专利名称：电力供应装置及电力供应方法
技术领域：
本发明涉及一种电力供应设备，特别是涉及一种使用电池与超电容以稳定输出电力的电力供应装置及电力供应方法，其是重复反转电池与超电容之间的连结极性，以节省能源。
背景技术：
电池已成为现代生活的必需品，其每天都应用在各种领域中，从汽车到行动电话、膝上型电脑及音乐播放机等消费性产品等等。电池在充放电时皆是以化学反应进行能量转换，且通常设计用于低电力需求的场合。由于电池的化学反应必须克服一定的活化能，故无法快速充放电。另外，铅酸电池虽具有高电力密度，而普遍用以启动汽车，但其供应高电流的时间却不长。虽然理论上只要材料方面能突破，所有的电池皆可具有高电力密度，但电池的使用时间与寿命却会为之缩短；而如果要长时间使用，则电池的体积将十分庞大。
与电池相较下，超电容(supercapacitor)则是利用快速的表面吸附与脱附转换能量。当其电极充电储能时，其电解质中的离子会快速吸附在电解质与电极的介面处。此聚集在介面处的离子即代表超电容的电容或其中所储存的能量。当超电容受控放电时，离子即迅速脱附。因此，超电容的电力密度远高于电池。
超电容又称超极电容(ultracapacitor)或电双层电容，其最常用的吸附材料为活性碳。由于活性碳表面积很大，所以超电容所能储存的能量较铝电解质电容器等传统电容器高出好几个数量级。为制造方便起见，超电容的两个电极通常以配方及制程皆相同的活性碳材料来制作。就此设计来看，在超电容充电之前，其二电极是互相对称而无极性。反之，电池及传统电容器皆有特定的不同材料的阴极与阳极，其以极性观点来看是不能互换的。
当超电容连接至电源充电时，即决定了其二电极的极性。连接至电池正极者即带正电，连至负极者即带负电，此表示超电容的电极会因充电而产生极性。在充过电的超电容将其储能完全释放给负载后，其电极即回复无极性状态。因此，在下次充电时，每一电极皆可连至正极或负极，不论其前次充电时的极性为何。由于二电极对称且具相同化学性质，所以充电时的电极切换并不会对超电容造成任何损害。此种连结极性的切换不可以应用到电池或传统的电容器上，因其电极极性是固定的。如果电极连接错误，甚至可能导致爆炸等灾难。
另外，超电容仅能储存能量，而无法产生能量。因此，超电容是一种被动元件，其使用上必有下列两项缺点。其一是使用时间短，其二是放电时电压会快速下降。事实上，此二缺点皆因超电容的低能量含量所致。为补足超电容在电力应用上的缺陷，其必须配合电池、燃料电池、发电机或公用电力网格(utility power grid)等电源来使用。此种组合可完全发挥超电容电力密度高且充电快速的优点，而可大幅提升电源的电力位准。换言之，超电容可作为前述电压源的负载调节机制，而可延长其使用寿命，并减小其体积。
至今已有许多使用超电容-电池组合的实例，特别是在电动车方面，其例如可见于Shirata的美国专利案US 5,157,267、De Doncker的US5,373,195、Matsui的US 5,642,696、Esser的US 5,734,258及Nozu的US 6,617,830中，此处仅列出其中数例而已。在上述各研究的设计中，是有多个电池与多个超电容分别连接成分离的两排，并与包含转换器及处理器的电子电路搭配，以控制超电容的电力传送与再充电。
电池与超电容的组合使用亦可见于低耗电的应用中，如Wang的US6,373,152所述。再者，将电池-超电容组合与切换机制并用，以使前者的电力输出倍增的方法亦可见于Baughman的US 6,016,049(‘049)及Shiue的US 6,650,091(‘091)。在‘049中，电池与超电容是在放电至负载之前由并联改成串联；而在‘091中，只有超电容由并联改成串联。
上述所有使用混合电源的现有技术皆依靠一组电池快速地对超电容进行再充电，以使超电容可提供连续而稳定的尖峰电流。然而，超电容的电压在放电时仍会快速减弱。另一方面，在许多以可抛式或一次碱性电池驱动的家用产品中，电池寿命的结束并不表示其中的储能已完全耗尽。事实上，在丢弃电池时，其中仍有大约65％的能量并未使用，不过此时电池的剩余电压已在产品的驱动电之下。因此，每次当电池用尽而被丢弃时，都浪费了许多能量。
