专利名称：使用一共享电池的紧急电源供应系统及其输入电流平衡法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用一共享电池的紧急电源供应系统(emergent powersupply system)，并且更特别的是本发明涉及一种使用一共享电池且能够将输入电流平衡的紧急电源供应系统，以及在此系统中所使用的电流平衡方法。
背景技术：
随着信息工业的迅速发展及高科技产业的高速扩张，一台不断电电源供应器(uninterruptible power supply，UPS)已经被用来作为大量的电子装置的紧急电源供应装置。大部分的精密电子仪器与设备需要依赖高品质的电源供应来维持正常的运作情形。现今，不断电电源供应器已经成为在断电情况下，确保最佳供电品质的一个最佳化方案。
尽管不断电电源供应器能够提供诸多优点，然而当一台旧式的不断电电源供应器送去保养或维修时，不断电电源供应器的电源传导路径会由一旁路开关(bypass switch)来改变。就在此时，负载会持续地由未受到保护的公用电源来维持操作，使得负载容易受到电源供应网(power grid)的损害。为了解决这个问题，便提出一种并联冗余(parallel redundant)不断电电源供应系统，使得负载受到周密的保护且整体电源供应系统的可靠性得以提高。
图1显示一种公知的1+1并联冗余不断电电源供应系统。图1所示的1+1并联冗余不断电电源供应系统包含一第一不断电电源供应器UPS-1与一第二不断电电源供应器UPS-2。第一不断电电源供应器UPS-1与第二不断电电源供应器UPS-2组态设定为以相同的电路来配置，其中两者皆分别包含一滤波器/电路断路器11，21，一整流器12，22，一控制开关13，23，一逆变器14，24，一输出电路断路器15，25，一旁路电路16，26，一电池17，27，以及一控制器18，28。第一不断电电源供应器UPS-1与第二不断电电源供应器UPS-2连接至一电源输入端(inlet)100以便耦接至一输入交流电源，以及一分布型电源网络的一电源输出端(outlet)101以便耦接至一负载。图1所示的每个不断电电源供应器的运作说明如下。滤波器/电路断路器11，21经由电源输入端100自一输入交流电源接收一输入交流电，并且将输入交流电滤波成一滤波交流电。整流器12，22将滤波交流电转换成具有一预定电压电平的直流电。控制开关13，23自整流器12，22接收直流电并同样地自电池17，27接收一直流电。控制器18，28会决定自整流器12，22所接收的直流电是否在一预定的宽限范围(tolerance)内。若自整流器12，22所接收的直流电落入一预定的宽限范围内，那么接着控制器18，28会控制控制开关13，23提供来自整流器12，22的直流电给逆变器14，24。若自整流器12，22所接收的直流电并未落入一预定的宽限范围内，其可能是因为电源中断(power outage)或是电源浪涌(power surge)的缘故所产生，控制器18，28会控制控制开关13，23提供来自电池17，27的直流电给逆变器14，24。逆变器14，24在控制器18，28的控制之下接收一直流电，并且将直流电转换成一交流电，并且依序将交流电调节至预定的规格。输出电路断路器15，25用来提供负载与不断电电源供应器模块之间的电性隔离。旁路电路16，26连接于不断电电源供应系统的电源输入端100及电源输出端101之间。在一不断电电源供应器模块的内部发生故障的情形下，电源供应改变至旁路电路16，26以便使输入交流电源直接耦合至负载。在某些例子中，整流器12，22可包含一电池充电电路，用以在正常的情形下提供电力电源来对电池17，27充电，并且控制器18，28可将不断电电源供应器模块的运作状态信息传送给一使用者，其可在本地端通过指示器或显示装置，或在远程通过与一外部监视装置相通信来传送给使用者。
