CN107086658B - 基于金属-空气电池组成的在线ups后备电源系统 - Google Patents

基于金属-空气电池组成的在线ups后备电源系统 Download PDF

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Abstract

一种基于金属‑空气电池组成的在线UPS后备电源系统，包括管理系统、启动电池组、金属‑空气电池系统、隔离模块、逆变或直流稳压模块和开关电源；管理系统对应信号的输出端和输入端分别与金属‑空气电池系统、启动电池组和逆变或直流稳压模块的信号输入端和信号输出端相连接；启动电池组的电能输出端与管理系统和隔离模块的电能输入端相连；金属‑空气电池系统的电能输出端与隔离模块的电能输入端相连；隔离模块的电能输出端与逆变或直流稳压模块的电能输入端相连；开关电源的电能输入端与逆变或直流稳压模块和市电的电能输出端相连。本发明的有益效果是大幅度降低供电运行成本，而且省时省力。

Description

基于金属-空气电池组成的在线UPS后备电源系统
技术领域本发明属于能源技术领域，特别涉及一种基于金属-空气电池组成的在线UPS后备电源系统。
背景技术在铁塔基站、机房、数据交流中心、医院手术室、电台、电视台、实验设备及测试仪器等这类必须保证电能不间断供应的场所，均需设置UPS后备电源系统。目前，UPS后备电源系统大多采用铅酸电池供电。由于铅酸电池的比能量及寿命所限，需要经常更换铅酸电池，造成人力物力的大量消耗。
为解决现有技术的不足，本发明提出了一种基于金属-空气电池组成的在线UPS后备电源系统，不仅大幅度降低了这类必须保证电能不间断供应场所的运行成本，而且省时省力。
发明内容发明所要解决的技术问题是，提供一种基于金属-空气电池系统的UPS后备电源系统。
本发明所采用的技术方案是：一种基于金属-空气电池组成的在线UPS后备电源系统，包括管理系统、启动电池组、金属-空气电池系统、隔离模块、逆变或直流稳压模块和开关电源；
所述管理系统的对应信号输出端和输入端分别与所述的金属-空气电池系统、启动电池组和逆变或直流稳压模块的对应信号输入端和信号输出端相连接，用于监控金属-空气电池系统、启动电池组和逆变或直流稳压模块的电压和电流，并实现对金属-空气电池系统、启动电池组和逆变或直流稳压模块的混合控制；所述管理系统的对应信号输入端还与所述的市电的对应信号输出端相连接，用于监控市电的电压、电流；
所述启动电池组的信号输入端和信号输出端分别与所述管理体统的对应信号输出端和输入端相连接，将启动电池组的电压、电流信号传输给管理系统，并接受管理系统发出的相关控制信号；所述启动电池组的对应电能输出端分别与管理系统和隔离模块的对应电能输入端相连，将电能输送给管理系统和隔离模块；
所述金属-空气电池系统的信号输入端和信号输出端分别与所述管理体统的对应信号输出端和输入端相连接，将金属-空气电池系统的电压、电流信号传输给管理系统，并接受管理系统发出的相关控制信号；金属-空气电池系统的对应电能输出端与隔离模块的对应电能输入端相连，并将电能输送给隔离模块；
所述隔离模块的电能输入端分别与启动电池组和金属-空气电池系统的电能输出端相连；所述隔离模块的电能输出端与逆变或直流稳压模块的电能输入端相连，将启动电池组或者金属-空气电池系统输出的电能输送至逆变或直流稳压模块；
所述逆变或直流稳压模块的信号输入端和信号输出端分别与所述管理体统的对应信号输出端和输入端相连接，将逆变或直流稳压模块的电压、电流信号传输给管理系统，并接受管理系统发出的相关控制信号；逆变或直流稳压模块的电能输入端与隔离模块的电能输出端相连，逆变或直流稳压模块的电能输出端与开关电源的对应电能输入端相连。
