电池监测系统的制作方法

本发明涉及一种用于监测在电源电压发生故障的情况下向磁轴承供电的备用电池的系统。具体地讲，本发明涉及一种监测备用电池的系统以及与具有磁轴承离心式压缩机的离心式冷却器一起使用的监测系统。

背景技术：

一般来说，用于冷却器的离心式压缩机通常由以下部件组成：入口导流叶片；壳体内的一个或多个叶轮；所述壳体被一个或多个扩散器包围，所述扩散器具有由一些机械轴装置(例如电动机)驱动的收集器。机械轴装置由适应径向和轴向载荷的滚动元件、轴颈或磁轴承类型的一个或多个轴承支撑。在变速电动冷却器中，离心式压缩机通过可调速电动机驱动器供应电力，所述电动机驱动器改变电动机的功率的频率和/或电压以调节压缩机的速度。

滚动元件轴承通常是被动装置，并且在正常运行期间，在不需要主动控制的情况下运行。冷却器控制系统通常不提供滚动元件轴承的主动控制，在这种情况下，主动意味着对某些轴承特征的连续调节。用于在压缩机中使用滚动元件轴承的离心式冷却器的冷却器控制系统可以以周期性间隔地方式监测轴承温度，作为机器是否正常运行的指示。升高的温度用作轴承的潜在机械问题的指示。如果测量的轴承温度超过预定的设定点，则冷却器控制系统可以被编程为停止机器并警告用户。

在磁轴承离心式压缩机中，压缩机转子悬挂在磁轴承中产生的磁场上。为了定义的目的，“磁轴承”是指用于在没有机械接触的情况下在磁场中悬挂旋转体的电磁装置。轴承可以进一步分类为主动轴承，指示某种类型的主动控制系统是必要的，以确保旋转体的稳定悬浮。

与其他压缩机类型不同，磁轴承离心式压缩机使用磁轴承作为支撑转子结构的主要手段。在可测量和可控的轴承的旋转部件和固定部件之间存在间隙。为了磁轴承的正常运行，需要电力和磁轴承控制电子器件的适当运行。

与常规的滚动体轴承相比，磁体轴承需要连续地供应电能，以便确保符合规定的轴承装置。如果磁体轴承的供电电压例如由于电源系统的电气故障而失效，则不仅电动机减速，而且将不再提供磁体轴承的功能。为了避免在电动机仍在旋转时在电源电压发生故障的情况下损坏磁体轴承的轴和/或其他部件，可以机械地实施所谓的紧急运行条件。然而，这种紧急运行仅对磁体轴承的电源电压的有限数量的故障有效，没有磁体轴承，轴或其他部件将被损坏。因此，在电力供应系统不太稳定的领域中，磁铁轴承的应用仍然是有问题的。在这种情况下，快速达到磁体轴承的所允许的最大紧急运行停止次数，结果是即使在较短的时间段之后也需要更换上述部件。这种替换通常是耗时的并且与高成本相关联。

因此，备用系统(例如电池)通常用于在电源电压发生故障的情况下保护磁体轴承。这种备用系统保持磁体轴承装置的功能，直到旋转轴被制动到足够程度，使得轴承或轴不发生损坏或磨损。

由于电池/电池组在电力公司断电期间提供必要的备用电力，所以重要的是，当发生这种电力中断时电池/电池组可以运行。因此，电池必须定期测试，以确保在运行期间保持适当的电荷。

提供一种改进的电池监测系统将是有益的，该系统在电池处于负载时监测电池的状况和状态，并将这种状态传送给控制单元，从而允许检测到缺少电池、断开电池、电量不足或电量耗尽状态并采取适当的动作。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种磁轴承离心式压缩机的备用电池系统的监测系统，其可以在压缩机具有电力并且电池正在充电时简单且可靠地确定电池电量。

