专利名称：设备的供电系统和对蓄电装置的使用寿命和蓄电量的评定方法
技术领域：
本发明是关于一个用于为设备供电的系统，该系统连同着一个用于存储电力的蓄电装置、一个用于测量蓄电装置的第一电量的第一测量装置、和一个用于确定使第一电量达到第一水平值所需的时间的时间确定装置。此外，本发明还涉及蓄电装置的使用寿命和蓄电量的评定方法。它优选地应用于不间断供电系统和独立于公共电网的系统。
目前，不间断供电系统是无故障运行的一项重要要求，特别是对于数据处理装置更是如此。主电力供应的短时间或长时间中断是数据保存和外围设备运行的主要问题。电池通常用于弥补这些电力供应的中断，它们在正常运行状态下由公共电源充电，只是在公共电源中断时负责为系统提供电力。
电池在这些不间断供电系统或独立于公共电网的系统中的可用性，其关键的一点就是蓄电装置的状况和使用寿命；特别是当需要确定这些电池是否需要更换时。
US-A-4,716,354(Hacker)揭示了一个电池监控系统，用于确定剩余的电池蓄电量。这需要对电池的数据经常地进行测量、存储和计算，同时还需要一个致使电池基本上完全放电的一个深度放电操作过程。但是，在众多的应用中，深度放电操作过程是应该避免的，这是为了不损坏电池，也为了有足够的存储电力可供使用。这样的深度放电从那些往往存储有大量的电能的应急电力供应系统的节能考虑也是不希望出现的。
US-A-4,918,368(Baker等)描述了一个由微处理器控制的电池充电系统，在该系统中，电池在充电或放电时，它的电流被定期地测量和存储。电池的蓄电量可以通过刚测定的和以前测定并存储的电流值计算出来。这个系统的一个缺点是电池的电流值必须定期地确定，这可能是很困难的，特别是对那些大型电池的电流。
GE-A22136000(Elkoh Giken)揭示了一个电池检验电路，用来测量电池电压从初始值变为第二电压值所经历的时间。所得到的时间可以显示出电池的使用寿命。但是，这个发明的使用必须以电池的负载电流是恒定的为条件，这样对电池使用寿命的估算才有意义。这篇文章的理论构成了其主权利要求的主题。
本发明的目标就是建立一个为设备提供电力的系统和一种与工作电流无关地确定蓄电装置的使用寿命和蓄电量的方法。
该系统应该还能避免蓄电装置的深度放电并能连续测量它的电流值。并且该系统应能在蓄电装置充电或放电的过程中确定它的蓄电量和使用寿命。此外，被采用的电量测量值(如电压值和电流值)应该可以互换使用，且该系统也应适用于各种类型的蓄电装置。
本发明实现这个目标，是通过提供一个用于测量蓄电装置的第二电量的第二测量装置、和一个用于将与所确定的时间相关的第二电量同所存储的第二电量的典型时间特征曲线进行比较的比较器。该系统可以得出关于蓄电装置的蓄电量和使用寿命的结论而与蓄电装置相连的设备的电力需求无关。
在该系统的一个有利的实施方案中，第二电量的典型的时间特征曲线是电力耗尽的蓄电装置的典型电力耗尽特征曲线和/或蓄电装置初始曲线的典型的新特征曲线。这是获得对评定有意义的参考特征曲线的一个简单方法。
在该系统的一个有利的实施方案中，还包括一个开关单元，一当所测得的第一电量测量值达到最低水平值时，它将蓄电装置和与其相连的设备断开，以防止蓄电装置几乎完全放电(深度放电)。
该系统的进一步的有利实施方案还包括一个用于确定蓄电装置的阻抗的阻抗确定装置。这样就可以检测到蓄电池的短路、开路以及由于老化引起的阻抗的增值。
该系统的进一步的有利实施方案还包括一个用于检测蓄电池短路和蓄电装置过度充电的装置。这样就可以检测到蓄电池中正在形成的短路和因此而产生的个别蓄电池的过度充电。
该系统的进一步的有利实施方案还包括一个电路断路器，它用来保护蓄电装置，以防止在开关装置已将其与所连设备断开后，又被错误地重新连通。这样可以保证在出现故障后或深度放电发生前，蓄电装置保持断路，并且不会被错误地重新连通。