所述开关电源的对应电能输入端分别与逆变或直流稳压模块和市电的电能输出端相连；所述开关电源的电能输出端与用电设备的电能输入端相连，不间断地将电能输出给用电设备。
所述的基于金属-空气电池组成的在线UPS后备电源系统，其运行方式如下：
当管理系统监测到市电处于正常供电状态时，管理系统控制金属-空气电池系统不启动，开关电源将市电输送给用电设备，由市电为用电设备供电；
当管理系统监测到市电处于断电状态的同时，管理系统控制金属-空气电池系统立即启动的同时，管理系统控制启动电池组通过隔离模块单向给逆变或直流稳压模块供电，逆变或直流稳压模块将启动电池组输出的电能输出给开关电源，并由开关电源为用电设备供电；当管理系统监测到金属-空气电池系统的电能输出达到预定值时，则管理系统控制金属-空气电池系统通过隔离模块单向给逆变或直流稳压模块供电，逆变或直流稳压模块将金属-空气电池系统输出的电能输出给开关电源，并由开关电源为用电设备供电；此时管理系统控制启动电池组不再对逆变或直流稳压模块供电。
所述的基于金属-空气电池组成的在线UPS后备电源系统，还包括铅酸电池组，所述开关电源的对应电能输入端和输出端还分别与铅酸电池组的电能输出端和输入端相连；所述铅酸电池组的信号输出端与管理系统的对应信号输入端相连，将铅酸电池组的电压、电流信号传输给管理系统，并接受管理系统发出的相关控制信号；铅酸电池组的对应电能输出端和输入端还分别与开关电源的对应电能输入端和输出端相连。
当管理系统监测到市电处于断电状态时，且管理系统监测到铅酸电池组处于正常电能输出状态时，管理系统控制金属-空气电池系统不启动，由铅酸电池组输出电能给开关电源，再由开关电源将电能输出给用电设备，此时由铅酸电池组为用电设备供电；
一旦管理系统监测到铅酸电池组的电能输出接近不足时，管理系统将控制金属-空气电池系统立即启动；当管理系统监测到金属-空气电池系统的电能输出达到预定值时，则控制由金属-空气电池系统通过隔离模块单向给逆变或直流稳压模块供电，逆变或直流稳压模块将金属-空气电池系统输出的电能输出给开关电源，并由开关电源为用电设备供电，此时铅酸电池组不再给开关电源输出电能。
更佳的是，所述金属-空气电池系统的电能输出尚未达到预定值之前，隔离模块保证启动电池组单向对逆变或直流稳压模块供电；当金属-空气电池系统的电能输出达到预定值时，隔离模块则控制由金属-空气电池系统单向对逆变或直流稳压模块供电，此时启动电池组不再对逆变或直流稳压模块供电。
所述逆变或直流稳压模块采用逆变功能时，该逆变或直流稳压模块将隔离模块输出的电能以交流电形式输出给开关电源；当所述逆变或直流稳压模块采用直流稳压功能时，该逆变或直流稳压模块将隔离模块输出的电能以直流电形式输出给开关电源。
所述的金属-空气电池系统包括铝-空气电池系统、锌-空气电池系统、镁-空气电池系统或者锂-空气电池系统。
所述的启动电池组包括锂离子电池组或者铅酸电池组。
本发明公开的一种基于金属-空气电池组成的在线UPS后备电源系统，可大幅度降低需要电能不间断供应场所的运行成本，而且省时省力。
附图说明：
图1是本发明优选实施例一中所述基于金属-空气电池组成的在线UPS后备电源系统的结构示意图；
图2是本发明优选实施例二中配置有铅酸电池组的基于金属-空气电池组成的在线UPS后备电源系统中的结构示意图。
具体实施方式下面，结合各附图所示之优选实施例进一步阐述本发明。
参见图1，本发明的优选实施例一是，设计一种基于金属-空气电池组成的在线UPS后备电源系统，包括管理系统1、启动电池组2、金属-空气电池系统3、隔离模块4、逆变或直流稳压模块5和开关电源6。其中：
