电源供应系统的制作方法

本发明是有关一种电源供应系统，尤指一种被动式混合动力搭配储存装置的电源供应系统。

背景技术：

目前大型或巨型数据中心为了支持“云端计算”的应用，都面临且致力于解决成本高、灵活性低、可扩充性低、效率低、使用率低、闲置率高和管理不便等问题。在因应对于大型数据中心需求增加以及中央处理器需瞬间提高频率的前提下，为了避免严重的商业及数据损失，一个稳定及可提供瞬时功率不断电系统是有其存在的必要性。

当交/直流电源正常时(例如市电稳定输出)，电源供应器提供稳定电源给予负载(例如数据中心)，而当交/直流电源失效时(例如市电断电)，需搭配另一储存能源装置，来提供负载所需能量。不断电系统不同于紧急电力系统(例如飞轮、燃料电池及发电机等)或是备用发电机，平常时主要藉由电源供应器提供能量，且结合储存能源装置的能量提供”输入电力源中断”的瞬间保护。一个不断电系统通常用于数据中心、电脑或电信设备，于发生不预期的电力中断时作动，以避免严重的商业及数据损失。

因传统电源供应器和备援装置组合而成的不断电系统中，已限制电源供应器及备援装置能量输出最大值，因此当系统负载，需要电源供应器提供一瞬时功率且大于电源供应器平时可提供的功率时，将导致电源供应器因过载而关机，接着备援装置开始供应过载电流，而导致缩短电池寿命，且因备援装置无转换器均流设计，致使备援装置加速不平衡及老化因子，为了解决此问题，传统设计须额外增加电源供应器输出能量及更多备援装置配置的成本，来改善能量不足的课题。

因此，如何设计出一种电源供应系统，稳定且持续的供应负载运作所需的电源外，在负载需要额外的电源时，仍然可补足负载的需求，乃为本案发明人所研究的重要课题。

技术实现要素：

本发明是提供一种电源供应系统，包括：电源供应装置，接收输入电源，且通过电源总线对负载供电。及备援装置，耦接电源总线。其中，当输入电源存在时，电源供应装置转换输入电源为第一输出电源，且将第一输出电源提供至电源总线，以及选择性地将第一输出电源对备援装置充电，其中第一输出电源具有第一额定上限值；当输入电源正常，且电源总线的需求电源的值大于第一额定上限值时，备援装置提供第二输出电源至电源总线，使第一输出电源加上第二输出电源满足需求电源。

本发明是提供另一种电源供应系统，包括：电源供应装置，接收输入电源，且通过电源总线对负载供电。备援装置，耦接电源总线。及储存装置，耦接电源总线。其中，当输入电源正常时，电源供应装置转换输入电源为第一输出电源，且将第一输出电源提供至电源总线，以及选择性地将第一输出电源对备援装置与储存装置充电；当输入电源正常，且电源总线的需求电源的值大于第一额定上限值时，储存装置提供第三输出电源至电源总线，使第一输出电源加上第三输出电源满足需求电源。

