CN103053107A - 用于输出电能的多相换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于输出电能的换能器，其具有多个转换器支路(90-1、90-2、90-3)，每条转换器支路(90-1、90-2、90-3)至少包括第一转换器单元模块(70-1、70-2)和第二转换器单元模块(80-1、80-2)，其中所述第一和第二转换器单元模块(70-1、70-2；80-1、80-2)分别包括至少一个转换器单元(11)和耦合单元(30、50)，其中所述至少一个转换器单元(11)连接在所述耦合单元(30、50)的第一输入端(31、51)和第二输入端(32、52)之间，并且所述耦合单元(30、50)被构造为响应于第一控制信号在所述转换器单元模块(70-1、70-2；80-1、80-2)的第一端子(41、61)和所述转换器单元模块(70-1、70-2；80-1、80-2)的第二端子(42、62)之间连接所述至少一个转换器单元(11)并且响应于第二控制信号将所述第一端子(41、61)与所述第二端子(42、62)连接，其特征在于，所述第一转换器单元模块(70-1、70-2)的所述至少一个转换器单元(11)以第一极性连接在所述各自的第一转换器单元模块(70-1、70-2)的所述耦合单元(30、50)的所述第一输入端(31、51)和所述第二输入端(32、52)之间，并且所述第二转换器单元模块(80-1、80-2)的所述至少一个转换器单元(11)以与所述第一极性相反的第二极性连接在所述各自的第二转换器单元模块(80-1、80-2)的所述耦合单元(30、50)的所述第一输入端(31、51)和所述第二输入端(32、52)之间。此外，本发明涉及具有这样的换能器的机动车以及用于为电驱动系统供电的方法。

Description

用于输出电能的多相换能器
技术领域
本发明涉及用于输出电能的换能器、具有这样的换能器的机动车以及用于为电驱动系统供电的方法。
背景技术
在将来，无论在静态的应用还是在诸如混合动力车辆和电动车辆的车辆中，将应用更多的蓄电池系统。为了能够满足针对各应用给出的对电压以及所能够提供的功率的要求，串联了较高数量的蓄电池单元。因为由一个这样的蓄电池提供的电流必须流过所有的蓄电池单元，并且一个蓄电池单元仅能够导通受限的电流，因此通常还附加地并联连接蓄电池单元，以便提高最大电流。这能够通过在蓄电池单元罩壳内设置更多的单元包(Zellwickeln)或通过外部连接蓄电池单元来实现。
在图1中示出了常见的电驱动系统的原理电路图，电驱动系统应用在诸如电动车辆和混合动力车辆中或者也应用在静态应用(例如风力发电装置的转动叶片调节)中。蓄电池110连接至直流中间电路，该直流中间电路由电容器111缓冲保护。脉冲逆变器112连接至直流中间电路，该脉冲逆变器112通过两个可接通的半导体阀和两个二极管在三个输出端上分别提供相对彼此相位移位的正弦电压，以用于驱动电驱动电机113。电容器111的电容必须足够大，以便使直流中间电路中的电压稳定一时间段，在该时间段内接通可接通的半导体阀中的一个。在实际的应用中，诸如在电动车辆中，高电容位于mF范围内。因为直流中间电路的电压通常相当高，只有在高成本并且以大的空间要求的情况下才能够实现这样大的电容。
图2在具体的方框电路图中示出了图1的蓄电池110。多个蓄电池单元串联连接，并可选地附加地并联连接，以实现对于各应用所期望的高的输出电压和蓄电池容量。在蓄电池单元的正极和蓄电池正端子114之间连接了负载装置和分隔装置116。可选地，能够附加地在蓄电池单元的负极和蓄电池负端子115之间连接分隔装置117。分隔装置和负载装置116和分隔装置117分别包括保护继电器118和119，其被设置为用于将蓄电池单元与蓄电池端子分开，从而不带电压地连接蓄电池端子。否则，由于串联连接的蓄电池单元的高直流电压，对维护人员或类似的人将产生相当的危险电势。在负载装置和分隔装置116中附加地设置有负载保护继电器120和与负载保护继电器120串联连接的负载电阻121。如果蓄电池连接到直流中间电路，则负载电阻121限制电容器111的充电电流。在此，首先断开保护继电器118，并仅闭合负载保护继电器120。如果在蓄电池正端子114上的电压达到蓄电池单元的电压，则能够闭合保护继电器119，并且必要时断开负载保护继电器120。保护继电器118、119和负载保护继电器120明显提高了蓄电池110的成本，因为对其可靠性和对由其导通的电流的提出高的要求。
