CN101171147A - 轮式物体的动力发电系统和方法 - Google Patents

Abstract

轮式物体的动力发电系统包括机构连接在物体的一个或多个轮上的发电机，该发电机可以将轮的旋转能转换为电能。该动力发电系统可以包括电存储装置，该电存储装置被配置成存储所述发电机产生的电力。来自发电机和/或电存储装置的动力可以用来向物体内或物体上的其它电力系统提供动力。在某些优选实施例中，电存储装置包括一组串联的高容量电容器。一些实施例使用控制电路，例如，来调节电容器组的充电和放电并为其它系统提供适当的电压。在一些实施例中，动力发电系统被配置成被安装在物体的轮内。

Description

轮式物体的动力发电系统和方法

相关的优先权申请

【0001】根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求2005年3月18日提交的美国临时专利申请第60/663,147、60/663,327和60/663,195号的优先权，并且其全部内容被并入本文作为参考。本申请和下述的非临时申请一同提交，该非临时申请的公开内容被并入本文作为参考：2006年3月20日提交的名称为“NAVIGATION SYSTEMS AND METHODSFOR WHEELED OBJECTS(下文称为“导航专利申请”)”的申请号为11/277,027的美国专利申请，和2006年3月20日提交的名称为“TWO-WAY  COMMUNICATION  SYSTEM  FOR TRACKINGLOCATIONS AND STATUSES OF WHEELED VEHICLES(下文称为“双向通讯专利申请”)”的申请号为11/277,016的美国专利申请。

背景技术

领域

【0002】本发明的公开内容关于电力发电系统。更特别地是，公开内容关于存储和管理轮式物体旋转运动而产生的电力的系统和方法。

相关技术说明

【0003】轮式车辆用于各种目的，例如，运输物体或人。经常，车辆包括一个或多个车载的、要求电源来运转的系统、装置或部件。例如，该车辆可以包括电子或电气线路、照明系统、导航系统、通讯系统等。此外，这些系统可以与其它车载的电气部件相互作用，这些电气部件包括，例如，电脑、处理器、输入/输出装置、收发器、灯、制动器和许多其它装置。

【0004】用来给车辆上车载系统提供能量的电源包括，例如，发动机、引擎、电池系统、太阳能电池和其它类似的。然而，这些电源有缺点。例如，发动机和引擎经常很重、有噪音并且可能需要来自外部源的燃料。发动机和引擎经常是不适合用于室内的。电池系统会放电，这需要电池能够被替换或再充电。太阳能电池在室内或晚上不能提供足够能量。此外，许多车辆，例如，由人驱动的手推车或拖车，使用上述电源不利地增加了额外的重量并且占用了车辆上的有用空间。

【0005】轮式物体的动力发电系统包括发电机，该发电机机构连接在物体的一个或多个轮上，将轮的旋转能转换为电能。该动力发电系统可以包括电存储装置，该电存储装置被配置成存储所述发电机产生的电力。发电机和/或电存储装置中输出的动力可以用来向物体内或物体上的其它电气系统提供动力。在某些优选实施例中，电存储装置包括一组串联的高容量电容器。一些实施例使用控制电路，例如，来调节电容器组的充电和放电并为其它系统提供适当的电压。在一些实施例中，动力发电系统被配置成安装在物体的轮内。

【0006】在一个优选实施例中，轮的旋转运动被传递到安装在(全部或部分)该轮上的交流(AC)发电机上。在某些实施例中，电容器组包括一个或多个高能量密度的超级电容器，这些超级电容器中的一些或全部有超过1法拉(F)的电容。一些或全部电容器组可以被装在轮内。在一些适用于手推车(例如购物车)的实施例中，发电机被配置成：当轮已经行进了大约从10m到30m范围的一段距离后，给电容器组充电到适当的工作电压(例如从大约2V到大约5V)。

【0007】在一个实施例中，被配置成用于车辆上的轮内的动力发电机包括带有线圈的外壳、安装在外壳内可操纵绕轴旋转的磁化元件和用来引起磁化元件响应轮的旋转而旋转的驱动机构。该动力发动机被配置成：磁化元件的旋转使线圈内产生电力，使得发电机能提供电力。该发电机进一步被配置成：外壳、磁化元件和驱动机构都安装在轮内。

【0008】在有轮的可活动物体中使用的动力管理系统的一个实施例包括能响应该物体运动而运转的发电机和连接到该发电机上的电容储能器。动力管理系统进一步包括电子部件，该电子部件用来基于储能器中的能量水平来控制来自储能器的动力的使用。发电机、电容储能器和电子部件都安装在轮内。

【0009】在物体的轮的制动系统的一个实施例中，制动系统包括和轮关联的制动机构，以便制动或释放轮的旋转。该制动系统进一步包括和制动机构关联的控制器，该控制器被配置成能引起制动机构制动或释放轮的旋转。此外，制动系统包括动力存储装置，该连接的动力存储装置响应控制器发出的信号，来给制动机构提供动力。制动系统进一步包括轮上的发电机，该发电机被配置成给存储装置提供动力。发动机响应轮的旋转而运转。

【0010】管理制动系统动力的方法的一个实施例被公开，该制动系统是有轮物体的制动系统。该方法包括响应轮的旋转而产生动力并在电容储能器中存储产生的动力。该方法进一步包括使用来自储能器的动力来加载制动力到轮上，监测储存器中的动力水平和当监测的水平到达预定条件时释放制动力。

【0011】使用在有轮车辆上的动力发电系统的一个实施例被公开。该动力发电系统包括安装在轮内的发电机，该发电机用来将轮的旋转转换为电能。该动力发电系统进一步包括电能存储装置，该电能存储装置电气连接到发电机上并用来存储部分电能。该电能存储装置安装在车辆内。该动力发电系统同样包括动力管理系统，该动力管理系统电气连接到发动机和存储装置上，并且该动力管理系统用来监控存储装置中的电能水平。

【0012】有轮物体中的动力系统的一个实施例被公开。该动力系统包括用来从轮的旋转中产生电力的装置和存储电力的装置。该动力系统又包括通过使用来自发电装置的动力来给存储装置充电的装置。该发电装置、存储装置和充电装置都安装在轮内。

附图说明

【0013】本发明的这些或其它特征将参考随后图解了某些优选实施例的附图进行说明。

【0014】图1所示为零售商店和相关财产的透视图，其中图示了使用轮动力发电系统来给安装在车上的其它系统提供电力的购物车。

【0015】图2A所示为用于如手推车的物体上的轮和轮组件的一个实施例的平面图。

【0016】图2B所示为图2A中的轮组件的分解图。

【0017】图3A所示为去掉盖和控制电路的轮毂的正面透视图。

【0018】图3B所示为图3A中的轮毂在安装了控制电路时的正面透视图。

【0019】图3C所示为轮毂的背面透视图。

【0020】图3D所示为发电机的一个实施例的透视图，该发电机尺寸适合图3A至3C中的轮毂。

【0021】图3E所示为包括动力系统和制动系统的轮的另一个实施例的横截面图。

【0022】图4A所示为电力分离轴的一个实施例的横截面图，该分离轴可以用来从轮传递动力到轮外的电气系统。

【0023】图4B所示为连接到电力分离轴上的轮组件的一部分的横截面图。

【0024】图5A所示为控制电路的一个实施例的电路图，该控制电路用来调节电容器组的充电和放电以及向其它电气装置提供适当的电压。

【0025】图5B所示为控制电路另一个实施例的电路图，该控制电路包括可选的备用电源。

具体仪器

I.综述

【0026】本发明的不同实施例提供了用于轮式物体的动力发电、存储和管理的系统和方法。在某些实施例中，该轮式物体包括一个、两个、三个、四个或更多的轮。该轮式物体包括，但是不限于，车辆、手推车、运载器、传送器、轮床、四轮马车、货车、童车、轮椅、医务床、药剂推车、助步车、用于医疗和其它器材的手推车，或其它任何适当的运输装置。在某些优选实施例中，该轮式物体是购物车、仓储车、工矿车、行李车或辎重车。在一些实施例中，该轮式物体是自推动的，而另一些实施例中，该轮式物体需要外部源，如人，来移动该物体。从而，这里描述的不同发明特征可以适用于较广范围的不同形式的轮式物体和车辆。

【0027】当轮式物体移动时，它的轮旋转。众所周知，旋转的轮包含旋转能形式的机械能。因而，这个公开内容有利地提供了系统和方法的实施例，该系统和方法可以将轮的部分旋转能转换为电能，该电能可以用来给物体上的其它系统、部件和装置提供动力。此外，某些实施例有利地提供了用于电力存储和管理的系统和方法。

【0028】在一些实施例中，轮的部分旋转能通过发电机被转换为电能。如这里使用的，术语“发电机(generator)”是个广义的术语，使用其通常含义，没有任何限制，除非有明确规定，指将机械能转换为电磁能的装置。发电机包括，但是不限于，直流发电机或交流发电机。发电机可以产生直流电(DC)和/或交流电(AC)。机械能包括，但是不限于，动能，在一些实施例中，指旋转的动能。在某些优选实施例中，发电机从一个或多个旋转的轮的部分机械能中产生电能。

【0029】众所周知，发电机代表性地通过一个或多个磁铁和一个或多个包含导线绕组的感应线圈间的相对运动而产生电。根据法拉第定律，磁铁和感应线圈之间的相对运动感生了电(例如电压和/或电流)。例如，发电机的实施例经常包括旋转部分(转子)和固定部分(定子)。该转子被配置成以便机械能的源可以使转子相对定子运动(例如旋转)。安装在转子上的一个或多个磁铁的运动能够在定子上的绕组中感生电能。在其它实施例中，磁铁装在定子上，而感应线圈装在转子上。发电机可以被配置成以便转子在定子中旋转，或定子可以装在转子内。磁铁可以是永久磁铁和/或电磁铁。如电学领域所公知的，可能有许多发电机的变体。

【0030】在适合用于轮式物体的实施例中，一个或更多发电机被装在物体内或物体上，并且该发电机机构连接到一个或多个轮上，以便当轮旋转时产生电力。在某些优选实施例中，该发电机是有一定大小和形状的，以便发电机的部分能如进一步描述的被装进轮内。许多类型的商业可用的发动机都能和这里公开的系统及方法一同使用。

【0031】在各种实施例中，发动机可以被配置用来提供AC电流和/或DC电流。例如，动力系统的一些实施例包括一个或多个整流电流将AC电流转换为其它系统使用的DC电流。在另一些实施例中，发动机被配置成通过使用，例如，换向器、电刷、和/或滑动环，来产生DC电流。

【0032】在某些实施例中，发动机电气连接到电能存储装置上，该电能存储装置存储的电能可在发动机不发电时使用。该电存储装置可以包括一个或多个电容器、可充电电池或其它适当的用于存储电能的装置。在一些实施例中，电存储装置包括一个或多个电容器，该电容器有高电容、高能量密度和/或高功率密度。这样的高电容电容器一般作作超级电容器(或超电容器)，并且可以存储相对较大量的电能。如这里使用的，术语“超级电容器(ultracapacitor)”是广义的术语，用它的通常含义，没有任何限制，除非有明确规定，指有高电容、高能量密度和/或高功率密度的任意电容器。超级电容器包括电容大于大约1.0F特别是大于大约1F的电容器。超级电容器包括能量密度高于大约0.1瓦·小时/千克和/或功率密度高于大约5瓦/千克的电容器。超级电容器包括，例如，超电容器、双层电气电容器(EDLC)和气凝胶电容器。

【0033】安装在物体内或物体上的其它系统可以被配置成使用电能，该电能是由发电机产生并且当物体的轮不旋转时(例如，当发电机不提供动力时)存储在电存储装置中。在一些实施例中，这些系统被基本装在轮内，并且/或者可以遍及物体分布。可以通过在这些系统和发电机和/或电存储装置之间布置导线连接来提供电力。在一些实施例中，电存储装置包括备用动力系统如，例如，备用电池系统(可以包括一次性和/或可充电电池)，当超级电容器放电时，可以通过该备用动力系统提取动力。

【0034】动力系统的实施例又包括控制电路，该电路提供对能量存储装置的快速而足够的充电，降低了存储装置的放电速率，并且提供适用于运行其它系统的一个或多个电压以及还提供了其它功能。

【0035】在一些优选实施例中，动力系统安装在物体的轮内。然而，在另一些实施例中，部分动力系统安装在物体内的其它地方，例如，连接轮到物体上的轮组件内(例如，叉或轮脚)，或者物体的框架或把手部分内，或其它合适的位置内。动力系统可以被配置成提供动力到安装在轮(包括，但不限于，包括发电机的轮)内的系统上，或者到安装在物体其它地方(例如，装在把手上的显示器)的系统上。公认的是动力系统可以被配置成广泛多变的方式，并且可以电气连接到许多类型的系统上。

II.实例运转概要

【0036】这里公开的动力系统可以用于任意轮式装置并且能够被配置成向物体上任意形式的单一系统或多个系统提供动力。为了图解的目的，一个实例概要将被讨论来说明该动力系统的一些特征和优点。这个实例概要是用来促进对动力系统的某些实施例和动力系统的使用的理解的，而不是用来限制这里公开的原理的范围的。

【0037】图1所示的例子概要中，零售商店110实现了损失预防系统来减少从跟踪区域114偷窃购物车122的现象。该跟踪区域114可以包括，例如，邻近商店110的停车区部分。损失预防系统的目标是要防止，或至少减少，未经同意将手推车122推出区114的边界(或周界)118。在损失预防系统的一个实施例中，每个手推车122可以包括反偷窃系统，该系统包括，例如，报警器或阻止手推车122运动的机构。

【0038】手推车运动可以被约束，例如，通过给手推车122的至少一个轮提供用来锁住轮的制动机构。本领域公知的，手推车运动可以以其它方式被约束。例如，在此描述的轮制动机构可以被另一种形式的机电机构代替来约束手推车运动，包括可以使手推车122的一个或更多轮被抬起离开地面的机构。在一些实施例中，制动机构包括驱动驱动器的发动机，该驱动器能接合轮的内表面以便约束轮的运动。在某些实施例中，制动机构有解锁状态和锁闭状态，其中在解锁状态时轮可以基本自由旋转，而在锁闭状态时，轮的旋转基本被阻止。在其它实施例中，制动机构是进步的，其中驱动器可以对轮施加不同量的制动力。适用于轮式装置的、例如购物车的制动机构被2005年9月20日提交的、名为“反偷窃车辆系统(ANTI-THEFT VEHICLESYSTEM)”申请号为6,945,362的美国专利所公开的，其全部内容被并入本文作为参考。

【0039】为避免损失，如果手推车122被移动越过区边界118，则反偷窃系统被激活(例如，报警器或制动器被激活)。在一些损失预防系统中，如果手推车122探测到安放在区边界118附近的外部发射机发出的信号，则反偷窃系统被激活。例如，该信号可以是从埋在边界118的电线发射的超低频(VLF)信号，如2000年10月3日提交的、名为“反偷窃车辆系统(ANTI-THEFT VEHICLE SYSTEM)”申请号为6,127,927的美国专利所描述的，并且其全部内容被并入本文作为参考。

【0040】在一些实施例中，导航系统用来确定手推车122在跟踪区域114内的位置。该导航系统可以被安装在手推车122上或手推车122内或中央控制器138内。如果该导航系统确定了手推车122的位置在区边界118外，则反偷窃系统被激活。在一个实施例中，当手推车122离开商店出口126时该导航系统开始监控手推车位置。手推车起始的位置被设定在出口的位置，该导轨系统通过航位推算算法更新手推车122的位置。该航位推算算法使用物体速度、方向、行进距离和行进时间来估算手推车的位置。因此，在不同实施例中，手推车122包括方向传感器、运动传感器和处理器。在一个实施例中，物体的方向根据地球的磁场来测量，并且手推车122包括磁场传感器来确定，例如，关于地磁北极来确定物体行进的方向。为确定手推车速度和行进距离，一个或多个轮可以包括旋转传感器，该传感器包括，例如，机械的、光学的或磁性的旋转编码器。

【0041】在一些实施例中，该导航系统拥有区边界118的位置，例如，一组坐标。通过将手推车122的当前位置与边界118的位置进行比较，该系统可以确定手推车122是否在区114内。如果该导航系统确定手推车122移动穿过了区边界118，该导航系统可以激活手推车的反偷窃系统。在一个优选实施例中，该导航系统是有一定大小的以便能安装在手推车122的轮内。在另一些实施例中，部分导航系统可以装在轮内，而其它部分可以装在手推车122的其它地方(例如，把手或框架内)。适用于如购物车的轮式物体的导航系统，被导航专利申请所公开。

【0042】在另一些实施例中，该导航系统传递了手推车122的位置或其它信息到中央处理器或中央控制器138上，而该中央处理器或中央控制器138确定了手推车122是否离开区114并且反偷窃系统是否应该被激活。在某些优选实施例中，手推车122包括双向通讯系统，该系统能够使适当的信息在手推车122和中央控制器138(或其它适当的收发器)之间传递。该通讯系统可以包括一个或多个天线、发射机、接收器、收发器、信号发生器或其它部件。适用于导航系统的双向通讯系统在双向通讯专利申请中被公开。

【0043】这个实例概要中其它装置可以被零售商店110有利地使用。例如，一个或多个标记130a-130c可以被装在遍及区114的不同位置，来作为参考位置、地界标或指引标。该标记130a-130c可以标识出或另外指出以下区域的位置：例如，商店出口126(例如，标记130a)、区114的周界(例如，标记130c)和/或其它适当的参考位置(例如，标记130b)。在不同的实施例中，标记130a-130c传递信息到所述导航系统上，通过，例如，磁的或电磁的方法。该导航系统可以使用从标记130a-130c传递出的信息来减少累积的导航误差，来确定区边界118在附近，或为了其它目的。在一些实施例中，一个或更多标记(例如，标记130c)可以被装在靠近停车区114入口/出口142的附近位置。

【0044】在一个实施例中，一个或更多发射机134可以被装在遍及区114内，并且用来向手推车122上的导航系统发射信息。该发射机134，在一个实施例中，也接收信息(例如，它们是收发器)。在不同实施例中，该标记130a-130c(和/或所述发射机134)通过单向(向或从手推车)或双向(向并从手推车)通讯协议和手推车122通讯。例如，标记130和/或发射机134可以用来使用电磁信号来和手推车122通讯。这些信号可以包括磁性信号和/或RF或VLF信号。如这里使用的，RF信号包括频率低于大约300GHz的电磁信号，并且VLF(“非常低频”)信号包括频率低于大约20kHz的RF信号。

【0045】在另一些实施例中，一个或多个通路点(AP)136用来建立和手推车122间的双向通讯连接。在图1中，所示通路点136定位在商店110的出口126上方，这样有利地允许该AP和位于遍及停车区114的手推车122通讯。在其它实现方式中，多于一个的AP被使用，并且这些AP可以被设置在遍及跟踪区域。通路点136可以和手推车122上的收发器(例如，RF收发器)通讯，该收发器连接到所述导航系统(和/或其它部件)上为了收回、交换和/或产生手推车状态信息，该信息包括指示或反应了手推车位置的信息。可以被收回并监控的各式的手推车状态信息包括，例如，反偷窃系统是否已经被激活(例如，轮制动器是否被锁闭或解锁)；手推车122是否移动并移向什么方向；轮的平均速度；手推车122是否探测到了特殊形式的位置相关的信号例如VLF、EAS、RF或磁性信号(下面讨论的)；手推车是否刹车；手推车的功率水平；和每个单位时间内手推车经历的锁闭/解锁周期的数量。通路点136也能够关于周界118的位置和所述导航系统交换信息。在一些实施例中，通路点136使用接受信号强度指示器(RSSI)来测量来自手推车122的信号强度来协助确定到手推车122的距离和该手推车是否朝向或远离商店110移动。实现方式中的进一步细节和一组无线通路点(AP)的使用在双向通讯专利申请中被公开。

【0046】除了损失预防或不同于损失预防之外，所述导航系统可以被商店110使用。在一些实施例中，零售商店110会希望收集关于手推车122行进的位置和路线的信息。例如，零售商店会希望确定消费者将手推车122留在了区114内的什么位置，以便能提高手推车收回操作。在其它实施例中，所述导航系统能够和其它装置例如机械化于推车收回单元通讯。

【0047】尽管参考在零售商店110外停车区114内的购物车122的损失预防系统，实例概要已经被描述，但是在一些实施例中，导航系统被配置成确定商店110内的手推车122的位置。例如，该系统可以用来确定手推车122是否通过了结账通道或手推车122是否通过了挑选通道。此外，该导航系统可以用来跟踪手推车位置以便收集关于在商店100内外某些位置的手推车聚集和排队的信息。而且，其它系统可以装在手推车122上，包括，例如，输入/输出装置如显示器、监控器、触摸屏、键盘、或键区和/或照明系统(包括，例如，前灯、尾灯、转向信号和/或指示灯)。这里公开的能够被动力系统电力驱动的安装在手柄上的显示系统的进一步细节在双向通讯专利申请中被论述。

【0048】因而，手推车122能够包括较宽范围的系统，该系统有其动力要求。例如，制动系统中的发动机可能需要用来运转的相对的高电压、高电流和高功率，而微控制器系统可能需要低工作电压和低工作功率。一些系统需要连续的动力供应(例如，导航系统、显示器或灯)，而其它系统间歇性地使用动力(例如，当轮制动器被激活时)。所以，有利的是，将动力系统安装在手推车122上，该动力系统能够为这些系统中的每一个产生并存储足够的动力。

【0049】在一些实施例中，动力发电系统安装在轮内，并且提供动力给一个或多个也位于轮内的系统。例如，在一个优选实施例中，该动力发电系统被安装在轮内并且用来给同样装在该轮内的制动系统提供动力。然而，这不是必要条件，并且在另一些实施例中，该动力系统，例如，通过电导线，被连接到安装在其它地方(例如，在手推车的把手或框架内或在其之上)的系统上。例如，在不同实施例中，该轮动力系统能够用于给如下装置提供动力：附在手推车把手上的显示器、附在框架上的一个或多个灯、装在手推车框架内的通讯系统，以及反偷窃系统(包括，例如，可以安装在和动力系统不同的轮上的报警器和/或轮制动器)。在另一个优选实施例中，动力系统用来给装在手推车内的一个或多个收发器(例如，RF或VLF收发器)提供动力，并且用来和其它发射机134或通路点136通讯。许多变更都是可能的，并且技术人员能够认识到这里公开的动力系统的使用的通用性。

【0050】上述系统的实施例可以用于其它环境和背景，例如，仓库、工业车间、办公楼、医院、机场或其它设施。因而，这里公开的动力系统和方法能够用于许多不同形式的设施和许多形式的轮式物体中。在不脱离这里公开的原理范围的基础上，上面论述的实例概要的许多变更是可能的。

III.有动力发电系统的轮

【0051】图2是包含了轮212和轮脚240(“caster”)(也被认为是“叉”或“轭”)的轮组件210的平面图。轮组件210适于通过螺接到如手推车的物体上而附在该物体上。轮组件210能够用于代替该物体上的一个(或多个)轮。例如，轮组件210能够代替购物车上的标准尺寸的前(和/或后)轮。在某些实施例中，轮212有大约5英寸的直径，虽然在另一些实施例中轮212可以更大或更小。轮212包括圆周安装在毂218周围的轮胎213(如图3A-3C)。毂218带动轮胎213旋转。毂218可以有盖221，该盖221保护了装在毂218内的部件不受周围条件的影响。此外，盖221防止内部部件被看到而且不会被物体的使用者篡改。毂218(和盖221)可以是由刚性、轻质材料制成，该材料包括塑料，如尼龙或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)。

【0052】图2B是轮组件210的分解图。轮212装在轮脚240的端部分242之间。该端部分242安装在“U”形固定夹225内。螺钉228穿过固定夹225、端部分242和毂218中心的空心轴234。螺母232被锁紧来固定轮212到轮脚240上。轴234有平面部分235可以接合固定夹225上的异形孔237。通过固定夹225的“U”形面和轮脚240的端部分242间的干涉配合来阻止轴234旋转。装在毂218内的内部部件可以通过将它们附在非旋转轴234上而避免旋转。轮212能够被配置成包含一些或所有其它适当系统的部分，该系统包括，例如，动力系统、导航系统、反偷窃系统、制动系统和/或双向通讯系统。

【0053】图3A-3C示意地图解了包括动力系统和制动系统的轮212的一个实施例。图3A和3B是动力系统和锁闭系统内部部件的毂218内的组件的正面透视图。为了陈述清楚，围绕毂218圆周的轮胎213和毂的盖221没有在图3A-3B中显示。通过将内部部件附在底盘312上来防止该内部部件旋转，该底盘312刚性连接到非旋转轴234上。在一些实施例中，底盘312由电绝缘材料，例如，如尼龙或ABS的塑料材料制成。

【0054】动力系统包括发电机313、电存储装置330和控制电子电路。发电机313包括安装在定子322内、并在其中自由旋转的转子318。将参考图3D进一步描述发电机313。动力系统控制电子电路能被装配在印制电路板组件334(PCBA)上。图3A中未示PCBA 334以便能图解安装在底盘312内的腔333内的电存储装置330。图3B显示了放置在腔333上适当位置的PCBA 334。

【0055】制动系统包括制动发动机354、驱动机构358和制动带362。该制动系统进一步包括装配在PCBA 334上的控制电子电路。在另一些实施例中，独立的PCBA能够被用于制动和动力系统电子电路。制动发动机354接合驱动机构358(例如，一组齿轮)来驱动制动带362与旋转毂218的内表面340接触或脱离接触。制动发动机354一般是DC伺服器或能在前进和后退方向运转的步进电机。在一些实施例中，DC发动机354有大约5V的工作电压。

【0056】制动系统可在解锁状态和锁闭状态间操作。在解锁状态，制动带362不能接触毂218，并且轮基本自由旋转。在锁闭状态，制动带362向外张开并接触毂218。内表面340可以包括一系列突起342，该突起接合制动带362上的槽口来阻止轮212旋转。在另一些实施例中，不同的制动系统能够被使用，例如，1997年1月28日授权的、名为“反偷窃车辆系统(ANTI-THEFT VEHICLE SYSTEM)”的、专利号为5,598,144的美国专利或2005年9月20日授权的、名称为“反偷窃车辆系统(ANTI-THEFT VEHICLE SYSTEM)”的、专利号为6,945,362的美国专利中公开的制动机构，两个专利中的每个的全部内容被并入本文作为参考。此外，在另一些实施例中能够使用进步的制动机构，该制动机构提供了作用在轮212上的不同大小的制动力。

【0057】图3C是毂218的背面透视图，图示了将轮212的旋转运动传送到发电机313上的机构。传动齿环314附在并随毂218旋转。传动齿环314接合附在转子318上的小齿轮326(也如图3D所示)。轮212的旋转引起转子318在发电机313内旋转。传动齿环314和小齿轮326间的传动比能够用来为转子318提供适当的旋转速率。在一些实施例中，传动比是10∶1或15∶1，虽然能够使用其它的传动比。

【0058】在一些实施例中，传动齿环314是作为铸造特征在毂218的盖内或在毂218自身内部成型的。正常使用中，传动齿环314可以成为略微不圆的或不圆的(“out-of-round”)，并且可以不完全接合小齿轮326，而这会引起齿轮磨损。因而，一些实施例有利地使用二级齿轮传动，该传动浮于(“floats”)传动齿轮314上并且维持了和小齿轮326的可靠接触，来减少齿轮磨损，即使传动齿环314为略微不圆的。

a.发电机

【0059】图3D是发电机313的一个实施例的透视图。在这个实施例中，定子322包括许多柱或腿323，该柱或腿323围绕转子318被安装成通常的圆柱形、笼状构造。转子318在定子322内自由旋转，并且转子318包括一个或更多通常的圆柱形的磁化圆盘。定子322的腿323包括发电机313的线圈。转子318在定子322内的旋转感生了电流在线圈内流动。电流通过导线325被提供给其它部件。例如，导线325可以连接发电机到电存储装置330和PCBA 334上。

【0060】发电机313产生AC电流。在这个实施例中，发电机313是24极发电机，该发电机因转子318的每一次旋转而产生了12个电力周期。在另一些实施例中，可以使用不同数量的极。在另一些实施例中，发电机313能够包括电刷、滑动环和/或换向器来产生DC电流。然而，电刷、滑动环和换向器遭受摩擦磨损和损失并且需要定期调整或替换。不使用这些部件的实施例有利地降低了对于发电机维护的需要，并且特别在发电机遭受脏的、冲击倾向条件(例如零售商店的室外停车区)时有利。

【0061】通常地，发电机313的动力输出相对于转子的旋转速率呈大致地线性比例。能够选择传动齿环314和小齿轮326间的传动比，以便发电机313能产生适当大小的动力用于这个仪器中遇到的典型的轮速。例如，适用于零售商店110环境的一个实施例中(图1)，购物车122一般以大约1英尺/秒到5英尺/秒范围的正常步行速度移动。标准购物车轮212的外直径214大约5英寸。因此，以一般步行速度，轮212在大约每分钟50转(rpm)到大约250rpm的范围内旋转。如果使用的是10∶1的传动比并且发电机313有24极，那么轮旋转一周产生120个周期的电力。发电机313的一个这样的实施例提供的电力在大约80mW到大约400mW的范围内。轮212的传动比为15∶1的一个实施例提供了大约120mW到大约600mW的电力。

【0062】如图3D所示的发电机的实施例中，转子318包括在定子322内旋转的永久磁铁。在另一些实施例中，转子318和/或定子322可以包括一个或更多电磁体，该电磁铁能考虑到发电机313可变的动力输出。在这样的实施例中，动力输出能够通过动力系统控制电路被调节，基于，例如，充电需要、即时功率消耗、发电机313反馈的电负载等。

b.电存储装置

【0063】动力系统包括电存储装置330，在某些实施例中该装置包括一个或多个电容器。例如，图3A所示为利用了两个电容器330的一个实施例。在某些优选实施例中，选择了有高电容的电容器，因为它们具有存储相应大量电能的能力。例如，在某些实施例中，电存储装置330包括一个或多个超级电容器。因为一些超级电容器有电压限制(例如，大约2.5V)，该限制低于运转物体上的某些系统(例如，制动系统)所需的电压，不同的实施例使用串联连接的电容器组来提供较高的工作电压。在某些这样的实施例中，电容器组可以包括两个、三个、四个、五个或更多的电容器。在另一些实施例中，电容器组是并联连接的或串联/并联连接的。

【0064】众所周知，任何现实的电容器有内电阻作为等效串联电阻(ESR)。虽然不是必要的，但是优选的是在电存储装置330中使用有低的等效串联电阻(ESR)的电容器，以便提供高的电力放电速率。在一些实施例中，电容器的ESR低于大约1欧姆。

【0065】在一些实施例中，电存储装置330包括串联电容器组，该电容器组包括两个Cooper-Bussmann PowerStorAerogel CapacitorsB1010-2R5155(Cooper Electronic Technologies，Boynton Beach，Florida)，每个电容器的电容为1.5F并且工作电压是2.5V。这个装置提供的最大工作电压大约为5V。在另一个实施例中，电容器组包括串联连接的三个Cooper-Bussmann PowerStorB0830-2R5475 1.6F EDLC超级电容器，来产生7.5V的最大工作电压和大约0.45欧姆的标称ESR。在不同的实施例中，可以使用不同数量的超级电容器。其它适当的超级电容器包括：Maxwell BoostcapPC10 EDLC(Maxwell Technologies，SanDiego，California)；Nesscap ESHSR-0003C0-002R7 EDLC(Nesscap Corp.，Kyongg-Do，Korea)；Eppscore AC1020超级电容器(Eppscore Corp.，Seoul，Korea)；和EPCOS B49100A1104M00超级电容器(EPCOS AG，Munich，Germany)。

【0066】电存储装置330可以包括附加电子部件，该部件包括，例如，电容器、二极管、感应器、晶体管、调节器、控制器、电池和其它任意适当的电子装置。在一些实施例中，附加电子部件辅助存储和释放电能并且辅助指引电能到适当的系统中。虽然图3A所示的存储装置330的实施例包括两个超级电容器，但这不是限制。例如，在一些实施例中，电存储装置330包括一个或多个电池(一次性的和/或可充电的)、一个或多个较低电容的电容器和/或一个或更多燃料电池。可预期的是，电存储装置330可以使用任意形式的装置、部件或系统来存储电磁能，包括现在存在的和那些将来将被发展的。

【0067】在一些实施例中，电存储装置330进一步包括备用电池，当电容器组放电到低于适用于装载的系统的最小工作电压时，该备用电池能够被用来给不同的装载系统提供动力。备用电池也可以包括一次性和/或可充电电池。在某些实施例中，来自发电机313的电力用来给备用电池充电。

【0068】在另一个实施例中，电存储装置330包括一个或更多锂-五氧化二钒可充电电池(例如，Panasonic VL3032 100mAh电池)。因为锂-五氧化二钒电池的自放电速率(室温下大约每年2％)较大地低于许多商业存在的EDLC的自放电速率，所以这个实施例可以有利地用于应用，在发电机停止产生电后(例如，当轮停止旋转时)，该应用有低动力需求和长期的能量存储需求。

与超级电容器相比，锂-五氧化二钒电池有不一样的电学特性。例如，该电池有较低能量(例如，与大部分商业存在的超级电容器的几焦耳相比，Panansonic VL3032为100mAh×2.7V＝0.27焦耳)、较小电流和相应的慢的充电速率(4mA)。因而，使用优于超级电容器的锂-五氧化二钒电池的仪器通常也将有低能量、低电流和低充电速率的需求。

【0069】在另一个实施例中，电存储装置330包括两个或更多装置，该装置利用不同电存储技术，例如，超级电容器和锂-五氧化二钒电池。这个实施例可以有利地用于如下的一个仪器：其中有对一次中的有效电流(例如超过大约200μA)的需求，以及对运动分布的需求，该运动分布符合超级电容器放电的分布(例如，在不充电几天后不需要显著的电流)，但是其中一些小的能量储备在更长的一个时间比例中(例如，在轮停止旋转后的几周，几个月或几年)被需要。

在另一些实施例中，电存储装置330可以包括有各种形式的可充电电池化学(例如，NiMH或锂电子)的电池。例如，一些NiMH电池的体积比能量密度比一些超级电容器的体积比能量密度更高，而自放电速率稍低，这可以使它们适合于一些仪器。然而，对于大多数仪器而言，超级电容器的快速充电、高周期计数和高的有效放电电流使它们成为电存储装置的一个优选实施例。

c.可选实施例

【0070】动力系统和制动系统的部件可以被配置成与图3A至3C所示不同。例如，图3E是平面图，该图示意性地图释了上述轮212中的部件的可选装配。

【0071】图3A至3E所示的实施例中，动力系统和制动系统的所有部件被容纳在轮内。然而，在另一些实施例中，这些部件中的一些或所有能够被安装在轮212外部。例如，一些或所有部件能够安装在封闭的塑料外壳中，该外壳形成了部分轮组件或轮脚。在适用于手推车的实施例中，一些或所有部件能够被安装在手推车的框架或手把内或框架或手把上。在一些实施例中，动力系统和制动系统被安装在物体内的不同位置。例如，制动系统可以被装在第一轮内，而动力系统可以被装在第二轮内。可被认可的是，对于动力系统和制动系统的设计和规划可以有许多可能的变更。

d.驱动轮外系统

【0072】动力系统能够给在轮内(“轮内”(“in-wheel”)系统)和轮外(“轮外”(“off-wheel”)系统)的系统和部件提供动力。图3A至3E图释了实施例，其中动力系统给轮内系统(例如制动系统)提供动力。

【0073】然而，在另一些实施例中，如导航系统或双向通讯系统的系统可以被装在物体上的其它位置(包括在与动力系统不同的轮内)。例如，在一些优选实施例中，显示器、监控器、或其它适当的输入/输出装置(例如，音频扬声器和/或麦克风)被装配到物体的部分上，例如购物车的把手上。显示器可以包括显示器屏幕，如触摸屏，该屏通过人推动物体可以看得见。该显示器能够用于显示接收到的、来自物体上其它系统的信息(例如，导航系统，双向通讯系统，反偷窃系统等)。例如，该显示器可以显示图形图释设施内物体的位置。该显示器可以连接到其它控制器、处理器和/或收发器，并且被配置成能输出附加信息。在适用于零售商店的实施例中，该显示器可以包括读卡机或扫描笔，用于使消费者能够识别消费者忠诚卡或其它形式可识别消费者身份的卡片。在这些实施例中，在物体上的收发器可以被配置成向远程收发器(或通路点)传送消费者标识符(以及来自导航系统的位置信息)，以便这个标识符(和位置信息)能够关联在消费者购物期间从手推车上接收到的其它信息。关于跟踪物体(如购物车)位置和监控物体状态的进一步信息在双向通讯专利申请中被公开，并且关于确定物体位置的进一步信息在导航专利申请中公开。这里公开的动力系统能够用于给如装于把手的显示器提供动力。

【0074】在某些实施例中，动力系统使用电力分离轴来从轮向物体的其它部分传送电力。在图4A所示的实施例中，来自动力系统的动力被发送到PCBA 334，该PCBA 334通过导线378被连接到轴234上。轴234包括两个电传导(例如金属)片234a和234b，这两个片与其间的第一绝缘隔板374a压配合，来阻止导线378使两片234a、234b间产生短路。轴片234b有个台阶280，该台阶280确保了轴片234a、234b间的适当空间，并且提供了隔板374a上的压力来确保片234a、234b间的适当绝缘。第二绝缘隔板374b防止螺钉228使片234a、234b间短路。绝缘隔板374a和374b可以由适当的电绝缘塑料材料如尼龙制成。相应轴片234b上的台阶280的台阶可以浇注成型在第二隔板374b内，以便当螺钉228插入轴片234b时，摩擦力将引起第二隔板374b移置到图4A所示位置，这样能确保螺钉228与轴片234a和234b间适当的电绝缘。在一些实施例中，第二隔板374b基本充满了轴234的整个长度。

【0075】导线378能够被焊接到PCBA 334上和轴片234a、234b上的孔上。优选地，压配合的两片234a、234b的表面是异形的(例如通过键或通过花键)来防止片234a和234b关于彼此旋转。虽然PCBA334如图4A所示安装到轴片234a上，在另一些实施例中，PCBA 334被装在绝缘底盘(例如图3A至3C中的底盘312)上，该底盘装在轴234上。

【0076】图4B是轮组件的一部分的横截面图，平行于地面并垂直于轮的转动轴。在这个实施例中，轮脚240包括绝缘材料，例如塑料材料。与参考图2B的描述类似，轴234接合固定夹225。螺钉228能够通过螺母232和(优选是绝缘的)垫圈233被紧固到轮脚240上。固定夹225是有坚固的绝缘覆盖层226的金属。该绝缘覆盖层226代表性地需要支持仅仅几伏特的击穿电压；因此，可以使用相对薄的覆盖层。在一些实施例中，粉末覆盖钢或阳极氧化铝被用于固定夹225和绝缘覆盖层226。在固定夹225上的轴234的平面部分235的压力保持了固定夹225和电导线382在点227处的电接触，从而为动力提供电通路使其从轴234流向导线382。在一些实施例中，固定夹225包括凹进或槽，使得导线382在点227有良好的电接触。导线382能够被布线到需要动力的物体中的任意其它部分，例如，通过将导线382穿过手推车框架管子。附在或整体成型在轮脚240内的绝缘元件390给导线382提供了附加的机构安全壳。在固定夹225外的导线382的一部分被绝缘材料386覆盖。

【0077】当电隔离轮组件的任意暴露表面时，图4A和4B所示的电力分离轴234有利地提供了每个轴片234a、234b以及导线382间的可靠电接触。在某些实施例中，图4A和4B所示的轮组件提供的电绝缘是对于高至约100mA的电流和高至几十豪欧的接触电阻而言足够大的。此外，电接触点227被保护远离与潮湿和电解液(例如盐水)的物理接触，这样可以有利地避免在接触点227的电蚀，因为代表性地导线382和轴234是不同金属。在适用于手推车的实施例中，电力分离轴234优选地使用在非转动轮(例如购物车后轮)上。同样，轮上安装了双向通讯系统和/或导航系统的实施例中，用绝缘材料制造轮脚240有利地提供了与天线和磁传感器更低的电磁干涉，因为靠近天线有更少的导电(和/或铁磁)材料。

IV.动力系统控制电路

【0078】动力系统包括控制电路，该控制电路调节并控制发电机313提供的电力。在一些实施例中，该控制电路用来调节电存储装置330的充电和放电。该控制电路可以包括一个或更多微控制器，这些微控制器能够被配置成通过硬件、软件和/或固件指令来执行这里论述的控制功能。

【0079】在包含AC发电机313的动力系统的实施例中，优选的但不是必要的，控制电路包括整流电路，该整流电路将发电机的AC电流转换成DC电流。该整流电路能够包括全波整流器和/或半波整流器。在一些实施例中，该整流电流包括有电容滤波的单相、二极管桥式整流器。该整流电路的进一步方面将在下面被论述。

【0080】在使用串联电容器组的电存储装置330的实施例中，动力系统可以使用一种或多种电荷平衡技术来，例如，减少一个(或多个)电容器组中的电容器超过它的最大额定电压的可能。因为电容器组中的电容器将在它们各自的电容中有不同的特定量，电荷平衡能够有利地减少电容器两端的电压的差异和充电时间的差异。一些实施例通过使用电阻平衡网络(代表性地与电容器并联)或电压比较器向地面引导多余电荷来提供电荷平衡。在某些优选实施例中，动力系统控制电路监控电容器上的电荷，以便在较宽范围的充电条件下提供更精确的电荷平衡。

【0081】该动力系统控制电路也可以监控周围的温度来纠正超级电容器上发现的某些温度依赖效果。在这些效果中的一个效果中，当温度减低时，超级电容器的ESR增大。因而，超级电容器能够传递到高电流负载(如，轮锁定机构)上的有效能量将随温度降低而降低。在另一个效果中，当温度降低时，在不会永久降低超级电容器性能的条件下，超级电容器被充电达到的电压会增大。为了在工作温度范围内到达性能所需要的水平，这些效果不利地需要选择高容量的超级电容器(更加昂贵)，因为充电电压必须基于最高的工作温度被计算，而ESR必须基于最低的工作温度。因而，在一些实施例中，动力系统包括温度传感器，并且控制电路被配置成可基于温度调节充电电压以便在较宽的温度范围内提供更一致的性能。例如，在一个实施例中，为了补偿在较低温度下超级电容器较高的内部阻抗(ESR)，在较低温度下控制电路给超级电容器充电到较高的电压。优选的但是不是必要的，在靠近超级电容器的位置安装温度传感器，以便更准确地测量它们的温度。在一些实施例中，利用了独立的温度传感器。然而，在另一些实施例中，系统中其它部件中的一个部件可以包括温度传感器。例如，在一个实施例中，温度传感器作为通讯系统的一部分是安装在轮212上的收发器的一部分。

【0082】该控制电路也可以被配置成给不同的轮上或轮外系统提供独立的电压。例如，该制动系统可以需要较高的电压(例如5V)并且可以汲取比其它电气部件(例如微处理器和收发器)更多的电流。此外，一些电气部件优选地需要调节电压源，当其它部件(例如制动发动机)不需要调节电压。因而，控制电路供给的一些实施例有利地提供了两个或更多的工作电压，该电压中的一个或更多可以是调节电压。

【0083】虽然图3A-3E所示的实施例中，控制电路安装在轮212内的PCBA 334上，但这不是动力系统的必要条件。在一些实施例中，一些或所有控制电路安装在轮212、轮组件210和/或物体的其它地方内，例如，手推车的框架或手把中。同样地，电存储装置330能够被安装在轮212外部位置。

a.实例动力系统控制电路

【0084】如这里论述的，轮动力系统的某些优选实施例包括发电机、电存储装置和控制电路。该控制电路能够被配置成在动力系统中实现多样性的功能，例如，调节电存储装置的充电和放电、电容器组的电荷平衡、调节依赖温度的电容器效果和向在轮上和在轮外的系统部件提供适当的动力。

【0085】控制电路400a的一个实施例将参考图5A所示的电路图被论述。在这个电路图中，粗线表明如下电通路：在动力系统的正常运转中，动力经由该电学路径流动。细线表明用于监控功能和/或控制功能或者用于例外条件的电通路。表1所示为用于控制电路400a的可选部件实例。

表1

标记	制造商	零件号码	相关属性
				C1，C2D1-D6Q1，Q2U1U2	Cooper BussmannON SemiconductorFairchildSemiconductorMicrochipTechnologiesAtmel Corp.	B1010-2R5155MBR0520FDN337NMCP1700ATMegal68V	1.5F电容，0.3欧姆ESR在适度电流时低电压降在断开状态下(Vgs＝0)低泄露低压差，低接地电流1.8-V运转，低功率，外围电路(计数器，定时器，ADC)

【0086】如图5A所示，发电机404向电路400a提供动力。在这个实施例中，发电机404包括产生AC电流的AC发电机。该AC电流经过整流器408，在此实施例中的整流器408是全波整流器。来自发电机404的动力被指引到电存储装置410，在这个优选实施例中该电存储装置410是包括串联连接的超级电容器C1和C2的电容器组。在另一些实施例中，电存储装置410进一步包括小电容器、低自放电的备用电池，如果超级电容器C1和C2放电到低于其它部件的最小工作电压时，可用于给其它电气部件提供动力。

【0087】发电机404提供未调节动力给不同系统负载，例如，可驱动轮锁闭或制动机构和其它未调节负载422的发动机驱动器420。这些负载中的一些，例如发动机驱动器420，需要相应的高功率但是只在间歇时间时(例如，锁闭轮或解锁轮时)需要。例如，制动系统的一些实施例可以需要在源电压传递的大约4焦耳的能量，该源电压大于形成锁闭/解锁周期的大约2V的电压。

【0088】发电机404也提供调节动力到其它系统负载，例如微控制器U2和无线电频率(RF)收发器416(有天线418)。发电机404也可以提供动力给其它调节负载，例如，导航系统、通讯系统、显示器和其它处理器和控制器。来自发电机404的动力被稳压器U1调节，在一些实施例中稳压器U1包括低压差(LDO)稳压器。在实例电路400a中，稳压器U1提供稳定的1.8V输出电压，该电压适合微控制器U2。在另一些实施例中，该调节电压可以在大约1.5V到大约5V的范围间变动。一个实施例通过使用放大DC-DC转换器来提供更高的调节电压。

【0089】现在，实例控制电路400a的不同特征将参考图5A和表1中所列实例部件进行论述。

i.电容器组充电

【0090】发电机404的AC输出通过全波整流器408被整流，该整流器408包括二极管D1-D4。为了给超级电容器组410充电，发电机峰值电压一定要大于充电电压，该充电电压等于二极管D1上压降的两倍加上超级电容器组410(例如C1和C2)上的串联电压和。在将肖特基二极管用于D1-D4(例如ON Semiconductor的MBR0520二极管)的不同实施例中，对于任意合理的充电电流(例如室温下大约100mA)而言，每个二极管的最小正向压降大约为275mV。

【0091】一旦超级电容器组410上的电压超出稳压器U1的最小工作电压(例如出自Microchip Technologies的MCP1700 LDO的大约2.3V)加上在调节负载电流下二极管D6的正向压降(例如，取决于负载电流的大约200mV到250mV)时，来自发电机404的动力可用于给调节负载(例如微控制器U2、RF收发器416和其它调节负载412)提供动力。

ii.自举电力

【0092】当电容器组410(例如C1和C2)已经放电到电容器组410低于调节器U1的压差的那点时，微控制器U2不再能够在来自于电容器组410的存储能量下可靠地工作。自举电源通路426通过二极管D5给发电机404的电力输出提供二级、小电流、半波整流器。发电机404相应地给存储电容器C4快速充电。一旦超级电容器组410已经充电到高于稳压器U1的最小工作电压，则电阻R1导致负载电流优先地从全波整流器408(例如二极管D1-D4)中输出。二极管D7限制通过自举电源通路426的电压到稳压器U1的最大允许输入电压(例如，对于MCP1700而言是6.0V)。

【0093】在典型实施例中，发电机404的最小输出频率大约为100Hz，微控制器U2的平均负载电流加上RF收发器416的平均负载电流在2毫安左右。因而，存储电容器C4在发电机404的一个10毫秒的周期内输送的电荷只是大约20微库伦。一个50μF的电容器可以被用于存储电容器C4并且在大约0.4V的压降下输送大约20微库伦的电荷。因此，在这样的实施例中，存储电容器C4的自举充电电压只需要大约等于稳压器U1的最小充电电压加上存储电容器C4上的压降。如果稳压器U1是MCP1700(Microchip Technologies)，则自举充电电压大约为2.7V。在存储电容器C4上的自举电荷足够低，甚至相关的低动力发电机404能够在几秒钟的旋转运动内给存储电容器C4充电到稳压器U1的最小充电电压。因而，自举电源通路和存储电容器C4的使用有利地允许调节负载在物体几秒钟的运动内工作，即使超级电容器组410是充分放电的。

iii.电容器组的电荷平衡

【0094】如上所述，优先地但不是必要的，电荷平衡两个或更多的串联电容器，因为电容器(例如C1和C2)的电容有些不同。例如，两个标称上相同的超级电容器能够通过大约两个因素有不同的实际电容。Cooper Bussmann B1010-2R5155 EDLC超级电容器有基于标称1.5F电容值的-20％到+80％的制造误差。此外，如果超出了超级电容器的最大电荷电压，该超级电容器会被毁坏。因为两个串联电容器携带的电荷量相同，最大电荷电压将根据需要被限制，来避免如果没有手段来导引电荷到或来自电容器组的单独超级电容器时给电容最小的超级电容器过度充电。

【0095】例如，在两个电容器的电容器组中，如果最大电荷电压是2.5V，一个标称为1.5F的超级电容器有低10％的电容，例如1.35F，而另一个有高70％的电容，例如2.55F，那么需要3.375库伦将1.35F的电容器充电到2.5V。然而，这个电荷量给更大电容的超级电容器充电只能充到1.32V(例如，3.375C/2.55F)。存储在电容器组中的全部能量是单独电容器(例如，1/2CV²)的能量的总和，即， $\frac{1}{2}\×(1.35F\×{\left(2.5V\right)}^2+2.55F\×{\left(1.32V\right)}^2)$ 或者6.4焦耳。将每个超级电容器充分充电到2.5V存储了 $\frac{1}{2}\×(1.35F\×{\left(2.5V\right)}^2+2.55F\×{\left(2.5V\right)}^2)$  或12.2焦耳，几乎是两倍能量。

【0096】电荷平衡电路430包括与电容器组410中的每一个超级电容器一一对应的晶体管。例如，晶体管Q1和Q2形成超级电容器C1和C2间的电荷平衡。如果超级电容器C1和C2充分充电，每一个晶体管Q1和Q2能够导电来避免给超级电容器C1和C2过度充电。在一个优选实施例中，晶体管Q1和Q2是N通道增强模式场效应管(FET)，例如Fairchild Semiconductor生产的FDN337N FET。

【0097】在图5A所示的实施例中，电荷平衡通过微控制器U2来监控和执行，该微控制器U2测量超级电容器C1和C2上的电压。超级电容器C2上的电压通过对分压器VD3的输出执行模数转换来确定，而分压器VD2的输出提供了超级电容器C1和C2上的组合电压的测量。因而，在超级电容器C1上的电压能够通过减法得到。如果超级电容器C1上的电压高于超级电容器C2上的电压，则微控制器U2使晶体管Q1导通直到电压相等，并且当超级电容器C2上的电压高于超级电容器C1上的电压时进行类似操作。在这个实施例中，晶体管Q1的栅极驱动通过电阻R2拉上，并且通过在微控制器U2内部或附在微控制器U2上的打开的集电极驱动器拉下，因为该微控制器U2仅能够驱动输出高至调节阳极电轨V_cc(例如ATMegal68V的1.8V)电轨。为了将晶体管Q1导通需要晶体管Q1上的正的V_gs(例如FDN337N FET的大于0.7V)。如果超级电容器C2几乎被充分充电，则这个电压高于大约3.0V。

iv.旋转监控器和电压测量功能

【0098】在某些实施例中，该物体包括可确定物体位置的导航系统。例如，在某些优选实施例中，物体的位置通过航位推算方法被跟踪，该方法测量物体的方向和物体的行进距离。在某些这样的实施例中，该物体行进的距离通过测量轮旋转量(例如，假定轮不滑行、滑动或刹车)来确定。适当的导航系统的进一步细节在导航专利申请中被论述。

【0099】在某些实施例中，发电机404能够作为导航系统的轮旋转传感器，因为发电机电压随频率变化，频率与轮旋转的频率成比例。在图3D所示的发电机313的实施例中，发电机电压的频率等于轮旋转频率乘以发电机传动齿环314和小齿轮326间的传动比。因而，在一些优选实施例中，发电机404产生的电压可被监控并且作为轮旋转计数器被使用。如图5A所示，旋转计数器包括半波整流器，例如二极管D8，该二极管D8的电压由二极管D9限制并且提供一个“旋转”输入到微控制器U2上。该旋转输入能够被微控制器U2上的计数电路计数，来确定轮的转数，并且因而确定物体行进的距离。通过适当地提供一个经过时间电路(例如在微控制器U2上的时钟)，物体的前进速度能够通过轮的转数和经过的时间被估算。

【0100】二极管D8也提供在正半周期间的发电机电压的瞬时测量。该电压测量通过分压器VD1降低到对于微控制器U2上的ADC的范围而言适当的值。在非常高的发电机电压下，二极管D10也限制进入ADC的电压。

v.轮制动机构驱动器

【0101】来自超级电容器组410的动力能够被用来运转制动机构的发动机驱动器420，直到超级电容器组410上的电压低于所需的产生足够扭矩来脱离制动的最小电压。该最小电压取决于制动机构和驱动制动机构的发动机的细节。如图3A至3E所示的实施例中，最小工作电压是大约2.0V。

【0102】这里描述的两个超级电容器的电容器组410有最坏的情形DC ESR，该DC ESR在大约1.5欧姆下老化后并且在3.0V时有大约500mA的锁闭停止电流。一些实施例中，锁闭停止时在超级电容器组410上的压降近似为0.75V。有低ESR的缓冲电容器C3为高电流瞬时负载提供了一些缓冲，该负载例如发动机驱动器420的停止电流和来自发动机驱动器420内转向器开关的感应冲击。

【0103】优选地但不是必要地，制动机构的动力源有高适应性(例如，有低的明显的电源电阻)。在图5A所示的实例电路400a中，动力直接从和缓冲电容器C3并联的超级电容器组410中流入制动发动机驱动器420(可以包括MOSFETH-桥)，但是不经过二极管。这样的电路仅对于选用于电容器组410的特殊超级电容器的固有限制提供了高的适应动力问题。如果需要较高的适应性，那么超级电容器组410中每个串联的超级电容器能够被两个或更多的较低电容的超级电容器置换，来降低电路ESR。例如，并联的300毫欧ESR的两个超级电容器有150毫欧的电路ESR。在一些实施例中，高电容、高ESR的超级电容器和低电容、低ESR的超级电容器并联可以形成高电容、低ESR的组合。例如，在一个实施例中，高电容高ESR的超级电容器包括Cooper Bussmann B1010-2R5155超级电容器，而低电容低ESR的超级电容器包括Cooper Bussmann A0820-2R5474的0.47F、150毫欧ESR的超级电容器。

vi.在轮锁闭状态下持续时间的确定逻辑

【0104】在一些情况下，轮的制动机构被激活，并且轮在一个延长期间内保持锁闭状态。代表性地，存储在超级电容器组410内的能量随后用来给轮解锁。然而，存储在超级电容器组410内的能量随时间衰减，因为超级电容器自放电。如果轮被锁闭了太长的时间，则超级电容器组410内的能量将小到不能给轮解锁。就此，轮将保持锁闭直到被控制解锁(例如，通过经过授权的人，该人有能够发布适当的解锁命令的装置)。形成这个解锁的能量将只好来自于除了超级电容器组410以外的能量源。例如，在某些实施例中，备用电池可以包含足够的能量来给轮解锁。然而，在另一些实施例中，该轮将只好通过来自外部源的动力被供给。

【0105】图5A和表1所述的实施例的超级电容器组的放电时间代表性地是几天。然而，如果超级电容器组410在轮锁闭前没有被充分充电，则放电时间会更短。

【0106】控制电路400a的某些实施例有利地通过在特定点给轮解锁来避免轮处于持续锁闭状态，在所述点处超级电容器组410有正好足够的能量来形成轮解锁周期。在这样的实施例中，微控制器U2周期性地监控超级电容器组410的电荷状态来确定超级电容器是否已经到达该点。在给轮解锁后，该轮能够自由旋转，并且该物体(轮附在其上)能够移动。

【0107】在某些情况下，可以是不需要给轮解锁的，因为物体可能被盗。因而，在一些实施例中，微控制器U2能够被配置成在这种情况下应用下述确定逻辑。该确定逻辑取决于轮是否包括备用电源(例如，备用电池)。

【0108】在轮没有备用电源的案例中，如果轮再次开始旋转，微控制器U2等待直到超级电容器组410已经充分充电到能够形成整个锁闭/解锁周期。然后微控制器U2给轮发信号使之再次锁闭。在这个确定逻辑背后的基本原理是：最初轮被正确锁闭(例如，物体被盗)，然后在轮被锁闭后物体被抛弃。通过随后给轮解锁，该确定逻辑在如下假定下生效：当超级电容器组410剩下正好足够的能量来给轮解锁时，给轮解锁未必能导致物体再次移动。做为选择，如果在微控制器U2给轮解锁后手推车移动，则基本原理假定：允许该物体移动到足够远来给超级电容器组410再次充电将不会较大地影响物体最终重新获得的机会。

【0109】在该确定逻辑的预备实施例中，如果轮开始再次旋转，则该轮立即被备用电源锁闭。在这个预备实施例中，基本原理是：轮后来的运动可能导致丢失物体。在某些实施例中，当控制电路400a被初始化时，例如，通过在非易失性存储器(例如，EEPROM)中存储适当标记，能够做出确定逻辑的不同选择。

【0110】进一步实施例使用低电流电容的备用电池，该电池没有解锁轮的能力。在这样的实施例中，当超级电容器组410放电到包含能可靠地形成解锁周期的最小能量时，轮被解锁。如果未授权人或以未授权方式移动该轮，则微控制器U2等待直到超级电容器组410充分充电以便形成整个锁闭/解锁周期。然后该微控制器U2给轮发出信号使之再次锁闭。轮锁闭机构的某些实施例需要大约500mA的峰值电流来形成一个解锁周期。许多商业上可用的电池利用有足够的高内阻的电池化学特性，这样它们产生的电流不够锁闭或解锁不同优选实施例的制动机构。

vii.辅助备用电池

【0111】在一些实施例中，轮包括辅助备用电池，该辅助备用电池作为当超级电容器组内的能量过低时的动力源。该备用电池代表性地包括例如碱性电池或一次锂电池的一次性电池，虽然在另一些实施例中可以使用例如锂电池的可充电电池。在某些实施例中在一次性电池上应用了浮充电压，这样可以降低电池的自放电速率。

【0112】图5B所示电路图为包含了备用电池系统450和可选的充电电路460(用来给可充电备用电池再次充电)的动力系统控制电路400b的一个实施例。控制电路400b被设定成可给未调节负载420和422以及调节负载U2、412和416提供动力。

【0113】在放电时间后，最初被完全充电的电容器组410将自放电到电压不足以给稳压器U1提供动力。周期性监控超级电容器C1和C2上电压的微控制器U2，将晶体管Q3导通(例如，晶体管Q3的栅极通过电阻R4被拉上，以便晶体管Q3充分饱和)。当晶体管Q3开始导电时，备用电池将开始给超级电容器C1和C2充电，而充电电流由超级电容器C1和C2的ESR限制。然后，微控制器U2关掉晶体管Q3。于是调节负载通过从备用电池传递到超级电容器组410的能量来驱动，直到电容器组410再次充分放电，此时再次重复这个周期。

【0114】如果轮锁闭条件被探测，并且在超级电容器组410中没有足够能量来形成锁闭，则微控制器U2使晶体管Q3导通以便在微控制器410关掉晶体管Q3后给超级电容器组410附加足够的电荷来形成锁闭。如果没有足够能量来形成解锁，则应用相似的确定逻辑。

【0115】在某些实施例中，备用电池仅运行微控制器U2和其它调节负载412和416。在这样的实施例中，通过连接晶体管Q3的输出到二极管D6的阴极(而不是如图5B所述的阳极)来修改控制电路400b。只要超级电容器组410的电压低于所需的运行稳压器U1的最小电压，则晶体管Q3被导通。在这些实施例中，不管自举电源通路426是否被使用，二极管D6均被包括在控制电路中。一些实施例有利地使用了备用电池系统450取代自举动力电路(例如包括二极管D5、D6、D7、电容器C4和电阻R1的电路部分)。

Viii.给超级电容器组提供动力

【0116】一个测试被用来测量动力系统的一个实施例的特性。超级电容器组包括串联的三个Cooper Bussmann PowerStor B0830-2R5475EDLC超级电容器(1.6F和0.45欧姆的标称ESR)。超级电容器组有7.5V的最大工作电压。全波整流器中的二极管D1-D4是BAT54T肖特基势垒二极管(Diodes Inc，Wsetlake Village，California)，该二极管因为在低电流时有小的正向压降而被选用。齐纳并联调节器LM432(National Semiconductor Corp.，Santa Clara，California)和超级电容器组并联来限制电容器组两端的压降大约在7.2V。

表2

时间(s)	测试电压(V)	模拟电压(V)	超级电容器的平均功率(mW)	平均电流(mA)	最坏情况二极管+ESR压降(V)	计算的生成功率(mW)
							1 01724324251617285100114132152	11.522.533.544.555.566.57	1.21.82.22.73.23.64.04.44.95.45.86.36.8	78140196220215283294303286274322272264	15711211298788778716052564439	1.51.41.31.31.21.21.21.21.01.11.01.00.9	315291345352312391391390348330378315301
			获得的平均功率(mW)	253	计算的平均生成功率(mW)	340

【0117】表2所示为测试实施例动力系统的实验结果。发电机(图3D所示)被机构电钻发动机驱动，因此提供频率大约为330Hz的正弦发电机输出，而轮旋转大约是165RPM。当发电机在运转中时，超级电容器组两端的电压作为随时间变化的函数被记录。在表2中，在标签为“最坏情况二极管压降+ESR压降(V)”的栏内的结果是通过二极管数据表中每个电压阶跃的两倍的平均电流来计算的(注意这里有两个二极管压降，例如，D1和D4，对于正的发电机相位)。同样，ESR从超级电容器数据表中获得(可以是稍微保守的)。

【0118】表2也显示了离散时间模拟的结果，该模拟将发电机视为恒定电源而不考虑负载电流。在这个模拟中，假定发电机产生的瞬时功率并产生13(V)·sinωt的最大电压。离散时间模拟根据指数拟合来模拟全波整流器上的二极管压降，本测试中该指数拟合在电压范围内有大约0.05V的精度。表2说明：离散时间模拟的结果接近测试结果，在低超级电容器电荷水平时模拟结果稍微更乐观些，而在较高的电荷水平时稍微更悲观些。

【0119】表2中的结果说明动力系统的一个实施例能够产生大约250mW的平均可用功率，该动力系统在典型的通过人的运动而推动手推车的速度下运转。存储在超级电容器组中的全部能量为9.4焦耳，该电容器组包括两个Cooper Bussmann B1010-2R5155 EDLC，该EDLC的标称电容为1.5F、工作电压为5.0V，在此实施例中9.4焦耳能量能在少于大约40秒内被获得。在大约2英尺/秒的步行速度下，物体移动大约80英尺的距离能够给超级电容器组充分充电。因而，安装在轮式物体(例如，购物车)内的超级电容器组可能通过这里公开的某些实施例的发电机被快速充电。

【0120】在一些实施例中，超级电容器组能够保持它的电荷达几天或更长时间，代表性地比物体移动(和发电机运转)的时间间隔要长得多。因而，例如，在零售商店环境中，即使在消费者适度的、间歇的使用下，超级电容器组也可能维持充分充电状态。如果手推车被推离零售商店周围的限制区域，那么超级电容器组将包含足够的存储电能来驱动锁闭机构阻止偷窃手推车。

【0121】虽然根据某些优选实施例和某些优选用法，发明已经被描述，对于本领域普通技术而言很明显的、包括不提供上述所有特征和优点的实施例和用法的另一些实施例和另一些用法同样在本发明的范围内。因而，本发明的范围由所附权利要求以及它们明显的变更和相等物来定义。

Claims (58)

1.一种被配置用于车辆的、在轮中的动力发电机包括：

包括线圈的外壳；

安装在所述外壳内部、可操作地绕轴旋转的磁化元件；以及

被配置为引起所述磁化元件响应所述轮的旋转而旋转的驱动机构；

其中，所述磁化元件的旋转在所述线圈中产生电力以便使所述发电机提供电力；以及

其中，所述外壳、所述磁化元件和所述驱动机构被安装在所述轮内。

2.根据权利要求1所述的动力发电机，其中所述动力发电机被配置成给安装在车辆上的电子部件提供动力。

3.根据权利要求2所述的动力发电机，其中所述电子部件是双向通讯系统。

4.根据权利要求2所述的动力发电机，其中所述电子部件是视频显示器。

5.根据权利要求2所述的动力发电机，其中所述电子部件是音频扬声器。

6.根据权利要求2所述的动力发电机，其中所述电子部件是导航系统。

7.根据权利要求2所述的动力发电机，其中所述电子部件被配置成阻止所述车辆运动。

8.根据权利要求1所述的动力发电机，进一步包括基本安装在所述轴上的定子并且其中所述磁化元件包括转子。

9.根据权利要求1所述的动力发电机，其中所述动力发电机被配置成给同样安装在所述车辆上的储能器提供动力。

10.根据权利要求9所述的动力发电机，其中所述储能器被安装在所述轮上。

11.根据权利要求9所述的动力发电机，其中所述储能器包括电容存储装置。

12.根据权利要求11所述的动力发电机，进一步包括适合存储电能的电池。

13.根据权利要求12所述的动力发电机，其中所述电池包括可充电电池。

14.根据权利要求12所述的动力发电机，其中所述电池被配置成供应辅助动力。

15.根据权利要求11所述的动力发电机，其中所述电容存储装置包括超级电容器。

16.根据权利要求15所述的动力发电机，其中所述超级电容器包括以串联结构连接的、电荷平衡的至少两个超级电容器。

17.根据权利要求16所述的动力发电机，其中所述发电机被配置成是温度敏感的并且响应温度以调节存储在所述超级电容器中的产生的能量的量。

18.根据权利要求1所述的动力发电机，进一步被配置成给系统提供动力，该系统是用来限制所述车辆运动的。

19.根据权利要求1所述的动力发电机，进一步被配置成给轮制动系统控制电路提供动力。

20.根据权利要求19所述的动力发电机，其中所述轮制动系统控制电路包括用来将制动器从第一状态移动到第二状态、并且维持该制动器在第二状态直到预定条件出现的动力管理系统。

21.根据权利要求20所述的动力发电机，其中所述预定条件是要求所述制动器状态改变的外部生成信号。

22.根据权利要求20所述的动力发电机，其中所述预定条件反映了产生所述制动器状态变化所需的能量。

23.一种被配置成用于有轮的移动物体的动力管理系统，包括：

响应所述物体运动而运转的发电机；

连接到所述发电机上的电容储能器；以及

被配置成基于所述储能器中的能量水平来控制来自该储能器的动力使用的电子部件；

其中，所述发电机、所述电容储能器和所述电子部件被安装在所述轮内。

24.根据权利要求23所述的动力管理系统，其中所述储能器包括至少一个超级电容器。

25.根据权利要求23所述的动力管理系统，其中所述电子部件调节所述电容储能器中电荷的量。

26.根据权利要求23所述的动力管理系统，其中所述储能器包括电池。

27.根据权利要求23所述的动力管理系统，其中所述电子部件提供调节电压。

28.一种物体的轮的制动系统，包括：

与所述轮关联的制动机构，以便能制动或释放该轮的旋转；

与所述制动机构关联、被配置成导致该制动机构制动或释放轮的旋转的控制器；

响应来自所述控制器的信号给所述制动机构提供动力的动力存储装置；以及

在轮上的、被配置成给所述存储装置提供动力的发电机，所述发电机响应所述轮的旋转而运转。

29.根据权利要求28所述的制动系统，其中所述物体是手推车。

30.根据权利要求29所述的制动系统，其中所述手推车是购物车。

31.根据权利要求29所述的制动系统，其中所述手推车被配置成响应手动施加力而运动。

32.根据权利要求28所述的制动系统，其中所述动力存储装置包括至少一个超级电容器。

33.根据权利要求28所述的制动系统，其中所述控制器被配置成导致所述制动机构响应预定标准的产生而制动或释放。

34.根据权利要求33所述的制动系统，其中所述标准包括在预定极限时、在所述储能器内的动力水平。

35.一种在有轮物体的制动系统中管理动力的方法，包括：

响应所述轮的旋转而产生动力；

在电容储能器内存储上述产生的动力；

使用来自所述储能器的动力向所述轮提供制动力；

监控储能器中的动力水平；以及

当监控的水平是预定条件时释放所述制动力。

36.根据权利要求32所述的方法，该方法进一步包括：

响应定义的条件提供辅助动力以便提供制动力。

37.根据权利要求36所述的方法，其中所述定义的条件涉及所述储能器中的第二动力水平。

38.一种被配置用于有轮车辆的动力发电系统，包括：

安装在所述轮内的发电机，该发电机被配置成将所述轮的旋转转换成电能；

电学连接到所述发电机上、被配置成存储部分所述电能的电能存储装置，该存储装置安装在所述车辆内；以及

电学连接到所述发电机和所述存储装置上的动力管理系统，该动力管理系统被配置成监控所述存储装置中的电能水平。

39.根据权利要求38所述的动力发电系统，其中所述车辆是手推车。

40.根据权利要求39所述的动力发电系统，其中所述手推车是购物车。

41.根据权利要求38所述的动力发电系统，其中所述电存储装置包括至少一个超级电容器。

42.根据权利要求38所述的动力发电系统，其中所述电存储装置被安装在所述轮内。

43.根据权利要求38所述的动力发电系统，其中所述动力发电系统被配置成给安装在所述车辆内或车辆上的部件提供电能。

44.根据权利要求43所述的动力发电系统，其中所述部件被配置成阻止所述车辆运动。

45.根据权利要求43所述的动力发电系统，其中所述部件安装在所述轮内。

46.根据权利要求45所述的动力发电系统，其中所述部件是在锁闭位置和解锁位置间移动的轮制动机构，其中在所述锁闭位置时所述轮的旋转是基本被阻止的，在所述解锁位置时所述轮的旋转是基本被允许的。

47.根据权利要求46所述的动力发电系统，其中所述动力管理系统进一步被配置成，如果存储在所述电存储装置中的电能到达极限值时，给所述轮制动机构发信号使之在所述锁闭位置和所述解锁位置间移动。

48.根据权利要求47所述的动力发电系统，其中所述极限值涉及用于从所述锁闭位置向所述解锁位置移动所述轮制动机构的电能的量。

49.一种在有轮物体中的动力系统，包括：

从所述轮的旋转中产生电力的装置；

存储电力的装置；以及

通过使用来自所述发电装置的动力来给所述存储装置充电的装置；

其中，所述发电装置、所述存储装置和所述充电装置被安装在所述轮内。

50.根据权利要求49所述的动力系统，其中所述存储电力的装置包括至少一个超级电容器。

51.根据权利要求49所述的动力系统，其中所述存储电力的装置包括一个可充电电池。

52.根据权利要求49所述的动力系统，进一步包括分配来自所述发电装置或所述存储装置的电力到电子部件上的装置。

53.根据权利要求52所述的动力系统，其中所述电子部件是双向通讯系统。

54.根据权利要求52所述的动力系统，其中所述电子部件是导航系统。

55.根据权利要求52所述的动力系统，其中所述电子部件是显示器装置。

56.根据权利要求52所述的动力系统，其中所述电子部件是制动系统。

57.根据权利要求52所述的动力系统，其中所述电子部件被配置成阻止所述物体运动。

58.根据权利要求52所述的动力系统，其中所述电子部件是轮操纵系统。

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