在正常的情形下，不断电电源供应器模块的其中之一作为一主要不断电电源供应器模块以提供紧急负载电源，而另一个作为一备用不断电电源供应器模块。在紧急的情形下，当输入交流电源故障(断电或电力不足)时，整流器12，22皆会关闭并且逆变器14，24持续使用电池17，27供应电力给负载。当来自输入交流电源的输入交流电在电池完全放电之前回复时，整流器12，22自动开始提供电源给逆变器14，24并对电池17，27充电。
然而在图1的电路组态中，每个不断电电源供应器模块包含一个独立的电池。当任何一台不断电电源供应器模块的逆变器故障时，与其相关联的电池便无法为其它不断电电源供应器模块所使用。这将会造成能量使用上的浪费及空间应用上的无效。为了消除此种不利的因素，使用一个由不断电电源供应器模块所共享的共享电池的不断电电源供应系统便因此而提出，以提供电池的最大效益。
请参照图2，具有共享电池的一公知并联冗余不断电电源供应系统显示于图中。如图2所示，并联冗余不断电电源供应系统的电路设置与图1相似，不同之处在于一个共享电池30设置于一第一不断电电源供应器UPS-1与一第二不断电电源供应器UPS-2之间。共享电池30的导入可大幅减少电池的放电速率及延长备份时间。再者，其会提高不断电电源供应系统的可靠性。由于具有并联冗余与共享电池设置的组合，图2的并联冗余不断电电源供应系统具有模块冗余的效益，意即，整流器12可馈送电源给逆变器24。并且具有共享电池的并联冗余不断电电源供应系统可大幅增加不断电电源供应器模块的平均故障时间(mean time between failure，MTBF)。
然而，公知的不断电电源供应系统会因为内部的不断电电源供应器模块的输入电流之间的不平衡而承受某些缺点。请参照图1，在图中第一不断电电源供应器模块与第二不断电电源供应器模块经由一开关Q6而互相连接。在正常的情形下，开关Q6为开启使得个别的电池会经由整流器/充电器12，22来分别充电。在此时整流器/充电器12，22并未与一分布型电源网络相并联，因此不会引起在不断电电源供应系统中不平衡的输入电流的问题。在紧急的情形下，开关Q6为关闭且整流器/充电器12，22经由分布型电源网络连接在一起，电池17，27开始提供直流电源给逆变器14，24以便产生备用交流电源给负载。因为输入交流电源无法提供输入交流电给不断电电源供应器模块，便不会引起在不断电电源供应系统中不平衡的输入电流的问题。然而，如上所述的这种组态具有电源电力的使用无效率，以及花费在电池的昂贵制造成本的负面因素。
请参见图2，在正常的情形下，控制开关13，23皆为导通且共享电池30经由不断电电源供应器模块的其中之一来充电。因为每个不断电电源供应器模块的输入阻抗彼此不同，不断电电源供应器模块的输入电流会变的不平衡。不平衡的输入电流会对整流器/充电器12，22造成严重的问题，例如，整流器/充电器12，22可能会过载(overloaded)并且使用于其中的半导体组件可能会因会过热的缘故而具有较短的寿命周期。
鉴于前述问题，便有发展一种使用一共享电池且具有在与其相关联的备用电源供应器模块间提供输入电流平衡功能的紧急电源供应系统的趋势。
发明内容
本发明的一第一目的在于提供一种使用一共享电池的紧急电源供应系统，其在与其相关联的备用电源供应器模块间提供输入电流平衡功能。
本发明的一第二目的在于提供一种在使用一共享电池的紧急电源供应系统中完成输入电流平衡的方法。
本发明的第一目的是以一紧急电源供应系统来达到，其中该紧急电源供应系统包含一电源输入端，耦接至一输入电源，多个备用电源供应模块，耦接至该电源输入端以产生一备用电源，一共享电池，连接至上述多个备用电源供应模块，一电源输出端，耦接至上述多个备用电源供应模块以提供该备用电源给一负载，并且其中每个上述多个备用电源供应模块包含一输入电流平衡器，用以收集与上述多个备用电源供应模块相关的一运作状态信息，并且根据运作状态信息的一平均值使得多个备用电源供应模块相关的输入电流彼此相等。
本发明的一第二目的是由提供一种使用于包含多个备用电源供应模块的一紧急电源供应系统中的输入电流平衡方法来完成。本发明所提出的输入电流平衡方法是由多个步骤来实现，包含(a)收集上述多个备用电源供应模块的一运作状态信息，(b)产生该运作状态信息的一平均值，(c)通过将该运作状态信息的平均值与其备用电源供应模块相关联的一运作状态信息相比较，而产生一差异值，(d)根据一预定比例将该差异值给放大，(e)根据一放大的差异值产生一整流控制信号，来控制在其备用电源供应模块内部的一电源转换装置的开关运作。
