電池組放電機的負載調整裝置的製作方法
2023-12-11 19:24:37 5
專利名稱：電池組放電機的負載調整裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電池組放電機，特別是電池組放電機的負載調整裝置，其是一種利用處理單元切換選擇正溫度係數電熱器及少數電熱絲作為放電機負載，並通過脈寬調製方式控制少數電熱絲進行電流值微調而具有體積小、性能穩定及安全性高的定電流放電機。
蓄電池組放電機是供對蓄電池組進行放電，並在放電期間計算出各種數值，以檢測判斷蓄電池組的特性，作為驗收、維護或報廢蓄電池組的參考依據。另外，也可進行交換式整流器(SMR)的加載測試。
如圖7所示，現有的電池組放電機80構造十分簡單，主要是利用內設的多組電熱絲(HEATER)81作為負載，當放電機80和電池組兩端電連接後，電池組的電能即由電熱絲81轉換為熱能而釋出。多數電熱絲81並非同時工作，而是隨電池組放電期間的電壓下降狀況而切換。如圖8所示，每一組電熱絲81分別由一組開關82所控制，假設各組電熱絲81的電流規格依序為200A、100A、50A、25A、10A等，假設開始放電時的放電電流為200A，工作人員即切下200A電熱絲81的開關82，由該組電熱絲81作為放電負載，待工作人員測得電池組的電壓下降至某一程度，則再經由開關82切換選擇其它符合當時電流規格的電熱絲81作為負載。這種現有的放電機至少存在下列缺點1．體積龐大由於單純以電熱絲81作為負載，為符合電池組的放電電流規格，每一個電熱絲81都有數千瓦，又因電流大，必須利用大型的閘刀開關82作為開關，造成放電機體積龐大而不易移動，其實際體積比例約為一般辦公桌大小，由於必須經常移動至不同的電池組處進行放電作業，由其笨重體積所帶來的不便即可想而知。
2．溫度高前述放電機是完全以電熱絲81作為負載，其進行放電時勢必轉換產生極高的熱能，由於現有放電機並未採取任何強制散熱措施，僅通過自然的空氣冷卻，無法有效降低電熱絲81上的高溫，因此，在實際作業過程中，經常可見電熱絲81呈紅熱的高溫狀態，而為因應散熱所需，放電機的機殼呈開放狀，當其內部所設電熱絲81呈高溫紅熱狀態時，勢必嚴重威脅現場工作人員的安全，故現有放電機的安全性相當不理想。
3．耗時費工現有放電機在放電過程中，有關電池組的電壓變化及因應該電壓變化連帶產生的負載切換工作，均必須由工作人員完全以人工方式手動進行，作業效率低，同時亦不易精確掌握電池組的特性變化。
由上述可知，現有放電機的構造有待改進，部分廠商曾針對前述的現有放電機加以改良，著重的改良標的在於散熱措施，其主要是在放電機上的適當位置設以工業風扇，利用風扇產生的氣流對放電機內部的負載進行強制散熱，以避免負載在放電過程中產生紅熱現象，而對現場工作人員的安全造成威脅；此作法固然解決了電熱絲的紅熱問題，然而，這种放電機依然採用電熱絲作為負載，且仍須以人工方式監測電壓變化及負載切換，因此，現有放電機在體積龐大不易移動及作業效率不佳等重大缺點上仍無法有效解決。
本實用新型的主要目的在於提供一種由處理單元控制作定電流放電的電池組放電機的負載自動切換調整裝置，主要是利用正溫度係數電熱器配合適量的電熱絲作為放電機的負載，其中正溫度係數電熱器和多數電熱絲由一處理單元所控制，通過處理單元的定電流設定，在初始狀態自動選擇工作的正溫度係數電熱器及電熱絲數目，在放電期間並由一檢測單元檢測電池組的電流變化，而由處理單元以切換電熱絲及通過PWM方式對少量電熱絲進行微調，以達定電流放電的目的。
本實用新型另一目的在於提供一種可自動切換的電池組放電機的負載調整裝置。
