CN1034900C - 多组独立直流电源的多级复合电压均匀输出电路 - Google Patents

多组独立直流电源的多级复合电压均匀输出电路 Download PDF

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Abstract

一种多组独立直流电源的多级复合电压均匀输出电路，借助线性或斩波固态开关元件使分级电压结合线性电压调整作连续线性输出，或由斩波式固态开关元件串设于由蓄电池组及二极管组构成的可切换复合电压输出的电压切换开关点间，形成以固态线性元件作各级电压间的电压调节或以低压为谷底，次段高压为峰值的连续PWM调整输出电压的电路，以供多级复合电压输出或线性输出或作为变流器波形整形或直流波形调整或直流对直流切换式变压输出。

Description

多组独立直流电源的多级复合电压均匀输出电路
本发明涉及一种多组独立直流电源的多级复合电压均匀输出电路设计，尤指一种蓄电池组或其他蓄电元件组或多组独立直流电源的多级复合电压均匀输出控制电路设计。
电池组或其他蓄电元件由于具有机动性，广泛被应用于各式各样的器具如电动载具等，然而电池组无论蓄电池、燃料电池、热电池或太阳能电池皆具有其物理性基本电压，通常须借助串并联以选择其电压及容量，并视负载需要，以分级电压供应或以串联线性元件控制或以斩波开关控制。
美国专利US-5045990公开了一种类似的电路，该电路具有若干开关元件和相当于蓄电池的电压源，各开关元件分别具有驱动电路，各电压源的正极与正极之间接有二极管，其负极与负极之间也接有二极管。然而，该电路没有设中央控制单元进行控制，不能象本发明那样作到效率较高、成本较低地获得多种波形的等差多级输出。
本发明的主要目的即在于提供一种多组独立直流电源的多级复合电压均匀输出电路，尤指一种蓄电池组或其他蓄电元件组或多组独立直流电源的多级复合电压均匀输出控制电路设计，此系统中进一步借助线性或斩波固态开关元件以使分级电压结合线性电压调整作连续线性输出，或由前述斩波式固态开关元件串设于由蓄电池组及二极管组所构成的可切换复合电压输出的电压切换开关点之间，形成以固态线性元件作各级电压间的电压调节或以低压为谷底，次段高压为峰值的连续PWM调整输出电压的电路，以供作多级复合电压输出或线性输出或作为变流器的波形整形或直流波形调整或直流对直流的切换式变压输出。
本发明的目的是通过如下构思实现的：
本发明主要提供一种蓄电池组或其他蓄电元件组或多组独立直流电源的多级复合电压均匀输出控制电路的创新设计，以及进一步结合线性或斩波固态开关元件，以获得多级复合电压输出及分级线性或分级斩波式的低频波PWM电压输出或缓慢增压输出或缓慢减压输出及进一步借助如传统电源供给装置加设电压或电流回授检测元件作定电流或限电流或定电压或限电压输出调节功能，以及进一步使用双向型固态开关元件以控制逆向输入电路，或进一步配合传统桥式开关元件所构成的正逆极性输出接口，而在每一半周期使电路完成由低而高再回归低电位的周期输出，借助两者的同步关系以获得近似正弦的交流输出，以及进一步控制其极性交换周期与每一半周期中复合电压输出电压值关系以构成多级输出波形的变流器，较传统以多组变压器串联获得方式成本低、损失少，故效率较高。
下面结合附图详细说明本发明的特征及优点：
图1为本发明设计的基础电路图。
图2为本发明设计以多级复合电压作斩波PWM调制线性输出的波形图。
图3为本发明设计以多级复合电压作类比调制线性输出的波形
图。
图4为本发明设计借桥式开关构成直流-交流近似正弦输出电路方块示意图。
图5为本发明设计借双组直流电及输出开关交替切换构成直流-交流近似正弦输出电路方决示意图。
图6为本发明设计结合桥式开关元件作同步周期的近似正弦交流输出的工作时态及波形图。
图7为本发明设计借可作多级复合电压输出入电力单元Po作低压充电高压放电的电压值示意图。
图8为本发明设计借可作多级复合电压输出入电力单元Po作高压充电低压放电的电压值示意图。
