàn)(F10的“否”輸出)，導(dǎo)致充電和放電標(biāo)準(zhǔn)的修改(步驟F11)。例如，隨后增加充電電壓門限并固定在2.45V，并且將充電修改為快速充電模式，以完成此電池的完全充電(循環(huán)回到步驟F8)。
在一般方式中，考慮到電池的類型以及其中使用此電池的應(yīng)用的類型，所有類型的充電或者放電都能使用。按照已知的方式，在充電或者放電期間，監(jiān)控和/或測(cè)量電池端子處的電壓和/或充電及放電的電流。充電及放電標(biāo)準(zhǔn)，可以由電壓和電流時(shí)間曲線、由充電及放電電流值、由充電及放電電壓門限、或者由在充電結(jié)束所要施加的快速充電系數(shù)構(gòu)成。也可以使用不同類型的充電，可能伴隨充電過(guò)程的修改。例如，圖9例示在快速充電情況下的電壓U的變化，隨著充電到門限電壓(例如可以是每單元電池2.45V)，緊接其后以恒定電壓充電(例如，2.45V每單元電池)。在高頻脈沖電流充電情況下的電流I和電壓U的變化，分別用實(shí)線和虛線例示在圖10中。
使用在包含電池組的裝置中可利用的電流，可以執(zhí)行選定電池的充電(步驟F2)。此電力尤其可以是在光電裝置中的太陽(yáng)能，或者由混合動(dòng)力裝置中的柴油發(fā)電機(jī)供應(yīng)的電力。在電池組不能利用外部能量的情況下、特別是充電是夜晚在光電裝置中進(jìn)行，則可以從組的其它電池對(duì)選定的電池再充電。就電池之間的電力損耗可以忽略不計(jì)或者非常小的情況而言，該后一種方法是有益的。尤其在鉛酸電池的情況下，選定電池借助于其它電池的再充電，由于排氣現(xiàn)象(degassing phenomenon)只會(huì)在充電的末端帶來(lái)較小的電力損耗。
此外，在執(zhí)行部分放電以測(cè)量電池的完好狀態(tài)期間，由被測(cè)試電池提供的電力，可以直接分配到?jīng)]有完全充電的其它電池，以免由這種管理系統(tǒng)給用戶造成不利。
在以上描述中所使用的電池包括蓄電池和電化學(xué)電池。
在現(xiàn)有技術(shù)中，優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)是基于電池充電的狀態(tài)而不考慮其完好狀態(tài)，但是，根據(jù)本發(fā)明考慮了電池的完好狀態(tài)。這些特征不相似。完全充電的電池可以確實(shí)處于良好完好，也可能處于不良完好。同樣的結(jié)論適用于完全放電的電池。在現(xiàn)有技術(shù)中，作為優(yōu)先電池充電的電池是最多帶電的電池，以便快速提供完全充電的電池，而利用本發(fā)明，能優(yōu)先對(duì)最大退化的電池充電，從而更經(jīng)常地對(duì)處于不良狀態(tài)的電池再充電。
因此，根據(jù)本發(fā)明的管理方法，使得能通過(guò)考慮電池的完好狀態(tài)及其隨時(shí)間的演變來(lái)執(zhí)行電池組或者電化學(xué)電池組的智能管理?？梢赃B續(xù)地監(jiān)控組的完好狀態(tài)，而且電池組的管理可以是連續(xù)的或者按期的，尤其在關(guān)心電池組修復(fù)的情況下。
權(quán)利要求
1.一種用于管理可再充電電池組的方法，包括確定優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)所述優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)對(duì)選定的電池(F1)進(jìn)行充電(F2)，以及測(cè)量代表所述電池的電參數(shù)(F3)，所述方法的特征在于其包括，根據(jù)在所選定電池完全充電之后測(cè)出的所述電參數(shù)分析所選定電池的完好狀態(tài)(F4)，根據(jù)所述電池完好狀態(tài)更新所述優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)(F5)，以及根據(jù)所述更新過(guò)的優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)選擇下一電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于對(duì)所選定電池完好狀態(tài)的分析包括，將在所述電池充電之后測(cè)出的該電池的電參數(shù)與預(yù)置門限進(jìn)行比較。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于對(duì)所選定電池完好狀態(tài)的分析包括，通過(guò)在所述電池充電之后在預(yù)置周期期間進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)在所選定電池的電參數(shù)演變中的突變。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于對(duì)所選定電池的電參數(shù)的測(cè)量包括對(duì)所述電池的阻抗的測(cè)量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于對(duì)所選定電池的電參數(shù)的測(cè)量包括對(duì)所述電池的電導(dǎo)的測(cè)量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于對(duì)所選定電池的電參數(shù)的測(cè)量包括對(duì)所述電池的電阻的測(cè)量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于對(duì)所選定電池的電參數(shù)的測(cè)量包括，在以恒定電流(I)部分放電期間對(duì)所述電池端子處的電壓(U)的測(cè)量(F9)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于對(duì)所述電參數(shù)的測(cè)量包括在所述部分放電期間對(duì)代表coup de fouet效應(yīng)的參數(shù)的測(cè)量。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述對(duì)代表coup de fouet效應(yīng)的參數(shù)的測(cè)量包括，確定在所述部分放電期間的峰值電壓(Upeak)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述對(duì)代表coup de fouet效應(yīng)的參數(shù)的測(cè)量包括，確定在所述部分放電期間的臺(tái)階電壓(Upl)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述對(duì)代表coup de fouet效應(yīng)的參數(shù)的測(cè)量包括，確定在所述部分放電的第一階段和第二階段期間分別由所選定電池的電壓達(dá)到的峰值電壓(Upeak)和臺(tái)階電壓(Upl)的值之間的差(ΔU)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8至11中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述方法包括，在所述部分放電期間不出現(xiàn)coup de fouet效應(yīng)時(shí)修改所選定電池的充電標(biāo)準(zhǔn)(F11)。
全文摘要
可再充電的電池組的本發(fā)明的管理方法是按照智能電池組的形式實(shí)現(xiàn)的，其考慮了電池組中全部電池的完好狀態(tài)及其隨時(shí)間的演變。本發(fā)明的方法包括確定優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)，以及對(duì)根據(jù)優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)所選定的電池(F1)進(jìn)行充電(F2)。在對(duì)所選定電池充電之后，測(cè)量該電池的代表性的電參數(shù)(F3)，并且根據(jù)測(cè)出的電參數(shù)分析選定電池的完好狀態(tài)(F4)。然后，根據(jù)該電池的完好狀態(tài)更新優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)(F5)。根據(jù)更新過(guò)的優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)，執(zhí)行要被充電的下一電池的選擇。用于分析完好狀態(tài)的測(cè)出的參數(shù)，優(yōu)選為代表完全充電的電池在部分放電期間的突發(fā)電壓損失(sudden voltage loss)效應(yīng)。
文檔編號(hào)G01R31/36GK1969193SQ200580019481
公開日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2005年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月14日
發(fā)明者繆里爾·李高爾, 丹尼爾·本徹特里特, 奧利維爾·巴赫 申請(qǐng)人:原子能委員會(huì)