TWI425734B - Hybrid Smart Power Manager and Method - Google Patents

Description

混合式智慧型電源管理器與方法

本發明係一種智慧型電源管理技術，尤指一種可輸入多種電源，並可自動判斷最佳供電模式之智慧型電源管理器與方法。

自西元1975年能源危機爆發後，找尋替代能源以減少過度依賴石化燃料便成為世界各國所共同努力的目標之一。相較於核能及火力發電具有高污染及潛在的危險性，再生能源則具有取之不盡、用之不竭及無污染的特色，因而再生能源發電技術成為新一代的發電方式。台灣位於亞熱帶鄰近赤道，特別是在夏季日照充足，擁有充分的日光，且在冬季東北風盛行，蘊含大量風能，目前主要是以太陽能、風力、生質能及水力等生生不息的天然資源作為發電來源。

然，雖然再生能源有比傳統發電更多的優點，但是各別運用上受限於發電量密度太低，且會隨著季節環境變化導致發電量不穩定(例如：當時的日照強度、風力強度)，並無法穩定的提供負載穩定的電力。

是以，要如何解決上述習用之問題與缺失，即為本發明之發明人與從事此行業之相關廠商所亟欲研究改善之方向所在者。

理器與方法發明專利者。

本發明之主要目的在於提供一種可自動判斷最佳供電模式之智慧型電源管理器與方法。

為了達到上述之目的，本發明智慧型電源管理器係可供應電力至負載，包括有：至少一電源，係可供電至該負載，包括有至少二再生能源、一市電以及一電池；至少一轉換模組，係可將該電源轉換為可供電至該負載之電力，該轉換模組係電性連接於該電源；以及一中央處理模組，係電性連接於該電源，包括有：一取樣單元，係可供偵測該再生能源與該電池之輸出狀態而產生類比訊號，並將偵測結果轉換為數位訊號並傳出；一切換單元，係可供切換為該再生能源供電至該負載之綠能模式、切換為該再生能源充電至該電池並由電池供電至該負載之電池模式或是切換為該市電供電至該負載之市電模式；以及一控制單元，係可供接收該取樣單元之數位訊號，並根據該數位訊號控制該切換單元，若該再生能源輸出狀態足以供電至該負載，則令該切換單元切換為綠能模式，若該再生能源輸出狀態不足以供電至該負載，則令該切換單元切換為電池模式，若該再生能源與該電池之輸出狀態皆不足以供電至該負載，則令該切換單元切換為市電模式。

其中，由於本發明包括有中央處理模組，該中央處理模組包括取樣單元、切換單元以及控制單元。該取樣單元係可供偵測該再生能源與該電池之輸出狀態而產生類比訊號，並將偵測結果轉換為數位訊號並傳出；該切換單元係可供切換為該再生能源供電至該負載之綠能模式、切換為該再生能源充電至該電池並由電池供電至該負載之電池模式或是切換為該市電供電至該負載之市電模式；而該控制單元係可供接收該取樣單元之數位訊號，並根據該數位訊號控制該切換單元切換為綠能模式、電池模式或是市電模式。藉此，本發明可以根據目前的電源輸入狀態來選擇最佳的電源供應模式，有效的針對習用電源管理器無法智慧判斷電源供應模式之問題加以突破，為確實具有實用進步性。

本發明智慧型電源管理方法係可供應電力至負載，包括有：提供至少一再生能源、一市電以及一電池；將該再生能源、該市電或該電池轉換為可供電至該負載之電力；偵測該再生能源與該電池之輸出狀態並根據該輸出狀態進行控制；若該再生能源輸出狀態足以供電至該負載，則令該再生能源供電至該負載；若該再生能源輸出狀態不足以供電至該負載，則令該再生能源充電至該電池並由電池供電至該負載；以及若該再生能源與該電池之輸出狀態皆不足以供電至該負載，則令該市電供電至該負載。

其中，由於本發明電源管理方法係依據下列步驟進行，偵測該再生能源與該電池之輸出狀態並根據該輸出狀態進行控制；若該再生能源輸出狀態足以供電至該負載，則令該再生能源供電至該負載；若該再生能源輸出狀態不足以供電至該負載，則令該再生能源充電至該電池並由電池供電至該負載；以及若該再生能源與該電池之輸出狀態皆不足以供電至該負載，則令該市電供電至該負載。藉此，本發明可以根據目前的電源輸入狀態來選擇最佳的電源供應模式，有效的針對習用電源管理方法無法智慧判斷電源供應模式之問題加以突破，為確實具有實用進步性。