图9为本发明设计借可作多级复合电压输出入电力单元Po作同电压输出输入的中介隔离的电压值示意图。
图10为本发明设计借可作多级复合电压输出入电力单元Po作小电流充电大电流放电的电流值示意图。
图11为本发明设计借可作多级复合电压输出入电力单元Po作大电流充电小电流放电的电流值示意图。
图12为本发明设计借可作多级复合电压输出入电力单元Po及输出端设有电能储蓄装置的电压值示意图。
图13为本发明设计输出侧具电能储蓄装置的电能转换电路方块示意图。
图14为本发明设计输出侧并联电感及电容构成交流电能储蓄装置的输出状态示意图。
图1为本发明的蓄电池组或其他蓄电元件组或多组独立直流电源的多级复合电压均匀输出控制电路的基础电路图，其主要构成包括：
至少三组蓄电元件组及至少三组固态开关元件组交错顺向串联(图中以四组蓄电元件B101～B104及四组固态开关元件S101～S104为例)；
一组总输出固态开关元件组(S100)与输出端串联用以作为总开关或由零至最低位级电压间的线性电压调节或斩波式PWM电压调节；
各固态开关元件分别具有驱动电路组D100、D101、D102、D103、D104，各驱动电路组接受一数位逻辑型态或类比型态的中央控制单元CCU101所控制，以控制各固态开关元件组；
一组人工或电信号所驱动的控制接口0P101供控制上述中央控制单元CCU101，以发了对固态开关元件组的控制信号至各开关元件组所属驱动电路；
每一蓄电单元的正极与正极间各别并接二极管CR101、CR102、CR103，各二极管的导流方向为能使各蓄电单元的正极电流能通往与正输出端相接的第一蓄电单元正极的方向；
每一蓄电单元的负极与负极间各别并接二极管CR111、CR112、CR113，各二极管的导流方向为能使各蓄电单元的负极电流能通往与负输出端相接的最末蓄电单元组的负极。
借助上述电路的构成，可作成下列的控制，以图1中所示4组蓄电单元为例，可作成由零至最大电压的输出，包括：
A：等差多级输出；
B：各等差级中的部分输出；
C：以多级复合电压作斩波PWM调制线性输出；
D：以多级复合电压作类比调制线性输出；
E：各连续输出的部分段输出。
兹依序详细说明如下：
A：等差多级输出，包括：
①由全部蓄电单元并联输出，则此状态交叉串联于各蓄电单元间的固态开关元件呈OFF，而与输出端串联的固态开关元件呈ON，以图1为例，如表1所示为工作表；若各独立蓄电单元电压为E，则输出电压亦为E。
                        表1
开关元件 S101 S102 S103 S104 S100
工作状态 OFF OFF OFF OFF ON
②由其中两组蓄单元为一单元相互串联后再并联，或由其中一半蓄电池组相互并联后再与另一半串联，使输出电压为①项的2倍，上述各相互串联的蓄电单元间的固态开关元件为ON的状态，以图1为例，如表2A所示为先串联再并联，表2B为先并联再串联；若各独立蓄电单元电压为E，则输出电压为2E。
                    表2A
开关元件 S101 S102 S103 S104 S100
工作状态 ON ON OFF ON ON
                    表2B
开关元件 S101 S102 S103 S104 S100
工作状态 ON OFF ON OFF ON
③由其中每三组为一单元轮流相互串联，以使输出为①项的3倍，各蓄电单元间的固态开关元件组控制顺序如表3A～3D所示为周期顺序轮流串联输出，以使输出负荷能由各蓄电单元均匀分担承载；若各独立蓄电单元电压为E，则输出电压为3E。
                    表3A
开关元件 S101 S102 S103 S104 S100
工作状态 ON ON ON OFF ON
                    表3B
开关元件 S1O1 S102 S103 S104 S100
工作状态 ON ON ON ON ON
                    表3C
开关元件 S101 S102 S103 S104 S100
