電池後備式直流不間斷電源的製作方法
2023-10-07 04:46:49
專利名稱：電池後備式直流不間斷電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種不間斷電源，特別是一種電池後備式直流不間斷電源。
隨著電子信息技術的快速發展，確保各類電子信息設備的不間斷供電日顯重要。因此，作為電子信息設備保護神之一的不間斷電源也得到了大力發展和推廣應用。目前，在已投入使用的不間斷電源中，基本上都是交流輸出的不間斷電源，其輸出電壓的形式與市電的供電形式是一致的，廣大用戶也就自然而然地接受了這種交流輸出的不間斷電源。但是，在電子信息設備中，基本上都是採用開關電源供電的，就其本質而言，開關電源並不需要交流供電，用直流供電完全可以，只不過當前通行的做法是從交流電經過整流之後得到這個直流電。因此，現有的交流不間斷電源將電池中的直流電逆變成交流電輸出的做法是不合理的，而將電池中的直流電直接輸出才是一種合理的選擇。
關於直流不間斷供電的技術方案，在近幾年中已經提出，國家知識產權局已經授權了幾個採用直流不間斷供電的專利無逆變器不間斷電源，CN2322302Y、高壓直流不間斷電源，CN2468203Y；還公告了幾個正在申請的專利無功耗不間斷電源，CN1271986A、綠色不間斷電源，CN1285641A。在這些專利中，基本上都採用了將電池組與電源整流器相併聯的方案。採用這種方案時，直流不間斷電源整流器的輸出端電壓，既是該電源的輸出電壓，又是電池組的充電電壓。由於電源的輸出電壓是由負載決定的，不能任意提高，而每一節電池的充電電壓又是基本固定的，例如一節12V的電池充電電壓約為14V，這就限定了電池組中串聯連接的電池節數也不能隨意增加。
本發明的目的是提供一種直流電輸出，並且電池組的充電電壓可以高於電源輸出電壓，使電池組內可串聯更多節電池的電池後備式直流不間斷電源。
本發明的目的是這樣實現的它包括交流濾波器、整流器、檢測電路、主控、顯示、報警電路、直流電源、輸出濾波電容(C)，其特徵是它還包括電池充電電源和充電控制器、電池組(E)、電池供電開關(K)和開關(K)的控制電路；電池充電電源和充電控制器的輸出端與電池組(E)的一端相連接，並同時與電池供電開關(K)相連接，電池供電開關(K)的另外一端與電源的一個輸出端相連接，電池組(E)的另外一端與電源的另外一個輸出端相連接，開關(K)的控制電路與主控、顯示、報警電路相連接，並控制開關(K)的開通或關斷；在正常供電狀態和電池供電狀態時，均採用直流電壓輸出。
在上述結構的電路中，若交流供電正常，則電池供電開關(K)處於關斷狀態，電池組(E)所儲存的電能不參與電源的輸出，而是處於後備狀態，只有在交流供電中斷時，電池供電開關(K)才迅速開通，使電池組(E)與輸出端接通，由電池組向負載提供儲存的電能。
採用本發明的電池後備式直流不間斷電源後，就可以採用高於電源輸出電壓的電池充電電壓，使電池組串聯的電池節數更多，儲存的電能更大。如果能配合使用「電池切換裝置」技術(專利申請號02109341.5)還能大大提高電池組的供電可靠性，使電子信息行業中的廣大用戶得到更好的供電保證，因而具有明顯的技術進步。
下面結合附圖詳述本發明。
圖1為本發明組成原理框圖。圖2為本發明另外一種連接方法的組成原理框圖，其工作原理與圖1基本相同。圖3為本發明採用可控矽(KS)這種電子開關作為電池供電開關(K)的組成原理框圖。圖4為本發明採用帶有交流旁路輸出通道的組成原理框圖。圖5為本發明在輸入端接入隔離變壓器的組成原理框圖。圖6為本發明在普通整流器之後加入功率因數校正電路(PFC)的組成原理框圖。圖7為本發明的電池充電電源和充電控制器改由直流供電的組成原理框圖。圖8為本發明實施例1供電主通道的電路圖。圖9為本發明實施例1單片機及控制、顯示、報警電路的電路圖。圖10為本發明實施例2供電主通道的電路圖。圖11為本發明實施例2單片機及控制、顯示、報警電路的電路圖。
由圖1可知，在本發明的電路組成中，包括了交流濾波器、整流器、檢測電路、主控、顯示、報警電路、直流電源、輸出濾波電容(C)，它還包括電池充電電源和充電控制器、電池組(E)、電池供電開關(K)和開關(K)的控制電路；電池充電電源和充電控制器的輸出端與電池組(E)的一端相連接，並同時與電池供電開關(K)相連接，電池供電開關(K)的另外一端與電源的一個輸出端相連接，電池組(E)的另外一端與電源的另外一個輸出端相連接，開關(K)的控制電路與主控、顯示、報警電路相連接，並控制開關(K)的開通或關斷；在正常供電狀態和電池供電狀態時，均採用直流電壓輸出。
