專利名稱：使用一共享電池的緊急電源供應系統(tǒng)及其輸入電流平衡法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種使用一共享電池的緊急電源供應系統(tǒng)(emergent powersupply system)，并且更特別的是本發(fā)明涉及一種使用一共享電池且能夠將輸入電流平衡的緊急電源供應系統(tǒng)，以及在此系統(tǒng)中所使用的電流平衡方法。
背景技術：
隨著信息工業(yè)的迅速發(fā)展及高科技產業(yè)的高速擴張，一臺不斷電電源供應器(uninterruptible power supply，UPS)已經被用來作為大量的電子裝置的緊急電源供應裝置。大部分的精密電子儀器與設備需要依賴高品質的電源供應來維持正常的運作情形?，F(xiàn)今，不斷電電源供應器已經成為在斷電情況下，確保最佳供電品質的一個最佳化方案。
盡管不斷電電源供應器能夠提供諸多優(yōu)點，然而當一臺舊式的不斷電電源供應器送去保養(yǎng)或維修時，不斷電電源供應器的電源傳導路徑會由一旁路開關(bypass switch)來改變。就在此時，負載會持續(xù)地由未受到保護的公用電源來維持操作，使得負載容易受到電源供應網(power grid)的損害。為了解決這個問題，便提出一種并聯(lián)冗余(parallel redundant)不斷電電源供應系統(tǒng)，使得負載受到周密的保護且整體電源供應系統(tǒng)的可靠性得以提高。
圖1顯示一種公知的1+1并聯(lián)冗余不斷電電源供應系統(tǒng)。圖1所示的1+1并聯(lián)冗余不斷電電源供應系統(tǒng)包含一第一不斷電電源供應器UPS-1與一第二不斷電電源供應器UPS-2。第一不斷電電源供應器UPS-1與第二不斷電電源供應器UPS-2組態(tài)設定為以相同的電路來配置，其中兩者皆分別包含一濾波器/電路斷路器11，21，一整流器12，22，一控制開關13，23，一逆變器14，24，一輸出電路斷路器15，25，一旁路電路16，26，一電池17，27，以及一控制器18，28。第一不斷電電源供應器UPS-1與第二不斷電電源供應器UPS-2連接至一電源輸入端(inlet)100以便耦接至一輸入交流電源，以及一分布型電源網絡的一電源輸出端(outlet)101以便耦接至一負載。圖1所示的每個不斷電電源供應器的運作說明如下。濾波器/電路斷路器11，21經由電源輸入端100自一輸入交流電源接收一輸入交流電，并且將輸入交流電濾波成一濾波交流電。整流器12，22將濾波交流電轉換成具有一預定電壓電平的直流電?？刂崎_關13，23自整流器12，22接收直流電并同樣地自電池17，27接收一直流電?？刂破?8，28會決定自整流器12，22所接收的直流電是否在一預定的寬限范圍(tolerance)內。若自整流器12，22所接收的直流電落入一預定的寬限范圍內，那么接著控制器18，28會控制控制開關13，23提供來自整流器12，22的直流電給逆變器14，24。若自整流器12，22所接收的直流電并未落入一預定的寬限范圍內，其可能是因為電源中斷(power outage)或是電源浪涌(power surge)的緣故所產生，控制器18，28會控制控制開關13，23提供來自電池17，27的直流電給逆變器14，24。逆變器14，24在控制器18，28的控制之下接收一直流電，并且將直流電轉換成一交流電，并且依序將交流電調節(jié)至預定的規(guī)格。輸出電路斷路器15，25用來提供負載與不斷電電源供應器模塊之間的電性隔離。旁路電路16，26連接于不斷電電源供應系統(tǒng)的電源輸入端100及電源輸出端101之間。在一不斷電電源供應器模塊的內部發(fā)生故障的情形下，電源供應改變至旁路電路16，26以便使輸入交流電源直接耦合至負載。在某些例子中，整流器12，22可包含一電池充電電路，用以在正常的情形下提供電力電源來對電池17，27充電，并且控制器18，28可將不斷電電源供應器模塊的運作狀態(tài)信息傳送給一使用者，其可在本地端通過指示器或顯示裝置，或在遠程通過與一外部監(jiān)視裝置相通信來傳送給使用者。
