TW201535929A - 切換電路及馬達能源回收系統 - Google Patents

Abstract

一種切換電路及馬達能源回收系統在此揭露。切換電路包含電源單元及切換模組。電源單元包含第一電池及第二電池，其中第一電池用以供應電能，第二電池用以儲存電能。切換模組用以根據切換訊號將第一電池切換為儲存電能及將第二電池切換為供應電能。

Description

切換電路及馬達能源回收系統

本發明係關於一種切換電路及馬達能源回收系統，且特別係關於一種具有降低雜訊的切換電路及馬達能源回收系統。

習知電動自行車具有電動自行車模式及一般人力踩踏模式，因此若不想運用人力踩踏模式時亦可選擇電動自行車模式，但遇到煞車狀況時，由於習知電動自行車之馬達會因慣性作用而持續運轉，造成電力之浪費，且習知電動自行車僅具有市電充電設備之充電方式，因此若電力不足時，無法隨時進行充電，使用相當不便。

本發明的一態樣為一切換電路。根據本發明一實施例，該切換電路包含一電源單元及一切換模組。該電源單元包含一第一電池及一第二電池，其中該第一電池用以供應電能，該第二電池用以儲存電能。該切換模組用以根據 一切換訊號將該第一電池切換為儲存電能及將該第二電池切換為供應電能。

本發明的一態樣為一馬達能源回收系統。根據本發明一實施例，該馬達能源回收系統包含一馬達、一能量回收電路及一切換電路。該馬達根據一驅動訊號產生一能量。該能量回收電路電性耦接該馬達，用以回收該能量。該切換電路電性耦接該能量回收電路，包含一電源單元及一切換模組。該電源單元包含一第一電池及一第二電池，其中該第一電池用以供應電能，該第二電池用以儲存電能。該切換模組用以根據一切換訊號將該第一電池切換為儲存電能及將該第二電池切換為供應電能。

本發明的一態樣為一切換電路。根據本發明一實施例，該切換電路包含一分壓單元、一處理單元及一切換模組。該分壓單元電性耦接一第一電池及一第二電池，並用以進行分壓以產生一第一對應電壓及一第二對應電壓。該處理單元電性耦接該分壓單元，用以根據該第一對應電壓及該第二對應電壓產生一切換訊號。該切換模組用以根據該切換訊號將該第一電池由供應電能切換為儲存電能及將該第二電池由儲存電能切換為供應電能。

綜上所述，本發明之實施例在於提供一種切換電路及馬達能源回收系統，藉由控制電源單元中的多個電池來供應電能，並將馬達運轉時多餘的能量回收以使馬達能源回收系統之電源更穩定。此外，本發明可提升系統的輸出功率及儲存電能之效率，使得元件使用壽命增加，更提升 電池電量的使用時間。

為讓本發明之上述目的、技術特徵和優點能更明顯易懂，下文係以較佳實施例配合所附圖式進行詳細說明。

100‧‧‧馬達能源回收系統

102‧‧‧驅動訊號

104‧‧‧直流電壓

106‧‧‧對應電壓

106a、106b‧‧‧對應電壓

108‧‧‧切換訊號

110‧‧‧電源單元

111‧‧‧切換電路

120‧‧‧切換模組

120a、120b‧‧‧開關

121~126‧‧‧端點

130‧‧‧分壓單元

140‧‧‧降壓電路

150‧‧‧處理單元

160‧‧‧馬達驅動電路

170‧‧‧馬達

180‧‧‧能量回收電路

190‧‧‧濾波電路

210‧‧‧保護電路

220‧‧‧市電充電裝置

A、B‧‧‧電池

R‧‧‧電阻

C‧‧‧電容

SC‧‧‧超級電容

L‧‧‧電感

D‧‧‧二極體

第1A圖為根據本發明一實施例繪示一種馬達能源回收系統之示意圖；第1B圖為根據本發明一實施例繪示一種馬達能源回收系統之示意圖；第1C圖為根據本發明一實施例繪示一種馬達能源回收系統之示意圖；以及第1D圖為根據本發明一實施例繪示一種馬達能源回收系統之示意圖。

