CN1082738C - 高效能电动引擎供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一含有电感线圈的电感性负载回路，负载前串接开关，负载后串接整流二极管和电容，电容的正极经充电二极管与可充电电池连接。本发明藉由开关通断的周期性反复动作，使得电感性负载于最佳效能时段导通以进行功率输出，而于开关断开的时段将电感性负载上的反电动势能量回收到充电电池中。本发明可达到最佳能量输出和减低热能产生的功效，并藉由充电电池的回收再使用而使得充电电池在输出效能上更具延续性、耐用性、功效性。

Description

高效能电动引擎供电系统

本发明涉及一种电动引擎供电系统。

缘于人类科技的发达，科技产品日新月异地不断问世，再加以各式科技产品为人们所普遍喜爱和利用，虽直接增进了人们的工作效率，简化工作的流程及工时，然而，在无形之中一些机具的使用却也间接地造成了地球自然生态的污染，且此生态环境污染的事实，亦已唤醒了人类对环保意识的觉醒。因此，对于地球生态污染的来源，不论是废气、垃圾、油污、自然矿产等污染源，皆为全人类今日全力防止并铲除的工作努力目标。

在众多污染源中，废气的污染堪称最为普遍、最为常见、且时时在发生的重要污染源。废气的污染源来自以燃烧石油为主要动力的汽油引擎，其于燃烧时所产生的噪声、排放出的残存物质、高温气体元素及新的化合气体等所造成的污染最为严重，诸如汽车、机车及小型引擎工具割草机、链锯机等汽油引擎，皆同属于此类污染的来源。

因此，近年来遂有人开始以充电式电池可反复充电使用、不受场地的限制、不受石油短缺影响的优良特性，作为电动引擎中能量的来源，以取代汽油燃料的地位。除此，此直流电能的提供亦直接消除了汽油引擎在使用上所带来的种种污染，对于地球环保工作的推行，贡献甚巨。

然而，此直流电能应用于电动引擎中时，也产生了一些技术上的瓶颈，诸如电能转换成动能是藉由线圈产生的磁力来推动物体做功，在此转换过程中，如使用以往的技术实施时，势必造成电动引擎内电感线圈的转换效率低、易生热能、耗电、续航力(即持续使用时间)不足等缺点。图1所示即为电感由直流电源驱动的等效电路图，在直流电源V串联开关S、电感性负载L、电阻R的电路中，当开关S闭合而成为回路时，其回路中有：

V＝I×R+L×(di/dt)              V：当开关S闭合时的压降

P＝I×V＝I²×R+L×I×(di/dt)   I²×R：阻抗所转换的热能

                                L×I×(di/dt)：电感上的能量

(du/dt)＝L×I×(di/dt)       U：电感储存的能量对时间轴的积

U＝(1/2)L×I²                  分(如图2所示斜线部分)

因此，当电流I流经如线圈、马达等电感性负载L时，其电感上所产生的压降V_L、电流I_L对时间轴的曲线如图2所示，由此曲线图中明显可见，当接点开关S导通后时间t自0开始时，其上的电压V_L便开始急剧下降，直至时间达t₁时方维持于一稳定的低电位，其上的电流I_L则随时间的增长而开始急剧上升，直至时间到达t₁以后则维持一稳定的高电流量，而电感上的功率(I_LV_L＝L×I×di/dt)对时间轴也形成一曲线，电感上储存的能量U则于时间t₁内达到最高峰，于时间t₁以后增进的能量已相当少。由此可见，以往所使用的诸多电能转动能的转换工具，利用电感储存的能量转换成动能，仅于其回路导通后至时间t₁内所发挥的效能最佳(t₁的时间依所使用电感阻抗的不同而各异)，时间到达t₁以后，电流I_L维持稳定的高电流量(di/dt几乎为零)，自此以后直流电源V所提供的电能皆落在I²R(热)上，其目的仅为了维持能量U在电感上保存的时间，却造成了I²R(热)的产生。这样，直流电源于电动引擎中除少部分消耗于磁能的转换外，绝大部分电能则转换成热能消耗殆尽，对于充电完成的直流电力而言，其续航力将受严重的折扣影响。

