TWI408865B - 不斷電電源供應器及其所適用之電源供應方法 - Google Patents

Description

不斷電電源供應器及其所適用之電源供應方法

本案係關於一種不斷電電源供應器，尤指一種於控制模組故障時仍可維持輸出不中斷之不斷電電源供應器及其所適用之電源供應方法。

不斷電電源供應器(Uninterruptible Power Supply, UPS)是一種連接在供電電源與負載之間的裝置，該供電電源可以是直接市電(commercial AC power supply)、經過轉換處理過的交流電(AC)或是經過轉換處理過的直流電(DC)，而不斷電電源供應器的主要目的在於當供電電源正常時，事先將電能儲存於蓄電池中，當供電電源發生異常時，將蓄電池所儲存的電能用來緊急提供負載運作所需的能量，以確保負載的正常運作。

為了更有效更安全的保護重要之電子裝置，不斷電電源供應系統已被普遍應用來確保各種電子裝置的正常運作。

目前一般高容量不斷電電源供應系統係以並聯多組電源模組的方式運行，以大幅增加系統的可靠度及縮短維修時間，而模組化的運行方式必須藉由一控制器來管理多組電源模組的運作行為，當其中一個電源模組故障時，仍可維持輸出不被中斷，但控制器只有一個，當控制器發生故障時，多組電源模組的行為將無法被控制，可能造成輸出中斷或輸出電壓異常之行為，嚴重者可能損壞負載設備或電池，引起電池燃燒造成工安事件，使得控制器成為降低系統可靠度的最大因素。

近來控制器也有模組化之設計，使控制器故障時可以更方便地維修，即使輸出中斷仍可在短時間内維修完成以恢復正常供電，但控制器模組化之設計對可靠度仍舊沒有提昇結果，控制器故障依然會使輸出不正常。

為了提高不斷電電源供應系統的可靠度，現有於不斷電電源供應系統中設置雙控制器的設計出現，其原理為平常由一控制器負責系統輸出控制，當其中一個控制器發生故障時，仍可由另一個控制器做簡單的系統行為控制，使輸出維持固定電壓不中斷，並等待維修控制器，此方式雖然解決了習知因控制器故障而降低系統可靠度的問題，但還是要依賴控制器的存在才能控制多組電源模組的運作行為，另外，也會因多增設一個控制器而增加設計成本，進而提高生產成本。

因此，如何發展一種可改善上述習知技術缺失之不斷電電源供應器及其所適用之電源供應方法，實為目前迫切需要解決之問題。

本案之主要目的在於提供一種不斷電電源供應器及其所適用之電源供應方法，俾解決習知不斷電電源供應系統需依賴一組控制器來控制多組電源模組的運作行為，且多增設一個控制器將提高生產成本等缺點。

為達上述目的，本案之一較廣義實施態樣為提供一種不斷電電源供應器，其係與儲能單元及負載連接，並接收供電設備所提供之輸入電壓，至少包含：複數個電源模組，其係與供電設備、儲能單元及負載電性連接，並將輸入電壓轉換為一輸出電壓；以及控制模組，與複數個電源模組及儲能單元電性連接，並偵測儲能單元之電壓；其中，控制模組係根據儲能單元之電壓來動態調整複數個電源模組之輸出電壓的大小，於控制模組故障時，複數個電源模組係將輸出電壓維持於一固定值。

為達上述目的，本案另提供本案之另一較廣義實施樣態為提供一種電源供應方法，適用於一不斷電電源供應器，不斷電電源供應器係具有控制模組及複數個電源模組，且與儲能單元、負載及供電設備連接，至少包含步驟：接收供電設備所提供之一輸入電壓並藉由複數個電源模組將輸入電壓轉換為一輸出電壓；偵測儲能單元之電壓；控制模組根據儲能單元之電壓來動態調整複數個電源模組之輸出電壓的大小；於控制模組故障時，複數個電源模組將輸出電壓維持於一固定值。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。

請參閱第一圖，其係為本案第一較佳實施例之不斷電電源供應器之架構示意圖，如圖所示，本案之不斷電電源供應器1係與供電設備2、儲能單元3以及負載4連接，用以接收供電設備2所提供之輸入電壓，主要目的在於當供電設備2正常時，除了提供負載4運作所需的能量之外，更事先將部分電能儲存於儲能單元3中，當供電設備2發生異常時，將儲能單元3所儲存的電能用來緊急提供負載4運作所需的能量，以確保負載4的正常運作。

