一种交流供电设备的备电系统、电路板及备电方法与流程

本申请涉及备电控制技术领域，特别涉及一种交流供电设备的备电系统、电路板及备电方法。

背景技术：

目前基站中的交流供电设备通常采用不间断电源(uninterruptiblepowersystem/uninterruptiblepowersupply，ups)进行备电。这种方案中，在市电正常供电时，市电的交流电压经过整流转换成直流电压为电池充电，而在市电停止供电时，电池输出的直流电压需要经过逆变转换为交流电压，交流电压再经过交流转换及升降压转换为合适电压的直流电压后，才能为负载进行供电。

因此，由于上述方案中存在了逆变等多余转换流程，导致电池输出的能量会在转换时存在较大部分损失，使得这种备电方案的能量转换效率较低。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请的目的是提供一种交流供电设备的备电系统、电路板及备电方法，用以解决现有技术中的备电方案电能转换效率较低的技术问题。

本申请的第一方面提供了一种交流备电设备的备电系统，其中包括以下结构：交流转换器和直流备电接口，其中，交流转换器接收交流供电设备提供的交流电，并将所述交流电转换为第一直流电，为负载供电；而直流备电接口连接于所述交流转换器和电池之间，将所述交流转换器输出的第一直流电传输给所述电池，以对所述电池充电；除此之外，直流备电接口还在所述交流供电设备停止提供交流电时，将所述电池输出的第二直流电传输给所述负载，为所述负载供电。可见，本申请中利用交流转换器将交流供电设备提供的交流电直接进行交流/直流转换，在得到直流电之后，为负载供电的同时，还利用连接于交流转换器和电池之间的直流备电接口将交流转换器输出的直流电传输给电池进行充电，从而在交流供电设备停止提供交流电时，电池可以通过直流备电接口将电池输出的直流电不需要经过逆变等操作直接传输给负载，为负载供电，由此，本申请中的备电系统中不需要逆变等多余转换操作，从而使得电池经过直流备电接口输出的直流电不会经过多次转换造成能量损失，从而提高备电中的能量转换效率，实现本申请目的。

本申请的第二方面提供了一种交流供电设备的备电系统的电路板，应用于包括交流转换器和直流备电接口的备电系统，其中，电路板中包括以下结构：电源板、负载业务板和直流备电接口板，其中，电源板分别与电池和所述备电系统中的交流转换器相连接，所述负载业务板与所述负载相连接，而所述电源板设置在所述电路板的后面板，所述负载业务板与所述电源板相邻，且所述负载业务板设置在所述电路板的前面板，所述直流备电接口板设置在所述电路板的前面板，且所述直流备电接口板与所述负载业务板及所述电源板分别相邻。可见，在备电系统的电路板中将电源板放到后面板，将负载业务板放到前面板，这样在前面板中有空余的空间设置直流备电接口板。

本申请的第三方面提供了一种交流供电设备的备电方法，应用于包含交流转换器和直流备电接口的备电系统中，该备电方法可以包括以下步骤：将所述交流供电设备提供的交流电利用所述交流转换器转换成第一直流电，在利用所述第一直流电为负载供电的同时，将所述第一直流电利用直流备电接口传输给电池，以对所述电池充电；而在所述交流供电设备停止提供交流电时，将所述电池输出的第二直流电通过所述直流备电接口传输给所述负载，为所述负载供电。可见，本申请中利用交流转换器将交流供电设备提供的交流电直接进行交流/直流转换，在得到直流电之后，为负载供电的同时，还利用连接于交流转换器和电池之间的直流备电接口将交流转换器输出的直流电传输给电池进行充电，从而在交流供电设备停止提供交流电时，电池可以通过直流备电接口将电池输出的直流电不需要经过逆变等操作直接传输给负载，为负载供电，由此，本申请中的备电系统中不需要逆变等多余转换操作，从而使得电池经过直流备电接口输出的直流电不会经过多次转换造成能量损失，从而提高备电中的能量转换效率，实现本申请目的。