管理系统1，所述管理系统对应信号的输出端和输入端分别与所述的金属-空气电池系统3、启动电池组2和逆变或直流稳压模块5的对应信号输入端和信号输出端相连接，用于监控金属-空气电池系统3、启动电池组2和逆变或直流稳压模块5的电压和电流，并实现对金属-空气电池系统3、启动电池组2和逆变或直流稳压模块5的混合控制。此外，所述管理系统的对应信号输入端还与市电的对应信号输出端相连接，用于监控市电的电压和电流。
启动电池组2，所述启动电池组的信号输入端和信号输出端分别与所述管理系统1的对应信号输出端和输入端相连接，将启动电池组的电压、电流信号传输给管理系统，并接受管理系统发出的相关控制信号。此外，启动电池组的对应电能输出端还分别与管理系统1和隔离模块4的对应电能输入端相连，将电能输送给管理系统和隔离模块；
金属-空气电池系统3，所述金属-空气电池系统3的信号输入端和信号输出端分别与所述管理体统1的对应信号输出端和输入端相连接，将金属-空气电池系统3的电压、电流信号传输给管理系统1，并接受管理系统1发出的相关控制信号。此外，金属-空气电池系统3的对应电能输出端还与隔离模块4的对应电能输入端相连，将金属-空气电池系统3的电能输送给隔离模块4；
隔离模块4，所述隔离模块4的电能输入端分别与启动电池组2和金属-空气电池系统3的电能输出端相连。在金属-空气电池系统3的电能输出尚未达到预定值之前，隔离模块4保证启动电池组2单向对逆变或直流稳压模块5供电。当金属-空气电池系统3的电能输出达到预定值时，隔离模块4则控制由金属-空气电池系统3单向对逆变或直流稳压模块5供电，此时启动电池组2不再对逆变或直流稳压模块5供电。此外，所述隔离模块4的电能输出端还与逆变或直流稳压模块5的电能输入端相连，将启动电池组2或者金属-空气电池系统3输出的电能输送至逆变或直流稳压模块5；
逆变或直流稳压模块5，所述逆变或直流稳压模块5的信号输入端和信号输出端分别与所述管理体统1的对应信号输出端和输入端相连接，将逆变或直流稳压模块的电压、电流信号传输给管理系统1，并接受管理系统1发出的相关控制信号。此外，逆变或直流稳压模块5的电能输入端与隔离模块4的电能输出端相连，逆变或直流稳压模块5的电能输出端与开关电源6的对应电能输入端相连。当采用逆变功能时，逆变或直流稳压模块5将隔离模块4输出的电能以交流电形式输出给开关电源6。当采用直流稳压功能时，逆变或直流稳压模块5将隔离模块4输出的电能以直流电形式输出给开关电源6；
开关电源6，所述开关电源6的对应电能输入端分别与市电9、逆变或直流稳压模块5的电能输出端相连。此外，开关电源的电能输出端与用电设备7的电能输入端相连，不间断地将电能输送给用电设备7。
用电设备7，所述用电设备7的电能输入端与开关电源6的电能输出端相连。用电设备包括铁塔基站、机房设备、数据交流中心设备、医院手术室设备、电台设备、电视台设备、各种监测设备、机场设备、铁路设备、实验设备及测试仪器。
本例中，所述金属-空气电池组成的在线UPS后备电源系统的运行方式如下：
参见图1，当管理系统1监测到市电9处于正常供电状态时，管理系统1控制金属-空气电池系统3不启动，开关电源6将市电9输送给用电设备7，由市电为用电设备7供电。
当管理系统1监测到市电9处于断电状态的同时，管理系统1控制金属-空气电池系统3立即启动的同时，管理系统1控制启动电池组2通过隔离模块4单向给逆变或直流稳压模块5供电，逆变或直流稳压模块5将启动电池组2输出的电能输出给开关电源6，并由开关电源6为用电设备7供电。当管理系统1监测到金属-空气电池系统3的电能输出达到预定值时，则管理系统1控制金属-空气电池系统3通过隔离模块4单向给逆变或直流稳压模块5供电，逆变或直流稳压模块5将金属-空气电池系统3输出的电能输出给开关电源6，并由开关电源6为用电设备7供电。此时管理系统1控制启动电池组2不再输出电能给逆变或直流稳压模块5。
本发明的优选实施例二：是配备铅酸电池组的基于金属-空气电池组成的在线UPS后备电源系统，所述铅酸电池组可以是使用者的现有USP电源。