為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及構造，茲繪圖就本發明較佳實施例詳加說明其特徵與功能如下，俾利完全了解。

請參閱第一圖與第二圖所示，係為本發明較佳實施例之方塊圖與流程圖，如第一圖，由圖中可清楚看出，本發明混合式智慧型電源管理器係可供應電力至負載5，包括有：至少一電源，係可供電至該負載5，包括有至少二再生能源1、一市電2以及一電池3，其中該再生能源1為太陽能發電、風力發電、地熱發電或是水力發電；至少一轉換模組11，係可將該電源轉換為可供電至該負載5之電力，每一電源不一定都需要設置轉換模組11，若該電源可直接供應至負載5即不需要設置轉換模組11，該轉換模組11係電性連接於該電源，該轉換模組11為變壓器、整流器或是整流變壓器；以及一中央處理模組4，係電性連接於該電源，可為一單晶片微電腦，包括有取樣單元41、切換單元42與控制單元43。

取樣單元41，係可供偵測該再生能源1與該電池3之輸出狀態而產生類比訊號，並將偵測結果轉換為數位訊號並傳出；於本實施例中，係可利用微電腦來進行處理，由於日常生活中所遇到的各種物理量(例如溫度、亮度、重量、電壓)大都是類比的信號。因此，須先將類比信號轉換成數位信號才能輸入微電腦。例如透過類比/數位轉換器(analog to digital converter)簡稱為A/D轉換器(A/D converter)。目前較常用的A/D轉換器是ADC0801系列，編號為ADC0801、ADC0802、ADC0803、ADC0804、ADC0805，它們的接腳及特性皆相容，可以互相代換使用。

切換單元42，係可供切換為該再生能源1供電至該負載5之綠能模式、切換為該再生能源1充電至該電池3並由電池3供電至該負載5之電池3模式或是切換為該市電2供電至該負載5之市電2模式，該切換單元42為一固態繼電器；於本實施例中，該切換單元42是採用固態繼電器(solid state relay,SSR)，固態繼電器是一種由固態電子元件所組成的無觸點開關。該無觸點開關利用電子元件(如開關三極管、雙向可控矽等半導體元件)的開關特性，來達到無觸點與無火花，而能接通和斷開電路之目的，因此又被稱為”無觸點開關”。SSR沒有任何可動的機械零件，於工作中也沒有任何機械動作，具有反應快、可靠性高、壽命長、無動作雜訊、耐震、耐機械衝擊、具有良好的防潮防黴防腐等特性。

控制單元43，係可供接收該取樣單元41之數位訊號，並根據該數位訊號控制該切換單元42，若該再生能源1輸出狀態足以供電至該負載5，則令該切換單元42切換為綠能模式，若該再生能源1輸出狀態不足以供電至該負載5，則令該切換單元42切換為電池3模式，若該再生能源1與該電池3之輸出狀態皆不足以供電至該負載5，則令該切換單元42切換為市電2模式；於本實施例中，是使用單晶片微電腦ATMEL公司所製造的89C51(以下簡述為89C51)，此單晶片微電腦(single chip microcomputer)主要是用於控制整個電源管理，所以亦被稱為微控制器(microcontroller)。單晶片微電腦就是將微電腦的結構安置於同一個晶片而成的微電腦。功能較強的單晶片微電腦，內部除CPU、記憶體、I/O等基本結構外，更將計時器、計數器、串列傳輸介面、A/D與D/A轉換器等皆製作在內部。

顯示模組，係可供顯示再生能源1之發電量、市電2之耗電量、電池3之電量、電源之供電狀態以及負載5之耗電狀態，於本實施例中由於已將偵測電壓值轉換為數位信號，若能搭配轉碼即可將數位信號顯示於LED七段顯示器上。

