以公约数组合的分级多电压控制电路装置

摘要

一种以公约数组合的分级多电压控制电路装置，尤指一种多输出分级电压的设计，藉著可作线性调整或PWM调制控制的固态开关元件串接于由蓄电池组及二极管组所构成或切换多电压输出的电压切换开关点之间，形成以低压为谷底，以次段高压为峰值的线性连续调整PWM调整输出电压之电路，以及进一步藉反馈作限电流或定电流或定电压输出调节。

说明书

本发明涉及一种以公约数组合的分级多电压控制电路装置。

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，以的分级电压供应或以串联线性元件控制或以斩波开关控制。

本发明的主要目的，乃在于提供一种以公约数组合的分级多电压控制电路装置，以及进一步结合线性或斩波固态开关元件，以获得无火花多电压切换及分级线性或分级斩波式的低涟波PWM电压输出或缓慢增压输出或缓慢减压输出及进一步藉反馈作限电流或定电流输出调节功能。

本发明是这样实现的：

本案主要为提供一种多输出分级多电压的高效率电路，以及进一步结合线性或斩波固态开关元件，以获得无火花多电压切换及作分级电压结合线性电压调整或分级电压结合斩波式电压调整的低涟波PWM电压输出，及藉著可作线性调整或作PWM调制控制的固态开关元件串接于由蓄电池组及二极管组所构成的可切换多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间可调的线性或PWM控制的低涟波电压输出或缓慢升压或缓慢降压输出，以及进一步借助反馈而形成限电流或定电流或定电压输出调节功能。

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电压切换实施例的示意图。

图2    为多电压具线性调整电压波形的示意图。

图3    为多电压具斩波调整电压波形的示意图。

图4    为由双刀双掷开关构成多电压切换电路实施例的示意图。

图5    为由单刀开关及二极管组构成多电压切换电路实施例的示意图。

图6    为藉固态开关及二极管组构成多电压切换电路的示意图。

图7    为多电压具分级基础电压及线性调整电压波形的示意图。

图8    为多电压具分级基础电压及斩波调整电压波形的示意图。

图9    表示设有切换开关的控制共同固态开关元件的电路。

图10表示图9中固态开关的切换开关改由并联控制开关增设接点组取代由串联控制开关增设接点取代输出开关的电路。

图11为图9的线性调整输出电压波形图。

图12为图9的斩波调整输出电压波形图。

图13表示由双刀双掷开关取代图9中串联控制开关的电路。

图14表示图13中固态开关的切换开关改由并联控制开关增设接点组取代及由串联控制开关增设接点取代输出开关的电路。

图15表示基础电压以上设有线性或斩波电压调节功能的经济型电路之一。

图16表示基础电压以上设有线性或斩波电压调节功能的经济型电路之二。

图1为此项电池组或多组独立直流电源公约组合的分级多电压控制电路实施例，主要为揭示藉电池组及串联于蓄电池的双掷C接点的机电开关组构成可切换选择的多电压输出，以及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正向压降低及热损失，以及进一步可结合电流检测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，进而控制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藉著可作线性调整或作PWM调制控制的固态开关元件串联于由蓄电池组及二极管组所构成的可切换多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间可调的线性或PWM控制的低涟波电压输出，或在切换机电开关组时，依接通时固态开关接通动作时间滞后于机电开关（以电阻性及电容性负载为准），关断时固态开关关断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。

兹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或热电池（或由呈相互隔离由交流电力整流等方式构成的电力单元），藉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力操作的继电器等机电开关元件设置于蓄电池组的每一电池单元间，与蓄电池组呈顺极性串联，上述蓄电池组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正输出端;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组，并由常开接点通往最后那组蓄电池组之负极及负输出端;上述机电开关元件可为以人力直接拨动的开关组或以电磁力驱动或其他机械力所驱动。

上述系统操作时具有下列功能与特色：

①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多种电压输出以供选择。

②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。

③二极管组在开关切换时提供一次分级电压以减少开关接点间切换电压，以及供作为暂态电流路径可提高开关接点寿命。

④电力单元切换开关或固态开关元件可进一步选择为双向性导通元件或同时逆向设置，以供由输出端反向输入时控制其输入电压及电流或切换电力单元的串并联状态及控制固态开关元件（若有时）以配合外部输入电源的状态。

