CN111864821A - 基于基极触发器的双向开关矩阵 - Google Patents

Abstract

该发明是专利申请(专利号201310171499.8和201710281486.4)的延伸。本申请将开关矩阵电路中的每个开关单元具体化为四端口开关单元与用于导通控制的基极触发器相结合的组合单元，四端口开关单元包括继电器即四端口机械开关和两个三端口单元组合而成的四端口电子开关，三端口单元包括BJT管，MOSFET管，IGBT管等，四端口电子开关除了包括两异型(N和P)三端口电子开关串联方案，还包含以消除寄生二极管效应的方案，即，内部消除方案和两同型(N和N，或P和P)三端口电子开关反向串联方案。基极触发器的引入，保证了开关矩阵电路中的每个开关单元能够通过对控制引线行列扫描实现逐一打开或关闭。这种开关矩阵能将电池集中的电池进行任意自动再组合连接。

Description

基于基极触发器的双向开关矩阵

技术领域

该发明有关于先前中国专利申请(专利号：2013 1017 1499.8和2017 10281486.4)中实现连接控制器的开关矩阵电路的延伸。本申请将开关矩阵电路中的每个开关单元具体化为四极(或四端)口开关单元与用于导通控制的基极触发器相组合的开关单元，四端口开关单元包括两个三端口单元组合而成的四端口开关和继电器，三端口单元包括BJT管，MOSFET管，IGBT管等。四端口电子开关除了包括两异型(一个N沟或N型和一个P沟或P型)三端口电子开关串联方案，还可以包含以消除寄生二极管效应为目的之四端口电子开关方案，即，内部消除方案和两同型(同时为N沟或N型，或同时为P沟或P型)三端口电子开关反向串联方案，消除寄生二极管效应以实现如同继电器一样功能的双向四端口电子开关。基极触发器的引入，保证了开关矩阵电路中的每个开关单元能够通过对控制引线行列扫描实现逐一打开或关闭。这种开关矩阵电路如果于电池集管理，它能将电池集中的电池进行任意自动再组合连接，包括串联连接，并联连接，或混合连接。它使得电池集中的每一个别电池是可被操作的，这也就是说，每一个别电池是能监控的(即，其参数是可以测量的)，并是能独立放电(即加负载)或充电的。因此，此系统能使电池放电或充电达到最佳表现。

背景技术

电池管理系统(BMS)是电动车辆(EV)的重要组成部分，他保护电池不受损，预测及延长电池寿命，把电池系统维持在精密和可靠的操作条件下，BMS执行着几项任务，如，测量系统的电压，电流，温度，单元的SOC[容量状态]，SOH[键康状态]，剩余使用时间(RUL)的确定，保护电池，热管理，充放电过程的控制，同块或异块模板间的通信，监控和储存历史数据，而最重要的是电池单元的平衡。对电池使用寿命来说，电池单元的失衡是要命的，因为，如果没有电池单元的平衡系统，个别电池单元的电压随时间漂移，因而整个电池系统的容量在操作中也会减少更快，进而导致系统还坏死。正如文献中所提到的，当今电池管理系统最广泛时用的方法是，被动和主动平衡(balance)和均衡equalization)。但这些方法中，没有一个可以对电池子集中的个别单元进行操作，以实现测量，监控，平衡，补偿，等，而我们之前发明“智能电池管理系统及优化电池集到其最佳性能的方法”(专利号：2013 10171499.8)可以做到这一点，具体的说，如图1(a)，1(b)【即先前专利申请(专利号：2013 10171499.8)中的图7和图8a】和1(c)，1(d)【即先前专利申请(专利号：2017 1028 1486.4)中的图3和图4】所示，如果阵列中的黑三角处的开关元件导通(白三角处的开关关闭)，可分别实现电池组中1，2，3，...，11，12各电池的先串后并连接和先并后串连接【(7，3，1，10)，(2，11，8，4)，(12，6，9，5)】，先前专利申请(专利号：2013 1017 1499.8)中的开关矩阵为管理电池集中每个电池或子电池组提供了最基本的构架和方法，以后的各种变异形态多在此复盖之中，离不开其基本精髓。在我们之前发明“开关矩阵及其集成电路芯片”的先前中国专利申请(专利号：2017 1028 1486.4)中，开关矩阵电路中的每个开关单元的选择之一被具体化为由两个三端口单元组合而成的四端口开关单元。多个开关矩阵集成电路芯片的控制线插槽和电力接线插槽可以与控制线插头和电力接线插头对接相连，以形成方形芯片矩阵，即新开关矩阵，用于更大功率的应用场合，用单块开关矩阵组合的大开关矩阵，总矩阵对角元要开路，