目前，在本文献中的蓄电池和蓄电池单元将描述为典型的电化学换能器，同时也能够指其他种类的换能器。该文中尤其包括诸如太阳能蓄电池的光电换能器。
发明内容
因此，依据本发明引入了一种用于输出电能的换能器。所述换能器具有多个转换器支路，其中每条转换器支路包括至少一个第一转换器单元模块和第二转换器单元模块。所述转换器单元模块分别包含至少一个转换器单元和耦合单元。所述转换器单元模块的至少一个转换器单元连接在所述耦合单元的第一输入端和第二输入端之间且所述耦合单元被构造为响应于第一控制信号在所述转换器单元模块的第一端子和所述转换器单元模块的第二端子之间连接所述至少一个转换器单元并且响应于第二控制信号将所述的第一端子与所述第二端子连接。依据本发明，所述第一转换器单元模块的所述至少一个转换器单元以第一极性连接在所述各自的第一转换器单元模块的所述耦合单元的所述第一输入端和所述第二输入端之间，并且所述第二转换器单元模块的至少一个转换器单元以与所述第一极性相反的第二极性连接在所述各自的第二转换器单元模块的所述耦合单元的所述第一输入端和所述第二输入端之间。
所述耦合单元使得一个或多个在所述第一和所述第二输入端之间连接的转换器单元要么耦接到所述耦合单元的第一输出端和第二输出端，从而使得所述转换器单元的电压向外部提供，要么通过连接所述第一输出端和所述第二输出端来桥接所述转换器单元，从而使得从外部可见0V的电压。
以这样的方式，通过简单地激活(在所述耦合单元的输出端可见所述转换器单元的电压)或去激活(所述耦合单元的输出电压为0V)相应数量的转换器单元模块，便能通过对所述串联连接的转换器单元模块的耦合单元的适当的操控来设置所述换能器可变的输出电压。通过在所述换能器内设计具有第一极性的转换器单元模块和具有与所述第一极性相反的第二极性的这样的转换器单元模块，能够生成双极性的所述换能器的输出电压。
本发明有以下优点：其能够承担背景技术中的脉冲逆变器的功能，且使得用于缓冲直流中间电路的缓冲电容器变成多余的并能够省去。因此，本发明的换能器能够直接与以交流电压作为馈电电压前提的电负载连接。
极端情况下，每个转换器单元模块仅包括一个转换器单元或仅包括转换器单元的并联电路。在这种情况下能够最为精细地设置所述换能器的输出电压。在此，如果如在本发明范畴内一般优选的那样将具有单元电压在2.5v至4.2v之间的锂电子蓄电池单元用作转换器单元，那么能够相应地准确设置蓄电池的输出电压。蓄电池的输出电压越可精确地设置，那么电磁兼容性问题也就越小，因为由蓄电池电流引起的具有其高频部分的辐射下降了。然而于此相对的便是较高的电路费用，其由于所使用的大量的开关以及由此带来的在所述耦合单元的开关中的较高的功率损耗所引起。
优选地，所述换能器拥有控制单元，所述控制单元被构造为在第一时间间隔期间将所述第一控制信号输出至所述至少一个第一转换器单元模块且将所述第二控制信号输出至所述至少一个第二转换器单元模块。此外所述控制单元也被构造为在紧随所述第一时间间隔后的第二时间间隔内将所述第二控制信号输出至所述至少一个第一转换器单元模块且将所述第一控制信号输出至所述至少一个第二转换器单元模块，并由此在所述第一时间间隔期间以第一符号设置所述换能器的输出电压且在所述第二时间间隔期间以与所述第一符号相反的第二符号设置所述换能器的输出电压。
如果所述控制单元集成在所述换能器中，那么所述换能器能够自主行动(autark fungieren)并能够生成具有变换的符号的输出电压。
特别优选地，所述每条转换器支路具有多个第一转换器单元模块和多个第二转换器单元模块。此时，所述控制单元能够被构造为设置正弦形式的输出电压。该正弦形式的输出电压允许直接连接部件，该部件开发用于在交流电网上运行。于此相关联地，“正弦形式”也应理解为梯级(stufig)信号，该信号采用尽可能小的误差来近似正弦形式。此时，在所述转换器支路中的所述第一和第二转换器单元模块的数量越多，则输出电压的与幅度相关的等级(Stufe)掉落(ausfallen)越小。
