TW200404397A - DC backup power supply device and method for diagnosing the same - Google Patents

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Description

200404397 ⑴ 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於直流後備電源裝置，特別是關於具備在 m '池與直：流路徑之間進行電力的充放電的充放電電路的直 流後備電源裝置的改良及其診斷方法。 【先前技術】 在伺服器（server)、路由器（router)、磁碟陣列 (disk array )裝置之所謂的通訊、資訊機器中，接收商 用的交流電力在AC/DC變換器變換成機器內部的負荷所 要求的所希望的直流電壓，供給電力。特別是在通訊、資 訊機器之所謂的要求高可靠度的機器中，爲了提高機器內 電源的可靠度，並聯冗餘運轉AC/DC變換器爲一般。而 且，爲了對商用的交流電力輸入的可靠度的提高，也能採 取由兩系統的交流電力取AC/DC變換器的輸入的手段。 再者，爲了實現對商用的交流電力輸入的高可靠化，採用 在機器與商用交流電力間連接的無停電電源裝置（以下略 稱爲U P S )電源構成。 由交流電源經由AC/DC變換器以及DC/DC變換器對 負荷供給直流者中的直流後備電源已知有日本特開2000-197347號公報。在此公報提出藉由在兩變換器的中間直 流路徑連接直流後備電源’提高變換效率 '降低容積以及 成本。 (2) (2)200404397 【發明內容】 在上述習知技術中’無關於直流後備電源內的各部里 常的考慮，有可靠度相關的問題點。 本發明的目的是提供可以高可靠度對負荷供給直流電 力的直流後備電源裝置及其診斷方法。 _ 本發明在其一面中爲一種直流後備電源具備：將交流 電力變換成直流電力的AC/DC變換器，與一邊輸入其輸 出直流電力一邊進彳了電壓控制供給到負荷的D C / D C變換 鲁 器，與在這兩變換器間的直流路徑經由開關手段連接的雙 方向DC/DC變換器，與具備連接於此雙方向dc/DC變換 器的直流電力儲存手段，其中具備： 在此直流後備電源內的電流檢測手段及/或電壓檢測 手段，與根據這些檢測手段的輸出’監視直流後備電源的 異常的手段。 藉由這種構成，可實現具有無停電功能的高可靠度的 直流後備電源裝置。 ® 本發明在另一面中具備··在斷開主電路的直流路徑與 後備電源之間的開關手段的狀態下，進行直流後備電源內 — 部的異常診斷的手段，與然後，在接通前述開關手段的狀 - 態下，更進行直流後備電源內部的異常診斷的手段。 藉由如此地構成，可減少給予主電路不良影響的危險 性，同時可進行直流後備電源各部的診斷。 本發明的其他目的及其特徵在以下的實施例的說明可 明瞭。 -9 - (3) (3)200404397 【實施方式】 第1圖是依照本發明的第一實施例的直流後備電源裝 置的方塊圖。藉由電氣機器10內的AC/DC變換器2將來 自商用交流電源1的電力變換成直流電力。將此直流電力 輸入到具有電壓控制功能的D C/D C變換器3，供給到負 荷4的主電路構成。直流後備電源在主電路的前述兩比較 器間的直流路徑，以經由開關手段5連接的雙方向 DC/DC變換器6與二次電池等的直流電力儲存手段7爲 主構成要素。爲了控制這些開關手段5以及雙方向 DC/DC變換器6，配設監視/控制手段8，輸入檢測直流電 力儲存手段7的充放電電流的手段9等的電氣訊號，監視 /控制直流電力儲存手段7的充放電量。 第2圖是顯示第1圖的實施例中的自我診斷順序的處 理流程圖。此實施例的特徵爲直流後備電源檢測/診斷自 我自身的故障。使用第1圖、第2圖說明自我診斷的順序 。首先，在步驟201中打開開關手段5，由主電路切離直 流後備電源。其次，在步驟202藉由來自監視/控制手段8 的指令控制雙方向DC/DC變換器6，進行由直流電力儲 存手段7對連接於雙方向DC/DC變換器6的開關手段5 側的平滑電容器（smoothing condenser)(後述）的放電 。