專利名稱：使用由回歸模型初始化的狀態(tài)推定技術(shù)的電池使用壽命推定方法、裝置和計算機程序產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電源系統(tǒng)和用于其運行的方法、計算機程序產(chǎn)品，特別涉 及用于電池使用壽命推定的方法、設(shè)備和計算積^呈序產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
在某些電池應(yīng)用中，例如在不間斷電源(UPS)系統(tǒng)中，電池可以以"浮 動服務(wù)(float service)"模式運行。在這樣的應(yīng)用中，典型地，電池很少 發(fā)生放電，放電被這樣的延續(xù)時間段分隔開在該時間段中，電池以相對 較低的充電速率受到浮充電。
電池的浮動j吏用壽命(float service life)的特征可在于被分成兩個不 同的時期，如圖1所示。笫一個時期是隨著時間的過去容量流失通常很小 的一段時間。這能被看作閾值或者保證時間。第二個時期的特征可在于容 量隨時間快得多的下降，直到不存在可用的剩余容量。第一個時期的長度 可能由幾個因素決定，例如測試或者使用中的放電速率。放電速率越低， 典型地，浮動使用壽命的這部分的時間越長。第二個時期的持續(xù)時間通常 更多地由電池設(shè)計和控制壽命的特定機制決定。這種電池浮動使用壽命才莫 型在由Webb L. Burgess發(fā)表的"An analysis of float service life test data of VRLA batteries" (Journal of Power Sources 75 (1998)， pp,28-35)中描述。
在浮動服務(wù)應(yīng)用中，例如在UPS應(yīng)用中，可能希望生成電池使用壽命 的預(yù)測，例如，電池容量何時由于作用在電池上的多種劣化過程而下降到 低于特定預(yù)定水平的預(yù)測。例如，該預(yù)測值可用于資本支出計劃和/或預(yù)防 性維護。
已提出一些技術(shù)來推定電池的使用壽命。例如，Anbuky等人的美國專利No. 6,924,622和Anbuky等人的美國專利No. 7,199,557描述了充電容 量和儲備壽命推定技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的 一些實施例提供了推定電池使用壽命的方法。響應(yīng)于電池的 放電而產(chǎn)生電池容量的測量。使用卡爾曼濾波器，由容量測量而產(chǎn)生使用 壽命預(yù)測。在使用卡爾曼濾波器由容量測量而產(chǎn)生使用壽命預(yù)測之前，可 生成與電池的一系列放電對應(yīng)的一組電池容量測量并生成基于該組電池容 量測量將電池容量與時間相聯(lián)系的回歸模型，例如直線模型。使用卡爾曼 濾波器由容量測量產(chǎn)生使用壽命預(yù)測可包含響應(yīng)于滿足預(yù)定標準的回歸模 型 一一例如當(dāng)直線回歸模型具有預(yù)定斜率、變化和相關(guān)系數(shù)值時一一來初 始化卡爾曼濾波器。
響應(yīng)于滿足預(yù)定標準的回歸模型來初始化卡爾曼濾波器可包含以由回 歸模型生成的初始條件來初始化卡爾曼濾波器。該方法還可包含，響應(yīng)于 卡爾曼濾波器初始化后的電池的一 系列;^文電而生成一 系列電池容量測量， 并且，使用卡爾曼濾波器由所述一 系列容量測量生成一 系列使用壽#測。 響應(yīng)于電池放電而生成電池容量測量可包含，確定將電池放電到預(yù)定電壓 所需要的時間，并且，基于所確定的放電時間生成容量測量。
才艮據(jù)本發(fā)明另外的實施例，通過響應(yīng)于電池的一 系列放電來生成一組 電池容量測量、基于所述一組電池容量測量來生成將電池容量與時間相聯(lián) 系的回歸模型、響應(yīng)于滿足預(yù)定標準的回歸模型來初始化未來電池容量的 預(yù)測狀態(tài)推定器、使用該狀態(tài)推定器來生成使用壽命的預(yù)測，推定電池使 用壽命?；貧w模型可包含直線回歸模型，狀態(tài)推定器可包含電池容量劣化 的確定性模型、電池容量劣化的可能性模型和/或電池容量劣化的適應(yīng)性模 型。狀態(tài)推定器可包含例如卡爾曼濾波器。狀態(tài)推定器可用根據(jù)回歸模型 生成的初始條件來初始化。
本發(fā)明的另外的實施例提供了 一種包含電池4吏用壽命推定器電路的設(shè) 備，該電路4皮配置為接收電池容量測量并使用卡爾曼濾波器由容量測量來生成使用壽命預(yù)測。電池使用壽命推定器電路可被配置為響應(yīng)于電池的一 系列放電來生成一組電池容量測量，基于所述一組電池容量測量來生成將 電池容量與時間相聯(lián)系的回歸模型，并響應(yīng)于滿足預(yù)定標準的回歸模型來 初始化卡爾曼濾波器。該設(shè)備還可包含電池容量測量電路，該電路被配置 為響應(yīng)于電池的放電而生成電池容量測量，例如，電池容量測量電路可被
來生成容量測量。在另外的實施例中，該設(shè)備還可包含不間斷電源(UPS) 電路，其被配置為耦合到電池并對電池進行充電和放電；電池容量測量電 路，其被配置為響應(yīng)于由UPS電路對電池進行的放電，生成電池容量測量。
