自行车电源

自行车电源

本发明涉及一种自行车电源，特别涉及一种用于把由安装在自行车上的交流发电机所产生的电压提供给电子设置的自行车电源。

在以前的实践中，头灯、尾灯和其它类型的照明机构通常用作为自行车的电子设备。发电机(交流发电机)安装在自行车上，作为用于这些灯的电源。但是，当前自行车可以安装有更加先进的电子设备(例如，调速器和其它机构)，并且电源要用于电机、控制设备和其它所装备的电子设备，以使得这种耗电机构正常运作。

考虑到这一点，人们已经提出把来自发电机的电能提供给用于这种耗电机构中的电子设备。但是，由这种发电机所产生的电压是交流电压，而用于耗电机构的电子设备的电压是直流电压。因此需要把由发电机所产生的交流电压整流为直流电压。另外，由发电机产生的最大电压通常较低(大约8伏)并且随着自行车的运行速度而剧烈变化。

这就是为什么当用半波整流电路、全波整流电路或者通常用于整流100伏市电的其它类型的整流电路对电流进行整流时，在一些运行速度下不可能向电子设备提供足够大的电压的原因。即使当可以提供足够大的电压，所整流的直流电压随着运行状况而变化，从而不可能向电子设备提供稳定的电能。不能够保证稳定提供足够电压更加容易使得电子设备发生故障。

本发明的一个目的是提供一种装置，使得由自行车发电机所产生的交流电压可以转换为直流电压，并且以适当的电压稳定提供给电子设备。

根据本发明第一方面的自行车电源是一种装置，使得来自安装在自行车上的交流发电机的交流电压被转换为直流电压，并且所转换的直流电压被送到电子设备，该装置包括第一输入端、第二输入端、全波倍压整流电路、第一输出端和第二输出端。第一输入端连接到交流发电机的一端。第二输入端连接到交流发电机的另一端。全波倍压整流电路连接到两个输入端并能够把输入的交流电压存储并转换为直流电压。第一输出端用于输出全波倍压整流电路的正电压。第二输出端用于输出全波倍压整流电路的负电压。

利用该自行车电源，从交流发电机的一端通过第一输入端把电压提供到全波倍压整流电路，并且在由交流发电机所提供的电压的正半周过程中，电荷累积到最大电压。还从交流发电机的另一端通过第二输入端把电压提供到全波倍压整流电路，并且在负半周过程中，电荷累积到最大电压。在正半周或负半周过程中，产生所累积电压两倍的直流电压。在这种情况下，可以输出由交流发电机所产生的最大电压两倍的电压，从而即使自行车以低速运行也可以把足够大的电压稳定地提供给电子设备。

根据本发明第二方面的自行车电源包括安装在自行车上的交流发电机、全波倍压整流电路、第一输出端和第二输出端。全波倍压整流电路能够存储从交流发电机输入的交流电压，并把其转换为直流电压。第一输出端用于输出全波倍压整流电路的正电压。第二输出端用于输出全波倍压整流电路的负电压。

该自行车电源类似于本发明第一方面的电源之处在于，电压从交流发电机的一端通过第一输入端提供到全波倍压整流电路，并且在由交流发电机所提供的电压的正半周过程中，电荷累积到最大电压。另一端把电压提供到全波倍压整流电路，并且在负半周过程中，电荷累积到最大电压。在正半周或负半周过程中，产生所累积电压两倍的直流电压。在这种情况下，可以输出由交流发电机所产生的最大电压两倍的电压，从而即使自行车以低速运行也可以把足够大的电压稳定地提供给电子设备。另外，使用这种交流发电机，可以仅仅通过安装在自行车上的发电机获得稳定的直流电压。

根据本发明第三方面的自行车电源是在第一或第二方面中所述的装置的一个变型，其中全波倍压整流电路包括：第一二极管，其阳极端连接到交流发电机的一端；第二二极管，其阴极端连接到交流发电机的一端；第一存储元件(蓄电元件)，其一端连接到第一二极管的阴极间，并且另一端连接到第二输入端；以及第二存储元件，其一端连接到交流发电机的另一端，并且另一端连接到第二二极管的阳极端。在这种情况下，电流流过第一二极管，并且第一存储元件在从交流发电机输出电压的正半周过程中被充电到最大交流电压。在随后的负半周过程中，电压被提供到串联的第二存储元件和第二二极管的两端，电流流过第二二极管，并且第二存储元件被充电到最大交流电压。结果，来自两个输出端的输出电压等于从串联的两个存储元件的充电所得的合成电压，并且在最大值处，输出电压约变为由交流发电机所产生的电压两倍。

根据本发明第四方面的自行车电源是本发明第二方法中所述的装置的一种变型，其中还包括恒压输出装置，使得来自全波倍压整流电路直流电压保持在或低于第一规定电压，该电压低于由交流发电机传送的输出电压的两倍；并且直流电压被提供到两个输出端。在这种情况下，即使在可变的速度条件下，由于输出电压保持在低于两倍电压(即，等于由交流发电机所提供电压的峰-峰值的电压)的恒压范围内，因此电子设备也可以由稳定电压供电。

根据本发明第五方面的自行车电源是第一方面中所述的装置的一种变型，其中恒压输出装置包括：第一开关装置，其置于第一二极管和交流发电机的一端之间，并且用于连通或断开这两者之间的连接；第二开关装置，其置于第二二极管和交流发电机的一端之间，并且用于连通或断开这两者之间的连接；以及开关控制装置，其两端连接到第一和第二输出端，并且用于检测两个输出端之间的电压，并且当所检测电压超过第一规定电压时切断第一和第二开关装置。在这种情况下，当输出电压超过第一规定电压时，两个开关装置切断流过两个二极管的电流，使其能够在第一规定电压处或低于第一规定电压时稳定地保持直流电压，从而，向电子设备提供稳定电压。

根据本发明第六方面的自行车电源是第四方面中所述的装置的一个变型，其中恒压输出装置包括：第一开关装置，其置于第一二极管和交流发电机的一端之间，并且用于连通或断开这两者之间的连接；第二开关装置，其置于第二二极管和交流发电机的一端之间，并且用于连通或断开这两者之间的连接；以及开关控制装置，其两端连接到第一和第二输出端，并且用于检测两个输出端之间的电压，并且执行与两个开关装置有关的脉宽调制(PWM)控制，使得所检测电压保持在第一规定电压。在这种情况下，当输出电压超过第一规定电压时，两个开关装置收到脉宽调制控制，可以使来自两个输出端的直流电压稳定保持在第一规定电压或低于第一规定电压，从而，向电子设备提供稳定电压。

根据本发明第七方面的自行车电源时第四至第六方面中所述的装置的一个变型，其中恒压输出装置还包括第三开关装置，用于导通或切断提供到第一和第二输出端的直流电压，并且当所检测电压等于或小于比第一规定电压更低的第二规定电压时，该开关控制装置切断第三开关装置。在这种情况下，由于当输出电压等于或小于第二规定电压时，电子设备的电源被切断，从而可以把对电子设备的损害减小到最小程度。另外，电源切断可以减少全波倍压整流电路的充电时间，并且即使当电压降低时，也可以使该系统更快地回到第一规定电压。

根据本发明第八方面的自行车电源是第三至第七方面中所述的装置的一个变型，其中两个存储元件是大容量电容器。该装置使得充电时间缩短并且尺寸减小。

根据本发明第九方面的自行车电源是第三至第七方面中所述的装置的一个变型，其中两个存储元件是二次电池。由于电池比电容器具有更大的存储容量，因此该装置使得放电时间延长，并且以更加稳定的电压提供电能。

根据本发明第十方面的自行车电源是第一至第九方面中所述的装置的一个变型，其中还包括壳体部件，其形状容纳组成部件，并且符合商用电池的标准，其中两个输出端所在的位置符合用于该壳体的电池标准。在这种情况下，可以安装该电源来取代通常用作为供电电源的电池。在损坏时，该电源可以用电池来代替。

根据本发明第十一方面的自行车电源是第十方面中所述的装置的一个变型，其中壳体部件的形状与通过排列多个D、C、AA或AAA电池所获得的外部形状相匹配；并且两个输出端置于端面的规定位置，该端面用于当如此排列这些电池时容纳多个电池的输出端。由于在这种情况下的壳体形状与广泛使用的电池相一致，因此所提出的电源比常规设备更加方便使用，并且在损坏时容易用通用电池来代替。

根据本发明第十二方面的自行车电源是第十方面所述的装置的一个变型，其中壳体部件的形状与锂电池的外部结构相匹配，并且两个输出端置于用来容纳锂电池的输出端的端面的规定位置处。

根据本发明第十三方面的自行车电源是第十一或十二方面所述的装置的一个变型，其中两个输入端置于相互间隔一定距离的壳体部件表面上。在这种情况下，连接到发电机的两个输入端被设置为与壳体的输出端相距一定距离而相互正对，使得更加容易连接来自发电机的引线。

