CN1094871A - 低热损及无火花电池组阶梯式复电压操控装置 - Google Patents

Abstract

电池组由于具有机动性，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，通常人们藉串并联以选择其电压及容量，并视负 载需要，以等级电压供应或以串联线性元件操控或以 斩波开关操控。此项设计主要为提供一种多输出阶 梯式复电压的高效电路设计，以及进一步藉固态开关 元件与机电开关元件间动作时间差以获得低热损及 无火花复电压切换功能。

Description

本发明涉及一种低热损及无火花电池组阶梯式复电压操控装置设计。

电池组由于具有机动性，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，通常人们利用串并联来获得所需的电压及容量，并视负载需要，采用阶梯式电压供应或以串联线性元件对其进行操控或以斩波开关对其进行操控。

本发明的主要目的，是在于提供一种低热损及无火花电池组阶梯式复电压操控装置，主要为提供一种多输出阶梯式复电压的高效率电路创新设计，以及进一步藉固态开关元件与机电开关元件间动作时间差以获得低热损及无火花复电压切换功能。

本发明是这样实现的：

本发明主要是在于提供一种低热损及无火花电池组阶梯式复电压操控装置创新设计，以及进一步结合线性或斩波固态开关元件，以获得低热损及无火花复电压切换及阶梯式线性或阶梯式载波式的低波纹PWM电压输出或缓慢增压输出及进一步藉回授作限电流或定电压或定电流输出调节功能。

以下配合附图详细说明本发明的实施例：

图1为由双刀双掷开关并联二极管构成复电压切实施例示意图。

图2为复电压具线性调整电压波形示意图。

图3为复电压具斩波调整电压波形示意图。

图4为由双刀双掷开关构成复电压切换电路实施例示意图。

图5为由单刀开关及二极管组构成复电压切换电路实施例示意图。

图6利用树技状开关电路及串联二极管组构成复电压电路示意图。

图1为此项电池或多组直流电源的低热损及无火花阶梯式复电压操控装置实施例，主要为揭示利用电池组及串联于电瓶间的双掷C接点的机电开关组构成可切换选择的复电压输出，以及可在输出时使开关接点组并联于分路二极管组两端以消除二极管组顺向压降及热损失，以及进一步可结合电流检知装置及线性或开关式固态开关元件并结合一中央处理置（CCU）以接受操作指令输入装置的命令，进而操控机电开关组及固态开关元件组以调节输出电压电流大小或调节输出作定电压或定电流或设定输出限流以及利用可用线性调整或作PWM调制操控的固态开关元件串设于由电瓶组及二极管组所构成的可切换复电压输出的电压切换开关点之间，以形成以低压为谷底，以次段高压为峰值的线性连续调整PWM调整输出电压的电路，以形成由谷底电压值至峰值电压值间可调的线性或PWM操控的低波纹电压输出，或在切换机电开关组时，依ON（开）时固态开关ON动作时间滞后于机电开关（以电阻性及电容性负载为准），OFF（关）时固态开关OFF动作时间领先机电开关切换电源（电感、电容、电阻性负载皆可）以达到花切换机电开关组，此功能进一步含输出侧的正负极性切换开关的无火花切换。