本發(fā)明另外的實施例提供了一種包含電池使用壽命推定器電路的設(shè) 備，該電路被配置為接收電池的一組電池容量測量，基于所述一組電池容 量來生成使電池容量與時間相聯(lián)系的回歸模型，響應(yīng)于滿足預(yù)定標準的回 歸模型來初始化未來電池容量的狀態(tài)推定器，并使用狀態(tài)推定器來生成使 用壽命的預(yù)測。該設(shè)備還可包含不間斷電源(UPS)，其被配置為耦杏 到電池并對電池進行充電和放電；電池容量測量電路，其被配置為響應(yīng)于 由UPS對電池進行的放電來生成電池容量測量。
本發(fā)明另外的實施例提供了 一種其中具有計算機程序代碼的計算機可 讀介質(zhì)，該計算機程序代碼包含被配置為接收電池容量測量的程序代碼、 被配置為使用卡爾曼濾波器由容量測量來生成使用壽命預(yù)測的程序代碼。 附加實施例提供了一種其中具有計算機程序代碼的計算機可讀介質(zhì)，該計 算機程序代碼包含凈皮配置為接收與電池的一系列放電中的相應(yīng)各個對應(yīng)的 一組電池容量測量的程序代碼、被配置為基于所述一組電池容量測量生成 使電池容量與時間相聯(lián)系的回歸模型的程序代碼、被配置為響應(yīng)于滿足預(yù) 定標準的回歸模型來初始化未來電池容量的狀態(tài)推定器的程序代碼、被配 置為^f吏用狀態(tài)推定器生成使用壽命預(yù)測的程序代碼。


圖1示出了示例性的電池容量特性；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明某些實施例將回歸模型用于檢測電池容量下降 的加速；
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明某些實施例將回歸模型用于初始化卡爾曼濾波
器；
圖4為一流程圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明某些實施例生成電池使用壽命 預(yù)測的操作；
圖5為一流程圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明另外的實施例使用通過回歸模 型初始化的狀態(tài)推定器生成電池使用壽命預(yù)測的操作；
圖6為一流程圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明另外的實施例使用通過回歸模 型初始化的卡爾曼濾波器生成電池使用壽命預(yù)測的操作；
圖7為一框圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明某些實施例用于電池使用壽命推 定的設(shè)備；
圖8為一框圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明附加實施例的、電池使用壽命推 定器在不間斷電源(UPS)中的實現(xiàn)；
圖9為一框圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明另外的實施例的、電池使用壽命 推定器在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的實現(xiàn)。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參照附圖介紹本發(fā)明的具體示例性實施例。然而，本發(fā)明可以 以許多不同的方式體現(xiàn)，并且不應(yīng)理解為限制于這里描述的實施例；相反， 提供這些實施例以便使本公開更加徹底和完整，并向本領(lǐng)域的技術(shù)人員充 分傳達本發(fā)明的范圍。在附圖中，相同的數(shù)字代表相同的元件。將會明了， 當(dāng) 一個元件被稱為"連接，，或"耦合，，到另 一個元件時，其可被直接連接或耦 合到另一元件，或者，可能存在中間的元件。這里使用的術(shù)語"和/或，，包括 一個或一個以上相關(guān)所列項目的任何以及所有組合。
這里使用的術(shù)語僅僅出于介紹特定實施例的目的，而不是為了對本發(fā) 明進行限定。這里使用單數(shù)形式"一"、"一個"、"該，，也包括復(fù)數(shù)形式，除 非另外明確說明。還應(yīng)明了，術(shù)語"包括"、"包含"、"具有"和/或"含有"當(dāng)用在本說明書中時，表示存在所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或部 件，但不排除存在或增加一個或一個以上其它的特征、整體、步驟、操作、 元件、部件和/或其群組。