本发明的目的是提供一种监测系统，其在备用电池系统出现故障的情况下阻止压缩机的运行，从而防止损坏压缩机并延长磁轴承的工作寿命。

本发明的目的是提供一种监测系统，其在压缩机运行时在备用电池系统出现问题的情况下逐渐降低压缩机运行的动力，从而防止对压缩机的损坏并延长磁轴承的工作寿命。

本发明的目的是监测电池从而在电池中没有足够的可用电力以保护系统时允许受禁止的冷却器的运行。

本发明的目的是提供一种监测系统，其在已知负载下测试系统并将结果与确定的极限进行比较，当检测到缺少电池、断开电池、电量不足或电量耗尽时，可显示电力不足故障和警告。

一个实施例涉及一种磁轴承离心式压缩机的备用电池的监测方法。所述方法包括：建立适用于所述备用电池的电池电量的阈值电压值；监测所述备用电池的实际电压；将所述备用电池的实际电压与所述阈值电压进行比较；如果所述磁轴承离心式压缩机正在运行并且所述实际电压在限定的时间段内低于所述阈值电压，则启动所述磁轴承离心式压缩机的软关闭；如果所述磁轴承离心式压缩机不运行并且所述实际电压低于所述阈值电压，则阻止所述磁轴承离心式压缩机启动；如果所述实际电压大于所述阈值电压，则允许磁轴承离心式压缩机继续运行或开始运行。

一个实施例涉及一种磁轴承离心式压缩机的备用电池的监测方法。所述方法包括：在所述磁轴承离心式压缩机的通用电源的输入处监测在一段时间内的电压幅值，以确定所述备用电池被连接上或是断开，从而如果最小和最大电压之差大于限定的方差，则记录并保存样本；如果对于限定数量的连续样本超过所述限定的方差，则显示指示断开的备用电池的故障；如果所述磁轴承离心式压缩机正在运行并且对于限定数量的连续样本超过所述限定的方差而指示断开的备用电池，则启动所述磁轴承离心式压缩机的软关闭；如果所述磁轴承离心式压缩机没有运行并且对于限定数量的连续样本超过所述限定的方差而指示断开的备用电池，则阻止所述磁轴承离心式压缩机启动；或者如果对于限定数量的连续样本未超过所述限定的方差而指示断开的备用电池，则允许磁轴承离心式压缩机继续运行或开始运行。

一个实施例涉及一种磁轴承离心式压缩机的备用电池的监测方法。所述方法包括：监测当所述轴在功率损耗事件期间旋转时轴承落下所述磁轴承离心式压缩机的轴的次数；计算轴承落下所述磁轴承离心式压缩机的轴的次数；将轴承落下所述磁轴承离心式压缩机的轴的计数的次数与轴承落下所述磁轴承离心式压缩机的轴的限定的阈值次数进行比较；如果轴承落下所述磁轴承离心式压缩机的轴的计数的次数大于轴承落下所述磁轴承离心式压缩机的轴的限定的阈值次数，则显示故障；并且防止所述磁轴承离心式压缩机启动，直到这种故障被清除。

从下面结合附图的优选实施例的更详细的描述中，本发明的其它特征和优点将变得明显，附图通过实例的方式示出了本发明的原理。

附图说明

图1是用于向电动机供应电力的说明性装置的示意图。

图2是示出在各种温度下电池电压和电池电量之间关系的曲线图。

图3是示出在各种温度下电池电压阈值和实耗时间之间关系的曲线图。

图4是示出电池电压与电池电量的关系的曲线图。

图5是表示电池电压和环境温度之间的关系的曲线图。

图6是示出电池峰值电压和实耗时间之间关系的曲线图。

图7是示出电池电压以及功率损耗事件期间的剩余电池电量之间关系的曲线图。

图8是示出当功率从悬浮负载循环到去悬浮负载到无负载时允许电池在负载循环之间充电的测试结果的曲线图。

图9是示出当接近低电池电压极限时在图8的测试期间的时间线的曲线图。

具体实施方式

根据本发明原理的示例性实施例的描述旨在结合附图来阅读，附图被认为是整个书面描述的一部分。在本文公开的本发明的实施例的描述中，对方向或取向的任何参考仅仅是为了方便描述之目的，而不以任何方式限制本发明的范围。诸如“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”、“底部”及其派生词(例如，“水平地”，“向下地”，“向上地”等)应被解释为是指如下所述的或如所讨论的附图中所示的方位。这些相对术语仅仅是为了方便描述，并且不要求该装置在特定取向上构造或运行，除非明确地这样指出。诸如“附接”，“附着”，“连接”，“耦合”，“互连”以及类似的术语表示这样的关系，其中结构直接地或通过中间结构以及可移动或刚性附接或关系间接地彼此固定或附接，除非另有明确描述。此外，通过参考优选实施例来说明本发明的特征和益处。因此，本发明明确地不应限于说明可单独存在或在特征的其它组合中存在的特征的一些可能的非限制性组合的优选实施例，本发明的范围由所附权利要求限定。

