最大化并聯ups系統中的電池的運行時間的制作方法

專利名稱：最大化并聯ups系統中的電池的運行時間的制作方法
技術領域：
本發明總的來說涉及不間斷電源("UPS")，并且更具體地，涉及 io用于最大化并聯UPS系統中的電池的運行時間的方法和設備。
背景技術：
不間斷電源設計成在市電(utility power)發生臨時故障的情況下 為關鍵負載連續供電。在一些系統中，多個UPS模塊被并聯在一起以15 向關鍵負載供電。每個UPS模塊一般包括整流器(rectifier)、電池和 逆變器(inverter)。在巿屯發生中斷吋，關鍵負載將由來自UPS模塊 中的屯池的直流電供電。此直流電在傳送到關鍵總線(critical bus)前 被UPS模塊的逆變器轉換為交流電。使用并聯UPS模塊的系統的一個 缺點是負載在UPS模塊中的各電池之間均勻分配。然而，不能保證電20池具有相同的能量輸出性能(energy delivery capability)。例如，相對 較新的電池能夠輸出能量的運行時間是另一個相對舊的電池的兩倍。 所以，具有"舊"電池的UPS可能在具有新電池的UPS之前由于較早 的放電結束("EOD")而終止操作。在具有多個UPS模塊的系統中， 具有最弱電池的模塊可能首先關斷，緊接著是具有次弱電池的模塊，25 依次類推。每次UPS模塊關斷，剩余模塊就要分擔更多的負載。這減 少了剩余電池可用的運行時間并且可能使剩余的UPS模塊過載。本申 請解決這些缺點并且提供對本領域技術人員來說很明顯的其它優點。發明內容30 本發明的一個方案涉及具有多個電池的不間斷電源，該多個電池在市電發生故障吋向保護負載供電。其包括控制多個電池中的每一個向保護負載輸出多少電功率的多個控制器，和允許各控制器交換關于 電池電壓的信息的通信總線。其中至少一個控制器計算多個電池的平 均電池電壓并且調整由單個電池提供的能量大小，使得電池電壓大約 等于平均電池電壓。此系統也與具有不同類型的電池的UPS模塊和具5有飛輪(flywheel)等不同能量存儲系統的UPS模塊一同工作。本發明 的其它實施例將在以下本發明的詳細說明中闡述。


通過理解以下的詳細說明并通過參考附圖，本發明的其它目的和10 優點將變得明顯，其中圖1是根據本發明的實施例的并聯UPS系統的示意圖。圖2是根據本發明的實施例的用于調整逆變器的輸出的控制環的示意圖。盡管本發明容許有多種更改和替換形式，其指定實施例已經由附15 圖'l'的實例所顯示并在本文中進行詳細說明。然而，應該理解，本文 對指定實施例的說明不打算將本發明限制成公幵的特定形式，相反， 本發明覆蓋了所有落入由權利要求限定的本發明的精神和范圍中的更20具體實施方式
以下說明本發明的說明性實施例。為了清楚，不是所有實際實施 方式的特性都在本說明書中進行描述。可以理解，在對任何這樣的實 際實施例的開發中，必須做出多個指定實現的決定，以實現開發者的 指定目標，例如遵守與系統相關和業務相關的限制，其隨著實施方式 25 的不同而不同。此外，可以認識到，此開發的努力可為復雜的和耗費 時間的，但對于利用本公開的優點的那些本領域的普通技術人員，將 為例行任務。圖1示出根據本發明的實施例的不間斷電源。系統包括多個UPS模塊10。此實例中的每一個UPS模塊具有整流器16、電池18、逆變 30器20和控制器22。整流器16將由模塊10接收的交流電轉換為直流電。 由模塊IO接收的交流電可來自于市電或例如生成器的交流電源。逆變器20將直流電轉換為符合規定條件的交流電。電池18在交流電源發 生故障時提供儲存的直流電。UPS模塊10被連接到通信總線12。通信總線12允許UPS模塊 10交換操作UPS模塊所必需的信息和命令，例如系統中的每一個UPS 5 模塊10的電池電壓。通信總線12優選地為數字通信總線，例如控制 局域網絡(Control Area Network, "CAN")總線，但其它常規數字總 線，例如以太網可代替作為設計的選擇。可替換地，只要總線可在UPS 模塊10間被共享以促進負載分擔和其它并行系統操作時，模擬總線可 代替作為設計上的選擇。m UPS模塊10的輸出被連接到關鍵總線14。關鍵總線14將電功率傳送到關鍵負載(未顯示)。關鍵負載是希望能被保護而避免遭受電源 中斷的任何負載，并且典型實例包括計算機和醫療設備等。UPS模塊 IO可通過例如旁路靜態開關的常規裝置連接到關鍵總線14。旁路靜態 丌關i'j'以足共川的，或每個UPS模塊10可配備有其S身的旁路靜態開15 關。在市電發生中斷時，關鍵負載將由來自UPS模塊10中的電池18 的直流電供電。此直流電在傳送到關鍵總線14前被UPS模塊10上的 逆變器20轉換為交流電。