CN112018867B - 可配置共用电池的不间断电源及不间断电源并机*** - Google Patents

可配置共用电池的不间断电源及不间断电源并机*** Download PDF

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Abstract

本申请适用于不间断电源技术领域，提供了一种可配置共用电池的不间断电源及并机***，该不间断电源包括用于连接共用电池的充放电电路，该充放电电路包括：用于连接共用电池的两极的第一连接端和第二连接端、充放电电感、第一IGBT、第二IGBT和第三IGBT，其中，第一IGBT和第三IGBT集成有续流二极管；一方面，通过三个IGBT的开关动作可以实现对连接的共用电池的充放电，另一方面，在组成并机***时，第三IGBT能够有效截止并机***中的环流，从而解决了现有技术中传统的共用电池电路在环流抑制中存在器件过多及成本较高的问题。

Description

可配置共用电池的不间断电源及不间断电源并机***
技术领域
本申请属于不间断电源技术领域，尤其涉及一种可配置共用电池的不间断电源及不间断电源并机***。
背景技术
为了提高供电***的可靠性，现在的机房常采用多台UPS(UninterruptiblePower System不间断电源，简称UPS)并联的配置方案。
对于多台UPS并联配置的并机方案，对应的电池配置方法通常是每台UPS主机各自配置一个电池组。在此情形下，如果UPS主机异常，尽管它所配置的电池组没有异常，电池组也会跟着不能工作。如此一来，若并机***中UPS数量较多，电池数量也跟着增多，会导致整个***的电池利用率比较低，使得花费于电池的成本增大。另外，电池组体积较大，会大量占用机房空间。为解决上述问题，一些研发人员提出了共用电池的方案，即并机的多台UPS共用同一电池组，从而减少对电池的投资。
然而，多台UPS共用同一电池组会产生电路环流问题，为了实现环流抑制，需要在UPS的充放电电路中增加抑制环流的拓扑结构，这会导致UPS的充放电电路使用器件过多，也会增加***成本。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了一种可配置共用电池的不间断电源及不间断电源并机***，以低成本的解决共用电池的不间断电源会产生电路环流的问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种可配置共用电池的不间断电源，所述不间断电源包括用于连接共用电池的充放电电路；
所述充放电电路包括：
用于连接共用电池的两极的第一连接端和第二连接端；
充放电电感；
第一IGBT，其发射极经所述充放电电感连接所述第一连接端，其集电极连接所述不间断电源的直流电容电路的第一端；
第二IGBT，其发射极连接所述第二连接端，其集电极经所述充放电电感连接所述第一连接端；和，
第三IGBT，其发射极连接所述直流电容电路的第二端，其集电极连接所述第二连接端；或者，其发射极连接所述第二连接端，其集电极连接所述直流电容电路的第二端；
其中，所述第一IGBT和所述第三IGBT集成有续流二极管。
根据第一方面，在本申请的一些实施例中，所述不间断电源设置有第一工作模式和第二工作模式；
在连接共用电池时，若所述第三IGBT的发射极连接所述直流电容电路的第二端，集电极连接所述第二连接端，则：
在第一工作模式下，所述第二IGBT基于脉冲控制信号控制运行，所述第一IGBT和所述第三IGBT保持关断，以使共用电池放电；且，
在第二工作模式下，所述第二IGBT保持关断，所述第一IGBT和所述第三IGBT基于脉冲控制信号控制运行，以对共用电池充电。
根据第一方面，在本申请的一些实施例中，所述不间断电源设置有第三工作模式和第四工作模式；
在连接共用电池时，若所述第三IGBT的发射极连接所述第二连接端，集电极连接所述直流电容电路的第二端，则：
在第三工作模式下，所述第一IGBT关断，所述第二IGBT和所述第三IGBT基于脉冲控制信号互补运行，以使共用电池放电；且，
在第四工作模式下，所述第一IGBT保持开通，所述第二IGBT和所述第三IGBT保持关断，以对共用电池充电。
根据第一方面，在本申请的一些实施例中，所述不间断电源设置有电池缓启动模式；
在连接共用电池时，若所述第三IGBT的发射极连接所述第二连接端，集电极连接所述直流电容电路的第二端，则：
在电池缓启动模式下，所述第一IGBT和所述第二IGBT关断，所述第三IGBT的占空比在预设时间内由0逐渐增加至指定值。
根据第一方面，在本申请的一些实施例中，所述第二IGBT、所述第三IGBT与所述第二连接端之间还串联有电磁兼容元件。