在正常的情形下，不斷電電源供應器模塊的其中之一作為一主要不斷電電源供應器模塊以提供緊急負載電源，而另一個作為一備用不斷電電源供應器模塊。在緊急的情形下，當輸入交流電源故障(斷電或電力不足)時，整流器12，22皆會關閉并且逆變器14，24持續(xù)使用電池17，27供應電力給負載。當來自輸入交流電源的輸入交流電在電池完全放電之前回復時，整流器12，22自動開始提供電源給逆變器14，24并對電池17，27充電。
然而在圖1的電路組態(tài)中，每個不斷電電源供應器模塊包含一個獨立的電池。當任何一臺不斷電電源供應器模塊的逆變器故障時，與其相關聯(lián)的電池便無法為其它不斷電電源供應器模塊所使用。這將會造成能量使用上的浪費及空間應用上的無效。為了消除此種不利的因素，使用一個由不斷電電源供應器模塊所共享的共享電池的不斷電電源供應系統(tǒng)便因此而提出，以提供電池的最大效益。
請參照圖2，具有共享電池的一公知并聯(lián)冗余不斷電電源供應系統(tǒng)顯示于圖中。如圖2所示，并聯(lián)冗余不斷電電源供應系統(tǒng)的電路設置與圖1相似，不同之處在于一個共享電池30設置于一第一不斷電電源供應器UPS-1與一第二不斷電電源供應器UPS-2之間。共享電池30的導入可大幅減少電池的放電速率及延長備份時間。再者，其會提高不斷電電源供應系統(tǒng)的可靠性。由于具有并聯(lián)冗余與共享電池設置的組合，圖2的并聯(lián)冗余不斷電電源供應系統(tǒng)具有模塊冗余的效益，意即，整流器12可饋送電源給逆變器24。并且具有共享電池的并聯(lián)冗余不斷電電源供應系統(tǒng)可大幅增加不斷電電源供應器模塊的平均故障時間(mean time between failure，MTBF)。
然而，公知的不斷電電源供應系統(tǒng)會因為內部的不斷電電源供應器模塊的輸入電流之間的不平衡而承受某些缺點。請參照圖1，在圖中第一不斷電電源供應器模塊與第二不斷電電源供應器模塊經由一開關Q6而互相連接。在正常的情形下，開關Q6為開啟使得個別的電池會經由整流器/充電器12，22來分別充電。在此時整流器/充電器12，22并未與一分布型電源網絡相并聯(lián)，因此不會引起在不斷電電源供應系統(tǒng)中不平衡的輸入電流的問題。在緊急的情形下，開關Q6為關閉且整流器/充電器12，22經由分布型電源網絡連接在一起，電池17，27開始提供直流電源給逆變器14，24以便產生備用交流電源給負載。因為輸入交流電源無法提供輸入交流電給不斷電電源供應器模塊，便不會引起在不斷電電源供應系統(tǒng)中不平衡的輸入電流的問題。然而，如上所述的這種組態(tài)具有電源電力的使用無效率，以及花費在電池的昂貴制造成本的負面因素。
請參見圖2，在正常的情形下，控制開關13，23皆為導通且共享電池30經由不斷電電源供應器模塊的其中之一來充電。因為每個不斷電電源供應器模塊的輸入阻抗彼此不同，不斷電電源供應器模塊的輸入電流會變的不平衡。不平衡的輸入電流會對整流器/充電器12，22造成嚴重的問題，例如，整流器/充電器12，22可能會過載(overloaded)并且使用于其中的半導體組件可能會因會過熱的緣故而具有較短的壽命周期。
鑒于前述問題，便有發(fā)展一種使用一共享電池且具有在與其相關聯(lián)的備用電源供應器模塊間提供輸入電流平衡功能的緊急電源供應系統(tǒng)的趨勢。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一第一目的在于提供一種使用一共享電池的緊急電源供應系統(tǒng)，其在與其相關聯(lián)的備用電源供應器模塊間提供輸入電流平衡功能。