本發明的內容可透過以下實施例來解釋，但本發明的實施例並非用以限制本發明必須在如以下實施例中所述的任何特定的環境、應用或方式方能實施。因此，以下實施例的說明僅在於闡釋本發明，而非用以限制本發明。在以下實施例及圖式中，與本發明非直接相關的元件已省略而未繪示，且繪示於圖式中的各元件之間的尺寸比例僅為便於理解，而非用以限制為本發明實際的實施比例。

關於本文中所使用之『第一』、『第二』、...等，並 非特別指稱次序或順位的意思，亦非用以限定本案，其僅為了區別以相同技術用語描述的元件或操作。

關於本文中所使用之『連接』或『電性耦接』，可指二或多個元件相互直接作實體或電性接觸，或是相互間接作實體或電性接觸，而『連接』或『電性耦接』還可指二或多個元件相互操作或動作。

本發明的一實施例為一種馬達能源回收系統100，其示意圖係描繪於第1A圖。如第1A圖所示，馬達能源回收系統100包含切換電路111、馬達驅動電路160、馬達170、能量回收電路180及濾波電路190。馬達驅動電路160用以驅動馬達170。當馬達170工作時，相應的能量產生並藉由能量回收電路180及濾波電路190將上述能量回收至切換電路111中。

於一實施例中，切換電路111包含電源單元110及切換模組120，其中電源單元110包含複數個電池(圖未繪示)，分別用以供應電能及儲存電能。

於進一步的實施例中，電源單元110可包含至少一供電電池(如第1B圖的電池A)以及至少一儲能電池(如第1B圖的電池B)。上述供電電池透過切換模組120用以供應電能至馬達驅動電路160，使馬達驅動電路160產生驅動訊號102以驅動馬達170。於另一實施例中，上述供電電池所供應的電能是用以驅動馬達170，上述儲能電池所儲存的電能是來自能量回收電路180，其中能量回收電路180用以回收馬達170多餘的能量。

如第1A圖所示，馬達170電性耦接能量回收電路180。當馬達170根據驅動訊號102產生能量時，能量回收電路180用以回收馬達170所產生的能量。此外，濾波電路190電性耦接於能量回收電路180及切換模組120之間，用以濾波及儲存能量回收電路180所回收的能量以產生穩定的直流電壓104。

於本實施例中，電源單元110電性耦接切換模組120，透過切換模組120用以接收穩定的直流電壓104，使得電源單元110中的儲能電池儲存電能。換句話說，當馬達170工作時，馬達170工作而相應產生的能量會回收至電源單元110，使得電源單元110除了供應電能之外，更用以儲存馬達170工作所產生的能量。

此外，馬達170可運用於車輛。舉例而言，當驅動電路160驅動馬達170運轉時，馬達170產生反電動勢(Back-EMF)及馬達感應電壓之能量。當車輛煞車時，驅動電路160停止驅動馬達170，馬達170由於慣性轉動轉變為發電機而產生能量。因此，馬達170轉成處於發電機狀態的能量亦透過上述同一路徑回收至電源單元110內。

於進一步的實施例中，切換電路111可更包含分壓單元130及處理單元150。分壓單元130電性耦接電源單元110及處理單元150，用以對電源單元110內多個電池的電能進行分壓，以產生多個對應電壓106。分壓單元130用以將電源單元110內多個電池的電壓分壓，使得產生的對應電壓106在處理單元150可接受的電壓範圍(例如：0伏特 ~5伏特)內，以便供處理單元150判斷電源單元110內各個電池的電量。此外，馬達驅動電路160電性耦接於處理單元150與馬達170之間。

於操作上，當處理單元150根據分壓後的對應電壓106判斷出儲能電池的電能大於供電電池的電能於一特定範圍時，處理單元150產生切換訊號108至切換模組120以對電池進行切換動作。需說明的是，處理單元150可為微控制單元(MCU)、可程式化之微處理器、馬達驅動專用積體電路(ASIC)或比較器，但不以此為限。此外，微控制單元(MCU)更可包含記憶單元、處理器單元、PWM輸出單元、類比/數位轉換器及/或輸入/輸出界面。

