TWI523371B

TWI523371B - Electronic load switching system

Info

Publication number: TWI523371B
Application number: TW103114734A
Authority: TW
Inventors: 發明人放棄姓名表示權
Original assignee: 林新輝
Priority date: 2014-04-23
Filing date: 2014-04-23
Publication date: 2016-02-21
Also published as: CN105006850A; TW201541802A

Description

電子式負載切換系統

本發明係有關於一種電子式負載切換系統，尤其是利用多個電晶體及/或多個二極體取代繼電器以實現不同電氣迴路的電子切換功能。

隨著各種可攜式電子裝置的日益普遍，比如手機、平板電腦、筆記型電腦、電動遊戲器、藍芽耳機、影音播放機、遙控器、無線滑鼠、無線鍵盤等等，提供電力來源的電池也愈為重要，尤其是需要能長時間工作且充放電次數愈多的高性能二次電池，比如輕、薄、短、小的高容量二次鋰電池。

二次電池的充放電特性非常重要，包括充電的電流、電壓及時間，放電的電流、電壓及時間，通常是在放電能力下降到預設值時啟動充電程序，並在充電達到飽合時啟動放電程序。由於電池本身的電化學特性，常常需要在充電啟始階段使用較大的充電電壓或較大的充電電流，直到電池穩定後，以定電壓或定電流充電，等到接近飽合時，需要以較低的電流進行最後的充電步驟。對於放電程序，一般為定電流、定電壓或定電阻放電，視實際需求而定。因此，整個充放電過程中，電池本身所感測到的外部電阻會隨著時間而適當變化，亦即電池的負載為變動值，而非固定值。

實務上，業界測試二次電池的充放電是使用具有主動改變負載的負載切換系統，其主要架構可參考第一圖，習用技術負載切換系統的示意圖。在第一圖中，習用技術的負載切換系統包括輸入整流單元QR、控制器11、控制電晶體13、分流元件15、第一繼電器G1、第二繼電器G2、第三繼電器G3、第四繼電器G4、保護元件FU，並由控制器11控制輸入整流單元QR、控制電晶體13、分流元件15、第一繼電器G1、第二繼電器G2、第三繼電器G3、第四繼電器G4為導通或關閉，進而形成充電迴路及放電迴路。

具體而言，充電迴路包含依序相互連接的輸入整流單元 QR、控制電晶體13、分流元件15、第一繼電器G1、保護元件FU、電池BTT及第四繼電器G4，並由控制器11控制成導通，如圖中的充電方向D1所示，同時第二繼電器G2、第三繼電器G3為關閉，使得外部電源單元20提供外部電源PWR而對電池BTT進行充電。

此外，放電迴路包含依序相互連接的第二繼電器G2、控制電晶體13、分流元件15、第三繼電器G3及電池BTT，如圖中的放電方向D2所示，並由控制器11控制成導通，同時第一繼電器G1及第四繼電器G4為關閉，提供放電路徑給電池BTT。

上述的第一繼電器G1、第二繼電器G2、第三繼電器G3、第四繼電器G4一般為繼電器，主要是藉切換不同機械式的接觸點而達到導通或關閉。

然而，習用技術繼電器的主要缺點為機械接點的使用次數有限制，且機械接點的切換速度相當低，尤其是，充電及放電迴路在瞬間斷路時，常常會發生危險的高壓電弧，影響操作的安全性。

因此，很需要一種電子式負載切換系統，利用電晶體實現切換元件，解決傳統式繼電器機械接點的使用次數限制，並可避免在瞬間切斷充電迴路或放電迴路時發生高壓電弧，改善電氣操作的安全性，藉以解決上述習用技術的問題。

本發明之主要目的在提供一種電子式負載切換系統，包括輸入整流單元、控制單元、第一切換元件、第二切換元件、第三切換元件、第四切換元件、第五切換元件、第一保護元件以及第二保護元件，用以形成充電迴路及放電迴路，其中輸入整流單元、第一切換元件、第二切換元件、第三切換元件、第四切換元件、第五切換元件是由控制單元控制，藉以切換充電迴路、放電迴路，且充電迴路是提供外部電源單元對電池進行充電，而且電池可利用放電迴路進行放電，其中外部電源單元、輸入整流單元、控制單元、第一切換元件、第二切換元件、第一保護元件、電池、第四切換元件形成充電迴路，而第二保護元件、第五切換元件、控制單元、第三切換元件、電池形成放電迴路。

上述第一切換元件、第二切換元件、第三切換元件、第四切換元件、第五切換元件是由電晶體實現，比如金氧半(MOS)電晶體，因而解決傳統式繼電器機械接點的使用次數限制，並提高切換速度，同時可避免在瞬間切斷充電迴路或放電迴路時發生高壓電弧，改善電氣操作的安全性。

