基于传感器数据改善电池寿命的制作方法

本发明涉及电池寿命周期的监控，特别地而不排他地，涉及在固态电池的上下文中的电池寿命周期的监控。

背景技术：

电池或超级电容器通常用于在没有其他电源供电时为设备提供电力。特别地，即使在电源断电的情况下，诸如实时时钟(realtimeclock，rtc)之类的功率保持设备也需要持续供电。为此，传统的备用系统集成了超级电容器或化学电池，以在任何情况下提供电力。例如，当电源的输出电压降至阈值以下时，备用电池可以用于为数据保持设备供电。

措辞“功率保持设备”指嵌入关键功能的任何设备(诸如存储器或rtc)，该关键功能即使在电源关闭或有缺陷时也不应被中断。

rtc用于许多应用，特别是工业自动化控制处理单元(controlprocessingunit,cpu)或远程终端单元(remoteterminalunit，rtu)模块。

一旦完全或部分放电，电池就可以通过由电源供电来充电。然而，电池的充电周期的数量是有限的，并且取决于电池技术(例如传统电池或固态电池)、放电深度和许多其他因素。

此外，电池对工作条件非常敏感，并且电池寿命周期强烈依赖于这些工作条件。

在10年期间，在给定的温度范围内，rtc保留时间通常可保证40天。为了实现这一点，需要延长用于对数据保持设备(诸如rtc)供电的电池的寿命。

技术实现要素：

本发明的目的是减轻上述缺点中的至少一些。

本发明的第一方面涉及一种用于控制设备的供能的系统，包括：

电池；

电源；

设备，由电池或电源交替供电；

至少一个传感器，被配置用于感测与电池相关的数据；

电池监控模块，可操作地耦合到开关，并被配置为至少基于数据和至少一个预定义曲线来控制开关，以在由电源对负载和电池供电的第一模式和由电池对设备供电的第二模式之间切换，所述预定义曲线是电池的特性曲线。

因此，电池监控模块使得能够在第一模式和第二模式之间交替以改善电池寿命，因为考虑了电池的特性曲线和由传感器获取的环境数据。

根据一些实施例，至少一个传感器可以包括以下各项当中的一个或几个：

-温度传感器，被布置用于感测电池的温度；

-湿度传感器，被布置用于感测电池的环境的湿度比，

-压力传感器，被布置用于感测电池的环境的压力；

-振动传感器，被布置用于感测电池周围的振动；和

-分流器和电流计，被布置用于确定施加到电池的负载值。

因此，传感器所获取的数据是影响电池的工作和寿命的数据。

根据一些实施例，至少一个预定义曲线可以表示针对几个温度值的、取决于电池的放电的电池的电压，并且至少一个传感器可以包括温度传感器，该温度传感器被布置用于感测电池的温度。

因此，电池的放电可以由电池监控模块针对不同的温度条件来管理。

可替代地或作为补充，至少一个预定义曲线可以表示针对几个负载值的、取决于电池的放电的电池的电压，并且至少一个传感器可以包括分流器和电流计，该分流器和电流计被布置用于测量施加到电池的负载值。

因此，电池的放电可以由电池监控模块针对不同的负载条件来管理。

可替代地或作为补充，电池监控模块可以基于至少一个预定义曲线和基于最大放电速度来确定电池的最小电压值，并且当处于第二模式时，如果电池的电压达到最小电压值，则电池监控模块切换到第一模式。

因此，电池监控模块确保电池的放电速度保持在最大放电速度以下，从而改善电池的寿命。

可替代地或作为补充，电池监控模块可以在电流过载的情况下控制减载(load-shedding)系统。特别地，当电池负责给除设备之外的装备供电时，其他装备中的一些装备可以从供电电池释放和断连，使得能够不间断地给设备供电。

