CN1898845A - 具有电能回收的负荷供电方法和装置 - Google Patents

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CN1898845A CNA2004800353883A CN200480035388A CN1898845A CN 1898845 A CN1898845 A CN 1898845A CN A2004800353883 A CNA2004800353883 A CN A2004800353883A CN 200480035388 A CN200480035388 A CN 200480035388A CN 1898845 A CN1898845 A CN 1898845A
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Abstract

本发明涉及具有电能回收的负荷供电方法和装置，其中电流从电池(UB)通过电动机(M)循环，二极管(D1)为并联连接的电容器(CA)和(CB)充电，一旦充电它们就串联连接，使与电池相关的电压差升高，使得电容器一半的电荷通过二极管(D2)返回到电池，同时由于新的并联连接使得电容器重新充电，该电荷等于之前从电容器转移到电池的电荷，这样，通过电容器循环的并联和串联连接能量能够从电池传输到电容器以及从电容器传输到电池，从而大大扩展电池的范围和电动机的运转。

Description

具有电能回收的负荷供电方法和装置
技术领域
本发明涉及一种使电能回收的方法和装置，利用自动可再充电电源使电荷回收，其中从蓄电池或电池流过负荷，例如电动机的电流通过电路完全返回到蓄电池或电池中，从而大大扩展了其范围。
尤其是，循环地从并联到串联连接以及从串联到并联连接的两个电容器，在并联连接期间通过电动机充电，而在串联连接中，当电压加倍时，它们使电力返回，再次给电池充电。除了补偿所产生的损耗之外，该电源是不需要外部提供能量的封闭系统，电池的范围由同样技术许可的充电和放电次数来限定。
背景技术
像电动机这样的负荷被连接到具有一定电荷的电池或蓄电池，其将逐渐放电，该放电直接与连接时间和流过电动机的电流成比例。因此需要从外部电源提供新能量来为它充电。
在现有技术中，使被负荷消耗的能量被再利用的系统不是公知的。
发明内容
本发明的第一方面涉及一种具有电能回收的负荷供电方法，其包括将来自第一电能存储装置的电能提供给负荷，使通过负荷之后的所述电能的至少部分返回到所述第一电能存储装置以回收所提供的能量。
通过负荷之后的电能由第二电能存储装置回收，从该第二电能存储装置传输到所述第一电能存储装置，从而发生所述第一和第二电能存储装置之间的电能循环传送。
能够不通过负荷而实现能量从所述第二电能存储装置回收到第一电能存储装置。在其它替换方式中，能量通过负荷从所述第二电能存储装置回收到第一电能存储装置，这种情况下在能量通过负荷回收期间负荷的极性是反向的。
通过循环地从并联到串联连接以及从串联到并联连接来进行能量传输，两个或多个电能存储元件构成所述第一储能装置和/或所述第二储能装置的部分。
本发明的第二方面涉及一种具有回收电能的负荷供电装置，包括第一电能存储装置和第二电能存储装置，其中负荷连接在所述第一和第二储能装置之间。该装置可以设置在具有单向连接的一个实施例中，例如，通过与负荷并联连接的二极管，使通过负荷之后回收的电能循环实现，并且所述电能通过该二极管返回到第一储能装置。
第一电能存储装置可以由直流电池构成。第二电能存储装置包括至少两个电容器和用于循环地将所述两个电容器从并联到串联连接以及从串联到并联连接的可切换装置。
本发明构成电能的自动可再充电电源，它能够大大扩充电池的范围使得从该电源流过电动机的电流通过触点给并联连接的两个电容器充电直到电池的电压电平。一旦充电，这些电容器就串联连接，使它们的电压加倍并将能量返回到电池，从而扩大其范围，一旦损耗被补偿，其持续时间就取决于它们的充电和放电特性。
