CN104917220A - 切换电路及电机能源回收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种切换电路及电机能源回收系统。切换电路包含电源单元及切换模块。电源单元包含第一电池及第二电池，其中第一电池用以供应电能，第二电池用以储存电能。切换模块用以根据切换信号将第一电池切换为储存电能及将第二电池切换为供应电能。

Description

切换电路及电机能源回收系统
技术领域
本发明是关于一种切换电路及电机能源回收系统，且特别是关于一种具有降低噪声的切换电路及电机能源回收系统。
背景技术
现有的电动自行车具有电动自行车模式及一般人力踩踏模式，因此若不想运用人力踩踏模式时亦可选择电动自行车模式，但遇到刹车状况时，由于现有的电动自行车的电机会因惯性作用而持续运转，造成电力的浪费，且现有的电动自行车仅具有市电充电设备的充电方式，因此若电力不足时，无法随时进行充电，使用相当不便。
发明内容
本发明实施例主要是提供一种切换电路及电机能源回收系统，可回收电机运转时多余的能量，并能使能量的回收及使用更有效率。
本发明实施例的技术解决方案为：
本发明实施例提供一种切换电路。该切换电路包含一电源单元及一切换模块。该电源单元包含一第一电池及一第二电池，其中该第一电池用以供应电能，该第二电池用以储存电能。该切换模块用以根据一切换信号将该第一电池切换为储存电能及将该第二电池切换为供应电能。
本发明实施例提供一种电机能源回收系统。该电机能源回收系统包含一电机、一能量回收电路及一切换电路。该电机根据一驱动信号产生一能量。该能量回收电路电耦接该电机，用以回收该能量。该切换电路电耦接该能量回收电路，包含一电源单元及一切换模块。该电源单元包含一第一电池及一第二电池，其中该第一电池用以供应电能，该第二电池用以储存电能。该切换模块用以根据一切换信号将该第一电池切换为储存电能及将该第二电池切换为供应电能。
本发明实施例提供一种切换电路。该切换电路包含一分压单元、一处理单元及一切换模块。该分压单元电耦接一第一电池及一第二电池，并用以进行分压以产生一第一对应电压及一第二对应电压。该处理单元电耦接该分压单元，用以根据该第一对应电压及该第二对应电压产生一切换信号。该切换模块用以根据该切换信号将该第一电池由供应电能切换为储存电能及将该第二电池由储存电能切换为供应电能。
综上所述，本发明的实施例在于提供一种切换电路及电机能源回收系统，通过控制电源单元中的多个电池来供应电能，并将电机运转时多余的能量回收以使电机能源回收系统的电源更稳定。此外，本发明实施例可提升系统的输出功率及储存电能的效率，使得元件使用寿命增加，还能提升电池电量的使用时间。
附图说明
图1A为根据本发明一实施例绘示一种电机能源回收系统的示意图；
图1B为根据本发明一实施例绘示一种电机能源回收系统的示意图；
图1C为根据本发明一实施例绘示一种电机能源回收系统的示意图；
图1D为根据本发明一实施例绘示一种电机能源回收系统的示意图。
符号说明：
100：电机能源回收系统
102：驱动信号
104：直流电压
106：对应电压
106a、106b：对应电压
108：切换信号
110：电源单元
111：切换电路
120：切换模块
120a、120b：开关
121～126：端点
130：分压单元
140：降压电路
150：处理单元
160：电机驱动电路
170：电机
180：能量回收电路
190：滤波电路
210：保护电路
220：市电充电装置
A、B：电池
R：电阻
C：电容
SC：超级电容
L：电感
D：二极管
具体实施方式
为让本发明的上述目的、技术特征和优点能更明显易懂，下文以实施例配合所附图式进行详细说明。
本发明的内容可通过以下实施例来解释，但本发明的实施例并非用以限制本发明必须在如以下实施例中所述的任何特定的环境、应用或方式方能实施。因此，以下实施例的说明仅在于阐释本发明，而非用以限制本发明。在以下实施例及图式中，与本发明非直接相关的元件已省略而未绘示，且绘示于图式中的各元件之间的尺寸比例仅为便于理解，而非用以限制为本发明实际的实施比例。
关于本文中所使用的“第一”、“第二”等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本案，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。
关于本文中所使用的“连接”或“电耦接”，可指两个或多个元件相互直接作实体或电接触，或是相互间接作实体或电接触，而“连接”或“电耦接”还可指两个或多个元件相互操作或动作。