根据第一方面，在本申请的一些实施例中，所述电磁兼容元件与所述第二连接端之间还串联有保险丝；
所述充放电电感与所述第一连接端之间还串联有霍尔元件。
根据第一方面，在本申请的一些实施例中，所述直流电容电路包括两个串联连接的直流电容。
第二方面，本申请实施例提供了一种不间断电源并机***，所述并机***包括共用电池和两台以上的如第一方面或第一方面任一实施方式所述的不间断电源。
根据第二方面，在本申请的一些实施例中，所述两台以上的不间断电源通过CAN总线通信连接，在对共用电池进行充电时，同一时刻由所述两台以上的不间断电源中的一台对共用电池进行充电。
根据第二方面，在本申请的一些实施例中，当对共用电池进行充电的不间断电源出现故障时，切换为所述两台以上的不间断电源中的正常的一台不间断电源对共用电池进行充电。
本申请实施例提供的可配置共用电池的不间断电源包括用于连接共用电池的充放电电路，充放电电路中设置有用于连接共用电池两极的第一连接端和第二连接端、充放电电感、第一IGBT、第二IGBT和第三IGBT，其中，所述第一IGBT和所述第三IGBT集成有续流二极管；一方面，通过三个IGBT的开关动作可以实现对连接的共用电池的充放电，另一方面，在组成并机***时，第三IGBT能够有效截止并机***中的环流，从而解决了现有技术中传统的共用电池电路在环流抑制中存在器件过多及成本较高的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种单UPS连接电池组的充放电电路的原理图；
图2是本申请实施例提供的基于图1的充放电电路组成并机***时出现环流的电路原理图；
图3是本申请实施例提供的可配置共用电池的UPS的第一种连接关系的电路原理图；
图4是本申请实施例提供的可配置共用电池的UPS的第二种连接关系的电路原理图；
图5是本申请实施例提供的第一种连接关系下两个UPS组成并机***的电路原理图；
图6是本申请实施例提供的第二种连接关系下两个UPS组成并机***的电路原理图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定***结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的***、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
为了说明本申请所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
首先给出单UPS对应连接一个电池组时的基本拓扑的连接示例，如图1所示，图中电池组100经过一充放电电路200、直流电容C、整流模块300连接至三相交流电源。该充放电电路200包括充放电电感L、开关管Q1和开关管Q2，通过控制开关管Q1和开关管Q2的导通状态可以实现电池组100的充放电，例如，Q1导通、Q2关断时可以对电池组100进行充电，Q1断开、Q2导通时可以实现电池组100的放电(使用脉冲控制信号控制Q2的开关状态，电池组100对直流电容C充电)。
其中，开关管可以选用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)，在一些应用场景中，通常会选用集成有续流二极管的IGBT模块。
当将上述充放电电路200用于共用电池的并机UPS连接时，且***处于整流工作模式时，电路中会出现环流，如图2中粗线环路所示，三相交流电源中A相输入经整流模块中的电感、整流模块中的一开关管的二极管通路、直流电容C、电感L2(在这里作为电磁兼容元件)，再至并机***中另一UPS的电感L4(在这里作为电磁兼容元件)，并机***中另一UPS的整流模块中开关管的二极管通路，可以直至三相交流电源中的B相或C相，即出现了环流。
本申请实施例的改进之一是在上述充放电电路200的基础上，再增加一开关管，从而实现环流抑制，参见图3及图4，详述如下：
如图3及图4所示，其示出了一种可配置共用电池的不间断电源，包括用于连接共用电池100的充放电电路201。
该充放电电路201包括用于连接共用电池100的两极的第一连接端OUT1+和第二连接端OUT1-，以及，充放电电感L。
该充放电电路201中的开关管可以采用绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，简称IGBT)，具体可以包括第一IGBT(Q1)，Q1的发射极经充放电电感L连接第一连接端OUT1+，Q1的集电极连接不间断电源的直流电容电路的第一端OUT2+。其中，第一IGBT(Q1)集成有续流二极管。
在一些实施例中，直流电容电路可以包括一个母线电容C，也可以是由包括两个串联连接的母线电容的电路构成。
