一种新的电信电源密封铅酸蓄电池在线状态估算与监测系统
Koray Kutluay，YigitCcedil;adırcı，YakupS.Ouml;zkazanccedil;，IEEE成员，IsikCcedil;adırcı，IEEE成员
摘要 - 本文介绍了一种新的在线电池状态估算和监测系统，用于密封铅酸蓄电池的放电和充电时间，通常用于电信电力系统作为备用电源。建议的监测系统基于制造商数据表中给出的放电时间与放电率数据以及库仑测量，无需在开路条件下进行任何电池电压测量。相应的电池管理系统可以通过使用相同的低成本8位微控制器来执行在线监控和电池充电任务。电池充电状态监测测试在恒定和动态负载条件下以及不同容量和不同工作温度的铅酸电池的交替充电 - 放电循环中进行。测试结果表明，对于对应于实际操作条件的各种充电 - 放电策略，在可用容量的估计中获得了非常好的准确度（优于3％-4％）。通过估计电池的实际容量并自动采用相应的老化电池的重新表征，还考虑了由于老化而发生的电池特性的变化。
指数条款 - 可用容量，电池监控，容量估算，密封铅酸电池，充电状态。
i.介绍
S
EALED铅酸电池是无中断电信电源不可或缺的备用电源。在电源故障的情况下，只要故障持续，它们就必须为电信设备提供能量。因此，连续的在线指示电池的充电状态和估计其可用容量对于服务的连续性是相当重要的。这在农村地区尤为重要
稿件于2002年2月5日收到;2004年4月6日修订。摘要于2005年7月15日在互联网上发布。
K. Kutluay在土耳其中东技术大学电气和电子工程系，土耳其安卡拉TR06531，以及土耳其安卡拉TR06640数字电信工业公司（SISTAS）工作。
Y.Ccedil;adırcı与数字电信工业（SISTAS），TR06640安卡拉，土耳其。
YSOuml;zkazanccedil;与土耳其安卡拉TR06532的Hacettepe大学电气和电子工程系以及土耳其安卡拉TR06261的TUuml;BITAK国防工业研究与发展研究所合作。
- Ccedil;adırcı与电气和电子工程系，Hacettepe大学，TR06532土耳其安卡拉，以及土耳其科学和技术研究委员会信息技术和电子研究所（TUuml;BITAKBilten），TR06531土耳其安卡拉（电子邮件：cadirci @） bilten.metu.edu.tr）。
数字对象标识符10.1109 / TIE.2005.855671
电力系统较弱，导致电源中断和电压骤降相当多。
电池的能量能力取决于结构参数，例如材料成分和几何形状以及操作参数，例如放电率（负载电流），温度，寿命和终止电压。电池的可用电荷或充电状态（SOC）是这些参数的复杂功能，以及服务历史。有几种实用技术可用于估算铅酸电池的SOC[1]–[9] 例如比重，开路电压，负载电压和库仑测量（安培小时计数）。比重是SOC的直接指示，因为它显示了电解质中酸的浓度。用比重计进行测量，但由于在充电或放电循环后需要很长的稳定时间，因此连续使用是不切实际的。
开路电压测量也是SOC的准确指标，但是，与比重测量类似，它需要相当长的稳定期。因此，该方法不能提供SOC的连续在线指示，如在电信电源的情况下所要求的。
对于恒定负载电流（大多数设备不是这种情况），负载电压测量也可以指示铅酸电池的剩余容量。已经基于放电电压与时间特性提出了各种模型。通过根据内部电池参数的变化重新绘制制造商的放电电压与时间特性来估算SOC
- 要衡量。已采用一些曲线拟合模型将放电电压与时间特性匹配为指数，抛物线和双曲线曲线[3]–[5]. 除了在窄范围内进行精确电压测量的必要性之外，每个放电条件都需要一个参数组。使用考虑自放电，电池存储容量，内阻和环境温度的数学模型评估铅酸电池容量已在[6]. 放电电压和SOC之间的关系，适用于宽范围的放电速率和温度已被采用[7] 与电信备用电源相关的应用，在额定容量10％放电后，估计精度不低于10％。
然而，在库仑测量中，取出或放入电池的容量以安培 - 小时计。电荷积累技术[8], 哪里
0278-0046/$20.00=2005 IEEE
图1.电池SOC估算和监控系统的输入/输出。
通过监测电池充电来确定SOC，并且由于误差的累积，放电电流在长期内是不切实际的。当采用不同的放电速率和环境温度时，需要使用校正因子。这些仅是平均估计值，并未涵盖所有操作条件组合。结合空载条件下的开路电压和恒定负载下的库仑测量的监测技术已经实施[9] 在基于微机的电路上。在该技术中，使用30分钟的休息时间来测量开路电压。
上述每种技术都有其自身的缺点。其中一些需要在相对长的时间段内测量开路电池电压，这在诸如电信电源之类的应用中是不实际的，其中电池应始终保持连接到系统作为备用，以实现服务的连续性。此外，基于负载下的电池电压测量的SOC监控需要高分辨率，以便在非线性放电特性的平坦部分中获得准确的估计结果。
在本文中，基于制造商数据表中给出的实际电池放电时间与放电率数据以及库仑测量，提出了一种新的方法，用于在放电和充电期间对在线SOC估算和监测密封铅酸蓄电池. .此外，通过测量电池电压，并且在每个充电周期结束时，通过测量电池电流，在每个放电周期结束时自动进行电池可用容量估计。所提出的技术不需要任何用于SOC监测的开路电池电压测量。
- 新的估算方法
图1给出了电池SOC估算和监测系统的输入/输出的示意图。只有制造商数据表中给出的铅酸电池放电率数据的放电时间由用户输入系统，在库仑测量期间考虑放电电流率的影响。然后将由此获得的放电电流速率系数与电池电流和环境温度测量结合，用于在放电期间在线监测电池SOC。在充电期间，通过考虑充电效率和环境温度，仅针对恒定电压或恒定电流充电策略进行库仑测量。
图2. 4 X 12 V铅酸蓄电池组在不同放电速率（T = 20 C）下的典型放电曲线。
- 放电期间的SOC估计
图2中的曲线说明了密封铅酸蓄电池在20℃环境温度下的典型放电特性[1]. 符号“C”表示在20小时放电率下测量的电池的可用容量。通过以20小时的速率将电池放电至1.75V /电池的终止电压，确定免维护密封铅酸电池的可用容量为20℃。图2中的虚线表示在各种放电速率下负载下的最低推荐电压（终止电压）。通常，如果在低于这些推荐的最终电压下放电，铅酸电池在容量和使用寿命方面会受到损坏。
当电池以高于20小时的放电率放电时，电池的实际容量与可用容量不同。从图2中可以清楚地看出，电池的安培小时容量随着放电电流速率的增加而降低，例如，对于0.05放电率，安培小时容量是 = ，但对于0.17的放电率，安培小时容量减少到 =
因此，在放电期间，不能仅通过累积安培小时容量来估计电池SOC，而是应该进行一些修改。
在所提出的估计方法中，使用的容量被定义为
(1)
哪里 是放电电流率，和 是放电电流率的系数。
此外，20小时放电的容量定义为可用的电池容量，并表示为
(2)
哪里 是可用容量，是20小时放电的放电电流率。
在放电期间估算SOC的关键点是计算放电电流率的系数。可以使用制造商的数据表计算该因子。在这些数据表中，给出了表格来表示
对于不同的恒定放电电流水平，将电池放电至1.75 V /电池电平所需的时间。来自（1）
(3)
哪里
容量;
将电池放电所需的持续时间
数据表中给出的与相对应的1.75 V /电池;制造商数据表中给出的恒定放电电流;
的系数。
如
对于给定的放电电流是恒定的，（3）变为
(4)
图3. C / C与标准化放电电流。
被定义为
然后，
(10)
但是，有一个关键点，在使用制造商的数据表进行放电过程中的SOC估算时应该考虑到这一点。正如已经说明的那样，这些数据表中的表格给出了将电池放电到恒定电压电平所需的时间，即1.75 V /电池，用于不同的恒定放电电流。从图2中可以看出，放电电流越高，电池的端电压越低。因此，电池的可用容量可以如（5）中给出的那样表示。
