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TWI741819B - 電源供應裝置及其電源供應方法 - Google Patents

電源供應裝置及其電源供應方法 Download PDF

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TWI741819B
TWI741819B TW109134281A TW109134281A TWI741819B TW I741819 B TWI741819 B TW I741819B TW 109134281 A TW109134281 A TW 109134281A TW 109134281 A TW109134281 A TW 109134281A TW I741819 B TWI741819 B TW I741819B
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梁維綱
王郁凱
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美律實業股份有限公司
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Abstract

一種電源供應裝置及其電源供應方法。依據交流電源提供給負載的該負載功率調整交流電源提供給充電電路的充電功率，以使交流電源的總輸出功率維持在預設總功率以下。交流電源的總輸出功率等於負載功率與充電功率的和。

Description

電源供應裝置及其電源供應方法
本發明是有關於一種電源裝置，且特別是有關於一種電源供應裝置及其電源供應方法。
一般離線式儲能產品如不斷電系統（Uninterruptible Power Supply，UPS）/光伏逆變器(PV inverter)，由於硬體限制下，倘若要增加輸入/輸出功率，則硬體電路中的功率元件須選用更高額定功率，使其成本增加。若以短暫過載輸出的方式提供功率，將導致溫度上昇而只能短時間的提供電能，因此無法長時間地輸出負載所需的電能。
本發明提供一種電源供應裝置及其電源供應方法，可有效節省硬體成本並提高功率使用效率。
本發明的電源供應裝置包括電池模組、充電電路以及控制電路。充電電路耦接電池模組與交流電源，其中交流電源提供充電功率給充電電路並提供負載功率給負載，充電電路對電池模組進行充電。控制電路耦接充電電路，控制電路依據交流電源提供給負載的負載功率控制充電電路調整交流電源提供給充電電路的充電功率，以使交流電源的總輸出功率維持在預設總功率以下，其中交流電源的總輸出功率等於負載功率與充電功率的和。
在本發明的一實施例中，上述的控制電路依據在交流電源的最近半個週期時間內以取樣頻率取樣負載功率所得到的多個取樣負載即時功率，計算負載平均功率，並依據負載平均功率與預設功率的比較結果調整充電功率。
在本發明的一實施例中，當負載平均功率大於預設功率時，控制電路降低充電功率，以使交流電源的總輸出功率維持在預設總功率以下。
在本發明的一實施例中，上述的負載平均功率的更新頻率等於取樣頻率。
在本發明的一實施例中，上述的控制電路於充電功率低於預設充電功率時，將充電功率設定為預設充電功率。
在本發明的一實施例中，上述的電源供應裝置，還包括電源轉換電路，其耦接電池模組，在交流電源異常時將電池模組提供的直流電壓轉換為交流電壓而對負載進行供電。第一開關電路耦接控制電路、電源轉換電路與負載。第二開關電路耦接控制電路、交流電源與負載，其中控制電路於負載功率大於預設總功率時，關斷第一開關電路與第二開關電路。
本發明還提供一種電源供應裝置的電源供應方法包括下列步驟。偵測交流電源提供給負載的負載功率以及提供給充電電路的充電功率。依據交流電源提供給負載的該負載功率調整交流電源提供給充電電路的充電功率，以使交流電源的總輸出功率維持在預設總功率以下，且交流電源的總輸出功率等於負載功率與充電功率的和，其中充電電路用以對電池模組進行充電。
在本發明的一實施例中，上述的電源供應裝置的電源供應方法包括下列步驟。在交流電源的最近半個週期時間內以取樣頻率取樣負載功率，以得到的多個取樣負載即時功率。依據上述多個取樣負載即時功率計算負載平均功率。依據負載平均功率與一預設功率的比較結果調整充電功率。
在本發明的一實施例中，上述的電源供應裝置的電源供應方法包括，當負載平均功率大於預設功率時，降低充電功率，以使交流電源的總輸出功率維持在預設總功率以下。
在本發明的一實施例中，上述的負載平均功率的更新頻率等於取樣頻率。
在本發明的一實施例中，上述的電源供應裝置的電源供應方法包括，於充電功率低於預設充電功率時，將充電功率設定為預設充電功率。
在本發明的一實施例中，上述的交流電源經由開關電路對負載進行供電，電源供應裝置的電源供應方法包括，於負載功率大於預設總功率時，切斷開關電路。
基于上述，本發明的實施例依據交流電源提供給負載的負載功率調整交流電源提供給充電電路的充電功率，以使交流電源的總輸出功率維持在預設總功率以下，如此可在不提高硬體成本的情形下，滿足負載所需的負載功率，提高功率使用效率，並可避免以過載輸出的方式提供功率而使溫度上昇，進而可較長時間地輸出負載所需的電能。
