TWM592621U

TWM592621U - 不斷電系統

Info

Publication number: TWM592621U
Application number: TW108213247U
Authority: TW
Inventors: 陳浩銘
Original assignee: 應能科技股份有限公司
Priority date: 2019-10-07
Filing date: 2019-10-07
Publication date: 2020-03-21

Abstract

一種不斷電系統包含可分離地連結設置的N個儲能單元及一控制單元。每一該儲能單元包括一電池模組及一電池管理模組。該控制單元包括一充電模組及一處理模組，並將一電源所提供的一電源電流輸出至一負載。當該處理模組根據來自每一該電池管理模組的一電池狀態信號判斷對應的該電池模組所儲存的電能充足時，控制對應的該儲能單元運作在一放電模式，並將一後備電流輸出至該負載。且當判斷對應的該電池模組所儲存的電能不足時，控制對應的該儲能單元運作在一充電模式，並控制該充電模組對該電池模組充電。

Description

不斷電系統

本新型是有關於一種不斷電系統，特別是指一種控制單元及儲能單元可模組化分離的不斷電系統。

不斷電系統(Uninterruptible Power System，UPS)是一種受到廣泛採用的設備，以在電源供應突然異常的情況下，例如臨時停電、電源干擾時，提供一個可靠的後備電源給精密電子儀器、電腦運算中心、或通信網路設備等重要的電子設備，而能夠避免因為電源異常而導致這些電子設備的運作中斷。然而，隨著使用者在負載端的需求不同，如何提供更具彈性的不斷電系統便成為一個待解決的問題。

因此，本新型的目的，即在提供一種控制單元及儲能單元可模組化分離的不斷電系統。

於是，根據本新型提供一種不斷電系統，適用於一電源及一負載，並包含N個儲能單元及一控制單元。該N個儲能單元可分離地連結設置，N為正整數。每一該儲能單元能夠受控制以運作在一充電模式及一放電模式之間，並包括一電池模組及一電池管理模組。該電池模組能夠儲存電能，並在該放電模式下提供一後備電流。該電池管理模組電連接該電池模組，以偵測該電池模組的一輸出入電壓，進而產生一電池狀態信號。

該控制單元可分離地與其中一個該儲能單元連結設置，並電連接該電源及該負載，以將該電源所提供的一電源電流輸出至該負載，且電連接該N個儲能單元，並包括一充電模組及一處理模組。該充電模組電連接該電源及該N個儲能單元，以受控制地將來自該電源的一充電輸入電流對運作在該充電模式的任一個該儲能單元進行充電。

該處理模組電連接該N個儲能單元，以接收每一該電池管理模組的該電池狀態信號。當該處理模組根據每一該電池狀態信號判斷對應的該電池模組所儲存的電能充足時，控制對應的該儲能單元運作在該放電模式，並將該後備電流輸出至該負載，且當判斷對應的該電池模組所儲存的電能不足時，控制對應的該儲能單元運作在該充電模式，並控制該充電模組對該電池模組充電。

在一些實施態樣中，其中，該控制單元還包括一電流監控模組，該電流監控模組電連接於該電源及該N個儲能單元與該負載之間，並包含一電連接該電源的第一輸入端、一電連接該N個儲能單元的第二輸入端、及一電連接該負載的輸出端。該第一輸入端接收來自該電源的該電源電流並輸出至該輸出端，該第二輸入端接收來自運作在該放電模式的任一個該儲能單元的該後備電流並輸出至該輸出端，該輸出端輸出一負載電流。

該電流監控模組還偵測該輸出端所輸出的該負載電流的大小，該處理模組還電連接該電流監控模組並根據該負載電流的大小，控制該充電模組所接收的該充電輸入電流的大小。

在一些實施態樣中，其中，該處理模組還儲存一最大輸入電流值，該最大輸入電流值相關於該電源所能提供的一額定電流的大小，該處理模組根據該最大輸入電流值與該負載電流的大小的差值，決定該充電輸入電流的大小。

在一些實施態樣中，其中，該處理模組還根據該電源所輸出的一對應該電源電流的電源電壓，控制該充電模組所接收的該充電輸入電流的大小。當該電源電壓小於一預定輸出電壓時，控制該充電模組的該充電輸入電流變小，直到該電源電壓回復至等於該預定輸出電壓。