在一个实现方式中，备电系统中还包括：连接在所述交流转换器与所述负载之间的第一升降压转换器，该第一升降压转换器将所述交流转换器输出的第一直流电进行升降压转换得到三直流电，并将所述第三直流电输出给所述负载，为所述负载供电。可见，本申请的备电系统中不需要逆变等多余转换操作，从而使得交流电转换成直流电输出给负载时只需进行升降压转换，而不会经过多次转换造成能量损失，从而提高备电中的能量转换效率，实现本申请目的。

在一个实现方式中，备电系统中的第一升降压转换器还连接在所述交流转换器与所述直流备电接口之间，第一升降压转换器还将所述第三直流电输出给所述直流备电接口，由所述直流备电接口将所述第三直流电传输给所述电池，以对所述电池进行充电。可见，本申请的备电系统中不需要逆变等多余转换操作，从而使得交流电转换得到的直流电只需进行升降压转换为电池充电，而不会经过多次逆变转换造成能量损失，从而提高备电中的能量转换效率，实现本申请目的。

在一个实现方式中，备电系统中还包括：连接在所述交流转换器与所述直流备电接口之间的第二升降压转换器，该第二升降压转换器将所述交流转换器输出的第一直流电进行升降压转换得到第四直流电，并将所述第四直流电输出给所述直流备电接口，由所述直流备电接口将所述第四直流电传输给所述电池，以对所述电池进行充电。可见，本申请的备电系统中不需要逆变等多余转换操作，从而使得交流电转换得到的直流电只需进行升降压转换为电池充电，而不会经过多次逆变转换造成能量损失，从而提高备电中的能量转换效率，实现本申请目的。

在一个实现方式中，备电系统中还包括：连接在所述交流转换器与所述直流备电接口之间的单向导电电路，该单向导电电路阻挡所述电池输出的直流电倒流回所述交流供电设备。可见，本申请的备电系统中能够在市电停止提供交流电时，有效防止电池向负载输出的直流电倒流回交流供电设备。

在一个实现方式中，所述交流转换器为：pfc转换器。由此，pfc转换器可以将交流电转为直流电。

在一个实现方式中，备电系统中还包括：与所述负载相连接用于检测所述负载的当前功率的电流检测器以及连接在所述交流转换器与所述直流备电接口之间的限流控制器，该限流控制器基于所述负载的当前功率，对所述第一直流电中流向所述直流备电接口的支路电流进行控制。可见，本申请的备电系统中，能够有效防止因业务板等负载负荷突增导致交流供电设备无法为负载正常供电的情况。

在一个实现方式中，备电系统中还包括：连接在所述交流转换器与延迟电容之间的电压检测器，所述电压检测器在检测到所述第一直流电跌落到预设的阈值时，通知所述电池进行备电切换。可见，本申请的备电系统中通过电压检测器来实时监测交流转换器输出的直流电是否出现跌落，而在跌落到预设的阈值时，及时通知电池进行备电切换，从而控制电池对负载供电，以保证负载的正常用电。