为了能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。

附图说明

图1为本发明电源供应系统的方块示意图；

图2a为本发明电源供应系统第一实施例的方块示意图；

图2b为本发明电源供应系统第二实施例的方块示意图；及

图2c为本发明电源供应系统第三实施例的方块示意图。

其中，附图标记

100、100a、100b、100c…电源供应系统

10…电源供应装置

pbus…电源总线

102-1～102-n…转换模块

1022…转换单元

1024…均流单元

104-1～104-n…第三开关单元

20…备援装置

202…控制单元

204-1～204-n…备援模块

2042…充电单元

2044…储能单元

206-1～206-n…第一开关单元

208…第二开关单元

30…储存装置

302-1～302-n…储存单元

200…负载

vin…输入电源

vout1…第一输出电源

vb…备用电源

vb1…第一备用电源

vb2…第二备用电源

vout2…第二输出电源

vout3…第三输出电源

vc…充电电源

io1、io2…输出电流

具体实施方式

兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合图式说明如下：

请参阅图1为本发明电源供应系统的方块示意图。电源供应系统100耦接负载200，且提供稳定的电源给予负载200。在输入电源vin存在时(亦即，输入电源vin正常或稳定提供的情况下)，电源供应系统100将输入电源vin转换为负载200运作所需的电源。在输入电源vin异常时(亦即，输入电源vin不存在(例如停电)或是无法正常提供(例如涌浪发生)的情况下)，电源供应系统100将内部所储存的电能提供至负载200，以避免负载200发生不可预期的电力中断。于本发明的一实施例中，输入电源vin可选自太阳能板、燃料电池、飞轮、发电机及再生能源的任一者或任两者以上的组合所提供，但不以此为限。换言之，输入电源vin可由其他的电能(例如，但不限于市电等)替代。此外，于本发明的一实施例中，负载200可以是中央服务器、交换机、超级电脑、精密制造设备等关键装置，但不以此为限。换言之，只要需要避免”输入电力源中断”的瞬间保护功能的负载，皆可做为负载200。

请参阅图2a配合图1。电源供应系统100a包括电源供应装置10与备援装置20，电源供应装置10接收输入电源vin，且通过电源总线pbus对负载200供电。备援装置20通过电源总线pbus耦接电源供应装置10与负载200，且用以在输入电源vin正常时，提供额外的能量满足负载200运作所需的能量；且在输入电源vout异常时，将内部所储存的能源提供至负载200。

具体而言，当输入电源vin正常时，例如，市电电网稳定提供电源，电源供应装置10转换输入电源vin为第一输出电源vout1，且将第一输出电源vout1由电源总线pbus提供至负载200。在一实施例中，第一输出电源vout1具有一第一额定上限值。换言之，在不具有备援装置20的情况下，当负载200需求的电源大于第一额定上限值时，电源供应装置10有可能超载而导致输出异常或是关闭。另外，在备源装置20储存的电量不足时，电源供应装置10可同时将第一输出电源vout1通过电源总线pbus提供至备援装置20，以对备援装置20充电，直到备援装置20储存的电量饱和。

当输入电源vin异常时，例如，市电电网发生停电、压降、涌浪、持续欠压/过压、线躁等情况时，电源供应装置10停止运作，并且改由备援装置20提供备用电源vb至电源总线pbus，以提供负载200运作所需的能量。类似地，备用电源vb具有一第二额定上限值，其可视实际情况相同于或不同于第一额定上限值，本发明并不以此为限。

当输入电源vin正常，且电源总线pbus负载200的需求电源的值大于第一输出电源vout1的第一额定上限值时，备援装置20提供第二输出电源vout2至电源总线pbus，使第一输出电源vout1加上第二输出电源vout2能够满足负载200的需求电源。具体来说，备援装置20可提供第二输出电源vout2的值等于需求电源的值减去第一输出电源vout1的第一额定上限值。换言之，负载200瞬时需要的额外电源多少皆由备援装置20提供。然而，备援装置20能提供的第二输出电源vout2的值不能超过第二额定上限值。

进一步而言，当负载200的需求电源的值低于第一输出电源vout1的第一额定上限值时，电源供应装置10所转换出的第一输出电源vout1即可满足负载200，因此备源装置20并不会提供额外的第二输出电源vout2。当负载200瞬间需要较大的电源而使得需求电源的值大于第一额定上限值时，为了避免电源供应装置10过载而关闭，备援装置20可即刻地提供额外的能量，以使得第一输出电源vout1加上第二输出电源vout2能够满足负载200的需求电源。借着本发明电源供应装置10与备援装置20混搭配合的电源供应系统100a的电路架构，以互补的满足负载200运作所需的能量，以达成使各电源(包括第一输出电源vout1、第二输出电源vout2及备用电源vb)灵活、弹性供电的功效。

复参阅图2a，并配合参阅图1。电源供应装置10包括至少一转换模块102-1～102-n，且当转换模块102-1～102-n为多个时，转换模块102-1～102-n以并接运行。每个转换模块102-1～102-n皆包括转换单元1022与均流单元1024，转换单元1022耦接输入电源vin，且转换输入电源vin为第一输出电源vout1。均流单元1024耦接转换单元1022与电源总线pbus，且当转换模块102-1～102-n为多个时，每个转换模块102-1～102-n中的均流单元1024形成均流环路110，使得均流单元1024可平均每个转换模块102-1～102-n所输出的输出电流io1。