本實用新型的目的之三在於提供一種具有散熱作用的電池組放電機的負載調整裝置。
為達到上述目的，本實用新型採取如下技術措施在本實用新型的放電機中，主要的負載組件是由正溫度係數電熱器構成，由於正溫度係數電熱器具有體積小、散熱面積大而易於散熱等優點，故符合未來放電機的趨勢要求；再者，由於本實用新型是利用處理單元配合周邊電路以自動切換調整負載，可大大提高放電作業的效率。
本實用新型的一種電池組放電機的負載調整裝置，包括
一個處理單元；至少二組由處理單元控制其是否工作的正溫度係數電熱器；至少二組由處理單元控制其是否工作的電熱絲；一個受處理單元控制而根據放電電流變化以驅動少數電熱絲並微調其電流值的脈寬調製單元；一個檢測脈寬調製單元的脈波寬度，以便由處理單元切換所驅動電熱絲數量的檢測單元。
其中，所述處理單元的輸入端設有一個供使用者輸入設定放電條件的輸入單元。
其中，所述處理單元的部分輸出端分別連接有一個顯示器和一個印表機。
其中，所述處理單元的輸出端除連接到一個輸入/輸出單元，又以另一輸出端通過該輸入/輸出單元連接一個脈寬調製單元，輸入/輸出單元和脈寬調製單元的輸出端又分別連接一個電子開關電路。
其中，所述電子開關電路主要由金屬氧化物半導體場效應電晶體作為開關組件。
其中，所述正溫度係數電熱器及電熱絲在對應位置分別設有散熱風扇。
其中，所述脈寬調製單元主要由一個脈寬調製控制電路構成，其和所述處理單元間依序連接有一個數字/模擬轉換電路及一個比較電路；比較電路的一個輸入端通過所述電流傳感器連接到電池組的一極，其輸出端連接到脈寬調製單元。
其中，所述電池組放電機的負載自動切換檢測單元由一個高位準比較器及一個低位準比較器組成，其中，高位準比較器的正輸入端和低位準比較器負輸入端連接到脈寬調製單元，高位準比較器負輸入端和低位準比較器正輸入端分別通過一個可變電阻和電源連接。
其中，所述輸入/輸出單元包括有一個輸入/輸出控制器、兩組分別和輸入/輸出控制器連接的緩衝器、多組分別通過兩緩衝器和輸入/輸出控制器連接的電源開關組。
在啟始狀態下，由處理單元根據放電條件選擇對應數量的正溫度係數電熱器和電熱絲開始工作，並同時由脈寬調製單元控制的少數電熱絲進行微調，以進行定電流放電，而在放電過程中，電池電壓將逐漸下降，由於正溫度係數電熱器和風扇組合成定功率狀態，故正溫度係數電熱器的電流亦會逐漸升高，對於該電流升高現象，初始時是由脈寬調製單元通過改變脈波寬度而微幅調降電熱絲電流，當調降的電流變化到脈寬調製單元的控制範圍時，則由檢測單元通過脈寬調製單元檢知該信息，而通過處理單元切換部分所控制電熱絲，再同時配合脈寬調製單元的微調，這樣，周而復始使放電過程中始終維持在定電流狀態下。
與現有技術相比，本實用新型具有如下效果1．可縮小體積由於，本實用新型是利用正溫度係數的電熱器搭配少量電熱絲作為放電負載，又利用金屬氧化物半導體場效應電晶體作為開關組件，可大大縮小機體體積，如圖6所示，其是本實用新型放電機機體的外觀圖，其體積僅達現有放電機的1/3，實際重量約為30公斤，搬運或操作均十分便利。
2．安全性高由於，本實用新型是利用較大比例的正溫度係數電熱器作為放電負載，正溫度係數電熱器本身具有防止溫度過高的特性，使用上並不存在安全疑慮，本實用新型雖同時利用少量電熱絲作為負載，但本實用新型是針對每一組正溫度係數電熱器或電熱絲均設有專用的散熱風扇，可迅速降低其溫度，故使用安全。
3．穩定性佳由於本實用新型採用定電流放電，具有理想的穩定性，正溫度係數電熱器本身特性雖在導通初期出現電流浮動現象，而不適合作補償切換，但本實用新型利用前述電路裝置使正溫度係數的電熱器僅作為大電流放電負載，吸收其體積小、散熱快及安全性高等優點，至於負載自動切換部分則由輸入/輸出(I/O)單元控制數組電熱絲實現，又配合脈寬調製方式進行微調，即可精確達到定電流的目的，故具有較佳的穩定性。