电池与并联和串联连接的电容器之间的电压差的存在，使得出现从电池到电容器以及从电容器到电池的能量转移，这用于为连接在电池和电容器之间的电动机供电，构成电能的自动可再充电电源。
在并联连接期间电容器通过电动机和二极管充电，而在串联连接期间它们通过另一二极管充电，电动机的电源电压是电池的一半。另一方面，如果电动机连接在电池和串联电容器之间，通过二极管并联充电并且通过电动机和另一二极管放电的电容器将用与电池相等的电压为电动机供电，同时串联连接到电动机绕组的电容器保证它的操作没有功率损耗。
可以采用两个串联连接的电池和另外两个并联连接的电池来替换两个电容器，电动机连接在电池之间，这种情况下电流从串联连接的电池通过电动机流到并联连接的电池。接着通过可切换触点使串联连接的电池变为并联连接，而另外两个并联连接的电池被串联连接，使电流反向，同时电动机的连接通过其它触点的同步切换反向，从而保持电动机的极性和旋转方向。
在本发明的可能实施例中，在前面描述的装置中增加了另外的两个电容器和具有两个初级绕组的变压器，或者具有两个绕组的电动机，每对电容器循环地从并联切换到串联连接以及从串联切换到并联连接，使得在并联连接周期期间，两个电容器通过一个绕组充电直到电池的电压电平的同时，另外两个电容器串联连接，使它们的电压增倍并且通过第二绕组向电池放电。
主要是由散热引起的、也因电池的充电因素在电容器中引起的能量损耗降低从外部电源得到补偿，并且因为流过电动机或变压器绕组为两个电容器充电的电流与同步从另外两个电容器流过第二绕组再次为电池充电的电流之和，加上从外部电源提供的电流等于零，这是由于连接到变压器次级绕组中感应的交流电压的电动机或负荷在工作，所以电池不会放电。
附图说明
为了对说明书进行补充说明，并且为了更好地理解本发明的特征，根据本发明的优选实施例，附上一组指示性而非限制性目的的附图作为所述说明书的整体组成部分，下面示出的是：
图1示出了实际电路，其中通过可切换触点，并联连接的两个电容器由电池通过电动机和二极管充电，触点被切换之后，它们串联连接，从而通过另外的二极管向电池放电。
图2示出了实际电路，其中通过可切换触点，并联连接的两个电容器由电池通过二极管充电，触点被切换之后，它们串联连接，从而通过电动机和另一二极管向电池放电。
图3示出了两个串联连接的电池通过电动机连接到另外两个并联电池，以及其通过触点交替切换，其效果与使用电容器的情况类似。
图4示出了对应于电池与具有两个初级绕组和一个次级绕组的变压器的两对电容器之间的连接的电路图，其中感应的交流电压被整流、滤波并变换为正弦波电压。
图5示出了具有连接在电池和两对电容器之间的两个绕组的交流电动机的电路图。
图6示出了具有连接在电池和两对电容器之间的两个绕组的直流电动机的电路图，其中两个可切换触点确保它们正确的极性和旋转方向。
具体实施方式
在图1示出的优选实施例中，负荷由直流电动机(M)构成，第一储能装置由电池(UB)构成，第二储能装置由一对电容器(CA)和(CB)构成。图1示出了电动机(M)连接在特定电压的电池(UB)与第一电容器(CA)和第二电容器(CB)之间，第一电容器(CA)和第二电容器(CB)通过两个可切换触点(S1)和(S2)彼此并联连接。。这些电容器(CA，CB)通过电动机(M)和二极管(D1)充电以获得等于电池(UB)的电压电平，电荷Q＝(CA+CB)UB，而在电容器(CA)和(CB)充电的过程中，电动机(M)旋转。
一旦被充电，两个电容器(CA)和(CB)就通过切换触点(S1)和(S2)而串联连接，此时其电压增加到电池(UB)电压二倍的值，使得电荷Q＝[(CA+CB)/2]2UB＝(CA+CB)UB，这表明一旦被充电，两个电容器的电荷Q在并联和串联下都是一样的。