在该系统的进一步的有利实施方案中，蓄电装置的充电或放电电路是平衡地设计的，以防止蓄电装置被不平衡地充电或被不平衡地放电。
在该系统的进一步的实施方案中，与蓄电装置相连的电路都优选地应用了场效应晶体管技术。这对于使电池单元在存放过程中的漏电降到最低和防止过早放电都是特别有利的。
用于评定蓄电装置的使用寿命和蓄电量的方法包括第一步，测量蓄电装置的第一电量；第二步，确定第一电量达到第一水平所用的时间；第三步，测量蓄电装置的第二电量；第四步，将与所确定时间相关的第二电量同所存储的第二电量的典型时间特征曲线进行比较；第五步，对第四步所执行的比较进行评价，以评定出蓄电装置的使用寿命和蓄电量。
上面所述的确定蓄电装置使用寿命和蓄电量的方法与工作电流的状况无关，它可以在充电和放电的过程中进行，并且可以应用于任何类型的蓄电装置。而且在电量测量中所用的量(如电压值和电流值)是可以互换使用的。
在本方法的有利的实施方案中，第五步所作的评价是以被测量的第二电量与所存储的第二电量的典型时间特征曲线的差异为基础的。这样既可以对蓄电装置的预期使用寿命得出定性的结论(电力耗尽或未耗尽)，也可以得出定量的结论。
在本方法的进一步的有利实施方案中，蓄电装置的使用寿命只有在其第二电量没有超过最高水平值时才能评定出来。其目的是为使用寿命的评定建立一个有意义的标准，因为电流值或电压值的显著增大往往表明系统中存在着故障。
在本方法的另一个有利实施方案中，第二步只有在第一个电量达到第二水平值时才进行。对第二水平值的仔细选择可以影响预计进行的使用寿命评定的频度。还可以保证必须经过一个最短的运行时间。
在本方法的进一步有利实施方案中，蓄电装置可以由几个单独的蓄电装置组成，第一和第二电量可以由其中的一个蓄电装置来确定。如果蓄电装置是由几个单独的蓄电装置组成，可以检测出其中某一部分的老化状况。当老化状况被检测出来时，只需要更换蓄电装置的一部分。
在上述的系统或方法的有利实施方案中，第一电量是电压，第二电量是电流。该发明的一个优点就是象电压、电流这样的电量是可以互换使用的，这可以根据具体的应用领域进行选择。
本发明设计上述的系统和方法将应用于不间断供电系统，该系统包括用于设备的第一和第二供电装置。在正常情况下由第一供电装置向设备供电，而当运行状况发生变化时，由第二供电装置来代替供电。对蓄电装置的蓄电量和使用寿命的评定将使得能产生一个运行可靠性很高的供电系统，由于可以提前确定使用寿命和剩余蓄电量，所以能采取适当的防范措施，如替换显著老化的蓄电装置。这样就可以保证设备真正不间断运行。
为更清楚地解释本发明，实施方案中的这些实例可参考下面的附图。这些附图简述如下
图1是一个例如被用于数据处理装置的完整的不间断供电系统；图2是一个分立的应急供电单元的结构；图3是电池监控单元的结构；图4是一个典型的电池放电电流-时间曲线图；图5是关于评定电池的使用寿命和蓄电量的方法的流程图；图6是一个带有重新起动保护的实施方案中的开关单元。
在图1所显示的被用于向例如数据处理装置供电的不间断供电系统中，一个与直流电源总线140相连的交/直流转换器110将其输入端105处的交流电源107转换成直流提供给直流电源总线140。一些插件如170、175并联连接在直流电源总线140上，从而被供以公共直流电源。在这些插件170、175中的每一个的输入端，还进一步连有电流转换器150或155，它们设在直流电源总线和相关的耗电部件160或165之间，将来自直流电源总线140的直流电流转换为适合相关的耗电部件160、165使用的电压。
充电单元130的输入端与交/直流转换器110的输出端相连，而在另一种实施方案中，它直接在交/直流转换器110的输入端105处与交流电源107相连。充电单元130的输出端通过连线131与应急电源单元100相连。充电单元130为应急电源单元100提供充电电源，该充电电源是由交流电源107转换的，并适合应急电源单元100的充电状态。在另外一种实施方案中，应急电源单元100不与交流电源107相连接，或只是定期地与交流电源107相连并由它提供电力。应急电源单元100另行通过连线101与直流电源总线140相连。