圖1是依照本發明的實施例的一種電源供應裝置的示意圖，請參照圖1。電源供應裝置100可包括電池模組102、充電電路104、控制電路106，其中電池模組102耦接充電電路104與控制電路106，充電電路104耦接控制電路106與交流電源108，交流電源108耦接負載110。交流電源108可提供充電功率PCH給充電電路104並提供負載功率PL給負載110。充電電路104可對電池模組102進行充電。控制電路106則可依據交流電源108提供給負載110的負載功率PL控制充電電路104調整交流電源108提供給充電電路104的充電功率PCH，例如可使交流電源108的總輸出功率維持在預設總功率以下。舉例來說，如圖2所示，在交流電源108的總輸出功率等於負載功率PL與充電功率PCH的和的情形下，當負載功率PL提高至大於預設功率PLR時，控制電路106可降低充電功率PCH，例如當負載功率PL提高至負載功率PLMAX時，負載功率PLMAX與預設功率PLR間的相差功率值PD，而此時充電功率PCH對應地被控制電路106降至預設充電功率PCMIN，而與最大充電功率PCMAX相差功率值PD，亦即將降低的充電功率PCH提供作為負載功率PL使用。如此可使負載功率PL與充電功率PCH的和維持在固定值(例如預設總功率)，如此便可滿足負載110對於負載功率PL的需求，並且使交流電源108的總輸出功率不超過預設總功率，進而達到節省硬體成本並提高功率使用效率的目的。
其中預設充電功率PCMIN為使充電電路104正常運作所需的最小功率值，在部份實施例中，預設充電功率PCMIN亦可為0，負載功率PLMAX則為交流電源108的總輸出功率扣除預設充電功率PCMIN後，在不過載輸出的情形下可提供給負載110的最大負載功率，亦即當控制電路106將充電功率PCH降低至低於預設充電功率PCMIN時，控制電路106將會把充電功率PCH設定為預設充電功率PCMIN，以確保充電電路104可正常運作，避免影響電池模組102的充電進度。
進一步來說，控制電路106可依據在交流電源108的最近半個週期時間內以固定的取樣頻率取樣負載功率PL所得到的多個取樣負載即時功率，來計算負載平均功率，並依據負載平均功率與預設功率PLR的比較結果調整充電功率PCH，亦即控制電路106最久僅需半個週期時間即可進行充電功率PCH的調整，而可有效率地穩定交流電源108的總輸出功率。舉例來說，圖3是依照本發明的實施例的一種對交流電源輸出至負載的電壓及電流取樣的示意圖，請參照圖3。控制電路106可以固定頻率(例如10kHz)對交流電源108輸出至負載的電壓v(t)及電流i(t)取樣，例如在週期時間T1內以固定頻率對電壓v(t)及電流i(t)取樣而得到多個取樣電壓v0~vh-1以及多個取樣電流i0~ih-1，週期時間T1內的負載平均功率PAV1可以下述式(1)計算得到，其中週期時間T1為電壓v(t)及電流i(t)的週期長度的1/2。
Figure 02_image001
(1)
其中h為交流電源半個週期長度內的取樣數量。控制電路106可依據負載平均功率PAV1與預設功率PLR的比較結果調整充電功率PCH，例如當負載平均功率PAV1大於預設功率PLR時，控制電路106可降低充電功率PCH，以使交流電源108的總輸出功率維持在預設總功率以下，充電功率PCH的詳細調整方式已於上述實施例說明，因此在此不再贅述。值得注意的是，控制電路106可以與電壓v(t)及電流i(t)的取樣頻率相同的頻率來更新負載平均功率，並依據更新後的負載平均功率與預設功率PLR的比較結果來調整充電功率PCH，如此可快速地反應負載功率PL的變化而調整充電功率PCH，而大幅地提高功率使用效率。
舉例來說，在圖3實施例中，控制電路106可在週期時間T2內以固定頻率(例如10kHz)對電壓v(t)及電流i(t)取樣而得到多個取樣電壓v1~vh以及多個取樣電流i1~ih，其中週期時間T2在時間軸上相對於週期時間T1位移了時間Δt，時間Δt可等於取樣頻率(10kHz)的倒數。類似地，週期時間T2內的負載平均功率PAV2可以下述式(2)計算得到，其中週期時間T2亦為電壓v(t)及電流i(t)的週期長度的1/2。
Figure 02_image003
(2)
控制電路106可依據負載平均功率PAV2與預設功率PLR的比較結果調整充電功率PCH。如此每隔時間Δt便進行充電功率PCH的調整，可避免因負載功率PL在短時間內急遽變化，造成控制電路106來不及調整充電功率PCH，因此可具有高功率使用效率。
圖4是依照本發明另一實施例的電源供應裝置的示意圖，請參照圖4。在本實施例中，電源供應裝置100還可包括電源轉換電路402以及開關電路404、406，其中電源轉換電路402耦接電池模組102、控制電路106以及開關電路404，開關電路404耦接控制電路106以及負載110，開關電路406則耦接交流電源108、控制電路106以及負載110。電源轉換電路402在交流電源108異常時，可將電池模組102提供的直流電壓轉換為交流電壓而對負載110進行供電，控制電路106可於負載功率PL大於預設總功率時，關斷開關電路404與開關電路406，以執行過載保護。本實施例的控制電路106也可如上述實施例般依據交流電源108提供給負載110的負載功率PL控制充電電路104調整交流電源108提供給充電電路104的充電功率PCH，其詳細實施方式類似上述實施例，因此在此不再贅述。
圖5是依照本發明實施例的一種電源供應裝置的電源供應方法的流程圖，請參照圖5。由上述實施例可知，電源供應裝置的電源供應方法可包括下列步驟。首先，偵測交流電源提供給負載的負載功率以及提供給充電電路的充電功率(步驟S502)。接著，依據交流電源提供給負載的負載功率調整交流電源提供給充電電路的充電功率，以使交流電源的總輸出功率維持在預設總功率以下(步驟S504)，其中交流電源的總輸出功率可等於負載功率與充電功率的和，充電電路用以對電池模組進行充電。在部份實施例中，充電功率須維持在預設充電功率以上，以維持充電電路的正常運作，也就說，當充電功率被降低至小於預設充電功率時，仍將充電功率設定為預設充電功率。此外，在其他實施例中，電源供應裝置在對負載的供電路徑上還可設置開關電路，當負載功率大於預設總功率時，可透過切斷開關電路以停止供電給負載，執行過載保護。
圖6是依照本發明另一實施例的電源供應裝置的電源供應方法的流程圖，請參照圖6。在本實施例中，可依據交流電源的最近半個週期時間內的負載平均功率調整充電功率，本實施例的電源供應裝置的電源供應方法可包括下列步驟。首先，在交流電源的最近半個週期時間內以一取樣頻率取樣負載功率，以得到的多個取樣負載即時功率(步驟S602)。接著，依據所述多個取樣負載即時功率計算負載平均功率(步驟S604)。然後再依據負載平均功率與預設功率的比較結果調整充電功率(步驟S606)。例如當負載平均功率大於預設功率時，可降低充電功率，以使交流電源的總輸出功率維持在預設總功率以下。其中負載平均功率的更新頻率可等於取樣頻率，如此可快速地反應負載功率的變化而調整充電功率，大幅地提高功率使用效率。
圖7是依照本發明另一實施例的電源供應裝置的電源供應方法的流程圖，請參照圖7。本實施例的電源供應裝置的電源供應方法可包括下列步驟。首先，判斷交流電源提供給負載的負載功率是否大於預設總功率(步驟S702)，若負載功率大於預設總功率，則執行過載保護(步驟S704)，例如可停止供電給負載。若負載功率未大於預設總功率，則接著判斷交流電源提供給負載的負載功率是否大於預設功率(步驟S706)。若負載功率未大於預設功率，可將交流電源提供給充電電路的充電功率設定為最大充電功率(步驟S708)，以使充電電路可以最有效率的方式對電池模組進行充電，其中最大充電功率小於預設功率。若負載功率大於預設功率，可降低交流電源提供給充電電路的充電功率(步驟S710)，以使交流電源可提高提供給負載的負載功率，在不使交流電源的總輸出功率超出預設總功率的情形下提供負載所需的電能。然後，判斷交流電源提供給充電電路的充電功率是否小於預設充電功率(步驟S712)。若充電功率未小於預設充電功率，結束電源供應方法的流程。若充電功率小於預設充電功率，則將充電功率設定為預設充電功率(步驟S714)，以提供充電電路正常運作所需的電能。
綜上所述，本實施例的依據交流電源提供給負載的負載功率調整交流電源提供給充電電路的充電功率，以使交流電源的總輸出功率維持在預設總功率以下，如此可在不提高硬體成本的情形下，滿足負載所需的負載功率，提高功率使用效率，並可避免以過載輸出的方式提供功率而使溫度上昇，進而可較長時間地輸出負載所需的電能。在部份實施例中，可依據在交流電源的最近半個週期時間內以固定的取樣頻率取樣負載功率所得到的多個取樣負載即時功率，來計算負載平均功率，並依據負載平均功率與預設功率的比較結果調整充電功率，以快速有效率地穩定交流電源的總輸出功率。
100:電源供應裝置
102:電池模組
104:充電電路
106:控制電路
108:交流電源
110:負載
402:電源轉換電路
404、406:開關電路
PCH:充電功率
PL:負載功率
PLR:預設功率
PLMAX:負載功率
PD:功率差值
PCMIN:預設充電功率
PCMAX:最大充電功率
v(t):電壓
i(t):電流
T1、T2:週期時間
v0~vh:取樣電壓
i0~ih:取樣電流
PAV1、PAV2:負載平均功率
Δt:時間
S502~S504、S602~S606、S702~S714:電源供應裝置的電源供應方法步驟
圖1是依照本發明實施例的一種電源供應裝置的示意圖。 圖2是依照本發明實施例的一種負載功率與充電功率的示意圖。 圖3是依照本發明的實施例的一種對交流電源輸出至負載的電壓及電流取樣的示意圖。 圖4是依照本發明另一實施例的電源供應裝置的示意圖。 圖5是依照本發明實施例的一種電源供應裝置的電源供應方法的流程圖。 圖6是依照本發明另一實施例的電源供應裝置的電源供應方法的流程圖。 圖7是依照本發明另一實施例的電源供應裝置的電源供應方法的流程圖。
100:電源供應裝置
102:電池模組
104:充電電路
106:控制電路
108:交流電源
110:負載
PCH:充電功率
PL:負載功率