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为电网中交流供电设备与负载及电池之间的连接结构图；

图2为刀片电源供电的示意图；

图3为rhub的供电示意图；

图4为刀片电源与rhub的的供电示意图；

图5为现有备电方案中能量转换示意图；

图6为本申请实施例所提供的交流供电设备的备电系统的结构示意图；

图7为本申请实施例中rhub的备电系统结构示意图；

图8为本申请实施例所提供的交流供电设备的备电系统的另一结构示意图；

图9为本申请实施例中rhub的备电系统的另一结构示意图；

图10及图11分别为本申请实施例所提供的交流供电设备的备电系统的又一结构示意图；

图12为本申请实施例中rhub的备电系统的又一结构示意图；

图13a为本申请实施例所提供的交流供电设备的备电系统的另一结构示意图；

图13b为本申请实施例中rhub的备电系统的另一结构示意图；

图14为rhub中延迟电容的连接结构示意图；

图15为本申请实施例所提供的交流供电设备的备电系统的又一结构示意图；

图16为本申请实施例中rhub的备电系统的又一结构示意图；

图17为本申请实施例提供的一种交流供电设备的备电系统的电路板的排布示意图；

图18为本申请实施例提供的一种交流供电设备的备电方法的流程图。

具体实施方式

图1所示为电网中交流供电设备与负载及电池之间的连接结构图，交流供电设备在正常提供交流电时，在为负载供电的同时，还对电池进行充电，而在交流供电设备停止提供交流电时，电池为负载供电。

其中，交流供电设备可以为市电系统的供电接口设备，如刀片电源等，为电池提供直流电，如48v的直流电，为负载提供交流电，如220vac的交流电。负载可以为各种需要消耗电能的业务板，如风扇、通用基础模块(commonbuildingblock，cbb)等。电池可以为能够将直流电的电能进行储存的蓄电池等设备，还可以将电能以直流电的形式输出给负载进行供电。

在现有的备电方案中，交流供电设备的备电方案通常采用ups方案，这种方案存在备电成本高、能量转效率低等问题。以交流刀片电源作为交流供电设备为射频拉远模块汇聚点(radioremoteunithub，rhub)系统备电为例，如图2中所示，刀片电源提供的交流电传输通过rhub传输至prru。该rhub的内部供电架构如图3中所示，刀片电源提供的交流电首先经过pfc之后，得到380v的直流电，而在对业务板供电时，经过dc/dc转换成所需要电压的直流电，如56v或12v的直流电，为其他供电设备(powersourcingequipment，pse)供电，或者为风扇、cbb等业务板供电。

具体实现中，如图4中所示，刀片电源提供的交流电需要首先经过外置电源模块中的交流/直流(alternatingcurrent/directcurrent，ac/dc)转换，整流成直流电，再经过升降压(directcurrent/directcurrent，dc/dc)转换之后，为外接电池模块中的电池充电；而刀片电源提供的交流电通过旁路模式将交流电传输给rhub，由rhub进行pfc及dc/dc转换，最终为pse、风扇或cbb等供电；而在刀片电源断电而无法正常提供交流电时，电池输出的直流电在经过dc/dc转换后需要经过一次直流/交流(directcurrent/alternatingcurrent，dc/ac)转换，再将转换后的交流电传输给rhub，由rhub进行pfc及dc/dc转换，从而达到刀片电源断电后为pse、风扇或cbb等供电。

需要说明的是，电池内置电池管理系统(batterymanagementsystem，bms)和dc/dc转换器等，用以对电池内的电芯包进行备电切换控制及对电芯包输出的直流电进行升降压转换。

也就是说，图4中，在市电正常时，交流电通过旁路模式输出，为交流负载进行供电；而市电停止时，电源切换为逆变模式，此时，电池输出直流电源通过电源内部的逆变模块转换为交流电，为交流负载进行供电。

因此，在现有的备电方案中，电池最终目的是为交流供电设备中的业务板等负载进行供电，但是电池输出的直流电压需要经过逆变转换为交流电压，而交流电压再经过pfc、dc/dc转换为直流电压才能为业务板进行供电，由于存在了逆变、pfc等多次转换流程，如图5中所示，导致电池输出的能量传输到业务板时会损失较大一部分能量，因此，该备电方案中电能的能量转换效率较低，并非最优的备电方案。

为解决现有备电方案中的能量转换效率低的问题，需要将交流供电设备与备电系统耦合起来，将电池组在备电系统中的位置可以跨过逆变、pfc等转换操作，通过最简便的方式为负载供电。

为此，本申请中在备电系统中提供一路直流备电接口，该接口与外接电池模块相连接进行备电，省去了外置电源模块中的ac/dc和dc/ac等整流和逆变模块，提高了能量转换效率，从而进一步的降低备电成本，也可以减小备电系统的体积。

