用于电池电阻测量系统的改进的精度的系统和方法
【专利摘要】本发明公开了用于电池电阻测量系统的改进的精度的系统和方法。公开了一种用于减少电压波纹对形成直流（DC）总线的串联耦接的电池单元的电池测试测量的影响的方法。使用校准操作以获得直流总线的串联连接的第一电池单元与第二电池单元之间的比率差，该比率差可以指示第一电池单元与第二电池单元各自的输出电压的差异。接着，可以至少基本上同时获得两个单元中的每一个单元两端的电压测量。可以使用比率差来修改在第二电池单元两端进行的电压测量，以生成第二电池单元的经修改的电压测量。接着，可以确定所测量的第一电池单元两端的电压与经修改的电压测量之间的差，该差表示基本上从中去除了所有的电压波纹的经滤波的直流测试电压。
【专利说明】用于电池电阻测量系统的改进的精度的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求提交于2013年3月14日的美国临时申请N0.61/781，393的权益。以上申请的全部内容通过引用合并至本文中。
【技术领域】
[0003]本公开内容涉及用于对在不间断电源系统中使用的电池进行测试的系统和方法，并且更具体地涉及用于能够更精确地测量不间断电源的每一个单元的内部电池电阻的系统和方法。
【背景技术】
[0004]本部分提供与本公开内容有关的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。
[0005]电池单元内阻是电池单元的健康状态的指示。在不间断电源(“UPS”)系统中经常使用的电池监视系统可以通过周期性地注入经过单元的直流电流的脉冲并且在电流脉冲测试期间测量在单元两端产生的直流电压来确定单个单元内阻。将该电压与单元两端的正常直流电压进行比较以得到单元内阻。然而，固有地存在于不间断电源(“UPS”)系统直流总线上的AC波纹电压在测试电压测量中造成误差，并且由此产生内阻计算的误差。电压波纹通过UPS的整流电路引入UPS直流总线的前端，该整流电路从上游电源施加电流脉冲以维持直流总线电压处于使UPS正常运行所期望的电势并且保持UPS的电池单元处于满充电状态。电压波纹还通过UPS的逆变器电路引入直流总线，该逆变器电路在向UPS负荷供应电力的过程中从直流总线引出电流脉冲。UPS直流总线波纹电压信号可以是随机的并且处于与由电池单元测试生成的电压信号的幅值和频率近似的范围内。电压波纹信号可以产生相对于被测量的电压的信噪比的问题。这可以使得几乎不可能从由电池单元测试所生成的期望的直流电压信号中有效地对AC波纹电压进行滤波。
【发明内容】
[0006]本部分提供了对本公开内容的总述，而不作为其全部范围或其所有特征的全面公开。
[0007]在一个方面中，本公开内容提供了一种用于至少基本上减少电压波纹对形成直流(DC)总线的串联耦接的电池单元的电池测试测量的影响的方法。该方法可以包括进行校准操作以获得直流总线的第一电池单元与直流总线的第二电池单元之间的比率差，其中，第一电池单元和第二电池单元串联连接并且具有不同的特性，该不同的特性引起第一电池单元和第二电池单元各自的输出电压的差异。方法还可以包括向第一电池单元施加电流信号并且测量第一电池单元两端的电压并且至少基本上同时测量第二电池单元两端的电压。可以使用比率差来修改在第二电池单元两端进行的电压测量，以生成第二电池单元的经修改的电压测量。接着，可以使用所测量的第一电池单元两端的电压和第二电池单元两端的经修改的电压测量来确定二者之间的差，该差表示基本上从中去除了所有的电压波纹的经滤波的直流测试电压。
[0008]在本公开内容的另一方面中涉及一种用于至少基本上减少电压波纹对形成直流(DC)总线的串联耦接的电池单元的电池测试测量的影响的方法。该方法可以包括通过下述步骤来进行校准操作:首先获得直流总线的第一电池单元两端的第一电压测量，第一电池单元形成受测电池单元，以及至少基本上同时获得直流总线的与第一电池单元串联连接的第二电池单元两端的第二电压测量。第二电池单元可以形成参考电池单元。可以使用第一电压测试测量和第二电压测试测量来确定第一电池单元和第二电池单元之间的比率差。该比率差可以表示归因于机械特性和化学特性的第一电池单元和第二电池单元的输出之间的差异。然后，可以向第一电池单元施加电流信号并且可以测量第一电池单元两端的电压。还可以测量第二电池单元两端的电压。可以使用所确定的比率差来修改第二电池单元两端进行的电压测量，由此生成第二电池单元的经修改的电压测量。接着，可以使用所测量的第一电池单元两端的电压和第二电池单元两端的经修改的电压测量来确定二者之间的差。该差可以表示基本上从中去除了所有的电压波纹的经滤波的直流测试电压。