该充放电电路201具体还包括第二IGBT(Q2)，Q2的发射极连接第二连接端OUT1-，Q2的集电极经充放电电感L连接第一连接端OUT1+。
该充放电电路201具体还包括第三IGBT(Q3)，其中，第三IGBT(Q3)同样集成有续流二极管。第三IGBTQ3的连接方式可以有两种：
第一种(图3)：Q3的发射极连接直流电容电路的第二端OUT2-，Q3的集电极连接第二连接端OUT1-。
第二种(图4)：Q3的发射极连接第二连接端OUT1-，Q3的集电极连接直流电容电路的第二端OUT2-。
在本申请实施例中，不间断电源的充放电电路201中设置了第三IGBT(Q3)，可以通过控制第一IGBT、第二IGBT和第三IGBT的开关导通状态，一方面实现对不间断电源所连接的电池的充放电，另一方面，在环流经过第三IGBT的所在支路时，还可以通过关断第三IGBT实现环流抑制。
具体的，可以通过图5和图6分别对上述两种连接方式实现环流抑制的原理进行说明，参见图5，为第一种连接方式下的两个UPS并机共用电池组的连接方案，三相交流电源中A相输入经整流模块中的电感、整流模块中的一开关管的二极管通路、直流电容C、第一个UPS的第三IGBT(Q3)的二极管通路、电感L2，再至并机***中另一UPS的电感L4、然后到并机***中另一UPS的第三IGBT(Q6)被截止(Q6的二极管通路截止了电流)，从而实现了环流抑制。
另外，参见图6，为第二种连接方式下的两个UPS并机共用电池组的连接方案，三相交流电源中A相输入经整流模块中的电感、整流模块中的一开关管的二极管通路、直流电容C、至并机***中第一个UPS的第三IGBT(Q3)被截止(Q3的二极管通路截止了电流)，从而实现了环流抑制。
由上可知，本申请实施例提供的可配置共用电池的不间断电源，包括用于连接共用电池的充放电电路，充放电电路中设置有第一IGBT、第二IGBT和第三IGBT，一方面，通过三个IGBT的开关动作可以实现对连接的共用电池的充放电，另一方面，在组成并机***时，第三IGBT能够有效截止并机***中的环流，可见，在本申请实施例中，通过在不间断电源的充放电电路中仅增加一个开关管IGBT，低成本的实现了环流抑制。
在一个实施例中，若充放电电路201为上述第一种连接，即第三IGBT的发射极连接所述直流电容电路的第二端OUT2-，集电极连接第二连接端OUT1-，那么，不间断电源可以存在两种工作模式：第一工作模式(共用电池放电)和第二工作模式(对共用电池充电)。
具体的，在第一工作模式下，保持第一IGBT和第三IGBT保持关断，并通过脉冲控制信号控制第二IGBT的导通和关断，可以实现共用电池的放电。
在第二工作模式下，保持第二IGBT关断，并通过脉冲控制信号控制第一IGBT和第三IGBT的导通和关断，可以实现对共用电池充电。
在本申请实施例中，脉冲控制信号可以是脉冲宽度调制信号(Pulse WidthModulation，简称PWM)。各IGBT可以分别对应一路PWM信号，根据实际需要的充放电情况进行信号调制和IGBT开关的通断控制。
在一个实施例中，若充放电电路201为上述第二种连接，即第三IGBT的发射极连接所述第二连接端OUT1-，集电极连接直流电容电路的第二端OUT2-，那么，不间断电源也可以存在两种工作模式：第三工作模式(共用电池放电)和第四工作模式(对共用电池充电)。
在第三工作模式下，所述第一IGBT关断，所述第二IGBT和所述第三IGBT基于脉冲控制信号互补运行，以使共用电池放电；且，
在第四工作模式下，所述第一IGBT保持开通，所述第二IGBT和所述第三IGBT保持关断，以对共用电池充电。
在一个实施例中，如图4所示，上述的不间断电源还可以设置有电池缓启动模式，以有利于延长电池使用寿命。
具体的，在连接共用电池时，若所述第三IGBT的发射极连接所述第二连接端，集电极连接所述直流电容电路的第二端，则：
在电池缓启动模式下，所述共用电池启动时，所述第一IGBT和所述第二IGBT关断，所述第三IGBT的占空比在预设时间内由0逐渐增加至指定值，其中，第三IGBT的占空比可以通过脉冲控制信号来进行调控，通过控制占空比的逐渐增加(区别于由0直接挑至指定值)实现电池的缓启动，其中的指定值可以指电路正常工作状态下IGBT实际所需的占空比。。
在一些实施例中，充放电电路中的第二IGBT、第三IGBT与第二连接端之间还可以串联有电磁兼容元件，以抑制电磁干扰，电磁兼容元件可以选用电感，如图5和图6所示的L2及L4。
在一些实施例中，电磁兼容元件与第二连接端之间还可以串联有保险丝，以大电流时断路，实现对共用电池100的限流保护；此外，充放电电感与第一连接端之间还可以串联有霍尔元件，例如图5和图6所示的H1及H2，以实现对共用电池100的投入或切断控制。