例如，如图6中所示，为本申请实施例所提出的交流供电设备的备电系统的结构示意图，备电系统与交流供电设备相连接，在为负载供电的同时进行备电，该备电系统可以包括以下结构：

交流转换器601和直流备电接口602，交流转换器601与交流供电设备相连接，直流备电接口602连接在交流转换器601和电池之间，而且，直流备电接口602还与负载相连。

其中，在市电供应正常时，交流转换器601在接收交流供电设备所提供的交流电后，将交流电转换为第一直流电，并将第一直流电传输给负载，用于对负载供电。与此同时，交流转换器601在将交流电转化为第一直流电之后，直流备电接口602将第一直流电传输给电池，从而对电池进行充电。

可见，交流供电设备提供的交流电对负载供电的同时，对电池充电，这一过程中，不涉及多次逆变流程，减少能量转换损失。

除此之外，在市电停止供电时，即交流供电设备停止提供交流电时，直流备电接口602将电池输出的第二直流电传输给负载，为负载供电。而这一过程中，同样不涉及逆变流程，从而进一步提高能量转换效率。

其中，这里的交流转换器601可以为能够将交流电转换为直流电的整流模块，如将220v的交流电转换为380的直流电的ac/dc转换器等。而负载可以理解为各种需要消耗电能的设备，如风扇或cbb等业务板，或者，如需要为其他设备提供直流电供电的pse等。电池中集成bms和dc/dc转换器于一体，对直流备电接口602传输来的直流电进行电流转换，为电池充电。

由上述方案可知，本实施例中利用交流转换器将交流供电设备提供的交流电直接进行交流/直流转换，在得到直流电之后，为负载供电的同时，还利用连接于交流转换器和电池之间的直流备电接口将交流转换器输出的直流电传输给电池进行充电，从而在交流供电设备停止提供交流电时，电池可以通过直流备电接口将电池输出的直流电不需要经过逆变等操作直接传输给负载，为负载供电，由此，本实施例在备电时不需要逆变等多余转换操作，而电池经过直流备电接口输出的直流电也不会经过多次转换造成能量损失，从而提高备电中的能量转换效率。

以rhub为例，在rhub供电系统中，本实施例中省去rhub之前的外置电源模块，并在rhub中设置直流备电接口，具体结构如图7中所示，rhub中包括：pfc转换器和直流备电接口，交流供电设备提供的交流电从pfc转换器输入，并由pfc转换器转换成直流电，如将220v的市电交流电转换成380v的直流电，之后，pfc转换器输出的直流电输出给负载和直流备电接口，为负载供电，并由直流备电接口传输给电池，为电池进行充电，实现备电；而在交流供电设备的市电交流电停止提供时，电池输出直流电，并由直流备电接口传输给负载，为负载供电，实现备电供电。由此，以上rhub供电系统中无需设置多余的逆变模块，而是通过直流备电接口提供一条直流通路，通过该直流通路进行电池充放电。

在一种实现方式中，为了能够实现对负载直接供电，基于图6中的备电系统，可以在交流转换器601与负载之间串接一个第一升降压转换器603，该第一升降压转换器603也串接在交流转换器601与直流备电接口602之间，如图8中所示，这样第一升降压转换器603将交流转换器601输出的第一直流电如380v直流电进行升降压转换，得到相应电压的第三直流电，如56v的直流电，直接为负载供电的同时，传输给直流备电接口602，为电池充电。而为了对需要不同直流电压的负载供电，还可以在相应的负载支路上串接其他升降压转换器，为相应负载供电。