工作状态 ON OFF ON ON ON
                    表3D
开关元件 S101 S102 S103 S104 S100
工作状态 ON ON OFF ON ON
④全部蓄电单元串联的最高电压输出，如表4所示；若各独立蓄电单元电压为E，则输出电压为4E。
                    表4
开关元件 S101 S102 S103 S104 S100
工作状态 ON ON ON ON ON
B：各等差级中的部分输出：
此项方式控制输出为非依等差分级而是由其中选取所需要的特定分级电压。
C：以多级复合电压作斩波PWM调制线性输出：
如图2所示，即以PWM调制由零输出至最大输出电压的连续可变输出，此项方式除由零至最低电压位级由总输出固态开关元件作PWM调制外，其各输出为由相邻分级电压间作周期调变电压位级，以取得其增均值作为输出，以图1中4组蓄电单元为例，其由全部蓄电单元并联的最低位级电压至两倍最低位级电压间的关系为由1至表2所示的对固态开关元件控制川页序轮流交替构成变级周期，变级周期中表1的状态所占百分比愈高则电压较近最低压段；表2的状态所占百分比愈高较近2倍低压段；变级周期由中央控制单元依控制接口的指令及内储资料作执行或进一步设置其他含负载电流端压等回授检测元件作成输出控制参考，以人工或电能接口控制驱动电路组驱动所属固态开关元件组，其各位级间的输出状态可参考图2所示。
D：以多级复合电压作类比调制线性输出：
如图3所示，此项方式除由零至最低电压位级由线性输出固态线性元件作类比调整外，其各输出为由较高位级电压经固态线性元件作调整，以衔接高位级与次高位级间电压值的连续性。
E：各连续输出的部分段输出：
此项方式控制输出为非连续由零至最大输出电压值而系取其中一段或所需数段或特定电压位级作混合的输出。
上述各项应用中，如同传统的电源供给装置一样，可借助输出端压及输出电流值的检测，以调节斩波输出的脉波宽度比或控制固态线性元件作类比调整，以进一步如传统电源供给电路设置具有定电压或限电压及定电流或限电流的功能。
上述各项电路所述的复合电压均匀输出控制电路，在实际实用中，除可直接输往负载外，并可进一步结合桥式开关元件组以及借下列控制程序作交流近似正弦的输出，类似此功能由单一DC电压转AC的电路已属习用，不再重覆，此处主要为以本项设计可控制复合电压结合传统桥式开关电路作成特定的多级复合电压构成近似正弦交流的输出，以取代传统借多组变流器及交连变压器作电压波形串联的高成本低效率方式，其构成及控制包括如图4所示由桥式开关电路及分级电压同步控制构成，主要为：
由四组呈桥式连接的闸流管或功率晶体管或机电开关元件所构成的方向交换电路组，其输出端并联负载，其输入端接往前述蓄电池组或其他蓄电元件组或多组独立直流电源的多级复合电压均匀输出电力单元Po，Po及桥式开关元件为接受数位逻辑型态的中央控制器CCU所控制，使其中二组开关元件SWF ON时电流为正向通过负载，而于另二组开关元件SWR ON时电流为逆向通过负载，而构成一周期交变功能；
每一方向导流周期包括复合电压电源由零转低，由低而高，再由高而低再转为零，而后交换方向重覆上述电压循环以获得近似正弦的交流输出。
上述电路亦可由多组电力元件串联并设有中间串联抽头及借两组开关元件以构成桥式电路(如图5)，即采用双组蓄电池组或其他蓄电元件组或多组独立直流电源的多级复合电压均匀输出控制电路串联构成Po(包含第1组电源Po1及与第1组电源Po1顺向串联的第二组电源Po2)，并由其中间串接点抽头通往负载的一端，上述桥式开关元件可由二组构成，而其中一组SWF串联于电源组的正端及另一组SWR串联于负端，两开关元件的另一端再共同通往负载的另一侧，借助交替导通上述两开关而构成对负载电压极性的交替，并配合上述每一半周期中相对的直流多级复合电压电源组呈由低至高再转低以构成近似正弦的交流输出，图6为图4及图5的工作时态及波形图。