本发明通过导入输入电流平衡器，存在于公知的不断电电源供应系统中的不平衡输入电流的缺点，且起因于其中的不断电电源供应器之间的不同输入阻抗，便可完全消除，并且设置于不断电电源供应器中的整流器可受到安全的保护以免受到整流器过载的问题。
图1显示公知并联冗余不断电电源供应系统。
图2显示公知使用一共享电池的并联冗余不断电电源供应系统。
图3显示根据本发明的一典型实施例的具有输入电流平衡功能的并联冗余紧急电源供应系统。
图4显示根据本发明的一典型实施例的具有输入电流平衡功能的热插拔紧急电源供应系统。
图5显示用来实现根据本发明的一第一较佳实施例的输入电流平衡方法的系统的可能布局。
图6显示用来实现根据本发明的一第二较佳实施例的输入电流平衡方法的系统的可能布局。
其中，附图标记说明如下100 电源输入端 101 电源输出端11，21滤波器/电路断路器12，22整流器13，23控制开关 14，24逆变器15，25输出电路断路器 16，26旁路电路17，27电池 18，28控制器30共享电池 41，42通信接口43，44输入电流平衡器 51平均输入电流产生器52加法-减法器 53量值放大器54输入电流 61平均输入功率产生器62加法-减法器 63量值放大器64输入功率121 整流器的输出电压稳压器具体实施方式
根据本发明的一个典型实施例的一紧急电源供应系统的一般配置描述于图3与图4，其中图3显示以并联冗余运作为基础的紧急电源供应系统，并且图4显示以热插拔运作(hot swappable operation)为基础的紧急电源供应系统。图4所示的紧急电源供应系统称为热插拔不断电电源供应系统(hotswappable UPS system)，其中设置于内部的不断电电源供应器模块的其中之一作为用来供应电源给一敏感负载的一主要电源供应器，然而其它的不断电电源供应器模块作为一冗余电源供应器。如图4所示的热插拔不断电电源供应系统可允许主要不断电电源供应器模块在不断电电源供应系统运作时进行更换。
请参见图3与图4，图3或图4的根据本典型实施例的紧急电源供应系统包含与图2的不断电电源供应系统具有高度相似性的内部电路。例如，图3或图4的每个备用电源供应模块包含经由一电源输入端100自一输入交流电源接收一输入交流电并将输入交流电滤波成一滤波交流电的一滤波器/电路断路器11，21，将滤波交流电转换成具有一预定电压电平的一直流电的整流器12，22，自整流器12，22接收直流电并且同样地从一共享电池30接收一直流电的一控制开关13，23，决定由整流器12，22所接收的直流电是否在一预定的宽限范围内的一控制器18，28，在控制器18，28的控制之下接收一直流电并将直流电转换成一交流电的逆变器14，24，提供负载与备用电源供应器模块之间的电性绝缘的一输出电路断路器15，25，在备用电源供应器模块故障的情形下将提供给负载的电源供应自备用电源供应器模块切换到输入交流电源的一旁路电路16，26，以及提供直流电源至逆变器14，24的一共享电池30。除此之外，在图3与图4的紧急电源供应系统内部的每个备用电源供应器模块包含一通信接口41，42，其耦接至控制器18，28且传送与其相关联的备用电源供应器模块的运作状态信息，例如，输入电源、输入功率至其它的备用电源供应器模块，使得备用电源供应器模块得以彼此互相交换他们的运作状态信息。再者，在图3与图4的紧急电源供应系统内部的每个备用电源供应器模块包含一输入电流平衡器43，44，其耦接于通信接口41，42以及整流器12，22之间。输入电流平衡器43，44的主要功能在于根据由通信接口41，42所收集的运作状态资料的一平均值，来使得备用电源供应器模块的输入电流彼此相等。至于输入电流平衡器43，44的拓朴组态及运作原理，将会在下文中详细说明。
