CN1411119A

CN1411119A - 电池后备式直流不间断电源

Info

Publication number: CN1411119A
Application number: CN 02133105
Authority: CN
Inventors: 孙康; 孙宝库
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2003-04-16
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: CN1209863C

Abstract

本发明公开了一种电池后备式直流不间断电源，它采用直流电输出，电池备用供电的工作模式，取消了现有交流不间断电源中的DC/AC逆变电路，它结构简单，生产成本低，运行成本低，可靠性高，效率高，适宜被广泛地使用于信息、网络行业中各种电子设备的不间断供电。

Description

电池后备式直流不间断电源

本发明涉及一种不间断电源，特别是一种电池后备式直流不间断电源。

随着电子信息技术的快速发展，确保各类电子信息设备的不间断供电日显重要。因此，作为电子信息设备保护神之一的不间断电源也得到了大力发展和推广应用。目前，在已投入使用的不间断电源中，基本上都是交流输出的不间断电源，其输出电压的形式与市电的供电形式是一致的，广大用户也就自然而然地接受了这种交流输出的不间断电源。但是，在电子信息设备中，基本上都是采用开关电源供电的，就其本质而言，开关电源并不需要交流供电，用直流供电完全可以，只不过当前通行的做法是从交流电经过整流之后得到这个直流电。因此，现有的交流不间断电源将电池中的直流电逆变成交流电输出的做法是不合理的，而将电池中的直流电直接输出才是一种合理的选择。

关于直流不间断供电的技术方案，在近几年中已经提出，国家知识产权局已经授权了几个采用直流不间断供电的专利：无逆变器不间断电源，CN2322302Y、高压直流不间断电源，CN2468203Y；还公告了几个正在申请的专利：无功耗不间断电源，CN1271986A、绿色不间断电源，CN1285641A。在这些专利中，基本上都采用了将电池组与电源整流器相并联的方案。采用这种方案时，直流不间断电源整流器的输出端电压，既是该电源的输出电压，又是电池组的充电电压。由于电源的输出电压是由负载决定的，不能任意提高，而每一节电池的充电电压又是基本固定的，例如一节12V的电池充电电压约为14V，这就限定了电池组中串联连接的电池节数也不能随意增加。

本发明的目的是提供一种直流电输出，并且电池组的充电电压可以高于电源输出电压，使电池组内可串联更多节电池的电池后备式直流不间断电源。

本发明的目的是这样实现的：它包括交流滤波器、整流器、检测电路、主控、显示、报警电路、直流电源、输出滤波电容(C)，其特征是：它还包括电池充电电源和充电控制器、电池组(E)、电池供电开关(K)和开关(K)的控制电路；电池充电电源和充电控制器的输出端与电池组(E)的一端相连接，并同时与电池供电开关(K)相连接，电池供电开关(K)的另外一端与电源的一个输出端相连接，电池组(E)的另外一端与电源的另外一个输出端相连接，开关(K)的控制电路与主控、显示、报警电路相连接，并控制开关(K)的开通或关断；在正常供电状态和电池供电状态时，均采用直流电压输出。

在上述结构的电路中，若交流供电正常，则电池供电开关(K)处于关断状态，电池组(E)所储存的电能不参与电源的输出，而是处于后备状态，只有在交流供电中断时，电池供电开关(K)才迅速开通，使电池组(E)与输出端接通，由电池组向负载提供储存的电能。

采用本发明的电池后备式直流不间断电源后，就可以采用高于电源输出电压的电池充电电压，使电池组串联的电池节数更多，储存的电能更大。如果能配合使用“电池切换装置”技术(专利申请号：02109341.5)还能大大提高电池组的供电可靠性，使电子信息行业中的广大用户得到更好的供电保证，因而具有明显的技术进步。

下面结合附图详述本发明。

图1为本发明组成原理框图。图2为本发明另外一种连接方法的组成原理框图，其工作原理与图1基本相同。图3为本发明采用可控硅(KS)这种电子开关作为电池供电开关(K)的组成原理框图。图4为本发明采用带有交流旁路输出通道的组成原理框图。图5为本发明在输入端接入隔离变压器的组成原理框图。图6为本发明在普通整流器之后加入功率因数校正电路(PFC)的组成原理框图。图7为本发明的电池充电电源和充电控制器改由直流供电的组成原理框图。图8为本发明实施例1供电主通道的电路图。图9为本发明实施例1单片机及控制、显示、报警电路的电路图。图10为本发明实施例2供电主通道的电路图。图11为本发明实施例2单片机及控制、显示、报警电路的电路图。

