CN103516039B - 一种分级供电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分级供电系统及方法，其中系统包括：电池组的正输出端连接所述电容组的负端；电容组的正端连接所述第一开关管的第一端，第一开关管的第二端连接负载的第一端；所述电池组的正输出端连接所述第二开关管的第一端，第二开关管的第二端连接所述负载的第一端；电容组有电量时，第一开关管导通，所述第二开关管断开；电容组没有电量时，第一开关管断开，第二开关管导通；负载的第二端连接所述电池组的负输出端。电容组有电量时，电容组一直在放电，电容组与电池组一起来为负载供电。电容组的电量释放完以后，由电池组单独来为负载供电。电容和电池共同为负载供电，提高了电容组的利用率，每次放电实现完全放电。

Description

一种分级供电系统及方法

技术领域

本发明涉及设备供电技术领域，特别涉及一种分级供电系统及方法。

背景技术

目前，在混合动力电动汽车中，采用超级电容和蓄电池混合供电。

参见图1，该图为现有技术中混合动力电动汽车的供电系统示意图。

该供电系统包括蓄电池Bat、超级电容C和DC-DC变换器100；

其中蓄电池Bat的正输出端通过依次串联的DC-DC变换器100、开关S和超级电容C连接蓄电池Bat的负输出端；电机M并联在所述超级电容C的两端。

驾驶员预先选定续驶里程和蓄电池荷电状态的初始值，自适应确定出DC-DC变换器100和超级电容C的工作电压以及电流的变化曲线。电动汽车短距离行驶时，此时开关S断开，由超级电容C单独供电。电动汽车行驶距离较长时，由蓄电池Bat和超级电容C共同供电，并优先使用超级电容C来供电。

但是，图1所示的混合供电系统存在以下问题：当蓄电池Bat和超级电容C共同供电时，超级电容的放电截止电压为DC-DC变换器100的输出电压，这样超级电容C上低于DC/DC变换器100输出电压的能量将无法释放，造成很大的浪费。

发明内容

本发明实施例提供一种分级供电系统及方法，超级电容上的电量能够完全释放，利用率很高。

本发明实施例提供一种分级供电系统，包括：包括：电池组、电容组、第一开关管、第二开关管；

所述电池组的正输出端连接所述电容组的负端；

所述电容组的正端连接所述第一开关管的第一端，所述第一开关管的第二端连接负载的第一端；

所述电池组的正输出端连接所述第二开关管的第一端，所述第二开关管的第二端连接所述负载的第一端；

所述电容组有电量时，所述第一开关管导通，所述第二开关管断开；所述电容组没有电量时，所述第一开关管断开，所述第二开关管导通；

所述负载的第二端连接所述电池组的负输出端。

本发明实施例提供一种分级供电方法，包括：

检测电容组的电量；

当电容组有电量时，控制第一开关管导通，第二开关管断开；当电容组没有电量时，控制第一开关管断开，第二开关管导通。

以上技术方案，当电容组有电量时，电容组一直在放电，电容组与电池组一起来为负载供电。当电容组的电量释放完以后，由电池组单独来为负载供电。这样既实现了电容和电池共同为负载供电，又提高了电容组的利用率，每次放电可以实现真正的完全放电。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中混合动力电动汽车的供电系统示意图；

图2是本发明提供的分级供电系统实施例一示意图；

图3是本发明提供的分级供电系统实施例二示意图；

图4是图3对应的等效电路图；

图5是图3另一个实施例对应的等效电路图；

图6是本发明提供的分级供电系统实施例三示意图；

图7是本发明提供的下电流程时功耗示意图；

图8是本发明提供的分级供电系统实施例五示意图；

图9是本发明提供的方法实施例一流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

首先对本发明实施例实现一种分级供电系统进行说明，包括：电池组、电容组、第一开关管、第二开关管；所述电池组的正输出端连接所述电容组的负端；所述电容组的正端连接所述第一开关管的第一端，所述第一开关管的第二端连接负载的第一端；所述电池组的正输出端连接所述第二开关管的第一端，所述第二开关管的第二端连接所述负载的第一端；所述电容组有电量时，所述第一开关管导通，所述第二开关管断开；所述电容组没有电量时，所述第一开关管断开，所述第二开关管导通；所述负载的第二端连接所述电池组的负输出端。

