使用一共享电池的紧急电源供应系统及其输入电流平衡法技术领域
本发明涉及一种使用一共享电池的紧急电源供应系统(emergent power
supply system)，并且更特别的是本发明涉及一种使用一共享电池且能够将输
入电流平衡的紧急电源供应系统，以及在此系统中所使用的电流平衡方法。
背景技术
随着信息工业的迅速发展及高科技产业的高速扩张，一台不断电电源供
应器(uninterruptible power supply，UPS)已经被用来作为大量的电子装置的
紧急电源供应装置。大部分的精密电子仪器与设备需要依赖高品质的电源供
应来维持正常的运作情形。现今，不断电电源供应器已经成为在断电情况下，
确保最佳供电品质的一个最佳化方案。
尽管不断电电源供应器能够提供诸多优点，然而当一台旧式的不断电电
源供应器送去保养或维修时，不断电电源供应器的电源传导路径会由一旁路
开关(bypass switch)来改变。就在此时，负载会持续地由未受到保护的公用
电源来维持操作，使得负载容易受到电源供应网(power grid)的损害。为了
解决这个问题，便提出一种并联冗余(parallel redundant)不断电电源供应系
统，使得负载受到周密的保护且整体电源供应系统的可靠性得以提高。
图1显示一种公知的1+1并联冗余不断电电源供应系统。图1所示的1+1
并联冗余不断电电源供应系统包含一第一不断电电源供应器UPS-1与一第
二不断电电源供应器UPS-2。第一不断电电源供应器UPS-1与第二不断电电
源供应器UPS-2组态设定为以相同的电路来配置，其中两者皆分别包含一滤
波器/电路断路器11，21，一整流器12，22，一控制开关13，23，一逆变器14，24，
一输出电路断路器15，25，一旁路电路16，26，一电池17，27，以及一控制器
18，28。第一不断电电源供应器UPS-1与第二不断电电源供应器UPS-2连接
至一电源输入端(inlet)100以便耦接至一输入交流电源，以及一分布型电源
网络的一电源输出端(outlet)101以便耦接至一负载。图1所示的每个不断
电电源供应器的运作说明如下。滤波器/电路断路器11，21经由电源输入端
100自一输入交流电源接收一输入交流电，并且将输入交流电滤波成一滤波
交流电。整流器12，22将滤波交流电转换成具有一预定电压电平的直流电。
控制开关13，23自整流器12，22接收直流电并同样地自电池17，27接收一直流
电。控制器18，28会决定自整流器12，22所接收的直流电是否在一预定的宽
限范围(tolerance)内。若自整流器12，22所接收的直流电落入一预定的宽限
范围内，那么接着控制器18，28会控制控制开关13，23提供来自整流器12，22
的直流电给逆变器14，24。若自整流器12，22所接收的直流电并未落入一预定
的宽限范围内，其可能是因为电源中断(power outage)或是电源浪涌
(power surge)的缘故所产生，控制器18，28会控制控制开关13，23提供来自
电池17，27的直流电给逆变器14，24。逆变器14，24在控制器18，28的控制之
下接收一直流电，并且将直流电转换成一交流电，并且依序将交流电调节至
预定的规格。输出电路断路器15，25用来提供负载与不断电电源供应器模块
之间的电性隔离。旁路电路16，26连接于不断电电源供应系统的电源输入端
100及电源输出端101之间。在一不断电电源供应器模块的内部发生故障的
情形下，电源供应改变至旁路电路16，26以便使输入交流电源直接耦合至负
载。在某些例子中，整流器12，22可包含一电池充电电路，用以在正常的情
形下提供电力电源来对电池17，27充电，并且控制器18，28可将不断电电源
供应器模块的运作状态信息传送给一使用者，其可在本地端通过指示器或显
示装置，或在远程通过与一外部监视装置相通信来传送给使用者。
在正常的情形下，不断电电源供应器模块的其中之一作为一主要不断电
电源供应器模块以提供紧急负载电源，而另一个作为一备用不断电电源供应
