CN103098342B - 不间断电源设备和使用可重构电力存储网络的方法 - Google Patents

Abstract

一种电源系统，包括例如不间断电源(UPS)的换流器电路，具有配置成耦接至负载的输出以及配置为耦接至电源的输入和配置成响应于控制输入来改变电源的多个电力存储单元(例如多个超级电容)的互连的存储网络配置电路。网络配置电路可操作以检测电源的状态，比如由其产生的电压，并且响应于检测到的状态修改电力存储单元的并联和串联耦接。在一些实施例中，网络配置电路可操作以响应于检测到的状态来增加和/或减小在换流器电路的输入上串联连接的电源单元的数量。

Description

不间断电源设备和使用可重构电力存储网络的方法

背景技术

本申请主题涉及电源设备和方法，并且更具体地为使用电力存储装置的电源设备和方法。

高容量高可用性的电力存储装置，比如超级电容，通常用于在比如电动汽车驱动，太阳能和风力发电以及不间断电源系统的应用中存储电力。例如，授与Bartilson的专利号为7,642,755的美国专利描述了基于超级电容的电力存储系统用于比如电机驱动的应用中。授与Brien等的专利号为6,265,851的美国专利描述了用于将超级电容用作主电源以及电池作为补充电源的电动车辆的电源。授与Christensen的专利号为6,703,722的美国专利描述了电力系统，其使用超级电容同燃料电池一起用于存储电力。Fuglevand等的公开号为2006/0192433的美国专利申请描述了不间断电源(UPS)，其使用超级电容和燃料电池的组合以当主电源中断时提供备用电源。

发明内容

在本发明主题的一些实施例中，不间断电源(UPS)系统包括UPS电路，其具有配置为耦接至负载的输出和配置为耦接至第一和第二电源的第一和第二输入。UPS电路被配置为可选地从第一和第二电源传递电力给负载。系统进一步包括网络配置电路，其配置为响应于控制输入来改变第二电源的多个电力存储单元的的互连。网络配置电路可被操作以检测第二电源的状态并且响应于检测到的状态来修改电力存储单元的并联和串联耦接。电力存储单元可包括超级电容。

在进一步实施例中，UPS电路包括第一UPS电路并且系统进一步包括第二UPS电路，该第二UPS电路具有配置为耦接至与第一UPS电路的输出并联的负载的输出，并且第一和第二输出配置为相应地耦接至第一电源和第三电源。第三电源可具有比第二电源更大的电力存储容量。例如，第二电源可包括多个超级电容并且第三电源可包括电化学电池。第一UPS电路和第二UPS电路可以是具有相似电路拓扑的功率转换模块。

在附加实施例中，UPS电路包括配置为耦接至第三电源的第三输入，并且UPS电路配置为可选地从第一，第二和第三电源传递电力至负载。例如，第二电源可包括多个超级电容并且第三电源可包含电化学电池。

本发明主题的进一步的实施例提供包括换流器(inverter)电路的电源系统，该换流器电路包括配置成耦接至负载的输出和配置成耦接至电源的输入以及配置成响应于控制输入而改变电源的多个电力存储单元互连的网络配置电路。网络配置电路可操作来检测电源的状态和响应于检测到的状态来修改电力存储单元的并联和串联耦接。

在一些方法实施例中，包含多个可互联电力存储单元的电源被耦接至UPS系统的UPS电路的输入。电力存储单元之间的互连响应于控制输入而改变。例如，电力存储单元的并联和串联耦接可相应于检测到的电源状态而改变。