上述电路可为单组相或多组呈多相相位差的输出型态，在多相输出时由上述单相近似正弦变流装置的电路多组构成，即具有各别的桥式开关元件组耦合于各别直流多级复合电压源及输出端之间并接受CCU的具有相位差的控制指令所控制；
此外，由于电力波形依负载需要通常包括三角波形、方波形、凹陷波形、微分波形、积分波形等，各有其适用，可借中央控制单元对多级复合电压输出顺序状态加以作近所需波形的控制直接作直流脉动输出或极性交换的桥式电路作同步配合的上述特定波形的交流输出或进一步借所串联线性开关元件修正其输出波形。
又，此项系统可作多级复合电压输出的电力单元Po除作为电源供给亦可供作为电力储蓄，因此可将电力单元Po的串并联控制元件采用双向导通元件，以及调节电压电流的固态开关元件亦采用双向导通元件或逆向设置，以使此项蓄电池组或其他蓄电元件组或多组独立直流电源的多级复合电压均匀输出控制电路具有配合由外部输入储蓄电能作匹配耦合的调整。
上述电力单元Po并进一步可借其多级复合电压状态的改变以分别接受不同电压输入及不同电压输出，以构成直流对直流的变压器或作为储蓄由负载作动能回收发电的再生回授功能，上述应用中电力单元Po的工作型态包括：
①呈低压状态接受输入再转变为高位级联接状态的高压输出，
如图7为低压输入高压输出时态示意图。
②呈高压状态接受输入再转变为低位级联接状态的低压输出，
如图8为高压输入低压输出时态示意图。
③呈同压输入同压输出，以隔离输入端及输出端，如图9为同压输入同压输出时态示意图。
④长时间小电流输入，短时间大电流输出，以构成瞬时大输出的电力源，如图10为长时间小电流输入短时间大电流输出时态示意图。
⑤短时间大电流输入，长时间小电流输出，以在短时间蓄电供较长时间较低功率用电，如图11为此项短时间大电流输入长时间小电流输出时态示意图。
⑥电力单元可由蓄电池或电容等元件构成电能储蓄装置供作直流输出输入的周期交错操作，与其相对的负载并联有储蓄电能性质的电容或蓄电池，以使输出端能连续供电，如图12为此项输出端设有电能储蓄装置的输出时态示意图。
⑦以直流流输入配合桥式开关电路作交流输出，如前述图4～6所示为基础电路型态。
又，上述电路为使输出侧较稳定，亦可进一步在输出侧加设电能储蓄装置，以安定其输出。
图13为此项输出侧具有电能储蓄装置的电能转换电路主要构成方块示意图，主要包括：
由前述具有双向串并联切换开关可作复合电压控制输出的电力单元构成Po，再串接双向分配控制开关SW1301于Po及负载端与输入端之间，切换开关SW1301为由机电或固态元件所构成，接受数位逻辑型态或类比型态的中央控制单元(CUU)所控制，供选择为：连接输入端对电力单元Po充电；或连接电力单元对负载作所选择位级电压输出；或由负载端作电能回授至电力单元；以及在特殊情形下作输入端与负载端的直接连接；
负载端若为直流负载，则可视需要进一步设置电能储蓄装置ESD，如蓄电池、电容器等；若为交流输出，则可设置由电感L及电容C构成的并联谐振电能储蓄装置ESD，如图14为此项输出侧并联电感L及电容C构成交流储蓄装置的输出状态示意图。
上述电路的多相输出，则以多组开关分别耦合于各别电能、储蓄元件与电力单元Po之间，各开关组并以不同相差周期顺序导通，以使各电力储蓄电感L及电容C上的电压波形呈所设定的相位差。

Claims (8)

1.一种多组独立直流电源的多级复合电压均匀输出电路，尤指一种蓄电池组或其他蓄电元件组或多组独立直流电源的多级复合电压均匀输出控制电路，为借助线性或斩波固态开关元件以使分级电压结合线性电压调整作连续线性输出，或由前述斩波式固态开关元件串设于由蓄电池组及二极管组所构成的可切换复合电压输出的电压切换开关点之间，形成以固态线性元件各级电压间的电压调节或以低压为谷底，次段高压为峰值的连续PWM调整输出电压的电路，以供作多级复合电压输出或线性输出或作为变流器的波形整形或直流波形调整或直流对直流的切换式变压输出；该电路包括：
至少三组蓄电元件组(B101～B104)及至少三组固态开关元件组(S101-S104)交错顺向串联；
一组总输出固态开关元件组(S100)与输出端串联用以作为总开关或由零至最低位级电压间的线性电压调节或斩波式PWM电压调节；