因此，非对角块的单块矩阵的对角元必须有开关，而对角块的单块矩阵的对角元无须开关。

本发明有关于上述两中国专利申请(专利号：2013 1017 1499.8和2017 10281486.4)中实现连接控制器的开关矩阵电路的延伸。本申请将开关矩阵电路中的每个开关单元的选择之一具体化为四极或四端口开关单元与用于导通控制的基极触发器相组合的开关单元，四端口开关单元包括两个三端口单元组合而成的四端口开关和继电器，三端口单元包括BJT管，MOSFET管，IGBT管等。本申请将开关矩阵电路中的每个开关单元具体化为四端口开关单元与用于导通控制的基极触发器相结合的组合单元，四端口开关单元包括继电器即四端口机械开关和两个三端口单元组合而成的四端口电子开关，三端口单元包括BJT管，MOSFET管，IGBT管等，四端口电子开关除了包括两异型(一个N沟或N型和一个P沟或P型)三端口电子开关串联方案，还可以包含以消除寄生二极管效应为目的之四端口电子开关方案。基极触发器的引入，保证了开关矩阵电路中的每个开关单元能够通过对控制引线行列扫描实现逐一打开或关闭。这种开关矩阵能将电池集中的电池进行任意自动再组合连接。基极触发器的引入，保证了开关矩阵电路中的每个开关单元能够通过对控制引线行列扫描实现逐一打开或关闭，并给出了原理电路举例。

发明内容

该发明有关于先前中国专利申请(专利号：2013 1017 1499.8和2017 10281486.4)中实现连接控制器的开关矩阵电路的延伸。本申请将开关矩阵电路中的每个开关单元具体化为四极或四端口开关单元与用于导通控制的基极触发器相组合的开关单元，四端口开关单元包括两个三端口单元组合而成的四端口开关和继电器，三端口单元包括BJT管，MOSFET管，IGBT管等。本申请将开关矩阵电路中的每个开关单元具体化为四端口开关单元与用于导通控制的基极触发器相结合的组合单元，四端口开关单元包括继电器即四端口机械开关和两个三端口单元组合而成的四端口电子开关，三端口单元包括BJT管，MOSFET管，IGBT管等，四端口电子开关除了包括两异型(一个N沟或N型和一个P沟或P型)三端口电子开关串联方案，还可以包含以消除寄生二极管效应为目的之四端口电子开关方案，即，内部消除方案和两同型(同时为N沟或N型，或同时为P沟或P型)三端口电子开关反向串联方案，消除寄生二极管效应以实现如同继电器一样功能的双向四端口电子开关。基极触发器的引入，保证了开关矩阵电路中的每个开关单元能够通过对控制引线行列扫描实现逐一打开或关闭。这种开关矩阵能将电池集中的电池进行任意自动再组合连接。基极触发器的引入，保证了开关矩阵电路中的每个开关单元能够通过对控制引线行列扫描实现逐一打开或关闭。这种开关矩阵电路如果于电池集管理，它能将电池集中的电池进行任意自动再组合连接，包括串联连接，并联连接，或混合连接。它使得电池集中的每一个别电池是可被操作的，这也就是说，每一个别电池是能监控的(即，其参数是可以测量的)，并是能独立放电(即加负载)或充电的。因此，此系统能使电池放电或充电达到最佳表现。

附图说明

图1(a)，先前中国专利申请(专利申请号：2013 1017 1499.8)的开关矩阵拓扑结构图。

图1(b)，单块开关矩阵独立使用时，对角元不需要开关(拓扑结构图)。

图1(c)，先前中国专利申请(专利申请号：2017 1028 1486.4)重画的开关矩阵拓扑结构图。

图1(d)，用单块开关矩阵组合的大开关矩阵，总矩阵对角元要开路，因此，非对角块的单块矩阵的对角元必须有开关，而对角块的单块矩阵的对角元必须无开关。

图2(a)，开关矩阵上每个开关单元举例。

图2(b)，用两个同型三端口电子开关单元反向串联消除寄生二极管效应示意图。

图2(c)，由三端口电子开关单元组合成四端口电子开关单元举例。

图3(a)，开关矩阵上每个开关单元的第一种可能的形态，开关单元直接是由两个三端口开关单元组合的四端口开关单元。

图3(b)，开关矩阵上每个开关单元的第二种可能的形态举例，开关单元是由两个三端口开关单元组合的四端口开关单元，并带有四端口开关单元基极的电荷维持辅助电路。

图3(c)，开关矩阵上每个开关单元的第三种可能的形态举例，开关单元是由两个三端口开关单元组合的四端口开关单元，并带有连接于四端口开关单元基极的导通触发器，基极的维持供电由外加并行帖合板提供，每个开关单元有两个供电粘帖点。

图3(d)，开关矩阵上每个开关单元的第四种可能的形态举例，开关单元是由两个三端口开关单元组合的四端口开关单元，并带有连接于四端口开关单元基极的导通触发器，基极的维持供电由构建于开关矩阵电路之中的金属网线提供。

