最大化并联UPS系统中的电池的运行时间的系统与方法

摘要

一种不间断电源(UPS)包括多个UPS模块(10)。每个UPS模块(10)具有在市电发生故障时向被保护的负载供电的电池(18)。多个控制器(22)控制每个电池(18)传送到被保护的负载的电功率的大小，并且通信总线(12)允许控制器(22)交换关于电池(18)的电压的信息。其中一个控制器(22)计算多个电池(18)的平均电池电压并且调整由单个电池提供的能量的量值使得电池电压大约等于平均电池电压。

权利要求

1.一种控制从多个不间断电源(UPS)模块中的每一个输出的功率的方法，所述UPS模块中的每一个具有用于向被保护的负载供电的逆变器，所述逆变器中的每一个从电池接收电功率，所述方法包括：检测是否所述UPS模块中的一个或多个失去市电；

将从已经失去市电的UPS模块输出的能量减小到零；

确定向负载供电的逆变器是否过载；以及

增大从已经失去市电的UPS模块输出的能量直至所述逆变器不过载。

2.如权利要求1所述的方法，还包括估计已经失去市电的UPS模块的电池运行时间的步骤。

3.如权利要求2所述的方法，还包括以下步骤：确定逆变器的过载运行时间，并且如果已经失去市电的UPS模块的被估计出的电池运行时间少于所述逆变器的过载运行时间，则减小从所述已经失去市电的UPS模块输出的能量，使得所述逆变器过载。

4.一种控制从多个不间断电源模块中的每一个输出的功率的方法，包括：检测是否所述不间断电源模块中的一个或多个失去市电；

将从电池传送到被保护的负载的能量减小到零；

确定向所述被保护的负载供电的逆变器是否过载；和增加从所述电池传送的能量，直到所述逆变器不过载。

5.一种控制不间断电源的方法，其包括：

确定逆变器的过载运行时间；

确定为被保护的负载供电的电池的电池运行时间；

如果所述电池的电池运行时间小于所述逆变器的过载运行时间，则减小从所述电池传送的能量使得所述逆变器过载。

6.一种不间断电源(UPS)系统，其包括：多个UPS模块，所述UPS模块中的每一个包括在市电发生故障时向被保护的负载供电的电池；

多个控制器，其控制所述电池中的每一个传送至所述被保护的负载的电功率的多少；

通信总线，其允许所述控制器交换关于电池电压的信息；

其中，至少一个所述控制器检测是否所述多个UPS模块中的一个或多个失去市电，并将从已经失去市电的UPS模块输出的能量减小到零；

其中，所述控制器中的至少一个确定向负载供电的逆变器是否过载；并且其中，所述控制器中的至少一个增大从已经失去市电的UPS模块输出的能量，直至所述逆变器不过载。

7.如权利要求6所述的UPS系统，其中，如果已经失去市电的UPS模块的被估计出的电池运行时间少于所述逆变器的过载运行时间，则所述控制器减小从所述已经失去市电的UPS模块输出的能量，使得所述逆变器过载。

8.一种不间断电源(UPS)系统，其包括：多个UPS模块，每一个UPS模块包括在市电发生故障时向被保护的负载供电的电池；

多个控制器，其控制所述电池中的每一个向所述被保护的负载传送的电功率的大小；

通信总线，其允许所述控制器交换关于电池电压的信息；

其中，至少一个所述控制器检测是否所述UPS模块中的一个或多个失去市电并将从已经失去市电的UPS模块输出的能量减小到零，如果在所述通信总线上指示过载条件，则增加由所述已经失去市电的UPS模块提供的电功率直到所述过载条件被消除。

9.一种不间断电源(UPS)系统，其包括：多个UPS模块，每个UPS模块包括在市电发生故障时向被保护的负载供电的电池；

多个控制器，其控制所述电池的每一个传送到所述被保护的负载的电功率的多少；

通信总线，其允许所述控制器交换关于电池电压的信息；

其中，至少一个所述控制器比较其中一个电池的被估计出的电池运行时间与逆变器过载运行时间，并且如果所述估计的电池运行时间小于所述过载运行时间，则减小由所述电池提供给所述被保护的负载的电功率。

