CN116826944A - 一种离线式不间断电源及doe模式失效检测方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种离线式不间断电源，包括：变压器，其被配置为将市电电压输出至负载；双向变换器，其被配置为将来自变压器的交流电转换为直流电以对可充电电池进行充电，以及将可充电电池的直流电转换为交流电以输出至变压器；控制单元，其被配置为控制离线式不间断电源的工作；其中，当市电电压在正常范围内，且可充电电池充满电后，所述离线式不间断电源进入DOE模式，在DOE模式下，变压器和双向变换器关闭；以及在DOE模式下，控制单元被配置为检测可充电电池的电压，并计算可充电电池电压下降的斜率，当电压下降的斜率大于预设的第一阈值时，控制单元控制离线式不间断电源删除DOE模式。
Description
技术领域
本发明涉及不间断电源领域，尤其涉及一种离线式不间断电源及DOE模式失效快速检测方法。
背景技术
目前，市场对离线式不间断电源(OFFLINE UPS)效率指标提出了更高的市场准入要求。常规设计的离线式不间断电源通常不能够满足这一新的指标要求，因此需要对离线式不间断电源进行DOE(Design of energy)设计。
发明内容
根据现有技术的上述问题，本发明提出一种离线式不间断电源，包括：
变压器，其被配置为将市电电压输出至负载；
双向变换器，其被配置为将来自所述变压器的交流电转换为直流电以对可充电电池进行充电，以及将所述可充电电池的直流电转换为交流电以输出至所述变压器；
控制单元，其被配置为控制所述离线式不间断电源的工作；
其中，当所述市电电压在正常范围内，且所述可充电电池充满电后，所述离线式不间断电源进入DOE模式，在所述DOE模式下，所述变压器和所述双向变换器关闭，以及
在所述DOE模式下，所述控制单元被配置为检测所述可充电电池的电压，并计算所述可充电电池电压下降的斜率，当所述电压下降的斜率大于预设的第一阈值时，所述控制单元控制所述离线式不间断电源删除DOE模式。
优选地，所述离线式不间断电源还包括：
AC/DC变换器，用于在所述DOE模式下，将所述市电电压转换为直流电以供电至所述控制单元；
优选地，所述离线式不间断电源还包括可充电电池。
优选地，所述变压器还包括控制部件，当所述市电电压偏离正常值时，通过所述控制部件控制所述变压器不同抽头通断，实现输出至负载的电压恒定。
优选地，所述控制单元还被配置为检测所述可充电电池的电压，当所述可充电电池的电压小于预设的第二阈值时，所述控制单元控制所述离线式不间断电源删除所述DOE模式。
本发明还提供一种用于离线式不间断电源的DOE模式失效检测方法，所述离线式不间断电源具有DOE模式，所述方法包括：
当控制单元检测到所述离线式不间断电源处于DOE模式时，所述控制单元检测可充电电池电压下降的斜率是否大于预设的第一阈值；
如果可充电电池电压下降的斜率大于预设的第一阈值，所述控制单元控制所述离线式不间断电源删除DOE模式。
优选地，当所述离线式不间断电源进入DOE模式时，将存储器中储存的DOE模式标志位置位，所述控制单元检测存储器中储存的DOE模式标志位的值以确定所述离线式不间断电源是否处于DOE模式。
优选地，所述离线式不间断电源删除DOE模式的步骤包括：
所述控制单元控制启动所述离线式不间断电源中的变压器和双向变换器，关闭AC/DC变换器，禁用DOE功能，并将DOE模式失效保存在历史记录中。
优选地，所述方法还包括：
在所述离线式不间断电源断电或重新上电后，重新启用DOE功能。
优选地，所述方法还包括：
如果可充电电池电压下降的斜率大于预设的第一阈值，重新校准所述可充电电池的备电时间。