結合附圖及實施例對本實用新型的結構特徵詳細說明如下附圖簡要說明
圖1為本實用新型的電路框圖。
圖2為正溫度係數電熱器的特性曲線示意圖。
圖3為本實用新型處理單元及輸入/輸出單元的電路圖。
圖4為本實用新型電子開關電路的電路圖。
圖5為本實用新型脈寬調製單元和檢測單元的電路圖。
圖6為本實用新型的立體示意圖。
圖7為現有放電機的示意圖。
圖8為現有放電機的配線示意圖。
如圖1所示，其是本實用新型的電路框圖，其同時利用一個PTC(正溫度係數電熱器)單元10及一個電熱絲單元20作為放電機的負載，PTC單元10包括數組正溫度係數電熱器11，電熱絲單元20亦包括有數組電熱絲21，其中PTC單元10佔較大比例的負載功率，電熱絲單元20所佔負載功率較小，以14仟瓦的總負載為例，PTC單元10是佔10仟瓦，電熱絲單元20則僅佔4仟瓦，在此狀態下，放電過程中的大電流均由PTC單元10負擔，電熱絲單元20僅作為負載切換和微調之用。由於正溫度係數的電熱器體積小、散熱面積大、具有理想的散熱效率，因此，可大大縮小放電機的體積，而本實用新型雖仍利用少數電熱絲作為負載，但因功率小，故不致造成大的體積問題。
由前述可知，正溫度係數的電熱器作為放電負載具備諸多優點，但本實用新型未完全以正溫度係數電熱器作為唯一的負載組件，而選擇同時使用正溫度係數電熱器和電熱絲，主要原因在於正溫度係數電熱器本身具有特殊的電流特性，在通電初期有數秒時間會出現電流陡升現象(如圖2所示)，為確保電池組能在穩定電流狀態下進行放電，乃利用少數電熱絲作為切換及微調用。利用兩種不同特性負載的相互配合，不僅可有效縮小機體體積，更可在定電流的穩定狀態下進行放電。
前述PTC單元10和電熱絲單元20的自動切換調整作業主要是通過以下的電路實現，該電路包括一個處理單元30，是用以設定、運算及控制PTC單元10和電熱絲單元20中的多數電熱絲21；一個脈寬調製單元50，是根據檢測放電電流變化以驅動微調電熱絲單元20中少數的電熱絲；一個檢測單元60，是設在處理單元30的輸入端，供檢測放電電流，以控制切換的電熱絲數量；其中處理單元30輸入端設有一個輸入單元31，輸入單元31可為一般的鍵盤，供使用者輸入設定放電電流，放電時間等數據，處理單元30另可連接顯示器，並通過適當接口和印表機聯機，其中顯示器供顯示放電電壓、放電電流、放電時間及放電容量等項目，印表機可在放電過程中同步列印報表。
處理單元30的多組輸出端是通過一個輸入/輸出單元40分別和PTC單元10中各組正溫度係數電熱器11及電熱絲單元20中的部分電熱絲21連接，以便根據使用者的設定條件經由I/O單元40以激活PTC單元10，及利用檢測單元60的檢測結果依序切換電熱絲單元20中的多組電熱絲21，以達自動切換負載的目的。
I/O單元40也同時作為處理單元30和脈寬調製單元50及脈寬調製單元50和少數組電絲22間的連接接口。
如I/O單元40的多組輸出端分別通過一個電子開關電路70和PTC單元10中各組正溫度係數電熱器11連接，其它輸出端另通過電子開關電路70和電熱絲單元20中部分電熱絲21連接，而脈寬調製單元50輸出端也通過I/O單元40及電子開關電路70和電熱絲22連接。
當處理單元30根據設定的放電電流而輸出負載控制信號時，即經由I/O單元40選擇激活對應組數的正溫度係數電熱器11及電熱絲21，其中，為避免瞬間電流過大，處理單元30每隔數秒一一激活各組正溫度係數電熱器11，經完成激活後，大電流負載部分即由PTC單元10中被激活的全部或部分正溫度係數電熱器11擔任，同時加上少數電熱絲21及可微調電流的電熱絲，可達定電流放電的目的。