一个电源供应监控单元120通过连线111与交/直流转换器110相连，并通过连线121与应急电源单元100相连。在本发明的一个优选实施例中，直流电源总线140在正常状况下只由交/直流转换器110供电。如果电源监控单元120在交流电源105处或是在交/直流转换器110处检测到异常情况，它便将应急电源单元100作为补充电源单元而切换到直流电源总线140上去。
图2显示的是应急电源单元100的结构。至少包含着一个电池的电池单元200通过连线201与可控开关单元210相连，并且通过连线221与电池监控单元220相连。开关单元210通过连线101与直流电源总线140相连，通过连线131与充电单元130相连，以及通过连线223和224与电池监控单元220相连。电池监控单元220另行通过连线121与电源监控单元120相连。开关单元210控制着连线201上的电流方向，同时开关单元210也控制从应急电源单元100至直流电源总线140以及从充电单元130至电池单元200的通断。
图3显示电池监控单元220的操作。控制单元300通过连线224与开关单元210相连，并且通过连线121与电源监控单元120相连。控制单元300通过连线301与电压测量模件310相连，通过连线302与电流测量模件320相连，通过连线303与比较器330相连，以及通过连线305与时钟360相连。在进一步的实施方案中，计算机350通过连线304与控制单元300相连。计算机350的运行情况会在下面作进一步的解释。比较器330通过连线331与数据存储器340相连。电压测量模件310和电流测量模件320都与连线221和223相连。
在控制单元300的控制下，电池监控单元220通过电压测量模件310测得整个电池单元200的电池电压值和组成电池单元200的各个单独电池的电池电压值，并通过电流测量模件320测得连线201上的电流值。为了避免电池单元200的快速放电，与电池单元200相连的电路都优选地采用了场效应晶体管技术。这对于使电池单元200在保存过程中漏电最少以便阻止它过早放电是非常有利的。电池监控单元220还能够通过时钟360确定时间。
控制单元300通过电流测量模件320和电压测量模件310收集电流和电压数据，并把它们通过连线121传送给电源控制单元120，以及通过连线303传送给比较器330，在那里将测量的数据同数据存储器340中存储的数据进行比较。
图5用来解释对电池单元200的剩余使用寿命和蓄电量进行评定的过程。在第一步500中，电压测量模件310确定电池单元200的电池电压Ub。该电池电压Ub既可以是整个电池单元的电压，也可以是作为电池单元200的组成部分的单个电池的电压。
当电池电压值达到了一个特定的电压值U1时，控制单元300就在下一步510中确定电池电压Ub从此时至达到第二电压值U2所用的时间t2。对电压值U2的选择应该是能使连线301上的电源在t2这个时段中基本保持恒定。当电池电压达到U2时，由控制单元300控制的电流测量模件320就在下一步520中确定连线201上的电流强度值I2。
在下一步530中，比较器330将电流强度值I2同存储于340中的电池电流的典型参考值进行与时间t2相关的比较。通过比较这两个电流值，在下一步540中得出关于电池单元200的剩余使用寿命和蓄电量或关于它是否需要更换的结论。这个结论可以是纯定性的(好/坏)，也可以是定量的(以评定其剩余使用寿命和蓄电量的形式)。