每一蓄电单元的正极与正极间各别并接二极管(CR101～CR103)，各二极管的导流方向能使各蓄电单元的正极电流能通往与正输出端相接的第一蓄电单元正极的方向；
每一蓄电单元的负极与负极间各并接二极管(CR111～CR113)，各二极管的导流方向为能使各蓄电单元的负极电流能通往与负输出端相接的最末蓄电单元组的负极；
各固态开关元件分别具有驱动电路组(D100～D104)；
其特征在于，该电路还包括：
一数位逻辑型态或类比型态的中央控制单元(CCU101)，用于控制所述各驱动电路组，以控制各固态开关元件组；以及
一组人工或电信号所驱动的控制接口(OP101)，供控制上述中央控制单元(CC101)，以发出对固态开关元件组的控制信号至各开关元件组所属的驱动电路。
2.一种权利要求1所述多组独立直流电源的多级复合电压均匀输出电路的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
A：进行等差多级输出；
B：进行各等差级中的部分输出；
C：以多级复合电压作斩波PWM调制线性输出；
D：以多级复合电压作类比调制线性输出；和
E：进行各连续输出的部分段输出。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述等差多级输出包括：
①由全部蓄电单元并联输出，使此状态交叉串联于各蓄电单元间的固态开关元件呈OFF，而与输出端串联的固态开关元件呈ON，若各独立蓄电单元电压为E，则输出电压亦为E；
②由其中至少两组(或其倍数)蓄电单元为一单元相互串联后再
并联，或由其中一半蓄电池组相互并联后再与另一半串联，使输出电压为①项的2倍，上述各相互串联的蓄电单元间的固态开关元件为ON的状态，若各独立蓄电单元电压为E，则输出电压为2E；
③由其中至少三组(或其倍数)为一单元输流相串联，以使输出为①项的3倍，各蓄电单元间的固态开关元件组控制顺序为周期顺序轮流串联输出，以使输出负荷能由蓄电单元均匀分担承载，若各独立蓄电单元电压为E，则输出电压为3E；
④由四组以上为一蓄电单元，在可等分割并联时则同时并联分担
输出入电流，在不可等分割时则如③项以周期顺序轮流平均输出；
⑤全部蓄电单元串联的最高电压输出由以上等差级构成输出或由各等差级中的部分输出，即系由其中选取所需要的特定分级电压。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，进一步可以多级复合电压作斩波PWM调制线性输出，即以PWM调制由零输出至最大输出电压的连续可变输出，此项方式除由零至最低电压位级由总输出固态开关元件作PWM调制外，其各输出为由相邻分级电压间作周期调变电压位级，以取得其平均值作为输出。
5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，进一步可以多级复合电压作类比调制线性输出，此项方式除由零至最低电压位级由线性输出固态线性元件作类比调整外，其各输出为由较高位级电压经固态线性元件作调整，以衔接高位级与次高位级间电压值的连续性。
6.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述各连续输出的部分段输出，此项方式控制输出是非连续由零至最大输出电压值而是取其中一段或所需数段或特定电压位级作混合的输出。
7.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，进一步结合一桥式开关元件组作交流近似正弦的输出，其构成及控制包括由桥式开关电路及分级电压同步控制构成，主要为：
由四组呈桥式连接的闸流管或功率晶体管或机电开关元件所构成的方向交换电路组，其输出端并联负载，其输入端接往前述蓄电池组或其他蓄电元件组或多组独立直流电源的多级复合电压均匀输出控制电路Po，Po及桥式开关元件接受数位逻辑型态或类比型态的中央控制器CCU控制，使其中二组开关元件SWF ON时电流为正向通过负载，而于另二组开关元件SWR ON时电流为逆向通过负载，使其具有周期交变功能；