此時在步驟203中判定放電電流是否流過，放電電流完 全未流過的情形判斷爲在步驟204雙方向DC/DC變換器 6的放電器故障。即爲昇降壓截波器（chopper)之中昇壓 -10· (4) (4)200404397 截波器的故障。 在步驟203中若斷定放電電流流過的話，判定放電器 爲正常，判斷即使將此後備電源連接於主電路也無問題。 因此，其次在步驟205中關閉開關手段5，將此直流後備 電源連接於主電路。其次，在步驟2 0 6中藉由來自監視/ 控制手段8的指令控制雙方向DC/DC變換器6，由主電 路實施直流電力儲存手段7的充電動作。在步驟207中監 視/控制手段8使用充放電電流檢測手段9的輸出，判定 充電電流是否流過’充電電流完全未流過的情形判斷爲在 步驟208雙方向DC/DC變換器6的充電器故障。 藉由此一連的動作完成直流後備電源的自我診斷。對 於藉由自我診斷檢測出異常的情形，記錄其異常位置，並 且關閉（OFF)開關手段5，或者禁止接通（ON)，，而 且藉由警鈴（alarm )及/或燈發出警報。注意到此警鈴或 燈的使用者可由前述記錄確認哪裡有異常而構成。 如果依照此實施例，可以高的可靠度對負荷供給直流 電力’而且’可實現具備自我診斷功能的電源裝置。而且 藉由使可與主電路切離的自我診斷先行，可減少給予主電 路影響的危險性，同時可進行直流後備電源各部的診斷。 第3圖是本發明的直流後備電源的具體電路的第一實 施例。以稱爲HotMOS的MOSFET13與MOSFET驅動器 (driver)電路14構成第1圖中的開關手段5，藉由使用 例如微電腦（miCrocomputer) 20實現監視/控制手段8。 雙方向DC/DC變換器6是以控制充放電的複數個 -11 - (5) (5)200404397 MOSFET151、152、MOSFET驅動器電路16、平滑電容器 1 7、電抗線圈（r e a c t 〇 r ) 1 8構成的昇降壓截波器電路構 成。即MOSFET151爲作爲對電池19充電的充電器的降 壓截波器的主構成要素，MOSFET152爲作爲由電池19放 電的放電器的昇壓截波器的主構成要素。而且，對於作爲 直流電力儲存手段7的電池1 9可使用一般的二次電池， 惟若能量密度使用比使用鉛蓄電池還高的鎳鎘電池或 NiMH電池、鋰電池等的話，更小型化爲可能。 鲁 在此構成中，藉由來自微電腦20的指令除了電池1 9 的充放電的監視/控制之外，還實現在第2圖中說明的自 我診斷。 第4圖是本發明的直流後備電源的具體電路的第二實 施例圖。本實施例除了第 3圖的實施例外，在雙方向 DC/DC變換器電路部與電池19之間配設第二開關手段（ 電池MOSFET) 21，連接驅動此第二開關手段的驅動器電 路22，以微電腦20控制。 ® 如果依照本構成，藉由微電腦 20ON/OFF控制電池 MOSFET21，防止因昇降壓截波器的異常等造成的來自電 ♦ 池1 9的過大電流。例如在平滑電容器丨7或控制充放電的 — Μ ◦ S FET 1 5 1發生短路時，藉由斷開第二開關手段（電池 MOSFET ) 21可防止因來自電池19的過大電流造成的電 路破壞。 第5圖是顯示依照本發明的自我診斷順序的處理流程 的第二實施例圖。使用第4圖、第5圖說明自我診斷的順 -12- 200404397 ⑹ 序。與第2圖不同的此實施例的特徵是在斷開第一開 段（HotMOS ) FET13的狀態下附加第二開關手段21 常檢測順序501〜504。因此，直流後備電源增加與主 無關係進行自我診斷的項目。 首先，到步驟201〜2〇4爲止與第2圖相同。其次 步驟501中OFF電池MOSFET21，然後使其進行放電 ，在步驟502判定放電電流是否流過。放電電流流過 形係判斷爲移到步驟5 03電池M0SFET21短路故障 次’在步驟504使電池M0SFET210N。 對於以上的自我診斷均合格的情形，實行與第2 步驟20 5〜208同樣的順序，進行在與主電路連接的狀 的診斷。藉由此一連的動作完成自我診斷。 第6圖是本發明的直流後備電源的具體電路的第 施例圖。