以rhub为例，rhub供电系统中由并行架构改为串行架构，并在56v支路上增加一路直流通路，由此，可以在电池备电的情况下，56v支路可以为12v支路供电，如图9中所示，rhub中包括：pfc转换器、dc/dc转换器和直流备电接口，交流供电设备提供的交流电从pfc转换器输入，并由pfc转换器转换成直流电，如将220v的市电交流电转换成380v的直流电，之后，pfc转换器输出的直流电输出dc/dc转换器，进行降压转换，输出56v直流电给负载pse和直流备电接口，为负载pse供电，并由直流备电接口传输给电池，为电池进行充电，实现备电；同时，56v支路还可以为12v支路上的负载如风扇和cbb等业务板供电，当然中间可以通过再串接一个dc/dc转换器进行降压转换，将56v支路上的56v直流电转换为12v直流电给风扇和cbb供电；而在交流供电设备的市电交流电停止提供时，电池输出直流电，并由直流备电接口传输给负载，为负载pse供电，或者经降压后给负载风扇和cbb供电，实现备电供电。由此，以上rhub供电系统中无需设置多余的逆变模块，而是通过直流备电接口提供一条直流通路，通过该直流通路进行电池充放电，进一步的，rhub供电系统中由并行架构改为串行架构并56v支路行设置直流备电接口，形成一路支路输出通路，从而不需要设置56v转换为380v的电路，由此来降低电路复杂度，提高电能的能量转换效率。

在另一种实现方式中，为了能够实现对电池直接充电，基于图6中的备电系统，可以在交流转换器601与直流备电接口602之间串接一个第二升降压转换器604，如图10中所示，交流转换器601输出的第一直流电为负载供电的同时，第二升降压转换器604将交流转换器601输出的第一直流电如380v直流电进行升降压转换，得到相应电压的第四直流电，传输给直流备电接口602，为电池充电。而为了对需要不同直流电压的负载供电，还可以在相应的负载支路上串接其他升降压转换器，为相应负载供电。

而为了在市电停止提供交流电时，防止电池向负载输出的直流电倒流回交流供电设备，在基于图6所示的备电系统中可以设置一个单项导电电路605，如电容等电路组件，如图11中所示，从而只允许电流从交流供电设备经过交流转换器601向负载和直流备电接口602传输，不允许电流从直流备电接口602向交流转换器601及交流供电设备传输，从而达到防止电流倒灌的目的。

以rhub供电系统为例，基于图9中的rhub结构示意图，在dc/dc转换器所在电路上串接防倒灌的单向导电电路，如图12中所示，该单向导电电路允许pfc转换器输出的直流电向直流备电接口和负载传输，不允许直流备电接口输出的直流电向dc/dc转换器和pfc转换器传输，实现电流防倒灌。

在一种实现方式中，由于交流供电设备的输出功率有限，为了防止因业务板等负载负荷突增导致交流供电设备无法为负载正常供电的情况，需要检测负载的供电电流来控制电池充电的充电支路电流。为此，可以在基于图6所示的备电系统中负载支路上设置电流检测器606，如图13a中所示，来实时检测负载的当前功率，并在直流备电接口所在支路上设置限流控制器607，来根据负载的当前功率，对交流转换器601所输出的直流电流向直流备电接口602的支路电流进行限流控制。

以rhub供电系统为例，基于如图12所示的rhub结构示意图，在56v支路和12v支路上均设置电流检测器，如图13b中所示，并在直流备电接口上串接限流控制器，从而当负载如pse、风扇和cbb等的当前功率突增且电池处于充电状态时，rhub限制电池的充电电流，提升负载支路的电流，从而即使在rhub内部电源的输出功率有限时也可以满足负载的电力充足，保证负载的正常运行。

在交流供电设备中，为了防止市电停止供电时电压突然跌落，通常会在母线上串联延迟电容，如图14中的rhub结构所示，在pfc转换器与负载之间设置延迟电容，但是，由于在供电母线上设置了延迟电容，在一定时长如20毫秒内母线电压会逐渐跌落，反而在供电支路上20毫秒内会保持不变，由此，供电支路上无法及时得知市电停止供应的情况，会出现备电切换不及时导致负载断电无法正常工作的情况。为解决这一问题，基于图6所示的备电系统中，可以在母线上延迟电容608与交流转换器601之间设置电压检测器609，如图15中所示，用来检测交流转换器输出的第一直流电如380v的直流电是否出现跌落，如果交流转换器输出的第一直流电出现跌落且跌落到预设的阈值时，那么及时通知电池进行备电切换，为负载供电。