在此，所述控制单元优选地还被构造为以可预先设定的频率设置正弦形式的输出电压。由此可预先设定连接至所述换能器的系统的、与电源电压的频率相关联的参数。也能够简单地将这样的换能器包含到调节系统中，该调节系统能够使所述换能器的输出电压与能量供给网(Energieversorgernetz)的电压同步。
特别优选地，所述耦合单元被构造为为每条转换器支路设置正弦形式的输出电压，其相对于所述各自的其他的转换器支路的所述正弦形式的输出电压是相位偏移的。由于输出电压是相位偏移的，所以所述换能器能够直接连接至电驱动系统或其他的期望所谓的旋转电流的装置。因此，具有正好三条转换器支路的换能器的实施形式是特别优选的。
所述耦合单元能够包括第一输出端并被构造为响应于所述第一控制信号将所述第一输入端或所述第二输入端与所述输出端连接。在此，所述输出端与所述转换器单元模块的端子中的一个端子连接并且第一或第二输入端中的一个输入端与所述转换器单元模块的端子中的另一个端子连接。仅使用两个优选地为诸如MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)或IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的半导体开关便能够实现这样的耦合单元。
替代地，所述耦合单元能够包括第一输出端和第二输出端并被构造为响应于所述第一控制信号将所述第一输入端和所述第一输出端连接且将所述第二输入端和所述第二输出端连接。此时，所述耦合单元还被构造为响应于所述第二控制信号将所述第一输入端从所述第一输出端分离且将所述第二输入端从所述第二输出端分离并且将所述第一输出端与所述第二输出端连接。这种实施形式需要稍高的电路费用(一般为三个开关)，但是实施转换器单元模块的转换器单元能够从其两极去耦。这具有如下优点，即在当转换器单元模块损害时，能够无电压地连接其转换器单元，并由此能够在整个装置持续运行时无危险地更换该转换器单元。
本发明的第二方面涉及一种机动车，其具有用于驱动所述机动车的电驱动电机和与所述电驱动电机连接的、依据第一发明方面所述的换能器。
本发明的第三方面引入了一种用于为电驱动系统供电的方法。所述方法至少包括以下步骤：
a)提供依据第一发明方面所述的换能器；
b)将所述换能器与电驱动系统相连接；以及
c)在第一个时间间隔期间以第一符号设置所述换能器的输出电压且在第二时间间隔期间以与第一符号相反的第二符号设置所述换能器的输出电压。
附图说明
将依据附图及后续的说明进一步阐述本发明，其中相同的附图标记描述相同的或功能上相似的部件。其中：
图1示出了根据背景技术所述的电驱动系统；
图2示出了根据背景技术所述的蓄电池的方框图；
图3示出了用于在依据本发明所述的换能器中使用的耦合单元的第一实施例；
图4示出了耦合单元的第一实施例的可能的电路技术上的实现；
图5和图6示出了具有耦合单元的第一实施形式的转换器单元模块的两种实施形式；
图7示出了用于在依据本发明所述的换能器中使用的耦合单元的第二实施例；
图8示出了耦合单元的第二实施形式的可能的电路技术上的实现；
图9示出了具有耦合单元的第二实施形式的转换器单元模块的实施形式；
图10至13示出了依据本发明所述的换能器的转换器支路(Wandlerstange)的实施形式；
图14示出了依据本发明所述的换能器的实施形式；以及
图15示出了依据本发明所述的换能器的输出电压的时间曲线。
具体实施方式
图3示出了耦合单元30的第一实施例，该耦合单元用于在依据本发明的换能器中使用。该耦合单元30具有两个输入端31和32以及一个输出端33，且被构造为将输入端31或32中的一个与输出端33相连接并且去耦另一个输入端。
