TWI737373B

TWI737373B - 電池備用系統及其電壓偵測及控制電路

Info

Publication number: TWI737373B
Application number: TW109122200A
Authority: TW
Inventors: 鄭明旺; 李詣斌; 謝敬
Original assignee: 光寶電子（廣州）有限公司; 光寶科技股份有限公司
Priority date: 2020-07-01
Filing date: 2020-07-01
Publication date: 2021-08-21
Also published as: TW202203545A

Abstract

一種電池備用系統包括電池組、充電器、放電器、電壓偵測及控制電路、第一保護開關、第二保護開關以及第三保護開關。電池組用以對一直流匯流排提供一備用電源。充電器連接電池組，充電器用以接收外部電源。放電器具有一輸入端以及一輸出端，輸入端連接電池組與充電器，輸出端連接直流匯流排。電壓偵測及控制電路用以偵測直流匯流排的電壓是否小於一第一壓降點或一第二壓降點。第一保護開關連接於電池組與放電器的輸入端之間，第二保護開關連接於直流匯流排與放電器的輸出端之間，第三保護開關連接於充電器與放電器之輸入端之間，其中，當直流匯流排的電壓大於第一壓降點時，第一保護開關不導通；當直流匯流排的電壓小於等於第一壓降點時，第一保護開關導通。

Description

電池備用系統及其電壓偵測及控制電路

本發明是有關於一種電池備用系統，且特別是有關於一種電池備用系統及其電壓偵測及控制電路。

資料中心或服務站通常運用大量的伺服器，以處理各式各樣應用服務的處理需求。每一個伺服器處理各種操作需要一定的功率消耗，故資料中心通常具有備用電源，用以支援在AC電源中斷期間，使用備用電源以維持正常操作。如果資料中心在發生AC電源中斷時，備用電源能快速提供電能給負載，可避免直流匯流排電壓下降幅度過大，以防止突然關機。然而，如何改善電池備用系統的誤動作及延長電池組的壽命仍然是一個挑戰。

本發明係有關於一種電池備用系統及其控制電路，用以偵測直流匯流排的電壓狀態，以確保直流匯流排上的負載能正常運作及避免電池組誤動作。

根據本發明之一方面，提出一種電池備用系統，包括一電池組、一充電器、一放電器、一電壓偵測及控制電路、一第一保護開關、第二保護開關以及第三保護開關。電池組用以對一直流匯流排提供一備用電源。充電器連接電池組，充電器用以接收一外部電源。放電器具有一輸入端以及一輸出端，輸入端連接電池組與充電器，輸出端連接直流匯流排。電壓偵測及控制電路用以偵測直流匯流排的電壓是否小於一第一壓降點或一第二壓降點。第一保護開關連接於電池組與放電器的輸入端之間，第二保護開關連接於直流匯流排與放電器的輸出端之間，第三保護開關連接於充電器與放電器之輸入端之間，其中，當直流匯流排的電壓大於第一壓降點時，第一保護開關不導通於電池組與放電器之間；當直流匯流排的電壓小於等於第一壓降點時，第一保護開關導通於電池組與放電器之間。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：

100:電池備用系統

102:外部電源

104:電源供應器

106:直流匯流排

110:電池組

112:第一保護開關

120:充電器

122:第二保護開關

130:放電器

130a:輸入端

130b:輸出端

132:第三保護開關

140:電壓偵測及控制電路

141:微處理器單元

142:電壓偵測器

143:感測端

144:輸出端

145:接地端

146:控制邏輯

R1-R4:電阻

第1圖分別繪示依照本發明一實施例的電池備用系統處於待機狀態及其直流匯流排的電壓的示意圖；第2圖分別繪示依照本發明一實施例的電池備用系統處於電池導通狀態及其直流匯流排的電壓的示意圖；第3圖分別繪示依照本發明一實施例的電池備用系統處於放電導通狀態及其直流匯流排的電壓的示意圖；第4圖分別繪示依照本發明一實施例的電池備用系統處於放電導通狀態及其直流匯流排的電壓的示意圖；第5圖分別繪示依照本發明一實施例的電池備用系統處於充電導通狀態及其直流匯流排的電壓的示意圖；及第6圖分別繪示依照本發明一實施例的電池備用系統的電路示意圖。