本发明的一实施例为一种电机能源回收系统100，其示意图描绘于图1A。如图1A所示，电机能源回收系统100包含切换电路111、电机驱动电路160、电机170、能量回收电路180及滤波电路190。电机驱动电路160用以驱动电机170。当电机170工作时，相应的能量产生并通过能量回收电路180及滤波电路190将上述能量回收至切换电路111中。
于一实施例中，切换电路111包含电源单元110及切换模块120，其中电源单元110包含多个电池（图未绘示），分别用以供应电能及储存电能。
于进一步的实施例中，电源单元110可包含至少一供电电池（如图1B的电池A）以及至少一储能电池（如图1B的电池B）。上述供电电池通过切换模块120用以供应电能至电机驱动电路160，使电机驱动电路160产生驱动信号102以驱动电机170。于另一实施例中，上述供电电池所供应的电能是用以驱动电机170，上述储能电池所储存的电能是来自能量回收电路180，其中能量回收电路180用以回收电机170多余的能量。
如图1A所示，电机170电耦接能量回收电路180。当电机170根据驱动信号102产生能量时，能量回收电路180用以回收电机170所产生的能量。此外，滤波电路190电耦接于能量回收电路180及切换模块120之间，用以滤波及储存能量回收电路180所回收的能量以产生稳定的直流电压104。
于本实施例中，电源单元110电耦接切换模块120，通过切换模块120用以接收稳定的直流电压104，使得电源单元110中的储能电池储存电能。换句话说，当电机170工作时，电机170工作而相应产生的能量会回收至电源单元110，使得电源单元110除了供应电能之外，还用以储存电机170工作所产生的能量。
此外，电机170可运用于车辆。举例而言，当电机驱动电路160驱动电机170运转时，电机170产生反电动势（Back-EMF）及电机感应电压的能量。当车辆刹车时，电机驱动电路160停止驱动电机170，电机170由于惯性转动转变为发电机而产生能量。因此，电机170转变成处于发电机状态的能量亦通过上述同一路径回收至电源单元110内。
于进一步的实施例中，切换电路111可还包含分压单元130及处理单元150。分压单元130电耦接电源单元110及处理单元150，用以对电源单元110内多个电池的电能进行分压，以产生多个对应电压106。分压单元130用以将电源单元110内多个电池的电压分压，使得产生的对应电压106在处理单元150可接受的电压范围（例如：0伏特～5伏特）内，以便供处理单元150判断电源单元110内各个电池的电量。此外，电机驱动电路160电耦接于处理单元150与电机170之间。
于操作上，当处理单元150根据分压后的对应电压106判断出储能电池的电能大于供电电池的电能于一特定范围时，处理单元150产生切换信号108至切换模块120以对电池进行切换动作。需说明的是，处理单元150可为微控制单元（MCU）、可编程的微处理器、电机驱动专用集成电路（ASIC）或比较器，但不以此为限。此外，微控制单元（MCU）还可包含存储单元、处理器单元、PWM输出单元、模拟/数字转换器及/或输入/输出接口。
此外，切换模块120电耦接电源单元110及处理单元150。切换模块120用以根据切换信号108将上述供电电池切换为储存电能，并将储能的电池切换为供应电能。
如此一来，电机能源回收系统100通过切换模块120及处理单元150使得电源单元110中的多个电池有效地储存电能及供应电能，使得能量的回收及使用能更有效率。
为方便说明，在此将电源单元110设定为包含电池A及电池B，且电池A用以供应电能及电池B用以储存电能。需说明的是，上述电池的数目及功用仅是用以解释本实施例，然非用以限制本发明。
举例而言，切换模块120包含多个开关，且开关的数量可依实际需求由本领域具通常知识者作不同设计。在一实施例中，如图1B所示，切换模块120包含开关120a和120b。开关120a具有端点121、123、124，其中端点121电耦接滤波电路190，端点123电耦接电池B，端点124电耦接电池A。此外，开关120b具有端点122、125、126，其中端点122电耦接电机驱动电路160，端点125电耦接电池A，端点126电耦接电池B。
需说明的是，切换模块120所包含的开关可为继电器、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、双极性（Bipolar）晶体管或绝缘栅双极晶体管（IGBT），但不以此为限。