附图说明

图1是示出根据本发明主题的一些实施例的电源系统的示意图。

图2是使用根据本发明主题的一些实施例的电力存储单元的可重构网络的操作的流程图。

图3是示出根据本发明主题的一些实施例的不间断电源系统(UPS)的示意图；

图4是图示使用根据本发明主题的一些实施例的电容式电力存储单元的可重构网络的操作的流程图。

图5和图6分别图示使用根据本发明主题的一些实施例的电容式电力存储单元的可重构网络的电源系统的电压和电流波形的范例。

图7是图示根据本发明主题的一些实施例的可重构电力存储网络的示意图。

图8和9是图示使用图7的电力存储网络的操作的流程图。

图10是图示根据本发明主题的进一步实施例的可重构电力存储网络的示意图。

图11和12是图示根据本发明主题的一些实施例的UPS系统的示意图。

图13是图示图11和12的UPS系统的典型操作的流程图。

图14是图示根据本发明主题的进一步实施例的模块化UPS系统的示意图。

具体实施方式

本发明主题的具体实施例将参考附图描述。尽管本发明主题可以以很多种不同的形式实施，并且不应该解释为限制于在此阐述的实施例；但是，提供这些实施例使得本公开完全而充分，并且对本领域技术人员来说将完全地表达本发明主题的范围。在附图中，相似的数字代表相似的元件。应理解当元件作为被“连接”或“耦接”至另一元件提及时，它可直接连接或者耦接到其他元件或者可存在中间元件。如在此所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何以及全部组合。

这里所使用的术语，仅用于描述特定实施例的目的并且不将作为发明主题的限制。如在此所使用的，单数形式“一”，“一个”以及“该”也包括复数形式，除非清楚地表述。应进一步理解术语“包含”，“包括”，“包含”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，指定阐述特征，整数，步骤，操作，元件，和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其他特征，整数，步骤，操作，元件，部件和/或它们的组的存在或增加。

除非额外定义，在此所使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本发明主题所属技术领域普通技术人员所公知的含义。应当进一步理解术语，比如在通常使用的字典中定义的术语，应被解释为具有同说明书上下文以及相关领域中的它们的含义一致，并且不被理想化或者过度正式地解释，除非在此如此清楚地定义。

如本领域技术人员将理解的，本发明主题可作为系统，方法和计算机程序产品实现。本发明主题的一些实施例可包括硬件和/或硬件和软件的组合。本发明主题的一些实施例包括配置为提供在此描述功能的电路。应理解这样的电路可包括模拟电路，数字电路，以及模拟和数字电路的组合。

本发明主题的实施例参考根据本发明主题的多种实施例的系统和方法的框图和/或操作说明(例如流程图)作如下描述。应理解方框图和/或操作说明中的每个方框，以及方框图和/或操作说明中的方框的组合，可通过模拟和/或数字硬件，和/或计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可提供给通用计算机，专用计算机，ASIC，和/或其它可编程数据处理设备的处理器，这样经由计算机和/或其它可编程数据处理设备的处理器执行的指令，产生用于执行框图和/或操作说明中指定的功能/动作的方法。在一些实现中，记录在附图中的功能/动作可在记录在框图和/或操作说明的命令之外产生。例如，两个作为连续发生示出的操作，事实上可基本上同时执行或者取决于所涉及的功能/动作，上述操作可有时以相反顺序执行。

图1图示根据本发明主题的一些实施例的电源系统100。系统100包括换流器电路120，其具有配置为耦接到负载10的输出。换流器电路120具有配置为耦接到电源20的输入，电源20包括多个电力存储单元22。更具体地，电源20的电力存储单元22的互连可由电力存储网络配置电路110响应于控制输入111来改变，比如电源20的电力含量的测量值。其它控制输入例如可包括与将电源20耦接到换流器电路120的DC/DC转换器电路(未示出)相关联的电流限制，通过换流器等发送到负载10的电力的瞬时或其它测量值。

图2图示图1的电源系统100的典型操作。电源20，与初始配置中的电力存储单元22，开始经由换流器电路120(方框210)提供电力给负载10。产生电源20的状态(例如，电压)的测量值(方框220)。如果产生的测量值不满足指示用于电力存储单元22的互连的重新配置需求的标准，电源20继续提供电力给负载10(方框230，210)。如果产生的测量值指示重新配置的需求，电力存储单元22的互连被改变，并且电源20继续提供电力给负载20(方框230，240，210)。

图1的电力存储单元22例如可包括超级电容，电化学电池和/或其组合。在一些在此描述的实施例中，电力存储单元22可包含多个超级电容，并且电力存储网络配置电路110可配置为响应于例如由电源20提供的电压测量值(例如，由电源20提供的总电压的测量值和/或组成的超级电容的每单位电压的测量值)的多种超级电容的串联和并联互连。在进一步的实施例中，这样的电力存储网络配置控制可有利地用于不间断电源(UPS)系统中以提供例如与长期备用电源配合的短期后备电源，比如电化学电池或燃料电池。在一些实施例中，这样的用于多个超级电容的电力存储网络配置控制，可灵活地使用标准UPS模块，而不需要模块部件的修改。

