專利名稱：不間斷電源電池后備時間的計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種不間斷電源電池后備時間的計(jì)算方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，一種不間斷電源電池后備時間的計(jì)算方法，其特征是按下式計(jì)算T＝Q×TP其中T為所計(jì)算出的對應(yīng)當(dāng)前放電功率P的后備時間，Q為電池荷電狀態(tài)系數(shù)，表示電池當(dāng)前充電量的多少，其取值范圍為0到1，當(dāng)電池處于充滿狀態(tài)時，Q＝1，當(dāng)電池放電到關(guān)機(jī)點(diǎn)時，Q＝0；TP為電池從充滿狀態(tài)開始以恒定功率P放電到關(guān)機(jī)點(diǎn)時的放電時間。
采用以上的方案，以電池恒功率放電時間作為電池放電后備時間實(shí)時計(jì)算的基準(zhǔn)，由于UPS負(fù)載的恒功率特性(除非增減負(fù)載)，可以減少后備時間計(jì)算中在不同恒流放電曲線間的跳變并提高精度，除非負(fù)載量發(fā)生變動或增減，后備時間不會出現(xiàn)大幅度跳變，并能適用于電池在任何狀態(tài)下出現(xiàn)放電的情況。
除非特別指明，文中所有物理量的單位為國際單位制單位。其例外有1)電池標(biāo)稱容量C，單位為安時；2)在表1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表中，所給出的TPB的單位是分鐘，但在公式中仍需用秒作單位，這只需在查基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表后轉(zhuǎn)化成秒代入公式就行了。


圖1所示流程實(shí)際上是本發(fā)明的一個應(yīng)用實(shí)例，其中除了有后備時間計(jì)算外，還包括有UPS電池管理的部分內(nèi)容，比如均、浮充轉(zhuǎn)換等。所謂均充就是用較高的恒定電壓對電池進(jìn)行充電，一般用于電池尚未充滿時，當(dāng)電池充到一定程度，改為浮充，即改用較低的電壓，以免過充，并補(bǔ)充電池自放電，但在本發(fā)明中，浮充并不是必需的。
但是，在該流程圖中，電池后備時間的計(jì)算是本發(fā)明的主要內(nèi)容。本發(fā)明中，電池以功率P進(jìn)行放電的后備時間按下式進(jìn)行計(jì)算T＝QTP下面對其中的變量進(jìn)行解釋(一)荷電狀態(tài)系數(shù)Q它是表征電池荷電狀態(tài)的一個系數(shù)，取值為0-1，Q值為1的時候表明電池處于充滿狀態(tài)。充電和放電(根據(jù)電池電流的方向進(jìn)行判斷)的Q分別描述如下1)電池在充電狀態(tài)時，電池電荷被補(bǔ)充，Q的增加量為AIbUbdt充/(aW0)其中Ib為電池充電電流。
Ub為電池充電電壓。
dt充為本輪時間間隔中的充電時間，圖1流程中，充電狀態(tài)的檢測是以固定的時間間隔進(jìn)行的，軟件對每個時間間隔內(nèi)的Q增量進(jìn)行累加。因此，在流程圖1中，dt充等于軟件設(shè)置的檢測電池狀態(tài)的時間間隔，一般為5S-20S。
W0為當(dāng)前電池充電時已放出的能量(在上一輪放電時放出的總能量)，也即與滿容量(Q＝1)時相比總共虧損的能量。注意在整個充電過程中W0是定值，只有在有放電的情況下，W0才會變化(反映在流程圖中就是要注意W0＝W這一賦值命令的位置)。
a為電池充電效率與放電效率之比，它是一個≥1的系數(shù)(由于電池的充電效率一般小于放電效率)，其值可根據(jù)不同電池進(jìn)行設(shè)置，例如對某一電池，當(dāng)以恒定功率放電一小時后，以同樣功率充電需1.2小時才能達(dá)到原來的荷電狀態(tài)，則其a值取1.2)，A＝1-Q0是容量歸一系數(shù)，同W0一樣，A值在整個充電過程中是定值，只有在有放電的情況下，A才會變化，故此處用Q0代替流程中的Q，流程圖中雖仍用A＝1-Q這一賦值命令，但它的位置保證了A值的正確性。
因?yàn)镼的最大值是1，當(dāng)電池充滿后轉(zhuǎn)浮充時可直接置Q＝1。圖1中設(shè)定充電時間大于12小時或充電電流的值小于電池的容量的安時數(shù)的1％(即小于0.01C，其中C為安時數(shù)，也即電池容量的數(shù)值)時，視為已充滿，改為浮充并置Q＝1。
2)電池在放電狀態(tài)時，電池電荷被消耗，Q的減少量為dt放/TP’式中dt放為實(shí)際放電時間，P’為放電時的功率，它與P具有完全相同的物理含義，計(jì)算方法也相同，但P’為電池在前一輪放電時的功率，而P是計(jì)算后備時間時當(dāng)前的放電功率，當(dāng)二者存在于同一公式中時，有必要進(jìn)行區(qū)分，但單獨(dú)討論TP和TP’的計(jì)算公式時，二者沒有任何差別，下面以TP為例進(jìn)行說明。
