专利名称：不间断电源设备和使用可重构电力存储网络的方法
不间断电源设备和使用可重构电カ存储网络的方法
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カ存储装置的电源设备和方法。高容量高可用性的电カ存储装置，比如超级电容，通常用于在比如电动汽车驱动，太阳能和风カ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カ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カ系统，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
在本发明主题的ー些实施例中，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カ给负载。系统进一歩包括网络配置电路，其配置为响应于控制输入来改变第二电源的多个电カ存储单元的的互连。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カ存储单元的并联和串联耦接。电カ存储单元可包括超级电容。在进ー步实施例中，UPS电路包括第一 UPS电路并且系统进ー步包括第二 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カ存储容量。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电路可以是具有相同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カ至负载。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カ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カ存储单元的并联和串联耦接。在ー些方法实施例中，包含多个可互联电カ存储单元的电源被耦接至UPS系统的UPS电路的输入。电カ存储单元之间的互连响应于控制输入而改变。例如，电カ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。
图1是示出根据本发明主题的ー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ー些实施例的电カ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ー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ー些实施例的电容式电カ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ー些实施例的电容式电カ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ー些实施例的可重构电カ存储网络的示意图。图8和9是图示使用图7的电カ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カ存储网络的示意图。图11和12是图示根据本发明主题的ー些实施例的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。
具体实施例方式本发明主题的具体实施例将參考附图描述。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，相同的数字代表相同的元件。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組合。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，単数形式“一”，“ー个”以及“该”也包括复数形式，除非清楚地表述。应进一歩理解术语“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。应当进一歩理解术语，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。本发明主题的ー些实施例可包括硬件和/或硬件和软件的组合。本发明主题的ー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參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ー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包括多个电カ存储单元22。更具体地，电源20的电カ存储单元22的互连可由电カ存储网络配置电路110响应于控制输入111来改变，比如电源20的电カ含量的测量值。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的电カ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，与初始配置中的电カ存储单元22，开始经由换流器电路120 (方框210)提供电カ给负载10。产生电源20的状态(例如，电压)的测量值(方框220)。如果产生的測量值不满足指示用于电カ存储单元22的互连的重新配置需求的标准，电源20继续提供电カ给负载10 (方框230，210)。如果产生的测量值指示重新配置的需求，电カ存储单元22的互连被改变，并且电源20继续提供电カ给负载 20 (方框 230，240，210)。图1的电カ存储单元22例如可包括超级电容，电化学电池和/或其组合。在ー些在此描述的实施例中，电カ存储单元22可包含多个超级电容，并且电カ存储网络配置电路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。在进ー步的实施例中，这样的电カ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。在ー些实施例中，这样的用于多个超级电容的电カ存储网络配置控制，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カ，这里显示为包含多个超级电容20 ’，超级电容器20 ’具有由电カ存储网络配置电路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所示线路的电カ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カ给其中的换流器。应进一歩理解超级电容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。本发明主题的ー些实施例产生于实现ー些比如超级电容的电カ存储单元可提供电カ基本突发(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カ存储装置接收电力。
图4图示根据本发明主题的ー些实施例的图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’的単位电压(比如每超级电容)小于阈值电压Vth(k)(方框430)。如果每单位电压超过阈值电压Vth(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Vth(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’继续传送电カ给负载10(方框410)。当超级电容20’继续发送电カ给负载10吋，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’的电カ已经耗尽。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カ状态Wl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，电池达到电カ状态W2，在该电剩余初始可用电カ的大约53%:
权利要求
1.种不间断电源(UPS)系统(300)，包括: UPS电路(310，315，320，330)，具有配置成耦接至负载的输出，以及配置成耦接至第一和第二电源的第一和第二输入，所述UPS电路配置成选择性地从所述第一和第二电源传送电カ给所述负载；以及 网络配置电路(340)，配置为响应于控制输入改变所述第二电源的多个电カ存储单元的互连。
2.据权利要求1所述的系统，其中所述网络配置电路可操作以检测所述第二电源的状态和响应于检测到的状态来修改所述电カ存储单元的并联和串联耦接。
3.据权利要求1所述的系统，其中所述控制输入包括所述第二电源的电压。
4.据权利要求1所述的系统，其中所述电カ存储单元包括超级电容。
5.据权利要求1所述的系统，其中所述UPS电路包括换流器，该换流器具有配置成耦接至所述第二电源的输入。
6.据权利要求5所述的系统，其中所述UPS电路进ー步包括DC/DC电路，该DC/DC电路具有配置成耦接至所述第二电源的输入和耦接至所述换流器输入的输出。
7.据权利要求1所述的系统，其中所述UPS电路包括第一UPS电路并且其中该系统进ー步包括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第一电源和第三电源的第一和第二输入的第二 UPS电路。
8.据权利要求7所述的系统，其中所述第三电源具有比所述第二电源更大的电カ存储容量。
9.据权利要求8所述的系统，其中所述第二电源包括多个超级电容并且其中所述第三电源包括机电电池。
10.据权利要求7所述的系统，其中所述第一UPS电路和所述第二UPS电路包括相同的电カ转换模块。
11.据权利要求1所述的系统，其中所述UPS电路包括配置成耦接至第三电源的第三输入并且其中所述UPS电路配置成选择性地从所述第一，第二和第三电源传送电カ给所述负载。
12.据权利要求11所述的系统，其中所述第二电源包括多个超级电容并且其中所述第三电源包括机电电池。
13.种电源系统(100),包括: 换流器电路(120)，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 网络配置电路(110)，配置成响应于控制输入来改变所述电源的多个电カ存储单元的互连。
14.据权利要求13所述的系统，其中所述网络配置电路可操作以检测所述电源的状态并且响应于检测到的状态来修改所述电カ存储单元的并联和串联耦接。
15.据权利要求13所述的电源，其中所述电カ存储单元包括电容。
16.种操作UPS系统(300)的方法，该方法包括: 将包括多个可互连的电力存储单元的电源(20’ )耦接至所述UPS系统的UPS电路(310，315，320，330)的输入；以及 响应于控制输入来改变在所述电カ存储单元之中的互连。
17.据权利要求16所述的方法，进ー步包括检测所述电源的状态并且其中响应于控制输入来改变在所述电カ存储单元之中的互连，包括响应于检测到的状态来修改所述电カ存储单元的并联和串联耦接。
18.据权利要求16所述的方法，其中将包括多个可互连的电力存储单元的电源耦接至所述UPS系统的UPS电路的输入，包括将包括多个可互连的电力存储单元的第一电源耦接至第一 WS电路的输入，并且其中该方法进ー步包括将第二电源耦接至具有与所述第一UPS电路的输出并联耦接的输出的第二 UPS电路。
19.据权利要求18所述的方法，其中所述第一电源包括多个超级电容并且其中所述第二电源包括机电电池。
20.据权利要求16所述的方法，其中将包括多个可互连的电力存储单元的电源耦接至所述UPS系统的UPS电路的输入，包括将包括多个可互连的电力存储单元的第一电源耦接至所述UPS电路的第一 输入并且其中该方法进ー步包括将第二电源耦接至所述UPS电路的第二输入。
21.据权利要求20所述的方法，其中所述第一电源包括多个超级电容并且其中所述第二电源包括机电电池。
全文摘要
一种电源系统，包括例如不间断电源(UPS)的换流器电路的换流器电路，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。
文档编号H02J9/06GK103098342SQ201180037129
公开日2013年5月8日 申请日期2011年7月28日 优先权日2010年7月28日
发明者P·泰梅拉, R·W·小约翰逊, A·欧利弗 申请人:伊顿公司