实施例一：

参见图2，该图为本发明提供的分级供电系统实施例一示意图。

本实施例提供的分级供电系统，包括：电池组Bat、电容组C、第一开关管S1、第二开关管S2；

所述电池组Bat的正输出端连接所述电容组C的负端；

所述电容组C的正端连接所述第一开关管S1的第一端，所述第一开关管S1的第二端连接负载R的第一端；

所述电池组Bat的正输出端连接所述第二开关管S2的第一端，所述第二开关管S2的第二端连接所述负载R的第一端；

所述电容组C有电量时，所述第一开关管S1导通，第二开关管S2断开；所述电容组C没有电量时，所述第一开关管S1断开，所述第二开关管S2导通；

所述负载R的第二端连接所述电池组Bat的负输出端。

如图所示，电池组和电容组串联为负载进行供电。

其中，为了描述方便，设电池组的输出电压为V2，电池组和电容组一起的输出电压为V1；如图2所示。

当电容组有电量时，V1大于V2，S1闭合，S2断开，此时，负载R由电容组和电池组共同供电。

当电容组没有电量时，即电容组的电量放电完毕后，V1等于V2；S1断开，S2闭合，此时，负载R由电池组供电。

需要说明的是，检测电容组是否还有电量的方式有很多种，这属于本领域技术人员的公知常识，因此，本实施例中不再赘述。

通过以上供电分析，可以看出，当电容组有电量时，电容组一直在放电，电容组与电池组一起来为负载供电。当电容组的电量释放完以后，由电池组单独来为负载供电。这样既实现了电容和电池共同为负载供电，又提高了电容组的利用率，每次放电可以实现真正的完全放电。

需要说明的是，本发明实施例提供的分级供电系统中，第一开关管和第二开关管既可以为可控开关管例如MOS管，也可以为不可控开关管，例如二极管。下面分别结合附图来介绍第一开关管和第二开关管分别为不可控开关管和可控开关管时的实现方式。

需要说明的是，以下实施例中还可以包括DC-DC变换器，DC-DC变换器的作用是使电容组或电池组输出的电压电流更稳定地给负载供电。可以理解的是，所述DC-DC变换器为Buck变换器、Boost变换器或Buck-Boost变换器。由于DC-DC变换器在本领域中已经发展比较成熟，在此不再对其具体结构进行限定。

实施例二：

本实施例中，以第一开关管和第二开关管均是不可控的二极管为例进行介绍。

参见图3，该图为本发明提供的分级供电系统实施例二示意图。

如图所示，电池组和电容组串联为负载进行供电。本实施例中还包括DC-DC变换器100。

其中，为了描述方便，设电池组的输出电压为V2，电池组和电容组一起的输出电压为V1；如图所示。

当电容组有电量时，V1大于V2，因此，第一二极管D1的正极电压高于负极电压，因此D1导通；而第二二极管D2的正极电压低于负极电压，因此，D2截止。此时，负载由电容组C和电池组Bat共同供电，等效供电电路图如图4所示。

下面结合图5介绍当电容组没有电量时的等效供电电路。

当电容组没有电量时，即电容组的电量放电完毕后，V1等于V2；此时，由于D1不导通，因此，D2的正极电压高于D2的负极电压，D2导通，由电池组单独为负载供电。等效供电电路图如图5所示。

本实施例中第一开关管和第二开关管以二极管为例，优点是二极管不用专门的控制，因为二极管自身的特性便是单向导通，即当正极的电压高于负极电压时，便会自动导通。但是二极管由于自身压降比较大，当大电流场景下，其功率损耗不可忽略。为了节省功耗，第一开关管和第二开关管均可以用功率MOS管来实现。下面结合实例进行详细介绍。