由於放電過程中，電池組電壓逐漸下降，各組正溫度係數電熱器11因定功率特性而使電流逐漸上升，為維持定電流狀態，初始時是由脈寬調製單元50通過改變脈波寬度以微幅調降電熱絲的電流，以取得平衡。當脈寬調製單元50無法再通過縮小脈波寬度以降低電熱絲的電流時，則由檢測單元60通過脈寬調製單元50檢知該信息，而通過處理單元30切掉部分電流稍大的電熱絲21，同時脈寬調製單元50將自動對少數電熱絲進行微調，這樣，循環切換及微調以維持放電機在穩定的定電流狀態。
如圖1所示，脈寬調製單元50和I/O單元40間依序設有一個數字/模擬轉換電路32、一個比較電路33，比較電路33的一個輸入端通過數字/模擬轉換電路32及I/O單元40和處理單元30的輸出端連接，另一輸入端則通過電流傳感器EO連接到電池組的一極，以取得放電電流感測信號。
有關前述電路的工作方式，謹配合部分詳細電路圖說明如後如圖3所示，包括有處理單元30及I/O單元40，其中處理單元30主要包括有一個微處理器U7、一個只讀存儲器U8及一個讀寫內存U4，其中微處理器U7主要以數據總線D0～D7和I/O單元40連接。
I/O單元40包括有一個I/O控制器U2、兩組緩衝器U4、U6及多組電源開關組401～410，I/O單元40輸出端I1～I9、DUTY是通過緩衝器U4、U6分別連接到各對應的電源開關組401～410，電源開關組401～410是由電磁開關構成，其常開接點I1」～I9」、DUTY」分別連接到各組電子開關電路70，並通過電子開關電路70和各組正溫度係數電熱器11及電熱絲21連接。
如圖4所示，其表示有單一組電子開關電路70的電路，其主要由一個電晶體Q1配合多組金屬氧化物半導體場效電晶體U3～U1所組成，其中電晶體Q1的基極連接到對應的電源開關組401～410的常開接點I1」～I9」、DUTY」，由金屬氧化物半導體場效電晶體U3～U1的漏極構成的輸出端則通過正溫度係數電熱器11或電熱絲21和電池組連接，因此，當I/O單元40取得處理單元30或脈寬調製單元50的輸出信號，即將通過其各組電源開關組401～410供應電源予對應組別的電子開關電路70而激活特定的正溫度係數電熱器11或電熱絲21。
如圖5所示，其包括有前述數字/模擬轉換電路32、比較電路33、脈寬調製單元50及檢測單元60，其中
數字/模擬轉換電路32包括有一個數字/模擬轉換器U17、兩組放大器U22、U26，其中數字/模擬轉換器U17輸入接腳B1～B12是通過I/O單元40和處理單元30連接，其輸出接腳IO1、IO2則連接到放大器U22，放大器U26的輸出端連接到比較電路33。
比較電路33主要由兩個比較器U23、U24構成，其中，比較器U23的負端輸入設有一放大器U21，放大器U21通過電流傳感器EO連接到電池組的一極，以感測取得放電電流，其取得放電電流經信號放大後除連接到比較電路33外，也經由一個運算放大器U25送回處理單元30，由處理單元30判斷當時的電流狀況，以決定除已激活的正溫度係數電熱器11外，另須激活的電熱絲21組數。
比較器U23的正輸入端連接到數字/模擬轉換電路32的輸出端，以比較處理單元30的設定值及實際檢測的放電電流值，再比較器U23的輸出信號將通過另一個比較器U24作比較確認後送到脈寬調製單元50。
脈寬調製單元50主要由一個PWM控制電路U16構成，其輸出產生的工作脈波經由一個光耦合器U19作電源隔離後送到電子開關電路70，以驅動其上所設的電熱絲，當比較電路33輸出的放電電流信號有所變化時，PWM控制電路U16將隨之改變其輸出信號的脈波寬度，以微調電熱絲的工作電流。