TP＝KPMPTPB，它表示電池從充滿狀態(tài)以恒功率P放電到關(guān)機(jī)點(diǎn)時的總放電時間。其中TPB是容量未衰減的新電池在20℃常溫下從充滿狀態(tài)以P進(jìn)行恒功率放電，放電到電池關(guān)機(jī)點(diǎn)時的放電時間；KP是根據(jù)電池壽命預(yù)測所估計(jì)的剩余容量系數(shù)，KP≤1，對新電池，其取值為1，電池壽命終止時的取值為一設(shè)置的容量百分比，例如，對某一型號電池，在某一設(shè)備上運(yùn)行時，如果認(rèn)為容量百分比為70％時就不能用了，則電池壽命終止時KP取值為70％；MP是溫度系數(shù)，表示電池放電時環(huán)境溫度偏離基準(zhǔn)溫度時對放電時間的修正，當(dāng)放電時溫度為基準(zhǔn)溫度時，其值為1。KP、MP、TPB三個量的計(jì)算見下文。
(二)放電時間TPB它表示滿容量新電池在20℃常溫下從充滿狀態(tài)以P進(jìn)行恒功率放電，放電到電池關(guān)機(jī)點(diǎn)時的放電時間，它可以用以下兩種方法得到(1)用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表實(shí)際使用中，可根據(jù)滿容量電池在不同放電功率下的TPB基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表，通過線性插值確定在20℃常溫下以實(shí)際功率P放電至終止電壓時可持續(xù)的時間TPB。此處20℃是在測量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)時的基準(zhǔn)溫度，如果采用其他溫度作為基準(zhǔn)溫度，只需對下述溫度系數(shù)MP的計(jì)算方式進(jìn)行相應(yīng)修改即可。表1是一種電池的TPB基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表，表中給出的TPB的單位是分鐘，在使用時要將它轉(zhuǎn)換為秒。表1 NP12-100AH電池TPB(MIN)

(2)用經(jīng)驗(yàn)公式TPB＝3600CKi/I其中TPB單位是秒；C是電池的標(biāo)稱容量，單位是安時(AH)；I是電池當(dāng)時放電電流，單位是安培(A)；Ki是電池放電效率，按電池放電電流大小范圍分段取值，例如如下取值
電池放電電流I小于5小時率(即標(biāo)稱容量除以5小時后所得的電流值，下類推)，Ki＝0.85；電池放電電流I大于5小時率小于3小時率，Ki＝0.8；電池放電電流I大于3小時率小于1小時率，Ki＝0.6；電池放電電流I大于1小時率，Ki＝0.5。
對于標(biāo)稱容量是100AH的電池，放電電流小于20A時Ki＝0.85，放電電流大于20A小于33A時Ki＝0.8，放電電流大于33A小于100A時Ki＝0.6。
(三)剩余容量系數(shù)KP它是電池在使用過程中充滿狀態(tài)下的容量和新電池容量之間的比較結(jié)果?？捎靡韵聝煞N方法得到(1)基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表的放電法用這種方法得到的剩余容量系數(shù)KP與具體電池相對應(yīng)的，可以保證預(yù)測結(jié)果達(dá)到比較高的精確度。
放電法的具體做法如下在電池的定期維護(hù)放電(或電池定期自檢)中，每次讓電池以恒定功率P0放電，P0的設(shè)定值選取可按實(shí)際要求選定，例如100AH時取P0＝9K(或6K、3K，可在監(jiān)控程序中設(shè)定)；65AH時取P0＝6K；38AH、40AH時取P0＝3K，超出的部分由整流器提供。維護(hù)放電中讓電池放出20％的新電池容量，即放電時間為與P0對應(yīng)的TPB的20％，而后檢測電池的端電壓UB，將其和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中電池在不同剩余容量階段按P0放出20％容量(即20％TPB時間)后電池的端電壓相比，用線性插值結(jié)果對電池老化的剩余容量KP進(jìn)行修正。
KP＝K1+(U1-UB)·(K2-K1)/(U1-U2)其中K1、K2、U1、U2為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，即當(dāng)剩余容量為K1時，以上述同樣放電功率和放電時間下放電后端電壓為U1，當(dāng)剩余容量為K2時，以上述同樣放電功率和放電時間下放電后端電壓為U2。
表2、3是2種電池20％初始容量放電電池端壓與對應(yīng)剩余容量比KP數(shù)據(jù)表中除非特別聲明，所有數(shù)據(jù)是10個電池串聯(lián)測試的數(shù)據(jù)。