每個UPS模塊中的控制器22調整由模塊10供應到關鍵總線14 的負載。控制器22為包括反饋控制環的PID控制器是有利的，但其它20 控制器也可代替作為設計的選擇。在圖1所示實施例中繪出的控制器 22為已在微處理器上的軟件中實現的PID控制器并且使用數字信號處 理("DSP")技術。根據本發明的一個實施例，反饋控制環根據平均電池電壓調整每 個UPS模塊的負載。參照圖1 ，平均電池電壓由下式給出Vbatt一average25 = (Vbatt_l +Vbatt_2+Vbatt—3 '+Vbatt—n)/n ，其中n為在線模塊的數目。 每個電池的電池電壓通過CAN總線上傳送到系統中的其它UPS模塊。 平均電池計算可在中央處理器處進行并且隨后通過CAN總線傳送，或 每個UPS模塊可單獨進行計算。根據本發明的一個實施例，圖2中所繪的反饋環將在單個電池的30 電壓大于平均電池電壓時增加該電池的負載，并且在電池電壓小于平 均電池電壓時減少負載。如圖2中所示，表示平均電池電壓("Vbatt—average")的信號與表示特定UPS模塊電池的電池電壓的信 號相加。相加的結果作為誤差信號提供給控制器。控制器隨后發送信 號給逆變器以增加或減少由UPS模塊電池供應的能量大小。如果關鍵 總線為交流總線，則相對于關鍵總線上的電功率的相位角增加由逆變 5 器供應的電功率的相位角以增加逆變器上的負載，從而相對于平均電 池電壓減小電池電壓。相反，相對的相位角被減小以降低逆變器上的 負載并且提升電池電壓。通過這種方式，負載將這樣分布在所有用電 池作為電源的UPS模塊中以致使每個電池的電池電壓被調整到 Vbatt—average，加上或減去可在控制環中出現的誤差量。當然，控制環10 的準確性和速度為設計選擇的一個事項。本領域的技術人員將認識到 類似的控制可在其中關鍵總線為直流總線的系統中使用，當然除了沒 有相位角被調整并且逆變器的輸出電壓被調整以使可提供取決于電池 電壓的更大或更小的電功率。根據本發明的另一個實施例，如果一個或多個UPS模塊釋放市電15 并且轉向電池操作，則模塊可共同協作使得以有效方式處理負載。在 此實施例中，利用電池電源的單個UPS模塊(或多個模塊)首先將其 對關鍵負載的分擔減小到零。通過將負載減小到零，UPS模塊的電池 僅需要供應足夠的能量以補償逆變器的損失，并且，因此，可運行的 吋間延長。然而，通過將其對負載的分擔減小到零，可使剩余UPS模20 塊中的一個或多個逆變器過載。然而，逆變器一般被設計成能在短吋 間內例如10分鐘內在過載條件下運行。表示過載條件的信號通過CAN 總線傳送到利用電池作為電源的一個模塊或多個模塊。UPS模塊將開 始從其電池供電給關鍵負載，增加提供的電功率大小直到剩余UPS模 塊不過載。25 根據本發明的其它實施例，UPS模塊可根據它們的多個電池的估計剩余電池運行時間相對過載運行時間的權衡來在彼此之間轉移負 載。如果一個(或多個)UPS模塊釋放市電并且利用電池來運行，并 且電池運行時間小于剩余模塊的過載運行時間，則此實施例特別有利。 一般情況下，逆變器被設計為在125%下運行10分鐘。如果，例如UPS30 模塊還在這IO分鐘內或還沒到其放電結束("EOD")日寸間，則減小該 UPS模塊上的負載并且允許系統中的其它模塊臨時在過載條件下操作可能是有利的，這樣就使電池壽命保持到盡量長的時間。這樣，例如，在具有兩個模塊的系統中，如果第一個UPS模塊接近EOD并且具有 50%的負載，則其可將25%的負載放棄給第二個UPS模塊，該第二 UPS 模塊例如可能具有100%的負載，由此將該模塊置于過載的。這將延長 5 電池運行時間并且保持關鍵負載受到保護。當然，此實施例可在具有 任何數目的UPS模塊的條件下進行操作。在此情況下，利用電池作為 電源的單個UPS模塊(或多個模塊)減小其正在供應的電功率，這樣， 導致剩余的UPS模塊變得過載。控制環使估計的電池運行時間與過載 運行吋間相平衡。本領域的技術人員對估計電池運行時間的方法是熟 io 悉的，電池運行時間將取決于正在使用的電池和對指定實施方式唯一 的其它因素。以上公開的特定實施例僅為示例性的，因為本發明可以對具有本 文所述內容的優點且對于本領域技術人員來說很明顯的不同但等價的 方式進行修改和實踐。此外，除了權利要求中所述內容之外，沒有對 15 此處顯示的構造或設計的細節的限制。因此，很明顯，以上公開的特 定實施例可被改變或修改，并且所有這些改變被認為在本發明的范圍 和精祌內。因此，所有這些類似的應用被認為在本發明的范圍和精神 內。因此，本文所尋求的保護在權利要求中進行闡述。
權利要求