[0009]本公开内容的再一方面中涉及一种用于至少基本上减少电压波纹对形成直流(DC)总线的串联耦接的电池单元的电池测试测量的影响的系统。该系统可以包括处理器控制的数据获取系统，该处理器控制的数据获取系统具有至少一个电压表，该处理器控制的数据获取系统被配置成:获得直流总线的第一电池单元两端的第一电压测量，其中，第一电池单元形成受测电池单元。与第一电压测量至少基本上同时地，还可以获得直流总线的与第一电池单元串联连接的第二电池单元两端的第二电压测量。第二电池单元形成参考电池单元。然后，第一电压测试测量和第二电压测试测量可以被用于校准操作以确定第一电池单元和第二电池单元之间的比率差。该比率差可以表示归因于机械特性和化学特性中的至少之一的第一电池单元和第二电池单元的输出之间的差异。电流源可以被用于向第一电池单元注入电流信号并且使用至少一个电压表来获得第一电池单元两端的电压以及第二电池单元两端的电压。数据获取子系统还可以被配置成使用所确定的比率差来修改在第二电池单元两端进行的电压测量，以生成第二电池单元的经修改的电压测量。接着，所测量的第一电池单元两端的电压以及第二电池单元两端的经修改的电压测量可以被用于确定二者之间的差，该差可以表示基本上从中去除了所有的电压波纹的经滤波的直流测试电压。
[0010]根据本文中提供的描述，更多领域的适用性将会变得明显。本概述中的描述和具体示例仅旨在说明的目的而不意在限制本公开内容的范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]本文中描述的附图仅出于对所选择的实施例进行说明的目的，而并非所有可能的实现，并且并不意在限制本公开内容的范围。贯穿几个附图，对应的附图标记指示对应的部分。在附图中:
[0012]图1是具有一串中的六个电池单元的UPS系统的一部分的高层次示意图，图1示出了可以如何将测量仪器电耦接至各个不同的单元以进行确定所选择的单元的内部电池电阻所需要的电压测量；
[0013]图2a和图2b示出了在校准阶段期间获得的测试单元和参考单元的直流电压中存在的相同的AC电压波纹信号分量；
[0014]图3示出了图1的电路，但是具有连接在受测单元两端以在活跃测试阶段期间施加电流脉冲的电流源；
[0015]图4是以对特定单元的内部电池电阻进行确定为目的，可以使用图3的系统对特定电池单元两端的电压进行测量而进行的各种操作的流程图；
[0016]图5示出了在活跃测试阶段期间在测试单元和参考单元两端分别获得的输出电压波形，并且进一步示出了在两种波形中直流电压波纹分量如何在时间上对准；以及
[0017]图6是示出了经校准的参考电压与受测单元的电压之间的幅值差的图，“直流电压差”表示可以被用于确定受测单元的内阻的高精度电压测量。
【具体实施方式】
[0018]现在将参照附图对示例性实施例进行更全面的描述。
[0019]参考图1，图1示出了以对UPS的给定的电池单元的内阻进行确定为目的，当在UPS12上进行电池单元测量时，用于减少或者消除电压波纹的影响的系统10。以高度简化的形式示出的本示例中的UPS12具有连接在UPS的直流总线12a两端的六个被标记为“A”至“F”的单个电池单元。在本示例中，单元A至F形成UPS12的一个电池单元“串”。“测试”电压表16被用于获得“受测单元”(在本示例中为单元C)两端的电压测量。将被称为“参考”电压表的第二电压表18被用于获得串中的其他电池单元中的一个电池单元(在本示例中为单元D)两端的电压。
[0020]首先可以进行校准阶段以确定受测电池单元与参考电池单元之间的比率差(rat1metric difference)。在图1中，为该操作配置了电压表16和电压表18。确定电池单元C和电池单元D这两个电池单元之间的比率差是有用的，因为单元A至单元F中的每一个单元两端的电压不一定都相同。这是因为在电池单元A至电池单元F中没有两个电池单元具有完全相同的机械特性和化学特性。另外，归因于老化、温度或其他因素，电池单元A至电池单元F可以具有不同的充电状态。所有这些因素的组合经常导致电池单元A至电池单元F的输出电压之间的轻微的差异。校准阶段识别在特定时间的参考单元和受测单元之间的精确的比率或者百分比差(即比率差)。将结合图4的流程图对此作进一步的描述。