根据一些实施例，开关可以具有可控转换速率，并且开关的转换速率可以低于预定义值。

可控转换速率使得能够避免当切换到第二模式时在电池中的电流的峰值，因此延长了电池寿命。

作为补充，开关的切换速度可以大于10khz。

根据一些实施例，在第一模式下，电池可以由电池和电源之间的电压调节器供电。

电压调节器调节由电源输送的电压以对电池充电。

根据一些实施例，该系统还可以包括在电压调节器和电池之间的电流限制器，并且电流限制器可以被配置为限制在第一模式下输送到电池的充电电流。

电流限制器使得能够对电池缓慢地充电，这延长了电池的寿命。

根据一些实施例，电池监控模块还可以被配置用于基于数据来控制电池的环境条件。

例如，电池监控模块可以控制温度、湿度、压力，以避免电池退化，从而延长其寿命。

根据一些实施例，电池监控模块可以包括计数器，计数器可以被配置为当电池监控模块切换到第一模式时启动，并且如果计数器达到预置(prefixed)计数器值，则电池监控模块可以切换到第二模式。

这使得能够延长电池的寿命。

根据一些实施例，至少一个特性曲线可以表示电池容量取决于充电周期的数量的变化。

管理充电周期的数量使得能够延长电池的寿命。

根据一些实施例，电池可以是固态电池。

固态电池的平均寿命比使用液体电解质的电池长。

根据一些实施例，设备可以是实时时钟。

实时时钟需要永久供电，所以根据本发明的系统非常适合这种应用。

根据一些实施例，电池监控模块还可以包括接口，该接口被配置用于增加由电源输送的电压。

这使得能够在电池中储存更多的功率(power)。与之对应的是，它限制了电池的寿命周期，然而，这被本发明的上述技术特征所补偿。因此，即使当储存在电池中的功率超过电池的标称功率时，也可以确保在最小寿命周期(例如10年)期间的最小自治性(例如40天)。因此，该实施例使得能够以不同的rtc消耗不同的功率水平来使用相同的电池架构。

本发明的第二方面涉及一种用于控制系统中设备的供能的方法，该系统包括由电池或电源交替供电的设备，该方法包括以下操作：

-感测与电池相关的数据；

-至少基于数据和至少一个预定义曲线来控制开关，以在由电源对负载和电池供电的第一模式和由电池对设备供电的第二模式之间切换，所述预定义曲线是电池的特性曲线。

参考附图，在以下对多个示例性实施例的详细描述中描述了本发明的其他目的、方面、效果和细节。

附图说明

仅作为示例，将参考附图描述本公开的实施例，附图中：

图1示出了根据本发明的一些实施例的系统；

图2示出了根据本发明的一些实施例的系统中的电池的第一特性曲线；

图3示出了根据本发明的一些实施例的系统中的电池的第二特性曲线；

图4是示出根据本发明的一些实施例的系统中电池的放电电流值和基于脉冲长度的脉冲功率值的图；

图5示出了在具有可控转换速率的开关的系统中和在具有非受控转换速率的开关的系统中的不同曲线；

图6是示出电池容量取决于周期数量的变化的曲线；以及

图7是示出根据本发明的一些实施例的方法的步骤或操作的流程图。

具体实施方式

参考图1，示出了根据本发明的一些实施例的系统。

该系统包括设备104，特别是本发明的上下文中的功率保持设备，由电池102或电源140交替供电。在下文中，设备104被认为是实时时钟rtc。然而，对设备104没有加以限制，设备104可以是任何需要功率保持的设备，诸如存储器或低功率(lowpower，lp)、远程终端单元(remoteterminalunit，rtu)或具有需要永久供电的功能的任何设备。由于设备104可以由电池102供电，因此在下文中可以将设备104称为“电池负载”。

rtc104可以集成到更大的实体，例如，基于rtc信号进行同步的更大实体的其他模块。

电源140可以是外部电源，或者可以是较大实体的通用电源。rtc104可以经由底板130连接到电源140。底板130是较大实体的组件所连接到的板。

电源140可以是提供24伏(v)电压的电压源。然而，对电源140所输送的电压/电流水平没有加以限制。

该系统包括经由第一接口120可操作地耦合到开关103的电池监控模块101。电池监控模块101可以是微控制器，诸如微控制器stm32f301。微控制器指单个集成电路上的任何计算单元。然而，对电池监控模块101没有加以限制，电池监控模块101可以可替代地包括单独的组件，诸如运行用于执行根据本发明的方法的步骤的软件的处理器、存储指令的存储器(诸如随机存取存储器ram和只读存储器rom)以及输入/输出接口。电池监控模块101的至少一些组件也可以在云中虚拟化。在这种情况下，根据本发明的系统还包括用于访问网络(诸如用于访问虚拟化组件的ip网络)的网络接口。