除非另外說明，這里使用的所有詞語(包括^L術(shù)和科學(xué)術(shù)語)具有本 發(fā)明所屬領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常理解的含義。還應(yīng)明了，這些術(shù)語一一如 常用字典中定義的那些一 一應(yīng)當(dāng)解釋為具有與其在i兌明書上下文中以及相 關(guān)技術(shù)中的含義相一致的含義，而不被理想化或過于拘泥形式地解釋，除 非穩(wěn)中明確地這樣定義。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將會明了，本發(fā)明可實現(xiàn)為系統(tǒng)、方法和計算機程序 產(chǎn)品。本發(fā)明某些實施例可包含硬件和/或軟件。本發(fā)明某些實施例包含被 配置為提供文中所述功能的電路。將會明了，這樣的電路可包括模擬電路、 數(shù)字電路以及模擬電路與數(shù)字電路的結(jié)合。本發(fā)明某些實施例可包含其中 具有計算機程序代碼的計算機可讀介質(zhì)，例如計算機程序代碼存儲于其中 的半導(dǎo)體存儲裝置(例如靜態(tài)、動態(tài)或閃速存儲器)或者磁或光存儲介質(zhì) (例如磁帶、壓縮盤等)。
下面參照根據(jù)本發(fā)明多個實施例的系統(tǒng)和方法的框圖和/或操作圖示 (例如流程圖)來介紹本發(fā)明的實施例。將會明了，框圖和/或操作圖示中 的各個框以及框圖和/或操作圖示中的框的組合能由模擬和/或數(shù)字硬件和/ 或計算機程序指令來實現(xiàn)。這些計算機程序指令可被提供給通用計算機、 專用計算機、ASIC和/或其它可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器，使得通過計 算機和/或其它可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令創(chuàng)建用于實現(xiàn)框 圖和/或操作圖示中指定的功能/動作的裝置.在某些實現(xiàn)方式中，附圖記錄 的功能/動作可不以框圖和/或操作圖示所示順序發(fā)生。例如，被視為連續(xù)發(fā) 生的兩個操作實際上可基本同時執(zhí)行，或者，取決于所涉及的功能/動作， 操作有時可以以相反的順序執(zhí)行。
電池使用壽命推定
現(xiàn)在將給出用于推定電池使用壽命的示例性技術(shù)的概念綜述。下面的 討論包括對基于卡爾曼濾波器的技術(shù)的介紹，通過利用與VRLA電池的典型浮動使用壽命相關(guān)聯(lián)的某些特有特征，其可在對于這種電池的電池浮動 使用壽命推定中特別有效。然而，將會明了，本發(fā)明的另外實施例也可應(yīng) 用于其它類型的電池，并可使用不同的電池使用壽命特性。
在許多浮動4吏用應(yīng)用場合中，例如在UPS應(yīng)用中，電池管理的重要特
征是推定電池達到壽命終點剩余的時間。根據(jù)本發(fā)明某些實施例，卡爾曼
濾波器循環(huán)中的事先預(yù)測步驟(project ahead st印)可用于預(yù)測電池使用 壽命，例如，用于推定電池的剩余壽命。在上面介紹的浮動使用壽命第二 時期期間，采用容量劣化過程的合適的模型，可以在每次容量測量之后來 預(yù)測未來特定點上的容量。
在閥調(diào)節(jié)鉛酸(VRLA)電池的浮動^^用壽命應(yīng)用中，隨著電池的老 化，兩種機制一一板柵腐蝕和電解質(zhì)損失一一可決定容量劣化的速率。根 據(jù)本發(fā)明某些實施例，通過物理測量來認識該過程，并且，在這種情況下， 這一對(容量、浮動服務(wù)時間)能被并入概率性設(shè)置。該方法潛在的優(yōu)點 在于其可允許概率和統(tǒng)計學(xué)方法用于研究數(shù)據(jù)并進行分析，以確定測量與 之間是否存在任何關(guān)系，如果是這樣的話，是否存在可足以描述該關(guān)系的 ^^fe分布(underlying distribution)。
特定廠商的電池的具有某個大小的樣本組可被放入同一浮動服務(wù)應(yīng) 用。以某個間隔、不必是周期性的，可規(guī)定的一組條件(例如負載和終止 電壓)對電池進行放電。容量(或放電時間)可以與電池的運行時間一起 被測量和記錄。重復(fù)這樣做， 一直到每個電池容量減小到不能再使用的點。 這樣的行動可為每個電池生成電池容量與操作時間數(shù)據(jù)的集合。
該數(shù)據(jù)的 一種可能的用途是做出對此電^型的浮動使用壽命長度的 某種推定，也就是i兌，電池在其容量下降到某個特定值之前將會運行多久， 該特定值通常作為額定或者初始容量的百分比給出。此過程中的一個步驟 是對容量(或放電時間)測量進行歸一化。 一種方法是將來自樣本的各個 電池的各個容量測量除以參考值，參考值通常選自前面的測試數(shù)據(jù)，略微
大于樣本中的最大容量。結(jié)果將會是相對容量K的集合，其中，0<K<1。
現(xiàn)在考慮電池樣;$*改電的任何特定時間點。將會存在與放電進行時的測試時間(the time on test)對應(yīng)的測量得到的(相對)容量的范圍。將
這些不同的容量看作是由于電池的不同使用年限是有幫助的。因此，相對
容量為0.83的電池可械j人為并不具有4象樣本中相對容量為0.79的另一電池
那么多的使用年限。換句話說，由于這兩塊電池處于浮動使用達同樣的時
間，它們的老化速率可能是不同的。因此，第一塊電池的浮動使用壽命可
望比第二塊長。沿著這種推理思路，允許電池的使用年限被當(dāng)作隨機變量。
現(xiàn)在可以在統(tǒng)計通則(probabilistic statement)中對測試時間和相對 容量進行/>式化
Ki = Pr{L S Li} = 1 - Pr{L > (1)
相對容量Ki等于電池使用年限L小于或等于第i次放電Li上的浮動累積時 間的概率。表達式Pr(L生i)為累積分布函數(shù)。剩余的工作是尋獲其特性與 所收集數(shù)據(jù)的特性相匹配的分布。
在由Webb L. Burgess發(fā)表的"An analysis of float service life test data of VRLA batteries" (Journal of Power Sources 75 (1998), pp.28-35 )中，
據(jù)發(fā)現(xiàn)，極值分布能充分表征容量劣化過程。其具有這樣的形式
F"(K)-a"L誦L。) + ao. (2)
其中
i) Lo是浮動使用壽命的第一時期的長度；
ii) L是電池的4吏用年限；L-L02D;
iii) 參數(shù)ai和a。由所述數(shù)據(jù)推定；以及
iv ) F、k)是逆分布函數(shù)，F(xiàn)"(k) = ln[畫ln(l - k)〗。 公式(2)中的模型定義了一隨機過程。
為了設(shè)計卡爾曼濾波器，可建立在線性孩i分方程系統(tǒng)方面的隨機過程 表征?？柭鼮V波器是用于獲得隨機過程的最小均方誤差點推定的算法。 它是由狀態(tài)空間方程獲得的最小二乘濾波的方法。為了構(gòu)建卡爾曼濾波器， 可將公式(2)改寫為線性微分方程系統(tǒng)。
公式(2)為變量L的線性方程，斜率為ai, y截距為ao。對于本才莫型，
設(shè)定設(shè)定<formula>formula see original document page 11</formula>
由這些運算結(jié)果得出的線性微分方程系統(tǒng)為<formula>formula see original document page 11</formula>能從公式(4)得到狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的離散形式，其具有這樣的形式<formula>formula see original document page 11</formula>
其中，u(At)是單位階躍函數(shù)。
將列出卡爾曼濾波器公式或循環(huán)，并在此后建立初始條件。在初始化 之后，步驟序列以所示出的順序執(zhí)行。在最后一個步驟之后，將來自事先 預(yù)測步驟的量用作輸入重新啟動該循環(huán)，重復(fù)該過程。
啟動濾波器
1)計算卡爾曼增益
<formula>formula see original document page 11</formula>
2 )用測量Zk對推定進行更新<formula>formula see original document page 11</formula>
3)對于更新的推定，算誤差協(xié)方差:<formula>formula see original document page 11</formula>
4)事先預(yù)測:以及<formula>formula see original document page 11</formula>
公式(6) - (10)中的某些項包括
y(Lk)—
a,
-歸一化容量測量,y(Lk)，斜率，al;仏=
X X
1 0 0 1
-在tk處的狀態(tài)向量；以及 -定義測量與狀態(tài)向量之間關(guān)系的矩陣,
]Rk是測量誤差的協(xié)方差矩陣，也就是說，對于狀態(tài)的每次觀察Xk，存 在兩個分量測量Zk以及附加誤差項vk。這里使用的表達式為xk=zk+vk。 誤差的協(xié)方差矩陣具有下面的形式
E{Vk《}3,i=k (ii)
結(jié)果得到的矩陣Rk為
v〖0 0
(12)
上面在公式(11 )中假設(shè)測量誤差具有零平均值(即，無固定偏置)
測量誤差現(xiàn)在可以被認為是噪音項。其可被定義為
V| = v2 =o.oi (13)
被"選擇"的可能值可具有基于過去經(jīng)驗的某些支持。在這種情況下， 可以認為值0.01為使用具有小數(shù)點后兩位的分辨率的數(shù)字儀表進行測量的 不確定度。
還剩下獲取狀態(tài)變量的誤差協(xié)方差矩陣Pk—的推定，以便用于計算卡爾 曼增益(公式(6))，循環(huán)中的第一個公式。 一種方式是在進入卡爾曼濾 波器循環(huán)之前使用關(guān)于該過程可用的任何知識，公式(3)。狀態(tài)推定誤差 可凈皮定義為
(14)
這里，義:是剛好在時間tk之前的狀態(tài)推定。誤差協(xié)方差可被定義為
P; = E(e:e:T}= Et、 — 4 - 4} (15)
對于時間忽略噪音項Vk并且僅僅使用zk，公式(15)變?yōu)?br> a「 _S「
k-義-
a, 一a'
Yk-—Yk—
(16)
為了使用該過程的先前的知識推定(16)中的每一元(entry)的值， 首先考慮元
Ek-t)l (17)在啟動卡爾曼濾波器之前，可能已經(jīng)獲得三個容量測量。根據(jù)這些，