本案之不斷電電源供應器1係由控制模組11以及複數個電源模組12所組成。其中，不斷電電源供應器1自該供電設備2所接收之輸入電壓Vin可為一直流電，但不以此為限。另外，儲能單元3可為但不限為電池。

於本實施例中，複數個電源模組12可包含第一電源模組121、第二電源模組122、第三電源模組123以及第四電源模組124，當然電源模組的數量並不侷限於此，可依實際需求增加或是減少。其中第一電源模組121、第二電源模組122、第三電源模組123以及第四電源模組124彼此之間係並聯設置且可相互通訊，並與供電設備2、儲能單元3及負載4電性連接，第一電源模組121、第二電源模組122、第三電源模組123以及第四電源模組124係接收供電設備2所提供之輸入電壓Vin並轉換為輸出電壓Vo，且彼此並聯輸出該輸出電壓Vo。

至於，控制模組11則與儲能單元3以及供電設備2電性連接，並與第一電源模組121、第二電源模組122、第三電源模組123以及第四電源模組124電性連接且可互相進行通訊，於正常運作模式下，控制模組11會偵測儲能單元3的電壓Vb，並與第一電源模組121、第二電源模組122、第三電源模組123以及第四電源模組124進行通訊以得知目前輸出電壓Vo的電壓值，控制模組11會根據儲能單元3的電壓Vb以及目前的輸出電壓Vo來決定是否需要調整輸出電壓Vo的電壓值，若判斷結果為是時則動態調整複數個電源模組12的輸出電壓大小，即通知第一電源模組121、第二電源模組122、第三電源模組123以及第四電源模組124需調整輸出電壓Vo的電壓大小。

舉例而言，當儲能單元3的電壓範圍係介於300V-350V，其中300V為低電量準位，350V為高電量準位，當控制模組11所測得的儲能單元3的電壓Vb為300V時，代表儲能單元3目前為低電量需要進行充電，此時控制模組11與第一電源模組121、第二電源模組122、第三電源模組123以及第四電源模組124進行通訊以得知目前輸出電壓Vo的電壓值，若目前輸出電壓Vo的電壓值係高於300V時，例如：310V，控制模組11則通知第一電源模組121、第二電源模組122、第三電源模組123以及第四電源模組124持續以目前的輸出電壓Vo對儲能單元3進行充電，反之，若目前輸出電壓Vo的電壓值係低於300V時，則控制模組11將通知第一電源模組121、第二電源模組122、第三電源模組123以及第四電源模組124需將輸出電壓Vo調高為例如：310V，以對儲能單元3進行充電，一直到控制模組11偵測到儲能單元3的電壓Vb為310V時，則再通知第一電源模組121、第二電源模組122、第三電源模組123以及第四電源模組124將輸出電壓Vo調高為例如：320V，如此動態來調整輸出電壓Vo的大小，直到儲能單元3的電壓Vb為350V，即電壓Vb為高電量準位時，才停止對儲能單元3進行充電。

至於，當控制模組11正常運作時，第一電源模組121、第二電源模組122、第三電源模組123以及第四電源模組124的輸出電流係由控制模組11所提供，控制模組11可藉由個別與第一電源模組121、第二電源模組122、第三電源模組123以及第四電源模組124進行通訊以得知各自的輸出電流，並根據通訊結果來調整第一電源模組121、第二電源模組122、第三電源模組123以及第四電源模組124的輸出電流，以達到例如均流的實施態樣。舉例而言，當控制模組11與第一電源模組121、第二電源模組122、第三電源模組123以及第四電源模組124通訊而得知，第一電源模組121的輸出電流I1為25A、第二電源模組122的輸出電流I2為30A、第三電源模組123的輸出電流I3為25A以及第四電源模組124的輸出電流I4為20A，總輸出電流Io＝I1+I2+I3+I4=100A，若複數個電源模組12之間係設定以例如均流的方式輸出電流，則控制模組11會告知第一電源模組11輸出電流I1保持為25A，第二電源模組122的輸出電流I2則由30A調降為25A、第三電源模組123的輸出電流I3保持為25A以及第四電源模組124的輸出電流I4由20A調升為25A。當然，本案之控制模組11控制複數個電源模組12間輸出電流的實施態樣並不侷限於均流的方式，可依照運作需求動態調整。