在另一些實施態樣中，其中，該每一儲能單元的該電池模組是超級電容、鋰離子電池、鋰鐵電池、及鉛酸電池之其中任一者。

在另一些實施態樣中，其中，該電源是一直流電壓源，該電源電流及該後備電流屬於直流電流。

在另一些實施態樣中，其中，該電源是一交流電壓源，該不斷電系統還包含一交流直流轉換單元，可分離地與該控制單元連結設置，並電連接於該電源與該控制單元之間，以將該電源所提供屬於交流電流的該電源電流，先轉換為屬於直流的該電源電流，再提供給該控制單元，該後備電流屬於直流電流。

在另一些實施態樣中，其中，該電源是一交流電壓源，該不斷電系統還包含一交流直流轉換單元及一直流交流轉換單元，該交流直流轉換單元可分離地與該控制單元連結設置，並電連接於該電源與該控制單元之間。該直流交流轉換單元可分離地與該控制單元連結設置，並電連接於該控制單元與該負載之間。該交流直流轉換單元將該電源所提供屬於交流電流的該電源電流，先轉換為屬於直流的該電源電流，再提供給該控制單元。該直流交流轉換單元將屬於直流電流的該電源電流及該後備電流，先轉換為屬於交流電流的該電源電流及該後備電流，再輸出至該負載。

本新型的功效在於：藉由該控制單元及該N個儲能單元可分離地連結設置，當該不斷電系統在需求或規格發生改變的情況下，藉由增加或減少儲能單元的數量，或置換不同的控制單元而能夠彈性地滿足各種變化。此外，該控制單元的該處理模組還能夠根據每一該儲能單元的該電池管理模組所產生的該電池狀態信號，控制任何一個電能充足的該電池模組運作在該放電模式，且控制任何一個電能不足的該電池模組運作在該充電模式。

在本新型被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，本新型不斷電系統之一第一實施例，適用於一電源8及一負載9，並包含N個儲能單元2、3、4及一控制單元1。在本實施例中，該電源8是一個直流電壓源，並提供屬於直流電流的一電源電流。該負載9是一電子設備，例如伺服器、自動化機台等等，都不在此限。

該N個儲能單元2、3、4可分離地連結設置，N為正整數。每一該儲能單元2、3、4能夠受到該控制單元1的控制，而運作在一充電模式及一放電模式之間，並包括一電池模組22、32、42及一電池管理模組21、31、41。當任何一個該儲能單元2、3、4運作在該放電模式時，該儲能單元2、3、4的該電池模組22、32、42提供(即輸出)一後備電流。該電池模組22、32、42例如是屬於一種超級電容、鋰離子電池、鋰鐵電池、鉛酸電池、或其他材料的可充放電電池，而能夠儲存電能。也就是說，該N個儲能單元2、3、4的該N個電池模組22、32、42可以分別屬於同一種電池或不同一種電池，以在不同的需求時，藉由電池材料特性的不同，提供對應的效果。舉例來說，超級電容的該電池模組通常能夠循環充放電可達100萬次以上，而具有使用壽命長的特性。鋰鐵電池的該電池模組的循環充放電次數通常只有約2500次，但具有儲能時間長的效果。鋰離子電池的該電池模組通常能夠循環充放電達到30萬至100萬次之間，而能兼具儲能時間與使用壽命。

每一該電池管理模組21、31、41電連接對應的該電池模組22、32、42，以偵測該電池模組22、32、42的一輸出入電壓，進而產生一電池狀態信號。舉例來說，該電池模組22、32、42預定的一額定輸出電壓是4.95~5.05伏特之間，當該輸出入電壓等於4.5伏特時，表示該電池模組22、32、42所儲存的電能不足，因此，該電池管理模組21、31、41產生指示電能不足的該電池狀態信號。另外，當任何一個該儲能單元(如4)由分離的情況下與其他的該儲能單元(如3)連結設置時，該電池狀態信號也能夠用來指示剛連結的該儲能單元4除了電能充足，也已經可以和其他的該等儲能單元2、3共同並聯供電。

該控制單元1可分離地與其中一個該儲能單元(如2)連結設置，並包括一充電模組12、一電流監控模組13、及一處理模組11。該充電模組12電連接該電源8及該N個儲能單元2、3、4，以受到該處理模組11的控制以將來自該電源8的一充電輸入電流對運作在該充電模式的任一個該儲能單元2、3、4進行充電。