实施例三：

本实施例中，以第一开关管和第二开关管均是可控的MOS管为例进行介绍。

可以理解的是，无论是MOS管还是二极管，在本发明实施例中所起的作用均是一个开关的作用，使支路导通，还是使支路断开。下面以MOS管为NMOS管为例进行介绍。

参见图6，该图为本发明提供的分级供电系统实施例三示意图。

本实施例中，电容组C的正端通过第一NMOS管Q1连接DC-DC变换器100；Q1的栅极通过第一电阻R1连接VDD；Q1的栅极连接第三NMOS管Q3的漏极，Q3的源极接地，Q3的栅极连接控制器（图中未示出）的第一输出端，第一输出端输出的是第一控制信号Q1_ctrl；

本实施例中，电池组Bat的正输出端通过第二NMOS管Q2连接DC-DC变换器100；Q2的栅极通过第二电阻R2连接VDD，Q2的栅极连接第四NMOS管Q4的漏极，Q4的源极接地，Q4的栅极连接控制器的第二输出端，第二输出端输出的是第二控制信号Q2_ctrl。

需要说明的是，控制器可以由单片机来实现，或者由其他微处理器来实现。

需要说明的是，NMOS管的工作原理是，当栅极的电压高于源极时，NMOS管导通。

下面结合图6说明本实施例的工作原理。

VDD是高于V1的一个电源电压；因为要保证Q1和Q2的栅源电压Vgs超过NMOS管的门限电压值，Q1和Q2才可以导通。

当Q1_ctrl（Q2_ctrl）为低时，Q3（Q4）断开，Q1(Q2)的栅极电压Vg等于VDD，Q1(Q2)导通。

当Q1_ctrl（Q2_ctrl）为高时，Q3（Q4）导通，Q1(Q2)的栅极电压Vg等于0（由于Q1和Q2的栅极电压被拉低到地电平），Q1(Q2)断开。

具体地，Q1和Q2的开关状态由控制器根据电容组是否还有电量来控制输出的Q1_ctrl和Q2_ctrl的高低电平。

各种情况下，Q1和Q2的导通顺序如下：

当电容组和电池组充电时，先断开Q2，再导通Q1。

当电容组和电池组共同为负载供电时，Q1导通，Q2断开。

当控制器检测到电容组电量快要放光时，先导通Q2，再断开Q1。

实施例四：

继续参见图6，该图为本发明提供的分级供电系统实施例四示意图。

需要说明的是，实施例四中结合本发明提供的分级供电系统的应用场景来介绍。

首先介绍几个专业术语：

电池备电单元（BBU，BatteryBackupUnit）：在存储设备异常掉电时，给系统供电若干分钟保障易失存储介质（包括但不限于内存）的数据刷入非易失存储介质（包括但不限于硬盘，SSD，FLASH）。

回写（Write-Back）：服务器发送处理硬盘数据的请求后，存储设备将其放入Cache中，返回数据已经写入硬盘的确认信息，再根据一定的策略，事后将Cache中数据写入硬盘。这部分已经返回确认信息，但还没有写入硬盘的数据叫做脏数据。

下电流程：存储设备采用回写模式时，当发生输入电源异常掉电时，需要保证内存中的脏数据刷入非易失性存储介质，避免数据丢失，因此使用由BBU供电若干分钟，完成脏数据刷入非易失性存储介质的过程。

电池放电平台：本发明实施例中选用的电池类型，在放电过程中，绝大部分电量都是在一个电压值释放的，这个电压值被称作电池放电平台。

放电截止电压：当电容和/或电池放电时，当电压下降到该值时，无法再释放出电量，将该值称为放电截止电压。

一次电源：220V交流电源进入设备后通过电源模块将其转换成12V或者其他电压值的单板电压。这个电源模块叫做一次电源。

48VDC电源：48V直流电源进入设备后，通过电源模块将其转换成12V或者其他电压值，这个模块叫做48VDC电源。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明提供的技术方案，下面结合附图详细介绍下电流程时功耗示意图。

