TWI748578B

TWI748578B - 具備三組電源系統的直流電源供應器

Info

Publication number: TWI748578B
Application number: TW109125084A
Authority: TW
Inventors: 詹煜碩
Original assignee: 宏于電機有限公司
Priority date: 2020-07-24
Filing date: 2020-07-24
Publication date: 2021-12-01
Also published as: TW202205784A

Abstract

本創作提供一種具備三組電源系統的直流電源供應器包括一主電源模組、一備用電源模組、一穩壓輸出模組、一第一開關、一充電模組、一保護模組、一第二開關、一第三開關及一控制單元。控制單元是連接至主電源模組、備用電源模組、儲能電源模組、保護模組、第一開關、第二開關與第三開關。而控制單元則適於監控主電源模組、備用電源模組與儲能電源模組，進而根據監控結果來控制保護模組、第一開關、第二開關與第三開關。

Description

具備三組電源系統的直流電源供應器

本發明系關於一種具有三組電源的直流電源供應器，特別是一種在外部停止供電時可以維持設備供電以利既有電力系統運作的供應裝置。

電容跳脫裝置(CTD)一種用於保護其配電盤供電系統的穩定性裝置，其用途在於避免正常電力系統故障或突如其來的斷電與高壓所造成後續的裝置損壞。其原理是，當電源的電力供應中斷時，由電容跳脫裝置中電容的電力進行供電，保護後續裝置不受破壞，且尚可短暫的持續運作。

雖然電容跳脫裝置可解決臨時斷電的問題，惟電容本身的容量相當有限，即便加大電容的規格，也僅能在斷電後持續最多10秒，且高規格電容價格也相當高。另一種方案是不斷電系統(UPS)，但是不斷電系統是用鉛酸電池備用電源，而鉛酸電池本身壽命較短，且具有自放電與衰退的缺點，又不斷電系統屬於緊急備用的系統，使用率不高，鉛酸電池長期未進行充放電，則更容易損壞。

因此，如何解決上述問題，便是本領域通常知識者值得去思量的。

本創作提供一種具備三組電源系統的直流電源供應器，以鋰電池取代傳統的電容，並以定期充放電的方式保持電池活性。

本創作提供一種具備三組電源系統的直流電源供應器包括一主電源模組、一備用電源模組、一穩壓輸出模組、一第一開關、一充電模組、一保護模組、一第二開關、一第三開關及一控制單元。控制單元是耦接至主電源模組、備用電源模組、儲能電源模組、保護模組、第一開關、第二開關與第三開關。而控制單元則適於監控主電源模組、備用電源模組與儲能電源模組，進而根據監控結果來控制保護模組、第一開關、第二開關與第三開關。

本創作系關於一種具三組電源系統的直流電源供應器，其中所述之三組電源包括了主電源模組(提供第一組電源，來自外部的第一電源)、自身配備的儲能電源模組(提供第二組電源，來自內建的儲能元件，例如為鋰電池)以及備用電源模組(提供第三組電源，來自外部的第二電源)，並由控制單元透過開關保護模組、第一開關、第二開關與第三開關的方式控制三組電源的供電模式，如此一來便可確保三組電源系統的直流電源供應器隨時都能供應穩定的電壓。

進一步的，本創作之具三組電源系統的直流電源供應器還包括了儲能電源模組的活化機制，透過充放電機制讓儲能電源模組保持在理想的蓄電量範圍內，並且定期將儲能電源模組放電後再充電，維持儲能電源模組的性能，可避免儲能電源模組長期處於過度充電或過度放電的狀態。

傳統的電容跳脫裝置與不斷電系統具有持續力較差(電容容量受限)、壽命短(鉛酸電池衰退較快)、欠缺監控機制等缺點。而本創作透過多電源的設置與儲能電源模組的活化機制，可有效克服傳統上的缺陷，大大提高斷電後的持續力與電池壽命。

10:主電源模組

20:備用電源模組

30:穩壓輸出模組

100:具備三組電源系統的直流電源供應器

110:第一開關

120:第二開關

130:第三開關

140:充電模組

150:儲能電源模組

160:控制單元

161:保護模組

162:燈號模組

163:電源偵測模組

170:電壓轉換器

180、180a、180b:交流直流轉換器

圖1所繪示為本創作具備三組電源系統的直流電源供應器的示意圖。

請參閱圖1，圖1所繪示為本創作具備三組電源系統的直流電源供應器的示意圖。本創作之具備三組電源系統的直流電源供應器100是分別電性連接至外部的一第一電源與一第二電源，第一電源與第二電源例如為電力公司或直流供電系統所提供的電源，通常為直流100~370伏特或交流85~265伏特的電源。

本創作之具備三組電源系統的直流電源供應器100包括一主電源模組10、一備用電源模組20、一第一開關110、一第二開關120、一第三開關130、一充電模組140、一儲能電源模組150、一控制單元160、多個電壓轉換器170、多個交流直流轉換器180與一穩壓輸出模組30。