如图1所示，当并联连接到电动机(M)和二极管(D1)时，二极管(D2)确定单向连接器。紧接两个电容器(CA)和(CB)串联连接之后，它们通过二极管(D2)返回到它们电荷的一半，产生电池(UB)电压。接着切换触点(S1)和(S2)，使电容器(CA)和(CB)并联连接，在第一种情况下其被充电到一半电压。因而它们被立即充电，通过电动机(M)和二极管(D1)重新得到电池(UB)的电压电平。
通过将电容器(CA)和(CB)循环从并联切换到串联连接以及从串联切换到并联连接，电流从电池(UB)通过电动机(M)流到电容器，并从电容器流到电池，重新为其充电并且扩展了其范围，构成电能的自动可再充电电源。
在图2所示的第二实施例中，电动机(M)通过二极管(D2)连接在电池(UB)与电容器(CA)和(CB)之间。从而同样通过二极管(D1)直接被充电并且通过电动机(M)和二极管(D2)被放电，先前图1所示的实施例中所述的电容器(CA)和(CB)的充电值保持不变，这种情况下电动机(M)的端子之间存在的电压差等于电池(UB)的电压。
电容器(CA)和(CB)的充电容量取决于流过电动机(M)的电流强度，其并联连接确保其在最大功率下工作的电容器(CM)，它可能连接电池，优选是快速充电电池，而不是这个电容器。
在图3所示的另一实施例中，第一和第二储能装置分别由一对电池(B3)，(B4)和(B1)，(B2)构成。因此，在这个实施例中，两对电池替换了电容器(CA)和(CB)。电池对(B1)和(B2)连接到开关(S1)和(S2)，电池对(B3)和(B4)连接到开关(S3)和(S4)，这样开关(S1-S4)就根据它们的位置将与其相关的一对电池串联或并联连接。
因此虽然两个电池(B1)和(B2)并联连接，另外两个电池(B3)和(B4)串联连接，但是连接在两对电池之间的电动机(M)还是会因电池之间的电压差而旋转，而同时从串联连接的电池流过电动机的电流再次为两个并联连接的电池充电。接着切换将电池(B1)和(B2)串联连接并且将电池(B3)和(B4)并联连接的触点(S1)、(S2)、(S3)和(S4)，因而电流反向，而同时切换触点(S5)和(S6)以保持电动机正确的极性和它的旋转方向。
两个电容器和电池可以借助机械、机电、电气、电子或其它符合能够得到自动可再充电电源目的的条件的元件进行切换。这些切换操作可以通过公知的装置进行控制，例如可编程电子装置。
在前述的优选实施例中，负荷由直流电动机构成，但是本领域技术人员可以理解，负荷也可以由任一类型的阻性和/或感性负荷构成。
图4示出了另一个优选实施例，具有两个初级绕组(L1)和(L2)的变压器(T)连接在电池(UB)与两对电容器(C1)和(C2)、以及(C3)和(C4)之间，使得两个电容器(C1)和(C2)通过触点(S1)和(S2)将它们的连接从并联转换到串联以及从串联转换到并联，并且使得电容器(C3)和(C4)通过触点(S3)和(S4)转换，使得在电容器(C1)和(C2)并联连接的周期期间，后者通过绕组(L1)被充电直到电池的电压电平，与此同时电容器(C3)和(C4)串联连接并且使它们的电压加倍，电池通过绕组(L2)放电，这种情况下充电和放电电流以相同的方向流动。另一方面，在电容器(C3)和(C4)并联连接的周期期间，其通过绕组(L2)被充电直到电池的电压电平，电容器(C1)和(C2)串联连接，使它们的电压加倍，并且通过绕组(L1)向电池放电。充电和放电电流的方向也相应改变，因此次级绕组(L3)中感应交流电压，其频率取决于所述触点的转换速度，并且通过二极管桥(P)整流和电容器(CP)滤波之后，最后的DC电压通过电路(K)变换成正弦波电压。
同时出现一对电容器并联连接而另一对串联连接。因此从电池流过一个绕组为两个电容器充电的电流，以及从另外两个电容器通过另一绕组流到电池的电流之和接近于零。