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之间的开关组SW101-SW105所构成，各开关组并依前述原则分别设有二极管D101a-105a，其阳极并联通往负输出端;二极管D101b-105b的阴极并联通往正输出端;当操作开关组SW101-105的共同接点与常闭接点皆呈闭合时所有电池单元串联输出电压，即为6xEB，（其中EB为每一电池单元的电压），当开关SW103被控制为共同接点COM103a及COM103b分别与常闭接点NC103及NC103b断开，而与常开接点NO103a及NO103b接通时，则输出电压为3xEB，即电池单元呈三组串联后并联;当开关SW102及SW104被控制为共同接点与常闭接点断开而与常开接点导通时，则输出电压为2xEB，即电池单元呈各二组串联后再并联;当开关SW101-SW105皆被控制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。若以24组电压单元构成则可获1xEB、2xEB、3xEB、4xEB、6xEB、8xEB、12xEB、24xEB等多电压分级;若以36组电压单元构成则可得1xEB、2xEB、3xEB、4xEB、6xEB、9xEB、12xEB、18xEB、36xEB等依电池单元数的公约数为电池单元电压倍数值形成的分级多电压输出，以此类推，不再赘述。上述开关组除以人工操作外，还可藉一中央控制器CCU及指令输入单元I100控制前述开关组作多电压切换;或进一步在输出端串联线性或开关型固态开关元件SSS100，以调整及控制与输入值相对应的机电开关操作状态及固态开关工作状态，包括：

直接以线性固态开关元件对分级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控制线性固态开关元件的驱动电流以获得线性输出电压之调节，如图2所示。若需要作大于一单位电池单元电压分级的大电压的调节，则由机电开关组去完成，故其热损耗较少。

直接以开关式固态开关元件对分级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控制开关式固态开关元件的驱动脉波宽度以调节其输出电压之平均值，如图3所示，若需要作大于一单位电池单元电压分组的大电压之调节，则由机电开关组去完成，由于具有分级基础电压，故其涟波值低于直接以全电压作斩波调节。

人们并可进一步在输出电路串接电流检测装置CT100，以检测其输出电流值反馈至中央控制器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控制，以及在输出端并联电压检测装置VT100，以检则其输出电压值反馈至中央控制器CCU，依输入单元的指令或中央控制器CCU内藏的设定值对机电开关组及固态开关作相对的控制。如传统稳压电路一样，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不稳定所导致的负载侧电压变动，例如蓄电池随蓄存量减少的电压下降所引起的电压不稳定。

此外，最重要的是可藉下列特定的控制顺序达到下列功能：在切换机电开关组时，依接通时固态开关接通动作时间滞后于机电开关（以电阻性及电容性负载为准），关断时固态开关关断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正负极性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斩或流体力控制方式，依上述开关操作顺序作机械性顺序锁定及延迟或以电路机构的顺序锁定或延迟。

此项电路在实际应用时，若功率容量较低亦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及藉输入单元与中央控制器所构成的各项功能。图4为此项电池组或多组独立直流电源多电压控制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之应用中，亦可由单刀单掷开关结合二极管组所构成具有切换式多电压输出功能，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器所构成的各项功能亦同，图5为此项电池或多组独立直流电源的多电压控制电路以单刀单掷开关结合二极管组构成的电路示意图，图5中D1000及D1001为均压用二极管，供蓄电池并联时均压之用，可视需要设置。

另外，上述电路中串联于电压单元间的机电式开关组亦可由固态开关元件所取代，并结合二极管组以构成多电压输出。图6所示为此项藉固态开关元件串联于电力单元组的多电压控制电路的主要电路示意图，此电路中其切换功能与前述图5所述单刀单掷开关功能相同。图6中D1000及D1001为均压用二极管供蓄电池组并联时均压之用，可视需要设置。唯由于串联于电池单元间的开关元件可进一步结合中央控制器及输入单元及输出电压电流检测元件构成前述分级电压间的连续调节或输出电压及电流的控制，此项设计中，亦可进一步在固态开关元件两侧并联设置机电开关之接点构成SSU101-SSU105，藉著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：

接通时固态开关的接通动作在机电开关之前。

关断时固态开关的关断动作在机电开关之后。

当其中固态开关作为线性控制或PWM开关控制时，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作可藉中央控制器CCU或藉人工或电磁或机械力或流体力控制，开关工作状态进一步包括：

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控制各线性固态开关元件的驱动电流或藉控制相串联的电池单元组中较高电位分级的电池单元与供给基础电压的电池单元相串联的固态开关元件的阻抗以获得线性输出电压的调节，如图7所示。若需要大于一电位分级之大电压的调节则由机电开关组去完成，故其热损较少。