于操作上，切换模块120因应切换信号108来切换开关120a与开关120b，使得供电电池连接到供电回路，而储能电池切换到储能回路。具体而言，当开关120a的端点121与端点123连接时，开关120b的端点122与端点125连接（如图1B）；而当开关120a切换使得端点121与端点124连接时，则开关120b的端点122连接到端点126（如图1C），如此可使得相应的供电电池连接到供电回路，而相应的储能电池切换到储能回路。
在预设的情况下，端点121电耦接端点123，且端点122电耦接端点125。电机能源回收系统100是由电池A通过端点125及端点122供应电能供电机能源回收系统100及电机驱动电路160使用。此外，电机能源回收系统100是通过能量回收电路180、滤波电路190、端点121及端点123由电池B将电能回收并储存。
需说明的是，虽本案示例的是两个电池，但不限定于此，亦即本案也可应用多颗电池，使至少一电池为供电电池，且至少一电池为储能电池，再搭配一调整过的切换模块(其包含多个开关)相应至少一切换信号作切换。举例而言，若是电源单元110包含三个或三个以上电池的话，切换模块120可通过二个或二个以上切换信号来进行切换操作。
如图1B所示，电机驱动电路160接收电池A的供应电能并产生驱动信号102以驱动电机170。驱动信号102可依据电机170的种类而定。一般而言，三相电机一般具有3条驱动信号线连接至电机，而单相电机一般具有2条驱动信号线连接至电机。当电机受驱动而运转时，一般会产生四种不必要的输出纹波(Ripple)，其包含一低频纹波（即，工作频率的2倍频率）、一高频纹波（即，电机驱动电路160切换带来的纹波）、一切换噪声（与PWM信号同频的噪声）、一随机噪声（即，与工作频率或切换频率相关的噪声）。上述纹波或噪声都是不必要的，当上述纹波及噪声通过电机驱动电路160中的寄生二极管回流至端点122时，将造成整个系统的电源不稳定，甚至造成元件的损坏。
于本实施例中，能量回收电路180包含多个二极管D，用以将电机170线上大于供电电压的能量通过能量回收电路180的多个二极管D回收。换言之，能量回收电路180是由二极管所构成的反电动势（Back-EMF）的能量回收电路。
此外，滤波电路190可为一LCπ型滤波电路，通过LCπ型滤波电路中的电感L及电容C的滤波及储能的特性，将电机170所产生的纹波及噪声等能量转换为稳定的直流电压104。
如图1B所示，电池B通过端点121及端点123接收并储存直流电压104。此时，处理单元150通过分压单元130用以比较电池A与电池B储存的电量。
举例而言，分压单元130可由两组分压及低通滤波电路所组成，分别用以分压电池A及电池B所储存的电能以产生第一对应电压106a及第二对应电压106b。
由于电池A及电池B所储存的电压(一般为12伏特以上)大于处理单元150可接受的电压范围（例如：0伏特～5伏特），因此通过分压单元130将电池A及电池B所储存的电能降低至处理单元150可接受的电压范围，借此使处理单元150工作于安全的电压输入范围以判断电池A及电池B所储存的电量。
于操作上，当处理单元150根据第一对应电压106a及第二对应电压106b判断电池B的电量大于电池A的电量于一特定范围时，处理单元150产生切换信号108。此时，切换模块120根据切换信号108将电池A切换为储存电能，并将电池B切换为供应电能。
需说明的是，处理单元150还可依程序设定而决定切换电池A及电池B之间的供电及储能的情况。举例而言，处理单元150可根据第一对应电压106a与电机驱动电路160中的寄生二极管的导通电压DVd的总和及第二对应电压106b与能量回收电路180中的二极管的导通电压PVd的总和判断出切换时间，其公式为（VA＋DVd<VB+PVd），其中VA为供应电池A的电量，VB为储能电池B的电量。
具体而言，当第一对应电压106a加上电机驱动电路160中的寄生二极管的导通电压DVd的总和小于第二对应电压106b加上能量回收电路180中的二极管的导通电压PVd的总和时，处理单元150产生切换信号108，使得切换模块120切换电池A及电池B。换言之，切换模块120的开关120a和120b根据切换信号108同步地将电池A切换为储存电能及将电池B切换为供应电能，亦即通过切换信号108即可同步地控制开关120a和120b。需说明的是，切换信号线不限于一条，在此实施例中也可用2条切换信号线来分别控制开关120a和120b。
