[发明专利]采用可再充电电化学单元的快速切换的备用供电系统

说明书

备用可再充电电池供电系统(10)包括通信链路和开关(75、85、90、92)的配置，以允许电池备用功率由处于就绪模式的电池单元内的单元(80)提供并且被提供到处于非就绪模式或维护模式的旁路电池。开关(75、85、90、92)的独特配置和通信方法使得能够非常快速地提供备用功率，以避免向负载的功率的中断。每个电池单元(80)具有充电开关(92)和放电开关(90)以及功率开关(75)。功率开关(75)以及充电开关(92)或放电开关(90)中的一个开关必须被闭合，以分别允许电池单元充电或放电。旁路开关(85)可以由电池系统控制(70)控制或由单元控制器(87)控制，并且当旁路开关(85)闭合时，单元(80)可以从放电或充电而被旁路。电池单元(80)可以是电化学单元，诸如金属空气电池。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年04月09日提交的美国临时申请号62/483,443的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及采用可再充电电化学单元的快速切换的备用供电系统。

背景技术

备用供电系统必须在主电源中断时快速响应。当主电源发生故障或供电电平下降时，即使是几分之一秒的负载的功率丢失也可能会出现问题，尤其是在当今复杂的计算机系统的情况下。

在使用电池作为备用功率源的现有技术备用系统(具有在单元电平操作的连接开关)中，功率的下降或丢失的通信被提供给中央控制器，中央控制器又向单元发出信号以激活它们的开关，以用于将电池连接到电路。由于在发生功率丢失时使电池上线以满足功率需求可能存在滞后，因此通常使用高放电率电容器来避免中断。高放电率电容器可以非常快速地放电，但是通常具有低能量密度，并且昂贵。

高放电率电容器还用于其中在能够使电池上线以进行充电/存储之前充电负载可以快速突增或饱和的应用。例如，清除云覆盖范围或风力模式的改变可能导致太阳能单元或风力涡轮机场上的可用能量快速增加超出其供电的电网的需求，并且高充电率电容器用于对电池组进行缓冲，直到足够的容量上线以接受递送的功率。

可再充电电化学单元具有其他特定特性，这些特性使得在备用供电系统中利用它们具有挑战性。可再充电电化学单元(诸如金属-空气单元、铅-酸电池和锂电池)必须经受维护，在维护中单元离线以防止它们与主电源和/或负载耦合。这种维护可以包括负载平衡、深度放电、强制重置等。另外，可再充电电化学单元可以具有下降的电荷状态，不足以使得能够以供电模式利用单元。因为每个单元单独运行，所以利用这种单元的快速响应备用供电可能会造成独特的问题。

在参考图1-图3的详细描述部分中讨论了根据现有技术的设计的示例。这些设计的缺点在于，单元转换到它们准备好放电或充电的状态由系统控制器管理，这比较缓慢并且专用于在转换中产生可能的延迟的各种其他功能。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种用于与主电源结合使用的备用供电系统。系统包括主功率传感器，其被配置成检测由主电源向负载提供的主功率的特性。主功率传感器被配置成输出阈值信号，该阈值信号基于检测到的特性来指示放电模式或充电模式。系统还包括系统控制器和电池系统。

电池系统包括布置成串联结构的多个可再充电电池单元。每个单元包括：

(i)单元控制器；

(ii)被耦合到单元控制器的至少一个就绪状态传感器，以用于感测单元的一个或多个状况，以用于确定：可再充电电池单元是否处于就绪充电模式以进行充电，以及可再充电电池单元是否处于就绪放电模式以进行放电；

(iii)单元旁路开关，被耦合到单元控制器，单元旁路开关在正常状态和旁路状态之间可切换，正常状态用于使得所述单元能够电耦合成所述串联结构，旁路状态用于旁路串联结构内的单元；以及