图3(e)，开关矩阵上每个开关单元的第五种可能的形态，开关单元直接是由两个三端口开关单元组合的四端口开关单元，且四端口开关单元的基极是光驱动。

图3(f)，开关矩阵上每个开关单元的第六种可能的形态举例，开关单元是由两个三端口开关单元组合的四端口开关单元，且四端口开关单元的基极是光驱动，并带有连于四端口开关单元基极的导通触发器，基极的维持供电由外加并行帖合板提供，其中发光管和光敏管实现光驱动。

图3(g)，开关矩阵上每个开关单元的第七种可能的形态举例，开关单元是由两个三端口开关单元组合的四端口开关单元，且四端口开关单元的基极是光驱动，并带有连接于四端口开关单元基极的导通触发器，基极的维持供电由构建于开关矩阵电路之中的金属网线提供，其中发光管和光敏管实现光驱动。

图4(a)，为基极维持供电的外加并行帖合板举例，对应的每个开关单元有两个粘帖点(拓扑结构图)。

图4(b)，为基极维持供电的外加并行帖合板举例，外加并行帖合板含开关散热片和散热通道，对应的每个开关单元有两个粘帖点(拓扑结构图)。

图5，为基极维持供电的并构建于开关矩阵电路之中的金属网线举例(拓扑结构图)。

图6，7X7开关矩阵先并联后串联举例(拓扑结构图)。

图7，7X7开关矩阵先串联后并联举例(拓扑结构图)。

图8，开关矩阵的时域行列并行控制信号流程举例。

图9，二维控制方案举例，每个开关单元有四个粘帖点。

图10，二维连接界面板举例，对应的每个开关单元有四个粘帖点。

图11，二维控制方案举例，每个开关单元有两个粘帖点。

图12，二维连接界面板举例，对应的每个开关单元有两个粘帖点。

具体实施方式

郑重声明：虽然本专利是以特例形式描述，对于熟悉这个领域人来说，试图对本发明中的名词变异，材料，构造，结构，尺寸，维度，实体，装置，微电子制造处理，操

作步骤，算法，和数据处理方法，作各种不同的变化，修正，更改，装饰和扩展，是非常简单而明了的，但仍然属本发明的精髓和范畴。虽然在描述本发明的过程中，用到了特定首选的材料，构造，结构，实体和装置，但是应该了解，就像已宣称的，虽然是用来特定名词，本发明不应只限于此特类定的材料，构造，结构，组合/配置，组件实施/实体和装置。

<概述>

[段1]在先前中国专利申请(专利号：2013 1017 1499.8和2017 1028 1486.4)已作说明，如图1所示(特别申明，这里只是举例说明，本发明精髓不限于此)是，开关矩阵集成电路，包括二维金属网格上开关矩阵的开关元件，其中一维是一列正极电力接线和一列正极控制线，另一维是一排负极电力接线和一排负极控制线。开关矩阵中的各开关，位于二维金属网格交叉点上，是基于两三极元件的四极元件，三极元件包括BJT管，MOSFET管，和IGBT管，四极元件有四个极线，即，一个电力负极，一个电力正极，一个控制负极，一个控制正极。一列正极电力接线和与之相应的正极电力接线插头和插槽，插头和插槽各在电力接线的两端，每列正极电力接线连接开关矩阵中相应列中所有开关的电力正极；一排负极电力接线和与之相应的负极电力接线插头和插槽，插头和插槽各在电力接线的两端，每排负极电力接线连接开关矩阵中相应排中所有开关的电力负极。正极电力线与负极电力线相交，通常是垂直相交，相交但不直接连接，而是通过相交处开关相连接。一排负极控制线和与之相应的负极控制线插头和插槽，插头和插槽各在控制线的两端，每排负极控制线连接开关矩阵中相应排中所有开关的控制负极，控制线插槽通常与电力接线插槽集成在一起.，一列正极控制线和与之相应的正极控制线插头和插槽，插头和插槽各在控制线的两端，每列负极控制线连接开关矩阵中相应列中所有开关的控制正极，正极控制线与负极控制线相交，通常是垂直相交，相交但不直接连接，而是通过相交处开关相连接，控制线插头通常与电力接线插头集成在一起。先前专利申请(专利号：2013 1017 1499.8)中的开关矩阵为管理电池集中每个电池或子电池组提供了最基本的构架和方法，以后的各种变异形态多在此复盖之中，离不开其基本精髓。

[段2a]当这种开关矩阵集成电路芯片用于电池集管理时，可以实现所需要的任何电池连接，包括并联，串联合混合链接，它使得，任何单一电池单元，或电池子集中每个单一电池单元，或每个电池子集，都可被操作和连接，以满足测量，监控，补偿与平衡，充电，加载及热控制的需要，尤其是，当把所有单元或子集并联成一排时，能较传统方法更容易实现电池管理的主动平衡以及超快速充电；