由此可见，上述现有的混合电源及电力供应方法在结构、方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决混合电源及电力供应方法存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切的结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。
有鉴于上述现有的混合电源及电力供应方法存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新的电力供应装置及电力供应方法，能够改进一般现有的混合电源及电力供应方法，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有的电力供应方法存在的缺陷，而提供一种新的电力供应方法，所要解决的技术问题是使其是利用对称超电容无极性的特性，以扩展电池-超电容混合电源的应用范围，从而更加适于实用。
本发明的另一目的在于，提供一种电力供应装置，所要解决的技术问题是使其是使用本发明的电力供应方法来供应电力，从而更加适于实用。
本发明目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种电力供应装置，其包括至少一电压源；至少一超电容，其是与该电压源串联；以及至少一切换机构，其是连接于该电压源与该超电容之间，且能反复切换该电压源与该超电容之间的连结极性。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的电力供应装置，其中所述的切换机构是置于该电压源侧。
前述的电力供应装置，其中所述的切换机构包括一双刀双掷(DPDT)切换器。
前述的电力供应装置，其中所述的切换机构是置于该超电容侧。
前述的电力供应装置，其中所述的切换机构包括一双刀双掷(DPDT)切换器。
前述的电力供应装置，更包括一旁路机构(bypassing mechanism)，其是在该电池对该超电容的一充电阶段中与该电力供应装置的一负载并联。
前述的电力供应装置，其中所述的切换机构包括一三刀双掷(TPDT)切换器，其亦可切换该旁路机构。
前述的电力供应装置，其中所述的电压源是选自由一次电池、二次电池、燃料电池、燃机、涡轮发电机及公用电力网格所组成的族群。
前述的电力供应装置，其中所述的超电容的一工作电压为1.5V，电容量为0.5F或以上。
前述的电力供应装置，其中所述的超电容有二电极连接至该电压源，且该二电极的化学组成相同。
前述的电力供应装置，其中所述的切换机构是选自由机械开关、电磁继电器、场效晶体管、集成双载子晶体管(IGBTs)及智慧型集成电子电路(IIEC)所组成的族群。
前述的电力供应装置，其中所述的切换机构的一切换时间为60秒或更短。
前述的电力供应装置，其中所述的智慧型集成电子电路可感应该超电容的电压与电流，并据以触发置于该智慧型集成电子电路中的开关。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种电力供应方法，适用于包括至少一电压源及至少一超电容的电力供应系统，该方法包括以下步骤使该电压源与该超电容串联；以及反复切换该电压源与该超电容之间的连结极性，其是以连接于该电压源与该超电容间的一切换机构来进行。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的电力供应方法，其中所述的连结极性的切换时间点，是在每一次该电压源与该超电容的一组合电压实质上为0V时。
前述的电力供应方法，其中所述的连结极性的反复切换步骤包括改变该电压源与该切换机构之间的连结状态。
前述的电力供应方法，其中所述的切换机构包括一双刀双掷(DPDT)切换器。
前述的电力供应方法，其中所述的连结极性的反复切换步骤包括改变该超电容与该切换机构之间的连结状态。
前述的电力供应方法，其中所述的切换机构包括一双刀双掷(DPDT)切换器。
前述的电力供应方法，更包括在该超电容的一充电阶段中，使用一旁路机构(bypassing mechanism)令一充电电流绕过(bypass)该电力供应系统的一负载。
前述的电力供应方法，其中所述的切换机构包括一三刀双掷(TPDT)切换器，其亦可切换该旁路机构。
前述的电力供应方法，其中所述的切换机构是选自由机械开关、电磁继电器、场效晶体管、集成双载子晶体管(IGBTs)及智慧型集成电子电路(IIEC)所组成的族群。
前述的电力供应方法，其中所述的智慧型集成电子电路是感应该超电容的电压与电流，再据以触发该智慧型集成电子电路中的开关。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，为了达到前述发明目的，本发明的主要技术内容如下本发明的电力供应装置包括至少一电压源、与电压源串联的至少一超电容，以及连接于电压源与超电容之间的切换机制。此切换机制可反复切换电压源与超电容之间的连结极性。
在本发明一实施例中，只要超电容的电压低于其直接连接的可供电电池，即会自电池处接收能量。当超电容被充电到电池的电位后，则会成为开路(open circuit)，使电池停止放电。此时即切换置于超电容处的开关，以反转其与电池的连结极性。此时超电容与电池即以二者的组合电压共同驱动负载。当超电容开始放电而使其电压低于电池时，其即在此连结极性反转状态下被重新充电。此反转状态下的充电速率是由超电容与电池间的电位差决定。
当超电容被完全充电后，电池的放电又会被切断，此时即再次反转(即转回原来的)超电容对电池的连结极性，而以超电容与电池的组合电力继续驱动负载。对包括超电容与电池的混成电源而言，藉由此种反转极性下充电及反复切换连结极性的方式，即可持续地驱动负载，直至电池的电压降低到不能使用为止。
另一种逆转超电容至电池的极性连接的方式则是将切换机制置于电池处，每当电池的连接电极作切换时，超电容的连结极性即随的反转，使此二元件可共同驱动负载。然而，此种元件排列型态将使负载在每次切换时作往复运动。详言之，此超电容的连结极性的反转是使超电容与电池由先前状态转成反向的串联状态。电池是在先前状态下对超电容充电，而前述切换/反转连结极性的操作则使二者成为反向的串联状态，并以其组合电压驱动负载。在本发明第三实施例中，此连结切换机制是设计成一种具旁路(bypass)的安全机制，其优点为可对超电容快速充电。
在以上三实施例中，由电池-超电容混成电源供应的电力最初是来自超电容，因其放电速率较高。当超电容的能量耗尽时，电池即接力供应能量给负载。如此，与超电容并用即可使电池有一段休息的时间。因此，混成电源中的电池即可重得其电压位准；与此相较，全采电池供电的电源则无电压回复现象。换言之，藉由超电容的负载调节作用，即可避免电池产生常令电压过早衰减而导致能量损失的过度放电现象。因此，电池的能量利用效率可因短暂的休息而提高，同时超电容的放电电压亦可因电池的支援充电及反复的极性切换而保持一定的位准。
在前述各参考资料及文献上其他超电容的电力应用中，无一者曾善加使用上述反复切换超电容对充电源的连结极性的做法。本发明是使用较简单的电路反复切换连结极性，而可令超电容稳定地输出电力。也就是说，超电容的两项缺点之一(放电时电压快速下降)可藉反复的连结极性切换来克服。同时，藉由反复的连结极性切换，不论所用电池为抛弃式或可充电(二次)电池，其能量利用效率亦皆得以提高。
经由上述可知，本发明是关于一种电力供应装置及电力供应方法，其是利用超电容的电极无极性的特性，反复切换电池与超电容间的连结极性，以改善电池的能量利用效率，同时令超电容的电压大致保持在一定的位准。
借由上述技术方案，本发明电力供应装置及电力供应方法至少具有下列优点
如前所述，超电容对DC及AC电源而言皆是有效的电力放大器。除了应用超电容的高充放电效率、长使用寿命及高能量密度等独特性质外，本发明更可利用其二电极对称的特性以增进功效。
在本发明的电力供应方法中，超电容电极的极性是在充电-放电循环中重复反转，以改善电池的能量利用效率，并可在放电时稳定超电容的输出电压。
综上所述，本发明特殊的电力供应方法，其是利用对称超电容无极性的特性，以扩展电池-超电容混合电源的应用范围。本发明特殊结构的电力供应装置，其是使用本发明的电力供应方法来供应电力。其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类产品及方法中未见有类似的结构设计及方法公开发表或使用而确属创新，其不论在产品结构、方法或功能上皆有较大的改进，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的混合电源及电力供应方法具有增进的多项功效，从而更加适于实用，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，以下特举多个较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
图1是配备超电容的电池工作电路的电路图。
图2是本发明第一实施例的用以反复切换超电容的连结极性的切换机制的电路图。
图3是本发明第二实施例的用以反复切换超电容的连结极性的切换机制的电路图。
图4是本发明第三实施例的切换机制的电路图，其可使充电电流绕过负载而快速对超电容充电。
图5A是在本发明实例1的反复极性切换操作下，于混成电源的超电容两端测得的电压振荡模式。
图5B是在本发明实例1的反复切换操作下，于电池与超电容联合驱动的马达两端测得的放电曲线。
图5C是在本发明实例1中，与超电容并用的电池的放电曲线。
图5D是比较例中，仅用二电池的电源的放电曲线。
10电池20超电容(supercapacitor)30马达(motor)
S1、S1A、S1B切换机构的接点S2、S2A、S2B切换机构的接点S3、S3A、S3B切换机构的接点具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的电力供应装置及电力供应方法其具体实施方式
、结构、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。
超电容与电池二者皆为储能装置，但后者可储存的能量远大于前者。在电池-超电容混成电源中，电池是超电容的电源，且二者并用的效果比单电池更佳。
图1是配备超电容的电池工作电路的电路图，其中超电容20是以一对等长的短棒表示，以象征其非极性且对称的本质。超电容20并入电池10与负载30的电路中，其中负载30例如为马达或电灯泡。当电池10驱动负载30时，空无能量的超电容20将同时被电池10充电，直至其电压达到电池10的电压为止，此时超电容20即成开路，而为充电的终点。当超电容20成开路时，超电容20与电池10不仅具有相同电位，同时还等于是呈并联状态。由于超电容20的电极因充电而极化，故其具有与电池10的两极相同的极性。以电子学术语来说，即是超电容20是处于抵消电池10的电位的负电位状态，故负载30会停止运作。
第一实施例图2是本发明第一实施例，其中超电容20对电池10的连结极性由双刀双掷(double-pole double-throw、DPDT)切换器来控制，其是由两个开关所组成。当此控制器处于图2所示的S1-S1A及S2-S2A状态时，超电容20会被电池10充电，同时负载30会被电池10驱动。即使在电池10的电压不足以驱动负载30的情形下，充电电流仍能通过负载30以对超电容20充电。此充电电流的流路依序为电池10的正极(长棒)、负载30、S2A、S2、超电容20、S1、S1A及电池10的负极(短棒)。一旦超电容20被充电到电池10的电位，充电电流即停止，且负载30亦停止运作。
接着，将DPDT切换到S1-S1B与S2-S2B状态，超电容20即与电池10串联，以二者的组合电压驱动负载30。如电池10的电压为1.5V，此混合电源即可以3.0V驱动负载30。在极性反转后，一开始的驱动电力是由超电容20提供，直至组合电压降至1.5V为止，而后电池10继续供应电力给负载30。因此，当超电容20运作时，电池10可有一段休息时间。另外，由于超电容20与电池10直接连接，故只要超电容20的电位低于电池10，即会被后者充电。如此，当超电容20放电时，其失去的能量即可由电池10补充，以维持二者间的电位平衡。
充电速率是与超电容20与电池10间的电位差成比例，且充电过程是在超电容20与电池10的组合电压衰减结束时完成，其充电路径依序为电池10的正极(长棒)、负载30、S1B、S1、超电容20、S2、S2B及电池10的负极(短棒)。因此，即使在超电容20的放电阶段中反转连结极性，也会有一极性相反的电场形成在超电容20的电极之间。在此情形下，超电容20是在极性逆转的情形下充电，其可行的原因正在于超电容20电极的对称本质。
再者，超电容20的充电及放电是两个可逆的物理过程，亦即，在电极表面上的离子吸附与脱附过程。一旦离子自电极表面脱附，其留下的空吸附点即可再行吸附。如果离子可快速脱附以因应负载30的高电力需求，超电容20即可在同样短的时间内重新充电。当超电容20重新充电至电池10的负电位，则超电容20与电池10之间的连结极性即须再加以反转，以使用新存在超电容20中的能量来驱动负载30，其驱动电压是超电容20与电池10的组合电压。如无此连结极性的反转操作，负载30则不会从超电容20或电池10接收到任何能量。前述反复切换超电容20与电池10的连结极性的操作可不断进行，直到超电容20与电池10的组合电压低于负载30所需的驱动电压为止。
此处提出两种决定何时切换超电容至电压源的连结极性的方法，其一是根据超电容的放电时间，即超电容在切换前的放电所需时间；其二则是根据超电容的剩余电压，但此法另需一电压感测器，以在到达预设电压时启动切换机制。实际上，放电时间与剩余电压皆与同一放电过程有关，即放电时间愈长，剩余电压愈低。
另外，在任何情况下，超电容与充电源的连结极性可视实际需求在选定的时间点逆转。此连结极性的反复切换时点可精心设计，以使超电容的放电电压保持在所要求的位准。与放电电压快速降为0V的现有习知的超电容放电步骤相较，本发明的反复切换步骤可容易地使超电容在稳定的电压输出状态下放电。如此，超电容即可如电池般运作，即在放电时呈现平缓的电压衰减曲线，此特性是电池与超电容二者能否有效使用的重要关键。
另外，当超电容的充电电源是具有足够能量含量的一组电池、燃料电池、燃机、涡轮发电机或公用电力网格时，上述反复极性切换操作即可快速地将超电容充满电能，使得超电容随时都可以提供即时且稳定的尖峰电力给任何负载，而不会有延迟。因此，充电源将不会有任何过载的危险，故不会造成火灾；同时，与不具超电容及反复极性切换机制的同等级电源相较下，其驱动相同负载时的电压源尺寸与成本亦可降低。
此外，无论所用电池为一次或二次电池，上述反复极性切换操作对电池而言还有另一好处，即是可令电池有短暂的休息时间，而能大幅提升其能量利用效率。在休息期间，电池可因其中活性物质的重新分布而回复其电压，此活性物质是储存在电极的不同位置中。否则，电池即可能因连续的放电，而产生过早且不可逆的电压衰减。因此，前述的反复极性切换操作不仅能节省能量，同时还能减少世界上废弃电池的数量。
另外，超电容与充电或电压源间的连结极性切换可以机械开关、电磁继电器、场效晶体管(FET)、集成双载子晶体管(Integrated BipolarTransistors，IGBTs)或智慧型集成电子电路(Intelligent IntegratedElectronic Circuit，IIEC)来达成。如以计时器或电压感测器等切换触发器配合电磁继电器、场效晶体管或集成双载子晶体管等来使用，则前述反复切换操作即可自动化，且所建构出的切换控制机制也只会消耗最小的能量。此外，智慧型集成电子电路(IIEC)更可感测到超电容的电压与电流，再据以启动IIEC中的切换器。
第二实施例图3是本发明第二实施例，其是使用为双向移动的负载30所设计的反复切换机制，此种负载30例如是车库门、电窗帘或电梯等。当双刀双掷(DPDT)切换器设定如图3所示状态时，电池10即提供下述路径的电流电池10的正极(长棒)、S1、S1A、超电容20、负载30、S2A、S2及电池10的负极(短棒)。此电流可驱动负载30，且当然会对超电容20充电，只要超电容20的电位低于电池10。当超电容20充电到电池10的负电压时，电流即会停止，而使负载停止运作。
在另一种情形下，电池10的放电可与负载30的移动同步，亦即，电池10可随负载30停止而停止放电。当电池10的驱动力被超电容20抵消时，即必须反转电池10与超电容20间的连结极性，以驱动负载30。当DPDT被切换到S1-S1B与S2-S2B状态时，电池10与超电容20亦为串联状态。在极性反转之后，电池10与超电容20即提供以下流向的电流电池10的正极(长棒)、S1、S1B、负载30、超电容20、S2B、S2及电池10的负极(短棒)。同时，负载30将因电池10与超电容20的组合电压而反向运动。
一旦超电容20再被充电至电池10的负电位，即需再次反转连结极性，以使电池10可与超电容20一同连续驱动负载30，直到电池耗尽为止。在其他电池10的放电与负载30的移动同步的其他情形下，不论负载30在其运动的两端点之间的哪一点停止，电池10的放电与超电容20的再充电皆会停止。此时超电容20不一定是在完全充电状态，端视负载30的电力消耗速率而定。每当超电容20被完全充电时，电池10的驱动力即被抵消，此时超电容20与电池10的连结极性即须反转，以使二者的混成电力驱动负载30。
然而，如采用图3所示的切换架构，则负载30只能朝反向移动，而无法继续其在极性反转前的运动。为使负载30朝操作者所要的方向移动，则由电池10-超电容20混成电源所提供的电流即需使用反转器进行整流，此反转器可由另一组切换器构成。
第三实施例图4是本发明第三实施例，其中电池10是快速对超电容20充电，而不经过负载30。此例是使用三刀双掷(three-pole double-throw，TPDT)切换器来反转电池10与超电容20的连结极性，其中S1、S2及S3为共用接点。当此TPDT处于图4所示的常闭状态(S1-S1A、S2-S2A与S3-S3A)，电池10将经以下路径对超电容20充电电池10的正极(长棒)、S3A、S3、S2A、S2、超电容20、S1、S1A及电池10的负极(短棒)。此超电容20的充电过程可以推压锁定钮(push-latching button)(图中未示)启动。
由于本例中充电电流不流经负载30，故充电时负载30静止不动。此时由于电池10与超电容20基本上为并联状态，故电池10可快速对超电容20充电。当启动器被拉下后，TPTD切换器即被滑动到S1-S1B、S2-S2B、S3-S3B的常开状态，使电池10及超电容20与马达30串联，而送出高电力脉冲驱动马达30。此常开状态的电流路径如下电池10的正极(长棒)、负载30、S1B、S1、超电容20、S2、S2B及电池10的负极(短棒)。如此，负载30即可由电池10与超电容20的混成电力提供能量，而可快速地对目标作功。
前述电池10与超电容20的连结极性反转操作可应用至不同的电力工具上，例如无线破碎机、夯实器、电钻、锤击器、植苗器(hedger)、钉枪(nailer)、切片机(nibbler)、穿针器(pinner)、修剪器(pruner)、钉书机、敲平头钉器(tacker)及修整器(trimmer)等。在放开启动器以使TPDT回到常闭状态后，负载30不再被供电，而超电容20则被电池10快速充电，以为下次出力预作准备。就功能上来看，图4的切换器S3是作为一安全开关，其可令超电容20被快速充电，并防止负载30遭到突波冲击。
如以上各实施例所述，本发明提出一些简单、经济且易于使用的超电容-充电源连结极性的反转方法，以利于超电容的即时性应用，而可令超电容如电池般提供持续稳定的放电电流。
以下提出2个实例，其并非用以限制本发明的范围，而仅是用以说明本发明具有可在放电时稳定超电容的工作电压，且可改善电池的能量利用效率的优点。
<实例1>
本例是依图2所示配置方式，将1颗1.5V的3号(AA尺寸)碱性电池与自制AA尺寸、规格2.5V×3F的超电容及玩具汽车用的直流马达相连。在比较例中，则以2颗串联的同厂牌1.5V的3号碱性电池驱动同一马达。亦即，此直流马达是以电池/超电容-反复切换器的组合或纯电池组合来供电。各例的电池能量利用效率的比较，是以驱动该马达至其电力耗尽的时间为准，此处“电力耗尽”是指电池在无间断放电测试中无法再驱动该马达的状况。虽然此电池在休息一段时间后或许能再驱动该马达，但其使用时间甚短，故不计入。
图5A显示本例中混成电源的超电容两端测得的多次电压变化循环。众所皆知，电池开始放电时即会产生压降，其程度与电池的内电阻与负载的电力需求成比例。在本测试中，压降约为0.3V，而马达的最大耗电流为0.5A。由于有前述的极性反复切换，所以超电容的工作电压是在2.4V的电位范围内振荡。亦即，此超电容可被充电至1.2V或-1.2V。每当超电容从1.2V放电至0V，其将接着在此反转的极性下，由0V被再充电至-1.2V。之后，超电容于再次反转的极性下从-1.2V放电到0V，再由0V被重新充电至1.2V。如此，每一轮电压变化循环即包括两对在1.2V与-1.2V内摆荡的充电与放电步骤。此反复极性切换操作可防止超电容的放电电压衰减而锁定在0V，而此衰减正是现有习知的无极性反转的超电容应用的缺点。再者，藉由切换时间的调整，超电容的常设放电电压即可定在选定的电位位准。
图5B是本例于碱性电池与超电容所驱动的马达两端测得的多次电压衰减循环的变化曲线，其即等于是电池-超电容混成电源的放电曲线，且其中多刺状的部分是因马达的干扰所致。如图5B所示，此混成电源由2.5V衰减至0V，而非3.0V。在混成电源的初始放电阶段中，传送至马达的电力是来自超电容，使其能量消耗在1.2V附近。接着，电池会继续供电以驱动马达，同时对超电容充电，直到二者的组合电压为0V为止。此时超电容即为完全零充电状态。不过，此时马达仍因惯性而继续转动。接着，超电容与电池的连结极性在短短数秒内以自动切换器反转，此二者即共同驱动马达，而开始另一次的循环。
藉由反复极性切换操作，即可以电池与极性不断反转的超电容所组成的混成电源重复驱动。虽然图5B显示其组合电压周期性地降为0V，前述的反转点亦可定在一特定电压，以提供足够电力给负载，其例如是表现在冲量、点火、加速、致动(actuation)、力矩、推力(impetus)、波幅或光度(luminosity)等方面。特别是当电池或其他电压源具有充裕的能量时，超电容即可被快速充电，使负载可被稳定地驱动，而没有任何迟滞的迹象。在实用上，辅助电池以驱动玩具车马达之类负载的超电容只需要0.5F的电容，即可使马达连续运作。
图5C显示与超电容并用以持续推动马达运转的电池的放电曲线。如此图所示，电池的电压是在11小时内平缓地降到0.7V。与之相较，使用两颗串联1.5V碱性电池的比较例的放电曲线显示于图5D。此双电池组的电压衰减甚快，3小时后即降到1.4V。平均而言，即是每颗电池有0.7V的终电压，而与混成电源的电池电压相同。明显地，当碱性电池的电压降到0.7V时，其电化学反应即不再能够产生足够的电流来推动马达。
在仅用电池的比较例中，马达的转速是持续逐渐降低；而在本发明的实例中，马达的转速则会在每次混合电源的电压趋近0V时显现可查觉到的减速现象，其中电池具有同时供能给马达及超电容的双重功能。本实例的电池的使用时间与现有习知的差距也许没有图示般大，但在各方面综合考量下，本发明的反复逆转极性操作的确可以大幅改善以超电容支援的电池的能量利用效率。就全世界每年数百万颗的电池用量来看，即使电池的使用时间只增加了10％，其对环保也有很大的贡献。
如熟悉此技艺者所知，超电容具有调节电池负载的效果，尤其是在该负载的电力需求高于电池的设计容量时。然而，本发明藉由前述超电容的反复极性切换操作，亦可使电池有一段休息时间，故电池可重得其电压，且电池的使用时间亦可延长。
<实例2>
此例的测试条件与实例1相似，除使用1800mAh容量的AA尺寸镍氢电池取代AA尺寸碱性电池之外。由电池与超电容组成的混成电源是在每7秒即反转连结极性的条件下操作，而仅含2个串联镍氢电池的电源亦用来驱动相同马达，直至其能量不足以使马达转动为止。实验结果显示，混成组与仅含电池组的使用时间分别为6.8与4.2小时。明显地，前述连结极性反复切换的操作亦可延长镍氢电池的使用时间。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.一种电力供应装置，其特征在于其包括至少一电压源；至少一超电容，其是与该电压源串联；以及至少一切换机构，其是连接于该电压源与该超电容之间，且能反复切换该电压源与该超电容之间的连结极性。