能夠計算該數(shù)據(jù)的線性最小二乘擬合。為了指示這是先驗的知識，公式(3) 可4皮改寫為
義-"「(Lk-L。) + S: (18) 其中，作為上標的減號指示在啟動卡爾曼濾波器之前(即，在下一測量之 前)的值，^人為推定的系數(shù)。
給定上面的模型，公式(18)，每一容量測量滿足
Y:"「(L「L。) + S; + e: (19) 其中，e:是數(shù)據(jù)與模型之間的誤差。
圖2示出了模型(即擬合線)與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。量e:常被稱作殘差
(residual)。它被認為具有零平均值?；氐焦?17 )，從公式(19 )減 去公式(18)，得到
E(Y;一t)^Ek卞4 (20)
這是殘差的方差(variance)，其能由先驗數(shù)據(jù)容易地獲得。 下面是對角線項
E((a「-a「)2} (21) 出于上面所述的目的，使用該過程的先驗知識為卡爾曼濾波器獲得初
始值，a「可以,皮看作斜率的真實值或者準確值，也就是說，^^E^卜s「。 將之用在公式(21)中得到
E《a「、r"k-Jl (22)
這是斜率的推定的方差，并由下式給出
^ (23)
這也能夠由先前的數(shù)據(jù)計算得出。
將被推定的量包括公式(16)中的對角線外的元。這是兩個變量之間 的協(xié)方差。使用下面的推理，可猜想對角線外的項為零。括弧中的第一項 Yk_-義-是殘差。其具有零平均值。已經(jīng)示出cov(Y,a,— 0。為了初始化協(xié)方差 矩陣，對角線外的元可被設(shè)置為零。這結(jié)束了卡爾曼濾波器算法的建立和初始化。下面將介紹用于推定剩余浮動使用壽命的濾波器實現(xiàn)。
上面的討論提供了用于卡爾曼濾波器的算法以及推定用于啟動濾波器 的量的技術(shù)。根據(jù)本發(fā)明某些實施例，卡爾曼濾波器被有選擇地應(yīng)用于預(yù)
測電池浮動使用壽命的結(jié)束。在某些實施例中，最初的任務(wù)是檢測如圖2 所示浮動4吏用壽命的第二時期的開始，卡爾曼濾波器響應(yīng)于探測到這一時 期而被初始4匕。
電池容量可通過以某一間隔執(zhí)行放電一一其不需要是周期性的一一來 確定。在某些UPS應(yīng)用中，例如，UPS可間歇執(zhí)行電池測試。在這種測試
中，電池可枕故電達期望放電時間(對電池完全放電需要的時間)的預(yù)定
部分(例如25% )。如果電池電壓在到達預(yù)定點之前下降到低于特定閾值， 電池可被視為失效或者到達壽命盡頭。該閾值的例子比如是1.83V/cell。
根據(jù)本發(fā)明某些實施例，該測試可被修改以便推定電池容量。特別地， 可進行測試放電，以便將電池放電到特定的終止電壓，從而直接地(例如， 以安培-小時為單位)或間接地(例如，以對于標準化放電電流水平的秒為
單位)確定容量。在每次測試放電結(jié)束時，(日歷)日期和時間可與放電 時間一起存儲。可對放電時間進行歸一化，例如，通過除以對于電池模型 和所進行的放電選擇的參考時間。
一旦累積了一系列的放電測試，使容量與時間(例如服務(wù)時間、浮動 時間、日歷時間等)相聯(lián)系的回歸模型可被用于檢測是否發(fā)生了容量vs. 時間的顯著變化，例如，電池容量劣化的迅速加速。例如，公式(2)的直 線的最小二乘擬合可與變量(L, ln[-ln(l-K)])—起使用，其中，L是運行的 天數(shù)(參照第一次放電，其^LA為地設(shè)置為0) ， ioi歸一化的放電時間。
用于獲得最小二乘擬合的計算如下面所列
ssqx = SL〗J sumy = Z[ln[-ln(l - a:)]];SSqy = ￡[ln[-ln(l-O]]2;
i=l
。 sumx Sxx = ssqx--
Syy = ssqy — s，y ; 以及
sxy = ssqxy-(sumx)(sumy)
使用上面計算的量，能獲得推定品質(zhì)的一些測量以及斜率ai和y截距
a0:
斜率 a,=，；
sxx
Y截距 a — s呵 sumx
-a,
3 2
方差 s2 =Syy-(a,)(Sxy)
相關(guān)系數(shù) r =_
xy V(Sxx)(Syy)
采用這些量，可進行與閾值的比較，以確定電池已經(jīng)是否達到容量開
始迅速下降的階段。例如，指示變化的閾值可包括
斜率 a,<0;
方差 s2<o.oi;以及
相關(guān)系數(shù) 、<-096。
如果不滿足閾值條件，則在進行下一次放電測試時可重復(fù)該過程。采 用各次新的放電測試，可移除來自最早的測試放電的數(shù)據(jù)并增加來自新的 測試放電的數(shù)據(jù)，以便為最小二乘擬合和斜率檢測算法保持三個點。當(dāng)然， 可在回歸分析中使用三個以上的數(shù)據(jù)點。
如果滿足所有三個條件，可初始化并啟動卡爾曼濾波器。公式(15) 中的誤差協(xié)方差矩陣Pk—和公式(12)中的測量誤差協(xié)方差Rk可被初始化以 得到卡爾曼增益，公式(6)。這里sz 0 0 s2
Sxx
(24)
以及
0.012 0 0 0.01:
R
(25)