本發(fā)明的一第二目的在于提供一種在使用一共享電池的緊急電源供應系統(tǒng)中完成輸入電流平衡的方法。
本發(fā)明的第一目的是以一緊急電源供應系統(tǒng)來達到，其中該緊急電源供應系統(tǒng)包含一電源輸入端，耦接至一輸入電源，多個備用電源供應模塊，耦接至該電源輸入端以產生一備用電源，一共享電池，連接至上述多個備用電源供應模塊，一電源輸出端，耦接至上述多個備用電源供應模塊以提供該備用電源給一負載，并且其中每個上述多個備用電源供應模塊包含一輸入電流平衡器，用以收集與上述多個備用電源供應模塊相關的一運作狀態(tài)信息，并且根據(jù)運作狀態(tài)信息的一平均值使得多個備用電源供應模塊相關的輸入電流彼此相等。
本發(fā)明的一第二目的是由提供一種使用于包含多個備用電源供應模塊的一緊急電源供應系統(tǒng)中的輸入電流平衡方法來完成。本發(fā)明所提出的輸入電流平衡方法是由多個步驟來實現(xiàn)，包含(a)收集上述多個備用電源供應模塊的一運作狀態(tài)信息，(b)產生該運作狀態(tài)信息的一平均值，(c)通過將該運作狀態(tài)信息的平均值與其備用電源供應模塊相關聯(lián)的一運作狀態(tài)信息相比較，而產生一差異值，(d)根據(jù)一預定比例將該差異值給放大，(e)根據(jù)一放大的差異值產生一整流控制信號，來控制在其備用電源供應模塊內部的一電源轉換裝置的開關運作。
本發(fā)明通過導入輸入電流平衡器，存在于公知的不斷電電源供應系統(tǒng)中的不平衡輸入電流的缺點，且起因于其中的不斷電電源供應器之間的不同輸入阻抗，便可完全消除，并且設置于不斷電電源供應器中的整流器可受到安全的保護以免受到整流器過載的問題。


圖1顯示公知并聯(lián)冗余不斷電電源供應系統(tǒng)。
圖2顯示公知使用一共享電池的并聯(lián)冗余不斷電電源供應系統(tǒng)。
圖3顯示根據(jù)本發(fā)明的一典型實施例的具有輸入電流平衡功能的并聯(lián)冗余緊急電源供應系統(tǒng)。
圖4顯示根據(jù)本發(fā)明的一典型實施例的具有輸入電流平衡功能的熱插拔緊急電源供應系統(tǒng)。
圖5顯示用來實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的一第一較佳實施例的輸入電流平衡方法的系統(tǒng)的可能布局。
圖6顯示用來實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的一第二較佳實施例的輸入電流平衡方法的系統(tǒng)的可能布局。
其中，附圖標記說明如下100 電源輸入端 101 電源輸出端11，21濾波器/電路斷路器12，22整流器13，23控制開關 14，24逆變器15，25輸出電路斷路器 16，26旁路電路17，27電池 18，28控制器30共享電池 41，42通信接口43，44輸入電流平衡器 51平均輸入電流產生器52加法-減法器 53量值放大器54輸入電流 61平均輸入功率產生器62加法-減法器 63量值放大器64輸入功率121 整流器的輸出電壓穩(wěn)壓器具體實施方式
根據(jù)本發(fā)明的一個典型實施例的一緊急電源供應系統(tǒng)的一般配置描述于圖3與圖4，其中圖3顯示以并聯(lián)冗余運作為基礎的緊急電源供應系統(tǒng)，并且圖4顯示以熱插拔運作(hot swappable operation)為基礎的緊急電源供應系統(tǒng)。圖4所示的緊急電源供應系統(tǒng)稱為熱插拔不斷電電源供應系統(tǒng)(hotswappable UPS system)，其中設置于內部的不斷電電源供應器模塊的其中之一作為用來供應電源給一敏感負載的一主要電源供應器，然而其它的不斷電電源供應器模塊作為一冗余電源供應器。如圖4所示的熱插拔不斷電電源供應系統(tǒng)可允許主要不斷電電源供應器模塊在不斷電電源供應系統(tǒng)運作時進行更換。