[段2b]多个开关矩阵集成电路芯片的控制线插槽和电力接线插槽可以与控制线插头和电力接线插头对接相连，以形成方形芯片矩阵，是一个新的和更大的开关矩阵，以达到扩容的目的，用于更大功率的应用场合，如果开关矩阵集成电路芯片中的开关有n x n个，那么，由m x m方形芯片矩阵拼成的新开关矩阵有N x N个开关，其中N＝n x m。

[段3]如果总输出电力线需要增容，每维可以分出其中某些电力线和相应的控制线，分别作并联形成大功率总输出电力线和总输出控制线，每维剩下的电力线和控制线构成开关阵列。一般而言，对有M x M个开关的开关矩阵，无论是单片开关矩阵集成电路芯片，还是拼接的方形扩容芯片矩阵，可以根据需要，从每维的M中分出M1条接线并且作并联形成大功率总输出电力线和总输出控制线，每维剩下的M2＝M-M1条接线形成M2 x M2开关阵列。

[段4]用单块开关矩阵独立使用时，对角元无须开关，而用单块开关矩阵组合的大开关矩阵，总矩阵对角元要开路，因此，非对角块的单块矩阵的对角元必须有开关，而对角块的单块矩阵的对角元无须开关。

<各种可能的四端口开关单元举例>

[段5]特别申明，这里只是举例说明，本发明精髓不限于此。

[段6]如图2(a)所示(特别申明，这里只是举例说明，本发明精髓不限于此)，四端口开关单元的构成可以有多种形式，例如，四端口机械继电器，四端口电子继电器，由两个三端口电子开关单元所构成的四端口电子开关，根据基极引线不共地要求特别设计的微电子四端口开关，光驱动四端口继电器，和光驱动四端口电子开关，等。四端口开关单元含有触发器，触发器有四个电极，两个输入极，两个输出极，四端口开关单元的基极电压维持组件通过触发器与四端口开关单元的基极包括延伸基极相连，而触发器又与负极开关控制线和正极开关控制线相连，当两个输入极的电压差及其变化满足给定条件时，两个输出极就导通，当两个输入极的电压差及其变化再次满足同一个条件或满足另一个条件时，两个输出极就关闭，根据目的和要求，触发器可以有针对性的设计。四端口开关单元两基极引线不共地，即就是独立的基极控制引线，基极电压维持组件是为四端口开关单元两基极提供稳定的电压差，使四端口开关单元导通稳定，基极的维持供电装置包括构建于开关矩阵电路之中的金属网线和外加并行帖合板，二者都能使开关矩阵电路的所有开关单元共享同一基极供电电源。四端口即，其中两端口是一对控制线，另外两端口是一对电力线。此处三端口电子开关单元包括BJT管，MOSFET管，和IGBT管，由于三端口电子开关单元的基极是要共地的，因此不能直接用作开关矩阵里的开关单元，需要用N-和P-型三端口电子开关组合成四端口开关单元。当然，最好是根据基极引线不共地要求，来重新特别设计一种新型微电子四端口开关并应包含如下特点：(1)基极引线不共地，(2)还可以自带触发器，(3)还可以自带基极的电荷维组件，(4)有消除寄生二极管影响的措施。例如，对于由两个分离的三端口N-型(沟)和P-型(沟)MOSFET管组成的四端口开关单元，在D极和S极间存在寄生二极管，为了消除此寄生二极管影响的措施，例如，有内部消除方案和两同型(同时为N沟或N型，或同时为P沟或P型)三端口电子开关反向串联方案(见图2(b))，消除寄生二极管效应以实现如同继电器一样功能的双向四端口电子开关。总之，由三端口电子开关单元可以组合成四端口电子开关单元举例，图2(c)给出了各种例子。或特别设计分离的N-或P-型三端口电子开关，使这个反向二极管集成到三端口电子开关内部。对于重新特别设计一种新型微电子四端口开关(不是由分离的N-或P-型三端口电子开关组合而成的)，如果其内部也存在类似的寄生二极管效应，也要有措施在其内部特别设计类似的反向二极管，以消除寄生二极管效应的影响。下面只列出七种由两个三端口开关单元组合的四端口电子开关单元作为例子，即就是，开关单元直接是由两个三端口开关单元组合而成的，开关单元是带有触发器和四端口开关单元基极的电荷维持组件(辅助电路)的并由两个三端口开关单元组合的四端口开关单元，开关单元是带有触发器和外加的并行帖合板的并由两个三端口开关单元组合的四端口开关单元，还分是否是光驱的基极。负极开关控制线和正极开关控制线，它们负正成对地与开关阵列中的每一开关相连，而且开关控制线与外部处理器相连，处理器用于控制交叉处的各开关的打开关闭状态。在以下，由BJT管，MOSFET管和IGBT管的基极和栅极所构成的四端口开关单元基极统称为电基极，当用光电驱动时，基极向前延伸到发光管的两极，称为光基极，电基极和光基极统称为四端口开关单元的基极；