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各固态开关元件作斩波输出或控制相串联的电池单元组中较高电位分级的电池单元与供给基础电压之电池单元相串联的固态开关元件的驱动脉波宽度以调节其输出电压的平均值，例如CCU控制SSU101、102、104、105皆导通而以斩波控制SSU103，则其输出如图8所示。若需要大于一电压分级的大电压之调节则由机电开关组去完成。由于具有分级基础电压，故其涟波值低于直接以全电压作斩波调节。

若前述线性或斩波控制波幅与分级基础电压分别为等电压的电池单元所构成，则为求耗电平均亦可进一步藉中央控制单元CCU周期交替控制其所属的固态开关元件，使所属蓄电池交替作基础电压供给及调幅或斩波脉动，以使耗电量均一。

并可进一步在输出电路串接电流检测装置CT100，以检测其输出电流值反馈至中央控制器CCU，依输入单元的指令或CCU内藏的设定值对机电开关组及固态开关作相对控制，以及在输出端并联电压检测装置VT100，以检测其输出电压值反馈至中央控制器CCU，依输入单元的指令或中央控制器CCU内藏的设定值对机电开关组及固态开关作相对的控制。如传统稳压电路一样，此电路设有标准电位，因此除可藉以调节因负载不稳定之电压变动外，亦可藉以调动节因电源电压不稳所导致的负载侧电压变动，例如蓄电池随蓄存量减少的压降所引起的电压不稳定。

此外，亦可将上述开关元件仅起开关作用而另于线路串接固态开关元件SSS100作为线性或斩波控制的分级电压间的连续调节元件，即藉著可作线性调整或作PWM调制控制的固态开关元件串接于由蓄电池组及二极管组所构成的可切换多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控制的低涟波电压输出或缓慢升压或缓慢降压。

上述各例中，所列举之电池单元为便于说明，由于电路控制上的优点使其亦适用于由交流整流的多组独立直流电源间的多电压控制及火花消除，与电压、电流的反馈控制及线性或斩波式分级电压间的连续调整，应用中仅需将个别独立的直流电压单元视同电池单元即可。

基于上述各项应用原理的叙述，在实际应用中各电池单元间的开关元件亦可由机电开关与固态开关元件依所需功能及经济性而混合使用。

前述各项实施例若选择单组固态开关元件作为各分级电压间的线性或斩波电压控制输出（如图7、8所示）则可进一步藉如图9所示电路来完成，其主要构成如下：

两组或两组以上同电压、同容量或至少同电压的电力单元及一组固态开关元件共同串联而成，其中固态开关元件为串联于其中间段，即其前后段串联的电力单元数目相同。

各串联元件间分别串接常开的串联开关组，并以固态开关元件为基准，其两端的串联开关元件为同步驱动的同一组串联开关的两开关接点（或不同串联开关组被同步驱动），其往前及往后联的电力单元的串联开关组接点关系亦具相同同步关系。

固态开关设有切换开关以供与串联于输出端的输出开关作输出控制的选择，即在全部电力单元并联时固态开关被切换至取代输出开关，以对输出电流作线性或斩波的电压控制调整;若输出之分级电压的线性或斩波调节功能不包含全部电力单元并联状态，其输出如图11、12所示，则上述切换开关可省略，输出开关可视需要作弹性选择是否设置或由固态开关与电力单元间的串联开关增设接点来取代。

固态开关所分割之前段及后段电力单元组中各电力单元分别各有一电极端径二极管或开关连接不同极性的两端出端，而前段及后段电力单元组中各电力单元的另一电极端则经串接二极管或开关后，属前段部分的共同并联后经导流二极管或其所并联控制开关通往后段组的直接连接输出端，属后段部分的共同并联后经导流二极管或其所并联控制开关通往前段组的直接输出端。