本发明针对离线式不间断电源的DOE模式，提出了一种DOE模式失效快速检测方法。在DOE模式下，通过控制单元实时检测可充电电池的电压下降的斜率是否大于预设的斜率阈值，当可充电电池的电压下降的斜率大于预设的斜率阈值时，控制单元控制离线式不间断电源删除DOE模式，以避免可充电电池的电能损耗。该方法不需要额外的硬件电路，成本低，且能够快速检测DOE模式的失效，为后级负载提供可靠的备电时间。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的离线式不间断电源的电路框图；
图2是根据本发明一个实施例的离线式不间断电源的电路拓扑图；
图3示出了根据本发明一个实施例确定的预设的斜率阈值；以及
图4示出了根据本发明一个实施例的DOE模式失效快速检测方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的范围。
图1是根据本发明一个实施例的离线式不间断电源的电路框图。如图1所示，离线式不间断电源100包括输入开关101、自动电压调节器(AVR)102、输出开关103、双向变换器104、可充电电池105、AC/DC变换器106以及控制单元107，输入端用于连接至市电，输出端用于连接至负载。其中，自动电压调节器102包括变压器和控制部件(例如开关)，用于调节输出电压，当输入电压偏离正常值时，通过自动电压调节器102内的控制部件控制变压器不同抽头通断，实现输出电压恒定。自动电压调节器102还提供交流电至双向变换器104。双向变换器104将交流电转换为直流电后为可充电电池105充电，可充电电池105也可以通过双向变换器104将直流电转换为交流电后为输出端的负载供电。双向变换器104可以是双向全桥变换器。控制单元107用于控制离线式不间断电源100中的各个部件，以保证离线式不间断电源100的正常工作，控制单元107可以通过AC/DC变换器106、电池105以及双向变换器104之一供电。AC/DC变换器106用于将来自输入端的交流电转换为直流电后为控制单元107供电，AC/DC变换器106可以是反激式(flyback)或正激式(forward)架构电路。
当市电电压在正常范围内时，离线式不间断电源100被控制为处于正常模式，当可充电电池105充满电后，可进入DOE模式，即关闭自动电压调节器102和双向变换器104，以提升整机效率。此时由AC/DC变换器106为控制单元107供电。
图2是根据本发明一个实施例的离线式不间断电源的电路拓扑图，其示出了自动电压调节器102的具体结构，应当注意，自动电压调节器102的结构仅为示例，并不构成对本发明的限定。以下结合图2，对本发明的离线式不间断电源的工作模式进行更详细的描述。如图2所示，离线式不间断电源200包括在其交流输入端20和交流输出端20’之间连接的输入开关(安全开关)101，其被构造为双刀单掷继电器或包括安全开关单元221和安全开关单元222；在安全开关101和交流输出端20’的端子L之间依次连接的第一开关231、第二开关232和输出开关103；变压器Tr2，变压器Tr2的一次侧的一端T21连接在安全开关101和交流输出端20’的端子N之间，其中第一开关231可操作地使得安全开关101连接至变压器Tr2的一次侧的另一端T22和抽头T23之一，第二开关232可操作地使得输出开关103连接至变压器Tr2的一次侧的另一端T22和抽头T23之一；以及可充电电池105；双向变换器104；AC/DC变换器106和控制单元107。
可充电电池105通过双向变换器104连接至变压器Tr2的二次侧，控制单元107连接至可充电电池105，可充电电池105在电池模式下为控制单元107供电，控制单元107还用于控制离线式不间断电源200的工作，例如用于控制自动电压调节器102、AC/DC变换器106、可充电电池105和双向变换器104的工作状态，以及控制安全开关101、第一开关231、第二开关232、第三开关29和输出开关103的开关状态(为清晰起见，未示出相应的连接线)。AC/DC变换器106的输入端通过安全开关101连接至交流输入端20，即其输入端的一个端子连接至第一安全开关单元221和交流输出端20’的一个端子N之间，输入端的另一个端子连接至第二安全开关单元222和第一开关231之间，AC/DC变换器106的输出端连接至控制单元107，用于在DOE模式下为控制单元107供电。