請參見圖3與圖4，圖3或圖4的根據(jù)本典型實施例的緊急電源供應系統(tǒng)包含與圖2的不斷電電源供應系統(tǒng)具有高度相似性的內部電路。例如，圖3或圖4的每個備用電源供應模塊包含經由一電源輸入端100自一輸入交流電源接收一輸入交流電并將輸入交流電濾波成一濾波交流電的一濾波器/電路斷路器11，21，將濾波交流電轉換成具有一預定電壓電平的一直流電的整流器12，22，自整流器12，22接收直流電并且同樣地從一共享電池30接收一直流電的一控制開關13，23，決定由整流器12，22所接收的直流電是否在一預定的寬限范圍內的一控制器18，28，在控制器18，28的控制之下接收一直流電并將直流電轉換成一交流電的逆變器14，24，提供負載與備用電源供應器模塊之間的電性絕緣的一輸出電路斷路器15，25，在備用電源供應器模塊故障的情形下將提供給負載的電源供應自備用電源供應器模塊切換到輸入交流電源的一旁路電路16，26，以及提供直流電源至逆變器14，24的一共享電池30。除此之外，在圖3與圖4的緊急電源供應系統(tǒng)內部的每個備用電源供應器模塊包含一通信接口41，42，其耦接至控制器18，28且傳送與其相關聯(lián)的備用電源供應器模塊的運作狀態(tài)信息，例如，輸入電源、輸入功率至其它的備用電源供應器模塊，使得備用電源供應器模塊得以彼此互相交換他們的運作狀態(tài)信息。再者，在圖3與圖4的緊急電源供應系統(tǒng)內部的每個備用電源供應器模塊包含一輸入電流平衡器43，44，其耦接于通信接口41，42以及整流器12，22之間。輸入電流平衡器43，44的主要功能在于根據(jù)由通信接口41，42所收集的運作狀態(tài)資料的一平均值，來使得備用電源供應器模塊的輸入電流彼此相等。至于輸入電流平衡器43，44的拓樸組態(tài)及運作原理，將會在下文中詳細說明。
請參見圖5，根據(jù)本發(fā)明的一第一實施例說明用來完成輸入電流平衡方法的系統(tǒng)的可能布局的例子。在圖5中，輸入電流平衡器43，44包含一平均輸入電流產生器51，其自多個備用電源供應器模塊收集運作狀態(tài)據(jù)，意即多個備用電源供應器模塊的輸入電流，并且通過將多個備用電源供應器模塊的輸入電流加總，以及將輸入電流的總和除以多個備用電源供應器模塊的個數(shù)來計算出一平均輸入電流IAVG。所計算出的平均輸入電流IAVG接著通過耦接至平均輸入電流產生器51的一加法-減法器52與其相關的備用電源供應器模塊的一輸入電流IN相比較，以便產生一差異輸入電流(differential inputcurrent)IDIF。差異輸入電流接著由耦接至加法-減法器52的一量值放大器53根據(jù)一預定比例來放大，其中該量值放大器53通常是由一比例積分微分(PID(proportional-integral and derivative)控制器來實現(xiàn)。所放大的差異輸入電流IAMPDIF接著反饋至整流器12，22的輸出電壓穩(wěn)壓器121。整流器12，22的輸出電壓穩(wěn)壓器121為組態(tài)設定以根據(jù)放大的差異輸入電流IAMPDIF來產生一整流控制信號，并且利用該整流控制信號來控制整流器12，22的開關操作。因此整流器12，22的輸出直流電壓得以受到控制使得多個備用電源供應器模塊的輸入電流可以自動地互相平衡。