該電流監控模組13電連接於該電源8及該N個儲能單元2、3、4與該負載9之間，並包含一電連接該電源8的第一輸入端131、一電連接該N個儲能單元2、3、4的第二輸入端132、及一電連接該負載9的輸出端133。該第一輸入端131接收來自該電源8的該電源電流並輸出至該輸出端133，該第二輸入端132接收來自運作在該放電模式的任一個該儲能單元2、3、4的該後備電流並輸出至該輸出端133。該輸出端133輸出一負載電流。該電流監控模組13還偵測該輸出端133所輸出的該負載電流的大小。

該處理模組11電連接該N個儲能單元2、3、4，以接收每一該電池管理模組21、31、41的該電池狀態信號。當該處理模組11根據每一該電池狀態信號判斷對應的該電池模組22、32、42所儲存的電能充足時，控制對應的該儲能單元2、3、4運作在該放電模式，並將該後備電流輸出至該輸出端133(即至該負載9)。換句話說，在本實施例中，該不斷電系統是述於一種在線式(On-line)的不斷電系統，當該電源8在提供該電源電流給該負載9時，運作在該放電模式的該儲能單元2、3、4也同時提供該後備電流給負載9。而當該電源8發生異常或中斷時，該電源電流可能下降至零，則由該N個儲能單元2、3、4之其中運作在該放電模式者提供該後備電流給該負載9。再者，該處理模組11藉由每一該電池狀態信號獲知對應的每一該電池模組22、32、42的電能是否充足，而實現該N個儲能單元2、3、4之其中任一者不管運作在該充電模式或該放電模式，都能夠立即線上更換、安裝、或插拔，即是一種實現熱插拔的功能。

相反地，當該處理模組11判斷該儲能單元2、3、4的該電池模組22、32、42所儲存的電能不足時，控制對應的該儲能單元2、3、4運作在該充電模式，並控制該充電模組12對該電池模組22、32、42充電。更詳細地說，該處理模組11還儲存一最大輸入電流值，該最大輸入電流值相關於該電源8所能提供的一額定電流的大小。該處理模組11根據該最大輸入電流值與該負載電流的大小的差值，決定該充電輸入電流的大小，以在該電源8提供該負載9電力的同時，能夠在不造成該電源8的總負載太高而輸出電壓下降的情況下，提供電池模組22、32、42的充電效率與使用壽命。

舉例來說，該電源8所能提供的該額定電流是15安培，則表示當該負載9需要12安培的電流時，即該電源電流等於12安培時，該充電輸入電流等於15-12=3安培。而當該負載9只需要5安培的電流時，該充電輸入電流等於15-5=10安培。另外特別說明的是：這裡所指的充電輸入電流的大小等於該最大輸入電流值與該電源電流的大小的差值，並不是指該處理模組11一定要控制該充電模組12以該差值大小的該充電輸入電流對該儲能單元2、3、4充電，而是指該充電輸入電流的最大值不能超過該差值的大小。

此外，該處理模組11還根據該電源8所輸出的一對應該電源電流的電源電壓，即該電源8所輸出的電壓，控制該充電模組12所接收的該充電輸入電流的大小。在本實施例中，該處理模組11是電連接該電源8並能夠自行偵測該電源電壓，而在其他實施例中，該控制單元1也可以還包括一電壓感測器，以偵測該電源電壓，並將偵測的結果傳送至該處理模組11。

更詳細地說，當該電源電壓小於一預定輸出電壓時，控制該充電模組12的該充電輸入電流變小，直到該電源電壓回復至等於該預定輸出電壓。舉例來說，該電源電壓的額定輸出電壓等於24伏特，該預定輸出電壓也等於24伏特。該處理模組11除了根據該最大輸入電流值與該負載電流的大小的差值控制該充電輸入電流的最大值之外，還根據所偵測的該電源電壓的變化，控制該充電輸入電流的大小，同樣是為了避免該電源8因為過載而造成所提供的該電源電壓下降的問題。