此外，切換模組120電性耦接電源單元110及處理單元150。切換模組120用以根據切換訊號108將上述供電電池切換為儲存電能，並將儲能的電池切換為供應電能。

如此一來，馬達能源回收系統100透過切換模組120及處理單元150使得電源單元110中的多個電池有效地儲存電能及供應電能，使得能量的回收及使用能更有效率。

為方便說明，在此將電源單元110設定為包含電池A及電池B，且電池A用以供應電能及電池B用以儲存電能。需說明的是，上述電池之數目及功用僅係用以解釋本實施例，然非用以限制本發明。

舉例而言，切換模組120包含多個開關，且開關的數量可依實際需求由本領域具通常知識者作不同設計。在一實施例中，如第1B圖所示，切換模組120包含開關120a 和120b。開關120a具有端點121、123、124，其中端點121電性耦接濾波電路190，端點123電性耦接電池B，端點124電性耦接電池A。此外，開關120b具有端點122、125、126，其中端點122電性耦接馬達驅動電路160，端點125電性耦接電池A，端點126電性耦接電池B。

需說明的是，切換模組120所包含的開關可為繼電器、金氧半場效電晶體(MOSFET)、雙極性(Bipolar)電晶體或絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)，但不以此為限。

於操作上，切換模組120因應切換訊號108來切換開關120a與開關120b，使得供電電池連接到供電迴路，而儲能電池切換到儲能迴路。具體而言，當開關120a的端點121與端點123連接時，開關120b的端點122與端點125連接(如第1B圖)；而當開關120a切換使得端點121與端點124連接時，則開關120b的端點122係連接到端點126(如第1C圖)，如此可使得相應的供電電池連接到供電迴路，而相應的儲能電池切換到儲能迴路。

在預設的情況下，端點121電性耦接端點123，且端點122電性耦接端點125。馬達能源回收系統100是由電池A透過端點125及端點122供應電能供馬達能源回收系統100及馬達驅動電路160使用。此外，馬達能源回收系統100是透過能量回收電路180、濾波電路190、端點121及端點123由電池B將電能回收並儲存。

需說明的是，雖本案示例的是兩個電池，但不限定於此，亦即本案也可應用多顆電池，使至少一電池為供電 電池，且至少一電池為儲能電池，再搭配一調整過的切換模組(其包含複數個開關)相應至少一切換訊號作切換。舉例而言，若是電源單元110包含三個或三個以上電池的話，切換模組120可藉由二個或二個以上切換訊號來進行切換操作。

如第1B圖所示，馬達驅動單元160接收電池A的供應電能並產生驅動訊號102以驅動馬達170。驅動訊號102可依據馬達170的種類而定。一般而言，三相馬達一般具有3條驅動訊號線連接至馬達，而單相馬達一般具有2條驅動訊號線連接至馬達。當馬達受驅動而運轉時，一般會產生四種不必要的輸出漣波(ripple)，其包含一低頻漣波(即，工作頻率的2倍頻率)、一高頻漣波(即，驅動電路160切換帶來的漣波)、一切換雜訊(與PWM訊號同頻的雜訊)、一隨機雜訊(即，與工作頻率或切換頻率相關的雜訊)。上述漣波或雜訊都是不必要的，當上述漣波及雜訊透過驅動電路160中的寄生二極體回流至端點122時，將造成整個系統的電源不穩定，甚至造成元件的損壞。

於本實施例中，能量回收電路180包含多個二極體D，用以將馬達170線上大於供電電壓的能量透過能量回收電路180的多個二極體D回收。換言之，能量回收電路180是由二極體所構成之反相感應電壓(Back-EMF)的能量回收電路。

此外，濾波電路190可為一LC π型濾波電路，藉由LC π型濾波電路中的電感L及電容C的濾波及儲能的特 性，將馬達170所產生的漣波及雜訊等能量轉換為穩定的直流電壓104。

如第1B圖所示，電池B係透過端點121及端點123接收並儲存直流電壓104。此時，處理單元150透過分壓單元130用以比較電池A與電池B儲存的電量。

舉例而言，分壓單元130可由2組分壓及低通濾波電路所組成，分別用以分壓電池A及電池B所儲存的電能以產生第一對應電壓106a及第二對應電壓106b。

由於電池A及電池B所儲存的電壓(一般為12伏特以上)大於處理單元150可接受的電壓範圍(例如：0伏特~5伏特)，因此藉由分壓單元130將電池A及電池B所儲存的電能降低至處理單元150可接受的電壓範圍，藉此使處理單元150工作於安全的電壓輸入範圍以判斷電池A及電池B所儲存的電量。

於操作上，當處理單元150根據第一對應電壓106a及第二對應電壓106b判斷電池B的電量大於電池A的電量於一特定範圍時，處理單元150產生切換訊號108。此時，切換模組120根據切換訊號108將電池A切換為儲存電能，並將電池B切換為供應電能。

需說明的是，處理單元150更可依程式設定而決定切換電池A及電池B之間的供電及儲能的情況。舉例而言，處理單元150可根據第一對應電壓106a與驅動電路160中的寄生二極體的導通電壓DVd之總和及第二對應電壓106b與能量回收電路180中的二極體的導通電壓PVd之總和判 斷出切換時間，其公式為(VA+DVd<VB+PVd)，其中VA為供應電池A的電量，VB為儲能電池B的電量。

具體而言，當第一對應電壓106a加上驅動電路160中的寄生二極體的導通電壓DVd之總和小於第二對應電壓106b加上能量回收電路180中的二極體的導通電壓PVd之總和時，處理單元150產生切換訊號108，使得切換模組120切換電池A及電池B。換言之，切換模組120的開關120a和120b根據切換訊號108同步地將電池A切換為儲存電能及將電池B切換為供應電能，亦即透過切換訊號108即可同步地控制開關120a和120b。需說明的是，切換訊號線不限於一條，在此實施例中也可用2條切換訊號線來分別控制開關120a和120b。

請參照第1C圖，於切換模組120接收切換訊號108後，開關120a和120b依據切換訊號108進行相應的切換，使得端點121電性耦接端點124，且端點122電性耦接端點126。此時，馬達能源回收系統100是由電池B透過端點126及端點122供電至馬達驅動單元160。此外，馬達能源回收系統100是透過能量回收電路180、濾波電路190、端點121及端點124由電池A將能量回收並儲存。

需說明的是，上述切換時間之判斷僅是用以舉例說明，然非用以限制本發明。任何可用以比較及/或判斷多個電池的電量之技術皆在本發明之保護範圍內，例如：處理單元150亦可用一邏輯電路來取代(即，比較器或馬達專用驅動晶片)或是在系統中加入各式感測電路(例如：溫 度、濕度、振動量及照度等感測器)，以感測其它環境因素之變動。此外，更可加入通訊電路用以將內部各項資訊透過有線及/或無線的通訊介面傳輸至網路或電腦中以實施遠端監控。

於一實施例中，請參照第1D圖，切換電路111的電源單元110更包含二個超級電容SC，分別與電池A及電池B並聯。由於超級電容SC的特性為一大功率密度之元件，其儲存電能之效率為二次電池的2倍以上，因此將超級電容SC分別並聯於電池A及電池B可以提升儲存電能及供應電能之功效。需說明的是，電池A及/或電池B本身亦可為超級電容SC，且可分別用以供應電能及/或儲存電能。

於一實施例中，如第1D圖所示，濾波電路190可為包含超級電容SC的LC π型濾波電路，用以將馬達170所產生的漣波及雜訊等能量儲存至超級電容SC，並用以將其漣波電壓轉換為穩定的直流電壓104。於一實施例中，濾波電路190中電感的兩側電容同時為超級電容SC。於另一實施例中，濾波電路190中電感的一側電容為超級電容SC。

於一實施例中，如第1D圖所示，降壓電路140電性耦接於處理單元150及切換模組120之間，用以降低電池A或電池B的電量至處理單元150及系統週邊所使用的電壓範圍(例如：3.3伏特~5伏特)之內。

於一實施例中，如第1D圖所示，保護電路210電性耦接於切換模組120及濾波電路190之間，用以避免大 電流或突波電流流入電池A或電池B以保護電池A或電池B的使用壽命。

於一實施例中，如第1D圖所示，電源單元110亦可連接於市電充電裝置220。當電源單元110中的電池A及電池B的電量為較低時，可藉由市電充電裝置220分別對電池A及電池B進行充電。

在此需說明上述第1A圖至第1D圖皆為舉例說明，任何本領域具通常知識者皆可任意設計或是變換馬達能源回收系統100中的能量回收電路180、濾波電路190、切換模組120的連接關係進而使得電池A、B同時分別將電能回收並儲存以及供應電能至馬達運轉。

一般而言，習知的馬達能源回收系統係將能量收集器所收集到的能量經過升壓電路及防逆流裝置傳送回直流母線(DC Bus)上，然其缺點為供電與儲能的迴路是連接在一起。在此架構下，當能量經過升壓電路再透過防逆流裝置接回直流母線時，將會造成直流母線上的電壓漣波變大，使得馬達驅動系統變的不穩定。此外，習知的馬達能源回收系統仍需使用升壓電路，而此方式將產生額外的零件成本及電力的消耗。再者，一旦使用升壓電路，升壓後的電壓必然要高於現有電池的電壓，然其能量並不足以將電池的電壓立即提高，因此將造成二次漣波雜訊。

由上述實施例之說明可知，本發明係藉由切換操作來控制電源單元中的多個電池供應電能，並將多餘的能量回收，以使馬達能源回收系統之電源更穩定，特別是馬達 驅動電路的部分。換言之，可藉由馬達具備自我控制的功能，使得馬達因內嵌微控制器裝置而可自主性地控制能源的配置。此外，本發明可提升系統的輸出功率及儲存電能之效率，使得元件使用壽命增加，更提升電池電量的使用時間。

雖然本案已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本案，任何本領域具通常知識者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧馬達能源回收系統

102‧‧‧驅動訊號

104‧‧‧直流電壓

106‧‧‧對應電壓

108‧‧‧切換訊號

110‧‧‧電源單元

111‧‧‧切換電路

120‧‧‧切換模組

130‧‧‧分壓單元

150‧‧‧處理單元

160‧‧‧馬達驅動電路

170‧‧‧馬達

180‧‧‧能量回收電路

190‧‧‧濾波電路

Claims (23)