请参照图1C，于切换模块120接收切换信号108后，开关120a和120b依据切换信号108进行相应的切换，使得端点121电耦接端点124，且端点122电耦接端点126。此时，电机能源回收系统100是由电池B通过端点126及端点122供电至电机驱动电路160。此外，电机能源回收系统100是通过能量回收电路180、滤波电路190、端点121及端点124由电池A将能量回收并储存。
需说明的是，上述切换时间的判断仅是用以举例说明，然非用以限制本发明。任何可用以比较及/或判断多个电池的电量的技术皆在本发明的保护范围内，例如：处理单元150亦可用一逻辑电路来取代（即，比较器或电机专用驱动芯片）或是在系统中加入各式感测电路（例如：温度、湿度、振动量及照度等感测器），以感测其它环境因素的变动。此外，还可加入通信电路用以将内部各项信息通过有线及/或无线的通信接口传输至网络或电脑中以实施远端监控。
于一实施例中，请参照图1D，切换电路111的电源单元110还包含两个超级电容SC，分别与电池A及电池B并联。由于超级电容SC的特性为一大功率密度的元件，其储存电能的效率为二次电池的2倍以上，因此将超级电容SC分别并联于电池A及电池B可以提升储存电能及供应电能的功效。需说明的是，电池A及/或电池B本身亦可为超级电容SC，且可分别用以供应电能及/或储存电能。
于一实施例中，如图1D所示，滤波电路190可为包含超级电容SC的LCπ型滤波电路，用以将电机170所产生的纹波及噪声等能量储存至超级电容SC，并用以将其纹波电压转换为稳定的直流电压104。于一实施例中，滤波电路190中电感的两侧电容同时为超级电容SC。于另一实施例中，滤波电路190中电感的一侧电容为超级电容SC。
于一实施例中，如图1D所示，降压电路140电耦接于处理单元150及切换模块120之间，用以降低电池A或电池B的电量至处理单元150及系统周边所使用的电压范围（例如：3.3伏特～5伏特）之内。
于一实施例中，如图1D所示，保护电路210电耦接于切换模块120及滤波电路190之间，用以避免大电流或突波电流流入电池A或电池B以保护电池A或电池B的使用寿命。
于一实施例中，如图1D所示，电源单元110亦可连接于市电充电装置220。当电源单元110中的电池A及电池B的电量为较低时，可通过市电充电装置220分别对电池A及电池B进行充电。
在此需说明上述图1A至图1D皆为举例说明，任何本领域具通常知识者皆可任意设计或是变换电机能源回收系统100中的能量回收电路180、滤波电路190、切换模块120的连接关系进而使得电池A、B同时分别将电能回收并储存以及供应电能至电机运转。
一般而言，现有的电机能源回收系统是将能量收集器所收集到的能量经过升压电路及防逆流装置传送回直流母线（DC Bus）上，然其缺点为供电与储能的回路是连接在一起。在此架构下，当能量经过升压电路再通过防逆流装置接回直流母线时，将会造成直流母线上的电压纹波变大，使得电机驱动系统变的不稳定。此外，现有的电机能源回收系统仍需使用升压电路，而此方式将产生额外的零件成本及电力的消耗。再者，一旦使用升压电路，升压后的电压必然要高于现有电池的电压，然其能量并不足以将电池的电压立即提高，因此将造成二次纹波噪声。
由上述实施例的说明可知，本发明通过切换操作来控制电源单元中的多个电池供应电能，并将多余的能量回收，以使电机能源回收系统的电源更稳定，特别是电机驱动电路的部分。换言之，可通过电机具备自我控制的功能，使得电机因内嵌微控制器装置而可自主性地控制能源的配置。此外，本发明可提升系统的输出功率及储存电能的效率，使得元件使用寿命增加，更提升电池电量的使用时间。
虽然本案已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本案，任何本领域具通常知识者，在不脱离本案的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本案的保护范围当视所附的权利要求书所界定的为准。

Claims (23)

1.一种切换电路，其特征在于，所述切换电路包含：
一电源单元，包含一第一电池及一第二电池，其中该第一电池用以供应电能，该第二电池用以储存电能；以及
一切换模块，用以根据一切换信号将该第一电池切换为储存电能及将该第二电池切换为供应电能。
2.如权利要求1所述的切换电路，其特征在于，所述切换电路还包含：
一分压单元，电耦接该电源单元，用以分压该第一电池及该第二电池储存的电能以产生一第一对应电压及一第二对应电压；以及
一处理单元，电耦接该分压单元，用以根据该第一对应电压及该第二对应电压产生该切换信号。