在圖2中，電池供電開關(K)改接在輸出電壓的低電平端(V0-)，其它部分的組成和工作原理與圖1基本相同。
在圖3中，採用了可控矽(KS)這種電子開關作為電池供電開關(K)，其它部分的組成和工作原理與圖1基本相同，還有多種功率開關器件如大功率三極體、場效應管等都可用作電子開關。
在圖4中，L為交流火線，N為交流零線，JD為雙刀雙擲切換單元。在一些交流不間斷電源中，其內部設置了一個交流旁路通道，用於設備維修或緊急情況下使用。在本發明的電池後備式直流不間斷電源中，也可以保留一個交流旁路通道，JD就是用於實現直流輸出與交流旁路輸出這兩種不同輸出狀態的切換。當輸出功率較小時，JD可以採用快速強電繼電器；當輸出功率較大時，JD可以採用電子開關，如大功率可控矽。其它部分的組成和工作原理與圖1相同。
在圖5中，在交流濾波器輸出端接入了隔離變壓器，可以改善電源的輸入特性，其它部分的組成和工作原理與圖1相同。
圖6中，在普通整流器與濾波電容(C)之間插入了功率因數校正電路(PFC)，可以改善電源的輸入特性，其它部分的組成和工作原理與圖1相同。
圖7中，電池充電電源和充電控制器改由直流供電，其它部分的組成和工作原理與圖1相同。
圖8和圖9是本發明的實施例1，其中圖8是供電主通道的電路圖，圖9是以單片機為核心的控制、顯示、報警電路的電路圖。
圖8中，VIN為交流輸入端，L為火線，N為零線，G為地線；KA為電源開關；FA為輸入保險；RV為壓敏電阻，在220V供電系統中可選390V或430V；CA1、CA2、CA3為高壓濾波電容，它們與電感LA組成交流濾波器，阻斷高頻幹擾的輸入和輸出；DB1為高壓大電流整流橋，型號為KBPC系列；VS為單向可控矽，型號為KP系列，IC1為晶閘管輸出型光電耦合器，型號為MOC3021，它與R1、R2組成VS的門極觸發電路，R0和C0用於防止VS誤觸發；L為濾波電抗器；B為串聯電池組，在220V供電環境下，可採用20～26節12V電池串聯組成；C1和C2為高壓濾波電容；FD1為輸出保險；JD為雙刀雙擲強電繼電器，可選HP型或HG型，圖中左上觸點為常開觸點，左下觸點為常閉觸點；VOUT為輸出端，當JD沒有動作時，轉換端(輸出端)與常閉觸點連接，VOUT接交流旁路通道，當JD動作時，轉換端與常開觸點連接，VOUT接直流輸出；HVB和HVO是脈衝輸出型電壓互感器，HVB用於檢測電池組的電壓，HVO用於檢測直流輸出電壓；T為小型變壓器；DB2為小電流整流橋，也可以採用4隻二極體IN4004；D0為二極體IN5404；由T、DB2和C8組成電池充電電源；T0為三極體C9013；IC2為光電耦合器TLP521，以T0和IC2為核心，組成交流電壓過零檢測電路，每當輸入交流電壓過零時，該電路在INT0端產生一個負脈衝；IC3為光電耦合器H11D1；TC1為NPN三極體C3169；TC2為NPN三極體C2688，以IC3、TC1和TC2為核心，組成充電控制器；ICK為MOC3021；KS為單向可控矽，為KP系列，以ICK和KS為核心，組成電池供電開關；SD為直流輸入的開關電源，輸出VCC和V12兩組直流電壓，其中VCC為+5V，V12為+12V；GND為這兩者的公共地；KD為按鈕開關；JB為強電繼電器，用於供電自保；FD2為保險；C3、C4為V12濾波，C5、C6為VCC濾波。
圖9中，U0為單片機89C52，是本電源控制的核心部件，U0的P0口的8位全部用於發光二極體LED1至LED8的控制，其中，LED1用於顯示電池供電，LED2用於顯示交流旁路供電，LED3用於顯示正常直流供電，LED4至LED8共五隻LED用於顯示電池儲電量的大小，每一個LED代表約20％的儲電量，當這五隻LED都亮時表示電池儲電量最大，亮的越少，電池儲電量越少，五隻LED都不亮時表示電池放電終了，將要自動關機；P1口中，除P10用於電壓互感器HVO的脈衝信號的輸入及P17空著沒用外，其餘6位均用於控制輸出，其中P11用於控制VS的導通，P12用於控制TC1的充電，P13用於控制電池供電開關KS，P14用於控制供電自保繼電器JB，P15用於控制輸出狀態切換繼電器JD，P16用於控制報警器SP的報警；P2口中，P20輸入交流旁路開關K1的狀態，K1閉合時，P20為低，電源轉入交流旁路狀態；P21輸入電池供電開關K2的狀態，K2閉合時P21為低，電源轉入電池供電狀態，如果K1和K2同時閉合，則K2的優先級高於K1，按轉入電池供電控制，P2口中的其餘六位沒有使用，預留以後擴展功能時使用；P3口中，INT0用於接收交流電的過零中斷信號，INT1用於接收按鈕開關K3產生的關機中斷信號，T1接收電壓互感器HVB的脈衝信號，P3口中的其餘五位沒有使用，預留以後擴展功能時使用；C9和R21組成上電復位電路；TX為晶體，與電容CX1和CX2共同組成振蕩電路；T1至T6為PNP三極體C9012；D1和D2為二極體IN4001。