图3图示“在线”UPS系统300，包括整流器电路310和由直流(DC)链接315连接的换流器电路320。整流器电路310被配置为从交流(AC)源30接收交流电，比如市电线路，以及产生在直流链接315上的直流电压。换流器电路320被配置为产生用于从直流链接315给负载10供电的交流电压。DC/DC转换器电路330耦接到直流链接315，并且被配置为从备用电源提供备用电力，这里显示为包含多个超级电容20’，超级电容器20’具有由电力存储网络配置电路340控制的网络配置。应理解其它类型的UPS系统，比如“待机”和“线路交互”系统，可类似地配置，即采用由沿着图3所示线路的电力存储网络配置控制的超级电容的互连，多个超级电容可被用于提供电力给其中的换流器。应进一步理解超级电容20’可以多种不同的方式充电，比如通过从DC/DC链接315传送其电流。

本发明主题的一些实施例产生于实现一些比如超级电容的电力存储单元可提供电力基本突发(burst)用于比如后备电源的应用，但是可能具有不是非常适合与UPS系统一起使用的放电电压特性。使用同样可使用的常规转换器，提供修改这样的存储单元的网络互连的容量可以实现这些装置的有效使用，例如以从电池和具有不同放电特性的其它电力存储装置接收电力。

图4图示根据本发明主题的一些实施例的图3的UPS系统300中的该操作的示例。在主电源30故障之后，超级电容20’开始经由DC/DC转换器电路330和换流器电路320(方框410)放电给负载10。检测超级电容20’的电压，例如施加给DC/DC转换器电路330的电压和/或超级电容20’和/或超级电容20’的组的各自的电压(方框420)。基于检测到的电压，可确定超级电容20’的单位电压(比如每超级电容)小于阈值电压V_th(k)(方框430)。如果每单位电压超过阈值电压V_th(k)，则超级电容20’的网络配置保持不改变并且超级电容20’继续放电(方框410)。然而如果每单位电压低于阈值电压V_th(k)并且电压限值未达到，但是超级电容的互连被改变，这样更多数量的超级电容20’串联耦接在DC/DC转换器电路330的输入端，以保持在其上施加的电压在期望的范围内(方框440)，这样超级电容20’继续传送电力给负载10(方框410)。当超级电容20’继续发送电力给负载10时，电压进一步监测来确定是否需要额外的互连改变来保持施加到DC/DC转换器电路330的电压(方框420，430，440，450)。一旦达到电压限值，尽管放电可被终止，因为这可以指示大部分存储在超级电容20’的电力已经耗尽。

图5在理论上示出沿着使用四串串联连接5.5F超级电容的280的这样的线的操作，该超级电容具有0.3欧的等效串联电容。起初，超级电容完全充电至2.3V/电池。在理论上，假定当完全充电至电力状态W1时该四串初始并联连接，它们提供大约640V的初始输出电压。当超级电容放电时，输出电压减小。最终电池达到每电池大约1.67伏，相当于大约470V的输出电压。在该点，电池达到电力状态W2，在该电剩余初始可用电力的大约53％：

$W2/W1=\frac{{1.67V}^2}{{2.3V}^2}=52.7\%$

为了提高输出电压并限制发送给DC/DC转换器的电流，超级电容的互连可通过串联链接的串的对来修改以提供两个并联耦接的电池串560，其增加输出电压至大约935V。超级电容然后进一步放电，同时输出电压以较大的速率下降，造成在电力状态W3每电池电压下降到0.835V/电池，在该状态输出电压再次在470V附近。在这个点上，剩余初始电力的大约13％：

$W3/W1=\frac{{0.835V}^2}{{2.3V}^2}=13.2\%$

该四串然后串联连接以将输出电压提升回到930V附近。

在电力状态W4进一步放电减小输出电压至470V限制之后，在超级电容中剩余初始电力的大约3％：

$W4/W1=\frac{{0.42V}^2}{{2.3V}^2}=3.3\%$

上述理论计算指出绝大部分的初始电力可在前两步(W1>W3)提取。使用非理想模型的仿真指示第一步(W1>W2)剩下大概66％的保持在超级电容网络中的初始电力并且第二步(W2>W3)剩下大概20％的初始电力，且第三步(W3>W4)提取额外的大约13％，产生如图6所示的电压和电流。