主要因散热引起的，以及因电池充电因素在电容器中引起的最小能量损耗从外部电源(FE)得到补偿，这是由于从这个外部电源流到电池的电流以及电容器的充电和放电电流之和等于零。由于负荷的功率越大，电容器中充电和放电电流的强度越高，所以电池不放电而且其范围不取决于连接到变压器(T)的次级绕组(L3)的电动机或负荷的运作。
图5示出了另一实施例，其中交流电动机(M)连接到两个绕组(L1)和(L2)，使得在电容器(C1)和(C2)并联连接期间，后者通过绕组(L1)充电，同时串联连接的电容器(C3)和(C4)通过绕组(L2)向电池(UB)放电，流过绕组的充电和放电电流同方向。接着电容器(C1)和(C2)串联连接而电容器(C3)和(C4)并联连接。电容器中充电和放电电流的方向因此反向，从而在电动机端子上产生出具有取决于触点的转换速度的频率的交流电压。所引起的能量损耗从外部电源(FE)得到补偿，从这个电源流到电池的电流以及在电容器的充电和放电期间流过两个绕组的电流之和等于零。因此电池不因电动机的运转而放电。
图6示出了直流电动机(M)连接到电池(UB)与两对电容器(C1)和(C2)以及(C3)和(C4)之间的两个绕组(L1)和(L2)，使得在并联连接期间两个电容器通过绕组(L1)充电，而在同步串联期间，另外两个电容器通过绕组(L2)向电池充电。与从并联到串联连接以及从串联到并联连接到每对电容器的触点(S1)，(S2)，(S3)和(S4)的转换一致，转换触点(S5)和(S6)，使电动机的绕组极化，使得电容器中充电和放电电流向同一方向流动，产生直流电压。从外部电源(FE)提供的电流与电容器中充电和放电电流之和等于零，因此电池不放电。
在本说明书和附图的基础上，本领域技术人员应该理解，在本发明的目的范围内所述发明的实施例可以与许多不同的方式相结合。已经根据其优选实施例对本发明进行了描述，但是对本领域技术人员来说，在不脱离所要求的发明目的地范围内，对所述实施例进行各种改变是显而易见的。

Claims (33)

1、一种具有电能回收的负荷供电方法，其特征在于，该方法包括将来自第一电能存储装置的电能提供给负荷，将通过负荷之后的至少部分所述电能返回到第一电能存储装置，以使所提供的电能回收。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于，通过负荷之后的电能由第二电能存储装置被回收，电能通过该第二电能存储装置传输到所述第一电能存储装置。
3、根据权利要求1或2的方法，其特征在于，电能的循环传输发生在所述第一和第二电能存储装置之间。
4、根据前述任一权利要求的方法，其特征在于，电能不通过负荷从所述第二电能存储装置回收到第一电能存储装置。
5、根据前述权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，电能通过负荷从所述第二电能存储装置回收到第一电能存储装置。
6、根据权利要求5的方法，其特征在于，电能通过负荷回收期间，负荷的极性反向。
7、根据前述任一权利要求的方法，其特征在于，电能传输是因使两个或多个电能存储元件循环地从并联到串联连接以及从串联到并联连接而引起的，其中两个或多个电能存储元件构成所述第一电能存储装置和/或所述第二电能存储装置的组成部分。
8、一种具有电能回收的负荷供电装置，其特征在于，包括第一电能存储装置和第二电能存储装置，其中负荷连接在所述第一和第二电能存储装置之间。
9、根据权利要求8的装置，其特征在于，该装置具有单向连接，该单向连接并联链接到负荷，用于通过负荷之后回收电能的循环，并且通过该单向连接所述电能返回到所述第一电能存储装置。
10、根据权利要求9的装置，其特征在于，所述的单向连接具有半导体二极管。
11、根据权利要求8到10任一所述的装置，其特征在于，第一电能存储装置由直流电池组成。