图4是一个关于电池放电的典型电流-时间曲线图，它可以被存储在数据存储器340中。特征曲线400描述的是一种电池的典型初始曲线，而特征曲线410描述的是电力已耗尽的电池的放电特征曲线。如果在时间t2测出的电流值高于特征曲线410给出的电流值Ieo1，那么根据I2与Ieo1或者新特征曲线400在时间t2的Inew之间的距离，就可以评定出电池剩余的使用寿命或者是得出电力耗尽还是未耗尽的结论。如果测得的数值I2’低于特征曲线410给出的数值，则电池监控单元220就会通过连线121向电源单元120发送信号，告知电池单元200需要更换。
如上述的过程可以通过在放电过程中进行的测量来评定出电池的使用寿命，与其等效的评定也可以通过在电池充电过程中进行测量并以这些测量值与典型的电池充电特征曲线进行比较而得出。这里也可以将各电量(如电压值和电流值)互换使用，即通过确定连线201上的由电流从第一水平值变为第二水平值所经历的时间以及比较达到第二电流值时的电压值与存于数据存储器340中的该种型号电池的典型电压-时间特征曲线，评定出电池的蓄电量和使用寿命。
另外，本发明适用于各种类型的用于存储电能的蓄电装置。它们可以是电池、蓄电池及其它电化学电源存储介质和电容器。
在本发明的进一步实施方案中，对电池单元200的蓄电量和使用寿命的评定将以一个标准为基础，以便得到关于电池剩余使用寿命和蓄电量的有意义的结论，这个标准就是测得的电流强度值I2必须小于最大电流强度值Imax。进行使用寿命评定的进一步的标准可以是电池单元200在充电或放电过程的开始时必须是已完全放电或完全充电。这个标准同样可以提高使用寿命评定的权威性，因为测量的初始条件是基本相同的。
为了将电池单元200上的负载保持在最小，在进一步的实施方案中，对电池单元200的蓄电量和使用寿命的评定将以这样一种方式进行所选择的第一测量量的值(从到达此值时开始计时)应该在电池单元200仅经过一个很短的运行时间后才达到。这样可以保证仅在电池运行了一段延长的时间后进行测试。
在本发明的进一步的实施方案中，当电池单元220在放电过程中达到最小电压Umin(或最小电流Imin)时，电池监控单元220通过连线121向电源监控单元120发送一个信号。电源监控单元120接着就向例如一个数据处理装置发送一个信号，告知来自应急电源单元100的电源会在一个为分钟量级的时间标记之后被开关单元210使其从直流电源总线140上断开。如果连线201上的电压(或电流)在时间标记到来之前达到第二值Icrit(或Icrit)，电池单元200就会立刻被开关单元210使其与直流电源总线140断开，以便防止电池单元200的深度放电。
在本发明的进一步的实施方案中，电池监控单元220会对电池单元200进行阻抗测试。在测试中，电池单元200的电压值和电流值被同时确定，并供计算机350使用，以便计算出电池的阻抗。这里所确定的可以是整个电池单元200的电压值和电流值，也可以是它的一个组成部分的电压值和电流值。
电池监控单元220可以通过电池阻抗的增加量来检测出电池单元200的老化状况。通过把检测到的阻抗值和存于数据存储器340的参考阻抗值进行比较，可以完成这种检测。根据与参考值的相对差异，可以得出定量的或纯定性的结论(已老化/未老化)。所存储的参考数值可以是此种电池的典型老化阻抗值，也可以是以前的测量操作过程所得出的阻抗值。
电池监控单元还可以通过对阻抗的测量检验出电池单元200中可能出现的开路，并将其报告给电源监控单元120。
作为本发明的进一步的实施方案，图6显示了可提供重新启动保护的开关单元210。为实现这个功能，开关单元210中包括了一个通过连线224与电池监控单元220相连的电路断路器630。三个开关600、610和620都通过连线201与电池单元200相连。它们还分别通过连线631、632和633与电路断路器630相连。开关600另行通过连线101与直流电源总线140相连，开关610通过连线131与充电单元130相连，开关620则通过连线223与电池监控单元220相连。