参见图7，该图为本发明提供的下电流程时功耗示意图。

该图中，横坐标为时间，纵坐标为电流；

在下电开始的30ms内，系统负载的电流为24A，之后下降到15A，15A持续的时间为300s，即6分钟，对应的供电电压为11.5V。

现有技术中的问题是，当一次电源（或者48VDC电源）的输入电源异常掉电时，现有技术中，由于软件的处理速度等原因，系统功率无法在us级别，甚至ms级别内将系统的功耗降到BBU的额定功耗范围内，因此其前20ms-50ms功耗极大。目前已经因为最大配置下下电流程时瞬态功耗超标，被迫降低业务性能。现在存储设备采用的一种方案为，加大一次电源（或者48VDC电源）的输出电容，尽量由一次电源（或者48VDC电源）支撑系统降功耗的过程，而一次电源（或者48VDC电源）输出电容支持系统功耗能力有限且很难提高，一般为us到ms级别。采用另外一种方案为增加BBU内电池的串并联数目，但是这样会导致成本、空间增加以及电池容量的浪费。

本发明以上实施例提供的分级供电系统可以解决现有技术中的存储设备下电流程瞬间功耗超过BBU额定输出电流的问题。其中，以一次电源为例进行介绍。

利用电容组和电池组串联进行供电，当一次电源300的输入电源正常工作时，控制器控制开关S闭合，控制Q1和Q2断开，一次电源300通过充电均衡电路200为电池组和电容组进行充电，同时一次电源300为负载进行供电。

当一次电源300的输入电源异常掉电时，控制器控制开关S断开，控制Q1或者Q2闭合，由串联的电容组和电池组给负载供电。具体地，当电容组有电量时，Q1闭合，Q2断开；当电容组没有电量时，Q1断开，Q2闭合。

需要说明的是，充电均衡电路200是本领域已经成熟的技术，主要的作用是：在电池串联充电过程中，由于每节电池的初始电量和容量不一致，导致充电时各节电压不一致。当当某节电池达到过冲电压后，为了防止过冲对电池的损害，将该节电池从充电电路旁路并放电，当电压下降到合理值后，继续电池组进行充电。。

本发明利用电容组和电池组的串联来实现BBU，不但可以增加电容组的使用效率，而且不必全部由电池来实现BBU，这样可以降低BBU的重量和成本。并且本发明提供的系统结构简单，实现方便。

需要说明的是，图2对应的实施例中也可以包括开关S、一次电源300、充电均衡电路200和DC-DC变换器100；如图8所示，图8的具体工作原理与图6所示的相似，在此不再赘述。

需要说明的是，所述电池组为多个电池串联、或多个电池并联、或多个电池串并联。

所述电容组为多个超级电容串联、或多个电容并联、或多个电容串并联。

本发明实施例中不具体限定电容组中的电容个数，不限定具体串并联的连接方式；也不具体限定电池组中的电池个数，以及电池的串并联方式。

基于以上实施例提供的分级供电系统，本发明实施例还提供了一种利用所述分级供电系统进行供电的方法，下面结合附图来详细说明。

参见图9，该图为本发明提供的方法实施例一流程图。

包括以下步骤：

S901：检测电容组的电量；

S902：当电容组有电量时，控制第一开关管导通，第二开关管断开；当电容组没有电量时，控制第一开关管断开，第二开关管导通。

需要说明的是，检测电容组是否还有电量的方式有很多种，这属于本领域技术人员的公知常识，因此，本实施例中不再赘述。

当电容组有电量时，电容组一直在放电，电容组与电池组一起来为负载供电。当电容组的电量释放完以后，由电池组单独来为负载供电。这样既实现了电容和电池共同为负载供电，又提高了电容组的利用率，每次放电可以实现真正的完全放电。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种分级供电系统，其特征在于，包括：电池组、电容组、第一开关管、第二开关管；