1.一種控制多個不間斷電源(UPS)模塊中的多個電池電壓的方法，所述UPS模塊中的每一個具有用于向負載供電的逆變器，所述逆變器中的每一個從電池接收電功率，所述方法包括確定來自所述UPS模塊中的至少兩個的電池的平均電壓；比較來自所述至少兩個UPS模塊的電池的電池電壓和所述平均電池電壓；和生成響應于所述比較的控制信號，所述比較使所述逆變器調整由所述電池傳送到所述負載的電功率的量值，使得來自所述至少兩個UPS的每一個的電池的電池電壓大約為所述平均電池電壓。
2.如權利要求1所述的方法，其中，比較所述電池電壓包括向控制器 提供響應于所述平均電池電壓的第一信號和響應于所述至少兩個電池 !5 ltUK中的一個的第二信號。
3. 如權利耍求2所述的方法，其中，生成控制信號包括生成來fi所述控制器的輸出信號，并且將所述信號傳送到所述逆變器，使所述逆變 器相對于供應到所述負載的電功率的相位改變其輸出的相位。20
4. 如權利要求3所述的方法，其中，改變所述相位包括相對于供應給 所述負載的電功率的相位角增加所述逆變器輸出的相位角，以相對于 所述平均電池電壓減小所述電池電壓。25
5.如權利要求3所述的方法，其中，改變所述相位包括相對于供應給所述負載的電功率的相位角減小所述逆變器輸出的相位角，以相對于所述平均電池電壓增加所述電池電壓。
6. —種控制在多個不間斷電源模塊中的每一個的電池電壓的方法，其30 包括將從至少一個電池傳送到被保護的負載的能量減小成約為零；確定向所述被保護的負載供電的逆變器是否過載；和 增加從所述至少一個電池傳送的能量，直到所述逆變器不過載。
7.—種控制不間斷電源的方法，其包括 5 確定逆變器的過載運行時間；確定為被保護的負載供電的至少一個電池的電池運行時間； 如果所述至少一個電池的電池運行時間小于所述逆變器的過載運行時間，則減小所述電池的能量使得所述逆變器過載。10
8.—種不間斷電源(UPS)系統，其包括多個UPS模塊，所述UPS模塊中的每一個包括在市電發生故障時 向被保護的負載供電的電池；多個控制器，其控制所述電池中的每一個傳送至所述被保護的負 載的電功率的多少； 15 通信總線，其允許所述控制器交換關于電池電壓的信息；其屮，至少一個所述控制器計算所述多個電池的平均電池電壓，約為所述平均電池電壓。20
9.如權利要求8所述的UPS系統，其中，所述控制器將所述至少一 個電池的電池電壓與所述平均電池電壓相比較。
10. 如權利要求8所述的UPS系統，其中，所述控制器接收響應于所 述平均電池電壓的第一信號和響應于所述至少一個電池的電壓的第二25 信號。
11. 如權利要求8所述的UPS系統，其中，所述UPS模塊的每一個包 括從電池接收電功率以將電功率提供給所述被保護的負載的逆變器， 并且其中，所述控制器向所述逆變器輸出信號，致使所述逆變器相對30 于供應給所述負載的電功率的相位改變其輸出的相位。
12. —種不間斷電源(UPS)系統，其包括所述電池提供的能量的大小使得該電池的電壓大多個UPS模塊，每一個UPS模塊包括在市電發生故障時向被保護 的負載供電的電池；多個控制器，其控制所述電池中的每一個向所述被保護的負載傳送的電功率的大小； 5 通信總線，其允許所述控制器交換關于電池電壓的信息；其中，至少一個所述控制器將由至少一個所述電池提供的電功率 的大小減小到約為零，如果在所述通信總線上指示過載條件，則增加 由所述至少一個所述電池提供的電功率直到所述過載條件是正確的。
13. —種不間斷電源(UPS)系統，其包括多個UPS模塊，每個UPS模塊包括在市電發生故障時向被保護的 負載供電的電池；多個控制器，其控制所述電池的每一個傳送到所述被保護的負載 的屯功率的多少； 15 通信總線，其允許所述控制器交換關于電池電壓的信息；其中，至少一個所述控制器比較估計的電池運行吋間與逆變器過 載運行吋間，并且如果所述估計的電池運行時間小于所述過載運行時 問，則減小由所述電池提供給所述被保護的負載的電功率。
全文摘要
一種不間斷電源(UPS)包括多個UPS模塊(10)。每個UPS模塊(10)具有在市電發生故障時向被保護的負載供電的電池(18)。多個控制器(22)控制每個電池(18)傳送到被保護的負載的電功率的大小，并且通信總線(12)允許控制器(22)交換關于電池(18)的電壓的信息。其中一個控制器(22)計算多個電池(18)的平均電池電壓并且調整由單個電池提供的能量的量值使得電池電壓大約等于平均電池電壓。
文檔編號H02M7/00GK101218739SQ200680024619
公開日2008年7月9日 申請日期2006年6月29日 優先權日2005年7月6日
發明者B·希伯, K·埃施霍芬, M·N·馬爾瓦利, T·布什 申請人:力博特公司