重新启动保护的运行由电路断路器630来实现。它将使从控制单元经连线224到达电路断路器630的所有信号保持在电路断路器630内部，其保持时间将超过它们在连线224上持续的时间。这样，当电池监控单元220例如因检测到故障而发送信号去使电池单元200与直流电源总线140的连接被开关单元210断开后，可以防止电池单元200又被错误地(例如由于受到一个虚假信号的作用)与直流电源总线140重新连接。
如果电池单元200是由一个以上的电池串联而成的，在本发明的进一步的实施方案中，将使与串联的电池电路的各连线平衡地进行设置，以防止串联电路中的个别电池不平衡地充电或放电。
在本项发明的进一步的实施方案中，为了在n个电池的串联电路中检测出可能出现的某个蓄电池短路或某个电池过度充电，电池监控单元220中的控制单元300将把测得的n个电池的串联电路总电压的n分之一与测得的串联电路中的每个电池电压进行比较。如果控制单元300检测出总电压的n分之一与单个电池电压的差异值超出了一个可容许的数值，它将向电源监控单元报告此故障。
当检测出超过容许值的差异值时，如果是单个电池的电压大于总电压的n分之一，则可能是一个电池被过度充电了。然而，若单个电池的电压小于总电压的n分之一，则可能是该电池的一部分出现了蓄电池短路。过度充电可能是因另一电池中某一蓄电池的短路造成的。
如果串联电路中的n个电池不完全是一种类型，因而具有不同的标称电压，这个因素在上述的比较中必须加以考虑。
权利要求
1．用于评定给设备供电的蓄电设备的寿命和蓄电量的装置，其特征在于包括用于测量蓄电设备的第一电量的第一测量设备；用于确定达到第一电量的第一电平的时间的时间确定设备，特征在于用于测量蓄电设备的第二电量的第二测量设备；比较器设备，用于比较相对于确定的时间的第二电量和第二电量的典型存储时间特性；从而第一电量或者是一个电压或者是一个电流，第二电量或者是一个电压或者是一个电流；可以在蓄电设备对设备供电期间进行测量。
2．根据权利要求1的装置，其特征在于，第二电量的典型时间特性是电力耗尽蓄电设备的一个典型电力耗尽特性，或蓄电设备的边沿曲线的一个典型新特性。
3．根据权利要求1的装置，其特征在于，进一步包括用于确定蓄电设备的阻抗的阻抗确定设备。
4．根据权利要求1的装置，其特征在于，进一步包括用于检测蓄电池短路和蓄电设备的过度充电的装置。
5．根据权利要求1的装置，其特征在于，进一步包括用于存储电能的电力存储设备。
6．根据权利要求1的装置，其特征在于进一步包括一个开关单元，当测量到第一电量的最低电平值时，它将蓄电设备和设备的连接断开。
7．根据权利要求6的装置，其特征在于进一步包括电路断路器，用于保护蓄电设备，使其与设备间的连接在被开关单元断开后，不被错误地与设备重新连接。
8．根据权利要求1的装置，其特征在于进一步包括用于对蓄电设备充电和放电的电路，所述电路是平衡设置的。
9．根据权利要求8的装置，其特征在于用于对蓄电设备充电或放电的所述电路配备有场效应晶体管。
全文摘要
本发明涉及一种用于向设备(170,175)供电的系统,该系统具有:蓄电装置(200),用于存储电能;第一测量装置(310),用于测量蓄电装置(200)的第一电量;时间确定装置(360),用于确定第一电量达到第一水平值所用的时间;第二测量装置(320),用于测量蓄电装置(200)的第二电量;比较器(330),用于比较与所确定的时间相关的第二电量和所存储的第二电量的典型时间特征曲线。本发明还涉及一种评定蓄电装置(200)的使用寿命和蓄电量的方法。
文档编号H02J7/00GK1222001SQ9812137
公开日1999年7月7日 申请日期1998年10月16日 优先权日1994年1月29日
发明者H·迈耶德克斯, W·皮斯曼 申请人:国际商业机器公司