以下将分情况介绍离线式不间断电源200的工作模式。
(1)当市电电压在正常范围内时，离线式不间断电源200被控制为处于正常模式。其中，安全开关101(即第一安全开关单元221和第二安全开关单元222)被控制为导通。如果可充电电池105未被充满电，控制第三开关29导通(即使得第三开关29连接至第一开关231和第二开关232之间的节点)，第一开关231和第二开关232被控制为都连接至变压器Tr2的一次侧的端子T22，以及输出开关103被控制为导通，交流输入端20的交流电将传输至交流输出端20’。同时双向变换器104被控制为将变压器Tr2的二次侧的交流电转换为直流电，以对可充电电池105进行快速充电。此时控制单元107控制AC/DC变换器106不工作，控制单元107从双向变换器104取电。
如果可充电电池105被充满电，此时第三开关29被控制为断开，关闭自动电压调节器102和双向变换器104，此时离线式不间断电源200工作于DOE模式。同时AC/DC变换器106被控制为将交流输入端20的交流电转换为直流电，以为控制单元107提供所需的直流电。在DOE模式下，变压器Tr2的一次侧并未连接在电路中，因此不存在变压器空载损耗，且双向变换器104停止工作，减少了损耗，提高了整机效率。
(2)当市电电压偏高时，离线式不间断电源200被控制为处于自动电压降压调节模式。其中，安全开关101被控制为导通，第三开关29被控制为导通，第一开关231被控制为连接至变压器Tr2的一次侧的端子T22，第二开关232被控制为连接至变压器Tr2的一次侧的抽头T23，且输出开关103被控制为导通。控制单元107控制AC/DC变换器106不工作，控制单元107从双向变换器104取电。
(3)当市电电压偏低时，离线式不间断电源200被控制为处于自动电压升压调节模式。其中，安全开关101被控制为导通，第三开关29被控制为导通，第一开关231被控制为连接至变压器Tr2的一次侧的抽头T23，第二开关232被控制为连接至变压器Tr2的一次侧的端子T22，且输出开关103被控制为导通。控制单元107控制AC/DC变换器106不工作，控制单元107从双向变换器104取电。
(4)当市电电压异常(例如电压过高)或停电时，离线式不间断电源200被控制为处于电池模式，其中，安全开关101被控制为断开，第二开关232被控制为连接至变压器Tr2的一次侧的端子T22，且第三开关29和输出开关103被控制为导通，同时双向变换器104被控制为将可充电电池105的直流电转换为交流电，经过变压器Tr2变压后，从而在交流输出端20’得到所需的交流电。同时可充电电池105为控制单元107提供直流电，AC/DC变换器106不工作。
结合上述工作模式可知，当市电电压在正常范围内，离线式不间断电源被控制为处于正常模式，且在可充电电池105充满电后，离线式不间断电源被控制为处于DOE模式，此时自动电压调节器102和双向变换器104关闭，可以提升整机效率。AC/DC变换器106被控制为仅在DOE模式下为控制单元107供电，在其他模式均不工作。在正常DOE模式下，可充电电池105不会为控制单元107供电，以避免影响可充电电池105的备电电压。在非DOE模式中，在电池模式下，由可充电电池105为控制单元107供电，在非电池模式下，由双向变换器104为控制单元107供电。
然而，当AC/DC变换器106因外部扰动(如雷击等)而被损坏时，在DOE模式下，控制单元107会从可充电电池105取电，可充电电池105被迫给控制单元107供电。由于DOE模式中自动电压调节器102和双向变换器104关闭，可充电电池105无法进行充电，因此可充电电池105的电池容量会不断被消耗。如果此时离线式不间断电源因为市电电压异常等转为电池模式，可充电电池105的备电时间(可充电电池可支持离线式不间断电源供电给负载的时间)将与实际不符(例如，备电时间变短)，不能给输出端的负载提供可靠的备电时间。