图1示出了用于向具有磁轴承的电动机4供应电力的说明性装置2的实施例的示意图。如图1所示，磁轴承电缆8和电动机电缆10连接到感应电动机4上，感应电动机的转子由磁轴承可旋转地悬浮并支撑。磁轴承电缆8和电动机电缆10通过控制台或面板14连接到三相200-v商用ac电源12。控制面板14具有连接到商用ac电源的磁轴承控制器16，其提供磁轴承控制电流通过磁轴承电缆8以控制磁浮轴承6，磁浮轴承在目标位置悬浮并支撑转子而不与其接触。控制面板14还具有电动机驱动器18，该电动机驱动器包括连接到商用交流电源的诸如通用逆变器等的频率/电压转换器。电动机驱动器18通过电动机电缆10提供具有预定频率/电压的电力，以便以预定速度运行电动机4。磁轴承控制器16由电池电源20(例如但不限于48v，2.2-ahr电池)备份。当商用交流电源12发生故障时，电池电源20向磁轴承控制器16供电，以使磁轴承控制器16能够连续运行磁轴承6。

如果商用交流电源在电动机4运行期间发生故障，则磁轴承可以通过从电池电源20供应的电力而连续地运行，或者可以启动软关闭。然而，由于电动机驱动器18不再被供给来自商用交流电源的交流电，所以感应电动机4的转子在自由运行状态下旋转。由磁轴承可旋转支撑的转子通常以每分钟至少几千转速的高速旋转。由于转子磁性地保持与磁轴承不接触，所以转子不受到任何减速摩擦力。因此，直到转子停止需要很长的时间。可替代地，可包括制动系统以使转子更快地停止。

为了使磁轴承在电源故障发生时适当地运行，电池必须被适当地充电以提供足够的功率以根据需要适当地维持磁场。因此，本发明涉及一种用于监测和传送电池状态的系统和方法，该电池用作用于磁轴承和控制面板的不间断电源(ups)系统的备用，从而防止当ac电力损失时对磁轴承的损坏。

在运行中，如果装置被供电并且电池正在充电，则在装置2具有电力并且电池正在充电以确定电池电量时监测电池电源20的电池电压。电池电量被传送到控制设备2的控制面板30。基于观察值，在不同的温度下定义电池电压和电池电量(ah)之间的关系。图2中示出了在不同温度下电池电压和电池电量(ah)之间的关系的说明性实例。图2中提供的信息是说明性的，即针对特定设备，并不意味着将本发明的范围限制到所示的特定关系。线202表示4度温度变化，线204表示12度温度变化，线206表示24度温度变化，线208表示50度温度变化。

例如，在所示的示例性实施例中，当正确运行时，在电池完全充电之后，电压将显示并保持涓流充电电压高于阈值，从而防止发生任何警告和/或故障。在所示的实施例中，涓流充电电压在超过5分钟内大约为13.3v±0.06v(如图3所示)。相反，如果电池电压低于限定的阈值(对于示例性实施例为12.7v)并且保持低于限定的阈值一段固定的时间(对于示例性实施例而言为12.7v，5分钟)，将发送指示故障电池的警告和/或故障。

不管由监测系统检测到的特定相对值如何，如果电池电压低于限定的阈值(例如12.7v持续5秒)并且装置2不运行，则系统将禁止或防止装置启动，直到电池电压高于阈值。在所示的示例性实施例中，将防止装置2启动，直到电池电压超过阈值至少0.1伏。(对于示例性实施例为12.8v)。

如果电池电压低于限定的阈值并且装置2正在运行，则显示指示低电池电压的警告。在警告已经显示特定时间段之后，低电池电压故障将启动装置2的软关闭。在示例性实施例中，特定时间段是如图3的实耗时间所示的六十分钟。换句话说，如果电池在60分钟内没有正确充电，则将启动装置2的关闭。对于所示的示例性实施例而言，线402表示4度的温度变化，线404表示12度的温度变化，线406表示24度的温度变化，线408表示50度的温度变化。

可替代地，如果在特定时间段内电池电压上升到阈值以上，则移除警告并且清除故障。对于所示的示例性实施例而言，线412表示4度的温度变化，线414表示12度的温度变化，线416表示24度的温度变化，线418表示50度的温度变化。