Claims (10)

  1. 一種電源供應裝置，包括：一電池模組；一充電電路，耦接該電池模組與一交流電源，其中該交流電源提供一充電功率給該充電電路並提供一負載功率給一負載，該充電電路對該電池模組進行充電；以及一控制電路，耦接該充電電路，該控制電路依據該交流電源提供給該負載的該負載功率控制該充電電路調整該交流電源提供給該充電電路的該充電功率，以使該交流電源的總輸出功率維持在一預設總功率以下，該控制電路並於該充電功率低於一預設充電功率時，將該充電功率設定為該預設充電功率，其中該交流電源的總輸出功率等於該負載功率與該充電功率的和。
  2. 如請求項1所述的電源供應裝置，其中該控制電路依據在該交流電源的最近半個週期時間內以一取樣頻率取樣該負載功率所得到的多個取樣負載即時功率，計算一負載平均功率，並依據該負載平均功率與一預設功率的比較結果調整該充電功率。
  3. 如請求項2所述的電源供應裝置，其中當該負載平均功率大於該預設功率時，該控制電路降低該充電功率，以使該交流電源的總輸出功率維持在該預設總功率以下。
  4. 如請求項2所述的電源供應裝置，其中該負載平均功率的更新頻率等於該取樣頻率。
  5. 如請求項1所述的電源供應裝置，還包括： 一電源轉換電路，耦接該電池模組，在該交流電源異常時，將該電池模組提供的一直流電壓轉換為一交流電壓而對該負載進行供電；一第一開關電路，耦接該控制電路、該電源轉換電路與該負載；以及一第二開關電路，耦接該控制電路、該交流電源與該負載，其中該控制電路於該負載功率大於該預設總功率時，關斷該第一開關電路與該第二開關電路。
  6. 一種電源供應裝置的電源供應方法，包括：偵測一交流電源提供給一負載的一負載功率以及提供給一充電電路的一充電功率；以及依據該交流電源提供給該負載的該負載功率調整該交流電源提供給該充電電路的該充電功率，以使該交流電源的總輸出功率維持在一預設總功率以下，且該交流電源的總輸出功率等於該負載功率與該充電功率的和，並於該充電功率低於一預設充電功率時，將該充電功率設定為該預設充電功率，其中該充電電路用以對一電池模組進行充電。
  7. 如請求項6所述的電源供應裝置的電源供應方法，包括：在該交流電源的最近半個週期時間內以一取樣頻率取樣該負載功率，以得到的多個取樣負載即時功率；依據該些取樣負載即時功率計算一負載平均功率；以及 依據該負載平均功率與一預設功率的比較結果調整該充電功率。
  8. 如請求項7所述的電源供應裝置的電源供應方法，包括：當該負載平均功率大於該預設功率時，降低該充電功率，以使該交流電源的總輸出功率維持在該預設總功率以下。
  9. 如請求項7所述的電源供應裝置的電源供應方法，其中該負載平均功率的更新頻率等於該取樣頻率。
  10. 如請求項6所述的電源供應裝置的電源供應方法，其中該交流電源經由一開關電路對該負載進行供電，該電源供應裝置的電源供應方法包括：於該負載功率大於該預設總功率時，切斷該開關電路。
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