12、根据权利要求8到11任一所述的装置，其特征在于，第二电能存储装置包括至少两个电容器和用于循环地使所述两个电容器从并联到串联连接以及从串联到并联连接的可切换装置。
13、根据权利要求8到12任一所述的装置，其特征在于，半导体二极管连接在负荷和第一或第二电能存储装置之间。
14、根据权利要求8到13任一所述的装置，其特征在于，由于二极管的位置，当电容器并联连接时，它们通过负荷而由电池提供的能量充电，而当它们串联连接时，它们通过单向连接向电池放电。
15、根据权利要求8到13任一所述的装置，其特征在于，由于二极管的位置，当电容器并联连接时，它们通过单向连接器而由电池提供的能量充电，而当它们串联连接时，它们通过负荷放电。
16、根据权利要求8的装置，其特征在于，所述第一和第二电能存储装置由至少两个直流电池和用于循环地使所述电池从并联到串联连接以及从串联到并联连接的可切换装置构成。
17、根据权利要求16的装置，其特征在于，第一和第二电能存储装置的电池并联或串联连接状态总是不同的。
18、根据权利要求16或17的装置，其特征在于，负荷通过可切换装置连接到第一和第二电能存储装置的电池，该可切换装置根据所述电池的串联或并联连接状态使负荷的极性反向。
19、根据权利要求8到18任一所述的装置，其特征在于，该装置具有并联连接到负荷的电容器。
20、根据权利要求8到19任一所述的装置，其特征在于，负荷是阻性或感性负荷。
21、根据权利要求8到20任一所述的装置，其特征在于，负荷是DC电动机。
22、根据权利要求8、11和12中的任一所述的装置，其特征在于，负荷包括第一初级绕组和第二初级绕组，以及该装置具有第三电能存储装置，使得第一绕组连接在第一和第二电能存储装置之间，而第二绕组连接在第一和第三电能存储装置之间。
23、根据权利要求22的装置，其特征在于，第三电能存储装置包括至少两个电容器和用于循环地使所述两个电容器从并联到串联连接以及从串联到并联连接的可切换装置。
24、根据权利要求22或23的装置，其特征在于，第三电能存储装置的电容器循环地从并联到串联连接以及从串联到并联连接，其串联或并联连接状态总是与第二电能存储装置的电容器的串联或并联连接状态不同。
25、根据权利要求24的装置，其特征在于，并联连接的电容器通过绕组充电直到电池电压，并且通过绕组连接到电池中，而串联连接的电容器通过将其连接到所述电池的绕组向电池放电，充电和放电电流以相同的方向流动。
26、根据权利要求25的装置，其特征在于，第二和第三电能存储装置的可切换装置的切换同步进行，从而改变相关电容器的串联或并联连接状态。
27、根据权利要求22到26中任一所述的装置，其特征在于，初级和次级绕组构成变压器的初级侧，该变压器也具有次级绕组，其中感应其频率取决于可切换装置的切换速度的交流电压。
28、根据权利要求27的装置，其特征在于，包括接收变压器次级中感应的交流电压的二极管桥，其输出通过电容器提供给DC到AC变换器。
29、根据权利要求22到26中任一所述的装置，其特征在于，包括交流电动机，使得初级和次级绕组感应所述交流电动机中的电压。
30、根据权利要求22到26中任一所述的装置，其特征在于，包括直流电动机，使得初级和次级绕组感应所述直流电动机中的电压，还包括与所述初级和次级绕组相关用于改变所述绕组连接的极性的可切换装置，使得充电和放电电流总是以相同的方向流过所述绕组，并且在电动机中产生DC电压。
31、根据权利要求22到30中任一所述的装置，其特征在于，包括并联连接到电池的外部能源，以补偿可能出现的能量损耗。
32、根据权利要求8到31中任一所述的装置，其特征在于，可切换装置选自由机械、机电、电气或者电子装置构成的组。
33、根据权利要求8到32中任一所述的装置，其特征在于，具有控制所述可切换装置的切换的可编程电子装置。
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