辅助开关并联于固态开关元件两电力连接端，当固态开关为全导通状态时，此项辅助开关闭合以消除辅助开关的压降及热损耗，此项开关为选择性设置。

中央控制单元及输入控制及设定装置与电压、电流控制装置为供控制上述各元件组间作输出电压、电流选择或限电压或限电流或定电压或定电流或缓增或缓减的电压或电流输出之用。

图9所示为此项藉单组固态开关元件作为各级电压间的线性或斩波调节电路，图中主要包括二组或二组以上的同电压同容量或至少同电压的电力单元U1-U4作分级切换电源，包括①U1-U4并联作EB输出;②U1、U2呈并联再与U3、U4之并联组串联作2xEB输出;③U1-U4串联作4xEB输出;电路中在各电力单元间串接有控制开关SW501、SW502、电力单元U1及U2的负端之间连接一导流二极管D501，U2的负端与输出负端间则连接另一导流二极管D506，二极管D506的两端可进一步并接开关组SW503以供在全部电力单元并联时闭合，以减少二极管D506的热损耗，电力单元U3与输出负端间亦并联导流二极管D503;电力单元U3及U4的正端间并接二极管D504，U4之正端与输出正端之间则并接另一导流二极D505管，此二极管两端亦可进一步并接开关组SW503以供在全部电力单元并联时闭合，以减少二极管D505的热损耗，电力单元U2的正端与输出正端间亦并联导流二极管D502;并在一半组数电力单元的串接点间串有固态开关SSS100，以及在两组同属SW502的独立常开接点，固态开关两电力端另外分别串联输出控制开关SW504的两组独立常开接点再分别通往输出开关SW500之接点两端。输出开关SW500串联于输出电路，其与固态开关间的关系为在分级电压间作线性或斩波调节时配合SSS100及SW502、SW503的动作而操作输出开关SW500开闭，供输出电流通过。特别在电力单元组呈全部并联低压而欲藉固态开关元件作输出电力调节时，则SW500呈开路而由固态开关的输出控制开关SW504闭合，而使固态开关代替上述输出开关SW500而依其固态开关的极性串联于输出电路作为低压段的线性或斩波输出，而在低压段作连续最大输出时，可进一步闭合输出开关SW500以消除固态开关元件的压降损失，若不需此功能，输出开关SW500则可由串联控制开关SW502增设一组常开接点所取代，而固态开关的输出开关SW504亦可由并联切换开关SW503增设两组独立常开接点所取代（如图10所示），此外，若进一步增设并联于SSS100两端接点的辅助开关SW505，则可在各分级电压范围中固态开关SSS100全导通时，供闭合此辅助开关的接点以消除压降及热损耗。

上述电路中，各电力单元间作串并联切换以获得多电压输出，因此电力单元数可加以扩大以获得较多级的多电压输出，其基本切换原则可依图1、图4、图5的方式而达到，唯一不同在于其电力单元的串联平均分为两对称串联组A及组B，各组的电力单元分别各有一端藉二极管或开关分别连接固态开关SSS100两端所串接切换开关的独立常开接点组再分别藉切换开关或二极管通往另一组的同极输出端，以及藉二极管或接点通往同组各独立电力单元的同极性端，如图9实施例中A组负端系藉导流二极管D506通往负输出端或增设开关SW503供于电力单元作并联低压输出时通往负输出端，并以二极管D501通往同组U1的负端，B组正端系藉导流二极管D505通往正输出端或藉增设的开关SW503另一常开接点于电力单元作低压并联输出时通往正输出端，以及藉二极管D504通往U4的正端，在实际应用中，可自由选择以二极管或以控制开关或混合使用作为电力单元间的导流元件，若选择双向式导流元件则可使本电路结构或作被充电的反向输入，当固态开关亦选择双向性时则可进一步对输入作线性或斩波调整。

图9、10的各开关工作图如表一所示。

在图9所示应用例中，若输出电流较大则二极管组将因顺向压降而形成功率损失及发热，为避免此热损耗及压降，同样的可藉双刀双掷控制开关组SW531取代原操作开关SW501如图13所示，以及若低压并联输出时无输出调节要求，则如图14所示由开关SW502取代SW500、及SW503取代SW504。图13、14实施例并可视需要加设并联分流二极管组于双刀双掷开关的各共同接点与常闭接点间如图14所示以减少切断时的火花，其原理与图1实施例相同。

上述电路应用于无火花接通或关断顺序控制以及作为电压或电流控制调节（含缓慢增压或缓慢减压或定电压或缓慢增流或缓慢减流或定电流或监视限流）等各项功能皆如前述各例，不再赘述。

此外，基于经济考虑，亦可以图15、16所示的经济电路以构成本项电池组或多组独立直流电源的多电压驱动电路。

图15中主要为以图14为基楚，以双刀双掷开关取代图14中的SW502，并省略SW503而使各电力单元正负极所连接的分流二极管分别并联于两输入端，其电路工作原理与图1相同，只是固态开关元件两端串联同步开关组SW102而串接于其电力单元组的中段。

图16所示为此项经济型电路的实例之二，系由图5所延伸，图中除了电力单元的中段串接有固态开关元件SSS100以供作线性或斩波电压调节外，其余电路功能与图5相同。