图4示出了耦合单元30的第一实施形式的一种可能的电路技术上的实现(Umseztung)，其中设计有第一开关和第二开关35或者36。开关35、36中的每个连接在输入端31或32中的一个和输出端33之间。该实施形式具有以下优点，即两个输入端31、32也能够从输出端33去耦，从而使得输出端33具有高阻抗性，这种特性例如在修理或维护的情况下将是有用的。此外，开关35、36能够简单地实现为半导体开关，如MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)或IGBT(绝缘栅双极型晶体管)。半导体开关具有低廉的价格和高的开关速度的优点，从而使得该耦合单元30能够在短暂的时间内响应控制信号或控制信号的改变并且可达到高的切换率(Umschaltrat)。相较于通过在最大和最小的直流电压(脉冲宽度调制)之间相应地选择占空比产生期望的电压的传统的脉冲逆变器，本发明仍有如下优点，即在耦合单元中所使用的开关的开关频率实质上更低，从而改善电磁兼容性(EMV)并且对开关的要求更低。
图5和6示出了具有耦合单元30的第一实施形式的转换器单元模块40的两种实施形式。在此实施为电化学蓄电池单元的多个转换器单元11在耦合单元30的输入端之间串联连接。例如太阳能蓄电池也能够代替蓄电池单元用作转换器单元。
然而本发明并不仅限于附图中所示出的转换器单元11的串联，与之相反也能够仅设计单个转换器单元11或转换器单元11的并联或混合串并联连接。在图5的示例中，耦合单元30的输出端和第一端子41相连接，且转换器单元11的负极和第二端子42相连接。然而如在图6中的几乎镜面对称的装置(Anordnung)也是可能的，其中转换器单元11的正极和第一端子41相连接，且耦合单元30的输出端和第二端子42相连接。
图7示出了耦合单元50的第二实施形式，该耦合单元用于在依据本发明所述的换能器中使用。该耦合单元50有两个输入端51和52以及两个输出端53和54。该耦合单元被构造为：将第一输入端51与第一输出端53以及第二输入端52与第二输出端54相连接(并且将第一输出端53从第二输出端54去耦)，或者将第一输出端53与第二输出端54相连接(并且此时去耦输入端51和52)。此外，在耦合单元的确定的实施形式中，该耦合单元能够被构造为将两个输入端51、52从输出端53、54分离并且还将第一输出端53从第二输出端54去耦。然而并未设计将第一输入端51与第二输入端52相连接。
图8示出了耦合单元50的第二实施形式的可能的电路技术上的实现，其中设计有第一开关55，第二开关56和第三开关57。第一开关55连接在第一输入端51和第一输出端53之间，第二开关56连接在第二输入端52和第二输出端54之间，并且第三开关57连接在第一输出端53和第二输出端54之间。这种实施形式同样也具有如下优点，即开关55、56和57能够简单地实现为诸如MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)或IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的半导体开关。半导体开关具有低廉的价格和高的开关速度的优点，从而使得耦合单元50能够在短暂的时间内响应控制信号或控制信号的改变并可达到高的切换率。
图9示出了具有耦合单元50的第二实施形式的转换器单元模块60的一个实施形式。多个转换器单元11(相反并不一般地限制实施为蓄电池单元)串联连接在耦合单元50的输入端之间。转换器单元模块60的这一实施形式并不仅限于转换器单元11的串联，相反地也能够仅设计单个转换器单元11，或者将转换器模块11设计为并联或混合串并联连接。耦合单元50的第一输出端和第一端子61相连接，耦合单元40的第二输出端和第二端子62相连接。相较于图5和图6的转换器单元模块40，转换器单元模块60具有以下优点，即该转换器单元11能够通过该耦合单元50从剩余的换能器双侧地去耦，这使得在连续的运转中无危险的更换成为可能，因为危险极高的换能器的剩余的转换器单元模块的总电压不会施加在转换器单元11的极上。
图10至图13示出了依据本发明所述的换能器的转换器支路的实施形式。这些实施形式共同的是：每条转换器支路包括具有第一极性的两个转换器单元模块70-1、70-2和具有与之相反的第二极性的两个转换器单元模块80-1、80-2。该些转换器单元模块70-1、70-2以及80-1、80-2在内部构造上相同，然而在外部以相反的方向接线。当然，本发明的换能器的转换器支路能够以两种极性中的任一个的仅仅一个转换器单元模块或者以分别多于两个的数量来构建。然而优选地每个极性设计有同样多的转换器单元模块。