表2、GP12-40AH電池KP

表3、GP12-65AH電池KP

雖然由于對浮充電壓的溫度補(bǔ)償及電池浮充電壓值的可設(shè)置，浮充電壓的高低對UB值有一定影響，但目前初步的測試結(jié)果顯示，對環(huán)境溫度在15～30℃間的電池剩余容量的檢測精度影響在3％以下。
(2)按線性老化經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算根據(jù)電池標(biāo)稱壽命估算剩余容量系數(shù)，KP≤1，它的值可以依據(jù)電池標(biāo)稱壽命設(shè)定為隨使用時間按線性或非線性規(guī)律衰減，例如設(shè)定為如下式按線性規(guī)律變化KP＝(標(biāo)稱壽命-已使用時間)/標(biāo)稱壽命(四)是溫度系數(shù)MP對于環(huán)境溫度偏離基準(zhǔn)溫度的放電情況，需對TP進(jìn)行溫度系數(shù)MP的修正，例如定義20℃為基準(zhǔn)溫度，此時其MP＝1，則其他溫度下的MP可以用以下兩種方法得到(1)利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表MP除與溫度區(qū)間范圍相關(guān)外，還是放電功率的函數(shù)，必須利用電池溫度系數(shù)隨溫度和功率變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表進(jìn)行二維線性插值。具體計(jì)算可以對應(yīng)數(shù)據(jù)表中上下最接近的兩個功率等級按實(shí)際溫度進(jìn)行線性插值，再把所得的對應(yīng)該兩個功率等級的溫度系數(shù)按實(shí)際放電功率再進(jìn)行一次線性插值即可得實(shí)際MP值。表4、5是兩種電池的實(shí)測溫度系數(shù)MP基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表表4、NP100AH電池MP

表5、GPL12-100AH電池MP


(2)用經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)定MP隨環(huán)境溫度按線性或非線性變化，例如設(shè)定為按線性變化，當(dāng)基準(zhǔn)溫度為25度時，MP＝1+k(t-25)其中t是環(huán)境溫度，kt是溫度系數(shù)，例如按如下放電率范圍分段取值電池放電電流小于10小時率，kt＝0.006/℃；電池放電電流大于10小時率小于5小時率，kt＝0.007/℃；電池放電電流大于5小時率小于3小時率，kt＝0.008/℃；電池放電電流大于3小時率，kt＝0.01/℃；(五)已放出的電能總量W是用于表征電池放電時放出能量的變量，上面計(jì)算Q值的公式中的W0是W在特定條件下的一個具體值，即在放電后充電前時刻的W。
引入W變量是為了解決電池在未充滿電情況下，出現(xiàn)再次放電或在未放完電的情況下，出現(xiàn)再次充電時的放電時間估算問題。用能量守恒的觀點(diǎn)，可以解決電池放電所能放出的能量大小隨放電功率變化，以及隨后的充電過程中能量回充比率計(jì)算的難題。充電時，W的減少量為IbUbdt充/a其中各量的含義同前。放電時W的增加量為Pdt放其中各量的含義同前。
權(quán)利要求
1.一種不間斷電源電池后備時間的計(jì)算方法，其特征是按下式計(jì)算T＝Q×TP其中T為所計(jì)算出的對應(yīng)當(dāng)前放電功率P的后備時間，Q為電池荷電狀態(tài)系數(shù)，表示電池當(dāng)前充電量的多少，其取值范圍為0到1，當(dāng)電池處于充滿狀態(tài)時，Q＝1，當(dāng)電池放電到關(guān)機(jī)點(diǎn)時，Q＝0；TP為電池從充滿狀態(tài)開始以恒定功率P放電到關(guān)機(jī)點(diǎn)時的放電時間。
2.如權(quán)利要求1所述的不間斷電源電池后備時間的計(jì)算方法，其特征是其中荷電狀態(tài)系數(shù)(Q)的計(jì)算方法為當(dāng)電池以任一恒定功率P’放電dt放時間后，Q值減少量為dt放/TP’；當(dāng)電池放電后又以電流Ib、電壓Ub充電dt充時間后，Q值增加量為AIbUbdt充/(aW0)電池充滿后，Q值不再增加，其值置為1；其中，W0為充電前電池與完全充滿狀態(tài)相比所放出的總能量，A＝1-Q0為歸一化系數(shù)，Q0為放出總量為W0的能量后的荷電狀態(tài)系數(shù)，a為電池的充電效率與放電效率之比。