主電源模組10、備用電源模組20與穩壓輸出模組30為具備三組電源系統的直流電源供應器100的對外連接的端子。其中，主電源模組10與備用電源模組20分別連接至第一電源與第二電源，即主電源模組10與備用電源模組20為具備三組電源系統的直流電源供應器100的輸入端子。穩壓輸出模組30則連接至外部的負載(用電設備)，即穩壓輸出模組30為具備三組電源系統的直流電源供應器100的輸出端子，並且穩壓輸出模組30還具備更穩定電壓輸出的功能。

第一開關110耦接於穩壓輸出模組30與主電源模組10之間；第二開關120是耦接於穩壓輸出模組30與儲能電源模組150之間；第三開關130是耦接於穩壓輸出模組30與備用電源模組20之間。換言之穩壓輸出模組30的電力來源共有主電源模組10、儲能電源模組150與備用電源模組20三個來源，並且由第一開關110、第二開關120與第三開關130來控制由哪一個電源對穩壓輸出模組30供電。

多個電壓轉換器170與多個交流直流轉換器180則適於將主電源模組10、儲能電源模組150與備用電源模組20的輸出電力透過升壓或降壓轉換成適合穩壓輸出模組30的電壓。交流直流轉換器180分別耦接於主電源模組10與第一開關110之間、備用電源模組20與該第三開關130之間。多個電壓轉換器170則分別耦接於交流直流轉換器180與第一開關110之間、儲能電源模組150與第二開關120之間、交流直流轉換器180與第三開關130之間。

交流直流轉換器180還適於接收來自主電源模組10或備用電源模組20的電壓。其中，交流直流轉換器180a將主電源模組10輸出電壓轉換為儲能電源模組150或穩壓輸出模組30適用的電壓。交流直流轉換器180b則是將備用電源模組20的輸出電壓轉換為穩壓輸出模組30適用的電壓。也就是說，交流直流轉換180可適應不同電壓輸出的主電源模組10或備用電源模組20，令本創作之具備三組電源系統的直流電源供應器100能連接不同規格的電源。

充電模組140是耦接至主電源模組10，較佳是經由交流直流轉換器180連接至主電源模組10，且儲能電源模組150是耦接於充電模組140與第二開關120之間，充電模組140與儲能電源模組150之間還設置有一保護模組161。

充電模組140適於將來自交流直流轉換器180a的電力轉換為適合儲能電源模組150充電的電壓。而保護模組161則是決定是否讓充電模組140對儲能電源模組150充電。此外，儲能電源模組150例如為電池，選用較佳為鋰電池。

控制單元160是耦接至主電源模組10、備用電源模組20、保護模組161、儲能電源模組150、第一開關110、第二開關120與第三開關130。而控制單元160則適於監控主電源模組10、備用電源模組20與儲能電源模組150，進而根據監控結果來控制保護模組161、第一開關110、第二開關120與第三開關130。

保護模組161適於偵測儲能電源模組150的一蓄電量，也就是判斷儲能電源模組150的電量，且保護模組161還具有斷路或導通模式。此外，控制單元160還包括了一電源偵測模組163，適於偵測主電源模組10與備用電源模組20的電壓值，藉此判斷主電源模組10與備用電源模組20是否正常供電。

進一步的，控制單元160則根據儲能電源模組150的一蓄電量與主電源模組10、備用電源模組20的電壓值來控制保護模組161、第一開關110、第二開關120與第三開關130。

在一實施例中，當控制單元160偵測主電源模組10的電壓值低於一電源設定值，則控制單元160會傳送一導通訊號至第二開關120，並傳送一斷路訊號至保護模組161、第一開關110與第三開關130。在此實施例中，電源設定值為穩壓輸出模組30預設的電壓輸出值，而主電源模組10的電壓值低於一電源設定值則表示主電源模組10已無法提供充足的電壓至穩壓輸出模組30，可能為斷電。

此時控制單元160讓保護模組161、第一開關110與第三開關130為斷路，並使與第二開關120導通，由儲能電源模組150替代主電源模組10進行對穩壓輸出模組30提供電力。也就是在主電源模組10無法供電時，由儲能電源模組150經由第二開關120對穩壓輸出模組30提供電力，持續供電至穩壓輸出模組30，避免損壞後續連接的用電設備。

在一實施例中，當主電源模組10的電壓值低於電源設定值，且儲能電源模組150的蓄電量低於一電池設定值，控制單元160傳送導通訊號至第三開關130，傳送斷路訊號至第一開關110與第二開關120。其中電池設定值為電池適合的最低電量。

在此實施例中，主電源模組10的輸出電壓不足，儲能電源模組150的電量也低於理想的電量，此時控制單元160讓第一開關110與第二開關120斷路，讓第三開關130導通，讓備用電源模組20為穩壓輸出模組30供電。也就是備用電源模組20將作為備用電源，在主電源模組10與儲能電源模組150均無法提供電力時，由備用電源模組20經由第三開關130對穩壓輸出模組30進行供電。