电池电压阙值受电池温度的影响。然而，如果没有靠近电池设置温度传感器，则可以使用控制面板温度。在这种情况下，假定当设备不运行时，控制面板内部的温度和电池将均衡到几乎相同的温度。因此，该阈值在单元不运行时用作启动禁止监测电压。然而，在运行时，电池将在控制面板温度有足够时间漂移以产生令人讨厌的警告之前充电到最低阈值以上。

参考图5，在示例性实施例中，示出了预期环境温度范围的电池电压阈值。使用线性内插或曲线拟合来确定其他温度下的阈值。

电池电压阈值可以在具有服务级别访问的电池的测量电压范围内可调，以更好地满足可能经历烦恼问题的地点的需要。例如，可以使用随温度移动的偏移、乘法器或编程阈值(类似于以马赫数移动的失速电压极限)。

监测系统必须能够检测与设备断开连接的电池。这种断开可以由(但不限于)开放断开、熔断保险丝、断开的线或其他电池问题导致。监测系统测量控制面板输入端的电压。因此，在电池与装置断开的情况下，由监测系统测量的电压将仅是由ups输出的充电电压。

与当电池连接和充电时相比，当电池断开时，从ups输出的充电电压显著不同。在连接电池时，充电电压随时间稳定。在断开连接时，电压每分钟以一定的或显著的幅值上下跳动几次。在所示的示例性实施例中，幅值大约为1伏，如图6所示。为了正确地确定电池是否连接或断开，监测系统在规定的时间段内监测或采样振幅读数。在所示的示例性实施例中，所限定的时间段是10秒。在限定的时间段内，如果最小和最大电压之差大于限定的方差，则记录并保存样本。在所示的实施例中，限定的方差为0.5伏。如果对于4个连续采样超过了所限定的方差，则显示指示断开电池的故障。

如果在设备未运行时发生故障，则系统将禁止或防止设备启动，直到故障清除或被清除。如果充电电压在预期范围内稳定规定的时间段，则可以使用服务级别访问手动清除故障。在所示的示例性实施例中，所限定的时间段是60秒。

如果设备运行时发生故障，则显示警告，指示电池已断开。在警告已经被显示特定指定时间段之后，电池断开故障将启动装置2的软关闭。在示例性实施例中，10分钟是指定的时间段。如果充电电压在预期范围内在规定的时间段内保持稳定，则可以使用服务级别访问手动清除故障。在所示的示例性实施例中，所限定的时间段是60秒。

此外，无论设备是运行还是不运行，当电池断开时，通常存在高于典型充电电压范围的电压峰值。如果电池电压超过阈值电量，即对于所示的示例性实施例为16伏，则显示警告以检查电池连接。此警告被计数为导致断开电池故障的4个连续样本的第一个样本。

在装置的功率损失的情况下，监测系统监测电池电压以确定电池的健康。在所示的示例性实施例中，电池上的负载在悬浮时已被确定为500-600w，并且在去悬浮并且仅向控制面板供电时约为200w，如图6所示，其示出了电池电压和电池电量(％ah剩余)之间的关系。假定与磁轴承压缩机相比，来自控制面板的视频图形显示器的功率消耗小，并且仅持续几秒钟。因此，视频图形显示功耗的影响可以忽略不计。

图7示出在悬浮和去悬浮负载之间的循环，而不允许电池在循环之间充电。该测试首先在室温下在设备上进行，然后在最小规定的环境温度即所示实施例的4摄氏度下在台架试验上进行。结果表明，当电池处于负载状态时，温度对电池充电时的影响不大。这支持使用不随温度变化的低电压极限。对于所示的示例性实施例而言，线702表示室温下的装置，线704表示4℃下的装置。

如图8所示，对于示例性实施例而言，在电池电压下降到低电池电压极限(在示例性实施例中为10.5v)并且不再支持所示实施例的整个负载持续时间之前，可能接近100个负载循环。对于所示的示例性实施例而言，线802表示功率，线804表示循环计数，线806表示ch1v。虽然电池负载的变化改变了电池电压，但是使用单个低电压极限来简化控制设计。将使用悬浮和去悬浮电压极限的最坏情况。通常，低电池电压极限被设置为其中电池仍然具有足够的电荷以承受规定数量的负载循环，例如但不限于至少4个负载循环。这确保即使电池和条件发生变化，该单元也被保护。