請再參閱第一圖，當控制模組11故障時，不斷電電源供應器1會進入一安全運作模式，且控制模組11會傳送一異常訊號給複數個電源模組12，而第一電源模組121、第二電源模組122、第三電源模組123以及第四電源模組124會將輸出電壓Vo維持於一固定值，即維持輸出電壓Vo固定不變，以防止對儲能單元11過度充電，而造成儲能單元11損毀，其中該固定值可為控制模組11故障前最後一次告知複數個電源模組12之輸出電壓Vo，或是低於控制模組11故障前最後一次告知複數個電源模組12之輸出電壓Vo，舉例而言，若控制模組11故障前最後一次告知複數個電源模組12之輸出電壓Vo為330V，則固定值可為330V，或是低於330V，例如325V，但不以此為限，固定值亦可為一系統預先設定值。

至於，控制模組11故障後，複數個電源模組12之間會彼此互相通訊並因應儲能單元3及負載4之電流需求以決定每一該電源模組之輸出電流，即第一電源模組121、第二電源模組122、第三電源模組123以及第四電源模組124會互相溝通，以得知目前儲能單元3及負載4所需之輸出電流Io，並均流輸出。舉例而言，第一電源模組121、第二電源模組122、第三電源模組123以及第四電源模組124之間會互相通訊而得知第一電源模組121的輸出電流I1為30A、第二電源模組122的輸出電流I2為40A、第三電源模組123的輸出電流I3為20A以及第四電源模組124的輸出電流I4為30A，總輸出電流Io＝I1+I2+I3+I4=30＋40＋20＋30＝120A，即儲能單元3及負載4的總電流需求為120A，代表每一電流模組的平均輸出電流為120/4＝30A，因此第一電源模組121、第二電源模組122、第三電源模組123以及第四電源模組124之間會互相溝通並決定第一電源模組121及第四電源模組I4的輸出電流I1及I4維持為30A，而第二電源模組122的輸出電流I2由40A降為30A，第三電源模組123的輸出電流I3則由20A調升為30A，以達到使複數個電源模組12之間可平均輸出電流。

請參閱第二圖並配合第一圖，其中第二圖係為本案第二較佳實施例之電源供應方法之流程圖，如圖所示，首先，不斷電電源供應器1接收供電設備2所提供之輸入電壓Vin，且第一電源模組121、第二電源模組122、第三電源模組123以及第四電源模組124將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vo （步驟S51），於控制模組11正常運作模式下，控制模組11會偵測儲能單元3的電壓Vb （步驟S52），接著控制模組11會與第一電源模組121、第二電源模組122、第三電源模組123以及第四電源模組124進行通訊以得知目前輸出電壓Vo的電壓值，控制模組11會根據儲能單元3的電壓Vb以及目前的輸出電壓Vo來決定是否需要調整輸出電壓Vo的電壓值，若判斷結果為是時則動態調整複數個電源模組12的輸出電壓大小，即通知第一電源模組121、第二電源模組122、第三電源模組123以及第四電源模組124需調整輸出電壓Vo的電壓大小，接著，控制模組11會個別與第一電源模組121、第二電源模組122、第三電源模組123以及第四電源模組124進行通訊以得知各自的輸出電流，並根據通訊結果來調整第一電源模組121、第二電源模組122、第三電源模組123以及第四電源模組124的輸出電流，以達到例如均流的實施態樣（步驟S53）。

於步驟S53後，若控制模組11故障時，不斷電電源供應器1會進入一安全運作模式，且控制模組11會傳送一異常訊號給複數個電源模組12，而第一電源模組121、第二電源模組122、第三電源模組123以及第四電源模組124會將輸出電壓Vo維持於一固定值，即維持輸出電壓Vo固定不變，而且複數個電源模組12之間會彼此互相通訊並因應儲能單元3及負載4之電流需求以決定每一該電源模組之輸出電流，即第一電源模組121、第二電源模組122、第三電源模組123以及第四電源模組124會互相溝通，以得知目前儲能單元3及負載4所需之輸出電流Io，並均流輸出（步驟S54），可達到於控制模組11發生故障時，可保持輸出不中斷也不會對儲能單元3過度充電而造成災害，且複數個電源模組12輸出均流亦不會造成任何影響，可大幅提高不斷電電源供應器的可靠度。

綜上所述，本案之不斷電電源供應器及其所適用之電源供應方法，於控制模組發生故障時，藉由複數個電源模組將輸出電壓維持於固定電壓不變，不但可保持輸出不中斷也不會對儲能單元過度充電而造成災害，且藉由複數個電源模組之間互相通訊可均流輸出儲能單元及負載所需之電流需求，可大幅提高不斷電電源供應器的可靠度。