[0021]图2a和图2b提供了在测试的校准阶段期间可以使用电压表16和电压表18来获得的电压波形的示例。如上所述，在直流总线12a上经常存在较小程度的AC电压波纹。该AC电压波纹可以对针对受测电池单元而获得的期望的直流电压测量的精度产生影响。图2a示出了表示在受测单元(单元C)两端进行的电压测量的波形20。图2b示出了在参考单元(单元D)两端进行的电压测量的波形22。分别使用电压表16和电压表18同时进行在本示例中产生波形20和22的测量。可以看到，在波形20和波形22 二者的直流电压上叠加了电压波纹，虽然在参考单元D两端进行测量的波形22的幅值更大。
[0022]参考图3，当进行了校准操作，接着可以进行活跃测量阶段。活跃测量阶段包括使用电流源14，该电流源14用于施加幅值足够大的电流的脉冲，使得受测单元(在本实例中为电池单元C)的单元电阻两端产生可测量的电压。将电压表16的测试引线置于电池单元C的正极端子与负极端子两端。电压表18被用于获得参考电压，因此将其引线连接至参考单元D的正极端子和负极端子。
[0023]系统10利用了存在于直流总线上的任何数量的电压波纹被近似相等地划分到直流总线12a中的所有单元的两端的事实，这样电池单元C两端的电压也将存在于电池单元A至电池单元F中的每一个电池单元两端。虽然AC电压波纹可以对针对受测单元(单元C)进行的电压测量读数有不利的影响，但是本公开内容的方法根据针对电池单元C进行的电压测试测量，使用已知的AC电压波纹的存在来帮助消除这种不利的影响。
[0024]参照图4，示出的流程图100中，示出了在进行本公开内容的校准和活跃测量阶段中，根据本公开内容的方法论，可以进行的操作的序列的一个示例。在针对方法论的校准阶段进行操作102和操作104。在操作102中，分别使用电压表16和电压表18对受测单元(单元C)两端的电压和参考单元(单元D)两端的电压进行测量(图3)。这些测量由例如合适的处理器控制的数据获取仪器同时进行。在操作104中，将在操作102中获得的测量用于确定测试单元与参考单元的电压之间的比率差。
[0025]在操作106中，测试的活跃阶段开始。操作106包括从电流源14向受测电池单元(单元C)注入电流脉冲。实际上，这可以是使受测单元负荷的负极电流脉冲。同时，或者基本上同时，如操作108所指示的那样，使用受测电池单元电压表16来获得受测电池单元(单元C)两端的电压读数，而如操作110所指示的那样，使用参考电压表18来获得参考电池单元(单元D)两端的电压的测量。简单地参考图5，波形24表示受测电池单元(单元C)的电压，而波形26表示参考单元(单元D)的电压。将要注意的是，波形24和波形26这两个波形基本上在时间上完全对准。
[0026]当获得了在操作108和操作110获得的两个测量的电压时，接着，如操作112所指示的那样，可以保存两个测量的电压。在操作114中，使用在操作102和操作104中获得的比率差来修改刚刚获得的参考电压以产生“经校准的”参考电压。例如，如果比率差指示参考单元电压比受测单元电压大15%，那么，在操作110获得的参考电压的值将被减小15%以形成经校准的参考电压。在操作116中，确定经校准的参考电压与从受测电池单元(单元C)获得的电压之间的差。该操作包括用经校准的参考电压与从受测电池单元(单元C)获得的电压中的一个电压减去另一个电压以获得二者之间的差。图6示出了经校准的参考电压波形26a与测试电压波形24之间的直流差电压28。得到的直流差电压28可以被认为是受测电池单元的“经滤波的”直流测试电压。经滤波的直流测试电压完全去除了 AC电压波纹分量。因此，经滤波的直流测试电压可以被用来作为受测电池单元的内部电阻的高精度近似值。实际上，方法100能够100%或者近乎100%地将AC电压波纹分量从在受测电池单元上进行的测试电压测量中滤波掉。如果必要的话，可以采用已知的交叉相关技术来解决由于参考电压和测试电压之间轻微的测量时间偏移造成的任何误差。另外，可以通过在相续两次测试中交替地交换两个电压表，并且将针对每一个单元的测量差进行平均，由此清除任何电压表的精度误差来解决由于两个电压表的测量精度造成的任何误差。