請參照第1至5圖，其分別繪示依照本發明一實施例的電池備用系統100(圖中(a)部分)處於待機狀態、電池導通狀態、放電導通狀態、充電導通狀態及上述各狀態對應的直流匯流排的電壓(圖中(b)部分)的示意圖。

請參照第1至5圖，電池備用系統100可包括一電池組110、一充電器120、一放電器130、一電壓偵測及控制電路140、一第一保護開關112、一第二保護開關122以及一第三保護開關132。在本實施例中，外部電源102例如為AC電源，其經由電源供應器104連接至一直流匯流排106，用以提供足夠的直流電源，例如是48V，給直流匯流排106上的負載，一旦外部電源102中斷時，電池備用系統100可於外部電源102中斷期間，提供一備用電源至直流匯流排106，以確保直流匯流排106上的負載能正常運作。於此是以直流電源為48V為例，本發明並不以此為限，在其他的實施態樣中，將可依據實際的需求而有不同的電壓值，例如是12V、24V、36V、50V或是其他電壓值。

在一實施例中，電池組110例如由多個可充電電池並聯和/或串聯而成，用以對直流匯流排106提供一備用電源。當外部電源102恢復供電時，電源供應器104正常輸出後，直流匯流排106的電壓恢復正常，則電池組110不需再對直流匯流排106供電。

此外，充電器120可經由第一保護開關112以及第三保護開關132連接電池組110，且充電器120可經由直流匯流排106接收外部電源102，以使充電器120處於啟動狀態，並可提供電能至電池組110和/或放電器130。一旦外部電源102中斷時，充電器120關閉，且不再提供電能至電池組110和/或放電器130。

另外，放電器130具有一輸入端130a以及一輸出端130b，輸入端130a可經由第一保護開關112連接電池組110並經由第三保護開關132連接充電器120，輸出端130b經由第二保護開關122連接直流匯流排106。一旦外部電源102中斷時，充電器120關閉，電池組110將提供電能至放電器130，且放電器130可對直流匯流排106放電，直到外部電源102恢復供電，且電源供應器104恢復正常輸出為止或直到電池組110的能量耗盡為止。

此外，第一保護開關112連接於電池組110與放電器130的輸入端130a之間，第二保護開關122連接於直流匯流排106與放電器130的輸出端130b之間，第三保護開關132連接於充電器120與放電器130之輸入端130a之間。電壓偵測及控制電路140用以偵測直流匯流排106的電壓，以決定是否導通或關閉(截止)第一保護開關112、第二保護開關122以及第三保護開關132。

第一保護開關112例如為一電子熔斷器或電晶體開關元件，用以保護電池組110，在正常供電模式(省電)下，第一保護開關112關閉，將可避免電池組110對放電器130供電而造成電池組110的能量耗損，並可在放電器130故障時保護電池組110。

第二保護開關122例如為一O型環場效電晶體，其具有高精確度、速度快及低電壓誤差(例如小於10mv)的特性，而第三保護開關132例如為一電晶體開關元件。

另外，電壓偵測及控制電路140用以偵測直流匯流排106的電壓是否小於一壓降點。請參照第6圖，其繪示依照本發明一實施例的電池備用系統100的電路示意圖。電壓偵測及控制電路140可包括一微處理器單元141、一電壓偵測器142以及一控制邏輯146，電壓偵測器142具有一感測端143、一輸出端144以及一接地端145，感測端143電性連接直流匯流排106，輸出端144電性連接微處理器單元141與控制邏輯146，接地端145則連接至地端。

在一實施例中，多個電阻R1-R4構成一分壓電路，並電性連接電壓偵測器142與直流匯流排106，於此，電阻R4可選用一數位電位器，以減少電壓偵測及控制電路140的電壓誤差範圍(例如±0.027V)。在本實施例中，藉由電阻R1-R4所構成的分壓電路量測直流匯流排106的電壓並傳送至電壓偵測器142的感測端143，電壓偵測器142將依據所接收的電壓進行判斷與處理，並自輸出端144輸出至少一電壓準位至控制邏輯146，以控制第一保護開關112與第三保護開關132的導通或截止。也就是說，電壓偵測器142將可依據直流匯流排106的電壓狀態，即時的控制第一保護開關112與第三保護開關132。於此，電壓偵測器142例如是一積體電路(Integrated Circuit，IC)。