10‧‧‧控制單元

11‧‧‧控制器

13‧‧‧控制電晶體

15‧‧‧分流元件(SHUNT)

20‧‧‧外部電源單元

BTT‧‧‧電池

D1‧‧‧充電方向

D2‧‧‧放電方向

F1‧‧‧第一保護元件

F2‧‧‧第二保護元件

FU‧‧‧保護元件

G1‧‧‧第一繼電器

G2‧‧‧第二繼電器

G3‧‧‧第三繼電器

G4‧‧‧第四繼電器

PWR‧‧‧外部電源

QR‧‧‧輸入整流單元

SW1‧‧‧第一切換元件

SW2‧‧‧第二切換元件

SW3‧‧‧第三切換元件

SW4‧‧‧第四切換元件

SW5‧‧‧第五切換元件

第一圖顯示習用技術負載切換系統的示意圖。

第二圖顯示本發明第一實施例電子式負載切換系統的系統示意圖。

第三圖顯示本發明第一實施例電子式負載切換系統的另一示範性系統示意圖。

第四圖顯示本發明第二實施例電子式負載切換系統的系統示意圖。

第五顯示本發明第二實施例電子式負載切換系統的另一示範性系統示意圖。

以下配合圖式及元件符號對本發明之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。

首先，請參閱第二圖，本發明第一實施例電子式負載切換系統的系統示意圖。如第二圖所示，依據本發明第一實施例的電子式負載切換系統主要是包括輸入整流單元QR、控制單元10、第一切換元件SW1、第二切換元件SW2、第三切換元件SW3、第四切換元件SW4、第五切換元件SW5、第一保護元件F1以及第二保護元件F2，用以提供電池BTT進行放電，或由外部電源單元20對電池BTT進行充電，亦即等效上是以動態切換方式提供電子式負載給電池BTT。進一步，控制單元10包括控制器11、控制電晶體13以及分流元件(SHUNT)15，且輸入整流單元QR、第一切換元件SW1、第二切換元件SW2、第三切換元件SW3、第四切換元件SW4、第五切換元件SW5的閘極是由控制器11所控制，且控制器11控制進一步控制電晶體13的閘極以及分流元件15，藉以提供充電迴路及放電迴路。

上述的輸入整流單元QR、第一切換元件SW1、第二切換元件SW2、第三切換元件SW3、第四切換元件SW4、第五切換元件SW5可由電晶體實現，比如具有較快切換速度及較低消耗功率的金氧半(MOS)電晶體，或者輸入整流單元QR、第二切換元件SW2及第五切換元件SW5可為二極體，其中要注意的是，第二圖的實施例是使用電晶體以構成輸入整流單元QR、第一切換元件SW1、第二切換元件SW2、第三切換元件SW3、第四切換元件SW4、第五切換元件SW5。

此外，電池BTT為可多次充放電的二次電池。

具體而言，外部電源單元20的正極、輸入整流單元QR、控制電晶體13、分流元件15、第一切換元件SW1、第二切換元件SW2、第一保護元件F1、電池BTT的正極、電池BTT的負極、第四切換元件SW4及外部電源單元20的負極是依序連接而形成充電迴路，如圖中的充電方向D1所示，其中輸入整流單元QR、控制電晶體13、分流元件15、第一切換元件SW1、第二切換元件SW2、第四切換元件SW4是由控制器11控制成導通，同時第三切換元件SW3及第五切換元件SW5為關閉。因此，外部電源單元20可提供外部電源PWR，並利用充電迴路而對電池BTT充電。

此外，電池BTT的正極、第二保護元件F2、第五切換元件 SW5、控制電晶體13、分流元件15、第三切換元件SW3及電池BTT的負極是依序連接而形成放電迴路，如圖中的放電方向D2所示，並由控制器11將第五切換元件SW5、控制電晶體13、分流元件15、第三切換元件SW3控制成導通，且第一切換元件SW1、第二切換元件SW2、第四切換元件SW4為關閉，使得電池BTT可利用放電迴路而放電，亦即放電迴路當作電池BTT的負載迴路。