[段7]如图3(a)所示是四端口电子开关单元作为第一个例子，开关单元直接是由两个三端口开关单元组合的四端口开关单元或直接是继电器，两基极直接连接正负极控制线(短虚线网格)，另两极连接正负电力线(实线网格)。但是，这样的结构，基极压电能维持一段时间，但不长久，例如，用MOSFET组成的四端口电子开关单元，只能维持几十秒。

[段8]如图3(b)所示是四端口电子开关单元作为第二个例子，开关单元直接是由两个三端口开关单元组合的四端口开关单元或直接是继电器，并带有电荷补偿回路(引入图中的电容和两个低电阻的)，也是两基极直接连接正负极控制线(短虚线网格)，另两极连接正负电力线(实线网格)，一旦开关导通，电容就会给基极提供可维持电压，但动力回路引入了低电阻，增加了功耗。

[段9]如图3(c)所示是四端口电子开关单元作为第三个例子，开关单元含有触发器以及外加并行帖合板(即，或在开关矩阵主板背面，或在散热板上，或独立外加板上)和继电器或由两个三端口开关单元组合的四端口开关单元，四端口开关单元的基极电压维持组件通过基极触发器与四端口开关单元的基极相连，而基极触发器又与负极开关控制线和正极开关控制线相连。负极开关控制线和正极开关控制线，它们负正成对地与开关阵列中的每一开关相连，而且开关控制线与外部处理器相连，处理器用于控制交叉处的各开关的打开关闭状态。开关的打开或闭合状态决定了两相交的电源动力线是否连通，而两相交的开关控制线的电压差通过触发器决定了开关的状态。四端口开关单元的两基极是否接通基极电压维持组件，取决于基极触发器是否被触发及其状态和历史，基极触发器的触发导致四端口开关单元的两基极与基极电压维持组件断开或接通。两相交的开关控制线的电压差及其变化决定了基极触发器触是否被触发。两相交的开关控制线的电压差由外部处理器决定。实线网格是正负电力线，触发器有四个电极，两个输入极(U，D)连接正负极控制线(短虚线网格)，两个输出极(A，B)连接基极电压维持组件的输入粘贴电极(椭圆球)和四端口开关单元的两基极之一，四端口开关单元的两另一基极连接基极电压维持组件的另一输入粘贴电极(椭圆球)，当两个输入极(U，D)的电压差及其变化满足给定条件时，两个输出极(A，B)就导通，于是，开关矩阵上每个开关单元能够共享基极的维持供电电源Vg，四端口电子开关单元的两基极就与稳定的基极维持供电接通或断开，当两个输入极的电压差及其变化再次满足同一个条件或满足另一个条件时，两个输出极就关闭，根据目的和要求，触发器可以有针对性的设计。在开关矩阵中，每个开关单元有两个粘帖点(输入粘贴电极)，在外加并行帖合板上，对应的每个开关单元位置有两个对应的粘帖点(输出粘贴电极)。在需要时，基极电压维持组件，能为四端口开关单元的两基极提供可维持的电压差。

[段10]如图3(d)所示图是开关矩阵上每个开关单元的第四种可能的形态举例，开关单元是继电器或由两个三端口开关单元组合的四端口开关单元，并带有连接于四端口开关单元基极的导通触发器，基极的维持供电由构建于开关矩阵电路之中的金属网线(长虚线网格)提供，这样，使得开关矩阵上每个开关单元能够共享基极的维持供电电Vg。

[段11]如图3(e)所示是开关矩阵上每个开关单元的第五种可能的形态举例，与上述第一个例子相同，但基极是光驱动的，两基极直接连接正负极控制线(短虚线网格)，另两极连接正负电力线(实线网格)。但是，这样的结构，需要控制线来维持发光管的电压。

[段12]如图3(f)所示是四端口电子开关单元作为第六个例子，与上述第三个例子相同，但基极是光驱动的，这时，四端口开关单元的基极与光敏管相连，基极电压维持组件通过基极触发器与发光管相连，而基极触发器又与负极开关控制线和正极开关控制线相连。当用光电驱动时，由控制器导通基极触发器，基极触发器导通发光管，也包括由控制器直接导通发光管，发光管的光驱动光敏管产生基极维持电压和电流，使四端口开关单元有光时导通，无光时关闭；在此，基极电压维持组件为发光管提供稳定的电压差，光敏管与四端口开关单元两基极相连，发光管的光驱动光敏管产生稳定的电压的电流，使四端口开关单元导通稳定，基极的维持供电装置包括构建于开关矩阵电路之中的金属网线和外加并行帖合板，二者都能使开关矩阵电路的所有开关单元共享同一供电电源。实线网格是正负电力线，触发器有四个电极，两个输入极(U，D)连接正负极控制线(短虚线网格)，两个输出极(A，B)连接基极维持电压输入粘贴电极(椭圆球)和发光管的两极之一，发光管的另一极连接基极维持电压的另一输入粘贴电极(椭圆球)，当两个输入极(U，D)的电压差及其变化满足给定条件时，两个输出极(A，B)就导通，于是，发光管发光，使光敏管产生基极维持电压，开关矩阵上每个开关单元的发光管能够共享基极的维持供电电源Vg，发光管就与稳定的基极维持供电接通或断开，当两个输入极的电压差及其变化再次满足同一个条件或满足另一个条件时，两个输出极就关闭。