由於已激活特定組數的正溫度係數電熱器11及電熱絲21可能無法精確達到設定的電流值，而其些微的差額並無法通過具有一定安培數的電熱絲21來補足，因此，即利用脈寬調製單元50通過改變脈波寬度的方式來微調控制少數組電熱絲的電流值，藉此可精確達到設定的電流值。
檢測單元60由一個高位準比較器U20A、一個低位準比較器U20B組成，其中高位準比較器U20A的正端輸入和低位準比較器U20B的負端輸入分別連接到脈寬調製單元50以取得其脈波寬度信號，高位準比較器U20A的負端輸入和低位準比較器U20B的正端輸入則分別經一可變電阻VR6、VR7和電源+5V連接，兩組比較器U20A、U20B分別通過可變電阻VR6、VR7設定不同高低的參考電壓，兩比較器U20A、U20B的輸出端則分別連接到處理單元30。
如前揭所述，各組正溫度係數電熱器11的溫度在放電過程中，雖電壓下降，但因定功率特性，而使電流逐漸上升，為維持定電流狀態，初始時是通過脈寬調製單元50改變脈波寬度而微幅調降電熱絲的電流，以取得平衡。當脈寬調製單元50的脈波寬度低於某一低位準時，將為檢測單元60的低位準比較器U20B所檢知，並將此信息回送予處理單元30，由處理單元30切掉某一組電流值接近的電熱絲21，其不足處再由脈寬調製單元50的微調電熱絲予以補足，而維持設定的放電電流。
反之，如脈寬調製單元50的脈波寬度高於某一位準時，則為檢測單元60的高位準比較器U20A所檢知，此一信息仍將回送給處理單元30，由處理單元30增加某一組電流值接近的電熱絲21，其不足處再由脈寬調製單元50的微調電熱絲予以補足，而以前述循環步驟交替切換，使放電機維持在穩定的定電流狀態。
由上述可知，本實用新型是利用正溫度係數電熱器作為大電流的放電負載，又利用電熱絲在放電過程中進行負載的修正補償，而為達到精確的定電流放電目的，本實用新型再通過脈寬調製單元50進行微調。如前所述，脈寬調製單元50亦控制少數電熱絲的動作，其利用改變脈波寬度方式微幅調整電熱絲的工作電流，即可配合I/O單元40控制的正溫度係數電熱器11及電熱絲21準確的符合設定放電電流的要求，進而達到定電流放電的目的。
另前述PTC單元10中各組正溫度係數電熱器11和電熱絲單元20的各組電熱絲21於對應位置分別設有散熱風扇(圖中未示)，以針對正溫度係數電熱器11或電熱絲21進行強制散熱，藉此可降低放電機的工作溫度，避免高溫對現場工作人員安全造成威脅。
由上述可知，本實用新型主要是利用前述電路裝置針對正溫度係數電熱器及部分電熱絲進行負載自動切換控制，又通過脈寬調製(PWM)方式對少數電熱絲工作電流進行微調，同時利用檢測單元的運用，可使處理單元及脈寬調製單元控制的負載作交替切換，以達到定電流放電的目的。
舉一實際數據進一步說明前述自動負載切換調整裝置的功能，假設前述PTC單元10中計有五組分別為2KW容量的正溫度係數電熱器11，當電壓為50伏特時，每組正溫度係數電熱器11為40安培，若終止電壓為40伏特，則每組正溫度係數電熱器11的電流將上升為50安培，電熱絲單元20中由處理單元30控制的各組電熱絲21分別為28、21、14、7安培，今如通過處理單元30的輸入單元31設定放電電流為200安培時，則200安培/50安培=4組，處理單元30將先激活四組正溫度係數電熱器11，如電壓為50伏特時，即合計為160安培，此時，處理單元30將經由電流傳感器檢知此一電流值，隨即選擇適當組數的電熱絲21，就本實施例而言，其可分別選擇28、7安培或21、14安培的兩組電熱絲21，合計為35安培，加上正溫度係數電熱器11計有195安培，而不足的5安培則由脈寬調製單元50激活電熱絲並利用改變脈波寬度微調其電流值予以補足，換言之，電熱絲實際的電流值為5安培。
