采用可再充电电化学单元的快速切换的备用供电系统技术方案

备用可再充电电池供电系统(10)包括通信链路和开关(75、85、90、92)的配置，以允许电池备用功率由处于就绪模式的电池单元内的单元(80)提供并且被提供到处于非就绪模式或维护模式的旁路电池。开关(75、85、90、92)的独特配置和通信方法使得能够非常快速地提供备用功率，以避免向负载的功率的中断。每个电池单元(80)具有充电开关(92)和放电开关(90)以及功率开关(75)。功率开关(75)以及充电开关(92)或放电开关(90)中的一个开关必须被闭合，以分别允许电池单元充电或放电。旁路开关(85)可以由电池系统控制(70)控制或由单元控制器(87)控制，并且当旁路开关(85)闭合时，单元(80)可以从放电或充电而被旁路。电池单元(80)可以是电化学单元，诸如金属空气电池。

A fast switching standby power supply system with rechargeable electrochemical cells

The standby rechargeable battery power supply system (10) includes a configuration of communication links and switches (75, 85, 90, 92) to allow the battery standby power to be provided by the unit (80) in the battery unit in the ready mode and to the bypass battery in the not ready mode or the maintenance mode. The unique configuration and communication method of the switches (75, 85, 90, 92) enables the backup power to be provided very quickly to avoid power interruption to the load. Each battery unit (80) has a charge switch (92) and a discharge switch (90) and a power switch (75). One of the power switch (75) and the charge switch (92) or the discharge switch (90) must be closed to allow the cell to charge or discharge, respectively. The bypass switch (85) can be controlled by the battery system control (70) or by the unit controller (87), and when the bypass switch (85) is closed, the unit (80) can be bypassed from discharging or charging. The battery unit (80) may be an electrochemical unit, such as a metal air battery.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】采用可再充电电化学单元的快速切换的备用供电系统相关申请的交叉引用本申请要求于2017年04月09日提交的美国临时申请号62/483,443的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
本专利技术涉及采用可再充电电化学单元的快速切换的备用供电系统。
技术介绍
备用供电系统必须在主电源中断时快速响应。当主电源发生故障或供电电平下降时，即使是几分之一秒的负载的功率丢失也可能会出现问题，尤其是在当今复杂的计算机系统的情况下。在使用电池作为备用功率源的现有技术备用系统(具有在单元电平操作的连接开关)中，功率的下降或丢失的通信被提供给中央控制器，中央控制器又向单元发出信号以激活它们的开关，以用于将电池连接到电路。由于在发生功率丢失时使电池上线以满足功率需求可能存在滞后，因此通常使用高放电率电容器来避免中断。高放电率电容器可以非常快速地放电，但是通常具有低能量密度，并且昂贵。高放电率电容器还用于其中在能够使电池上线以进行充电/存储之前充电负载可以快速突增或饱和的应用。例如，清除云覆盖范围或风力模式的改变可能导致太阳能单元或风力涡轮机场上的可用能量快速增加超出其供电的电网的需求，并且高充电率电容器用于对电池组进行缓冲，直到足够的容量上线以接受递送的功率。可再充电电化学单元具有其他特定特性，这些特性使得在备用供电系统中利用它们具有挑战性。可再充电电化学单元(诸如金属-空气单元、铅-酸电池和锂电池)必须经受维护，在维护中单元离线以防止它们与主电源和/或负载耦合。这种维护可以包括负载平衡、深度放电、强制重置等。另外，可再充电电化学单元可以具有下降的电荷状态，不足以使得能够以供电模式利用单元。因为每个单元单独运行，所以利用这种单元的快速响应备用供电可能会造成独特的问题。在参考图1-图3的详细描述部分中讨论了根据现有技术的设计的示例。这些设计的缺点在于，单元转换到它们准备好放电或充电的状态由系统控制器管理，这比较缓慢并且专用于在转换中产生可能的延迟的各种其他功能。
技术实现思路
本专利技术的一个方面提供了一种用于与主电源结合使用的备用供电系统。系统包括主功率传感器，其被配置成检测由主电源向负载提供的主功率的特性。主功率传感器被配置成输出阈值信号，该阈值信号基于检测到的特性来指示放电模式或充电模式。系统还包括系统控制器和电池系统。电池系统包括布置成串联结构的多个可再充电电池单元。每个单元包括：(i)单元控制器；(ii)被耦合到单元控制器的至少一个就绪状态传感器，以用于感测单元的一个或多个状况，以用于确定：可再充电电池单元是否处于就绪充电模式以进行充电，以及可再充电电池单元是否处于就绪放电模式以进行放电；(iii)单元旁路开关，被耦合到单元控制器，单元旁路开关在正常状态和旁路状态之间可切换，正常状态用于使得所述单元能够电耦合成所述串联结构，旁路状态用于旁路串联结构内的单元；以及(iv)功率开关，在闭合状态和断开状态之间可切换，闭合状态电耦合串联结构内的电池单元以在电池和负载之间传输功率，断开状态将电池单元从串联结构解耦。主功率传感器被并联耦合到系统控制器和每个单元，以用于直接向其传送阈值信号。