再參閱圖2，圖2示例性地說明該不斷電系統的一外觀態樣，該控制單元1與該三個儲能單元(即N=3)2、3、4是以類似積木堆疊的方式相結合，舉例來說，相連的兩個該儲能單元2、3、4，或該儲能單元2與該控制單元1之間具有可以相結合的卡榫，且相鄰的兩個該儲能單元2、3、4之間具有連接器7(圖中僅以一個示意說明)，以使得該三個儲能單元2、3、4能夠並聯供電。該連接器7例如是能夠傳輸大電流的D型連接器，除了傳輸充放電的電流，還能夠傳輸該三個電池狀態信號。

另外要特別補充說明的是：為了圖式簡單說明起見，圖1與圖2都僅以三個儲能單元(即N=3)2、3、4為例說明該控制單元1與該三個儲能單元2、3、4之間的連結關係，但並不以此為限。再者，該處理模組11例如是一種微控制器(Micro-controller，MCU)，該充電模組12例如是已知技術中能夠調整充電電流大小的充電電路，該電流監控模組13例如是一個電流流量計，並還能夠包含電流保護裝置，以避免輸出至該負載9的電流過大。此外，每一該儲能單元2、3、4的該電池管理模組21、31、41即是一種電池管理系統(Battery Management System)，例如能夠偵測對應的該電池模組22、32、42的輸出入電壓、輸出入電流、及操作溫度，並在偵測到該電池模組22、32、42發生過壓、過流、或過溫時，產生警告信號或中斷其運作。該控制單元1的該處理模組11還能夠接收該等警告信號，例如經由該連接器7，以管理或顯示每一該儲能單元2、3、4的運作與狀態。

參閱圖3，圖3是本新型不斷電系統之一第二實施例，該第二實施例與該第一實施例大致上相同，不同的地方在於：該電源8是一交流電壓源，該不斷電系統還包含一交流直流轉換單元(AC-DC converter)5及一直流交流轉換單元(AC-DC converter)6。該交流直流轉換單元5可分離地與該控制單元1連結設置，並電連接於該電源8與該控制單元1之間。該直流交流轉換單元6可分離地與該控制單元1連結設置，並電連接於該控制單元1與該負載9之間。該交流直流轉換單元5將該電源8所提供屬於交流電流的該電源電流，先轉換為屬於直流的該電源電流，再提供給該控制單元1，該直流交流轉換單元6將屬於直流電流的該電源電流及該後備電流，先轉換為屬於交流電流的該電源電流及該後備電流，再輸出至該負載9。

另外，本新型不斷電系統之一第三實施例，大致上與該第二實施例相同，不同的地方在於：該不斷電系統的該直流交流轉換單元6被省略，即該負載9是接收直流的該電源電流及該後備電流。

綜上所述，藉由該控制單元1及該N個儲能單元2、3、4可分離地連結設置，當該不斷電系統在需求或規格發生改變的情況下，藉由增加或減少儲能單元2、3、4的數量，或置換不同的控制單元1而能夠彈性地滿足各種變化。此外，該控制單元1的該處理模組11還能夠根據每一該儲能單元2、3、4的該電池管理模組21、31、41所產生的該電池狀態信號，控制任何一個電能充足的該電池模組22、32、42運作在該放電模式，且控制任何一個電能不足的該電池模組22、32、42運作在該充電模式。再者，該處理模組11還能根據該電源電流的大小，控制該充電模組12所接收的該充電輸入電流的大小，例如以該最大輸入電流值與該電源電流的大小的差值作為該充電輸入電流的最大值，而能夠在不影響該電源8提供該負載9電力的情況下，自動且有效地調整該充電電流的大小，進而提高充電的效率與電池模組22、32、42的使用壽命，故確實能達成本新型的目的。

惟以上所述者，僅為本新型的實施例而已，當不能以此限定本新型實施的範圍，凡是依本新型申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本新型專利涵蓋的範圍內。

1:控制單元 11:處理模組 12:充電模組 13:電流監控模組 131:第一輸入端 132:第二輸入端 133:輸出端 2:儲能單元 21:電池管理模組 22:電池模組 3:儲能單元 31:電池管理模組 32:電池模組 4:儲能單元 41:電池管理模組 42:電池模組 5:交流直流轉換單元 6:直流交流轉換單元 7:連接器 8:電源 9:負載

本新型的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一方塊圖，說明本新型不斷電系統的一第一實施例；圖2是一立體圖，說明該第一實施例的一種外觀態樣；及圖3是一方塊圖，說明本新型不斷電系統的一第二實施例。