在图10中，转换器单元模块70-1、70-2、80-1和80-2串联在换能器的输出端子81和参考电位端(通常接地)之间，其中这些转换器单元模块如此地接线，使得具有转换器单元模块70-1、70-2的支路(Teilstrang)产生第一极性且具有转换器单元模块80-1、80-2的支路产生第二极性。然而如图11所示，第一极性的转换器单元模块70-1或70-2以及第二极性的转换器单元模块80-1或80-2共同连接至一个支路且级联若干这样的混合支路也是可能的。然而原则上与其极性不相关的任意顺序的转换器单元模块都是可能的(如图12所示)。但是，没有必要把在转换器支路内所有的转换器单元模块都按顺序连接。图13示出了一个实施例：其中第一极性的转换器单元模块70-1、70-2共同连接至第一支路且第二极性的转换器单元模块80-1、80-2共同连接至第二支路，且这两条支路并联地连接在输出端子81和参考电位端之间。在这种情况下，未激活的这种支路的至少一个转换器单元模块是处于高阻抗状态的，从而不会经由该未激活的支路将另一支路的激活的转换器单元模块短路。也就是说，对于图13的实施例，每条支路中设计有至少一个带有图8或图9的耦合单元50的第二实施形式的转换器单元模块60。
附加地，在安全条例要求时，该换能器能够包括如图2所示的负载和分隔装置或分隔装置。然而依据本发明，这些分隔装置并不是必需的，因为将转换器单元11从换能器的端子去耦能够通过包含在转换器单元模块中的耦合单元来实现
图14示出了具有依据本发明所述的换能器的实施形式的驱动系统。在所示出的示例中，该换能器具有三条转换器支路90-1、90-2和90-3，其分别直接连接至驱动电机13的输入端。因为大多数可用的电机均设计为以三相信号运行，所以本发明的换能器优选地正好具有三条转换器支路。本发明的换能器具有另一优势，即在换能器中已经集成了脉冲逆变器的功能。通过换能器的控制单元来激活(或者去激活)转换器支路的可变数量的转换器单元模块40或60，在转换器支路的输出端能够提供与已激活的转换器单元模块40或60的数量成比例的电压，该电压能够介于0V和该转换器支路的全量输出电压之间。
图15示出了依据本发明的换能器的实施变形的输出电压的示例性的时间曲线。在此，该换能器的输出电压V随时间t变化。附图标记100-b、101-b和102-b标记(auftragen)出了示例性的应用目的上所期望(理想)的正弦曲线，其分别具有正的和负的半个阶段且相互相差120°的相位偏移。该理想的正弦曲线100-b、101-b和102-b分别由依据本发明的换能器的各自的转换器支路通过各自的值离散的电压曲线100-a、101-a、102-a近似地产生。该值离散的电压曲线100-a、101-a、102-a离理想的曲线100-b、101-b以及102-b的偏差在其大小方面取决于在转换器单元模块40或60中串联的转换器单元11的数量以及其各自的单元电压。在转换器单元模块中串联的转换器单元11越少，则值离散的电压曲线100-a、101-a、102-a能够更精确地实现理想的正弦曲线。然而，在通常的应用中，相对较小的偏差并不会对系统的功能产生不利影响。相较于传统的脉冲逆变器仅可提供二值的输出电压，然后该输出电压必须通过后续的电路元件过滤，上述偏差已经明显地减小了。三条转换器支路产生优选的相差120°的相移的输出电压，从而为电驱动系统或其相似物提供三相的电源电压。

Claims (10)

1.一种用于输出电能的换能器，其具有多个转换器支路(90-1、90-2、90-3)，每条转换器支路(90-1、90-2、90-3)至少包括第一转换器单元模块(70-1、70-2)和第二转换器单元模块(80-1、80-2)，其中所述第一和第二转换器单元模块(70-1、70-2；80-1、80-2)分别包括至少一个转换器单元(11)和耦合单元(30、50)，其中所述至少一个转换器单元(11)连接在所述耦合单元(30、50)的第一输入端(31、51)和第二输入端(32、52)之间，并且所述耦合单元(30、50)被构造为响应于第一控制信号在所述转换器单元模块(70-1、70-2；80-1、80-2)的第一端子(41、61)和所述转换器单元模块(70-1、70-2；80-1、80-2)的第二端子(42、62)之间连接所述至少一个转换器单元(11