这避免了通过系统控制器将阈值信号传输到单元。每个单元被配置成响应于接收到阈值信号而将其功率开关切换到闭合状态。每个单元控制器还被配置成响应于至少一个就绪状态传感器而在旁路状态和正常状态之间切换旁路开关。处在系统层级的其他装置调节从单元输出或向单元输入的电流和/或电压，并且功率开关(以及可能的其他开关)的操作使得可用的单元能够合适地快速转换到用于充电或放电的状况，如可以可应用的。对于任何未就绪的单元，旁路开关功能可以用于旁路该单元，同时保持串联结构。在一些实施例中，主功率传感器可以被并联耦合到每个单元的单元控制器，以用于直接向其传送阈值信号。在其他实施例中，主功率传感器可以被并联耦合到专用电路以用于管理处于单元电平的相关开关。从以下详细描述、附图和所附权利要求将理解本专利技术的其他目的、特征和优点。附图说明附图被包括以提供对本专利技术的进一步理解，并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分，图示本专利技术的实施例，并且与本说明书一起用于解释本专利技术的原理。图1示出了现有技术的备用供电系统，其被耦合到负载并且被配置成通过电压传感器测量主供电的电压，该电压传感器被耦合到与每个单元通信的控制器。图2示出了现有技术的备用供电系统，其被耦合到负载并且被配置成通过电流传感器测量主供电的电流，该电流传感器被耦合到与每个单元通信的控制器。图3示出了现有技术单元的图示，该单元具有微控制器以及多个开关、放电开关和充电开关，并且其中单元接收来自控制器的关于主供电的状态的信号。图4示出了本专利技术的示例性备用供电系统的实施例，其被耦合到负载并且被配置成通过电压传感器测量主供电的电压，该电压传感器被耦合到单元控制器中的每个单元控制器。图5示出了本专利技术的另一示例性备用供电系统的实施例，其被耦合到负载并且被配置成通过电流传感器测量主供电的电流，该电流传感器被耦合到单元控制器中的每个单元控制器。图6示出了本专利技术的示例性备用供电系统的实施例，其被耦合到负载并且被配置成通过电压传感器测量主供电的电压，该电压传感器被硬连线到单元中的每个单元。图7示出了本专利技术的示例性备用供电系统的实施例，其被耦合到负载并且被配置成通过电流传感器测量主供电的电流，该电流传感器被硬连线到单元中的每个单元。图8示出了示例性单元的图示，该单元具有微控制器以及多个开关、放电开关和充电开关，并且其中主供电传感器被硬连线到单元。图9示出了示例性备用供电系统的示例性控制图，在传感器检测到主电源低于阈值电平时，该备用供电系统将处于就绪放电模式的单元连接到负载，以向负载供电；其中传感器与控制器连接，控制器与单元中的每个单元通信。图10示出了示例性备用供电系统的示例性控制图，在传感器检测到主电源高于阈值电平时，该备用供电系统将处于就绪充电模式的单元连接到主供电；其中传感器与控制器连接，控制器与单元中的每个单元通信。图11示出了示例性备用供电系统的示例性控制图，在传感器检测到主电源低于阈值电平时，该备用供电系统将处于就绪放电模式的单元连接到负载，以向负载供电；其中传感器与单元中的每个单元直接连接。图12示出了示例性备用供电系统的示例性控制图，在传感器检测到主电源高于阈值电平时，该备用供电系统将处于就绪充电模式的单元连接到主供电；其中传感器与单元中的每个单元直接连接。图13和图14示出了示例性电化学单元。具体实施方式贯穿附图的若干视图，对应的附图标记指示对应的部件。附图表示本专利技术的一些实施例的说明，而不应当被解释为以任何方式限制本专利技术的范围。另外，附图不一定按比例绘制，可以夸大某些特征以示出特定部件的细节。因此，在本文公开的具体结构和功能细节不应当被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于与主电源结合使用的备用供电系统，所述系统包括：/n主功率传感器，被配置成检测由所述主电源向负载提供的主电功率的特性，所述主功率传感器被配置成输出阈值信号，所述阈值信号基于检测到的所述特性来指示放电模式或充电模式；/n系统控制器；/n电池系统，包括布置成串联结构的多个可再充电电池单元，每个单元包括：/n(i)单元控制器；/n(ii)至少一个就绪状态传感器，被耦合到所述单元控制器，用于感测所述单元的一个或多个状况，以用于确定：所述可再充电电池单元是否处于就绪充电模式以进行充电，以及所述可再充电电池单元是否处于就绪放电模式以进行放电；/n(iii)单元旁路开关，被耦合到所述单元控制器，所述单元旁路开关在正常状态和旁路状态之间可切换，所述正常状态用于使得所述单元能够电耦合成所述串联结构，所述旁路状态旁路所述串联结构内的所述单元；以及/n(iv)功率开关，在闭合状态和断开状态之间可切换，所述闭合状态电耦合所述串联结构内的所述电池单元以在所述电池和所述负载之间传输功率，所述断开状态将所述电池单元从所述串联结构电解耦；/n其中所述主功率传感器被并联耦合到所述系统控制器和每个单元，以用于向每个单元直接传送所述阈值信号；/n其中每个单元被配置成：响应于接收到所述阈值信号而将所述功率开关切换到所述闭合状态；/n其中每个单元控制器被配置成：响应于所述至少一个就绪状态传感器而在所述旁路状态和所述正常状态之间切换所述旁路开关。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170409 US 62/483,4431.一种用于与主电源结合使用的备用供电系统，所述系统包括：
主功率传感器，被配置成检测由所述主电源向负载提供的主电功率的特性，所述主功率传感器被配置成输出阈值信号，所述阈值信号基于检测到的所述特性来指示放电模式或充电模式；
系统控制器；
电池系统，包括布置成串联结构的多个可再充电电池单元，每个单元包括：
(i)单元控制器；
(ii)至少一个就绪状态传感器，被耦合到所述单元控制器，用于感测所述单元的一个或多个状况，以用于确定：所述可再充电电池单元是否处于就绪充电模式以进行充电，以及所述可再充电电池单元是否处于就绪放电模式以进行放电；
(iii)单元旁路开关，被耦合到所述单元控制器，所述单元旁路开关在正常状态和旁路状态之间可切换，所述正常状态用于使得所述单元能够电耦合成所述串联结构，所述旁路状态旁路所述串联结构内的所述单元；以及
(iv)功率开关，在闭合状态和断开状态之间可切换，所述闭合状态电耦合所述串联结构内的所述电池单元以在所述电池和所述负载之间传输功率，所述断开状态将所述电池单元从所述串联结构电解耦；
其中所述主功率传感器被并联耦合到所述系统控制器和每个单元，以用于向每个单元直接传送所述阈值信号；
其中每个单元被配置成：响应于接收到所述阈值信号而将所述功率开关切换到所述闭合状态；
其中每个单元控制器被配置成：响应于所述至少一个就绪状态传感器而在所述旁路状态和所述正常状态之间切换所述旁路开关。


2.根据权利要求1所述的备用供电系统，其中所述单元控制器被配置成：独立于所述阈值信号而在所述正常状态和所述旁路状态之间切换所述旁路开关。


3.根据权利要求1所述的备用供电系统，其中每个单元包括燃料电极、阴极和充电电极，每个单元还包括：
放电开关，在闭合位置和断开位置之间可切换，所述闭合位置用于通过所述阴极将所述单元耦合到所述串联结构以用于对所述单元放电，所述断开位置用于将所述阴极从所述串联结构解耦，以及
充电开关，在闭合位置和断开位置之间可切换，所述闭合位置用于通过所述充电电极将所述单元耦合到所述串联结构以进行充电，所述断开位置用于将所述充电电极从所述串联结构解耦，
其中每个单元还被配置成：响应于所述阈值信号指示所述放电模式而将所述放电开关切换到所述放电开关的闭合位置，并且响应于所述阈值信号指示所述充电模式而将所述充电开关切换到所述闭合位置。


4.根据权利要求3所述的备用供电系统，其中所述单元控制器被配置成：独立于所述阈值信号而在所述正常状态和所述旁路状态之间切换所述旁路开关。


5.根据权利要求3所述的备用供电系统，其中所述主功率传感器被并联耦合到每个单元的所述单元控制器，以用于向所述单元控制器直接传送所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·克里施南，J·E·巴纽洛斯索利斯，
申请(专利权)人：南特能源公司，
类型：发明
国别省市：美国;US