與第4圖的實施例不同的點爲配設檢測電} 的總電壓（兩端間的電壓）的電路23，取入微電腦 除了診斷，充電時、放電時以及待機時的電池的充放 流外，藉由本構成也能測定電池電壓。據此，使用充 的電池電壓V 〇、充電後的電池電壓V c、充電電流I c 種類的測定資料，可藉由以下的公式測定電池的內部 r ° r= ( Vc-Vo) /Ic 據此，藉由測定電池的內部電阻使電池的劣化診 可能。例如NiMH電池的情形，因隨著電池的劣化進 部電阻增加，故設置由加速試驗推定的電池的壽命診 關手 的峩 電路 ，在 動作 的情 。其 圖的 態下 三實 k 19 20 ° 電電 電前 的三 電阻 斷爲 行內 斷基 -13- (7) (7)200404397 準。而且，比規定値高的內部電阻被測定的情形判斷爲電 池的壽命，可對使用者報告更換電池的診斷結果。 第7圖是本發明的直流後備電源的具體電路的第四實 施例圖。與第6圖的實施例不同的點爲電池1 9的電壓檢 測電路23 1爲測定電池的複數個連接點的電壓的構成。如 果依照本構成，不僅電池1 9的總電壓，也能測定串聯連 接的電池胞（b a 11 e r y c e 11 )的中間電壓。據此，串聯連接 例如20胞的電池1 9的情形，藉由每一各胞連接電壓檢測 端子，可測定電池的微短路以及短路，電池1 9的每一各 胞的故障檢測爲可能。而且，對串聯連接例如20胞的電 池19’若每電池胞4串聯電池模組（battery module)連 接一個電壓檢測電路的話，電壓檢測電路爲每一各胞連接 的情形需要20個檢測電路以五個即可達成。此情形因視 每電池胞4串聯模組的電壓除以4的電壓爲每一胞的電壓 ’故故障胞的檢測精度低，可大幅地減少檢測電路，對低 成本化有利。 第8圖是顯示依照本發明的自我診斷順序的處理流程 的第三實施例圖。使用第7、8圖說明自我診斷的順序。 與第5圖的不同點爲追加以下所述的步驟8 0 1〜8 0 3以及步 驟804〜809。而且，在步驟801中使用電壓檢測手段231 檢測電池模組的電壓，在步驟802判定各電池模組的電壓 的異常的有無，在步驟803檢測每一電池模組的胞的故障 〇 其次，由201到208的處理與第5圖相同，避免重複 -14- (8) (8)200404397 說明。在步驟804檢測充電前的電池電壓，在步驟805藉 由降壓截波器動作，進行由主電路對電池1 9的充電動作 。其次’在步驟8 0 6測定電池充電時的充電電流與充電後 的電池電壓。藉由這些測定資料，在步驟807計算電池 19的內部電阻。在步驟808所計算的電池i 9的內部電阻 根據比規定的內部電阻値高或低來診斷電池1 9的壽命。 顯示內部電阻値比規定値還高的情形，在步驟8〇9判斷爲 電池1 9的壽命。此情形對使用者報告更換電池的診斷結 果。藉由此一連的動作使自我診斷爲可能。 第9圖是本發明的直流後備電源的具體電路的第五實 施例圖。與第7圖的實施例不同的點爲連接檢測平滑電容 器17的電壓的電路24。如果依照本構成，可檢測第一開 關手段的MOSFET13的故障。 第1 〇圖是顯示依照本發明的自我診斷順序的處理流 程的第三實施例圖。與第8圖的不同點爲取代第8圖的步 驟205 ’插入檢測第一開關手段的MOSFET13的故障的順 序，即步驟101〜104。 參照第9、1 0圖，說明檢測μ Ο S F E T 1 3的故障的順
序。首先’第一開關手段OFF，在由主電路切離後備電源 的狀態下，以和主電路的直流路徑不同的電壓値爲目標， 控制雙方向DC/DC變換器。即在步驟ι〇1中設定對平滑 電容器1 7的放電電壓的目標値比直流路徑設定電壓還高 若干，使雙方向DC/DC變換器進行放電（昇壓截波器） 動作。然後，在步驟1〇2中ON第一開關手段（M0SFET -15- (9) (9)200404397 )13。若MOSFET13藉由此一連的動作而正常地動作的 話，在ON (接通）MOSFET後以電壓計測電路24檢測的 電壓値由上述放電電壓目標値變化到主電路直流路徑的電 > 壓値。藉由在步驟103中微電腦20監視此電壓變化，在 步驟104檢測MOSFET13的故障的有無。 