[段13]如图3(g)所示图是开关矩阵上每个开关单元的第七种可能的形态举例，与上述第四个例子相同，但基极是光驱动的，基极的维持供电由构建于开关矩阵电路之中的金属网线(长虚线网格)提供，这样，使得开关矩阵上每个开关单元的发光管能够共享基极的维持供电电源Vg。在此，光电驱动的四端口开关单元的工作，是由控制器导通基极触发器，基极触发器导通发光管，也包括由控制器直接导通发光管，发光管的光驱动光敏管产生基极维持电压和电流，使四端口开关单元有光时导通，无光时关闭。

[段14]当用光电驱动时，发光管设置在外加并行帖合板上的与开关矩阵每个开关单元里的光敏管对应的位置处，以便每个发光管的光能有效照射其对应的光敏管。发光管还可以与光敏管设置在开关矩阵每个四端口开关单元里与对应光敏管相邻的位置，光敏管能够接受来自发光管的光。

[段15]如图图4所示图是基极维持供电的外加并行帖合板举例(特别申明，这里只是举例说明，本发明精髓不限于此)，在开关矩阵中的每个开关单元上的两个粘帖点(输入粘贴电极)，外加并行帖合板都有一个与之对应的两个粘帖点(输出粘贴电极)，使用时，外加并行帖合板与开关矩阵板对准(即相应的输入和输出粘贴电极对准)并粘帖，就可以实现稳定的基极维持供电电压传递，即把共享基极维持供电电压Vg并行同时地传递到开关矩阵中的每个开关单元。

[段16]如图5所示图是为基极维持供电的并构建于开关矩阵电路之中的金属网线(长虚线网格)举例(特别申明，这里只是举例说明，本发明精髓不限于此)，用此金属网线，也可以实现稳定的基极维持供电电压传递，即把共享基极维持供电电压Vg并行同时地传递到开关矩阵中的每个开关单元。

<开关矩阵的一维扫描式控制和操作举例>

[段17]特别申明，这里只是举例说明，本发明精髓不限于此。一维扫描就是通过对两个一维控制线(一个是行控制线，一个是列控制线)实行并行扫描，来实现对开关矩阵中每个开关单元的导通与关闭进行控制。

[段18]为了说明怎样实现开关矩阵的控制和操作，要用到图中6和7的特例(特别申明，这里只是举例说明，本发明精髓不限于此)，这是一个7 X 7开关矩阵，可以管理6节电池或6组子电池集，剩余一排和一列作为功率总输出电力线(PP，PN)和控制线(图6，7中没有标记，即图5中的pp，pn)，图6是先并联后串联举例，黑色方块所标记的单元需要联通(打开)，图7是先串联后并联举例，图7与图6相比，只多出了两个斜阴影方块所标记的单元也需要打开。

[段19]如图8所示是说明开关矩阵的时域行列并行控制信号流程的举例，图中行扫描和列扫描电压分别画在每一组上水平长条和下水平长条，每组代表一个操作，竖直粗线间代表扫描一行的时间，竖直细线间代表扫描一列的时间，每扫描到一行，电压保持不变，在这期间，做逐列扫描，完成所有列扫描之后，进行下一行。触发器可以更具具体特性要来设计，例如触发器可以设计成具有如下性质：

设计举例1：图3中电压差定义为DV＝Vu-Vd(图3中U极与D极电压差)

(1)遇到DV是上升脉冲时，开关导通，与电压Vu，Vd本身无直接关系；

(2)遇到DV是下降脉冲时，开关断开，与电压Vu，Vd本身无直接关系。

设计举例2：图3中电压差定义为DV＝Vu-Vd(图3中U极与D极电压差)