备援装置20包括控制单元202与至少一备援模块204-1～204-n，且当至少一备援模块204-1～204-n为多个时，备援模块204-1～204-n以并接运行，且构成同时接收第一输出电源vout1的电路结构。每个备援模块204-1～204-n皆包括充电单元2042与储能单元2044，充电单元2042耦接电源总线pbus，且将第一输出电源vout1转换为充电电源vc。储能单元2044耦接充电单元2042与电源总线pbus，且储存充电电源vc。当备援模块204-1～204-n为多个时，每个储能单元2044并联至电源总线pbus，以提供备用电源vb或第二输出电源vout2的电路结构。

值得一提，于本发明的一实施例中，储能单元2044也可为多组串接/并接的电路结构(例如但不限于，任意储能单元2044所构成矩阵式的结构)。此外，于一些实施例中，控制单元202可任意的耦接多个储能单元2044中的其中一个或多个，或多个均流单元1024中的其中一个或多个，且电源总线pbus也可任意的耦接多个储能单元2044中的其中一个或多个。于一些实施例中，每一个备援模块204-1～204-n皆可包含一个控制单元202，视情况可选择其中一个控制单元202用以控制整个备援装置20的输出。

具体而言，当输入电源vin正常时，且储能单元2044储存的电源尚未饱和时，充电单元2042可将电源供应装置10所提供的第一输出电源vout1转换为充电电源vc，且将充电电源vc储存于储能单元2044中。当输入电源vin异常时，储能单元2044提供备用电源vb至电源总线pbus，以当输入电源vin异常时，电源供应系统100a仍可提供负载200维持稳定运作的需求电源。

当输入电源vin正常，且负载200的需求电源的值大于第一输出电源vout1的第一额定上限值时，除了电源供应装置10提供第一输出电源vout1至电源总线pbus外，储能单元2044更提供第二输出电源vout2至电源总线pbus。此时，电源供应系统100a共同提供第一输出电源vout1与第二输出电源vout2对负载200供电，以满足负载200的需求电源。于本发明的一实施例中，转换单元1022为例如交流-直流转换单元、直流-直流转换单元或两者混搭的转换单元(交直流-直流转换单元)，但不以此为限。转换单元1022也可为转换出交流电源的转换单元。

控制单元202耦接储能单元2044并可并入均流环路110，且根据负载200的需求而控制储能单元2044是否提供第二输出电源vout2至电源总线pbus。当输入电源vin正常，且负载200的需求电源的值大于第一输出电源vout1的第一额定上限值时，控制单元202通过内部通讯得知并控制储能单元2044提供第二输出电源vout2至电源总线pbus。

具体来说，在一些实施例中，当控制单元202得知负载200有瞬时大功率的需求时，控制单元202在本身自我的均流电路(图未示)并入电源供应装置10中的均流环路110中，使得均流单元1024与控制单元202平均每个均流单元1024的输出电流io1与储能单元2044所提供的输出电流io2，以对每个均流单元1024的输出电流io1与储能单元2044所提供的输出电流io2的总和进行均流。意即，均流单元1024的输出电流io1的电流值可大致上等于储能单元2044所提供的输出电流io2的电流值，使均流单元1024与控制单元202所控制的储能单元2044能够共同的平分负载200所抽取的输出电流。在一些实施例中，控制单元202亦可依据负载200的抽载大小，调整输出电流io2的电流值。亦即，均流单元1024的输出电流io1的电流值可不同于储能单元2044所提供的输出电流io2的电流值。

请参阅图2a，复配合参阅图1。备援装置20更包括至少一第一开关单元206-1～206-n与第二开关单元208，至少一第一开关单元206-1～206-n的一端共同的耦接电源总线pbus，另一端分别对应耦接至少一备援模块204-1～204-n，且第二开关单元208耦接电源总线pbus与储能单元2044之间。电源供应装置10更包括至少一第三开关单元104-1～104-n，至少一第三开关单元104-1～104-n的一端共同的耦接电源总线pbus，另一端分别对应耦接至少一转换模块102-1～102-n。