请参见图5，根据本发明的一第一实施例说明用来完成输入电流平衡方法的系统的可能布局的例子。在图5中，输入电流平衡器43，44包含一平均输入电流产生器51，其自多个备用电源供应器模块收集运作状态据，意即多个备用电源供应器模块的输入电流，并且通过将多个备用电源供应器模块的输入电流加总，以及将输入电流的总和除以多个备用电源供应器模块的个数来计算出一平均输入电流IAVG。所计算出的平均输入电流IAVG接着通过耦接至平均输入电流产生器51的一加法-减法器52与其相关的备用电源供应器模块的一输入电流IN相比较，以便产生一差异输入电流(differential inputcurrent)IDIF。差异输入电流接着由耦接至加法-减法器52的一量值放大器53根据一预定比例来放大，其中该量值放大器53通常是由一比例积分微分(PID(proportional-integral and derivative)控制器来实现。所放大的差异输入电流IAMPDIF接着反馈至整流器12，22的输出电压稳压器121。整流器12，22的输出电压稳压器121为组态设定以根据放大的差异输入电流IAMPDIF来产生一整流控制信号，并且利用该整流控制信号来控制整流器12，22的开关操作。因此整流器12，22的输出直流电压得以受到控制使得多个备用电源供应器模块的输入电流可以自动地互相平衡。
请参见图6的说明，根据本发明的一第二实施例说明用来完成输入电流平衡方法的系统的可能布局的例子。如图6所示用来完成输入电流平衡的系统类似于图5，然而，如图6所示的系统使用一平均输入功率产生器61，其收集多个备用电源供应器模块的输入功率的信息，并且通过将多个备用电源供应器模块的输入功率的信息加总及将输入功率的信息的总和除以备用电源供应器模块的数目，而产生一平均输入功率PAVG。平均输入功率PAVG接着通过耦接至平均输入功率产生器61的一加法-减法器62与其相关的一备用电源供应器模块的输入功率PN相比较，以便产生一差异输入功率(differential input power)PDIF。差异输入功率PDIF接着根据一预定比例由耦接至加法-减法器62的一量值放大器63来放大，其中该量值放大器63通常是由一比例积分微分(PID(proportional-integral and derivative)控制器来实现。放大的差异输入功率PAMPDIF接着反馈至整流器12的一输出电压稳压器121。整流器12的输出电压稳压器121组态设定为根据放大的差异输入功率PAMPDIF来产生一整流控制信号，以控制整流器12的开关运作。因此整流器12的输出直流电压便会受到控制，使得多个备用电源供应器模块的输入电流自动达到互相平衡。
总的来说，本发明提供一种使用一共享电池的紧急电源供应系统，其能够将内部的多个备用电源供应器模块的输入电流自动达成平衡，并且提供一种完成这种技术的方法。在此所提出的用来平衡紧急电源供应系统的输入电流的架构是基于一输入电流平衡器，其能够收集多个备用电源供应器模块的输入电流或输入功率，将输入电流或输入功率求取平均值而产生平均输入电流或平均输入功率，通过估算平均输入电流或平均输入功率与其相关联的备用电源供应器的输入电流或输入功率的差值，来产生差动输入电流或差动输入功率，以及使得一整流器的输出电压稳压器产生一整流控制信号来控制整流器的开/关运作。通过导入输入电流平衡器，存在于公知的不断电电源供应系统中的不平衡输入电流的缺点，且起因于其中的不断电电源供应器之间的不同输入阻抗，便可完全消除，并且设置于不断电电源供应器中的整流器可受到安全的保护以免受到整流器过载的问题。
本发明已由上述的实施例详细叙述而可由熟悉本领域的技术人员进行诸般修饰，但皆不脱离权利要求所保护的范围。
权利要求
1.一种紧急电源供应系统，其包含一电源输入端，耦接至一输入电源；多个备用电源供应器模块，耦接至该电源输入端，用以产生一备用电源；一共享电池，连接至上述多个备用电源供应器模块；以及一电源输出端，耦接至上述多个备用电源供应器模块，用以提供该备用电源给一负载；其中每个备用电源供应器模块包含一输入电流平衡器，用以收集与上述多个备用电源供应器模块相关的一运作状态信息，并根据该运作状态信息的一平均值使得上述多个备用电源供应器模块的输入电流彼此相等。