根据上述内容，可以看出使用适合的超级电容网络的重新配置使大多数存储在超级电容中的电力的提取，同时将电压和电流维持在界限内，例如以使耦接到该网络的UPS的DC/DC转换器电路可以以期望的电压和电流包络运行成为可能。因此，如下所详细解释的，超级电容(或者具有类似的放电特性的装置)的可重新配置网络可有利地使用模块化UPS系统，其与相比超级电容具有明显不同放电特性的装置兼容，比如铅酸电池。以这种方式，相同的硬件可使用两种类型的电力存储装置。

图7图示支持根据本发明主题的一些实施例的适合的重新配置的电路。电源710在连同二极管D的第一和第二电路支路中包括第一和第二超级电容C。超级电容可通过开关S耦接和解耦。电源710可耦接至DC/DC转换器电路720，例如U沿着图3所示的线路的PS的DC/DC转换器。

开关S由控制电路730响应于由电源710所产生的输出电压V_out控制。当开关S打开时，超级电容C并联连接，同时闭合开关S串联耦接超级电容C。参考图8，当开关S打开并且超级电容C并联耦接，电源710开始对DC/DC转换器720放电(方框810)。当输出电压V_out达到阈值电压V_th时，控制电路730使开关S闭合以将超级电容串联耦接并且因此提升输出电压V_out回阈值电压V_th之上(方框820，830)。超级电容C此后会继续放电(方框840)。

如图7所示，控制电路730还可协同开关S控制DC/DC转换器电路720。例如，如果开关S为接触器或者类似的机电开关，当开关S闭合以允许输出电压V_out在触点闭合之后稳定时，可期待暂时暂停DC/DC转换器电路720的操作。参考图9，当开关S打开并且DC/DC转换器电路720激活，初始并联耦接的超级电容C开始经由DC/DC转换器电路720放电(方框910)。当输出电压V_out下降到阈值电压V_th以下时，控制电路730激活接触器开关S(方框920，930)。由于开关S上的机械限制可影响在声称的激活信号和开关S的触点实际闭合的时间之间的显著延迟，控制电路730可在DC/DC转换器电路720的暂停操作之前(方框940，950)在或邻近触点实际闭合的时间处等待预设的时间。在另一预设的时间延迟之后，为了使瞬态消失，控制电路730可使DC/DC转换器电路720恢复操作，因此允许重新配置的电源710继续放电(方框960，970，980)。在UPS应用中，DC/DC转换器电路720耦接至提供电力给换流器的直流链接，耦接到直流链接的电容以及换流器的电压调节能力可减小或防止在关键负载上的影响，该影响可从DC/DC转换器电路720的操作的短暂暂停所导致。

出于说明的目的提供图7的电源，并且应理解超级电容的其它布置可用于提供类似的功能。例如，图7所示的电源710提供两种不同的配置。尽管在其它实施例中，可提供额外的等级。例如，图10图示电源1010包括超级电容C，二极管D和开关S的布置，其能通过开关S的选择操作支持四种不同串/并联耦接。应进一步理解装置除了超级电容之外的装置，比如铅碳电池，可以类似的方式使用。特别地，如上所述的电路和操作可有利地使用当它们放电时产生大幅度变化的输出电压的不同电力存储装置中的任何一种。

根据进一步实施例，沿着上面讨论的线路的可重构电力存储网络，可有利地与其它电力存储装置(比如电池)组合在UPS应用中使用。图11图示了包括第一和第二UPS1110，1120的UPS系统，该第一和而UPS并联连接至交流源30和负载10。第一UPS1110包括整流器电路210和由直流链接215耦接的换流器电路220。DC/DC转换器电路230也耦接至直流链接215并且从短期电源，例如多个超级电容20”那里提供电力，其互连由网络配置电路240控制。第二UPS1120包括类似的整流器电路210，换流器电路220，DC/DC转换器电路230和直流链接215。然而第二UPS1120的DC/DC转换器电路230耦接至长期电源，比如电化学电池40。图12图示了包括UPS1210的可选配置，沿着图11中的UPS1110，1120的线路，UPS1210包括整流器电路210，换流器电路220，DC/DC转换器电路230和直流链接215，但是采用带有网络配置电路240的超级电容20”和被配置为可选地通过选择器电路260耦接至DC/DC转换器电路230的电化学电池40。