当输入电源vin正常，且负载200的需求电源的值小于等于第一输出电源vout1的第一额定上限值时，第二开关单元208关断，第三开关单元104-1～104-n导通。电源供应装置10转换输入电源vin为第一输出电源vout1并经由电源总限pbus给负载200。

另外，当备源模块204-1～204-n储存的能量尚未满额时，第一开关单元206-1～206-n导通，且第二开关单元208关断。电源供应装置10所输出的第一输出电源vout1通过第一开关单元206-1～206-n传输至每个备援模块204-1～204-n的充电单元2042。而当备源模块204-1～204-n储存的能量饱和时，第一开关单元206-1～206-n关断，此时电源供应装置10便不会再对备援模块204-1～204-n进行充电。

当输入电源vin正常，且负载200的需求电源的值大于第一输出电源vout1时，第二开关单元208导通，第三开关单元104-1～104-n导通，且第一开关单元206-1～206-n关断。此时，控制单元202控制储能单元2044提供第二输出电源vout2通过第二开关单元208传输至电源总线pbus。藉此，储能单元2044所提供的第二输出电源vout2与电源供应装置10所输出的第一输出电源vout1同时提供给负载200。

当输入电源vin异常时，第二开关单元208导通，第三开关单元104-1～104-n关断，且第一开关单元206-1～206-n关断，使得储能单元2044所提供的备用电源vb通过第二开关单元208传输至电源总线pbus。

另外，当转换模块102-1～102-n的其中一组或多组转换模块损坏时，对应耦接损坏的转换模块102-1～102-n的第三开关单元104-1～104-n关断。此时，异常的转换模块102-1～102-n便可断开与电源总线pbus的连结。

请参阅图2b复配合图1～2a。图2b的电源供应系统100b与图2a的电源供应系统100a中的差异在于，电源供应系统100b更包括储存装置30，并通过电源总线pbus耦接电源供应装置10、备援装置20与负载200。具体而言，储存装置30包括至少一储存单元302-1～302-n，且当储存单元302-1～302-n为多个时，储存单元302-1～302-n系并联至电源总线pbus运行，以提供备用电源至电源总线pbus。

具体而言，图2b的储存单元302-1～302-n的功率密度相较于图2a的储能单元2044高(例如，但不限于超级电容(supercapacitor/cap)，或称双电层电容(electricdoublelayercapacitor,edlc))。藉此，负载200需要额外的电源时，储存装置30能够比储能单元2044还要更快速的提供额外的电源供应至负载200。另一方面，储能单元2044的能量密度相较于储存单元302-1～302-n高(例如，但不限于蓄电池)。藉此，储能单元2044能够比储存装置30提供更长时间且稳定的电源供应至负载200。值得一提，于本发明的一实施例中，储存单元302-1～302-n也可为多组串接/并接的电路结构(例如但不限于，任意储存单元302-1～302-n所构成矩阵式的结构)。

当输入电源vin正常时，电源供应装置10亦可判断备源模块20跟储存单元30的电量情况，看哪一者储存的电量尚未饱和，便将第一输出电源vout1通过电源总线pbus提供至备援装置20与储存装置30中储存电量未饱和的至少一者进行充电。

在一些实施例中，当输入电源vin异常时，备援装置20提供第一备用电源vb1至电源总线pbus，且储存装置30提供第二备用电源vb2至电源总线pbus，使备援装置20与储存装置30共同对负载200供电。

在一些实施例中，当输入电源vin异常时，可先藉由储存装置30提供第二备用电源vb2对负载200供电，之后再利用备援装置20对负载200供电。

在一些实施例中，当输入电源vin异常时，可先藉由备源装置20提供第一备用电源vb1对负载200供电，之后再利用储存装置30对负载200供电。具体来说，当输入电源vin异常且电源总线的需求电源的值大于第一备用电源vb1的第二额定上限值时(亦即，负载200有瞬间大功率的需求)，储存装置30提供该第三输出电源至该电源总线pbus，使该第一备源电源vb1加上第三输出电源vout3满足需求电源。