本案得由熟知此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

1‧‧‧不斷電電源供應器

11‧‧‧控制模組

12‧‧‧複數個電源模組

121‧‧‧第一電源模組

122‧‧‧第二電源模組

123‧‧‧第三電源模組

124‧‧‧第四電源模組

2‧‧‧供電設備

3‧‧‧儲能單元

4‧‧‧負載

Vin‧‧‧輸入電壓

Vo‧‧‧輸出電壓

Vb‧‧‧電壓

I1、I2、I3、I4‧‧‧輸出電流

Io‧‧‧總輸出電流

S51-54‧‧‧電源供應之步驟流程

第一圖：其係為本案第一較佳實施例之不斷電電源供應器之架構示意圖。

第二圖：其係為本案第二較佳實施例之電源供應方法之流程圖。

1‧‧‧不斷電電源供應器

11‧‧‧控制模組

12‧‧‧複數個電源模組

121‧‧‧第一電源模組

122‧‧‧第二電源模組

123‧‧‧第三電源模組

124‧‧‧第四電源模組

2‧‧‧供電設備

3‧‧‧儲能單元

4‧‧‧負載

Vin‧‧‧輸入電壓

Vo‧‧‧輸出電壓

Vb‧‧‧電壓

I1、I2、I3、I4‧‧‧輸出電流

Io‧‧‧總輸出電流

Claims (13)

1. 一種不斷電電源供應器，其係與一儲能單元及一負載連接，並接收一供電設備所提供之一輸入電壓，至少包含：複數個電源模組，其係與該供電設備、該儲能單元及該負載電性連接，並將該輸入電壓轉換為一輸出電壓；以及一控制模組，與該複數個電源模組及該儲能單元電性連接，並偵測該儲能單元之電壓；其中，該控制模組係根據該儲能單元之電壓來動態調整該複數個電源模組之該輸出電壓的大小，於該控制模組故障時，該複數個電源模組係將該輸出電壓維持於一固定值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之不斷電電源供應器，其中當該控制模組故障時，該複數個電源模組之間係互相通訊並因應該儲能單元及該負載之電流需求以決定每一該電源模組之輸出電流。
3. 如申請專利範圍第1項所述之不斷電電源供應器，其中該儲能單元及該負載所需之電流係由該複數個電源模組均流輸出。
4. 如申請專利範圍第1項所述之不斷電電源供應器，其中該固定值係為該控制模組故障前最後一次告知該複數個電源模組之該輸出電壓。
5. 如申請專利範圍第1項所述之不斷電電源供應器，其中該固定值係低於該控制模組故障前最後一次告知該複數個電源模組之該輸出電壓。
6. 如申請專利範圍第1項所述之不斷電電源供應器，其中該固定值係為一系統預先設定值，於該控制模組故障時，該複數個電源模組係將該輸出電壓調整為該系統預先設定值。
7. 一種電源供應方法，適用於一不斷電電源供應器，該不斷電電源供應器係具有一控制模組及複數個電源模組，且與一儲能單元、一負載及一供電設備連接，至少包含步驟：接收該供電設備所提供之一輸入電壓並藉由該複數個電源模組將該輸入電壓轉換為一輸出電壓；偵測該儲能單元之電壓；該控制模組根據該儲能單元之電壓來動態調整該複數個電源模組之該輸出電壓的大小；於該控制模組故障時，該複數個電源模組將該輸出電壓維持於一固定值。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電源供應方法，其中每一該電源模組彼此並聯輸出該輸出電壓且相互通訊。
9. 如申請專利範圍第7項所述之電源供應方法，其中於該控制模組故障時，該控制模組係傳送一異常信號給該複數個電源模組，以使該複數個電源模組將該輸出電壓維持於該固定值。
10. 如申請專利範圍第7項所述之電源供應方法，其中於該控制模組故障時，該複數個電源模組之間係互相通訊並因應該儲能單元及該負載之電流需求以決定每一該電源模組之輸出電流
11. 如申請專利範圍第7項所述之電源供應方法，其中該固定值係為該控制模組故障前最後一次告知該複數個電源模組之該輸出電壓。
12. 如申請專利範圍第7項所述之電源供應方法，其中該固定值係低於該控制模組故障前最後一次告知該複數個電源模組之該輸出電壓。
13. 如申請專利範圍第7項所述之電源供應方法，其中該固定值係為一系統預先設定值，於該控制模組故障時，該複數個電源模組係將該輸出電壓調整為該系統預先設定值。