當(dāng)滿足斜率上的三個條件時，可使用來自最后的測試放電的結(jié)果來設(shè) 置狀態(tài)向量的初始值&。圖3提供了初始化和啟動卡爾曼濾波器的圖示。
在卡爾曼濾波器的這種實現(xiàn)中， 一旦濾波器啟動，可在所有隨后的計 算中從日歷時間中減去閾值時間t0。時間于是可被確定為例如從檢測到容 量劣化開始的小時數(shù)。公式(6) - (10)中描述的卡爾曼濾波器循環(huán)現(xiàn)在 可被應(yīng)用于來自最近的測試放電的數(shù)據(jù)。
根據(jù)本發(fā)明某些實施例，這樣的濾波器的應(yīng)用可包含在進行每次測試 放電后獲得濾波后的電池容量推定，并事先預(yù)測以確定直到電池到達壽命 終止的剩余時間。濾波后的容量或容量推定可由公式(7)生成。公式(8) 的誤差協(xié)方差矩陣能被用來判斷推定的品質(zhì)。公式(9)和(10)中的事先 預(yù)測步驟能被用來推定電池的剩余壽命。
參考其中示出了狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的元素的公式(5) ， At元是當(dāng)前或最近
執(zhí)行的測試放電與下一次預(yù)定的測試放電之間的時間。此步驟，等式(9) 和(IO)，可以在進行下一次測試放電時執(zhí)行。為了獲得剩余壽命的推定， 可以選擇感興趣的適當(dāng)?shù)臅r間間隔At，并可使用公式(9)和公式(10)的 誤差協(xié)方差來計算狀態(tài)向量的推定。也在事先預(yù)測的誤差協(xié)方差矩陣可被 用于判斷推定的質(zhì)量。
示例性實施方式
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明某些實施例用于生成電池使用壽命預(yù)測的示例 性操作。電池被放電(框410)，響應(yīng)于放電，生成電池容量的測量(框 420)。例如，電池可被測試放電到上面描述的預(yù)定終止電壓，根據(jù)到達終 止電壓所需要的時間表征電池容量的測量。所生成的電池容量測量值被用 于到卡爾曼濾波器的輸入(框430)，其可用于生成電池使用壽命的預(yù)測(框440)。例如，電池容量測量可^^皮用來建立輸入到卡爾曼濾波器的初始 或其它狀態(tài)，沿著上面討論的思路。使用壽命的預(yù)測值于是可被傳送，例 如向用戶顯示或輸入到另一過程，例如輸入到自動設(shè)備管理程序(框450)。 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明其他實施形態(tài)的用于電池使用壽命預(yù)測的示例 性操作。電池被故電(框510)，響應(yīng)于放電，生成電池容量的測量(框 520)。電池容量測量用于生成使電池容量與時間(例如服務(wù)時間、浮動時 間、日歷時間等)相聯(lián)系的回歸模型(框530)。如果回歸模型沒有滿足 指示例如電池容量劣化加速的預(yù)定標準(框540)，進行隨后的放電(框 510 )并生成新的回歸模型(框530 )。如果回歸模型滿足預(yù)定標準(框540 )， 使用例如由回歸模型生成的初始條件來初始化被配置為用于預(yù)測電池使用 壽命的預(yù)測狀態(tài)推定器(框550)。于是，狀態(tài)推定器被用來生成使用壽 命的預(yù)測(框560)，其可被傳送，例如，向用戶顯示或輸入到另一個過 程(框570 )。
將會明了，回歸模型將沿著上面介紹的直線模型的思路，或者可采取 某些其它的形式。例如，在VRLA使用壽命推定之外的應(yīng)用中，可對回歸 模型進行定制，以便允許識別出指示轉(zhuǎn)移到電池使用壽命的一部分一一所 介紹的狀態(tài)推定對其適用 一一的某些其它數(shù)據(jù)模式或特征。狀態(tài)推定器可 沿著上面介紹的思路采用卡爾曼濾波器的形式，或者可采用其它形式的確 定性、可能性和/或適應(yīng)性模型。
圖6示出了4艮據(jù)結(jié)合了沿著圖4和5的思路的實施形態(tài)的進一步的實 施例的操作。響應(yīng)于電池的一系列放電中的各個(框605),生成相應(yīng)的 電池容量測量(框610)并將之用于生成一系列的回歸模型(框615)，例 如，使用上面描述的直線曲線擬合。響應(yīng)于檢測到滿足預(yù)定標準的回歸模 型，例如滿足表示電池容量劣化加速一一其與電池轉(zhuǎn)移到表現(xiàn)出較高劣化 速率的使用壽命部分相關(guān)聯(lián)一一的預(yù)定斜率、方差和相關(guān)系數(shù)標準的直線 回歸模型(框620)，使用例如根據(jù)回歸模型生成的初始條件，對被配置 為在電池4吏用壽命的這種增強劣化部分推定電池狀態(tài)的卡爾曼濾波器進4亍 初始化(框625)。在卡爾曼濾波器的初始化后，可進行附加的放電(框630)，以便生成作為到卡爾曼濾波器的輸入的、新的電池容量測量(框 635)，其執(zhí)行以生成電池使用壽命的預(yù)測，例如，在上面概述的事先預(yù)測 步驟中(框640)。使用壽命預(yù)測的可被傳送，例如，向用戶顯示或輸入 到另一個過程(框645),通過迭代地生成電池容量的測量(框636)并做 出響應(yīng)地將這些測量用作輸入來執(zhí)行卡爾曼濾波器(框640)，可響應(yīng)于 隨后的放電而生成附加的預(yù)測(框630)。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明另外的實施例來預(yù)測電池使用壽命的設(shè)備。電 池容量測量電路710響應(yīng)于電池10的放電，向電池使用壽命推定器電路 720生成電池容量測量。使用例如圖4-6所示的多種操作，響應(yīng)于電池容量 測量，電池使用壽命推定器電路720生成電池使用壽命的預(yù)測。