由图2可知，电感储存的能量在t₁时间内已几乎充满，t₁以后的时段电池所供应的电能都消耗在I²R上并转换成热，如果我们只需要利用磁能，那么在开关在时间轴上的0-t₁内闭合为最经济。又，电感储存的能量U会转换成磁场，磁场上的磁力就是要转换为动能的驱动力，虽然U在转换动能的过程中，会因磁阻而损耗部分能量，但也还剩余许多能量，如能将此剩余的能量回收，效率定可大幅度提升。

有鉴于上述，本发明的目的是提供一种高效能电动引擎供电系统，使加在电动引擎上的能量及其输出的功率皆保持最高效率的状态，并在供电系统中的适当位置处，将线圈上所产生的反电动势能量予以转换回收，使得供电系统得以发挥最佳的供电效益，创造最佳的功率输出、完全回收残余能量、延长充电电池的使用周期等，以创造出一种最高效能的使用状态。

本发明的目的是这样实现的：一种高效能电动引擎供电系统，为一含有电感线圈的电感性负载回路，该电感线圈与一电源串联，负载前串接开关，该开关的另一端接电源正极；负载后串接整流二极管和电容，该电容的正极经充电二极管与可充电电池连接，该电容的负极接电源负极。

在本发明的实施措施中：

所述开关由方波脉冲发生器控制通断，该方波脉冲发生器的脉宽可调整。

所述电感线圈可多组并联，每组线圈的一端接整流二极管，另端串接开关，各开关由方波脉冲发生器控制通断。

所述充电电池的正极与一充电控制电路的输出连接，该充电控制电路的输入接交流电源。

本发明藉由开关通断的周期性反复动作，使得电感性负载于最佳效能时段导通以进行功率输出，而于开关断开的时段将电感性负载上的反电动势能量回收到充电电池中。其优点是：可达到最佳能量输出和减低热能产生的功效，并藉由充电电池的回收再使用而使得充电电池在输出效能上更具延续性、耐用性、功效性。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为电感由直流电源驱动的等效电路图；

图2为电感能量输出曲线图；

图3为本发明原理电路示意图；

图4为本发明工作波形图；

图5为本发明之一实施电路图；

图6为本发明冲杆连续加速等效示意图；

图7为本发明之一实施动作波形图；

图8为本发明之二实施动作图；

图9为本发明之三实施动作图。

首先请参阅图3，本发明为一含有电感线圈L的电感性负载回路，负载L前串接开关S，负载L后串接整流二极管D₁和电容C，电容C的正极经充电二极管D₂与可充电电池B连接。电容C上的电位提供给电池B一个V₂电位。在开关S接通的T₁时间内，直流电源V₁提供电动引擎做功的能量(参见图4)，开关的通断可藉由功率半导体元件组成的方波脉冲发生器控制，该方波脉冲发生器的脉宽可调整。在开关S开路的瞬间，线圈L上将依电感原理产生一反电动势emf，且此反电动势V＝-L×(di/dt)的能量会经二极管D₁由电容C承接，将此电能经二极管D₂输入电池B中，达到能量回收的功效。如反电动势所转换的电能可与电池B的瞬间最高充电允许值相匹配时，则可省略电容C及二极管D₂而令电动势的转换电能直接输入电池B中。在能量的回收过程中，电流方向不变、电磁方向也没变：

I_MAX＝(V₁-V₂-V_D1-V_D2)/Z_L

V_emf＝-L×(di/dt)

当(V₁-V₂)越大时，di/dt也会越大，能量回收效果更好。由于在T₁时间内I²R很少，储存的磁能又能回收，则传统所规定电压值的线圈或马达，在使用图3的条件下，可以大幅度提升V₁值，使在T₁时间内U增大而得到更大的磁力。依物理动力学原理，质量m的物体在t时间内受到一个推力F，F对物体所作的功W：

W＝F×d                        d：物体行进的距离

d＝V₀×t+(1/2)×a×t²＝(1/2)×a×t²

显然磁力对物体做功多寡，时间电是一个重要因素，请一并参阅图4，为了兼顾导通T₁时间又能回收储存在电感内的能量，物体亦有足够的受力时间，开关S可用方波信号控制，其中T₁是电感能量几乎充满的时间，T₂是反电动势回收至电池的足够时间，对每一T₁、T₂的循环而言，符合高效率运转原理，n个循环组成一个施力的循环，因V₁的提高，F也会提高，虽然F施力时间比传统的短，但F提升的比例很大，所以对物体所作功的总和还是比传统的大很多。