本發明的電子式負載切換系統可利用適當切換充電迴路及放電迴路，藉以測試電池BTT的充電、放電特性，或檢驗電池BTT的電氣特性是否符合預設的規格，比如充電電壓、充電電流、可充電容量、充電次數、放電電壓、放電電流、可放電容量、阻抗變化等等。具體作法是，控制器11可經由分流元件15而獲得與電池BTT的充電電流及放電電流相關的精確電流，並配合所需的充電、放電特性，比如電池BTT的規格所設定的最佳充電、放電曲線，據以控制控制電晶體13、第一切換元件SW1、第二切換元件SW2、第三切換元件SW3、第四切換元件SW4、第五切換元件SW5的導通程度或關閉，藉以控制充電、放電的導通電流。例如，在進行充電時，可改變控制電晶體13的導通程度而直接控制外部電源單元20的供應電流，或調整第一切換元件SW1、第二切換元件SW2、第四切換元件SW4的閘極的驅動電壓而改變充電迴路的等效電阻，進而控制電池BTT的充電電流。

第一保護元件F1及第二保護元件F2可為保險絲或電磁閥開關，用以在電流、電壓或電功率超過預設額定值時形成斷路，藉以保護電路上的其他元件，避免損壞。

此外，控制器11可具有資料儲存功能，用以記錄電池BTT 的整個充電、放電循環的電氣資料，並可藉適當介面，比如乙太網路，而進一步傳送至遠端的處理裝置(圖中未顯示)，比如伺服器主機，進行更加仔細的電氣分析。例如，電池本身的可使用電容量是代表電池的電力供應品質，一般而言，可使用電容量下降到某一程度即表示電池需經常充電而達不到預設電力供應時間的要求，通常此時的充電次數可當作電池使用壽限的指標。

第三圖為本發明第一實施例電子式負載切換系統的另一系統示意圖，其技術特徵係類似於第二圖，而主要不同點在於第二實施例的電子式負載切換系統是以二極體實現輸入整流單元QR及第五切換元件SW5，有別於第一圖中利用MOS電晶體構成的輸入整流單元QR及第五切換元件SW5。亦即，在電氣操作的等效功能上，第三圖中的輸入整流單元QR及第五切換元件SW5是利用二極體提供整流作用，使得輸入整流單元QR在充電時為導通，且第五切換元件SW5為關閉，因此由外部電源單元20的供應電流可經輸入整流單元QR而流向控制電晶體13，不會流過第五切換元件SW5，達到隔離作用。同樣的，在放電時，輸入整流單元QR為關閉而第五切換元件SW5為導通，使得放電電流可流過第五切換元件SW5而到達控制電晶體13，且不會流過輸入整流單元QR，確保放電路徑不受干擾。其餘相同元件的特性在此不再贅述。

同樣的，第一實施例的第二切換元件SW2也可用二極體取代電晶體，並能表現相對等的電氣功能。

參考第四圖，本發明第二實施例電子式負載切換系統的系統示意圖，而要注意的是，第四圖的第二實施例的技術特徵係類似於第二圖的第一實施例，主要不同點在於第二實施例的電子式負載切換系統不包括第二保護元件F2，其餘的元件相同。亦即，充電迴路及放電迴路都只使用第一保護元件F1，不同於第一實施例的充電迴路是使用第一保護元件F1，而放電迴路使用第二保護元件F2，可進一步簡化電路結構，降低成本，改善操作穩定性。其餘相同元件的特性在此不再贅述。

此外，進一步參考第五圖，本發明第二實施例電子式負載切換系統的另一示範性系統示意圖，主要是類似於第四圖的架構，不同點在於第五圖的示範性實例是使用二極體構成輸入整流單元QR及第五切換元件SW5，而第四圖是利用MOS電晶體。其餘相同元件的特性在此不再贅述。

同樣的，第二實施例的第二切換元件SW2也可用二極體取代電晶體，並能表現相對等的電氣功能。

綜上所述，本發明的主要特點是在於利用電晶體實現切換元件，可依據預設的最佳充電及放電條件以切換充電路徑及放電路徑而提供給待測的充電電池進行充電及放電循環，尤其是可長時間測試並檢測充電電池的充電放電的電氣特性，比如充電、放電的切換電流及切換電壓，充電、放電的電流及電壓曲線等等。因此，本發明的電子式負載切換系統可解決傳統式繼電器機械接點的使用次數限制及接觸不良的問題，並提高充電迴路及放電迴路之間的切換速度，同時還可進一步避免在瞬間切斷充電迴路或放電迴路時發生高壓電弧，改善電氣操作的安全性。

本發明的另一特點是在於針對充電迴路上的輸入整流單元及放電迴路上的第五切換元件，使用二極體取代電晶體，藉以簡化整體電路，提高電氣操作效率及穩定性，並降低成本。

由上述說明中，可顯而易見的是本發明的技術特徵並未見於已公開的刊物、期刊、雜誌、展場、網路資訊，因此具有技術新穎性，且本發明可具體改善現有電池充放電的測試效率並降低成本，因而確實大幅增進產業的利用性。

以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。