3.如权利要求2所述的切换电路，其特征在于，该处理单元根据该第一对应电压及该第二对应电压判断该第二电池的电量大于第一电池的电量于一特定范围，并产生该切换信号。
4.如权利要求1所述的切换电路，其特征在于，该切换模块包含多个开关，所述多个开关用以根据该切换信号同步地切换，使该第一电池切换为储存电能且该第二电池切换为供应电能。
5.如权利要求4所述的切换电路，其特征在于，所述多个开关包含继电器、金属氧化物半导体场效应晶体管、双极性晶体管或绝缘栅双极晶体管。
6.如权利要求2所述的切换电路，其特征在于，该处理单元包含微控制单元、可编程的微处理器、电机驱动专用集成电路或比较器。
7.如权利要求1所述的切换电路，其特征在于，该第一电池及该第二电池分别并联一超级电容。
8.如权利要求1所述的切换电路，其特征在于，该第一电池所供应的电能是用以驱动一电机，该第二电池所储存的电能是来自一能量回收电路，该能量回收电路用以回收该电机多余的能量。
9.一种电机能源回收系统，其特征在于，所述电机能源回收系统包含：
一电机，根据一驱动信号产生一能量；
一能量回收电路，电耦接该电机，用以回收该能量；
一切换电路，电耦接该能量回收电路，包含：
一电源单元，包含一第一电池及一第二电池，其中该第一电池用以供应电能，该第二电池用以储存该能量；以及
一切换模块，用以根据一切换信号将该第一电池切换为储存该能量及将该第二电池切换为供应电能。
10.如权利要求9所述的电机能源回收系统，其特征在于，该切换电路还包含：
一分压单元，用以分压该第一电池及该第二电池储存的电能以产生一第一对应电压及一第二对应电压；
一处理单元，电耦接该分压单元，用以根据该第一对应电压及该第二对应电压产生该切换信号。
11.如权利要求10所述的电机能源回收系统，其特征在于，该处理单元根据该第一对应电压及该第二对应电压判断该第二电池的电量大于第一电池的电量于一特定范围，并产生该切换信号。
12.如权利要求10所述的电机能源回收系统，其特征在于，当该第二对应电压与该能量回收电路中多个二极管的导通电压的总和大于该第一对应电压与一电机驱动电路中多个寄生二极管的导通电压的总和时，该处理单元产生该切换信号，其中该电机驱动电路电耦接于该处理单元及该电机之间，用以产生该驱动信号以驱动该电机。
13.如权利要求9所述的电机能源回收系统，其特征在于，该切换模块包含多个开关，所述多个开关用以根据该切换信号同步地切换，使该第一电池切换为储存电能且该第二电池切换为供应电能。
14.如权利要求9所述的电机能源回收系统，其特征在于，所述电机能源回收系统还包含：
一滤波电路，电耦接于该能量回收电路及该切换模块之间，用以滤波及储存该电能以产生一直流电压。
15.如权利要求14所述的电机能源回收系统，其特征在于，该滤波电路包含一LCπ型滤波电路。
16.如权利要求10所述的电机能源回收系统，其特征在于，所述电机能源回收系统还包含：
一降压电路，电耦接于该处理单元及该切换模块之间，用以降低该第一电池的电量或该第二电池的电量至该处理单元可接受的工作电压范围之内。
17.如权利要求14所述的电机能源回收系统，其特征在于，所述电机能源回收系统还包含：
一保护电路，电耦接于该切换模块及该滤波电路之间，用以避免大电流或突波电流流入该第一电池或该第二电池。
18.如权利要求9所述的电机能源回收系统，其特征在于，该第一电池及该第二电池分别并联一超级电容。
19.一种切换电路，其特征在于，所述切换电路包含：
一分压单元，电耦接一第一电池与第二电池，并用以进行分压以产生一第一对应电压及一第二对应电压；
一处理单元，电耦接该分压单元，用以根据该第一对应电压及该第二对应电压产生一切换信号；以及
一切换模块，用以根据该切换信号将该第一电池由供应电能切换为储存电能及将该第二电池由储存电能切换为供应电能。
20.如权利要求19所述的切换电路，其特征在于，该处理单元根据该第一对应电压及该第二对应电压判断该第二电池的电量大于第一电池的电量于一特定范围，并产生该切换信号。
21.如权利要求19所述的切换电路，其特征在于，该切换模块包含多个开关，所述多个开关用以根据该切换信号同步地切换，使该第一电池切换为储存电能且该第二电池切换为供应电能。
22.如权利要求19所述的切换电路，其特征在于，该第一电池及该第二电池分别并联一超级电容。
23.如权利要求19所述的切换电路，其特征在于，该第一电池所供应的电能是用以驱动一电机，该第二电池所储存的电能是来自一能量回收电路，该能量回收电路用以回收该电机多余的能量。
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