由图1可知，在本发明的电路组成中，包括了交流滤波器、整流器、检测电路、主控、显示、报警电路、直流电源、输出滤波电容(C)，它还包括电池充电电源和充电控制器、电池组(E)、电池供电开关(K)和开关(K)的控制电路；电池充电电源和充电控制器的输出端与电池组(E)的一端相连接，并同时与电池供电开关(K)相连接，电池供电开关(K)的另外一端与电源的一个输出端相连接，电池组(E)的另外一端与电源的另外一个输出端相连接，开关(K)的控制电路与主控、显示、报警电路相连接，并控制开关(K)的开通或关断；在正常供电状态和电池供电状态时，均采用直流电压输出。

在图2中，电池供电开关(K)改接在输出电压的低电平端(V_0-)，其它部分的组成和工作原理与图1基本相同。

在图3中，采用了可控硅(KS)这种电子开关作为电池供电开关(K)，其它部分的组成和工作原理与图1基本相同，还有多种功率开关器件如大功率三极管、场效应管等都可用作电子开关。

在图4中，L为交流火线，N为交流零线，JD为双刀双掷切换单元。在一些交流不间断电源中，其内部设置了一个交流旁路通道，用于设备维修或紧急情况下使用。在本发明的电池后备式直流不间断电源中，也可以保留一个交流旁路通道，JD就是用于实现直流输出与交流旁路输出这两种不同输出状态的切换。当输出功率较小时，JD可以采用快速强电继电器；当输出功率较大时，JD可以采用电子开关，如大功率可控硅。其它部分的组成和工作原理与图1相同。

在图5中，在交流滤波器输出端接入了隔离变压器，可以改善电源的输入特性，其它部分的组成和工作原理与图1相同。

图6中，在普通整流器与滤波电容(C)之间***了功率因数校正电路(PFC)，可以改善电源的输入特性，其它部分的组成和工作原理与图1相同。

图7中，电池充电电源和充电控制器改由直流供电，其它部分的组成和工作原理与图1相同。

图8和图9是本发明的实施例1，其中图8是供电主通道的电路图，图9是以单片机为核心的控制、显示、报警电路的电路图。

图8中，V_IN为交流输入端，L为火线，N为零线，G为地线；KA为电源开关；FA为输入保险；RV为压敏电阻，在220V供电***中可选390V或430V；CA1、CA2、CA3为高压滤波电容，它们与电感LA组成交流滤波器，阻断高频干扰的输入和输出；DB1为高压大电流整流桥，型号为KBPC系列；VS为单向可控硅，型号为KP系列，IC1为晶闸管输出型光电耦合器，型号为MOC3021，它与R1、R2组成VS的门极触发电路，R0和C0用于防止VS误触发；L为滤波电抗器；B为串联电池组，在220V供电环境下，可采用20～26节12V电池串联组成；C1和C2为高压滤波电容；FD1为输出保险；JD为双刀双掷强电继电器，可选HP型或HG型，图中左上触点为常开触点，左下触点为常闭触点；V_OUT为输出端，当JD没有动作时，转换端(输出端)与常闭触点连接，V_OUT接交流旁路通道，当JD动作时，转换端与常开触点连接，V_OUT接直流输出；HVB和HVO是脉冲输出型电压互感器，HVB用于检测电池组的电压，HVO用于检测直流输出电压；T为小型变压器；DB2为小电流整流桥，也可以采用4只二极管IN4004；D0为二极管IN5404；由T、DB2和C8组成电池充电电源；T0为三极管C9013；IC2为光电耦合器TLP521，以T0和IC2为核心，组成交流电压过零检测电路，每当输入交流电压过零时，该电路在INT0端产生一个负脉冲；IC3为光电耦合器H11D1；TC1为NPN三极管C3169；TC2为NPN三极管C2688，以IC3、TC1和TC2为核心，组成充电控制器；ICK为MOC3021；KS为单向可控硅，为KP系列，以ICK和KS为核心，组成电池供电开关；SD为直流输入的开关电源，输出V_CC和V₁₂两组直流电压，其中V_CC为+5V，V₁₂为+12V；GND为这两者的公共地；KD为按钮开关；JB为强电继电器，用于供电自保；FD2为保险；C3、C4为V₁₂滤波，C5、C6为V_CC滤波。

图9中，U₀为单片机89C52，是本电源控制的核心部件，U₀的P0口的8位全部用于发光二极管LED1至LED8的控制，其中，LED1用于显示电池供电，LED2用于显示交流旁路供电，LED3用于显示正常直流供电，LED4至LED8共五只LED用于显示电池储电量的大小，每一个LED代表约20％的储电量，当这五只LED都亮时表示电池储电量最大，亮的越少，电池储电量越少，五只LED都不亮时表示电池放电终了，将要自动关机；P1口中，除P10用于电压互感器HVO的脉冲信号的输入及P17空着没用外，其余6位均用于控制输出，其中P11用于控制VS的导通，P12用于控制TC1的充电，P13用于控制电池供电开关KS，P14用于控制供电自保继电器JB，P15用于控制输出状态切换继电器JD，P16用于控制报警器SP的报警；P2口中，P20输入交流旁路开关K1的状态，K1闭合时，P20为低，电源转入交流旁路状态；P21输入电池供电开关K2的状态，K2闭合时P21为低，电源转入电池供电状态，如果K1和K2同时闭合，则K2的优先级高于K1，按转入电池供电控制，P2口中的其余六位没有使用，预留以后扩展功能时使用；P3口中，INT0用于接收交流电的过零中断信号，INT1用于接收按钮开关K3产生的关机中断信号，T1接收电压互感器HVB的脉冲信号，P3口中的其余五位没有使用，预留以后扩展功能时使用；C9和R21组成上电复位电路；TX为晶体，与电容CX1和CX2共同组成振荡电路；T1至T6为PNP三极管C9012；D1和D2为二极管IN4001。