此外，在第2、5、8圖以及第10圖所示的自我診斷 順序中，電池的電壓檢查（check )、放電動作、充電動 作、電池的劣化診斷、MOSFET故障診斷不爲圖示的順序 馨 也可以。但是，如以上的實施例，關於伴隨著雙方向 DC/DC變換器的動作的自我診斷，首先，使在斷開第一 開關手段5 ( FET 1 3 )的狀態下的後備電源的自我診斷先 行，確認其正常。在此確認後，若實行在接通第一開關手 段5 ( FET13 )的狀態下的後備電源的自我診斷的話，可 減小給予主電路不良影響的可能性。 〔發明的功效〕 β 如果依照本發明，可以高的可靠度對負荷供給直流電 力，而且可實現具備自我診斷功能的直流後備電源裝置。 · 而且，對於決定診斷順序的情形，可減少給予主電路 - 影響的危險性，且可進行直流後備電源裝置各部的診斷。 【圖式簡單說明】 第1圖是依照本發明的實施例的直流後備電源裝置的 方塊圖。 -16- (10) (10)200404397 第2圖是顯示依照本發明的自我診斷順序的處理流程 的第一實施例圖。 第3圖是本發明的直流後備電源的具體電路的第一實 施例圖。 桌4 Η疋本發明的直流後備電源的具體電路的第二實 施例圖。 第5圖是顯示依照本發明的自我診斷順序的處理流程 的第二實施例圖。 第6圖是本發明的直流後備電源的具體電路的第三實 施例圖。 第7圖是本發明的直流後備電源的具體電路的第四實 施例圖。 第8圖是顯示依照本發明的自我診斷順序的處理流程 的第三實施例圖。 第9圖是本發明的直流後備電源的具體電路的第五實 施例圖。 第1〇圖是顯示依照本發明的自我診斷順序的處理流 程的第三實施例圖。 〔符號說明〕 1:商用交流電源 2: AC/DC變換器 3: DC/DC變換器 4：負荷 -17- (11) (11)200404397 5、1 3 :第一開關手段 6:雙方向DC/DC變換器 7 ( 19 ):直流電力儲存手段（電池） / 8:監視/控制手段 9 :充放電電流檢測手段 1 〇 :電氣機器
13、15、21: MOSFET 1 4 :驅動器電路 春 16、18、151、152:昇降壓截波器 1 7 :平滑電容器 1 8 .·電抗線圈 1 9 :電池 20:微電腦 23、23 1:電壓檢測電路
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Claims (1)

  1. 200404397 Ο) 拾、申請專利範圍 1、 一種直流後備電源裝置，具備： 將交流電力變換成直流電力的AC/DC變換器； ' 輸入其直流輸出電力，進行電壓控制的DC/DC變換 器； 對具備連接於此DC/DC變換器的負荷的主電路，在 該兩變換器間的直流路徑經由第一開關手段連接的雙方向 DC/DC變換器；以及 _ 具備連接於此雙方向DC/DC變換器的直流電力儲存 手段，其特徵包含： 檢測此直流後備電源內的電流及/或電壓的手段；以 及 根據此檢測手段的輸出，監視直流後備電源的異常的 手段。 2、 一種直流後備電源裝置，具備： 將交流電力變換成直流電力的AC/DC變換器； 鲁 對具備供給有其直流輸出電力的負荷的主電路，在該 AC/DC變換器的直流側經由第一開關手段連接的雙方向 - DC/DC變換器；以及 ， 具備連接於此雙方向DC/DC變換器的直流電力儲存 手段，其特徵包含： 檢測此直流後備電源內的電流及/或電壓的手段；以 及 根據此檢測手段的輸出，監視直流後備電源的異常的 -19- (2) (2)200404397 手段。 3、 一種直流後備電源裝置，具備： 將交流電力變換成直流電力的AC/DC變換器； 輸入其直流輸出電力，進行電壓控制的DC/DC變換 器； 對具備連接於此DC/DC變換器的負荷的主電路，在 該兩變換器間的直流路徑經由第一開關手段連接的雙方向 DC/DC變換器；以及 包含連接於此雙方向DC/DC變換器的直流電力儲存 手段，其特徵包含： 檢測此直流後備電源內的電流及/或電壓的手段；以 及 在斷開該第一開關手段的狀態下，根據該電壓及/或 電流檢測手段的輸出，進行該直流後備電源的異常診斷的 監視手段。 