3.如權(quán)利要求1或2所述的不間斷電源電池后備時間的計(jì)算方法，其特征是其中TP的計(jì)算方法為Tp＝KpMpTpBTP’的公式相同，只需把其中的下標(biāo)P改為P’；其中TpB為容量未衰減的新電池從充滿狀態(tài)開始在基準(zhǔn)溫度下以恒定功率P放電到關(guān)機(jī)點(diǎn)時的放電時間；KP為電池的剩余容量系數(shù)，表示電池的老化程度，對新電池，其取值為1，電池壽命終止時的取值為一設(shè)置的容量百分比；MP為溫度系數(shù)，表示電池放電時環(huán)境溫度偏離基準(zhǔn)溫度時對放電時間的修正，當(dāng)放電時溫度為基準(zhǔn)溫度時，其值為1。
4.如權(quán)利要求3所述的不間斷電源電池后備時間的計(jì)算方法，其特征是其中KP按線性老化經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算KP＝(標(biāo)稱壽命-已使用時間)/標(biāo)稱壽命
5.如權(quán)利要求3所述的不間斷電源電池后備時間的計(jì)算方法，其特征是其中KP的計(jì)算方法為放電法即讓電池以一確定功率放電規(guī)定的時間或容量后，測量電池的端電壓UB，從事先在同樣放電功率和放電時間下用實(shí)驗(yàn)測定的電池基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中查找最接近的值U1、U2以及對應(yīng)的電池剩余容量系數(shù)K1、K2，并用線性插值計(jì)算KP＝K1+(U1-UB)·(K2-K1)/(U1-U2)其中K1、K2、U1、U2為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，即當(dāng)剩余容量為K1時，以上述同樣放電功率和放電時間下放電后端電壓為U1，當(dāng)剩余容量為K2時，以上述同樣放電功率和放電時間下放電后端電壓為U2。
6.如權(quán)利要求3所述的不間斷電源電池后備時間的計(jì)算方法，其特征是當(dāng)基準(zhǔn)溫度為25度時，其中MP采用下述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算MP＝1+Kt(t-25)其中t是環(huán)境溫度，Kt是溫度系數(shù)，分段取值電池放電電流小于10小時率，Kt＝0.006/℃；電池放電電流大于10小時率小于5小時率，Kt＝0.007/℃；電池放電電流大于5小時率小于3小時率，Kt＝0.008/℃；電池放電電流大于3小時率，Kt＝0.01/℃。
7.如權(quán)利要求3所述的不間斷電源電池后備時間的計(jì)算方法，其特征是其中MP的計(jì)算方法為二維線性插值法在事先用實(shí)驗(yàn)測得的電池溫度系數(shù)隨溫度和功率變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表中，找到上下最接近的兩個功率等級按實(shí)際溫度進(jìn)行線性插值，再把所得的對應(yīng)該兩個功率等級的溫度系數(shù)按實(shí)際放電功率再進(jìn)行一次線性插值即可得實(shí)際MP值。
8.如權(quán)利要求3所述的不間斷電源電池后備時間的計(jì)算方法，其特征是其中TpB采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算TPB＝3600C Ki/I其中C是電池的標(biāo)稱容量，單位為安時；I是電池當(dāng)時放電電流；Ki是電池放電效率，按電池放電電流大小范圍分段取值電池放電電流I小于5小時率，Ki＝0.85；電池放電電流I大于5小時率小于3小時率，Ki＝0.8；電池放電電流I大于3小時率小于1小時率，Ki＝0.6；電池放電電流I大于1小時率，Ki＝0.5。
9.如權(quán)利要求3所述的不間斷電源電池后備時間的計(jì)算方法，其特征是其中TpB的計(jì)算方法為插值法利用事先用實(shí)驗(yàn)測定的滿容量新電池在基準(zhǔn)溫度下以不同放電功率放電的TPB基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表，通過線性插值確定在基準(zhǔn)溫度下以實(shí)際功率P放電至終止電壓時可持續(xù)的時間TPB。
全文摘要
本發(fā)明公開一不間斷電源電池后備時間的計(jì)算方法,以電池恒功率放電時間作為電池放電后備時間實(shí)時計(jì)算的基準(zhǔn),由于UPS整流性負(fù)載的特性,可以減少后備時間計(jì)算中在不同恒流放電曲線間的跳變并提高精度,除非負(fù)載量發(fā)生變動或增減,后備時間不會出現(xiàn)大幅度跳變,并且,運(yùn)用能量守恒的觀點(diǎn),很好地解決了電池放電后充電其回充比率的計(jì)算,以及電池在未充滿電時再次放電的后備時間計(jì)算的難題。
文檔編號G01R31/36GK1349106SQ01129918
公開日2002年5月15日 申請日期2001年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月14日
發(fā)明者孟貞生 申請人:深圳安圣電氣有限公司