说明书

技术领域

本发明总的来说涉及不间断电源(“UPS”)，并且更具体地，涉及用于最大化并联UPS系统中的电池的运行时间的方法和设备。

背景技术

不间断电源设计成在市电(utility power)发生临时故障的情况下为关键负载连续供电。在一些系统中，多个UPS模块被并联在一起以向关键负载供电。每个UPS模块一般包括整流器(rectifier)、电池和逆变器(inverter)。在市电发生中断时，关键负载将由来自UPS模块中的电池的直流电供电。此直流电在传送到关键总线(critical bus)前被UPS模块的逆变器转换为交流电。使用并联UPS模块的系统的一个缺点是负载在UPS模块中的各电池之间均匀分配。然而，不能保证电池具有相同的能量输出性能(energy delivery capability)。例如，相对较新的电池能够输出能量的运行时间是另一个相对旧的电池的两倍。所以，具有“旧”电池的UPS可能在具有新电池的UPS之前由于较早的放电结束(“EOD”)而终止操作。在具有多个UPS模块的系统中，具有最弱电池的模块可能首先关断，紧接着是具有次弱电池的模块，依次类推。每次UPS模块关断，剩余模块就要分担更多的负载。这减少了剩余电池可用的运行时间并且可能使剩余的UPS模块过载。本申请解决这些缺点并且提供对本领域技术人员来说很明显的其它优点。

发明内容

本发明的一个方案涉及一种控制从多个不间断电源(UPS)模块中的每一个输出的功率的方法，其中多个UPS模块中的每一个具有用于向被保护的负载供电的逆变器，逆变器中的每一个从电池接收电功率，该方法包括：检测是否UPS模块中的一个或多个失去市电；将从已经失去市电的UPS模块输出的能量减小成零；确定向负载供电的逆变器是否过载；以及增大从已经失去市电的UPS模块输出的能量直至所述逆变器不过载。
本发明的另一个方案涉及一种不间断电源(UPS)系统，其包括多个UPS模块、多个控制器和通信总线。其中，多个UPS模块中的每一个包括在市电发生故障时向被保护的负载供电的电池，多个控制器控制电池中的每一个传送至被保护的负载的电功率的多少，通信总线允许控制器交换关于电池电压的信息。其中，至少一个控制器检测是否多个UPS模块中的一个或多个失去市电，并将从已经失去市电的UPS模块输出的能量减小成零；所述控制器中的至少一个确定向负载供电的逆变器是否过载；并且控制器中的至少一个增大从已经失去市电的UPS模块输出的能量，直至逆变器不过载。
本发明的其它实施例将在以下本发明的详细说明中阐述。

附图说明

通过理解以下的详细说明并通过参考附图，本发明的其它目的和优点将变得明显，其中：
图1是根据本发明的实施例的并联UPS系统的示意图。
图2是根据本发明的实施例的用于调整逆变器的输出的控制环的示意图。
尽管本发明容许有多种更改和替换形式，其指定实施例已经由附图中的实例所显示并在本文中进行详细说明。然而，应该理解，本文对指定实施例的说明不打算将本发明限制成公开的特定形式，相反，本发明覆盖了所有落入由权利要求限定的本发明的精神和范围中的更改、等效物和替换。

