CN102044905A - 具有可切换超级电容供电的电能系统供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种具有可切换超级电容供电的电能系统供电装置，包括有一发电装置、至少一主超级电容、至少一可切换超级电容及一电控模块。在电控模块的控制下，用以供应电能至一电路负载。电控模块包括有切换单元、截止电压基准值单元、控制单元及截止电压检测电路。当主超级电容供应的超级电容电压值低于截止电压基准值单元的截止电压值时，截止电压检测电路产生电压检测信号至控制单元，由控制单元产生切换控制信号控制切换单元，将主超级电容切换至可切换超级电容，由可切换超级电容供应电能至电路负载。

Description

具有可切换超级电容供电的电能系统供电装置

技术领域

本发明为关于一种供电装置的设计，特别是关于一种具有可切换超级电容供电的电能系统供电装置。

背景技术

一般电能系统内部所需的工作电源由电池所提供，电池用来作为例如启动车辆引擎或是储存电能及供应电能的装置，而电池在实际应用上即为一般人所熟知的铅酸电池。

铅酸电池为一种历史悠久的电池系统，因为该电池具有结构简单、技术成熟与价格低廉等优势，再加上好的循环寿命，使得此种电池的产量与产值在电池产出中具有相当重要的地位。过去一百年来，铅酸电池一直是电能系统用电池的标准配备。

发明内容

本发明所欲解决的技术问题

然而，铅酸电池有着极大的缺点，例如环保、重量及使用寿命等问题。铅酸电池所分解出的重金属和有毒废液会对生态平衡和人体健康造成严重威胁，且电池中含有汞、铅、镉、铬、镍、锰等金属等电解质溶液，一旦进入人体，会损害神经系统、造血功能、肾脏和骨骼，对人的身体危害极大。

此外，铅酸电池在频繁的大功率脉冲下会减少其电池的寿命，且铅酸电池会有自放电率高的问题，若有深度放电的状况(如大灯未关等情形)，则电池寿命更短，约1到2年即须更换，且铅酸电池如果电力减低，无法在短时间内完成充电，因为快速充电往往造成铅酸电池损坏。

再者，铅酸电池的大电流放电能力不佳，为了达到瞬间大电流，通常必须加大电池电容量(即增加重量)，此为铅酸电池重量增加的原因，故因此造成电能系统中的实际载重增加，必需耗费更大的能量才能使其驱动，且铅酸电池的高功率输出能力不好，故供电至电能系统的电路负载时，会有电压不稳定而造成电能系统于运转中产生不平稳的缺点，而降低整体系统的工作效率。

缘此，本发明的目的即是提供一种具有可切换超级电容供电的电能系统供电装置，用以改善上述铅酸电池在电能系统应用上的缺点。

本发明解决问题的技术手段

本发明为解决现有技术的问题所采用的技术手段为一种具有可切换超级电容供电的电能系统供电装置，包括有一发电装置、至少一主超级电容、至少一可切换超级电容及一电控模块，在电控模块的控制下，用以供应电能至一电路负载。

其中电控模块包括有一切换单元、一截止电压基准值单元、一控制单元及一截止电压检测电路。切换单元具有一共同端、一第一连接端、一第二连接端，共同端耦接电路负载，第一连接端连接于主超级电容，第二连接端连接于可切换超级电容，共同端与第一连接端构成第一导通路径，共同端与第二连接端构成第二导通路径。

一截止电压基准值单元，预设储存有一截止电压基准值；

一控制单元，经由一切换控制信号耦接于该切换单元；

一截止电压检测电路，耦接于该主超级电容，用以检测该主超级电容的电压输出端所输出的超级电容电压值；

当主超级电容所供应的超级电容电压值低于截止电压基准值单元的一截止电压值时，截止电压检测电路产生一电压检测信号至控制单元，再由控制单元产生切换控制信号控制切换单元，将导通路径由第一导通路径切换至第二导通路径或第三导通路径，由可切换超级电容供应电能至电路负载。

所述该切换单元还包括有至少一第三连接端，该第三连接端连接于该可切换超级电容，且与该共同端构成一第三导通路径。

所述该切换单元的共同端与电路负载之间还包括有一稳压电路。

所述电能系统供电装置，还包括有一发电装置，用以供应电能至该电能系统中的电路负载。

所述该电控模块还包括有一回充电路，以使该发电装置所产生的部份电力经由该回充电路回充至该主超级电容及可切换超级电容之一。

所述该截止电压检测电路还耦接于该发电装置，用以检测该发电装置输出电压的电压值。

所述该主超级电容与该回充电路之间还连接有至少一电池单元，以作备电用。

本发明对照先前技术的功效

经由本发明所采用的技术手段，由超级电容加电控模块来取代传统铅酸电池作为电能系统用电的来源，由于超级电容的电转换效率比传统铅酸电池高出许多，故超级电容在短时间内提供和回收能量的效率高，亦即能在相当短的时间内充电与放电，且超级电容的能量储存过程与传统铅酸电池技术基于化学反应的过程相比较，没有任何化学键的结合或断开。故超级电容具有循环寿命长、工作温度区域宽、高能量密度、高功率输出能力、安全特性佳及符合环保要求等优点。

由于超级电容的组成材料并不罕见，其碳纤极材具有轻量化、小体化的优点，比对传统铅酸电池能有效改善其大重量以及必需耗费更大能量才能使电能系统驱动的诟病。

此外，经由结合电控模块的技术手段，能改善现有例如车、船、飞机、载具、电能动力装置、电动马达等电能系统的电压不稳定、功率低的缺点，有效应用超级电容的稳压、大电流快速供给特性，在本发明中由电控模块有效地截止电压，避免在快速放电中把电容内的电放光，举凡该领域知识者皆能轻易得知，低于有效工作电压的低电压实际上是没有工作效益的蓄电部位。因此，本发明在电容的电压上做有效截止后，避免反复作业中的消费耗能，达到一定效益以上的节能特性，提升电能系统于运转中的平稳性及舒适性，增加整体系统的工作效率。

附图说明

图1为显示本发明的具有可切换超级电容供电的电能系统供电装置的电路方块图；

图2为显示本发明的具有可切换超级电容供电的电能系统供电装置的立体示意图。

【主要元件符号说明】

1      供电装置

11     主超级电容

111    电压输出端

11a    可切换超级电容

111a   电压输出端

11b    可切换超级电容

111b   电压输出端

12     电控模块

120    切换单元

120a   共同端

120b   第一连接端

120c   第二连接端

120d   第三连接端

121    截止电压检测电路

122    控制单元

123    截止电压基准值单元

124    稳压电路

125    回充电路

126    开关单元

127    开关单元

13     电池单元

2      启动开关

3      启动马达

4      发动机构

5      发电装置

6      电路负载

S1     电压检测信号

S2     控制信号

S3    控制信号

S4    切换控制信号

V1    超级电容电压值

V2    截止电压基准值

具体实施方式

本发明所采用的具体实施例，将由以下的实施例及附图作进一步的说明。同时参阅图1与图2所示，图1显示本发明的具有可切换超级电容供电的电能系统供电装置的电路方块图。图2显示本发明的具有可切换超级电容供电的电能系统供电装置的立体示意图。本发明可应用在一般动力供应装置的电能系统，例如：汽车、船、飞机、载具、电能动力装置、电动马达等等。在本实施例中，是以一交通工具作为本发明的应用实施说明，其中电能系统简单包含有一启动开关2、一启动马达3、一发动机构4、一发电装置5及一电路负载6。

本发明的具有可切换超级电容供电的电能系统供电装置1包括有发电装置5、至少一主超级电容11、至少一可切换超级电容11a、11b、一电控模块12及一电池单元13。其中在实际应用时，包括有两组以上的超级电容，可为三组、四组或多组以上，以符合实际供电需求，在此，仅以至少一主超级电容11及至少一可切换超级电容11a、11b表示，故附图所表现出的三组超级电容的态样不应被解释作为限缩本发明之用。当开启启动开关2时，主超级电容11供给启动马达3一预定大小的启动电压，使得启动马达3启动，并且带动发动机构4运转，而当发动机构4开始运转时，便会同时带动发电装置5作动，并产生电力供应至电路负载6。

其中用以同时带动发电装置5作动并产生电力可为一般发动机构、风力发电机构、太阳能发电机构抑或其它利用自然能的机构。故可以理解，利用自然能可能会有不足以使发动机构带动发电装置产生足够供电路负载所需电力的状况发生。

当发电装置5不足以提供电路负载6所需的电力或者逐渐停止供电时，主超级电容11或者是可切换超级电容11a、11b便会经由电控模块12供电至电路负载6。

如图所示，本发明的电能系统供电装置1的电控模块12包括有一切换单元120、一截止电压检测电路121、一控制单元122、一截止电压基准值单元123、一稳压电路124、一回充电路125及一开关单元126、127。

截止电压检测电路121分别耦接于发电装置5、主超级电容11及可切换超级电容11a、11b，用以分别检测发电装置5输出电压的电压值、主超级电容11的电压输出端111所输出的超级电容电压值V1及可切换超级电容11a、11b的电压输出端111a、111b所输出的超级电容电压值。

回充电路125分别耦接发电装置5、主超级电容11及可切换超级电容11a、11b，而在回充电路125与主超级电容11及可切换超级电容11a、11b之间还设置有开关单元126，在发电装置5、电路负载6及回充电路125之间亦耦接有开关单元127。开关单元126、127由控制单元122所控制，开关单元126的功用在于切换发电装置5所产生的部份电力经由回充电路125回充至主超级电容11或可切换超级电容11a、11b，开关单元127的功用则在于当发电装置5所输出之电压的电压值大于一截止电压基准值V2时，是提供路径予发电装置5供电至电路负载6，当发电装置5所输出之电压的电压值小于截止电压基准值V2时，则切换路径使发电装置5将电力供至回充电路125。

在本发明中，主超级电容11还连接有至少一电池单元13，电池单元13为一锂电池，但不以此为限，也可为铅酸电池、燃料电池….等。电池单元13通过开关单元126连接回充电路125，以使发电装置5所产生的部份电力经由回充电路125回充至电池单元13，而主超级电容11及可切换超级电容11a、11b也可储电于电池单元13以作备电用，其中电池单元13有别于超级电容的快速放电充电之特性，电池单元13具有较长时间的储电效果，当一段时间未供电时，主超级电容11可能会产生不足以供给启动马达3一预定大小的启动电压，此时，就可由电池单元13提供给主超级电容11一预定大小电压，使主超级电容11恢复满电压，以达备电的功效。

当发电装置5供电至电路负载6时，其所输出的电压会经由截止电压检测电路121检测其电压值，并产生一代表发电装置5所输出的电压值的电压检测信号S1传递至控制单元122。

控制单元122接受截止电压检测电路121所产生的电压检测信号S1，并依据截止电压基准值单元123所预设储存的截止电压基准值V2判断发电装置5输出之电压的电压值大小。当发电装置5输出之电压的电压值小于或等于截止电压基准值V2时，控制单元124会传送一控制信号S2至开关单元127，开关单元127依据控制信号S2将小于截止电压基准值V2的小电压小电流经由回充电路125回充至主超级电容11、可切换超级电容11a、11b或电池单元13，其中控制单元122是依据主超级电容11、可切换超级电容11a、11b及电池单元13的储存电力传送一控制信号S3至开关单元126，以切换发电装置5经由回充电路125回充的电力回充至主超级电容11、可切换超级电容11a、11b或电池单元13，再由其它满电压的主超级电容11或可切换超级电容11a、11b对电路负载6进行供电。

当主超级电容11供电时，其经由电压输出端111所输出的电压V1会在经过切换单元120之前，经由截止电压检测电路121检测其输出的超级电容电压值V1，并产生一代表超级电容电压值V1的电压检测信号S1传递至控制单元122。

控制单元122接受截止电压检测电路121所产生的电压检测信号S1，并依据截止电压基准值单元123所预设储存的截止电压基准值V2判断主超级电容11输出之电压的电压值V1大小。当主超级电容11供电至电路负载6一段时间时，主超级电容11输出之电压的电压值V1如小于或等于截止电压基准值V2，控制单元122会传送一切换控制信号S4至切换单元120。在本实施例中，切换单元具有一共同端120a、一第一连接端120b、一第二连接端120c及一第三连接端120d，第一连接端120b耦接主超级电容11的电压输出端111，第二连接端120c耦接可切换超级电容11a的电压输出端111a，第三连接端120d耦接可切换超级电容11b的电压输出端111b，稳压电路124连接于切换单元120的共同端120a与电路负载6之间。

其中共同端120a与第一连接端120b构成第一导通路径，共同端120a与第二连接端120c构成第二导通路径，而共同端120a与第三连接端120d构成第三导通路径。切换单元120依据切换控制信号S4切换可切换超级电容11a接替执行供电至电路负载6的需求，此时可切换超级电容11a的电压输出端111a由共同端120a与第二连接端120c构成的第二导通路径连接至稳压电路124，以将可切换超级电容11a所输出的有效电压经由稳压电路124稳压后，输出至电路负载6。

同样地，亦可由可切换超级电容11b的电压输出端111b由共同端120a与第三连接端120c构成的第三导通路径连接至稳压电路124，将可切换超级电容11b所输出的有效电压经由稳压电路124稳压后，输出至电路负载6。在本发明中，电力不足的主超级电容11或可切换超级电容11a、11b会持续收集及储存由发电装置5经由回充电路125所供应的小电压小电流，持续累积电力至设定的满电压，以在主超级电容11或可切换超级电容11a、11b供应电力一段时间，其所供应电路负载6的电压不足时，切换其它已储存满电压的超级电容对电路负载6进行供电。

通过以上的电路架构可知，如此反复通过发电装置5、主超级电容11及可切换超级电容11a、11b进行供电，本发明的电能系统供电装置1的供电储电特性能有效应用超级电容的稳压、大电流快速供给特性，经由电控模块12有效地截止电压，避免在快速放电中把电容内的电放光，举凡该领域知识者皆能轻易得知，低于有效工作电压的低电压实际上是没有工作效益的蓄电部位。因此，本发明在电容的电压上做有效截止后，能避免反复作业中的消费耗能，达到一定效益以上的节能特性，提升交通工具于行驶中的平稳性及舒适性，增加系统的整体效率，加上超级电容本身就具有的优点，故能供应交通工具的电路负载6一稳定优良的电力。

由以上的实施例可知，本发明所提供的具有可切换超级电容供电的电能系统供电装置确具产业上的利用价值，故本发明业已符合于专利的要件。但以上的叙述仅为本发明的较佳实施例说明，凡精于此项技艺者当可依据上述的说明而作其它种种的改良，但这些改变仍属于本发明的发明精神及以下所界定的专利范围中。

Claims (7)

1.一种具有可切换超级电容供电的电能系统供电装置，其特征在于，包括有至少一主超级电容、至少一可切换超级电容及一电控模块，在该电控模块的控制下，用以供应电能至一电路负载，该电控模块包括有：

一切换单元，具有一共同端、一第一连接端及一第二连接端，该共同端耦接该电路负载，该第一连接端连接于该主超级电容，该第二连接端连接于该可切换超级电容，该共同端与该第一连接端构成第一导通路径，而该共同端与该第二连接端构成第二导通路径；

一截止电压基准值单元，预设储存有一截止电压基准值；

一控制单元，经由一切换控制信号耦接于该切换单元；

一截止电压检测电路，耦接于该主超级电容，用以检测该主超级电容的电压输出端所输出的超级电容电压值；

当该主超级电容所供应的超级电容电压值低于一截止电压基准值时，该截止电压检测电路产生一电压检测信号至该控制单元，再由该控制单元产生该切换控制信号控制该切换单元，将导通路径由第一导通路径切换至第二导通路径，由该可切换超级电容供应电能至该电路负载。

2.如权利要求1所述的具有可切换超级电容供电的电能系统供电装置，其特征在于，该切换单元还包括有至少一第三连接端，该第三连接端连接于该可切换超级电容，且与该共同端构成一第三导通路径。

3.如权利要求1所述的具有可切换超级电容供电的电能系统供电装置，其特征在于，该切换单元的共同端与电路负载之间还包括有一稳压电路。

4.如权利要求1所述的具有可切换超级电容供电的电能系统供电装置，其特征在于，还包括有一发电装置，用以供应电能至该电能系统中的电路负载。

5.如权利要求4所述的具有可切换超级电容供电的电能系统供电装置，其特征在于，该电控模块还包括有一回充电路，以使该发电装置所产生的部份电力经由该回充电路回充至该主超级电容及可切换超级电容之一。

6.如权利要求4所述的具有可切换超级电容供电的电能系统供电装置，其特征在于，该截止电压检测电路还耦接于该发电装置，用以检测该发电装置输出电压的电压值。

7.如权利要求1所述的具有可切换超级电容供电的电能系统供电装置，其特征在于，该主超级电容与该回充电路之间还连接有至少一电池单元，以作备电用。

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