每一方向导流周期包括复合电压电源由零转低，由低而高，再由高而低再转为零，然后交换方向重覆上述电压循环，以获得近似正弦的交流输出。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，由多组电力元件串联并设有中间串联抽头及借助两组开关元件以构成所述桥式电路，即采用双组蓄电池组或其他蓄电元件组或多组独立直流电源的多级复合电压均匀输出控制电路串联构成Po，包含第1组电源Po1及与第1组电源Po1顺向串联的第二组电源Po2，并由其中间串接点抽头通往负载的一端，上述桥式开关元件可由二组构成，其中一组SWF串联于电源组的正端而另一组SWR串联于负端，两开关元件的另一端再共同通往负载的另一侧，借助交替导通上述两开关而构成对负载电压极性的交替，并配合上述每一半周期中相对的直流多级复合电压电源组呈由低至高再转低，以构成近似正弦的交流输出。
9.根据权利要求7或8所述的控制方法，其特征在于，其电路可为单组相或多组呈多相相位差的输出型态，在多相输出时由上述单相近似正弦变流装置的电路多组构成，即具有个别的桥式开关元件组耦合于各直流多级复合电压源与输出端之间，并接受中央控制器CCU的具有相位差的控制指令控制；此外，由于电力波形依负载需要通常包括三角波形、方波形、凹陷波形、微分波形、积分波形等，按其适用范围借助所述中央控制器对多级复合电压输出顺序状态作近似所需波形的控制直接作直流脉动输出，或极性交换的桥式电路作同步配合的上述特定波形的交流输出，或进一步借所串联的线性开关元件修正其输出波形。
10.根据权利要求2所述的  控制方法，其特征在于，其电路进一步供作电力储蓄，即将电力单元Po的串并联控制元件采用双向导通元件，以及调节电压电流的固态开关元件，及采用双向导通元件或逆向设置，以使此项蓄电池组或其他蓄电元件组或多组独立直流电源的多级复合电压均匀输出控制电路具有配合由外部输入储蓄电能作匹配耦合的调整。
11.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，其电路进一步借助其多级复合电压状态的改变以分别接受不同电压输入及不同电压输出，以构成直流对直流的变压器或作为储蓄由负载作动能回收发电的再生回授功能，应用中电力单元Po的工作型态包括：
①呈低压状态接受输入再转变为高位级联接状态的高压输出；
②呈高压状态接受输入再转变为低位级联接状态的低压输出；
③呈同压输入同压输出，以隔离输入端及输出端；
④长时间小电流输入，短时间大电流输出，以构成瞬时大输出的电力源；
⑤短时间大电流输入，长时间小电流输出，以在短时间蓄电供较长时间较低功率用电；
⑥电力单元可由蓄电池或电容等元件构成电能储蓄装置供作直流输出输入的周期交错操作，与其相对的负载并联有储蓄电能性质的电容或蓄电池，以使输出端能连续供电；
⑦以直流输入配合桥式开关电路作交流输出。
12.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，其电路进一步在输出侧加设电能储蓄装置，以安定其输出，其主要构成包括：
由前述具有双向串并联切换开关作复合电压控制输出的电力单元构成Po，再串接双向分配控制开关SW1301于Po及负载端与输入端之间，切换开关SW1301为由机电或固态元件所构成，接受数位逻辑型态或类比型态的中央控制单元(CUU)控制，供选择为：连接输入端对电力单元Po充电；或连接电力单元对负载作所选择位级电压输出；或由负载端作电能回授至电力单元；以及在特殊情形下作输入端与负载端的直接连接；
负载端若为直流负载，则按需要进一步设置电能储蓄装置ESD，即蓄电池、电容器等；若为交流输出，则设置由电感L及电容C构成的并联谐振电能储蓄装置ESD。
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