现就此项实施例构成及动作说明如下：

二组或二组以上同电压同容量或至少同电压电池单元，含一次或二次蓄电池或太阳能电池或燃料电池热电池（或由呈相互隔离由交流电力整流等方式构成的电力单元）利用至少双刀以上的人工操作双掷开关或鼓形开关或电磁或机械操作的继电器等机电开关元件设置于电瓶组的每一电池单元间，与电瓶组呈顺极性串联，上述电瓶含单独一个或两个以上串联或并联或并串联为一电池单元;双刀开关两组不同刀的共同接点与常闭接点呈对调并联，即A刀的共同接点与B刀的常闭接点相通，B刀的共同接点与A刀的常闭接点相通，各相通接点分别通往电池单元的负极及正极;每一开关组的共同接点接往正极的刀组，其共同接点（依输出电流流向）顺向并联接有二极管通往其本身的常开接点再通往第一电池单元正极及输出的正端;每一开关组的共同接点通往负端的刀组，其共同接点与常开接点（依输出电流流向）顺向并联接有二极管通往其本身的常开接点再通往第一电池单元正极及输出正端;每一开关组的共同接点通往负端的刀组，并由常开接点（依输出电流流赂）顺向并联接有二极管组，并由常开接点通往最后组电瓶组的负极及输出负端，上述机电开关元件可以手动直接板动开关组或以电磁力驱动或其他机械来驱动。

上述系统操作时具有下列功能与特色：

A.依总电池单元的公约数对称切换开关组加上开关全开及全闭可提供最多种复电压输出以供选择。

B.输出时所有二极管组的并联接点皆呈闭合可消除二极管组的顺向压降及热损。

C.二极管组在开关切换时提供一次阶电压以减少开关接点间切换电压，以及供作为暂态电流流径可提高开关接点寿命。

以图1为例，系由六组电池单元U1-U6与五个交错介于电池单元中间的开关组SW101-SW105所构成，各开关组并依前述原则分别设有二极管D101a-105a，其输入端并联通往负输出端;D101b-105b输出端并联通往正输出端;当操作开关组SW101-SW105的共同接点与常闭接点皆呈闭合时为所有电池单元串联输出电压即为6xEB，（其EB为每电池单元的电压），当开关SW103被操控为共通接点COM103a及COM103b与常闭接点及NC103a及NC103bOFF，而与常开接点NO103a及NO103bON时，则输出电压为3xEB，即电池单元呈各别二组串联后并联;当开关SW102及SW104被操作为共同接点转而与常开接点导通时，则输出电压为2xEB，即电池单元呈各别二组串联后再并联;当开关SW101-SW105皆被操控为共同接点转而与常开接点导通时，则输出电压为EB即电池单元U1-U6皆并联。若我们以24组电压单元构成则可获1xEB、2xEb、3xEB、4xEB、6xEB、8xEB、12xEB、24xEB等复电压阶梯式;若以36组电压单元构成则可得1xEb、2xEB、3xEB、4xEB、6xEB、9xEB、12xEB、18xEB、36xEB等依电池单元公约数为电池单元电压倍数值形成的阶梯式复电压输出，以此类推，不再赘述;上述开关组除以人工操作外，并可藉一中央控制器CCU及指令输入单元1100以操控前述开关组作复电压切换;或进一步在输出端串联线性或开关型固态开关元件SSS100，以调整及操控与输入值相对机电开关操作状态及固态开磁工作状态，包括：

直接以线性固态开关元件对阶梯式电压作输出微调或藉操作机电开关使输出高于所需输出值，再由中央控制器CCU操控线性固态开关元件的驱动电流以获得线性输出电压的调节，如图2所示，若需要调大于一单位电池单元电压级别的大电压的调节，则由机电开关组所达成，因而热损较少;

直接以开关式固态开关元件对阶梯式电压作输出微调或藉操作机电开关使输出高于所需输出值，再由中央控制器CCU操控开关式固态开关元件的驱动胍冲宽度以调节其输出电压的平均值，如图3所示，若需要调大于一单位电池单元电压级别的大电压的调节，则由机电开关组所达成，由于具有阶梯式基础电压，因而波纹值低于直接以全电压作载波调节时的波纹。

人们可进一步在输出电路力串电流检知装置CT100，以检测其输出电流值回授至中央控制器CCU依输入单元的指令或CCU内藏的设定值以对机电开关组及固态开关作相对操控，以及在输出端并联电压检知装置VT100，以检测其输出电压值回授至中央控制器CCU依输入单元的指令或中央控制器CCU内藏的设定值以对机电开关组及固态开关作相对的操作，如传统稳压电路一般，此电路设有标准电位，因此除可藉以调节因负载不稳定的电压变动外，亦可藉以调节因电源电压不稳所导致的负侧电压变动，例如电瓶随蓄存量减少的压降或太阳电池因受光量的变化所引起的电压不稳。