手動開關(圖中未示)，該手動開關可操作為手動模式，係可強制關閉該再生能源1輸出，可以強制令再生能源1對電池進行充電。

如第二圖，本發明混合式智慧型電源管理方法，係可供應電力至負載5，包括有：

(101)提供至少一再生能源、一市電以及一電池；

(102)將該再生能源、該市電或該電池轉換為可供電至該負載5之電力；

(103)偵測該再生能源與該電池之輸出狀態並根據該輸出狀態進行控制；

(104)若該再生能源輸出狀態足以供電至該負載，則令該再生能源供電至該負載；

(105)若該再生能源輸出狀態不足以供電至該負載，則令該再生能源充電至該電池並由電池供電至該負載；以及

(106)若該再生能源與該電池之輸出狀態皆不足以供電至該負載，則令該市電供電至該負載。

其中，該再生能源1充電至該電池3經過一預定時間充滿電池3後，即停止充電至該電池3，且本發明可進一步包括有一手動模式，係可強制關閉該再生能源1輸出，並令該市電2充電至該電池3以及供電至該負載5。

請參閱第一圖與第三圖所示，係為本發明較佳實施例之方塊圖與架構圖，本發明具體實施架構如下所述：於具體實施架構，本發明的取樣單元41與顯示模組(圖中未示)將使用89C51單晶片，並藉由ADC0804取樣電壓與串列埠傳輸給控制單元43，然後再對電流取樣。而顯示模組係利用組合語言將功率計算與轉碼，即時功率顯示於七段顯示器。再者，在電流取樣方面，本文將電流藉由霍爾電流感測器轉換為電壓，再利用ADC0804轉換特性，將數位信號傳送至89C51內。

當負責取樣及顯示的89C51完成工作後，可藉由類比信號轉換成數位信號，並同時擷取數位信號，進而再藉著89C51串列埠，將資料傳送到負責控制固態繼電器(切換單元42)動作的89C51(控制單元43)去分析及判斷當時的負載5用電情形，最後再選擇適當的供電模式。

如第三圖，本發明之再生能源1包括有風力發電機12與太陽能電池板13，其中，額定輸出1kW風力發電機12經由中央處理模組4判斷功率大小，若能量足以供應給負載5使用，則切換至負載5。反之，若功率不足供給負載5使用，則經過轉換模組11對電池3充電。風力發電機12經由轉換模組11的輸出電壓在19V~72V之間，低電壓輸入轉換模組11(例如：整流器)啟動並對電池3充電，若風力機經由轉換模組11的輸出電壓在72V~144V之間，高電壓輸入轉換模組11(例如：整流器)啟動並對電池3充電，若經由轉換模組11的輸出電壓高於144V，則經由轉換模組11(例如：降壓變壓器)，並啟動高電壓輸入轉換模組11對電池3充電。係可透過一切換開關121來進行切換，並經過一切換電路122進行輸出至電池3或負載5。太陽能電池板13部分，經過一切換電路131進行輸出至電池3對電池3充電，以提供穩定能量予負載5使用；其中，經由轉換模組11轉換過後之電力為DC24~26V，可對電池3進行充電。

而該市電2同樣透過一轉換模組11(例如：變壓器)連接至中央處理模組4，藉以將原本三相220V之電力轉換為單相110V電力；中央處理模組4之判斷可根據下述原則進行判斷：

一、綠能模式：當風力發電機12(V_G )及電池3(V_B )電壓皆足夠時(V_G >220VAC、V_B >24VDC)。此時，風力發電機12不再對電池3充電，以避免電池3過充降低電池3壽命，直接供電給負載5使用。

二、電池模式：若風力發電機12因環境因素降低發電而使輸出電壓降至220VAC以下，中央處理模組4判斷電池3電壓足夠時(V_B >24VDC)，由風力發電機12對電池3充電並且由電池3供電給負載5使用。

三、市電模式：若風力發電機12及電池3電壓不足(V_G <220VAC、V_B <24VDC)，則回送訊號給中央處理模組4判斷，此時由風力發電機12對電池3充電且市電2供電給負載5運作。

四、保護模式：風力發電機12對電池3充電兩小時後，主機判斷風力發電機12電力足夠及電池3電壓充飽時(V_G >220VAC、V_B >27VDC)，則透過電壓控制器31停止風力發電機12對電池3充電，避免電池3過充降低電池3壽命。

請參閱全部附圖所示，相較於習用技術，本發明具有以下優點：一般市面上之電源管理產品，大多價格昂貴或功能簡單，故用戶採納使用情況仍不普遍，本文使用微電腦單晶片為主要架構，不僅程式撰寫彈性大，也可大幅地降低研製成本。在再生能源1(太陽能、風能)、電池3及市電2各種不同的供電方式下，可自動偵測再生能源1之發電量進而去判斷何種供電方式較佳。在供電過程中，也可同時顯示再生能源1發電量、電池3即時供電量及負載5即時耗電量，且希望盡量以再生能源1來提供負載5所需要的電力，以減少對市電2的依賴，進而達到節能減碳及降低電費之目標。