本实施例的工作过程如下：

首先闭合KA，交流电压经过旁路通道和JD从V_OUT输出，再按KD，电池组B的直流电压经KD为开关电源SD供电，SD输出+5V电压V_CC和+12V电压V₁₂。单片机U₀在上电结束后从P14端输出低电平，使JB接通，实现为SD供电的自保。U₀从P11端输出脉冲控制VS的导通，VS导通角的大小由HVO检测到的输出直流电压的大小决定，大则减小导通角，小则增加导通角。当C1和C2充满电后，在交流输入电压过零时U₀从P15端输出低电压，控制JD动作，电源从交流旁路状态切换到直流输出状态，同时U₀从P02端输出低电平，LED3亮，指示正常直流输出的工作状态。U₀从T1端接收电压互感器HVB发出的电池组B的电压信号，当电池组充电不足时，U₀从P12端输出低电平，控制TC1导通，为电池组充电。如果交流电供电突然中断，则在规定的时间内INT0不会出现，U₀转入电池供电程序控制，不再从P11端发出使VS导通的脉冲，而从P13端输出低电平，使电池供电开关KS导通，同时从P00端输出低电平，LED1亮，从P02端输出高电平，LED3不亮，电源转入电池供电状态。当电池储电量充足时，U₀从P03至P07输出低电平，使LED4至LED8共五只都亮，当电池储电量随着放电逐渐减少后，LED4至LED8也随之不亮，当电池储量减少到20％，只有LED8亮时，U₀从P16端输出间隔低电压脉冲，使报警器SP发出间断报警声，当电池储量临近放电终了时，LED8不亮，U₀从P16端输出低电平，SP发出连续报警声，当电池储量到放电终了时，U₀从全部输出端口输出高电平，停止一切控制信号输出，由于JB的自保作用失去，SD停止供电，整个电源随着供电的终断而停止工作。如果在电源关机之前交流供电恢复，则信号INT0会继续产生，U₀在收到这一信号后，会继续控制VS导通，同时从P12端输出高电平，暂停对电池组B的充电，从P13端输出高电平，去掉KS的触发信号，由于停止充电后电池组处于向SD放电的状态，加在KS阳极的电压减少，而VS恢复导通后，输出电压增加，加在KS阴极上的电压也增加，这就使得KS转入关断状态，之后，U₀从P12端再次输出低电平，恢复对电池组B的充电，从P00端输出高电平，LED1不亮，从P02端输出低电平，LED3亮，电源恢复交流供电，直流输出的正常工作状态。

在正常上电结束后，如果K1和K2均没闭合，则电源按正常直流输出状态工作，如果K1闭合，则在交流输入电压过零时转入交流旁路状态，LED2亮；如果K2闭合，则转入电池供电状态，LED1亮；如果K1和K2都闭合，则K2的优先级高于K1，转入电池供电状态。

关机时，按动关机按钮开关K3，U₀在收到关机低电平信号INT1后，先在输入电压过零时从P15端输出高电平，使JD恢复常闭状态，电源转入交流旁路状态，之后U₀将所有输出端输出高电平，电源停止工作，再关断KA，输出电压V_OUT为零，电源关机。

图10和图11是本发明的实施例2，它采用快速强电继电器作为电池供电开关(K)，适用于输出功率较小的电源中，该电路的检测、显示、控制等工作原理均与实施例1基本相同，不再重复叙述。

Claims

1.一种电池后备式直流不间断供电电源，它包括交流滤波器、整流器、检测电路、主控、显示、报警电路、直流电源、输出滤波电容(C)，其特征是：它还包括电池充电电源和充电控制器、电池组(E)、电池供电开关(K)和开关(K)的控制电路；电池充电电源和充电控制器的输出端与电池组(E)的一端相连接，并同时与电池供电开关(K)相连接，电池供电开关(K)的另外一端与电源的一个输出端相连接，电池组(E)的另外一端与电源的另外一个输出端相连接，开关(K)的控制电路与主控、显示、报警电路相连接，并控制开关(K)的开通或关断；正常供电状态和电池供电状态时，均采用直流电压输出。