(1)断开时，遇到DV是上升脉冲时，开关导通，与电压Vu，Vd本身无直接关系；

(2)导通时，遇到下一个DV上升脉冲时，开关断开，与电压Vu，Vd本身无直接关系，对DV下降脉冲也无任何反应。

除此之外，还可以列出许多其他设计方案。如果采用上述设计举例2，那么，要打开图(导通)7中斜阴影方块和黑色方块所标记的开关单元控制的设置操作流程是：

第一步，第一次要初始化(之后要重新设置时，需先清零，见下)，见第一组水平长条框，即置行扫描为高电压，置所有列扫描为低电压；

第二步，设置PP行，置PP行扫描为低电压，置PP行上要导通的开关单元所在列扫描为高电压，如图中黑块所示；

第三步，巩固PP行设置的设置，即置PP行扫描为高电压，置所有列扫描为低电压，以便在后面设置其他行时不被破坏；

第四步，设置N1行，置N1行扫描为低电压，置N1行上要导通的开关单元所在列扫描为高电压，如图中黑块所示；

第五步，巩固N1行设置的设置，即置N1行扫描为高电压，置所有列扫描为低电压；

………

这样，不断重复，直到完成最后一行的所有列。每次重新设置之前，当必要时，可以先断开负载总开关，以保设置过程中因不平衡而产生的可能故障。

[段20]如果要改变开关设置，要先清零操作，再重复上述设置。系统必须记录上次设置的历史和内容，由于触发器只认上升触发信号，重复上述第二步到最后一步，就可以将上述的设置清零。

[段21]以上开关单元控制操作流程的举例，根据触发器的不同设计性质，可以设计出不同的开关单元控制的设置操作流程和清零操作流程。

<开关矩阵的二维直接控制和操作举例>

[段22]二维直接控制方案就是，借助二维连接界面板，使处理器能直接独立控制开关矩阵电路中的每个开关单元的打开或关闭状态，而无需扫描。这是，需要很多的控制引线，实践中，在开关矩阵上很难布这么多的控制线，因此，要用二维连接界面板。

[段23]如图9所示，是二维控制方案举例，开关矩阵里的每个开关单元有四个粘帖点(输入粘贴电极)，相应地，在二维连接界面板(如图10所述)上，对应的每个开关单元有四个粘帖点(输出粘贴电极)，二维连接界面板的另一面就是众多的需要很多的控制引线与处理器和基极供电装置相连(图中未画出)。输入粘贴电极和输出粘贴电极可以是各有四个粘帖点(如图9和10)，也可以是两个粘帖点(如图11和12)，白圈代表控制引线粘贴电极，黑圈代表基极供电装置粘贴电极。当不需要基极供电装置时，只有控制引线粘贴电极(如图11和12)。

Claims (10)

1.一种基于四端口开关单元与触发器组合而构造的开关矩阵电路的开关单元，其特征在于，含有

(1)四端口开关单元；

(2)触发器；

(3)四端口开关单元的基极电压维持组件；

在此，开关矩阵中的各开关单元，位于开关矩阵电路二维金属网格交叉点上，四端口开关单元有四个极线，即，一个电力负极，一个电力正极，一个控制负极，一个控制正极；

在此，四端口开关单元包括，一般继电器，由光电驱动的继电器，由两个三端口开关单元所构成的四端口开关，根据基极引线不共地要求特别设计的微电子四端口开关，和由光电驱动的四端口开关；

在此，无光驱动的四端口开关单元的工作，是由控制器导通基极触发器，基极触发器导通四端口开关单元基极与基极电压维持组件的连接，使四端口开关单元的基极有稳定的基极供电；

在此，有光驱动的四端口开关单元的工作，是由控制器导通基极触发器，基极触发器导通发光管，也包括由控制器直接导通发光管，发光管的光驱动光敏管产生基极维持电压和电流，使四端口开关单元有光时导通，无光时关闭；

在此，三端口开关单元包括BJT管，MOSFET管，和IGBT管；在此，BJT管，MOSFET管和IGBT管的基极和栅极所构成的四端口开关单元基极统称为电基极，当用光电驱动时，基极向前延伸到发光管的两极即延伸基极，称为光基极，电基极和光基极统称为四端口开关单元的基极；

在此，基极电压维持组件，在需要时，能为四端口开关单元的两基极包括延伸基极提供可维持的电压差；

在此，负极开关控制线和正极开关控制线，它们负正成对地与开关阵列中的每一开关相连，而且开关控制线与外部处理器相连，处理器用于控制交叉处的各开关的打开关闭状态；

在此，四端口开关单元的基极电压维持组件通过基极触发器与四端口开关单元的基极相连，而基极触发器又与负极开关控制线和正极开关控制线相连；

在此，用光电驱动时，四端口开关单元的基极与光敏管相连，基极电压维持组件通过基极触发器与发光管相连，而基极触发器又与负极开关控制线和正极开关控制线相连；

在此，开关的打开或闭合状态决定了两相交的电源动力线是否连通，而两相交的开关控制线的电压差通过触发器决定了开关的状态；

在此，四端口开关单元的两基极是否接通基极电压维持组件，取决于基极触发器是否被触发及其状态和历史，基极触发器的触发导致四端口开关单元的两基极与基极电压维持组件断开或接通；