器模块。在紧急的情形下，当输入交流电源故障(断电或电力不足)时，整流
器12，22皆会关闭并且逆变器14，24持续使用电池17，27供应电力给负载。当
来自输入交流电源的输入交流电在电池完全放电之前回复时，整流器12，22
自动开始提供电源给逆变器14，24并对电池17，27充电。
然而在图1的电路组态中，每个不断电电源供应器模块包含一个独立的
电池。当任何一台不断电电源供应器模块的逆变器故障时，与其相关联的电
池便无法为其它不断电电源供应器模块所使用。这将会造成能量使用上的浪
费及空间应用上的无效。为了消除此种不利的因素，使用一个由不断电电源
供应器模块所共享的共享电池的不断电电源供应系统便因此而提出，以提供
电池的最大效益。
请参照图2，具有共享电池的一公知并联冗余不断电电源供应系统显示
于图中。如图2所示，并联冗余不断电电源供应系统的电路设置与图1相似，
不同之处在于一个共享电池30设置于一第一不断电电源供应器UPS-1与一
第二不断电电源供应器UPS-2之间。共享电池30的导入可大幅减少电池的
放电速率及延长备份时间。再者，其会提高不断电电源供应系统的可靠性。
由于具有并联冗余与共享电池设置的组合，图2的并联冗余不断电电源供应
系统具有模块冗余的效益，意即，整流器12可馈送电源给逆变器24。并且
具有共享电池的并联冗余不断电电源供应系统可大幅增加不断电电源供应
器模块的平均故障时间(mean time between failure，MTBF)。
然而，公知的不断电电源供应系统会因为内部的不断电电源供应器模块
的输入电流之间的不平衡而承受某些缺点。请参照图1，在图中第一不断电
电源供应器模块与第二不断电电源供应器模块经由一开关Q6而互相连接。
在正常的情形下，开关Q6为开启使得个别的电池会经由整流器/充电器12，22
来分别充电。在此时整流器/充电器12，22并未与一分布型电源网络相并联，
因此不会引起在不断电电源供应系统中不平衡的输入电流的问题。在紧急的
情形下，开关Q6为关闭且整流器/充电器12，22经由分布型电源网络连接在
一起，电池17，27开始提供直流电源给逆变器14，24以便产生备用交流电源
给负载。因为输入交流电源无法提供输入交流电给不断电电源供应器模块，
便不会引起在不断电电源供应系统中不平衡的输入电流的问题。然而，如上
所述的这种组态具有电源电力的使用无效率，以及花费在电池的昂贵制造成
本的负面因素。
请参见图2，在正常的情形下，控制开关13，23皆为导通且共享电池30
经由不断电电源供应器模块的其中之一来充电。因为每个不断电电源供应器
模块的输入阻抗彼此不同，不断电电源供应器模块的输入电流会变的不平
衡。不平衡的输入电流会对整流器/充电器12，22造成严重的问题，例如，整
流器/充电器12，22可能会过载(overloaded)并且使用于其中的半导体组件
可能会因会过热的缘故而具有较短的寿命周期。
鉴于前述问题，便有发展一种使用一共享电池且具有在与其相关联的备
用电源供应器模块间提供输入电流平衡功能的紧急电源供应系统的趋势。
发明内容
本发明的一第一目的在于提供一种使用一共享电池的紧急电源供应系
统，其在与其相关联的备用电源供应器模块间提供输入电流平衡功能。
本发明的一第二目的在于提供一种在使用一共享电池的紧急电源供应
系统中完成输入电流平衡的方法。
本发明的第一目的是以一紧急电源供应系统来达到，其中该紧急电源供
应系统包含一电源输入端，耦接至一输入电源，多个备用电源供应模块，耦
接至该电源输入端以产生一备用电源，一共享电池，连接至上述多个备用电
源供应模块，一电源输出端，耦接至上述多个备用电源供应模块以提供该备
用电源给一负载，并且其中每个上述多个备用电源供应模块包含一输入电流
平衡器，用以收集与上述多个备用电源供应模块相关的一运作状态信息，并
且根据运作状态信息的一平均值使得多个备用电源供应模块相关的输入电
流彼此相等。
本发明的一第二目的是由提供一种使用于包含多个备用电源供应模块
的一紧急电源供应系统中的输入电流平衡方法来完成。本发明所提出的输入