具体实施方式

以下说明本发明的说明性实施例。为了清楚，不是所有实际实施方式的特性都在本说明书中进行描述。可以理解，在对任何这样的实际实施例的开发中，必须做出多个指定实现的决定，以实现开发者的指定目标，例如遵守与系统相关和业务相关的限制，其随着实施方式的不同而不同。此外，可以认识到，此开发的努力可为复杂的和耗费时间的，但对于利用本公开的优点的那些本领域的普通技术人员，将为例行任务。
图1示出根据本发明的实施例的不间断电源。系统包括多个UPS模块10。此实例中的每一个UPS模块具有整流器16、电池18、逆变器20和控制器22。整流器16将由模块10接收的交流电转换为直流电。由模块10接收的交流电可来自于市电或例如生成器的交流电源。逆变器20将直流电转换为符合规定条件的交流电。电池18在交流电源发生故障时提供储存的直流电。
UPS模块10被连接到通信总线12。通信总线12允许UPS模块10交换操作UPS模块所必需的信息和命令，例如系统中的每一个UPS模块10的电池电压。通信总线12优选地为数字通信总线，例如控制局域网络(Control Area Network，“CAN”)总线，但其它常规数字总线，例如以太网可代替作为设计的选择。可替换地，只要总线可在UPS模块10间被共享以促进负载分担和其它并行系统操作时，模拟总线可代替作为设计上的选择。
UPS模块10的输出被连接到关键总线14。关键总线14将电功率传送到关键负载(未显示)。关键负载是希望能被保护而避免遭受电源中断的任何负载，并且典型实例包括计算机和医疗设备等。UPS模块10可通过例如旁路静态开关的常规装置连接到关键总线14。旁路静态开关可以是共用的，或每个UPS模块10可配备有其自身的旁路静态开关。在市电发生中断时，关键负载将由来自UPS模块10中的电池18的直流电供电。此直流电在传送到关键总线14前被UPS模块10上的逆变器20转换为交流电。
每个UPS模块中的控制器22调整由模块10供应到关键总线14的负载。控制器22为包括反馈控制环的PID控制器是有利的，但其它控制器也可代替作为设计的选择。在图1所示实施例中绘出的控制器22为已在微处理器上的软件中实现的PID控制器并且使用数字信号处理(“DSP”)技术。
根据本发明的一个实施例，反馈控制环根据平均电池电压调整每个UPS模块的负载。参照图1，平均电池电压由下式给出：Vbatt_average＝(Vbatt_1+Vbatt_2+Vbatt_3…+Vbatt_n)/n，其中n为在线模块的数目。每个电池的电池电压通过CAN总线上传送到系统中的其它UPS模块。平均电池计算可在中央处理器处进行并且随后通过CAN总线传送，或每个UPS模块可单独进行计算。
根据本发明的一个实施例，图2中所绘的反馈环将在单个电池的电压大于平均电池电压时增加该电池的负载，并且在电池电压小于平均电池电压时减少负载。如图2中所示，表示平均电池电压(“Vbatt_average”)的信号与表示特定UPS模块电池的电池电压的信号相加。相加的结果作为误差信号提供给控制器。控制器随后发送信号给逆变器以增加或减少由UPS模块电池供应的能量大小。如果关键总线为交流总线，则相对于关键总线上的电功率的相位角增加由逆变器供应的电功率的相位角以增加逆变器上的负载，从而相对于平均电池电压减小电池电压。相反，相对的相位角被减小以降低逆变器上的负载并且提升电池电压。通过这种方式，负载将这样分布在所有用电池作为电源的UPS模块中以致使每个电池的电池电压被调整到Vbatt_average，加上或减去可在控制环中出现的误差量。当然，控制环的准确性和速度为设计选择的一个事项。本领域的技术人员将认识到类似的控制可在其中关键总线为直流总线的系统中使用，当然除了没有相位角被调整并且逆变器的输出电压被调整以使可提供取决于电池电压的更大或更小的电功率。
根据本发明的另一个实施例，如果一个或多个UPS模块释放市电并且转向电池操作，则模块可共同协作使得以有效方式处理负载。在此实施例中，利用电池电源的单个UPS模块(或多个模块)首先将其对关键负载的分担减小到零。通过将负载减小到零，UPS模块的电池仅需要供应足够的能量以补偿逆变器的损失，并且，因此，可运行的时间延长。然而，通过将其对负载的分担减小到零，可使剩余UPS模块中的一个或多个逆变器过载。然而，逆变器一般被设计成能在短时间内例如10分钟内在过载条件下运行。表示过载条件的信号通过CAN总线传送到利用电池作为电源的一个模块或多个模块。UPS模块将开始从其电池供电给关键负载，增加提供的电功率大小直到剩余UPS模块不过载。
根据本发明的其它实施例，UPS模块可根据它们的多个电池的估计剩余电池运行时间相对过载运行时间的权衡来在彼此之间转移负载。如果一个(或多个)UPS模块释放市电并且利用电池来运行，并且电池运行时间小于剩余模块的过载运行时间，则此实施例特别有利。一般情况下，逆变器被设计为在125％下运行10分钟。如果，例如UPS模块还在这10分钟内或还没到其放电结束(“EOD”)时间，则减小该UPS模块上的负载并且允许系统中的其它模块临时在过载条件下操作可能是有利的，这样就使电池寿命保持到尽量长的时间。这样，例如，在具有两个模块的系统中，如果第一个UPS模块接近EOD并且具有50％的负载，则其可将25％的负载放弃给第二个UPS模块，该第二UPS模块例如可能具有100％的负载，由此将该模块置于过载的。这将延长电池运行时间并且保持关键负载受到保护。当然，此实施例可在具有任何数目的UPS模块的条件下进行操作。在此情况下，利用电池作为电源的单个UPS模块(或多个模块)减小其正在供应的电功率，这样，导致剩余的UPS模块变得过载。控制环使估计的电池运行时间与过载运行时间相平衡。本领域的技术人员对估计电池运行时间的方法是熟悉的，电池运行时间将取决于正在使用的电池和对指定实施方式唯一的其它因素。
以上公开的特定实施例仅为示例性的，因为本发明可以对具有本文所述内容的优点且对于本领域技术人员来说很明显的不同但等价的方式进行修改和实践。此外，除了权利要求中所述内容之外，没有对此处显示的构造或设计的细节的限制。因此，很明显，以上公开的特定实施例可被改变或修改，并且所有这些改变被认为在本发明的范围和精神内。因此，所有这些类似的应用被认为在本发明的范围和精神内。因此，本文所寻求的保护在权利要求中进行阐述。
本申请请求于2005年7月6日提交的美国临时专利申请号为60/595,446的申请的优先权，其结合于本文中作为参考。