2.如权利要求1所述的紧急电源供应系统，其特征在于每个上述多个备用电源供应器模块包含一控制器，用以监视上述多个备用电源供应器模块的运作状态信息；以及一通信接口，用以传送上述多个备用电源供应器模块的运作状态信息。
3.如权利要求2所述的紧急电源供应系统，其特征在于该输入电流平衡器包含一平均输入电流产生器，其自该通信接口接收关于上述多个备用电源供应器模块的输入电流的信息，并且通过将关于该输入电流的信息的总和除以上述多个备用电源供应器模块的数目来产生一平均输入电流；一加法-减法器，耦接至该平均输入电流产生器，用以将该平均输入电流与其输入电流相比较，并且因应比较结果产生一差异输入电流；以及一量值放大器，耦接至该加法-减法器，用以根据一预定比例放大该差异输入电流。
4.如权利要求3所述的紧急电源供应系统，其特征在于该量值放大器为一比例积分微分控制器，上述多个备用电流供应器的每一个均包含一整流器，用以将一交流电源转换成具有一预定电压电平的直流电压，并且其中该整流器包含一输出电压稳压器，用以自该量值放大器接收一放大差异输入电流，并且相应地产生一整流控制信号来控制该整流器的开关运作。
5.如权利要求2所述的紧急电源供应系统，其特征在于该输入电流平衡器包含一平均输入功率产生器，其自该通信接口接收关于上述多个备用电源供应器模块的输入功率的信息，并且通过将关于该输入功率的信息的总和除以上述多个备用电源供应器模块的数目来产生一平均输入功率；一加法-减法器，耦接至该平均输入功率产生器，用以将该平均输入功率与其输入功率相比较，并且因应比较结果产生一差异输入功率；以及一量值放大器，耦接至该加法-减法器，用以根据一预定比例放大该差异输入功率。
6.如权利要求5所述的紧急电源供应系统，其特征在于该量值放大器为一比例积分微分控制器，上述多个备用电流供应器的每一个均包含一整流器，用以将一交流电源转换成具有一预定电压电平的直流电压，并且其中该整流器包含一输出电压稳压器，用以自该量值放大器接收一放大差异输入功率，并且相应地产生一整流控制信号来控制该整流器的开关运作。
7.如权利要求1所述的紧急电源供应系统，其特征在于上述多个备用电源供应器模块系组态设定根据一并联冗余配置或一热插拔配置来运作。
8.一种平衡一紧急电源供应系统中的多个备用电源供应器模块的输入电流的方法，其包含收集上述多个备用电源供应器模块的一运作状态信息予每个备用电源供应器模块；产生该运作状态信息的总和的一平均值；通过将运作状态信息的总和的一平均值与其相关的备用电源供应器模块的一运作状态信息相比较，而产生一差异值；根据一预定比例将该差异值放大；以及根据一放大的差异值产生一整流控制信号来控制在与其相关的备用电源供应器模块内的一电源转换装置的开关运作。
9.如权利要求8所述的平衡输入电流的方法，其特征在于该运作状态信息包含上述多个备用电源供应器模块的输入电流或输入功率的信息。
10.如权利要求8所述的平衡输入电流的方法，其特征在于产生一差异值的步骤是由一加法-减法器所实现，而且根据一预定比例将该差异值放大的步骤是由一比例积分微分控制器来实现。
全文摘要
本发明提出一种能够自动平衡多个备用电源供应器的输入电流的紧急电源供应系统及系统中完成输入电流平衡的方法。根据本发明的紧急电源供应系统包含一电源输入端；多个备用电源供应器；一共享电池；以及一电源输出端；其中每个备用电源供应器包含一输入电流平衡器，其收集备用电源供应器的操作状态信息，产生操作状态的平均值，通过将该平均值与其相关的备用电源供应器的操作状态信息相比较而产生一差异值，根据以固定比例放大的该差异值指示一整流器的输出电压稳压器产生一整流控制信号，来控制备用电源供应器模块内部的整流器的开关运作。通过导入输入电流平衡器，存在于公知的不断电电源供应系统中的不平衡输入电流的缺点便可完全消除。
文档编号H02J7/00GK1564420SQ200410032140
公开日2005年1月12日 申请日期2004年4月1日 优先权日2004年4月1日
发明者王学政, 廖仁诠 申请人:台达电子工业股份有限公司