將會明了，通常，電池容量測量電路710和電池使用壽命推定器電路 720可使用模擬電路和/或數(shù)字電路來實現(xiàn)，包括但不限于數(shù)字處理電路， 例如微控制器或者微處理器。還將明了，電池容量測量電路710和/或電池 使用壽命推定器電路720可被集成在使用或以其他方式與電池10交互的裝 置或者系統(tǒng)中，例如UPS或者獨立的電池充電器。在某些實施例中，電池 容量測量電路710和/或電池使用壽命推定器電路720的全部或部分可在電 氣耦合到這種裝置或系統(tǒng)的計算機或其它數(shù)據(jù)處理裝置中實現(xiàn)。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明某些實施例在UPS 800中的示例性實施方式。 UPS 800包含電力轉(zhuǎn)換電路810 (例如，整形器、逆變器等)，其被配置 為耦合到交流電源20 (例如市電)和電池10，并有選擇地從交流電源20 和電池10向負載30供給電力。電力轉(zhuǎn)換電路810還可包含電池充電器電 路，其被配置為從交流電源20為電池10充電，以^1將電池10保持在浮動 服務(wù)狀態(tài)。UPS 800還包含控制處理器820——例如微處理器或微控制器
以;M目關(guān)聯(lián)的存儲器，其與電力轉(zhuǎn)換電路810可操作地關(guān)聯(lián)并對其運行進
行控制。控制處理器820還可與用戶接口電路830——例如顯示器、鍵 盤——以及通信接口電路840——其可提供與網(wǎng)絡(luò)840的通信接口 ，以便 支持與其它裝置的通信一一可操作地關(guān)聯(lián)。
如進一步所示出，"沒置控制處理器820可通過例如軟件和/或固件^皮配置，使得其作為電池容量測量電路822和電池使用壽命推定器電路824。 例如，電池容量測量電路822可被配置為在上面介紹的預(yù)定條件下通過電 力轉(zhuǎn)換電路810產(chǎn)生電池10的測試i文電，并做出響應(yīng)地生成電池10的容 量測量。這樣生成的電池容量測量可被用作到電池使用壽命推定器電路 824的輸入。電池使用壽命推定器電路824可使用沿著參照圖4-6介紹的思 路的操作，以便生成電池10的使用壽命預(yù)測。控制處理器820可將該預(yù)測 傳送到可對預(yù)測進行顯示的用戶接口電路830。作為傳送到用戶接口電路 830的替代或作為附加的是，控制處理器820可通過通信接口電路840和 網(wǎng)絡(luò)40將該預(yù)測傳送到其它設(shè)備。
圖9示出了才艮據(jù)本發(fā)明其它實施例的另一實施方式，其中，電池容量 測量和電池使用壽命推定功能分布在多個裝置中。從交流電源20和電池 10為負載30接收電力的UPS 800，包括沿著上面參照圖8討論的思路的電 力轉(zhuǎn)換電路810。然而，在這種情況下，UPS800包含控制處理器820，其 被配置為提供生成電池容量測量的電池容量測量電路822，該電池容量測 量經(jīng)由UPS 800，的通信接口電路840通過網(wǎng)絡(luò)40被傳送到UPS 800，的外 部。
計算機900或其它數(shù)據(jù)處理裝置可被配置為提供電池使用壽命推定器 電路824，該電i^收由UPS 800，通過網(wǎng)絡(luò)40傳送的電池容量測量并做出 響應(yīng)地生成電池使用壽命的預(yù)測。使用壽命預(yù)測可被傳送，例如，被顯示 在計算機卯0的顯示器902上，被傳送到在計算機900上執(zhí)行的另 一個進 程和/或通過網(wǎng)絡(luò)40被傳送到某些其它裝置。電池使用壽命推定器電路824 還可被配置為通過網(wǎng)絡(luò)40來控制電池容量測量電路822的操作。例如，電 池使用壽命推定器電路824可經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)40向電池容量測量電路822發(fā)送命 令，以便出于生成用于產(chǎn)生使用壽命預(yù)測的容量測量的目的而在特定時刻 導(dǎo)致電池IO的測試^t電。
將會明了，出于說明的目的提供圖8和9示出的實施方式，可使用其 它的布置來實現(xiàn)本發(fā)明的其它實施例。例如，以類似于如圖8所示UPS 800 中的實施方式的方式，電池容量測量和電池使用壽命推定器電路可在獨立的電池充電器或者獨立的電池監(jiān)視裝置中實現(xiàn)。這樣的裝置也可能是以類
似于上面參照圖9所述的方式具有控制計算器的網(wǎng)絡(luò)或其它網(wǎng)絡(luò)裝置。