当输入电源vin正常，且电源总线pbus负载200的需求电源的值大于第一输出电源vout1的第一额定上限值时，可直接由储存装置30提供第三输出电源vout3至电源总线pbus，使第一输出电源vout1加上第三输出电源vout3满足负载200的需求电源。进一步而言，电源供应系统100b的备援装置20不包括电源供应系统100a的控制单元202，使得电源供应系统100b与电源供应系统100a的控制方式略有不同。

由于电源供应系统100b中的储存装置30并未包括任何的转换单元，而将储存装置30所储存的电源转换供负载200所使用，因此称之为被动式的储存装置。由于本发明的电源供应系统100b是搭配被动式的储存装置而无需额外的转换单元，因此可达成节省电路成本、缩小电路体积的功效。此外，由于电源供应系统100b中的备援装置20可不包括控制单元202来调整备援装置20的输出，所以除了可节省储存装置中的转换单元与图2a的控制单元202的电路成本外，更可达到电源供应系统100b电路简单，且易于控制的功效。

请参阅图2c复配合图1～2b。于本发明的一实施例中，图2c的电源供应系统100c与图2b的电源供应系统100b中的电源供应装置10与备援装置20的差异在于，电源供应系统100c更包括控制单元202，且控制单元202耦接储能单元2044并且可并入均流环路110(耦接方式如同图2a)，且根据负载200的需求而控制储能单元2044是否提供第二输出电源vout2至电源总线pbus。

具体而言，由于储存单元302-1～302-n的功率密度虽相较于储能单元2044高，而能够比储能单元2044还要更快速的提供额外的电源供应至负载200。但是，由于储存单元302-1～302-n的蓄电量(能量密度)往往相较于储能单元2044低，因此若负载200持续需求额外的需求电源时，储存单元302-1～302-n恐无法长时间稳定的提供第三输出电源vout3(意即，当储存单元302-1～302-n的电量逐渐减少时，储存单元302-1～302-n所提供第三输出电源vout3的值会逐渐低于负载200运作所需额外电源的值)。所以，当输入电源vin正常，且第一输出电源vout1的第一额定上限值加上第三输出电源vout3的值仍无法满足负载200的需求电源的值时，控制单元202控制储能单元2044提供第二输出电源vout2至电源总线pbus。藉此，第一输出电源vout1加上第三输出电源vout3与第二输出电源vout2能够持续满足负载200的需求电源，而延长电源供应系统100c所能满足负载200的需求电源的持续时间。

综上所述，本发明的实施例系具有以下的优点与功效：

1、本发明的主要目的在于，本发明的电源供应系统选择性地包括具有不同能量密度跟功率密度的备援装置、储存装置，以及根据输入电源与负载的实际状况作出相应的控制方式，因此除了可达成稳定且持续的供应负载运作所需的电源外，在负载需要额外的电源时，仍然可补足负载的需求的功效；

2、由于本发明的电源供应系统使用电源供应装置、备援装置及储存装置混搭配合的电源供应系统的电路架构，以互补的满足负载运作所需的能量，以达成使各电源(包括第一输出电源、第二输出电源及/或第三输出电源、及备用电源)灵活、弹性供电的功效；

3、由于本发明的电源供应系统包括控制单元，因此当负载需要瞬时电源时，可使控制单元并入均流环路中，因此可达成平均每个转换模块与备援模块所输出的输出电流，而不易造成单一模块负担过重造成易于损坏的功效；

4、由于本发明的电源供应系统的储存装置不包括任何的转换器，仅采用储存装置内部储存单元自然阻抗匹配特性，且因此可达成节省电路成本、缩小电路体积的功效；及

5、由于本发明的电源供应系统除了提供第一输出电源外，更可根据负载的需求而提供备用的第二输出电源及/或第三输出电源，因此可达成延长电源供应系统所能满足负载的需求电源的持续时间的功效。

惟，以上所述，仅为本发明较佳具体实施例的详细说明与图式，惟本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以下述的申请专利范围为准，凡合于本发明申请专利范围的精神与其类似变化的实施例，皆应包括于本发明的范畴中，任何熟悉该项技艺者在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在本申请所附权利要求的保护范围内。