請參見圖6的說明，根據(jù)本發(fā)明的一第二實施例說明用來完成輸入電流平衡方法的系統(tǒng)的可能布局的例子。如圖6所示用來完成輸入電流平衡的系統(tǒng)類似于圖5，然而，如圖6所示的系統(tǒng)使用一平均輸入功率產生器61，其收集多個備用電源供應器模塊的輸入功率的信息，并且通過將多個備用電源供應器模塊的輸入功率的信息加總及將輸入功率的信息的總和除以備用電源供應器模塊的數(shù)目，而產生一平均輸入功率PAVG。平均輸入功率PAVG接著通過耦接至平均輸入功率產生器61的一加法-減法器62與其相關的一備用電源供應器模塊的輸入功率PN相比較，以便產生一差異輸入功率(differential input power)PDIF。差異輸入功率PDIF接著根據(jù)一預定比例由耦接至加法-減法器62的一量值放大器63來放大，其中該量值放大器63通常是由一比例積分微分(PID(proportional-integral and derivative)控制器來實現(xiàn)。放大的差異輸入功率PAMPDIF接著反饋至整流器12的一輸出電壓穩(wěn)壓器121。整流器12的輸出電壓穩(wěn)壓器121組態(tài)設定為根據(jù)放大的差異輸入功率PAMPDIF來產生一整流控制信號，以控制整流器12的開關運作。因此整流器12的輸出直流電壓便會受到控制，使得多個備用電源供應器模塊的輸入電流自動達到互相平衡。
總的來說，本發(fā)明提供一種使用一共享電池的緊急電源供應系統(tǒng)，其能夠將內部的多個備用電源供應器模塊的輸入電流自動達成平衡，并且提供一種完成這種技術的方法。在此所提出的用來平衡緊急電源供應系統(tǒng)的輸入電流的架構是基于一輸入電流平衡器，其能夠收集多個備用電源供應器模塊的輸入電流或輸入功率，將輸入電流或輸入功率求取平均值而產生平均輸入電流或平均輸入功率，通過估算平均輸入電流或平均輸入功率與其相關聯(lián)的備用電源供應器的輸入電流或輸入功率的差值，來產生差動輸入電流或差動輸入功率，以及使得一整流器的輸出電壓穩(wěn)壓器產生一整流控制信號來控制整流器的開/關運作。通過導入輸入電流平衡器，存在于公知的不斷電電源供應系統(tǒng)中的不平衡輸入電流的缺點，且起因于其中的不斷電電源供應器之間的不同輸入阻抗，便可完全消除，并且設置于不斷電電源供應器中的整流器可受到安全的保護以免受到整流器過載的問題。
本發(fā)明已由上述的實施例詳細敘述而可由熟悉本領域的技術人員進行諸般修飾，但皆不脫離權利要求所保護的范圍。
權利要求
1.一種緊急電源供應系統(tǒng)，其包含一電源輸入端，耦接至一輸入電源；多個備用電源供應器模塊，耦接至該電源輸入端，用以產生一備用電源；一共享電池，連接至上述多個備用電源供應器模塊；以及一電源輸出端，耦接至上述多個備用電源供應器模塊，用以提供該備用電源給一負載；其中每個備用電源供應器模塊包含一輸入電流平衡器，用以收集與上述多個備用電源供應器模塊相關的一運作狀態(tài)信息，并根據(jù)該運作狀態(tài)信息的一平均值使得上述多個備用電源供應器模塊的輸入電流彼此相等。
2.如權利要求1所述的緊急電源供應系統(tǒng)，其特征在于每個上述多個備用電源供應器模塊包含一控制器，用以監(jiān)視上述多個備用電源供應器模塊的運作狀態(tài)信息；以及一通信接口，用以傳送上述多個備用電源供應器模塊的運作狀態(tài)信息。
3.如權利要求2所述的緊急電源供應系統(tǒng)，其特征在于該輸入電流平衡器包含一平均輸入電流產生器，其自該通信接口接收關于上述多個備用電源供應器模塊的輸入電流的信息，并且通過將關于該輸入電流的信息的總和除以上述多個備用電源供應器模塊的數(shù)目來產生一平均輸入電流；一加法-減法器，耦接至該平均輸入電流產生器，用以將該平均輸入電流與其輸入電流相比較，并且因應比較結果產生一差異輸入電流；以及一量值放大器，耦接至該加法-減法器，用以根據(jù)一預定比例放大該差異輸入電流。