参见图2，所述基于金属-空气电池组成的在线UPS后备电源系统，包括有管理系统1、启动电池组2、金属-空气电池系统3、隔离模块4、逆变或直流稳压模块5、开关电源6和铅酸电池组8。
管理系统1，所述管理系统1的对应信号输出端和输入端分别与所述的金属-空气电池系统3、启动电池组2和逆变或直流稳压模块5的对应信号输入端和信号输出端相连接，用于监控金属-空气电池系统3、启动电池组2和逆变或直流稳压模块5的电压、电流，并实现对金属-空气电池系统3、启动电池组2和逆变或直流稳压模块5的混合控制。此外，所述管理系统1的对应信号输入端还分别与所述市电9和铅酸电池组8的对应信号输出端相连接，用于监控市电9和铅酸电池组8的电压、电流；
启动电池组2，所述启动电池组2的信号输入端和信号输出端分别与所述管理体统1的对应信号输出端和输入端相连接，将启动电池组2的电压、电流信号传输给管理系统1，并接受管理系统1发出的相关控制信号。此外，启动电池组2的对应电能输出端还分别与管理系统1和隔离模块4的对应电能输入端相连，将电能输送给管理系统和隔离模块；
金属-空气电池系统3，所述金属-空气电池系统3的信号输入端和信号输出端分别与所述管理体统1的对应信号输出端和输入端相连接，将金属-空气电池系统3的电压、电流信号传输给管理系统1，并接受管理系统1发出的相关控制信号。此外，金属-空气电池系统3的对应电能输出端还与隔离模块4的对应电能输入端相连，并将电能输送给隔离模块4；
隔离模块4，所述隔离模块4的电能输入端分别与启动电池组2和金属-空气电池系统3的电能输出端相连。在金属-空气电池系统3的电能输出尚未达到预定值之前，隔离模块4保证启动电池组单向对逆变或直流稳压模块5供电。当金属-空气电池系统3的电能输出达到预定值时，隔离模块则控制由金属-空气电池系统3单向对逆变或直流稳压模块5供电，此时启动电池组3不再对逆变或直流稳压模块5供电。此外，所述隔离模块4的对应电能输出端还与逆变或直流稳压模块5的电能输入端相连，将启动电池组2或者金属-空气电池系统3输出的电能输送至逆变或直流稳压模块5；
逆变或直流稳压模块5，所述逆变或直流稳压模块5的信号输入端和信号输出端分别与所述管理体统1的对应信号输出端和输入端相连接，将逆变或直流稳压模块5的电压、电流信号传输给管理系统1，并接受管理系统1发出的相关控制信号。此外，逆变或直流稳压模块5的电能输入端与隔离模块4的电能输出端相连，逆变或直流稳压模块5的电能输出端与开关电源6的对应电能输入端相连。当采用逆变功能时，逆变或直流稳压模块5将隔离模块4输出的电能以交流电形式输出给开关电源6。当采用直流稳压功能时，逆变或直流稳压模块5将隔离模块4输出的电能以直流电形式输出给开关电源6；
开关电源6，所述开关电源6的对应电能输入端分别与市电9、逆变或直流稳压模块5以及铅酸电池组8的对应电能输出端相连。开关电源6的对应电能输出端还分别与用电设备7和铅酸电池组8的对应电能输入端相连，保证不间断地将电能输出给用电设备7。在市电9处于正常供电状态时，市电9还可以通过开关电源6给铅酸电池8充电。
用电设备7，所述用电设备7的电能输入端与开关电源6的电能输出端相连。用电设备包括铁塔基站、机房设备、数据交流中心设备、医院手术室设备、电台设备、电视台设备、各种监测设备、机场设备、铁路设备、实验设备及测试仪器。
铅酸电池组8，所述铅酸电池组8的信号输出端与管理系统1的对应信号输入端相连，将铅酸电池组3的电压、电流信号传输给管理系统1，并接受管理系统1发出的相关控制信号。铅酸电池组3的对应电能输出端和输入端还分别与开关电源6的对应电能输入端和输出端相连。
本实施例中，所述金属-空气电池组成的在线UPS后备电源系统的运行方式如下：