4、 如申請專利範圍第1項所述之直流後備電源裝置 ，其中該監視手段具備在斷開該第一開關手段的狀態下， 使該雙方向DC/DC變換器動作，檢測該直流後備電源內 的電流及/或電壓的手段。 5、 如申請專利範圍第1項所述之直流後備電源裝置 ’其中該監視手段具備在接通該第一開關手段的狀態下， 使該雙方向D C/D C變換器動作，檢測該直流後備電源內 的電流及/或電壓的手段。 6、 如申請專利範圍第1項所述之直流後備電源裝置 -20- (3) (3)200404397 ’其中在該雙方向DC/DC變換器的該第一開關手段側具 備平滑電容器，該監視手段具備在斷開該第一開關手段的 狀態下’使該雙方向DC/DC變換器動作，確認由該直流 - 電力儲存手段對該平滑電容器的充電的手段。 7、 如申請專利範圍第1項所述之直流後備電源裝置 ’其中在該雙方向DC/DC變換器的該第一開關手段側具 備平滑電容器，該監視手段具備在接通該第一開關手段的 狀態下’使該雙方向DC/DC變換器動作，確認由該主電 鲁 路的直流路徑對該直流電力儲存手段的充電的手段。 8、 如申請專利範圍第1項所述之直流後備電源裝置 ’其中在該雙方向DC/DC變換器的該第一開關手段側具 備平滑電谷器’該監視手段具備在斷開該第一開關手段的 狀態下’藉由該雙方向DC/DC變換器的動作，由該直流 電力儲存手段對該平滑電容器充電的手段，與在此充電後 接通該第一開關手段的手段，與確認此第一開關手段的該 接通前後的該平滑電容器的電壓變化的手段。 · 9、 如申請專利範圍第1項所述之直流後備電源裝置 ’其中具備連接於該雙方向DC/DC變換器與該直流電力 - 儲存手段之間的第二開關手段，與檢測該雙方向DC/DC ， 變換器的異常的手段，與根據此異常檢測手段的動作，斷 開該第二開關手段的手段。 1 〇、如申請專利範圍第1項所述之直流後備電源裝置 ，其中具備連接於該雙方向DC/DC變換器與該直流電力 儲存手段之間的第二開關手段，與在斷開此第二開關手段 -21 - (4) (4)200404397 的狀態下，檢測流過該直流電力儲存手段的電流時，檢測 該第二開關手段的異常的手段。 11、如申請專利範圍第1項所述之直流後備電源裝置 ，其中具備檢測該直流電力儲存手段的電壓的手段，與檢 測該直流電力儲存手段的電流的手段，與接通該第一開關 手段’使該雙方向DC/DC變換器動作，對該直流電力儲 存手段充電電力的手段，與根據此充電的前後的該直流電 力儲存手段的電壓値與充電電流値，判定該直流電力儲存 手段的狀態的手段。 1 2、一種直流後備電源裝置，具備： 將交流電力變換成直流電力的AC/DC變換器； 對具備供給有其直流輸出電力的負荷的主電路，在該 AC/DC變換器的直流側經由第一開關手段連接的雙方向 DC/DC變換器；以及 具備連接於此雙方向DC/DC變換器的直流電力儲存 手段，其特徵包含： 檢測此直流後備電源內的電流及/或電壓的手段； 根據此檢測手段的輸出，監視直流後備電源的異常的 手段；以及 顯示此監視手段檢測異常的手段。 1 3、如申請專利範圍第1項所述之直流後備電源裝置 ’其中具備在斷開該第一開關手段的狀態下，進行包含該 直流後備電源內的該直流電力儲存手段以及該雙方向 D C / D C變換器的機器的第一異常診斷的手段，與然後在 (5) (5)200404397 接通該第一開關手段的狀態下，進行包含該直流後備電源 內的該直流電力儲存手段以及該雙方向DC/DC變換器的 機器的第二異常診斷的手段。 14、一種直流後備電源裝置的診斷方法，具備： 將交流電力變換成直流電力的AC/DC變換器； 輸入其直流輸出電力，進行電壓控制的DC/DC變換 器； 對具備連接於此DC/DC變換器的負荷的主電路，在 該兩變換器間的直流路徑經由第一開關手段連接的雙方向 DC/DC變換器；以及 具備連接於此雙方向DC/DC變換器的直流電力儲存 手段，其特徵包含： 在斷開該第一開關手段的狀態下，進行該直流後備電 源的第一異常診斷的步驟；以及 在此第一異常診斷步驟異常未被斷定時，接通該第一 開關手段’進行該直流後備電源的第二異常診斷的步驟。 -23-
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