图9示出了当接近图8的低电池电压极限时的时间线。基于该数据，设置低电池电压极限，例如但不限于所示的示例性实施例的11.0v。然而，该极限可以通过管理级访问来调整，例如但不限于，对于所示的示例性实施例而言，从10.5v到12.0v。对于所示的示例性实施例而言，线902表示ch1v，线904表示值，线906表示功率，线908表示循环计数，线910表示实耗时间。

通常，如果电池电压低于限定的阈值，同时电池正在向设备供电，则显示指示低电池电压的故障。

一旦施加了单位功率并且电池正在充电，则仅当电池电压高于如上所述的阈值时，才可以手动清除故障。可替代地，可以在成功执行电池健康测试的情况下清除故障。

如果发生电池故障或警告，可以执行电池健康测试，以确定电池是否正常工作或是否应更换电池。该测试是通过视频图形控制面板启动的手动过程，以在已知负载下监测电池电压，以确保电池具有足够的健康以承受电源故障事件。通过服务访问级别可以进行测试。

用户通过按下控制面板的视频显示器的屏幕上的按钮来启动电池健康测试。为了启动此测试，设备不得运行，并且必须打开安全停止开关。用户被引导通过视频显示器以断开装置的主电源，从而迫使备用电池为电源故障期间的装置供电。用户必须手动断开电源。一旦控制面板检测到由电池供电，它就命令磁轴承压缩机悬浮限定的时间段，即对于所示的示例性实施例而言为60秒。在整个测试中，监测系统以与监测系统在电源故障事件期间监测电池电压相同的方式监测电池电压，以确保其不下降到低电池电压极限以下。

对于该测试而言，功率损耗保持时间必须增加(对于示例性实施例而言为10分钟)，以允许发生测试的时间。

如果电压低于下限，测试失败，应更换或检查电池。如果由于电压、熔断、断开或任何其他原因导致测试失败，并且下次上电时显示故障，说明电池健康测试已失败。可以通过运行成功的电池安全测试来清除此故障。

可替代地，如果在测试期间电压保持高于下限，控制面板将显示一条消息，指出电池通过测试。

控制面板命令磁轴承压缩机在测试的其余部分使轴去悬浮。完成后，控制面板指示用户将主电源手动连接到设备。一旦连接电源，控制面板就可以显示电池健康测试完成的消息。

如果在设定的时间段(对于示例性实施例而言为5分钟)内没有重新连接主电源，则显示指示测试失败并需要重新进行的警告。如果功率损耗保持定时器耗尽，控制面板显示用于关机的相同故障，可以通过运行成功的电池测试来清除该故障。如果在去悬浮后电池电压下降到低于电池电压下限，并且在等待主电源重新连接时，将显示一条警告，指示测试失败。

如果在功率损耗事件期间轴承在旋转时落下轴，则表明轴承、磁轴承压缩机、控制面板或布线有问题。提供了用于对这些着陆进行计数的方法。如果着陆计数增加超过可接受的量，则应当显示着陆故障，并且在装置将再次开始之前需要手动清除。如果电池电压低于充电阈值，则不应该允许清除该故障，并且如上所述不能解决这种问题。

在出现重复着陆计数的情况下，出现故障，表明存在需要管理级别访问以清除的磁轴承压缩机功率面板系统的故障。如果电池电压低于充电阈值，并且遇到其他标准，例如但不限于，在最近24个运行小时内计数3次着陆，或者在最近3000个运行小时内计数10次着陆，则不应允许故障清除。

当ups不监测电池状态或不向控制面板提供电池状态时，本发明是有益的。本发明提供了一种可靠且有成本效益的通过确定的装置特定的极限来监测已知负载下的备用电池的状态的方法，从而将标志故障和警告传送到控制面板。在这样做时，当发生电源故障时，当没有足够的备用电源来保护设备时，禁止或防止设备继续运行，从而防止设备的着陆轴承和轴的过度磨损。

虽然已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离如所附权利要求中限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变并且等同物可以替代其元件。特别地，本领域技术人员将清楚，本发明可以以其他具体形式、结构、布置、比例、尺寸实施并且与其它元件、材料和部件一起实施，而不脱离其精神或本质特征。本领域技术人员将理解，本发明可以与在本发明的实践中使用的结构、布置、比例、尺寸、材料和部件以及其他方面的许多修改一起使用，其在不脱离本发明的原理的情况下特别适于特定环境和运行要求。因此，目前公开的实施例在所有方面都被认为是说明性的而不是限制性的，本发明的范围由所附权利要求限定，而不限于前述描述或实施例。