在一實施例中，當主電源模組10的電壓值高於電源設定值，且儲能電源模組150的蓄電量低於一電池設定值，控制單元160傳送該導通訊號至第一開關110與保護模組161，傳送斷路訊號至第二開關120與該第三開關130。

在此實施例中，主電源模組10的電壓輸出正常，但是儲能電源模組150的電量不足。因此控制單元160讓第二開關120與該第三開關130斷路，讓保護模組161與第一開關110導通。如此一來可讓主電源模組10對穩壓輸出模組30供電，同時對儲能電源模組150進行充電。

在一實施例中，當儲能電源模組150的蓄電量高於一電池上限值，控制單元160傳送導通訊號至保護模組161與第二開關120，傳送斷路訊號至第一開關110與該第三開關130，直到儲能電源模組150的蓄電量低於電池上限值。其中，電池上限值則為電池電量理想的上限值。

在此實施例中，儲能電源模組150的電量高於電池上限值，表示儲能電源模組150的電量過高。因此控制單元160讓第一開關110與該第三開關130斷路，讓保護模組161與第二開關120導通。暫時讓儲能電源模組150對穩壓輸出模組30供電，直到儲能電源模組150的蓄電量低於電池上限值，也就是對儲能電源模組150進行適當的放電，讓儲能電源模組150的電量保持在適當的範圍內。

前述實施例中，所提到的電池設定值與電池上限值即是電池的最佳運作電量，透過控制單元160控制，可避免電池長期滿電或長期電量不足，可確保電池的壽命。較佳實施例中電池設定值為20%，電池上限值為80%。

在一實施例中，控制單元160會定期傳送導通訊號至第二開關120，傳送斷路訊號至保護模組161、第一開關110與第三開關130，直到儲能電源模組150的蓄電量低於電池設定值，之後控制單元160傳送導通訊號至第一開關110與保護模組161，傳送斷路訊號至第二開關120與第三開關130，直到儲能電源模組150的該蓄電量等於該電池上限值。

在此實施例中，控制單元160會定時對儲能電源模組150進行一次放電與充電的循環，保持電池的活性以延長其壽命。例如每周一次或每月一次。因此，控制單元160先讓保護模組161、第一開關110與第三開關130斷路，並導通第二開關120，讓儲能電源模組150進行放電，直到儲能電源模組150的蓄電量低於電池設定值。

當儲能電源模組150的蓄電量低於電池設定值，控制單元160則讓第二開關120與第三開關130斷路，並導通保護模組161與第一開關110，讓主電源模組10對穩壓輸出模組30供電，同時對儲能電源模組150進行充電。直到儲能電源模組150的蓄電量達到電池上限值後，將保護模組161斷路，停止對儲能電源模組150充電。即完成一次放電與充電的循環。

在一實施例中，具備三組電源系統的直流電源供應器100還包括一燈號模組162，燈號模組162是電性連接至控制單元160，並且燈號模組162是於根據蓄電量與電壓值改變燈號。燈號模組162包括了多個電池電量指示燈、一主電源模組指示燈與一第二電源指示燈(未繪示)。

其中，電池電量指示燈適於根據蓄電量開啟。進一步的說，多個電池電量指示燈為線性排列設置，根據儲能電源模組150的蓄電量決定亮燈的數量，已亮燈數量多寡表示儲能電源模組150的蓄電量。讓維護人員可得知儲能電源模組150的蓄電量。

主電源模組指示燈與備用電源指示燈則分別對應主電源模組10與備用電源模組20的電壓值亮起。主電源模組指示燈當該主電源模組的該電壓值高於電源設定值時亮起。備用電源模組指示燈當該備用電源模組的該電壓值高於該電源設定值時亮起。

也就是說，主電源模組指示燈表示主電源模組10是否為穩壓輸出模組30提供電力，備用電源模組指示燈表示備用電源模組20是否為穩壓輸出模組30提供電力。讓維修人員可透過主電源模組指示燈與備用電源指示燈辨識當下是由主電源模組10或備用電源模組20進行供電。

本創作的具備三組電源系統的直流電源供應器100，是以鋰電池取代傳統的電容作為替代的電源。且鋰電池具備更佳的電容量，可在斷電後提供更長時間的備用電源。並且本創作的具備三組電源系統的直流電源供應器100還透過控制單元160控制儲能電源模組150的充放電狀態，將儲能電源模組150保持在理想的蓄量電範圍內，進一步透過定時的放電充電循環，保持儲能電源模組150的活化，能夠延長電池的使用壽命，讓具備三組電源系統的直流電源供應器100提供更可靠的保護機制。

本發明說明如上，然其並非用以限定本創作所主張之專利權利範圍。其專利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等同領域而定。凡本領域具有通常知識者，在不脫離本專利精神或範圍內，所作之更動或潤飾，均屬於本創作所揭示精神下所完成之等效改變或設計，且應包含在下述之申請專利範圍內。