参见图2，当管理系统1监测到市电9处于断电状态时，且管理系统1监测到铅酸电池组8处于正常电能输出状态时，管理系统1控制金属-空气电池系统3不启动，由铅酸电池组8输出电能给开关电源6，再由开关电源6将电能输出给用电设备7，此时由铅酸电池组8为用电设备供电。一旦管理系统1监测到铅酸电池组8的电能输出接近不足时，管理系统1将控制金属-空气电池系统3立即启动。当管理系统1监测到金属-空气电池系统3的电能输出达到预定值时，则控制金属-空气电池系统3通过隔离模块4单向给逆变或直流稳压模块5供电，逆变或直流稳压模块5将金属-空气电池系统3输出的电能输出给开关电源6，并由开关电源6为用电设备7供电。此时铅酸电池组8不再给开关电源6输出电能。
上述公开的各实施例中，基于金属-空气电池系统的UPS后备电源系统中，所述的管理系统采用控制器芯片，所述控制器芯片可以采用如下型号的单片机：
生产厂家 型号
TI MSP430
STM STM32F103RBT6
NXP LPC1768
FREESCALE MK10DN512VLL10
所述的启动电池组可以选用锂离子电池组或者铅酸电池组。锂离子电池可选用如 下产品：
公司 型号
中航锂电（洛阳）有限公司 CA100
三星 45173115
LG 6164226
ATL 2614891
力神 2614891
比克 2614891
铅酸电池可选用如下产品：
公司 型号
超威 6-DZM-20
松下 LC-P12100ST
南都 6-FM-100
南都 GFM-600P
所述的金属-空气电池系统可选用铝-空气电池系统或者锌-空气电池系统或者镁-空气电池系统或者锂-空气电池系统。
铝-空气电池系统可以选用德阳东深新能源科技有限公司生产的型号为STK-24-01-8、STK-24H-02-16、STK-48-01-8的产品。
所述隔离模块主要由二极管构成，可选用如下厂家和型号的二极管：
浙整半导体： MDK55-600
上海奇亿半导体： MDK55-600
所述逆变或直流稳压模块可选用以下厂家和型号的产品：
明纬： TS-3000-248B
明纬： TS-3000-244B
明纬： SD-1000L-48
博优： BP5000-2S
博优： BP3000。

Claims (6)

1.一种基于金属-空气电池组成的在线UPS后备电源系统，其特征在于：
包括管理系统、启动电池组、金属-空气电池系统、隔离模块、逆变或直流稳压模块和开关电源；
所述管理系统对应信号的输出端和输入端分别与所述的金属-空气电池系统、启动电池组和逆变或直流稳压模块的对应信号输入端和信号输出端相连接，用于监控金属-空气电池系统、启动电池组和逆变或直流稳压模块的电压和电流，并实现对金属-空气电池系统、启动电池组和逆变或直流稳压模块的混合控制；所述管理系统的对应信号输入端还与市电的对应信号输出端相连接，用于监控市电的电压、电流；
所述启动电池组的信号输入端和信号输出端分别与所述管理系统的对应信号输出端和输入端相连接，将启动电池组的电压、电流信号传输给管理系统，并接受管理系统发出的相关控制信号；所述启动电池组的对应电能输出端分别与管理系统和隔离模块的对应电能输入端相连，将电能输送给管理系统和隔离模块；
所述金属-空气电池系统的信号输入端和信号输出端分别与所述管理系统的对应信号输出端和输入端相连接，将金属-空气电池系统的电压、电流信号传输给管理系统，并接受管理系统发出的相关控制信号；金属-空气电池系统的对应电能输出端与隔离模块的对应电能输入端相连，并将电能输送给隔离模块；
所述隔离模块的电能输入端分别与启动电池组和金属-空气电池系统的电能输出端相连；所述隔离模块的对应电能输出端与逆变或直流稳压模块的电能输入端相连，将启动电池组或者金属-空气电池系统输出的电能输送至逆变或直流稳压模块；