在正常DOE模式中，可充电电池满容量静置，其电压随时间缓慢回落。而在异常DOE模式中，例如AC/DC变换器106失效，导致可充电电池105被迫给控制单元107供电，此时可充电电池105的电压随时间快速回落。在本发明中，用控制单元107实时检测可充电电池105的电压，并计算电压下降的斜率。当可充电电池105电压下降的斜率K_bat大于预设的斜率阈值K_thr时，则认为DOE模式失效。控制单元107控制离线式不间断电源删除DOE模式，即，启动自动电压调节器102和双向变换器104，关闭AC/DC变换器106，禁用DOE功能(例如软件删除DOE功能)，并将DOE模式失效保存在历史记录中。
预设的斜率阈值K_thr可以根据经验设定，也可以根据实验测得。以下结合图3提供一种实验测量斜率阈值K_thr的方法。
步骤S101：考虑到最坏情况(worst case)，在正常DOE模式时，采用老电池(根据电池内阻判断)来实验；当离线式不间断电源进入DOE模式时,采集电池电压，每一小时采集一次，并绘制正常DOE模式Vbat曲线，如图3所示。
步骤S102：考虑到最坏情况，人为损坏AC/DC变换器106，使其故障(无输出)以模拟异常DOE模式，采用新电池(根据电池内阻判断)来实验；等离线式不间断电源进入DOE模式时，采集电池电压，每一小时采集一次，并绘制异常DOE模式Vbat曲线，如图3所示。
步骤S103：初步拟定Kslop_thr_typical曲线作为DOE模式失效判定斜率阈值；考虑电池电压采样的系统误差，对该Kslop_thr_typical曲线的斜率阈值点进行Monte Carlo分析，得出斜率阈值点的最小值Kslop_thr_min和最大值Kslop_thr_max。若Kslop_thr_min与异常DOE模式Vbat曲线无干涉，且Kslop_thr_max与正常DOE模式Vbat曲线无干涉，则判定初步拟定的Kslop_thr_typical曲线可用做预设的斜率阈值K_thr，否则需要重新拟定判断，并重复步骤S101-S103，直到得到合适的斜率阈值K_thr。
DOE模式失效后，不能准确计算电池剩余的备电时间。实际测试中，DOE模式后，硬件模拟DOE模式失效(损坏AC/DC变换器)，至系统检测出DOE模式失效后，转入电池模式放电，实验测得的实际备电时间超过满载电池备电时间的50％。因此实际工作中，DOE模式失效后，预留余量后，可将电池的备电时间校准为满载电池备电时间的30％。
本发明还提供一种DOE模式失效快速检测方法，图4示出了根据本发明一个实施例的DOE模式失效快速检测方法的流程图。结合图1-4对该方法进行详细说明。
步骤S201：控制单元107检测离线式不间断电源是否处于DOE模式；当离线式不间断电源进入DOE模式时，会将存储器中储存的DOE模式标志位置位(例如设为1)，控制单元107检测存储器中储存的DOE模式标志位的值以确定离线式不间断电源是否处于DOE模式；
步骤S202：如果离线式不间断电源处于DOE模式，控制单元107实时检测可充电电池105电压下降的斜率K_bat是否大于预设的斜率阈值K_thr；
步骤S203：如果可充电电池105电压下降的斜率K_bat大于预设的斜率阈值K_thr，控制单元107控制离线式不间断电源删除DOE模式，启动自动电压调节器和双向变换器，关闭AC/DC变换器，禁用DOE功能(例如软件删除DOE功能)，并将DOE模式失效保存在历史记录中。
若离线式不间断电源断电或重新上电后，可重新启用DOE功能。
根据本发明的一个实施例，所述控制单元包括电压检测电路，用于检测可充电电池104的电压。