2.根据权利要求1所述的电力供应装置，其特征在于其中所述的切换机构是置于该电压源侧。
3.根据权利要求2所述的电力供应装置，其特征在于其中所述的切换机构包括一双刀双掷(DPDT)切换器。
4.根据权利要求1所述的电力供应装置，其特征在于其中所述的切换机构是置于该超电容侧。
5.根据权利要求4所述的电力供应装置，其特征在于其中所述的切换机构包括一双刀双掷(DPDT)切换器。
6.根据权利要求1所述的电力供应装置，其特征在于更包括一旁路机构(bypassing mechanism)，其是在该电池对该超电容的一充电阶段中与该电力供应装置的一负载并联。
7.根据权利要求6所述的电力供应装置，其特征在于其中所述的切换机构包括一三刀双掷(TPDT)切换器，其亦可切换该旁路机构。
8.根据权利要求1所述的电力供应装置，其特征在于其中所述的电压源是选自由一次电池、二次电池、燃料电池、燃机、涡轮发电机及公用电力网格所组成的族群。
9.根据权利要求1所述的电力供应装置，其特征在于其中所述的超电容的一工作电压为1.5V，电容量为0.5F或以上。
10.根据权利要求1所述的电力供应装置，其特征在于其中所述的超电容有二电极连接至该电压源，且该二电极的化学组成相同。
11.根据权利要求1所述的电力供应装置，其特征在于其中所述的切换机构是选自由机械开关、电磁继电器、场效晶体管、集成双载子晶体管(IGBTs)及智慧型集成电子电路(IIEC)所组成的族群。
12.根据权利要求11所述的电力供应装置，其特征在于其中所述的切换机构的一切换时间为60秒或更短。
13.根据权利要求11所述的电力供应装置，其特征在于其中所述的智慧型集成电子电路可感应该超电容的电压与电流，并据以触发置于该智慧型集成电子电路中的开关。
14.一种电力供应方法，适用于包括至少一电压源及至少一超电容的电力供应系统，其特征在于该方法包括以下步骤使该电压源与该超电容串联；以及反复切换该电压源与该超电容之间的连结极性，其是以连接于该电压源与该超电容间的一切换机构来进行。
15.根据权利要求14所述的电力供应方法，其特征在于其中所述的连结极性的切换时间点，是在每一次该电压源与该超电容的一组合电压实质上为0V时。
16.根据权利要求14所述的电力供应方法，其特征在于其中所述的连结极性的反复切换步骤包括改变该电压源与该切换机构之间的连结状态。
17.根据权利要求16所述的电力供应方法，其特征在于其中所述的切换机构包括一双刀双掷(DPDT)切换器。
18.根据权利要求14所述的电力供应方法，其特征在于其中所述的连结极性的反复切换步骤包括改变该超电容与该切换机构之间的连结状态。
19.根据权利要求18所述的电力供应方法，其特征在于其中所述的切换机构包括一双刀双掷(DPDT)切换器。
20.根据权利要求14所述的电力供应方法，其特征在于更包括在该超电容的一充电阶段中，使用一旁路机构(bypassing mechanism)令一充电电流绕过(bypass)该电力供应系统的一负载。
21.根据权利要求20所述的电力供应方法，其特征在于其中所述的切换机构包括一三刀双掷(TPDT)切换器，其亦可切换该旁路机构。
22.根据权利要求14所述的电力供应方法，其特征在于其中所述的切换机构是选自由机械开关、电磁继电器、场效晶体管、集成双载子晶体管(IGBTs)及智慧型集成电子电路(IIEC)所组成的族群。
23.根据权利要求22所述的电力供应方法，其特征在于其中所述的智慧型集成电子电路是感应该超电容的电压与电流，再据以触发该智慧型集成电子电路中的开关。
全文摘要
本发明是关于一种电力供应装置及电力供应方法，其是利用超电容的电极无极性的特性，反复切换电池与超电容间的连结极性，以改善电池的能量利用效率，同时令超电容的电压大致保持在一定的位准。
文档编号H02M9/04GK1797918SQ20041010414
公开日2006年7月5日 申请日期2004年12月30日 优先权日2004年12月30日
发明者薛立人, 锺兴振 申请人:友昕科技股份有限公司