电池监控模块101被配置为断开或闭合开关以将电池与rtc104断开连接/连接，并在第一模式和第二模式之间切换。对开关103没有加以限制，开关103涵盖被配置为断开和闭合电路(或者更一般地，显著改变电路两点之间的电阻值)的任何实体。

根据第一模式，由电源140对设备104和电池102供电，并且开关103断开。根据第二模式，由电池102对设备104供电，并且开关103闭合。

电池监控模块101还可以借助于电池102和开关103之间的分流电阻器105，经由第二接口121测量流经电池102的电流和电池102的电压。放电电流对应于电池的负载值。负载值可以表示为电池的标称放电电流的倍数。例如，如果电池的标称放电电流为100μa，则将500μa的负载值记为5c。

第二接口121可以是模数转换器(analog-to-digitalconverter，adc)接口。

根据本发明，电池监控模块101还连接到至少一个传感器110。参考图1，仅出于说明的目的，示出了四个传感器111至114：

-温度传感器111，被布置用于感测电池102的温度或电池102周围(附近)的温度；

-湿度传感器112，被布置用于感测电池102的环境的湿度比；

-压力传感器113，被布置用于感测电池102周围的气压；

-振动传感器114，被布置用于感测电池102周围的振动。

该系统可以包括图1中未示出的任何类型的其他传感器。与接口121耦合的分流电阻器105也可以被视为用于获得供应给负载的电池的放电电流的传感器。

实际上，在本发明的上下文中，措辞“传感器”涵盖被配置为获取与电池102相关的数据的任何设备。

电池监控模块101可以经由i2c1引脚i2c1-sda和i2ca-scl上的双主总线(dualmasterbus)连接到(多个)传感器110。

如下所述，电池监控模块101被配置为考虑从至少一个传感器发出的数据来使用开关103管理电池的充电和放电。电池监控模块101还考虑至少一个预定义曲线，该预定义曲线是电池102的特性曲线。特性曲线可以由电池制造商提供。特性曲线也可以从制造商数据中推导出。例如，它可以通过更新制造数据来获得。下面将参考图2至图4来描述特性曲线的示例。

开关103优选地被选择为具有可控转换速率和高速度，诸如10khz以上。这使得当从用电源140对设备104供电切换到用电池102对设备104供电时，能够使浪涌电流(inrushcurrent)最小化，参考图5将会更好地理解。浪涌电流是电源或设备开启时产生的瞬时高输入电流。可控转换速率使得能够在整个温度范围内(例如从-20℃到80℃)限制对归一化容量的损害。特别地，它限制了开关103的速度变化。

根据一些实施例，电池可以是固态电池。固态电池是电解质为固相的电池。与液体电池相比，固态电池由于其对较高温度的耐受性而具有能量密度较高的优点。此外，固态电池更安全，因为液体电解质通常是易燃的。由于需要更少的安全系统，因此固态电池也更紧凑。

对所使用的固态电池的类型没有加以限制。例如，固态电池可以是陶瓷电池。陶瓷电池足够小，可以在印刷电路板(printedcircuitboard，pcb)上实施。

根据一些实施例，该系统可以包括从电源140接收功率的电压调节器107。

电压调节器107可以是低压降(lowdropout，ldo)调节器，其可以在电源电压(来自电源140)非常接近输出电压时调节输出电压。这使得能够用恒定电压源对电池102充电，并以恒定电压对rtc104供电。

该系统还可以包括在电池102和电压调节器107之间的电流限制器106，其使得能够将充电电流限制到最大值，因此限制了电流对电池容量的影响。事实上，充电越慢，电池的充电容量就越高。因此，电流限制器106能够改善电池的寿命。