根据本发明的另一实施例，所述控制单元还被配置为检测可充电电池104的电压，当可充电电池104的电压小于预设的电压阈值时，所述控制单元控制离线式不间断电源删除DOE模式。但是单独使用该方法检测速度慢，电池容量显示可能会有跳变，并且测量不准确。根据本发明的另一实施例，将检测可充电电池电压以及检测可充电电池电压下降的斜率二者结合，以使得对DOE模式失效的判断更加准确
本发明针对离线式不间断电源的DOE模式，提出了一种DOE模式失效快速检测系统及方法。在DOE模式下，通过控制单元实时检测可充电电池的电压下降的斜率是否大于预设的斜率阈值，当可充电电池的电压下降的斜率大于预设的斜率阈值时，控制单元控制离线式不间断电源删除DOE模式，以避免可充电电池的电能损耗。该方法不需要额外的硬件电路，成本低，且能够快速检测DOE模式的失效，为后级负载提供可靠的备电时间。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。
Claims (10)
1.一种离线式不间断电源，包括：
变压器，其被配置为将市电电压输出至负载；
双向变换器，其被配置为将来自所述变压器的交流电转换为直流电以对可充电电池进行充电，以及将所述可充电电池的直流电转换为交流电以输出至所述变压器；
控制单元，其被配置为控制所述离线式不间断电源的工作；
其中，当所述市电电压在正常范围内，且所述可充电电池充满电后，所述离线式不间断电源进入DOE模式，在所述DOE模式下，所述变压器和所述双向变换器关闭，以及
在所述DOE模式下，所述控制单元被配置为检测所述可充电电池的电压，并计算所述可充电电池电压下降的斜率，当所述电压下降的斜率大于预设的第一阈值时，所述控制单元控制所述离线式不间断电源删除DOE模式。
2.根据权利要求1所述的离线式不间断电源，其中所述离线式不间断电源还包括：
AC/DC变换器，用于在所述DOE模式下，将所述市电电压转换为直流电以供电至所述控制单元。
3.根据权利要求1所述的离线式不间断电源，其中所述离线式不间断电源还包括可充电电池。
4.根据权利要求1所述的离线式不间断电源，其中所述变压器还包括控制部件，当所述市电电压偏离正常值时，通过所述控制部件控制所述变压器不同抽头通断，实现输出至负载的电压恒定。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的离线式不间断电源，其中所述控制单元还被配置为检测所述可充电电池的电压，当所述可充电电池的电压小于预设的第二阈值时，所述控制单元控制所述离线式不间断电源删除所述DOE模式。
6.一种用于离线式不间断电源的DOE模式失效检测方法，所述离线式不间断电源具有DOE模式，所述方法包括：
当控制单元检测到所述离线式不间断电源处于DOE模式时，所述控制单元检测可充电电池电压下降的斜率是否大于预设的第一阈值；
如果可充电电池电压下降的斜率大于预设的第一阈值，所述控制单元控制所述离线式不间断电源删除DOE模式。
7.根据权利要求6所述的用于离线式不间断电源的DOE模式失效检测方法，其中，当所述离线式不间断电源进入DOE模式时，将存储器中储存的DOE模式标志位置位，所述控制单元检测存储器中储存的DOE模式标志位的值以确定所述离线式不间断电源是否处于DOE模式。
8.根据权利要求6所述的用于离线式不间断电源的DOE模式失效检测方法，其中，所述离线式不间断电源删除DOE模式的步骤包括：
所述控制单元控制启动所述离线式不间断电源中的变压器和双向变换器，关闭AC/DC变换器，禁用DOE功能，并将DOE模式失效保存在历史记录中。
9.根据权利要求8所述的用于离线式不间断电源的DOE模式失效检测方法，其中，所述方法还包括：
在所述离线式不间断电源断电或重新上电后，重新启用DOE功能。
10.根据权利要求6所述的用于离线式不间断电源的DOE模式失效检测方法，其中，所述方法还包括：
如果可充电电池电压下降的斜率大于预设的第一阈值，重新校准所述可充电电池的备电时间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication |