用于电池组系统的无变压器静态电压逆变器 本发明涉及电池组储能或燃料电池组产生能量的系统，使用了静态电压逆变器在向电力负载供电的时候将电池组中储存或产生的电能由直流转换为交流。
静态电压逆变器用于将直流电转换为一特定电压的交流电(例如240VAC)，被普遍使用在可再生能源装置、“平衡负载”装置、电动汽车等等使用蓄电池组或燃料电池单元原电池组向交流负载供电的场合。
将基本电池单元电池组的直流电压，无论是蓄电池单元或二次电池单元还是原电池单元，例如燃料电池单元，转换为电压频率实质上近似于标准市电网电压频率的交流电，对于明显的兼容性理由而言是一个重要的必备性能，而对于在断电情况下必须启用以保证重要设备继续工作的紧急设备(UPS)来说又经常是绝对必要地，更常见用于“市电连接”系统。
图1所示为一可充蓄电池组系统的功能图，其中所示例子为钒氧化还原流体电池组。
对于熟练技术人员而言，明显的是图1所示的逆变器，无论其直流电源为任意一种蓄电池组还是一燃料电池单元电池组，从功能的角度来说都是相同的。
使用蓄电池组对于不与任何市电网相连的光伏(太阳能)电池板系统来说是实际且绝对必要的。氧化还原流体电池组比其他类型的蓄电池组更为方便。
在氧化还原流体电池组当中，所有的钒电池组，例如在电解阳极和电解阴极各使用了一钒-钒氧化还原对的电池组，尤其具有优势。
使用了钒氧化还原流体电池组的储能设备其性能已经在DaiichiKaisuda和Tesuo Sasaki发表在IEEE2000上的文章中得到了详尽的报道和总结。
有大量的文献描述了氧化还原流体电池组尤其是钒氧化还原流体电池组。因此，对于这类电池组相较于其他电池组所具有的特性和优势进行详尽的描述对说明本发明显得并不必要。
在氧化还原流体电池组的诸多优势里，值得一提的是它们对不同的充电电压都具有适应性。为了实现这个目的，可以在由组成电池组的基本电池单元串联构成的电链路中使用中间接头。根据可使用电源的电压，选择多个适当的接头以匹配合适数目的电池单元来形成充电电压。这种方法可行性在于，不同于其它类型的蓄电池组，氧化还原流体电池组系统中能量储存在循环流过电池单元且贮藏在两个独立箱体中的电解液里。电池组实际代表了一种电化学装置，其中电能转化为化学能，反之亦然，而电极在充放电的过程中没有发生任何化学变化。
另一方面，光伏电池板在受到光源照射的时候会输出电流以驱动电力负载，然而，如果有一超过一定值的反向电压加在光伏电池板上，输出电流就会为零。
光伏电池板的电压-电流特性为一典型的“膝型”曲线，曲线与x轴(电压)及y轴(电流)所包含的区域代表了从电池板输出电功率的区域。
基于以上的考虑，很明显的是当输出电压靠近电压-电流特性曲线与x轴的交点时，输出功率(表现为最长边平行于x轴的矩形的面积)就会变得很小，同样地，当输出电压变得很小的时候可以获得的功率也会减少。
实际上，在特性曲线的工作区有一个输出电压值，对应该值的电压-电流区的矩形面积为最大，也就是说，电池板输出的可用功率为最大。
上述的最大功率随着照射条件的变化会迅速地变化。当然，太阳能电池板的电压-电流特性随着照射参数的变化而呈函数变化，实际上是随着照射参数的函数而得到互相有所偏离的电压-电流曲线。
由于光伏电池板的这种电压-电流特性，光伏电池板的最大输出功率会随着照射条件的变化而迅速发生变化。
很明显地希望可以最大程度地开发可用功率以对一个或多个蓄电池组进行充电，实现这个目的的一种很方便的方法就是使用一个具有多个中间电压接头的氧化还原流体电池组。在现有照射条件下，光伏电池板的一个接线端自动切换到一最佳中间电压接头，使得电池组电压尽可能接近现有照射条件下的光伏电池板电压-电流特性曲线的峰值电压。
有很多可以完成这种功能的自动开关装置，一般公知的为MPPT，即最大功率值跟踪器，可以优化光伏电池板电流源对氧化还原流体电池组的充电条件。
很显然，这种系统相对于使用了DC-DC转换器从光伏电池板吸收能量，其电压与光伏电池板的照射条件最为相宜且调节该电压以达到特定的预先设定的适于对一个或多个蓄电池组进行充电的稳态输出电压的系统来说，显得更为方便。
甚至是在考虑向不同类型的电力负载供电的时候，氧化还原流体电池组的优势在于可以支持向一负载提供电流，从一特定数目的基本电池单元即在一相应的直流输出电压下，输出电流幅值为其它电池单元输出电流的几个数量级，该电池单元可以属于相同或不同的电池组，通过了特定的中间接头对，利用了如前所述的氧化还原流体电池组的特性。
这样，在特定的功能条件下，一个电池组就可以被看作是一个电子自动变压器或是一电子变压器，其中具有绕组串联着的基本单元，只是其中起作用的是化学能而不是磁能。
在考虑氧化还原流体电池组在很多重要应用中的特殊关联之后，接下来要描述的应当是氧化还原流体电池组系统，尽管存在着事实，即在使用了其他类型的电池组，特别是燃料电池单元电池组，而非氧化还原流体电池组的情况下，也会给与同样的考虑。
选择静态电压逆变器在开发基本电池单元电池组的能量存储或生产容量时，对系统的全部能量转换效率会产生巨大的影响。
通常情况下，逆变器的效率从满负荷时的最大值94％到低负荷水平的60％呈逐步递减。
众所周知的是，静态电压逆变器使用了直流电路中实现静态开关功能的功率开关元件，例如可控硅(SCR)，双极结型晶体管(BJT)，绝缘栅双极晶体管(IGBT)或是场效应晶体管(MOS)，用以实现周期性地切换供电线路和变换着极性的负载之间的连接的这种设计。这样，就实现了对负载提供交流电压，其频率取决于功率开关的切换频率。交流电压一般情况下为一方波电压，其振幅实际等同于由电池组电压源提供的直流电压，通过一合适的电路且通过引入一输出滤波器就可能得到近似正弦波的输出电压。
有很多种公知的功率逆变器，每一种都已在相关的文献中得到了很详尽的讨论。
“反相逆变器”和“桥式逆变器”是公知的电路，通常使用感性负载和/或变压器以及关断电容器来协调交替地关断特定功率开关，这些功率开关一般由晶闸管元件构成。
具有正弦输出的逆变器是已知的，从其可以得到近似于正弦的输出电压波形。这种逆变器同样可以是利用电感或变压器与一电容器进行串联的桥式逆变器。通过调整与电容器串联的负载的等效电感及其它阻抗来获得所需的输出频率，就可能得到一近似于正弦的输出波形。
当电池组为电源时，必须借助通常用于交流稳压的系统来对从逆变器输出的交流电压进行稳压，这样的系统可以是滑动接触自动变压器，磁芯饱和稳压器诸如此类。
不拘于型号所限，具有多个基本电池单元的储能或产生能量的设备使用了多电池单元的电池组，也就是由许多基本电池单元电气串联而成的电池组。当然这样的设备甚至可以采用多个多单元电池组，这些电池组依据一般的串-并联结构实现电气连接，以确保在特定的电压下得到所需的供能容量。
在对蓄电池组充电时，与充电直流源的连接方式可以相同于，或更为常见的，相异于放电过程所实现的连接，并且相异的连接方式可以通过设置转换开关和/或路径选择器来自动实现。
变压器开关模式的驱动，例如典型逆变器电路中的电感，决定了对于开关来说尤其繁重的运行条件，无论这种开关是SCR、BJT还是MOS。它们必须被精确地控制以防出错。这种功能一般由适当的开通控制和热保护电路来实现。
逆变器中一般使用的变压器和/或电感除了消耗能量以外还较为昂贵，因为它们经常必须具有一些特质。
当要求输出一实质上为正弦波电压的时候，逆变器的成本就会变得相当大，原因在于为了确保精确的、足够连续的频率以及最终对输出电压进行滤波，设备的复杂度大大增加了。
现在已经发现了同时也是本发明的目的所在，一种新型的方法以及一种相关的逆变器，其在实质上不需要任何的电感(或变压器)以及关断电容器，并且相较于已知的逆变器而言其效率得到了提高。更进一步的是，本发明逆变器的重量显著减少，且特别适用于将一由相当数目的基本电池单元电气串联而成的电池组所提供的直流电转换为一电压特定的交流电，该交流电实际具有正弦波形而频率则由一具有数个开关的控制驱动电路来加以精确地确定。
尽管本发明可以在很多应用场合替代已知的逆变器，本发明的逆变器尤其适用于一氧化还原流体电池组系统或是原燃料电池单元或光伏电池单元的电池组系统。
根据本发明的第一种实施例，这种新的从电气串联基本电流源电池组，如蓄电池组，原燃料电池单元及光伏电池板的电池组，以特定交流电压和预先设定的频率产生电能的方法，包括：
提供若干形式为电气串联基本电池单元的直流电流源，沿着基本直流电流源的链路设立N个中间接头，使得包含在一特定中间接头与另一个相邻中间接头或电串联的一接线端之间的基本电池单元数目与一个象限内所产生交流电压波形的N个离散相位的相应相位间隔中的振幅成正比。
提供N个功率开关，每一个都将一相应的中间接头和电串联基本电池单元的第一接线端连接到第一极性的共同电路节点。
使所述第一极性的共同电路节点，以及极性与所述第一极性相反的电串联基本电池单元的另一接线端，联结到一个由成对控制的至少四个功率开关构成的桥级输出的相应的节点，该桥级的另外两个节点构成了交流电压输出。
在N次开关的时间内，以持续的方式连续地周期性地切换一个开关，每一次的时间间隔对应着交流输出电压周期的1/(4N)，且每过半个周期就切换一次通过桥级电流的路径。
实际上，本发明的逆变器没有利用电感和电容来产生需要的交流波形。它使用了一功率开关阵列以及一由一时钟信号产生的脉冲驱动来控制的，用于切换电流路径(极性)的桥级。
关于电压，参照着电气串联的基本电池单元链路的一特定极性接线端的电势，这N个开关，基于它们在对应一离散相位的短时间间隔内的动作，将一数目连续不断地周期性地增减的基本电池单元连接到了共同节点上，从而在共同电路节点产生了一离散电压的半波，可以是例如正弦波。连续的半波其极性的转换通过在交流波形频率的每半个周期过后转换经过输出桥级的输出路径来实现。
N个功率开关阵列的控制驱动电路的一个输出总线由N条线构成，这N条线中只有一条在任一瞬间为有效的逻辑状态，例如“I”，而其他的N-1条线则处于无效逻辑状态，例如“O”。在实际运行时，这种有效逻辑状态以持续不断的状态连续地周期性地从一根线切换到另一根线，以连续的向前向后的方式重复着这种N相位切换。
在实际中，在共同电路节点上，其电压参照基本电池单元电气连接电链路的一接线端节点的电势，有一不间断的连续半波，每一个半波都由N个功率开关阵列的N线控制总线的一个完整的向前向后的相变循环产生。
同一个控制驱动电路有一四根线的第二输出总线，在用一单独输出桥级产生单相交流电的时候，在任何的瞬间其中的两根线为有效逻辑状态而两外两根为无效逻辑状态。每次经过输出交流电压产生频率的半个周期，两对控制线的逻辑状态就会翻转，这样就对通过桥级的输出电流路径进行了转换，从而也就转变了新的半波与刚完成半波的极性。
这样，就有效地得到了一个输出交流电压，例如一个具有极少量低序谐波的实质正弦电压，且其谐波的总量还可以通过更为细致的离散正弦波的方法，例如通过增加中间接头以及独立的功率开关的数目N的方法来减少。
应该谈及的是，本发明提供的逆变器和典型的使用光伏电池板和氧化还原流体蓄电池组的太阳能装置的独特的配合使用。
为了实现本发明的静态逆变而使用在由基本电池单元串联而成的电池组上的中间接头，同样可以使用在一种所谓的MPPT系统中，通常用于以最佳方式来探测光伏电池板提供的功率，后文将对其进行较为详尽的描述。
实际上，凭借这种使数个基本电池单元与输出节点相继连接以产生所需伏值的正弦电压的可能，依据本发明而组合起来的一种电池组-逆变器就可以按照预先设定的交流电压和频率输出电能，而与负载的特性无关，使用一电压较低的直流电源，例如光伏电池板，无需变压器和/或电感器，就可以实现非常高的光能转换为交流电能的转换效率。
通过以下对有意义的实施例的描述并参照附图，本发明的各个方面和优势将会变得很明显，其中：
图1表示的是一电池组系统，使用了逆变器来输出交流电，交流电压和频率为预先设定；
图2为本发明逆变器的基本构图；
图3以图表的方式表示了本发明逆变器的功能；
图4为本发明逆变器的基本构图，其中间接头具有另一种组织方式；
图5为嵌入了本发明的光伏(太阳能)电池板装置的基本构图；
图6a和6b以图示的方法比较了一形式为电池组的直流自动变压器和一交流自动变压器；
图7a和7b比较了一形式为电池组的直流变压器和一交流变压器；
参照图2，基本电池单元串联电链路的不同的中间电压接头的形成是采用了12(N＝12)个电池组，B1，B2，…B11，B12，每一个电池组都由一数目预定的基本电池单元构成，以适合，在所考虑的例子里，第一象限正弦三角函数值。
在所描述的实施例中，第一个电池组由34个电池单元构成，第二个电池组由32个电池单元构成，第三个由30个电池单元构成，以此类推，第十二个电池组仅由两个电池单元构成。
在这样一个电压特定的直流电流电源里，每一个中间接头都对应了一个随着第一象限内的正弦三角函数变化着的电池组电压(当然电池单元的数目也与相应电池组的终端电压成比例)，且都与一个功率开关Q1，Q2，Q3，…Q11和Q12发生联系，功率开关将每一个中间接头和电池组阵列的最后一个电池组的正极(+)连接到一个标注为+符号的电路共同节点。
电池组阵列的第一个电池组B1的另一端(-)构成了标注为-符号的电路节点。
四个功率开关Q15，Q16，Q13以及Q14与标注符号为+和-的两个电路节点结合构成了一个典型的桥级，并作为交流输出。
一个控制驱动模块，脉冲控制驱动器，有一至少由N条线构成的第一输出总线I，每一条线都与N功率开关阵列中的一个功率开关，Q1，Q2，…Q12的一个控制端相连，以及一个至少包含有四条线的第二输出总线II，分别与四个功率开关Q13，Q14，Q15以及Q16的控制端相连以构成转换输出电流路径(极性)的输出桥级。
图3以图表描述了本发明逆变器的功能。上端的表格表明了控制总线I的十二条线的逻辑状态，例如十二个功率开关Q1，Q2，Q3，…Q11，Q12的工作状态(1)和静止状态(0)，以及控制总线II的四条线的逻辑状态，例如选择通过桥级的电流路径的四个功率开关Q13，Q14，Q15以及Q16的工作状态(1)和静止状态(0)，在十二个时间间隔，也就是在正弦函数第一象限的十二个离散相位。
图3为理想化的波形，原因在于十二个功率开关切换的每一个相，当输出交流电压的模值增加时，切换到一个新的相位所增加的包含在输出电流电路中的基本电池单元，都需要一定的时间来达到它们的满偏电压值。
在使用钒氧化还原流体电池组的情况下，为了达到稳定电压所需时间的数量级会是几百微秒，而即使使用的是燃料电池单元，这种时延也在几百微秒之内。这两种情况下的时延都满足本发明逆变器产生频率为50或60Hz的交流电压的功能。
在实际中，这种新增加电池单元的时延会产生一时钟频率的纹波，这对于很多电力负载来说是完全可以承受或必要时可以容易滤掉的。由于新增加电池单元的时延而造成的最终输出能量的偏差在设计的时候可以做最大的估计，每次切换时输出电流电路中包含足够数目的原电池单元以确保输出交流电压的正确均方根值。
图3下部所示的每一个离散的时间间距，表示了交流输出电压的理想的波形(理想的正弦波)。
当然，实施例中设置的N个(所述例子中N＝12)在每一个切换间隔里对应具有所需峰值电压的正弦函数的中间接头，可以有不同的用基本电池单元数量来构成的方法，这些基本电池单元被相继地包含在电路中，如图2所示。
图4中，中间接头的组成与图2中的具有同样的功能，使用了多单元电池组B1，B2，B3，B4和B5，每一个都有一个或多个中间电压接头从而允许了有选择地在电路里包括数个电池单元，电池单元的数目由第一象限内所设计的正弦函数的数值决定。
很容易看出，图2和图4实施了同样的离散方法，而无论从哪一个角度来看其功能都是相同的。
更进一步，可以容易看出，电压接头以及相关的一个离散相位间隔的各个功率开关Q1，Q2，Q3，…的控制线的工作顺序，并非必须遵循一种根据正弦函数一个象限内的N个离散相位的扫描方向而进行增减的顺序。接头(多单元电池组)的组织可以采用任何一种相继地周期性地选择N个中间接头的方式，只要交流函数，在实施例中其为正弦函数(正弦或余弦，其相关的功能以及任何正弦函数的功能在本发明方法中实质上都是相同的)，的离散可以实现。
脉冲控制驱动电路模块为本领域技术人员所熟知的。
除了包含与两个输出总线I和II的线数目相同的输出缓冲器，用以满足各个功率开关Q1…Q16的驱动需要外，从功率开关的逻辑功能角度考虑，可以通过软件或硬件来实现相关的功能。
根据一种可能的硬件解决方法，脉冲控制驱动模块包括一离散所需波形的时钟发生器，对所产生的交流电每一象限区间的N相位切换进行计时，并且例如通过一个或多个增减计数器在每半个周期结束点使通过桥级的电流路径即极性的转变时刻同步。
显然，当中间电压接头是按照顺序选择的时候，如图2和图4所示的两个可选实施例，总线I的N条线的驱动缓冲器的控制可以通过一个很简单而有效的方法实现，即使用一移位寄存器或等效的电路。
显然，依照所使用功率开关的不同，每一个缓冲器都可以依照公知技术集成电源装置里的控制电路，以防止开关的误操作或在探测到危险的工作状态时使开关切换无效。
同样明显的是，在提供足够数量的中间电压接头的条件下，甚至可以通过简单编制从可能接头中适当选择一特定数量N个中间电压接头的选择顺序，来设计所需交流输出的额定电压。这样就可以在调整交流频率的同时实现对交流额定电压的调整，而无需变压器。
甚至输出波形都可以设计成不同于正弦波的其他形状。
值得一提的是，多单元电池组B5的组成基本电池单元的面积可以减小(比电池组B1的基本电池单元的面积小4到5倍)，因为它工作(在放电相位)的相对时间较短(位于正弦曲线的顶峰)。当很小的放电期间代替了相对较长的静止期间的工作状况发生时，氧化还原流体电池组完全可以承受高达额定功率4或5倍的超负荷。可以选择的是，电池组的基本电池单元的面积可以随其在本发明逆变器放电相位期间的相对“占空比”的不同而变化。
图5所示为根据本发明实现的一种光伏(太阳能)电池板装置。
例如，通过采用12个额定电压为12V的电池板，将它们串联起来就可以得到额定电压为144V的电压。
采用由基本电池单元构成的氧化还原流体电池组上的不同的中间电压接头，就可能在光照条件下，获得值接近于电压电流特性曲线上对应电池板任何时刻可输出最大功率的点的反向电压。
更进一步，在同样的氧化还原流体电池组(或串联电池组)上，可以依据上述方法组织中间电压接头以及相关的功率开关，以直接输出一正弦交流电压。
在这种情况下，理论上可以产生的交流电压其峰值为144V或由于上述的原因而偏低一点，其电压均方根值为110V或由于上述的原因而偏低一点。
在如图示所建议性描述的设计下，可以从本发明逆变器构造出一种产生峰值为144V波形为正弦的方法。
显然，逆变器的中间电压接头可以直接设计在功能等同于初级光伏电池单元的光伏电池板上。在这种情况下，一个氧化还原流体电池组可以被用作一个电压稳定缓冲元件并最终将太阳照射而产生的多余能量储存起来。
图6a和6b以及7a，7b为建议的示意图，强调了一个电子自动变压器(图6b)与一氧化还原流体电池组自动变压器(图6a)以及一电子变压器(图7a)与一氧化还原流体电池组变压器之间的类推。
尽管存在力求简化的事实，本发明描述了单相交流输出的情况，这样系统就可以“三倍化”以产生三相交流电。