电流平衡方法是由多个步骤来实现，包含：(a)收集上述多个备用电源供应模
块的一运作状态信息，(b)产生该运作状态信息的一平均值，(c)通过将该运
作状态信息的平均值与其备用电源供应模块相关联的一运作状态信息相比
较，而产生一差异值，(d)根据一预定比例将该差异值给放大，(e)根据一放
大的差异值产生一整流控制信号，来控制在其备用电源供应模块内部的一电
源转换装置的开关运作。
本发明通过导入输入电流平衡器，存在于公知的不断电电源供应系统中
的不平衡输入电流的缺点，且起因于其中的不断电电源供应器之间的不同输
入阻抗，便可完全消除，并且设置于不断电电源供应器中的整流器可受到安
全的保护以免受到整流器过载的问题。
附图说明
图1显示公知并联冗余不断电电源供应系统。
图2显示公知使用一共享电池的并联冗余不断电电源供应系统。
图3显示根据本发明的一典型实施例的具有输入电流平衡功能的并联冗
余紧急电源供应系统。
图4显示根据本发明的一典型实施例的具有输入电流平衡功能的热插拔
紧急电源供应系统。
图5显示用来实现根据本发明的一第一较佳实施例的输入电流平衡方法
的系统的可能布局。
图6显示用来实现根据本发明的一第二较佳实施例的输入电流平衡方法
的系统的可能布局。
其中，附图标记说明如下：
100 电源输入端 101 电源输出端
11，21 滤波器/电路断路器 12，22 整流器
13，23 控制开关 14，24 逆变器
15，25 输出电路断路器 16，26 旁路电路
17，27 电池 18，28 控制器
30 共享电池 41，42 通信接口
43，44 输入电流平衡器 51 平均输入电流产生器
52 加法-减法器 53 量值放大器
54 输入电流 61 平均输入功率产生器
62 加法-减法器 63 量值放大器
64 输入功率
121 整流器的输出电压稳压器
具体实施方式
根据本发明的一个典型实施例的一紧急电源供应系统的一般配置描述
于图3与图4，其中图3显示以并联冗余运作为基础的紧急电源供应系统，
并且图4显示以热插拔运作(hot swappable operation)为基础的紧急电源供应
系统。图4所示的紧急电源供应系统称为热插拔不断电电源供应系统(hot
swappable UPS system)，其中设置于内部的不断电电源供应器模块的其中之
一作为用来供应电源给一敏感负载的一主要电源供应器，然而其它的不断电
电源供应器模块作为一冗余电源供应器。如图4所示的热插拔不断电电源供
应系统可允许主要不断电电源供应器模块在不断电电源供应系统运作时进
行更换。
请参见图3与图4，图3或图4的根据本典型实施例的紧急电源供应系
统包含与图2的不断电电源供应系统具有高度相似性的内部电路。例如，图
3或图4的每个备用电源供应模块包含经由一电源输入端100自一输入交流
电源接收一输入交流电并将输入交流电滤波成一滤波交流电的一滤波器/电
路断路器11，21，将滤波交流电转换成具有一预定电压电平的一直流电的整
流器12，22，自整流器12，22接收直流电并且同样地从一共享电池30接收一
直流电的一控制开关13，23，决定由整流器12，22所接收的直流电是否在一预
定的宽限范围内的一控制器18，28，在控制器18，28的控制之下接收一直流电
并将直流电转换成一交流电的逆变器14，24，提供负载与备用电源供应器模
块之间的电性绝缘的一输出电路断路器15，25，在备用电源供应器模块故障
的情形下将提供给负载的电源供应自备用电源供应器模块切换到输入交流
电源的一旁路电路16，26，以及提供直流电源至逆变器14，24的一共享电池
30。除此之外，在图3与图4的紧急电源供应系统内部的每个备用电源供应
器模块包含一通信接口41，42，其耦接至控制器18，28且传送与其相关联的备
用电源供应器模块的运作状态信息，例如，输入电源、输入功率至其它的备
用电源供应器模块，使得备用电源供应器模块得以彼此互相交换他们的运作
状态信息。再者，在图3与图4的紧急电源供应系统内部的每个备用电源供
应器模块包含一输入电流平衡器43，44，其耦接于通信接口41，42以及整流器