各組正溫度係數電熱器11在放電過程中因電壓下降而使電流上升，此時，脈寬調製單元50將改變其脈波寬度而微幅調整電熱絲的電流，以維持設定的電流值。當脈寬調製單元50脈波寬度低於某一低位準時，將為檢測單元60的低位準比較器U20B所檢知，並將此一信息回送予處理單元30，由處理單元30切掉一電流值接近的電熱絲21，假設其切掉為7安培的電熱絲21，其不足處仍由脈寬調製單元50微調電熱絲22予以補足，並根據放電電流的實際變化予以微調。當正溫度係數電熱器11電流逐漸提高，脈寬調製單元50脈波寬度再度低於某一低位準時，處理單元30可切掉28安培的電熱絲21，並同時激活21安培的電熱絲21，以降低電熱絲單元20的總負載電流，其不足200安培的差額再由脈寬調製單元50自動微調電熱絲予以補足，藉此一循環切換方式，使放電電流始終穩定的維持在200安培。
權利要求1．一種電池組放電機的負載調整裝置，其特徵在於，包括一個處理單元；至少二組由處理單元控制其是否工作的正溫度係數電熱器；至少二組由處理單元控制其是否工作的電熱絲；一個受處理單元控制而根據放電電流變化以驅動少數電熱絲並微調其電流值的脈寬調製單元；一個檢測脈寬調製單元的脈波寬度，以便由處理單元切換所驅動電熱絲數量的檢測單元。
2．根據權利要求1所述的調整裝置，其特徵在於，所述處理單元的輸入端設有一個供使用者輸入設定放電條件的輸入單元。
3．根據權利要求1所述的調整裝置，其特徵在於，所述處理單元的部分輸出端分別連接有一個顯示器和一個印表機。
4．根據權利要求1所述的調整裝置，其特徵在於，所述處理單元的輸出端除連接到一個輸入/輸出單元，又以另一輸出端通過該輸入/輸出單元連接一個脈寬調製單元，輸入/輸出單元和脈寬調製單元的輸出端又分別連接一個電子開關電路。
5．根據權利要求4所述的調整裝置，其特徵在於，所述電子開關電路主要由金屬氧化物半導體場效應電晶體作為開關組件。
6．根據權利要求4所述的調整裝置，其特徵在於，所述正溫度係數電熱器及電熱絲在對應位置分別設有散熱風扇。
7．根據權利要求1或4所述的調整裝置，其特徵在於，所述脈寬調製單元主要由一個脈寬調製控制電路構成，其和所述處理單元間依序連接有一個數字/模擬轉換電路及一個比較電路；比較電路的一個輸入端通過所述電流傳感器連接到電池組的一極，其輸出端連接到脈寬調製單元。
8．根據權利要求1所述的調整裝置，其特徵在於，所述電池組放電機的負載自動切換檢測單元由一個高位準比較器及一個低位準比較器組成，其中，高位準比較器的正輸入端和低位準比較器負輸入端連接到脈寬調製單元，高位準比較器負輸入端和低位準比較器正輸入端分別通過一個可變電阻和電源連接。
9．根據權利要求4所述的調整裝置，其特徵在於，所述輸入/輸出單元包括有一個輸入/輸出控制器、兩組分別和輸入/輸出控制器連接的緩衝器、多組分別通過兩緩衝器和輸入/輸出控制器連接的電源開關組。
專利摘要一種電池組放電機的負載調整裝置,包括:一個處理單元;至少二組由處理單元控制其是否工作的正溫度係數電熱器;至少二組由處理單元控制其是否工作的電熱絲;一個受處理單元控制而根據放電電流變化以驅動少數電熱絲並微調其電流值的脈寬調製單元;一個檢測脈寬調製單元的脈波寬度,以便由處理單元切換所驅動電熱絲數量的檢測單元。本負載調整裝置主要由脈寬調製方式對少量電熱絲進行微調,達到定電流放電,並解決了現有放電機體積大、溫度高、安全性不佳的缺點。
文檔編號H02J7/00GK2432686SQ0023893
公開日2001年5月30日 申請日期2000年6月16日 優先權日2000年6月16日
發明者蔡宏利 申請人:蔡宏利