在附圖和說明書中公開了本發(fā)明的示例性實施例。盡管使用了特定的 術(shù)語，但其僅僅是一般性和說明性的，不是出于限制的目的，本發(fā)明的保 護范圍由所附權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種推定電池使用壽命的方法，該方法包含在計算機中實現(xiàn)的以下步驟響應(yīng)于電池的放電，生成(420)電池容量測量；以及使用卡爾曼濾波器，由容量測量生成(430，440)使用壽命的預(yù)測。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法其中，在使用卡爾曼濾波器由容量測量生成j吏用壽命預(yù)測之前 生成與電池的一系列放電對應(yīng)的一組電池容量測量；以及 基于所述一組電池容量測量，生成使電池容量與時間相聯(lián)系的回 歸模型；且其中，使用卡爾曼濾波器由容量測量生成4吏用壽命預(yù)測包含響應(yīng)于 滿足預(yù)定標準的回歸模型，初始化卡爾曼濾波器。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中，響應(yīng)于滿足預(yù)定標準的回歸模型 來初始化卡爾曼濾波器包含以由回歸模型生成的初始條件，初始化卡爾 曼濾波器。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，響應(yīng)于電池放電而生成電池容量 測量包含確定將電池放電到預(yù)定電壓所需要的時間；以及 基于所確定的放電時間，生成容量測量。
5. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，使用卡爾曼濾波器由電池容量測 量生成使用壽命預(yù)測之前，先檢測電池容量下降的加速，且其中，使用卡 爾曼濾波器由容量測量生成使用壽命預(yù)測包含響應(yīng)于檢測到的電池容量 下降的加速，初始化卡爾曼濾波器。
6. —種設(shè)備(710， 720)，其被配置為執(zhí)行如權(quán)利要求1-5中任意一 項所述的方法。
7. 如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其包含不間斷電源(UPS) (800)，其被配置為耦合到電池并對電池進行充電和方丈電；以及電池容量測量電路(822)，其被配置為響應(yīng)于由UPS電路進行的對 電池的方文電，生成電池容量測量。
8. —種其中具有計算機程序代碼的計算機可讀介質(zhì)，該計算機程序代 碼包含被配置為執(zhí)行如權(quán)利要求1-5中任意一項所述的方法的程序代碼。
9. 一種推定電池使用壽命的方法，該方法包含在計算機中實現(xiàn)的以下 步驟響應(yīng)于電池的一系列放電，生成一組電池容量測量；基于所述一組電池容量測量，生成使電池容量與時間相聯(lián)系的回歸模型；響應(yīng)于滿足預(yù)定標準的回歸模型，對未來電池容量的狀態(tài)推定器進行 #刀始4匕；以及使用該狀態(tài)推定器生成使用壽命的預(yù)測。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中，狀態(tài)推定器包含卡爾曼濾波器。
11. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中，響應(yīng)于滿足預(yù)定標準的回歸模 型而對未來電池容量的狀態(tài)推定器進行初始化包含以根據(jù)回歸模型生成 的初始條件，初始化所述狀態(tài)推定器。
12. —種設(shè)備(710, 720)，其被配置為執(zhí)行如權(quán)利要求9和10中任 意一項所述的方法。
13. 如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其還包含不間斷電源(UPS) (800)，其被配置為耦合到電池并對電池進行充 電和放電；以及電池容量測量電路(822)，其被配置為響應(yīng)于由UPS對電池進行的 放電，生成電池容量測量。
14. 一種其中具有計算機程序代碼的計算機可讀介質(zhì)，該計算機程序 代碼包含被配置為執(zhí)行如權(quán)利要求9和10中任意一項所述的方法的程序代 碼。
全文摘要
響應(yīng)于電池放電而生成電池容量測量。使用卡爾曼濾波器，由容量測量產(chǎn)生使用壽命的預(yù)測。在使用卡爾曼濾波器由容量測量產(chǎn)生使用壽命預(yù)測之前，可生成與電池的一系列放電對應(yīng)的一組電池容量測量并生成回歸模型，例如直線模型，該模型基于所述一組電池容量測量使電池容量與時間相聯(lián)系。使用卡爾曼濾波器由容量測量生成使用壽命預(yù)測可包含，響應(yīng)于滿足預(yù)定標準的回歸模型，初始化卡爾曼濾波器。
文檔編號G01R31/36GK101644747SQ200910149759
公開日2010年2月10日 申請日期2009年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月4日
發(fā)明者W·L·伯吉斯 申請人:伊頓公司