12，22之间。输入电流平衡器43，44的主要功能在于根据由通信接口41，42所
收集的运作状态资料的一平均值，来使得备用电源供应器模块的输入电流彼
此相等。至于输入电流平衡器43，44的拓朴组态及运作原理，将会在下文中
详细说明。
请参见图5，根据本发明的一第一实施例说明用来完成输入电流平衡方
法的系统的可能布局的例子。在图5中，输入电流平衡器43，44包含一平均
输入电流产生器51，其自多个备用电源供应器模块收集运作状态据，意即多
个备用电源供应器模块的输入电流，并且通过将多个备用电源供应器模块的
输入电流加总，以及将输入电流的总和除以多个备用电源供应器模块的个数
来计算出一平均输入电流IAVG。所计算出的平均输入电流IAVG接着通过耦接
至平均输入电流产生器51的一加法-减法器52与其相关的备用电源供应器模
块的一输入电流IN相比较，以便产生一差异输入电流(differential input
current)IDIF。差异输入电流接着由耦接至加法-减法器52的一量值放大器53
根据一预定比例来放大，其中该量值放大器53通常是由一比例积分微分
(PID(proportional-integral and derivative)控制器来实现。所放大的差异输入
电流IAMPDIF接着反馈至整流器12，22的输出电压稳压器121。整流器12，22
的输出电压稳压器121为组态设定以根据放大的差异输入电流IAMPDIF来产生
一整流控制信号，并且利用该整流控制信号来控制整流器12，22的开关操作。
因此整流器12，22的输出直流电压得以受到控制使得多个备用电源供应器模
块的输入电流可以自动地互相平衡。
请参见图6的说明，根据本发明的一第二实施例说明用来完成输入电流
平衡方法的系统的可能布局的例子。如图6所示用来完成输入电流平衡的系
统类似于图5，然而，如图6所示的系统使用一平均输入功率产生器61，其
收集多个备用电源供应器模块的输入功率的信息，并且通过将多个备用电源
供应器模块的输入功率的信息加总及将输入功率的信息的总和除以备用电
源供应器模块的数目，而产生一平均输入功率PAVG。平均输入功率PAVG接
着通过耦接至平均输入功率产生器61的一加法-减法器62与其相关的一备用
电源供应器模块的输入功率PN相比较，以便产生一差异输入功率
(differential input power)PDIF。差异输入功率PDIF接着根据一预定比例由耦接
至加法-减法器62的一量值放大器63来放大，其中该量值放大器63通常是
由一比例积分微分(PID(proportional-integral and derivative)控制器来实现。
放大的差异输入功率PAMPDIF接着反馈至整流器12的一输出电压稳压器121。
整流器12的输出电压稳压器121组态设定为根据放大的差异输入功率
PAMPDIF来产生一整流控制信号，以控制整流器12的开关运作。因此整流器
12的输出直流电压便会受到控制，使得多个备用电源供应器模块的输入电流
自动达到互相平衡。
总的来说，本发明提供一种使用一共享电池的紧急电源供应系统，其能
够将内部的多个备用电源供应器模块的输入电流自动达成平衡，并且提供一
种完成这种技术的方法。在此所提出的用来平衡紧急电源供应系统的输入电
流的架构是基于一输入电流平衡器，其能够收集多个备用电源供应器模块的
输入电流或输入功率，将输入电流或输入功率求取平均值而产生平均输入电
流或平均输入功率，通过估算平均输入电流或平均输入功率与其相关联的备
用电源供应器的输入电流或输入功率的差值，来产生差动输入电流或差动输
入功率，以及使得一整流器的输出电压稳压器产生一整流控制信号来控制整
流器的开/关运作。通过导入输入电流平衡器，存在于公知的不断电电源供应
系统中的不平衡输入电流的缺点，且起因于其中的不断电电源供应器之间的
不同输入阻抗，便可完全消除，并且设置于不断电电源供应器中的整流器可
受到安全的保护以免受到整流器过载的问题。
本发明已由上述的实施例详细叙述而可由熟悉本领域的技术人员进行
诸般修饰，但皆不脱离权利要求所保护的范围。