本實施例的工作過程如下首先閉合KA，交流電壓經過旁路通道和JD從VOUT輸出，再按KD，電池組B的直流電壓經KD為開關電源SD供電，SD輸出+5V電壓VCC和+12V電壓V12。單片機U0在上電結束後從P14端輸出低電平，使JB接通，實現為SD供電的自保。U0從P11端輸出脈衝控制VS的導通，VS導通角的大小由HVO檢測到的輸出直流電壓的大小決定，大則減小導通角，小則增加導通角。當C1和C2充滿電後，在交流輸入電壓過零時U0從P15端輸出低電壓，控制JD動作，電源從交流旁路狀態切換到直流輸出狀態，同時U0從P02端輸出低電平，LED3亮，指示正常直流輸出的工作狀態。U0從T1端接收電壓互感器HVB發出的電池組B的電壓信號，當電池組充電不足時，U0從P12端輸出低電平，控制TC1導通，為電池組充電。如果交流電供電突然中斷，則在規定的時間內INT0不會出現，U0轉入電池供電程序控制，不再從P11端發出使VS導通的脈衝，而從P13端輸出低電平，使電池供電開關KS導通，同時從P00端輸出低電平，LED1亮，從P02端輸出高電平，LED3不亮，電源轉入電池供電狀態。當電池儲電量充足時，U0從P03至P07輸出低電平，使LED4至LED8共五隻都亮，當電池儲電量隨著放電逐漸減少後，LED4至LED8也隨之不亮，當電池儲量減少到20％，只有LED8亮時，U0從P16端輸出間隔低電壓脈衝，使報警器SP發出間斷報警聲，當電池儲量臨近放電終了時，LED8不亮，U0從P16端輸出低電平，SP發出連續報警聲，當電池儲量到放電終了時，U0從全部輸出埠輸出高電平，停止一切控制信號輸出，由於JB的自保作用失去，SD停止供電，整個電源隨著供電的終斷而停止工作。如果在電源關機之前交流供電恢復，則信號INT0會繼續產生，U0在收到這一信號後，會繼續控制VS導通，同時從P12端輸出高電平，暫停對電池組B的充電，從P13端輸出高電平，去掉KS的觸發信號，由於停止充電後電池組處於向SD放電的狀態，加在KS陽極的電壓減少，而VS恢復導通後，輸出電壓增加，加在KS陰極上的電壓也增加，這就使得KS轉入關斷狀態，之後，U0從P12端再次輸出低電平，恢復對電池組B的充電，從P00端輸出高電平，LED1不亮，從P02端輸出低電平，LED3亮，電源恢復交流供電，直流輸出的正常工作狀態。
在正常上電結束後，如果K1和K2均沒閉合，則電源按正常直流輸出狀態工作，如果K1閉合，則在交流輸入電壓過零時轉入交流旁路狀態，LED2亮；如果K2閉合，則轉入電池供電狀態，LED1亮；如果K1和K2都閉合，則K2的優先級高於K1，轉入電池供電狀態。
關機時，按動關機按鈕開關K3，U0在收到關機低電平信號INT1後，先在輸入電壓過零時從P15端輸出高電平，使JD恢復常閉狀態，電源轉入交流旁路狀態，之後U0將所有輸出端輸出高電平，電源停止工作，再關斷KA，輸出電壓VOUT為零，電源關機。
圖10和圖11是本發明的實施例2，它採用快速強電繼電器作為電池供電開關(K)，適用於輸出功率較小的電源中，該電路的檢測、顯示、控制等工作原理均與實施例1基本相同，不再重複敘述。
權利要求
1.一種電池後備式直流不間斷供電電源，它包括交流濾波器、整流器、檢測電路、主控、顯示、報警電路、直流電源、輸出濾波電容(C)，其特徵是它還包括電池充電電源和充電控制器、電池組(E)、電池供電開關(K)和開關(K)的控制電路；電池充電電源和充電控制器的輸出端與電池組(E)的一端相連接，並同時與電池供電開關(K)相連接，電池供電開關(K)的另外一端與電源的一個輸出端相連接，電池組(E)的另外一端與電源的另外一個輸出端相連接，開關(K)的控制電路與主控、顯示、報警電路相連接，並控制開關(K)的開通或關斷；正常供電狀態和電池供電狀態時，均採用直流電壓輸出。
全文摘要
本發明公開了一種電池後備式直流不間斷電源，它採用直流電輸出，電池備用供電的工作模式，取消了現有交流不間斷電源中的DC/AC逆變電路，它結構簡單，生產成本低，運行成本低，可靠性高，效率高，適宜被廣泛地使用於信息、網絡行業中各種電子設備的不間斷供電。
文檔編號H02J7/00GK1411119SQ0213310
公開日2003年4月16日 申請日期2002年9月30日 優先權日2002年9月30日
發明者孫康, 孫寶庫 申請人:孫康