在此，两相交的开关控制线的电压差及其变化决定了基极触发器触是否被触发；

在此，两相交的开关控制线的电压差由外部处理器决定；

在此，用于电池集管理时，他们分别通过各开关与电池集中各电池或各电池子集的正负极以及控制信号正负极相连，而任何两相交的金属网线通过此交叉处的开关相连，用于实现所需要的任何电池连接，包括并联，串联合混合链接，它使得，任何单一电池单元，或电池子集中每个单一电池单元，或每个电池子集，都可被操作和连接，以满足测量，监控，补偿与平衡，充电，加载及热控制的需要，尤其是，当把所有单元或子集并联成一排时，能较传统方法更容易实现电池管理主动平衡以及超快速充电；

在此，多个开关矩阵集成电路芯片的控制线插槽和电力接线插槽可以与控制线插头和电力接线插头对接相连，以形成方形芯片矩阵，即新开关矩阵，用于更大功率的应用场合，如果开关矩阵集成电路芯片中的开关有n x n个，那么，由m x m方形芯片矩阵拼成的新开关矩阵有N x N个开关，其中N＝n x m；

在此，对有M x M个开关的开关矩阵，无论是单片开关矩阵集成电路芯片，还是拼接的方形扩容芯片矩阵，可以根据需要，从每维的M中分出M1条接线并且作并联形成大功率总输出电力线和总输出控制线，每维剩下的M2＝M-M1条接线形成M2 x M2开关阵列。

2.根据权利要求1所述的开关矩阵电路的开关单元，其特征在于，其四端口开关单元包括四端口机械继电器，四端口电子继电器，由两个三端口电子开关单元所构成的四端口电子开关，光驱动四端口继电器，和光驱动四端口电子开关；在此，三端口电子开关单元包括BJT管，MOSFET管，和IGBT管；在此，由两个三端口电子开关单元构成四端口电子开关的方案，除了包括两异型三端口电子开关串联方案和内部消除寄生二极管效应方案，还可以包含由两同型三端口电子开关反向串联的方案。

3.根据权利要求1所述的开关矩阵电路的开关单元，其特征在于，其四端口开关单元是根据基极引线不共地的要求，来特别设计的一种新型微电子四端口开关，其特征是(1)基极引线不共地，(2)可以自带触发器，(3)可以自带基极的电荷维组件，(4)有消除内部寄生二极管影响的措施。

4.根据权利要求1所述的开关矩阵电路的开关单元，其特征在于，其触发器有四个电极，两个输入极，两个输出极，四端口开关单元的基极电压维持组件通过触发器与四端口开关单元的基极包括延伸基极相连，而触发器又与负极开关控制线和正极开关控制线相连，当两个输入极的电压差及其变化满足给定条件时，两个输出极就导通，当两个输入极的电压差及其变化再次满足同一个条件或满足另一个条件时，两个输出极就关闭，根据目的和要求，触发器可以有针对性的设计。

5.根据权利要求1所述的开关矩阵电路的开关单元，其特征在于，其基极电压维持组件是为四端口开关单元两基极包括延伸基极提供稳定的电压差，使四端口开关单元导通稳定，基极的维持供电装置包括构建于开关矩阵电路之中的金属网线和外加并行帖合板，二者都能使开关矩阵电路的所有开关单元共享同一基极供电电源。

6.根据权利要求1所述的开关矩阵电路的开关单元，其特征在于，当用光电驱动时，由控制器导通基极触发器，基极触发器导通发光管，也包括由控制器直接导通发光管，发光管的光驱动光敏管产生基极维持电压和电流，使四端口开关单元有光时导通，无光时关闭；在此，基极电压维持组件为发光管提供稳定的电压差，光敏管与四端口开关单元两基极相连，发光管的光驱动光敏管产生稳定的电压的电流，使四端口开关单元导通稳定，基极的维持供电装置包括构建于开关矩阵电路之中的金属网线和外加并行帖合板，二者都能使开关矩阵电路的所有开关单元共享同一供电电源。

7.根据权利要求1所述的开关矩阵电路的开关单元，其特征在于，当用光电驱动时，发光管设置在外加并行帖合板上的与开关矩阵每个开关单元里的光敏管对应的位置处，以便每个发光管的光能有效照射其对应的光敏管。

8.根据权利要求1所述的开关矩阵电路的开关单元，其特征在于，当用光电驱动时，发光管还可以与光敏管设置在开关矩阵每个四端口开关单元里与对应光敏管相邻的位置，光敏管能够接受来自发光管的光。

9.根据权利要求1所述的开关矩阵电路的开关单元，其特征在于，可以用于一维扫描控制方案，借助于基极触发器，一维扫描控制方案能使开关矩阵电路中的每个开关单元能够通过对一维行控制引线和一维列控制引线的逐行扫描，实现逐行一个一个地打开或关闭。

10.根据权利要求1所述的开关矩阵电路的开关单元，其特征在于，可以用于二维直接控制方案，借助二维连接界面板，二维扫描控制方案能使处理器能直接独立且同时控制开关矩阵电路中的所有开关单元的打开或关闭状态，而无需扫描。

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