此外，於本實施例中，微處理器單元141一方面可用於確認直流匯流排106的電壓狀態，並依據電壓狀態，輸出相應的控制訊號至控制邏輯146，以控制第一保護開關112與第三保護開關132的導通或截止，另一方面，微處理器單元141也可自輸出端144接收來自電壓偵測器142的訊號或參數，藉此判斷電壓偵測器142是否正常運作，若發現電壓偵測器142產生異常，將會發出警示訊號。也就是說，在本實施例中，電壓偵測器142及微處理器單元141可分別為各自獨立判斷直流匯流排106的電壓狀態，並做出相應的控制。

在本實施例中，為了確保直流匯流排106的電壓穩定輸出，電壓偵測及控制電路140用以偵測直流匯流排106的電壓是否小於一第一壓降點或一第二壓降點。第一壓降點為外部電源102正常供電時之直流匯流排106的電壓的95%。第二壓降點低於第一壓降點，第二壓降點例如低於第一壓降點0.2V~0.3V左右，但不以此為限。在一實施例中，第一壓降點為直流匯流排106上的負載所需最大功率時電源供應器104能提供的最大功率電壓點，而第二壓降點為維持直流匯流排106的電壓在最靠近第一壓降點的電壓點，以避免電池備用系統100誤動作。

請參照第1圖，當直流匯流排106的電壓大於第一壓降點時，表示外部電源102正常供電，因此，第一保護開關112不導通於電池組110與放電器130之間，第二保護開關122不導通於直流匯流排106與放電器130之間，僅有第三保護開關132導通於充電器120與放電器130之輸入端130a之間，充電器120正常啟動，並由充電器120提供電能至放電器130。同時，微處理器單元141偵測感測端143及輸出端144 的電壓，並控制控制邏輯146輸出一低電壓準位(例如0)至第一保護開關112，以關閉(截止)第一保護開關112。

請參照第2圖，當直流匯流排106的電壓小於等於第一壓降點時，第一保護開關112導通於電池組110與放電器130之間，由電池組110負責提供電能至放電器130，此時，由於直流匯流排106的電壓仍大於第二壓降點，第二保護開關122不導通於直流匯流排106與放電器130之間。此外，由於外部電源102中斷供電，充電器120關閉，第三保護開關132也不導通於充電器120與放電器130之輸入端130a之間。同時，微處理器單元141偵測感測端143及輸出端144的電壓，並控制控制邏輯146輸出一高電壓準位(例如1)至第一保護開關112，以導通第一保護開關112。

請參照第3圖，當直流匯流排106的電壓持續降低而小於等於第二壓降點時，第二保護開關122導通於直流匯流排106與放電器130之間，放電器130開始提供直流匯流排106的電壓。

請參照第4圖，當第二保護開關122導通於直流匯流排106與放電器130之間時，電壓偵測及控制電路140持續偵測直流匯流排106的電壓，並維持直流匯流排106的電壓在第二壓降點，直到外部電源102恢復供電或電池組110的能量耗盡為止。也就是說，當外部電源102中斷供電時，微處理器單元141控制控制邏輯146輸出高電壓準位至第一保護開關112，以使用備用電源，以及輸出低電壓準位至第三保護開關132，以關閉(截止)第三保護開關132。

請參照第5圖，當外部電源102恢復供電時，充電器120重新啟動，直流匯流排106的電壓將大於放電器130之輸出端130b的電壓，此時，第二保護開關122不導通於直流匯流排106與放電器130之間，第三保護開關132導通於充電器120與放電器130之輸入端130a之間，並且充電器120開始對電池組110充電，同時充電器120也提供電能至放電器130，使其維持在啟動狀態。同時，微處理器單元141控制控制邏輯146輸出高電壓準位至第三保護開關132及第一保護開關112，以使充電器120對電池組110充電。

本發明上述實施例所述的電池備用系統及其電壓偵測及控制電路，可用於資料中心或服務站中，當資料中心發生AC電源中斷時，備用電源能快速提供電能給負載，可避免直流匯流排的電壓下降幅度過大，以防止突然關機。同時，電池備用系統設有防止電池組誤動作的第一壓降點與第二壓降點，以達到節能省電的功效及減少電池組反覆充/放電以延長電池組的壽命。

綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。