1:控制單元

11:處理模組

12:充電模組

13:電流監控模組

131:第一輸入端

132:第二輸入端

133:輸出端

2:儲能單元

21:電池管理模組

22:電池模組

3:儲能單元

31:電池管理模組

32:電池模組

4:儲能單元

41:電池管理模組

42:電池模組

5:交流直流轉換單元

6:直流交流轉換單元

7:連接器

8:電源

9:負載

Claims

一種不斷電系統，適用於一電源及一負載，並包含： N個儲能單元，可分離地連結設置，N為正整數，每一該儲能單元能夠受控制以運作在一充電模式及一放電模式之間，並包括一電池模組，能夠儲存電能，並在該放電模式下提供一後備電流，及一電池管理模組，電連接該電池模組，以偵測該電池模組的一輸出入電壓，進而產生一電池狀態信號；及一控制單元，可分離地與其中一個該儲能單元連結設置，並電連接該電源及該負載，以將該電源所提供的一電源電流輸出至該負載，且電連接該N個儲能單元，並包括一充電模組，電連接該電源及該N個儲能單元，以受控制地將來自該電源的一充電輸入電流對運作在該充電模式的任一個該儲能單元進行充電，及一處理模組，電連接該N個儲能單元，以接收每一該電池管理模組的該電池狀態信號，當該處理模組根據每一該電池狀態信號判斷對應的該電池模組所儲存的電能充足時，控制對應的該儲能單元運作在該放電模式，並將該後備電流輸出至該負載，且當判斷對應的該電池模組所儲存的電能不足時，控制對應的該儲能單元運作在該充電模式，並控制該充電模組對該電池模組充電。
如請求項1所述的不斷電系統，其中，該控制單元還包括一電流監控模組，該電流監控模組電連接於該電源及該N個儲能單元與該負載之間，並包含一電連接該電源的第一輸入端、一電連接該N個儲能單元的第二輸入端、及一電連接該負載的輸出端，該第一輸入端接收來自該電源的該電源電流並輸出至該輸出端，該第二輸入端接收來自運作在該放電模式的任一個該儲能單元的該後備電流並輸出至該輸出端，該輸出端輸出一負載電流，該電流監控模組還偵測該輸出端所輸出的該負載電流的大小，該處理模組還電連接該電流監控模組並根據該負載電流的大小，控制該充電模組所接收的該充電輸入電流的大小。
如請求項2所述的不斷電系統，其中，該處理模組還儲存一最大輸入電流值，該最大輸入電流值相關於該電源所能提供的一額定電流的大小，該處理模組根據該最大輸入電流值與該負載電流的大小的差值，決定該充電輸入電流的大小。
如請求項3所述的不斷電系統，其中，該處理模組還根據該電源所輸出的一對應該電源電流的電源電壓，控制該充電模組所接收的該充電輸入電流的大小，當該電源電壓小於一預定輸出電壓時，控制該充電模組的該充電輸入電流變小，直到該電源電壓回復至等於該預定輸出電壓。
如請求項1所述的不斷電系統，其中，該每一儲能單元的該電池模組是超級電容、鋰離子電池、鋰鐵電池、及鉛酸電池之其中任一者。
如請求項1所述的不斷電系統，其中，該電源是一直流電壓源，該電源電流及該後備電流屬於直流電流。
如請求項1所述的不斷電系統，其中，該電源是一交流電壓源，該不斷電系統還包含一交流直流轉換單元，可分離地與該控制單元連結設置，並電連接於該電源與該控制單元之間，以將該電源所提供屬於交流電流的該電源電流，先轉換為屬於直流的該電源電流，再提供給該控制單元，該後備電流屬於直流電流。
如請求項1所述的不斷電系統，其中，該電源是一交流電壓源，該不斷電系統還包含一交流直流轉換單元及一直流交流轉換單元，該交流直流轉換單元可分離地與該控制單元連結設置，並電連接於該電源與該控制單元之間，該直流交流轉換單元可分離地與該控制單元連結設置，並電連接於該控制單元與該負載之間，該交流直流轉換單元將該電源所提供屬於交流電流的該電源電流，先轉換為屬於直流的該電源電流，再提供給該控制單元，該直流交流轉換單元將屬於直流電流的該電源電流及該後備電流，先轉換為屬於交流電流的該電源電流及該後備電流，再輸出至該負載。