)并且响应于第二控制信号将所述第一端子(41、61)与所述第二端子(42、62)连接，其特征在于，所述第一转换器单元模块(70-1、70-2)的所述至少一个转换器单元(11)以第一极性连接在各自的第一转换器单元模块(70-1、70-2)的所述耦合单元(30、50)的所述第一输入端(31、51)和所述第二输入端(32、52)之间，并且所述第二转换器单元模块(80-1、80-2)的所述至少一个转换器单元(11)以与所述第一极性相反的第二极性连接在各自的第二转换器单元模块(80-1、80-2)的所述耦合单元(30、50)的所述第一输入端(31、51)和所述第二输入端(32、52)之间。
2.根据权利要求1所述的换能器，其具有控制单元，所述控制单元被构造为在第一时间间隔期间将所述第一控制信号输出至转换器支路(90-1、90-2、90-3)的所述至少一个第一转换器单元模块(70-1、70-2)且将所述第二控制信号输出至所述转换器支路(90-1、90-2、90-3)的所述至少一个第二转换器单元模块(80-1、80-2)，并在紧随所述第一时间间隔之后的第二时间间隔内将所述第二控制信号输出至所述转换器支路(90-1、90-2、90-3)的所述至少一个第一转换器单元模块(70-1、70-2)且将所述第一控制信号输出至所述转换器支路(90-1、90-2、90-3)的所述至少一个第二转换器单元模块(80-1、80-2)，并由此在所述第一时间间隔期间以第一符号设置所述转换器支路(90-1、90-2、90-3)的输出电压且在所述第二时间间隔期间以与所述第一符号相反的第二符号设置所述转换器支路(90-1、90-2、90-3)的输出电压。
3.根据权利要求2所述的换能器，其中每条转换器支路(90-1、90-2、90-3)具有多个第一转换器单元模块(70-1、70-2)和多个第二转换器单元模块(80-1、80-2)，其中所述控制单元被构造为为每条转换器支路(90-1、90-2、90-3)设置正弦形式的输出电压(100-a、101-a、102-a)。
4.根据权利要求3所述的换能器，其中所述控制单元被构造为以可预先设定的频率设置所述正弦形式的输出电压。
5.根据权利要求3或4所述的换能器，其中所述耦合单元被构造为为每条转换器支路(90-1、90-2、90-3)设置正弦形式的输出电压(100-a、101-a、102-a)，其相对于各自的其他的转换器支路(90-1、90-2、90-3)的所述正弦形式的输出电压是相位偏移的。
6.根据上述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述耦合单元(30)包括第一输出端(33)且被构造为响应于所述第一控制信号将所述第一输入端(31)或所述第二输入端(32)与所述第一输出端(33)连接。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的换能器，其中所述耦合单元(50)包括第一输出端(53)和第二输出端(54)且被构造为响应于所述第一控制信号将所述第一输入端(51)与所述第一输出端(53)连接且将所述第二输入端(52)与所述第二输出端(54)连接，并且响应于所述第二控制信号将所述第一输入端(51)从所述第一输出端(53)分离且将所述第二输入端(52)从所述第二输出端(54)分离且将所述第一输出端(53)与所述第二输出端(54)连接。
8.根据上述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述转换器单元(11)是蓄电池单元或太阳能蓄电池。
9.一种机动车，其具有用于驱动所述机动车的电驱动电机(113)和与所述电驱动电机(113)连接的、根据上述权利要求中任一项所述的换能器。
10.一种用于为电驱动系统供电的方法，其具有以下步骤：
a)提供依据权利要求1至8中任一项所述的换能器；
b)将所述换能器与电驱动系统相连接；以及
c)在第一时间间隔期间以第一符号设置所述换能器的输出电压且在第二时间间隔期间以与第一符号相反的第二符号设置所述换能器的输出电压。
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