所述逆变或直流稳压模块的信号输入端和信号输出端分别与所述管理系统的对应信号输出端和输入端相连接，将逆变或直流稳压模块的电压、电流信号传输给管理系统，并接受管理系统发出的相关控制信号；逆变或直流稳压模块的电能输入端与隔离模块的电能输出端相连，逆变或直流稳压模块的电能输出端与开关电源的对应电能输入端相连；
所述开关电源的对应电能输入端分别与逆变或直流稳压模块和市电的电能输出端相连；所述开关电源的电能输出端与用电设备的电能输入端相连，不间断地将电能输出给用电设备；
当管理系统监测到市电处于正常供电状态时，管理系统控制金属-空气电池系统不启动，开关电源将市电输送给用电设备，由市电为用电设备供电；
当管理系统监测到市电处于断电状态的同时，管理系统控制金属-空气电池系统立即启动，与此同时管理系统控制启动电池组通过隔离模块单向给逆变或直流稳压模块供电，逆变或直流稳压模块将启动电池组输出的电能输出给开关电源，并由开关电源为用电设备供电；当管理系统监测到金属-空气电池系统的电能输出达到预定值时，管理系统控制金属-空气电池系统通过隔离模块单向给逆变或直流稳压模块供电，逆变或直流稳压模块将金属-空气电池系统输出的电能输出给开关电源，并由开关电源为用电设备供电；此时管理系统控制启动电池组不再给逆变或直流稳压模块供电；
在所述金属-空气电池系统的电能输出尚未达到预定值之前，隔离模块保证启动电池组单向对逆变或直流稳压模块供电；当金属-空气电池系统的电能输出达到预定值时，隔离模块则控制由金属-空气电池系统单向对逆变或直流稳压模块供电，此时启动电池组不再对逆变或直流稳压模块供电。
2.如权利要求1所述的基于金属-空气电池组成的在线UPS后备电源系统，其特征在于：
还包括铅酸电池组，所述开关电源的对应电能输入端和输出端分别与铅酸电池组的电能输出端和输入端相连；所述铅酸电池组的信号输出端与管理系统的对应信号输入端相连，将铅酸电池组的电压和电流信号传输给管理系统，并接受管理系统发出的相关控制信号；铅酸电池组的对应电能输出端和输入端分别与开关电源的对应电能输入端和输出端相连。
3.如权利要求2所述的基于金属-空气电池组成的在线UPS后备电源系统，其运行方式如下：
当管理系统监测到市电处于断电状态时，且管理系统监测到铅酸电池组处于正常电能输出状态时，管理系统控制金属-空气电池系统不启动，由铅酸电池组输出电能给开关电源，再由开关电源将电能输出给用电设备，此时由铅酸电池组为用电设备供电；
一旦管理系统监测到铅酸电池组的电能输出接近不足时，管理系统控制金属-空气电池系统立即启动；当管理系统监测到金属-空气电池系统的电能输出达到预定值时，管理系统控制金属-空气电池系统通过隔离模块单向给逆变或直流稳压模块供电，逆变或直流稳压模块将金属-空气电池系统输出的电能输出给开关电源，并由开关电源为用电设备供电，此时铅酸电池组不再给开关电源输出电能。
4.如权利要求1或2所述的基于金属-空气电池组成的在线UPS后备电源系统，其特征在于：
所述逆变或直流稳压模块采用逆变功能时，该逆变或直流稳压模块将隔离模块输出的电能以交流电形式输出给开关电源；当所述逆变或直流稳压模块采用直流稳压功能时，该逆变或直流稳压模块将隔离模块输出的电能以直流电形式输出给开关电源。
5.如权利要求1或2所述的基于金属-空气电池组成的在线UPS后备电源系统，其特征在于：
所述的金属-空气电池系统包括铝-空气电池系统或者锌-空气电池系统或者镁-空气电池系统或者锂-空气电池系统。
6.如权利要求1或2所述的基于金属-空气电池组成的在线UPS后备电源系统，其特征在于：
所述的启动电池组包括锂离子电池组或者铅酸电池组。
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