[0027]因此本公开内容能够提供使得能够可靠地并且精确地进行电池内阻确定的高精度直流电压测量。本公开内容的系统和方法不依赖对复杂的滤波系统的需求；能够进行需要的测量的现有的数据获取仪器很容易获得。
[0028]以说明和描述为目的提供了前文中对实施例的描述。但其并非意在穷举或限制本公开内容。即使未具体示出或描述，但具体实施例的单独的要素或特征通常并不限于该具体的实施例，而是在适用时是可替换的并且可以被用于选定的实施例中。相同的方式也会以许多方式进行变化。这些变型并不认为是背离本公开内容的，并且所有这些改变都旨在包含在本公开内容的范围内。
[0029]提供示例性实施例是为了使本公开内容更透彻并且向本领域技术人员全面表达本公开内容的范围。为了透彻地理解本公开内容的实施例，阐述了许多具体细节，例如具体部件、装置和方法的示例。对于本领普通域技术人员明显的是，不必采用这些具体细节，并且可以以许多不同的形式实施示例性实施例，并且其不应该解释为对本公开内容范围的限制。在一些示例性实施例中，不再详细描述已知的方法、已知的装置结构以及已知的技术。
[0030]本文所使用的术语仅出于描述具体的示例性实施例的目的，而并非意在限定。如在本文中使用的单数形式的“一个(a)”、“一个(an)”和“所述(the)”，除非上下文清楚地另外指出，可理解为也包括复数形式。术语“包括(comprises、comprising、including)”和“具有(having)”是包括性的，并且由此表明存在所述的特征、整数、步骤、操作、要素、和/或部件，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整数、步骤、操作、要素、部件和/或其组合。除非特别标明执行顺序，否则本文所描述的方法步骤、过程和操作不应解释为必需要求它们以所讨论或示出的具体顺序执行。还应该理解的是，可以采用附加的或替代性的步骤
[0031]当要素或者层被称为在另一要素或者层的“上方(on)”或者“结合至(engagedto)”、“连接至(connected to)”、或“耦接至(coupled to)”另一要素或者层时，可以是直接在其他要素或者层的上方或者直接结合至、连接至或者耦接至其他要素或者层，或者也可以存在中间要素或者中间层。与此相反，当要素被称为在另一要素或者层的“直接上方(directly on)” 或者“直接结合至(directly engaged to)”、直接连接至(directlyconnected to)”、“直接f禹接至(directly coupled to)”另一要素或者层时,可以不存在中间要素或者中间层。用来描述要素之间的关系的其他词汇应该被以类似的方式来解释(例如，“在…之间(between)” 与“直接在…之间(directly between)，，、“相邻(adjacent)，，与 “直接相邻(directly adjacent)”等)。如在本文中使用的术语“和/或”包括相关联的列出的项目中的一个或更多个项目的任意以及所有组合。
[0032]尽管可以在本文中使用术语第一、第二、第三等来描述各种要素、部件、区域、层和/或部分，但是这些要素、部件、区域、层和/或部分不应该被这些术语所限制。这些术语可以仅用于对一个要素、部件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分进行区分。除非在上下文中清楚地指出，否则在本文中使用时，如“第一”、“第二”以及其他数字术语的术语不暗示顺序或次序。因此，在不背离示例性实施例的教示的情况下，下面讨论的第一要素、第一部件、第一区域、第一层或第一部分可以被称作第二要素、第二部件、第二区域、第二层或第二部分。