本申请实施例还提供了一种不间断电源并机***，该并机***可以包括共用电池和两台以上的如上述任一项所述的可配置共用电池的不间断电源。如图5或图6所示，其示出的包括不间断电源并机***包括共用电池和两台可配置共用电池的不间断电源。其中，多台可配置共用电池的不间断电源之间可以是并联连接。
由上可知，本申请实施例提供的不间断电源并机***，组成并机的UPS包括用于连接共用电池的充放电电路，充放电电路中设置有第一IGBT、第二IGBT和第三IGBT，一方面，通过三个IGBT的开关动作可以实现对连接的共用电池的充放电，另一方面，在组成并机***时，第三IGBT能够有效截止并机***中的环流，可见，在本申请实施例中，通过在不间断电源的充放电电路中仅增加一个开关管IGBT，即低成本的实现了环流抑制。
在一些实施例中，上述包含两台以上的可配置共用电池的不间断电源的并机***中，各台不间断电源之间通过CAN总线连接，实现不间断电源之间的通信。为了防止不同UPS对共用电池的充放电控制不同步，在对共用电池进行充电控制时，同一时刻可以由所述两台以上的不间断电源中的一台作为主机对共用电池进行充电。
在一些实施例中，各台不间断电源之间通过CAN总线连接，实现不间断电源之间的通信，当对共用电池进行充电的不间断电源出现故障时，可以切换为所述两台以上的不间断电源中的正常的一台不间断电源替代出现故障的不间断电源继续对共用电池进行充电。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可配置共用电池的不间断电源，其特征在于，所述不间断电源包括用于连接共用电池的充放电电路；
所述充放电电路包括：
用于连接共用电池两极的第一连接端和第二连接端；
充放电电感；
第一IGBT，其发射极经所述充放电电感连接所述第一连接端，其集电极连接所述不间断电源的直流电容电路的第一端；
第二IGBT，其发射极连接所述第二连接端，其集电极经所述充放电电感连接所述第一连接端；和，
第三IGBT，其发射极连接所述直流电容电路的第二端，其集电极连接所述第二连接端；或者，其发射极连接所述第二连接端，其集电极连接所述直流电容电路的第二端；
其中，所述第一IGBT和所述第三IGBT集成有续流二极管；
其中，在连接共用电池时，若所述第三IGBT的发射极连接所述直流电容电路的第二端，集电极连接所述第二连接端，则：所述不间断电源设置有第一工作模式和第二工作模式；
在第一工作模式下，所述第二IGBT基于脉冲控制信号控制运行，所述第一IGBT和所述第三IGBT保持关断，以使共用电池放电；且，
在第二工作模式下，所述第二IGBT保持关断，所述第一IGBT和所述第三IGBT基于脉冲控制信号控制运行，以对共用电池充电；
其中，在连接共用电池时，若所述第三IGBT的发射极连接所述第二连接端，集电极连接所述直流电容电路的第二端，则：所述不间断电源设置有第三工作模式和第四工作模式；
在第三工作模式下，所述第一IGBT关断，所述第二IGBT和所述第三IGBT基于脉冲控制信号互补运行，以使共用电池放电；且，
在第四工作模式下，所述第一IGBT保持开通，所述第二IGBT和所述第三IGBT保持关断，以对共用电池充电。
2.如权利要求1所述的可配置共用电池的不间断电源，其特征在于，所述不间断电源设置有电池缓启动模式；
在连接共用电池时，若所述第三IGBT的发射极连接所述第二连接端，集电极连接所述直流电容电路的第二端，则：
在电池缓启动模式下，所述共用电池启动时，所述第一IGBT和所述第二IGBT关断，所述第三IGBT的占空比在预设时间内由0逐渐增加至指定值。
3.如权利要求1或2所述的可配置共用电池的不间断电源，其特征在于，所述第二IGBT、所述第三IGBT与所述第二连接端之间还串联有电磁兼容元件。
4.如权利要求3所述的可配置共用电池的不间断电源，其特征在于，所述电磁兼容元件与所述第二连接端之间还串联有保险丝；
所述充放电电感与所述第一连接端之间还串联有霍尔元件。
5.如权利要求4所述的可配置共用电池的不间断电源，其特征在于，所述直流电容电路包括两个串联连接的直流电容。
6.一种不间断电源并机***，其特征在于，所述并机***包括共用电池和两台以上的如权利要求1至5中任一项所述的不间断电源。
7.如权利要求6所述的不间断电源并机***，其特征在于，所述两台以上的不间断电源通过CAN总线通信连接，在对共用电池进行充电时，同一时刻由所述两台以上的不间断电源中的一台对共用电池进行充电。
8.如权利要求7所述的不间断电源并机***，其特征在于，当对共用电池进行充电的不间断电源出现故障时，切换为所述两台以上的不间断电源中的正常的一台不间断电源对共用电池进行充电。
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