所述电池组的正输出端连接所述电容组的负端；

所述电容组的正端连接所述第一开关管的第一端，所述第一开关管的第二端连接负载的第一端；

所述电池组的正输出端连接所述第二开关管的第一端，所述第二开关管的第二端连接所述负载的第一端；

所述电容组有电量时，所述第一开关管导通，所述第二开关管断开；所述电容组没有电量时，所述第一开关管断开，所述第二开关管导通；

所述负载的第二端连接所述电池组的负输出端；

所述第一开关管和第二开关管均为二极管，分别为第一二极管和第二二极管；

所述第一开关管的第一端为所述第一二极管的正极，所述第一开关管的第二端为所述第一二极管的负极；

所述第二开关管的第一端为所述第二二极管的正极，所述第二二极管的第二端为所述第二二极管的负极。

2.一种分级供电系统，其特征在于，包括：电池组、电容组、第一开关管、第二开关管；

所述电池组的正输出端连接所述电容组的负端；

所述电容组的正端连接所述第一开关管的第一端，所述第一开关管的第二端连接负载的第一端；

所述电池组的正输出端连接所述第二开关管的第一端，所述第二开关管的第二端连接所述负载的第一端；

所述电容组有电量时，所述第一开关管导通，所述第二开关管断开；所述电容组没有电量时，所述第一开关管断开，所述第二开关管导通；

所述负载的第二端连接所述电池组的负输出端；所述第一开关管和第二开关管均为NMOS管，分别为第一NMOS管和第二NMOS管；

还包括控制器、第三NMOS管、第一电阻、第二电阻和第四NMOS管；

所述电容组的正端通过第一NMOS管连接负载；第一NMOS管的栅极通过第一电阻连接VDD；第一NMOS管的栅极连接第三NMOS管的漏极，第三NMOS管的源极接地，第三NMOS管的栅极连接所述控制器的第一输出端，所述控制器的第一输出端输出的是第一控制信号；

所述电池组的正输出端通过第二NMOS管连接负载；第二NMOS管的栅极通过第二电阻连接VDD，第二NMOS管的栅极连接第四NMOS管的漏极，第四NMOS管的源极接地，第四NMOS管的栅极连接所述控制器的第二输出端，所述控制器的第二输出端输出的是第二控制信号；

当所述电容组有电量时，所述第一控制信号为低电平，第二控制信号为高电平；

当所述电容组没有电量时，所述第一控制信号为高电平，第二控制信号为低电平。

3.根据权利要求1或2所述的分级供电系统，其特征在于，还包括DC-DC变换器；

所述第一开关管的第二端通过所述DC-DC变换器连接所述负载的第一端；

所述第二开关管的第二端通过所述DC-DC变换器连接所述负载的第一端。

4.根据权利要求1或2所述的分级供电系统，其特征在于，还包括：充电均衡电路、一次电源和开关；

所述充电均衡电路的第一端连接所述一次电源；所述充电均衡电路的第一端连接所述负载的第一端；

所述充电均衡电路的第二端通过所述开关连接所述电容组的正端；

所述一次电源正常供电时，所述开关闭合，所述一次电源通过充电均衡电路为所述电容组和电池组进行充电；所述一次电源故障时，所述开关断开，所述负载由所述电容组和所述电池组共同为负载供电或由所述电池组单独为负载供电。

5.根据权利要求1或2所述的分级供电系统，其特征在于，所述电池组为多个电池串联、或多个电池并联、或多个电池串并联。

6.根据权利要求1或2所述的分级供电系统，其特征在于，所述电容组为多个超级电容串联、或多个电容并联、或多个电容串并联。

7.根据权利要求3所述的分级供电系统，其特征在于，所述DC-DC变换器为Buck变换器、Boost变换器或Buck-Boost变换器。

8.一种利用权利要求1-7任一项所述的分级供电系统进行供电的方法，其特征在于，包括以下步骤：

检测电容组的电量；

当电容组有电量时，控制第一开关管导通，第二开关管断开；当电容组没有电量时，控制第一开关管断开，第二开关管导通。