此外，最重要的，我们可藉下列特定的操控顺序以达成下列功能：在切换机电开关时，依ON时固态开关ON动作时间滞后于机电开关（以电阻性及电容性负为准），OFF时固态开关OFF动作时间领先机电开关切断电源（电感、电容、电阻性负载皆可）以达到无火花切换机电开关组，此开关组进一步含输出侧的正负极切开关的无火花切换。

上述操作顺序的设定包括以人工或电磁或机械或液压操控方式，依上述开关操作顺序作机械性顺序锁定及延迟或电路构成的顺序锁定或延迟。

此电路在实际应用时，若功率容量很低时也可省去二极管组而以双刀双掷开关直接切换其余功能，与图1实施例相同，应用时同样也可进一步结合固态开关元件及输出电压电流检测元件及藉输入单元与中央控制器所构成的各项功能，图4为此电池组或多组独立直流电源复电压操控电路直接以双掷开关为切换开关的电路示意图。

若电路效率容许及有空间限制的应用中，我们亦可由单刀单掷开关结合二极管组所构成具有切换式复电压输出功能，应用时同样的亦可进一步结合固态开关元件及输出电压电流检测元件，其藉输入单元与中央控制独立直流电源的复电压操控电路以单刀掷开关结合二极管组构成的电路示意图，图5中D10000及D1001为均压用二极管为供电瓶并联进均压之用，可视需要设置。

此项设计中，我们亦可进一步在固态开关元件两侧并设机电开关的接点构成SSU101-SSU105，依据下列的操作顺序以减少固态开关元件的压降损失与发热，此电路的操作顺序如下：

开时固态开关的开动作在机电开关之前;

关时固态开关的关动作在机电开关之后;

当其中固态开关作为线性操控或PWM开关操控时，则与其并联的机电开关不动作;

上述固态开关与机电开关的操控可藉中央控制器CCU进行操控或藉人工或电磁或机械或液压进行操控。

前述电路的另一种应用型态为如图6所示为串并联式复电压电路例，其构成主要由两组或以上同电压同容量或至少同电压的电池单元构成，并藉树枝型连接的开关组以切换改变其、串并联状态，进而改变其输出电压，其特征在于为各开关组接点与分流二极管组呈并联分流而藉二极管组提供次阶梯式分压使接点组在切换时抑制电压差及由接点组消除二极管的顺向压降损失，以及进一步可结合电流检知装置及线性或开关式固态开关元件并结合一中央处理装置（CCU）以接受操作指令输入装置的命令，进而操控机电开关组、固态开关元件组以调节输出电压或设定输出限流值以及利用可作线性调整或作PWM调制操控的固态开关元件串设于由电瓶组及二极管组所构成的可切换复电压输出的电压切换开关点之间，以形成以低压为谷底，以次段高压为峰值的线性连续调整PWM调整输出电压的电路，以形成由谷底电压值至峰值电压值间可调的线性或PWM操控的低波纹电压输出，或在切换机电开关组时，依开时固态开关开动作时间滞后于机电开关（以电阻性及电容性负载为准），关时固态开关关动作时间领先机电开关切断电源（电感、电容、电阻性负载皆可）以达到无火花切换机电开关组，此功能进一步含输出侧的正负极性切换开关的无火花切换。

Claims (3)