(5)
(6)
哪里 是将电池放电到终止电压所需的持续时间。
通过使用图2， 从（6）和 从（3）中计算出不同的放电电流水平，和 相对于归一化放电电流特性绘制在图3中。对各种制造商的数据进行了检验，并得出结论 和 可以在1％误差范围内推广。通过曲线拟合法找出图3中的曲线方程，并且当放电电流超过0.17时使用 . 表示为 ，并计算
来自（7）
(11)
在附录A中， 对于不同的铅酸电池，给出了标准化的曲线。可以观察到，即使对于来自同一制造商的不同电池类型，这些电池曲线之间的偏差也随着电流的增加而增加，并且达到10％。因此，可以得出结论，对于所有类型的电池使用单曲线是不合适的。有必要获得曲线与放电期间的标准化相比，使用制造商的数据为每种电池类型。
与大多数电池一样，密封铅酸电池的容量不仅取决于放电速率，还取决于温度。随着温度升高，电池中的电化学活性增加，因此，可以从其中取出的电容量增加。图4显示了温度和放电容量之间的关系，作为可用容量的比率。由于容量比与温度曲线都是平行的，因此可以使用单条曲线来考虑温度的影响以及系数考虑的放电电流的影响 定义如上。为此，选择对应于图4中的0.05的曲线，并通过曲线拟合方法找出曲线的方程。因此，百分比和温度（）之间的关系由下式给出
容量比率（％） (12)
哪里 100.
来自（7）
对于 (7)
对于
(8)
为了考虑温度对SOC估计的影响，另一个系数表示为 计算，并且（1）被修改为
(13)
哪里
因此，通过更换 进入（4），（9）
(9)
容量比率（％） (14)和（％）中的容量比由（12）计算。
图4.容量比与环境温度的关系是放电容量的函数。
- 充电期间的SOC估计
在充电期间，通过考虑库仑测量期间的充电效率来监测SOC。充电效率取决于所采用的充电策略。铅酸电池有两种根本不同的充电方法：恒压充电和恒流充电。在恒压充电中，电池端子两端的电压保持恒定，电池的状态决定充电电流。充电过程通常在达到一定的时间限制后或充电电流低于某个限值时终止。另一种采用的技术是恒流充电，它自动均衡串联电池中的电荷。恒流和恒压充电方法的组合可用于铅酸电池充电器，实现为散装，过充电和浮充电。在大量充电中，施加恒定电流（通常在和之间）以恢复大部分电池容量。受控过充电遵循批量充电，以在最短的时间内恢复全部容量。过充电电压取决于体电荷率，并且是通常在2.3-2.6V /电池之间选择的恒定电压。当电流减小到低值（例如，大容量充电率的十分之一）时，终止过充电。在浮充电中，较低的固定电压施加到电池上以保持全自抗放电容量。
充电效率是电池电压和充电速率的函数。图5给出了各种恒定充电电压下铅酸电池充电效率与电压的典型曲线。由于寄生电流增加，增加电压会降低效率[1]. 通过曲线拟合方法获得图5中的曲线方程，并且在（15）中给出，作为常数的表达式。充电效率与恒流充电速率的曲线[1] 如图6所示。在高达的速率下，效率接近100％，并且在更高的速率下降低。该曲线的等式也在（15）中给出，作为恒定充电率的表达式
图5.各种恒定充电电压下的充电效率。
图6.充电效率与恒流充电速率的关系。
哪里
充电效率百分比;充电电压/电池;
收费率。
通过使用由（14）计算的系数来考虑温度的影响。在充电期间，电流 - 时间乘积除以该系数（而不是像放电期间那样乘以），因为电池容量下降。结果，使用的容量可以计算
拉拢
(16)
哪里 对于恒定电压或恒定电流，电荷由（15）计算。
-
电
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资料编号：[1638]
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