下面给出了特性曲线的示例。一些特性曲线可以表示针对几个环境数据值、取决于电池的放电速率的电池的电压。环境数据值可以包括例如温度值或负载值。

在下文中，仅出于说明的目的，考虑电池102的以下通用技术数据：

-标称电压：1.4v；

-工作电压vop：0至1.6v；

-标称容量：100μah；

-标称放电电流：100μa；

-工作温度：在-20℃和+80℃之间；

-初始内阻：<200ω；

-电池102的重量：0.04g。

然而，本发明可以应用于任何电池，而不管其通用技术数据如何。电池监控模块还可以在决定在第一模式和第二模式之间切换时考虑电池102的通用技术数据。

电池制造商通常基于温度、负载和归一化容量来定义其电池的充电和放电曲线。

参考图2，示出了根据本发明的一些实施例的电池102的第一特性曲线。

第一特性曲线示出了针对给定的电池、针对不同的负载值(0.2c、1c、2c、5c和10c)的取决于放电容量的电池102的电压。假设电池102具有如上所述的100μa的标称放电电流，不同的负载值分别对应于20μa、100μa、200μa、500μa和1000μa。

第一特性曲线也可以对应于给定的温度(诸如25℃)以及给定的充电(诸如以1.6v持续3小时的恒定电压充电)。针对其他温度值，可以获得(从制造商或通过实验获得)类似的曲线。

第一特性曲线使得能够当处于第二模式时预测电池的快速放电，并在快速放电开始之前切换到第一模式。为了实现这一点，电池监控模块可以检查给定负载值的情况下电池的电压是否在给定阈值或最小电压值以上。可以确定阈值以确保放电速度不超过最大放电速度。阈值可以取决于负载值而变化，或者可以为所有负载值所共有(例如1.4v)。

然后，当处于第二模式时，如果电池102的电压在阈值以下，则由电池监控模块101断开开关130以切换到第一模式。

参考图3，示出了根据本发明的一些实施例的电池102的第二特性曲线。

第二特性曲线示出了针对给定的电池、针对不同的温度值(ta＝-20℃；0℃；25℃和80℃)的取决于放电容量的电池102的电压。

第二特性曲线也可以对应于0v下20μa的恒定放电电流以及给定的充电(诸如以1.6v持续3小时的恒定电压充电)。针对其他恒定放电电流，可以获得(从制造商或通过实验获得)类似的曲线。

第二特性曲线使得能够当处于第二模式时预测电池的快速放电，并在快速放电开始之前切换到第一模式。为了实现这一点，电池监控模块可以检查给定温度值的情况下电池的电压是否在给定阈值或最小电压值以上。可以确定阈值以确保放电速度不超过最大放电速度。阈值可以取决于温度值而变化，或者可以为所有温度值所共有(例如1.4v)。

然后，当处于第二模式时，如果电池102的电压在阈值以下，则由电池监控模块101断开开关130以切换到第一模式。

根据一些实施例，例如，电池监控模块101考虑第一特性曲线和第二特性曲线两者以定义适用于所有负载和温度值的电压阈值。基于图2和图3的特性曲线，可以认为不影响归一化放电容量的放电电压等于或大于1.5v。因此阈值可以设置为1.5v。

可以为电池监控模块101定义一个或几个标准，然后电池监控模块101基于特性曲线和环境数据来控制开关以确保满足标准。

这些标准如下：

-通过考虑来自传感器的数据，诸如负载、温度和湿度值，来限制电池的快速放电。为此，可以如上所述设置电压阈值；

-使用负载和温度值来限制电池的深度放电。例如，可以设置最大放电深度值。基于该值以及负载值和/或温度值，可以确定相应的电压阈值，并且基于电池102的电压值和电压阈值之间的比较来控制开关103；