4.如權利要求3所述的緊急電源供應系統(tǒng)，其特征在于該量值放大器為一比例積分微分控制器，上述多個備用電流供應器的每一個均包含一整流器，用以將一交流電源轉換成具有一預定電壓電平的直流電壓，并且其中該整流器包含一輸出電壓穩(wěn)壓器，用以自該量值放大器接收一放大差異輸入電流，并且相應地產生一整流控制信號來控制該整流器的開關運作。
5.如權利要求2所述的緊急電源供應系統(tǒng)，其特征在于該輸入電流平衡器包含一平均輸入功率產生器，其自該通信接口接收關于上述多個備用電源供應器模塊的輸入功率的信息，并且通過將關于該輸入功率的信息的總和除以上述多個備用電源供應器模塊的數(shù)目來產生一平均輸入功率；一加法-減法器，耦接至該平均輸入功率產生器，用以將該平均輸入功率與其輸入功率相比較，并且因應比較結果產生一差異輸入功率；以及一量值放大器，耦接至該加法-減法器，用以根據(jù)一預定比例放大該差異輸入功率。
6.如權利要求5所述的緊急電源供應系統(tǒng)，其特征在于該量值放大器為一比例積分微分控制器，上述多個備用電流供應器的每一個均包含一整流器，用以將一交流電源轉換成具有一預定電壓電平的直流電壓，并且其中該整流器包含一輸出電壓穩(wěn)壓器，用以自該量值放大器接收一放大差異輸入功率，并且相應地產生一整流控制信號來控制該整流器的開關運作。
7.如權利要求1所述的緊急電源供應系統(tǒng)，其特征在于上述多個備用電源供應器模塊系組態(tài)設定根據(jù)一并聯(lián)冗余配置或一熱插拔配置來運作。
8.一種平衡一緊急電源供應系統(tǒng)中的多個備用電源供應器模塊的輸入電流的方法，其包含收集上述多個備用電源供應器模塊的一運作狀態(tài)信息予每個備用電源供應器模塊；產生該運作狀態(tài)信息的總和的一平均值；通過將運作狀態(tài)信息的總和的一平均值與其相關的備用電源供應器模塊的一運作狀態(tài)信息相比較，而產生一差異值；根據(jù)一預定比例將該差異值放大；以及根據(jù)一放大的差異值產生一整流控制信號來控制在與其相關的備用電源供應器模塊內的一電源轉換裝置的開關運作。
9.如權利要求8所述的平衡輸入電流的方法，其特征在于該運作狀態(tài)信息包含上述多個備用電源供應器模塊的輸入電流或輸入功率的信息。
10.如權利要求8所述的平衡輸入電流的方法，其特征在于產生一差異值的步驟是由一加法-減法器所實現(xiàn)，而且根據(jù)一預定比例將該差異值放大的步驟是由一比例積分微分控制器來實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明提出一種能夠自動平衡多個備用電源供應器的輸入電流的緊急電源供應系統(tǒng)及系統(tǒng)中完成輸入電流平衡的方法。根據(jù)本發(fā)明的緊急電源供應系統(tǒng)包含一電源輸入端；多個備用電源供應器；一共享電池；以及一電源輸出端；其中每個備用電源供應器包含一輸入電流平衡器，其收集備用電源供應器的操作狀態(tài)信息，產生操作狀態(tài)的平均值，通過將該平均值與其相關的備用電源供應器的操作狀態(tài)信息相比較而產生一差異值，根據(jù)以固定比例放大的該差異值指示一整流器的輸出電壓穩(wěn)壓器產生一整流控制信號，來控制備用電源供應器模塊內部的整流器的開關運作。通過導入輸入電流平衡器，存在于公知的不斷電電源供應系統(tǒng)中的不平衡輸入電流的缺點便可完全消除。
文檔編號H02J7/00GK1564420SQ200410032140
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月1日 優(yōu)先權日2004年4月1日
發(fā)明者王學政, 廖仁詮 申請人:臺達電子工業(yè)股份有限公司