透過上述之詳細說明，即可充分顯示本發明之目的及功效上均具有實施之進步性，極具產業之利用性價值，且為目前市面上前所未見之新發明，完全符合發明專利要件，爰依法提出申請。唯以上所述著僅為本發明之較佳實施例而已，當不能用以限定本發明所實施之範圍。即凡依本發明專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請　貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

1．．．再生能源

11．．．轉換模組

12．．．風力發電機

121．．．切換開關

122．．．切換電路

13．．．太陽能電池板

131．．．切換電路

2．．．市電

21．．．轉換模組

3．．．電池

31．．．電壓控制器

4．．．中央處理模組

41．．．取樣單元

42．．．切換單元

43．．．控制單元

5．．．負載

第一圖　係為本發明較佳實施例之方塊圖。

第二圖　係為本發明較佳實施例之流程圖。

第三圖　係為本發明較佳實施例之架構圖。

1．．．再生能源

11．．．轉換模組

2．．．市電

3．．．電池

4．．．中央處理模組

41．．．取樣單元

42．．．切換單元

43．．．控制單元

5．．．負載

Claims (10)

1. 一種混合式智慧型電源管理器，係可供應電力至一預設負載，包括有：至少一電源，係可供電至該負載，包括有至少二再生能源、一市電以及一電池；至少一轉換模組，係可將該電源轉換為可供電至該負載之電力，該轉換模組係電性連接於該電源；以及一中央處理模組，係電性連接於該電源，包括有：一取樣單元，係可供偵測該再生能源與該電池之輸出狀態而產生類比訊號，並將偵測結果轉換為數位訊號並傳出；一切換單元，係可供切換為該再生能源供電至該負載之綠能模式、切換為該再生能源充電至該電池並由電池供電至該負載之電池模式或是切換為該市電供電至該負載之市電模式；以及一控制單元，係可供接收該取樣單元之數位訊號，並根據該數位訊號控制該切換單元，若該再生能源輸出狀態足以供電至該負載，則令該切換單元切換為綠能模式，若該再生能源輸出狀態不足以供電至該負載，則令該切換單元切換為電池模式，若該再生能源與該電池之輸出狀態皆不足以供電至該負載，則令該切換單元切換為市電模式。
2. 如申請專利範圍第1項所述之混合式智慧型電源管理器，其中該再生能源為太陽能發電、風力發電、地熱發電或是水力發電。
3. 如申請專利範圍第1項所述之混合式智慧型電源管理器，其中該轉換模組為變壓器、整流器或是整流變壓器。
4. 如申請專利範圍第1項所述之混合式智慧型電源管理器，其中該中央處理模組為一單晶片微電腦。
5. 如申請專利範圍第1項所述之混合式智慧型電源管理器，其中該切換單元為一固態繼電器。
6. 如申請專利範圍第1項所述之混合式智慧型電源管理器，進一步包括有一顯示模組，係可供顯示再生能源之發電量、市電之耗電量、電池之電量、電源之供電狀態以及負載之耗電狀態。
7. 如申請專利範圍第1項所述之混合式智慧型電源管理器，進一步包括有一手動開關，該手動開關可操作為手動模式。
8. 一種混合式智慧型電源管理方法，係可供應電力至一預設負載，包括有：提供至少一再生能源、一市電以及一電池；將該再生能源、該市電或該電池轉換為可供電至該負載之電力；偵測該再生能源與該電池之輸出狀態並根據該輸出狀態進行控制；若該再生能源輸出狀態足以供電至該負載，則令該再生能源供電至該負載；若該再生能源輸出狀態不足以供電至該負載，則令該再生能源充電至該電池並由電池供電至該負載；以及若該再生能源與該電池之輸出狀態皆不足以供電至該負載，則令該市電供電至該負載。
9. 如申請專利範圍第8項所述之混合式智慧型電源管理方法，其中該再生能源充電至該電池經過一預定時間充滿電池後，即停止充電至該電池。
10. 如申請專利範圍第8項所述之混合式智慧型電源管理方法，進一步包括有一手動模式，係可強制關閉該再生能源輸出，並令該市電充電至該電池以及供電至該負載。