1. 一種切換電路，包含：一電源單元，包含一第一電池及一第二電池，其中該第一電池用以供應電能，該第二電池用以儲存電能；以及一切換模組，用以根據一切換訊號將該第一電池切換為儲存電能及將該第二電池切換為供應電能。
2. 如請求項1所述之切換電路，更包含：一分壓單元，電性耦接該電源單元，用以分壓該第一電池及該第二電池儲存的電能以產生一第一對應電壓及一第二對應電壓；以及一處理單元，電性耦接該分壓單元，用以根據該第一對應電壓及該第二對應電壓產生該切換訊號。
3. 如請求項2所述之切換電路，其中該處理單元根據該第一對應電壓及該第二對應電壓判斷該第二電池的電量大於第一電池的電量於一特定範圍，並產生該切換訊號。
4. 如請求項1所述之切換電路，其中該切換模組包含複數個開關，該些開關用以根據該切換訊號同步地切換，使該第一電池切換為儲存電能且該第二電池切換為供應電能。
5. 如請求項4所述之切換電路，其中該些開關包含 繼電器、金氧半場效電晶體(MOSFET)、雙極性(Bipolar)電晶體或絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)。
6. 如請求項2所述之切換電路，其中該處理單元包含微控制單元(MCU)、可程式化之微處理器、馬達驅動專用積體電路(ASIC)或比較器。
7. 如請求項1所述之切換電路，其中該第一電池及該第二電池分別並聯一超級電容。
8. 如請求項1所述之切換電路，其中該第一電池所供應的電能是用以驅動一馬達，該第二電池所儲存的電能是來自一能量回收電路，該能量回收電路用以回收該馬達多餘的能量。
9. 一種馬達能源回收系統，包含：一馬達，根據一驅動訊號產生一能量；一能量回收電路，電性耦接該馬達，用以回收該能量；一切換電路，電性耦接該能量回收電路，包含：一電源單元，包含一第一電池及一第二電池，其中該第一電池用以供應電能，該第二電池用以儲存該能量；以及一切換模組，用以根據一切換訊號將該第一電池切換為儲存該能量及將該第二電池切換為供應電能。
10. 如請求項9所述之馬達能源回收系統，其中該切換電路更包含：一分壓單元，用以分壓該第一電池及該第二電池儲存的電能以產生一第一對應電壓及一第二對應電壓；一處理單元，電性耦接該分壓單元，用以根據該第一對應電壓及該第二對應電壓產生該切換訊號。
11. 如請求項10所述之馬達能源回收系統，其中該處理單元根據該第一對應電壓及該第二對應電壓判斷該第二電池的電量大於第一電池的電量於一特定範圍，並產生該切換訊號。
12. 如請求項10所述之馬達能源回收系統，其中當該第二對應電壓與該能量回收電路中複數個二極體的導通電壓之總和大於該第一對應電壓與一馬達驅動電路中複數個寄生二極體的導通電壓之總和時，該處理單元產生該切換訊號，其中該馬達驅動電路電性耦接於該處理單元及該馬達之間，用以產生該驅動訊號以驅動該馬達。
13. 如請求項9所述之馬達能源回收系統，其中該切換模組包含複數個開關，該些開關用以根據該切換訊號同步地切換，使該第一電池切換為儲存電能且該第二電池切換為供應電能。
14. 如請求項9所述之馬達能源回收系統，更包含：一濾波電路，電性耦接於該能量回收電路及該切換模組之間，用以濾波及儲存該電能以產生一直流電壓。
15. 如請求項14所述之馬達能源回收系統，其中該濾波電路包含一LC π型濾波電路。
16. 如請求項10所述之馬達能源回收系統，更包含：一降壓電路，電性耦接於該處理單元及該切換模組之間，用以降低該第一電池的電量或該第二電池的電量至該處理單元可接受的工作電壓範圍之內。
17. 如請求項14所述之馬達能源回收系統，更包含：一保護電路，電性耦接於該切換模組及該濾波電路之間，用以避免大電流或突波電流流入該第一電池或該第二電池。
18. 如請求項9所述之馬達能源回收系統，其中該第一電池及該第二電池分別並聯一超級電容。
19. 一種切換電路，包含：一分壓單元，電性耦接一第一電池與第二電池，並用以進行分壓以產生一第一對應電壓及一第二對應電壓；一處理單元，電性耦接該分壓單元，用以根據該第一對應電壓及該第二對應電壓產生一切換訊號；以及 一切換模組，用以根據該切換訊號將該第一電池由供應電能切換為儲存電能及將該第二電池由儲存電能切換為供應電能。
20. 如請求項19所述之切換電路，其中該處理單元根據該第一對應電壓及該第二對應電壓判斷該第二電池的電量大於第一電池的電量於一特定範圍，並產生該切換訊號。
21. 如請求項19所述之切換電路，其中該切換模組包含複數個開關，該些開關用以根據該切換訊號同步地切換，使該第一電池切換為儲存電能且該第二電池切換為供應電能。
22. 如請求項19所述之切換電路，其中該第一電池及該第二電池分別並聯一超級電容。
23. 如請求項19所述之切換電路，其中該第一電池所供應的電能是用以驅動一馬達，該第二電池所儲存的電能是來自一能量回收電路，該能量回收電路用以回收該馬達多餘的能量。