图5所示即为图3中基本电路的另一变换实施，此电路中将开关S、线圈L、二极管D等三种元件作重复并联，使三个开关S₁、S₂、S₃于不同时间依序各自完成通断的程序，便可获得一连续驱动力F，并保持于L×i×(di/dt)的最佳功效状态中，以增进电动引擎的使用功效。因此本发明的系统亦可用于如图6所示的将数个线圈串联、冲杆连续加速的结构中，图中上部所示的冲杆为一导磁杆体，可被电感线圈coil吸引，产生直线运动的动量来对外做功。而其开关S₁、S₂、S₃在时间轴上的控制(如图7所示)，将视冲杆行进状况而定，以使冲杆连续加速达到最快速度的目的。三个线圈上所产生的反电动势将依序转换成电能并以一连续的能量加到电容C上，再藉由二极管D4输入至电池B中，使电池B获得一连续性的充电能量。

图8所示为本发明系统的较佳实施例，其将电动势所产生的电能予以回收后直接输入电池B中，并由电池B直接提供电动引擎动能所需的电能。在此电路中，除了如前述采用多组开关S、线圈L、二极管D相互并联以提升回收的电能外，于V₂点上的电位将经由一DC/DC转换器被提升为V₁，并由V₁点提供线圈L₁、L₂一个稳定的电源。依此，则电池B的电能将不断于释放及补充中反复循环进行，因此，在开关S₁、S₂以方波中T₁、T₂的时间间隔作反复通断工作时，除使得电动引擎的线圈L获得一最佳的输出功效外，在开关S₁、S₂切断后，自线圈L上的反电动势所获得的电能经回收后，将使得电池B内的电能获得完整且充分的发挥。

图9所示为图3中基本电路的另一变换实施，此电路中于电池B的V₂端点处设一与交流电源相连接的充电控制电路(此充电电路的详细电路并非本发明的主要专利诉求，故此处不多加赘述)，利用此控制电路可于电池B的电位降低至一定的最低电位时，自动启动充电电路，将交流电能转换为直流电能，并对电池B进行充电，待充电达一定高电位时，充电电路将自动切断充电回路，等待下一次充电电路的启动。由此可明显证明，本发明如在此状态下使用，将可完全取代传统中以交流电源为能量来源的电感性负载电动机，以使得电感性负载电动机的使用更据经济性、可移动性及便利性，由于效率提升、省电及充电时间的随机分布，可降低使用者的用电成本。

综上所述，本发明藉由可反复充电使用的充电式电池作为其电能的来源，以提供电动引擎达到动能输出的功效，且于回路中分别设一开关、一回收电路，并藉由开关执行一通一断的反复动作，使得电动引擎的输出功率达到最佳的状态，而于电感性负载的一端所连接的充电电池除可达到电能回收的功效外，还可将此回收的电能同时反复的供给电动引擎作为电能的来源。依此原理，本发明的应用除可取代汽油引擎达到动能输出功效外，亦可取代交流马达而应用于冷气机、电扇等电器用品中，同时，藉由本发明的直流供电模式及充电时间随机分布的特性，而有降低用电成本之效。

上述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明实施的范围。凡依本发明的申请专利范围所做的等同变换与修饰，皆应为本发明的专利范围所涵盖。

Claims (4)

1.一种高效能电动引擎供电系统，为一含有电感线圈的电感性负载回路，该电感线圈与一电源串联，其特征在于：负载前串接开关，该开关的另一端接电源正极；负载后串接整流二极管和电容，该电容的正极经充电二极管与可充电电池连接，该电容的负极接电源负极。

2.如权利要求1所述的高效能电动引擎供电系统，其特征在于：所述开关由方波脉冲发生器控制通断，该方波脉冲发生器的脉宽可调整。

3.如权利要求1所述的高效能电动引擎供电系统，其特征在于：所述电感线圈多组并联，每组线圈的一端接整流二极管，另端串接开关，各开关由方波脉冲发生器控制通断。

4.如权利要求1所述的高效能电动引擎供电系统，其特征在于：所述充电电池的正极与一充电控制电路的输出连接，该充电控制电路的输入接交流电源。

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