在两者的任一配置中，超级电容20”可用于在交流源30出现故障的情况下，如果以及当存储在超级电容20”中的电力被用尽时，采用放在线路上的较长期电池40提供初始后备电力。这样的设置在许多应用中都是有利的。特别地，在一些应用中，大部分主电源故障可能是短期的，这样超级电容20”的使用可减小电池40的责任。因为超级电容20”典型地可承受相对于电化学电池更大量的充电/放电周期，这种设置能提供相对于单独依赖电池的UPS系统改进的可靠性和使用寿命。

图13图示了图11和12的电路的典型操作。负载10从主电源30供电(方框1305)。由于主电源30的故障，从超级电容20”传送电力给负载(方框1310，1315)。由于超级电容20”放电，它们的输出电压被监控(方框1320)。如果主电源故障清除，负载重新从主电源接收电力(方框1325，1305)。如果故障还没被清除并且输出电压V_out已经达到阈值电压V_th，超级电容20”继续提供电力给负载10(方框1330，1315)。如果来自超级电容20”的输出电压V_out达到阈值电压V_th并且还未达到放电限制，在超级电容20”之间的互连被改变以增加输出电压并继续从超级电容20”到负载的电力提供(方框1330，1335，1340，1315)。但是如果放电限制已达到，系统转变为从电池40提供电力给负载(方框1345)。

如上所述，使用可重构存储网络也可在使用模块化硬件中提供优点。图14图示了UPS系统，在其中并联的相似UPS模块(UPM)与超级电容20”和电池40一起使用。与超级电容20”相关联的网络配置电路240可控制由其产生的输出电压，这样相同的DC/DC转换器电路230可用于超级电容20”和电池40两者。这能提供在多种应用上的灵活性。特别地，取决于负载的尺寸，所需要的后备电源持续时间和其它考虑，可将在系统中整合这样的UPM选择性地耦接至超级电容或电池。

在附图和说明书中，已经公开了本发明主题的典型实施例。尽管采用了特定的术语，它们仅用于通常和描述性的意义而不是用于限制的目的，本发明主题的范围由如下权利要求所限定。

Claims (7)

1.一种不间断电源(UPS)系统，包括：

第一UPS电路，具有配置为耦接至负载的输出，以及配置为分别耦接至AC电源以及多个超级电容器的第一和第二输入；

第二UPS电路，具有配置为耦接至与所述第一UPS电路的输出并联的负载的输出，以及配置为分别耦接至所述AC电源和电化学电池的第一和第二输入；以及

网络配置电路，其被配置为响应于控制输入来提供在所述多个超级电容器之间的变化的并联和串联互联，其中不将所述第一UPS电路配置为从电化学电池接收电力，并且其中不将所述第二UPS电路配置为从超级电容器接收电力。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一UPS电路包括具有被配置为耦接到所述多个超级电容器的输入的第一换流器，并且其中所述第二UPS电路包括具有耦接到所述电化学电池的输入的第二换流器。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一UPS电路进一步包括第一DC/DC转换器电路，该第一DC/DC转换器电路具有耦接到所述多个超级电容器的输入和耦接到所述第一换流器的输入的输出，并且其中所述第二UPS电路包括第二DC/DC转换器电路，该第二DC/DC转换器电路具有耦接到所述电化学电池的输入和耦接到所述第二换流器的输入的输出。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述电化学电池具有比所述多个超级电容器更大的能量存储容量。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一UPS电路和所述第二UPS电路包括相似的电力转换模块。

6.一种操作UPS系统的方法，该方法包括：

将包括多个可互连的超级电容器的电源耦接到所述UPS系统的第一UPS电路的输入，其中不将所述第一UPS电路配置为从电化学电池接收电力；

将包括电化学电池的电源耦接到所述UPS系统的第二UPS电路，所述第二UPS电路具有被配置为耦接到与所述第一UPS电路的输出并联的负载的输出，其中不将所述第二UPS电路配置为从超级电容器接收电力；以及

响应于控制输入，提供在所述超级电容器之间的变化的并联和串联互联。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一和第二UPS电路包括相似的电力转换模块。