1、一种低热损及无火花电池组阶梯式复电压操控装置，为提供一种多输出阶梯式复电压的高效率电路创新设计，以及进一步藉固态开关元件与机电开关元件间动作时间差以获得低热损及无火花复电压切换功能，其主要为揭示靠电池组及串联于电瓶间的双掷C接点的机电开关组构成可切换选择的复电压输出，以及可在输出时使开关接点组并联于分路二极管组两端以消除二极管组顺向压降及热损失，以及进一步可结合电流检知装置及线性或开关式固态开关元件并结合一中央处理置(CCU)以接受操作指令输入装置的命令，进而操控机电开关组及固态开关元件组以调节输出电压电流大小或调节输出作定电压或定电流或设定输出限流值以及依据可作线性调整或作PWM调制操控的固态开关元件串设于由电瓶组及二极体组所构成的可切换复电压输出的电压切换开关点之间，以形成以低压为谷底，以次段高压为峰值的线性连续调整PWM调整输出电压的电路，以形成由谷底电压值至峰值电压值间可调的线性或PWM操控的低波波电压输出，或在切换机电开关组时，依开时固态开关开动作时间滞后于机电开关(以电阻性及电容性负载为准)，并时固态开关动作时间领先机电开关切换电源(电感、电容、电阻性负载皆可)以达到花切换机电开关组，此功能进一步含输出侧的正负极性切换开关的无火花切换。

2、如权利要求1所述的低热损及无火花电池组阶梯式复电压操控装置，其构成主要包括：

二组或二组以上同电压同容量或至少同电压电池单元，含一次或二次蓄电池或太阳能电池或燃料电池热电池（或由呈相互隔离由交流电力整流等方式构成的电力单元），利用至少双刀以上人工操作双掷开关或鼓形开关或电磁或机械操作的继电器等机电开关元件设置于电瓶组的每一电池单元间，与电瓶组呈顺极性串联，上述电瓶含单独一个或两个以上串联或并联或并联为一电池单元;双刀开关两组不同刀的共同接点与常闭接点呈对调并联，即A刀的共同接点与B刀的常闭接点相通，B刀的共同接点与A刀的常闭接点相通，各相通接点分别通往电池单元的负极及正极;每一开关组的共通接点接往正极的刀组，其共同接点（依输出电流流向）顺向并联接有二极管通往其本身的常开接点再通往第一电池单元正极及输出正端;每一开关组的共同接点通往负端的刀组，并由常开接点（依输出电流流向）顺向并联接有二极管组，并由常开接点通往最后组电瓶组负极及输出负端，上述机电开关元件可为以人力直接板动开关组或以电磁力驱动或其他机力所驱动;

上述系统操作时具有下列功能与特色：

A.依总电池单元的公约数对称切换开关组加上开关全开及全闭可提供最多种复电压输出以供选择;

B.输出时所有二极管组的并联接点皆呈闭合可消除二极管组的顺向压降及热损;

C.二极体组在开关切换时提供一次阶梯式电压以减少开关接点间切换电压，以及供作为暂态电流流径可提高开关接点寿命;

D.在切换机电开关组时，依开时固态开关开动作时间滞后于机电开关（以电阻性及电容性负为准）关时固态开关关动作时间领先机电开关切断电源（电感、电容、电阻性负载皆可）以达到无火花切换机电开关组，此开关组进一步含输出侧之正负极切换开关的无火花切换;

上述操作顺序的设定包括以人工或电磁或机械或液压操控方式，依上述开关操作顺序作机械性顺序锁定及延迟或以电路构成的顺序锁定或延迟。

3、如权利要求1所述的低热损及无火花电池组阶梯式复电压操控装置进一步包括在固态开关元件两侧并设机电开关的接点构成SSU101-SSU105，依据下列的操作顺序以减少固态开关元件的压降损失与发热，此项电路的操作顺序如下：

开时固态开关的开动作在机电开关之前;

关时固态开关的关动作在机电开关之后;

当其中固态开关作为线性操控或PWM开关操控时，则与其并联的机电开关不动作;

上述固态开关与机电开关的操控可藉中央控制器CCU以操控之或藉人工或电磁或机械或液压加以操控。

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