[0033]可以在本文中使用与空间相关的术语，例如“内部(inner)”、“外部(outer)”、“下方(beneath)”、“下方(below) ”、“较低(lower)”、“上方(above)，，、“较高(upper)，，等,以便于描述如图所示的一个要素或者特征与另一个要素或者特征的关系。除了图中描绘的方向，与空间相关的术语可以意在包括使用或操作中的装置的不同的方向。例如，如果图中的装置被翻转，那么被描述为在其他要素或者特征的“下方(below或beneath) ”的要素将位于其他要素或者特征的“上方(above)”。这样，示例术语“下方(below)”可以包括上的方向和下的方向二者。装置也可以处于其他方向(旋转90度或者处于其他方向)并且本文中使用的与空间相关的描述也可以相应地被这样解释。
【权利要求】
1.一种用于至少基本上减少电压波纹对形成直流DC总线的串联耦接的电池单元的电池测试测量的影响的方法，所述方法包括: 进行校准操作以获得所述直流总线的第一电池单元与所述直流总线的第二电池单元之间的比率差，其中，所述第一电池单元和所述第二电池单元串联连接并且具有不同的特性，所述不同的特性引起所述第一电池单元和所述第二电池单元各自的输出电压的差异； 向所述第一电池单元施加电流信号并且至少基本上同时测量所述第一电池单元两端的电压以及所述第二电池单元两端的电压； 使用所确定的所述比率差来修改在所述第二电池单元两端进行的电压测量，以生成所述第二电池单元的经修改的电压测量；以及 使用所测量的所述第一电池单元两端的所述电压以及所述第二电池单元两端的所述经修改的电压测量来确定二者之间的差，所述差表示基本上从中去除了所有的所述电压波纹的经滤波的直流测试电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，获得所述比率差包括: 获得所述直流总线的所述第一电池单元两端的第一电压测量，所述第一电池单元形成受测电池单元；以及 至少基本上同时获得所述直流总线的与所述第一电池单元串联连接的第二电池单元两端的第二电压测量，所述第二电池单元形成参考电池单元测试。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，获得所述比率差还包括使用至少基本上同时获得的第一电压测试测量和第二电压测试测量来确定所述第一电池单元和所述第二电池单元之间的输出电压幅值差，所述比率差表示归因于机械特性或者化学特性的所述第一电池单元和所述第二电池单元的输出电压的差异。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述使用所确定的所述比率差来修改在所述第二电池单元两端进行的所述电压测量以生成所述第二电池单元的经修改的电压测量包括以下之一:加在所述第二电池单元两端进行的所述电压测量上以生成所述经修改的电压测量，或者从在所述第二电池单元两端进行的所述电压测量减去以生成所述经修改的电压测量。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述使用所测量的所述第一电池单元两端的所述电压以及所述第二电池单元两端的所述经修改的电压测量来确定二者之间的差的操作涉及从所测量的所述第一电池单元两端的所述电压中减去所述经修改的电压测量，或者从所述经修改的电压测量中减去所测量的所述第一电池单元两端的所述电压。
6.一种用于至少基本上减少电压波纹对形成直流DC总线的串联耦接的电池单元的电池测试测量的影响的方法，所述方法包括: 通过下述步骤来进行校准操作: 获得所述直流总线的第一电池单元两端的第一电压测量，所述第一电池单元形成受测电池单元； 至少基本上同时获得所述直流总线的与所述第一电池单元串联连接的第二电池单元两端的第二电压测量，所述第二电池单元形成参考电池单元； 使用第一电压测试测量和第二电压测试测量来确定所述第一电池单元和所述第二电池单元之间的比率差，所述比率差表示归因于所述第一电池单元和所述第二电池单元的机械特性和化学特性中的至少之一的所述第一电池单元和所述第二电池单元的输出之间的差异; 与在所述第一电池单元两端测量所述电压至少基本上同时地，向所述第一电池单元施加电流信号并且测量所述第一电池单元两端的电压和所述第二电池单元两端的电压； 使用所确定的所述比率差来修改在所述第二电池单元两端进行的电压测量，以生成所述第二电池单元的经修改的电压测量；以及 使用所测量的所述第一电池单元两端的所述电压以及所述第二电池单元两端的所述经修改的电压测量来确定二者之间的差，所述差表示基本上从中去除了所有的所述电压波纹的经滤波的直流测试电压。