-通过监控电池的充电曲线(限制充电电流)并还基于放电电流分析，将放电限制在归一化容量的20％。实际上，知道放电电流使得能够获得电池102的充电或放电容量。

如上所述，开关103的转换速率是可控的，这使得能够管理浪涌电流。

图4显示了基于放电电流的值和脉冲长度的脉冲功率的值(单位为mw)。这些数据由电池制造商提供，并且表示电池102可以支持的而不损坏电池102的脉冲功率。

可以为该图提供下表，该表指示每个脉冲长度的时间间隔：

这些数据可以对应于25℃的固定温度值。

控制开关103的转换速率使得能够限制浪涌电流并且使得能够避免损坏电池。实际上，强浪涌电流会使电池103快速放电和/或使其退化。

图5包括示出开关103的可控转换速率(左曲线)和非受控转换速率(右曲线)之间的差异的曲线。

参考右曲线，底部曲线表示开关103的命令。可以观察到，开关突然闭合。由电源140输送到rtc的电流也突然减小，直到变为零。关于由电池输送的电流，因为电流的变化是突然的，所以它产生在目标电流值以上的电流峰值。电流峰值很可能损坏电池103并缩短其寿命。

通过根据左曲线控制转换速率来避免该峰值，其中与右曲线相比，开关命令的斜率减小。

还应当注意，当电源140可用时，电池监控模块101可以仅在第一模式和第二模式之间切换。即使当电源140可用时，切换到第二模式也是有用的，因为电池不会被永久地(或长时间地)断连。实际上，电池监控模块101还考虑到，为了避免损坏电池并降低其容量，电池将被定期地使用。为此，在第一模式下的给定时段超过阈值之后，电池监控模块101可以强制切换到第二模式。为此目的，电池监控模块101可以包括计数器，当开关103切换到第一模式时启动该计数器。如果计数器达到预置计数器值，则电池监控模块101可以切换到第二模式以避免长的断连时间。

电池监控模块101还试图减少电池103的充电周期的数量，因为如图6所示，在一定数量的充电周期之后，电池的容量减少。因此，电池监控模块101确保了由于充电周期的数量导致的电池老化和由于长时间断连导致的退化之间的折中。

通过基于传感器值和特性曲线管理电池(限制充电电流，控制开关的转换速率，以及在第一模式和第二模式之间最佳地切换)，电池103的寿命可以增加大约15％。

如图1所示，电池监控模块101还可以包括第四接口123，诸如数模转换器(digitaltoanalogconverter，dac)。通过dac123，电池监控模块101被配置为增加施加到电池102和rtc104的电压。这使得能够在电池中储存更多功率。与之对应的是，它限制了电池的寿命周期，然而，这被本发明的上述技术特征所补偿。因此，即使当储存在电池103中的功率超过电池的标称功率时，也可以确保最小寿命周期(例如10年)期间的最小自治性(例如40天)。因此，该实施例使得能够以不同的rtc消耗不同的功率水平来使用相同的电池架构。

电池监控模块101还可以包括内部时钟，诸如实时时钟rtc，或者可以访问外部时钟，诸如设备104，以便测量时间和管理下面描述的操作的定时。

电池监控模块可以包括并控制减载系统(图中未示出)。特别地，在电流过载的情况下，并且在电池负责对除设备104之外的装备供电的情况下，其他装备中的一些装备可以通过减载系统从电池释放和断连，以使得能够不间断地对设备104供电。

图7是示出根据本发明的一些实施例的方法的步骤或操作的流程图。

在步骤700，根据本发明的系统处于第一模式或第二模式当中的当前模式。

在步骤701，由传感器之一感测与电池相关的数据。如上所述，数据可以是电池102的电压、放电电流和/或温度/湿度/压力/振动。

在步骤702，电池监控模块101基于当前模式、所感测的数据和电池的预定义特性曲线，确定是否切换开关103。

如果在步骤702确定切换开关103，则在步骤703，电池监控模块101从当前模式切换到另一模式。然后在步骤700，该另一模式被认为是当前模式。

否则，该方法返回到步骤700，并且电池监控模块101保持在当前模式下。

尽管上面已经参考特定实施例描述了本发明，但是本发明并不旨在限制于本文阐述的特定形式。相反，本发明仅由所附权利要求限制，并且在这些所附权利要求的范围内，除了上述具体实施例之外的其他实施例同样是可能的。

此外，尽管上面已经以组件和/或功能的一些示例性组合描述了示例性实施例，但是应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以通过构件和/或功能的不同组合来提供替代实施例。此外，特别考虑到单独描述或作为实施例的一部分描述的特定特征可以与其它单独描述的特征或其它实施例的一部分相结合。