其中，这里的阈值可以根据需求进行设置，以rhub供电系统为例，当前rhub内部交流掉电可保持20ms内持续工作，延迟电容即干接点告警下发时间约5ms，电池接收到告警并完成备电切换需要约5ms，因此最多可接受电压跌落时间为10ms，当电压从最高点开始跌落经过10ms后，pfc输出电压约为340vdc，基于此，本实施例中可以将阈值设定为340vdc(此电压并非适用于所有场景，仅是以此为例说明)。

以rhub供电系统为例，基于图13所示的rhub供电系统结构示意图，在pfc转换器与dc/dc转换器之间设置电压检测器，如图16中所示，用于及时监测pfc转换器输出的380v直流电是否出现跌落，在出现跌落且跌落到340vdc时，及时通过驱动电路驱动利用监控接口通知电池的bms，从而控制电池中的电芯包输出直流电经过dc/dc转换后对负载供电，以保证负载的正常用电。

基于以上备电系统的实现方案，为了将备电系统中的直流备电接口在电路板上实现，需要对现有的电路板进行重新排版，如图17中所示，该电路板至少包括电源板1701、负载业务板1702，电源板1701分别于电池和备电系统中的交流转换器相连接，而负载业务板1702与负载相连接，除此之外，电路板中还包括有直流备电接口板1703，其中：

电源板1701设置在所述电路板的后面板，所述负载业务板1702与所述电源板1701相邻，且所述负载业务板1702设置在所述电路板的前面板，所述直流备电接口板1703设置在所述电路板的前面板，且所述直流备电接口板1703与所述负载业务板1702及所述电源板1701分别相邻。

由此，在备电系统的电路板中将电源板放到后面板，将负载业务板放到前面板，这样在前面板中有空余的空间设置直流备电接口板。

基于图6-图16中交流供电设备的备电系统的实现，本申请实施例h还提供了一种交流供电设备的备电方法，该备电方法应用于交流供电设备的备电系统，所述备电系统至少包括交流转换器和直流备电接口，所述备电方法可以包括以下步骤，如图18中所示：

步骤1801：将所述交流供电设备提供的交流电利用所述交流转换器转换成第一直流电。

步骤1802：利用所述第一直流电为负载供电的同时，将所述第一直流电利用直流备电接口传输给电池，以对所述电池充电；

除此之外，在所述交流供电设备停止提供交流电时，本实施例中将所述电池输出的第二直流电通过所述直流备电接口传输给所述负载，为所述负载供电。

具体的，本实施例中可以将所述第一直流电进行升降压转换后得到第三直流电，再将所述第三直流电传输给所述负载，为所述负载供电。同时，将所述第三直流电利用所述直流备电接口传输给所述电池，以对所述电池进行充电。

或者，本实施例中在将所述第一直流电进行升降压转换后得到第三直流电为负载供电的同时，可以将所述第一直流电进行升降压转换后得到第四直流电，再将所述第四直流电利用所述直流备电接口传输给所述电池，以对所述电池进行充电。

另外，本实施例中可以在所述电池利用所述直流备电接口输出直流电时，阻挡所述输出的直流电倒流回所述交流供电设备。

除此之外，本实施例中还可以通过检测所述负载的当前功率，再基于所述当前功率对所述第一直流电中流向所述直流备电接口的支路电流进行控制，以保证负载的正常用电。

另外，本实施例中可以通过检测所述交流转换器输出的第一直流电是否出现跌落且跌落至预设的阈值，从而在第一直流电跌落到阈值时，及时通知所述电池进行备电切换，防止负载断电的情况发生。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。