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述使用所述比率差来修改对所述第二电池单元进行的电压测量以获得所述第二电池单元两端的经修改的电压测量的操作包括以下之一:对在所述第二电池单元两端进行的所述电压测量，将根据所述比率差的电压值加上或者减去，以生成所述经修改的电压测量。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述使用所测量的所述第一电池单元两端的所述电压以及所述第二 电池单元两端的所述经修改的电压测量来确定二者之间的差的操作涉及:从所测量的所述第一电池单元两端的所述电压中减去所述经修改的电压测量，或者从所述经修改的电压测量中减去所测量的所述第一电池单元两端的所述电压。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括使用处理器来帮助获得所测量的所述第一电池单元两端的所述电压以及所述第二电池单元的所述电压测量。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述施加电流信号包括:向所述第一电池单元施加电流脉冲。
11.根据权利要求6所述的方法，其中，通过获得所述直流总线的第一电池单元两端的第一电压测量以及获得所述直流总线的与所述第一电池单元串联连接的第二电池单元两端的第二电压测量来进行校准操作包括:同时获得第一电池电压测量和第二电池电压测量，其中所述第一电池单元形成受测电池单元，所述第二电池单元形成参考电池单元。
12.根据权利要求6所述的方法，其中，所述向所述第一电池单元施加电流信号并且测量所述第一电池单元两端的电压和所述第二电池单元两端的电压包括:对所述第一电池单元两端以及所述第二电池单元两端的电压同时进行测量。
13.一种用于至少基本上减少电压波纹对形成直流DC总线的串联耦接的电池单元的电池测试测量的影响的系统，所述系统包括: 处理器控制的数据获取系统，所述处理器控制的数据获取系统具有至少一个电压表，所述处理器控制的数据获取系统被配置成: 获得所述直流总线的第一电池单元两端的第一电压测量，所述第一电池单元形成受测电池单元； 至少基本上同时获得所述直流总线的与所述第一电池单元串联连接的第二电池单元两端的第二电压测量，所述第二电池单元形成参考电池单元； 在校准操作中使用第一电压测试测量和第二电压测试测量来确定所述第一电池单元和所述第二电池单元之间的比率差，所述比率差表示归因于机械特性和化学特性中的至少之一的所述第一电池单元和所述第二电池单元的输出之间的差异；以及电流源，所述电流源用于向所述第一电池单元注入电流信号并且使用所述至少一个电压表来测量所述第一电池单元两端的电压，并且与在所述第一电池单元两端测量的所述电压至少基本上同时地测量所述第二电池单元两端的电压； 所述数据获取子系统还被配置成: 使用所确定的所述比率差来修改在所述第二电池单元两端进行的电压测量，以生成所述第二电池单元的经修改的电压测量；以及 使用所测量的所述第一电池单元两端的所述电压以及所述第二电池单元两端的所述经修改的电压测量来确定二者之间的差，所述差表示基本上从中去除了所有的所述电压波纹的经滤波的直流测试电压。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，通过以下之一来获得所确定的所述比率差以生成所述经修改的电压测量:加到所述 第二电池单元两端进行的电压测量上，或者从所述第二电池单元两端进行的电压测量中减去。
15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述校准包括同时获得第一电池电压测量和第二电池电压测量。
16.根据权利要求13所述的系统，其中，所述电流源包括配置成向所述第一电池单元注入电流脉冲的电流源。
【文档编号】G01R31/36GK104049148SQ201410093628
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月13日 优先权日:2013年3月14日
【发明者】特里·D·布什, 布赖恩·科加尔, 小鲁塞尔·E·谢特勒, 查尔斯·奥唐奈 申请人:力博特公司