根据本发明第十四方面的自行车电源是一种装置，使得来自安装在自行车上的交流发电机的电压被送到电子设置，其中包括一对输入端、一对输出端、开关装置、以及开关控制装置。这对输入端连接到交流发电机。这对输出端连接到电子设备。开关装置用于导通和切断提供到这对输出端的电压。开关控制装置用于检测由输出端所提供的电压，并且当所检测电压相等或小于比交流发电机的最大电压更低的规定电压时，切断开关装置。

在这种情况下，由于当输出电压等于或小于规定电压时，提供给电子设备的电源被切断，因此可以把对电子设备的损害降低到最小程度。

图1为装备有本发明一个实施例的装置的自行车的侧视图。

图2为示出变速控制器的轮廓的部分侧视图。

图3为把手部分的透视图。

图4为示出变速控制器的结构的方框图。

图5为示出电源的结构的方框图。

图6为电源的外部透视图。

图7为对应于图5的另一个实施例的示意图。

图8为对应于图5的又一个实施例的示意图。

图1示出采用本发明一个实施例的休闲自行车。该自行车包括车架1(由双框架2和前叉3所构成)、把手部件4、驱动部件5、前轮6(在其上面安装有带刹闸的发电机轮轴8)、具有四速内部变速轮轴10的后轮7、用于内部变速轮轴10的手动操作的变速控制器9、以及灯控制部件18a。

车座11、把手部件4以及其它部件安装在车架1上。如图2中所示，具有用于速度检测的内部行程开关的速度传感器12安装在框架2的链拉条2a上。速度传感器12通过感应安装在后轮7的辐条7a上的磁铁13来输出速度信号。

把手部件10包括固到前叉3的上部的把手杆14，并且把手横条15固定到把手杆14上。刹车杠杆16和手柄17安装在把手横条15的两端。变速控制器9的控制板20与右侧刹车杠杆16形成为整体。

驱动部件5包括附着到框架2的下部(底部支架)的齿轮曲柄33、绕着轮齿曲柄33的链条34、以及内部变速轮轴10。内部变速轮轴10是一个可以由变速马达29切换到5个位置(四个变速位置和一个制动位置)的四速内部变速轮轴，这在下文中描述。后轮7的旋转可以被限制在制动位置处。

固定到前叉3的前端的前轮6的发电机轮轴是一个安装有滚轮型前闸并用于包含通过前轮6的旋转而发电的交流发电机19(图5)的轮轴。

车灯控制部件18a安装在前叉3的中部。车灯控制部件18a执行控制过程，从而当环境照明度下降到预定程度，整体安装的车灯18b被打开，当超过一定的亮度时，车灯被关闭。车灯控制部件18a连接到交流发电机19(图5)。

如图3中所示，变速控制器9包括排列在控制板20的底部的左侧和右侧的两个控制按键21和22、置于控制按键21和22上方的控制拨盘23、以及置于控制拨盘23左侧的液晶显示器24。变速控制器9还具有在安装于链拉条2a的底部的控制盒31(图2)中的变速控制部件25。容纳在控制板20中的部件由控制电缆9a连接到变速控制部件25。

控制按键21和22是三角型按键。左侧的控制按键21是向下变速按键，并且右侧控制按键22是向上变速按键。用于在两个变速模式和停车(P)模式之间切换的控制拨盘23具有4个固定位置(P、D、Ds和M)。在本文中，变速模式包括自动变速1(D)模式、自动变速2(Ds)、和手动变速(M)模式。自动变速1(D)模式和自动变速2(Ds)模式使得内部变速轮轴10由来自速度传感器12的速度信号而自动切换，而手动变速模式(M)使得通过操纵控制按键21和22而切换内部变速轮轴10。停车模式(P)用于锁住内部变速轮轴10，并且防止后轮7转动。液晶显示器24显示当前运行速度和在切换过程中所用的速度级。

变速控制部件25具有包括CPU、RAM、ROM和I/O接口的微计算机。变速控制部件25根据对控制板20的控制操作而控制内部变速轮轴10，并且控制由液晶显示器24所显示的信息。在控制板20上的控制拨盘23、控制按键21和22、液晶显示器24和铃铛32连接到变速控制部件25，如图4中所示。包括电压计的工作位置传感器26、容纳在控制盒31中的电源27、电机驱动器28、用于存储各种类型的数据的存储部件34以及其它输入/输出设备还连接到变速控制部件25。用于驱动内部变速轮轴10的变速电机29连接到电机驱动器28，并且工作位置传感器26检测变速电机29的工作位置(限制位置或者四个变速位置中的一个)。

电源27连接到与车灯控制部件18a相并联的交流发电机19，如图5中所示。电源27把交流电压转换为直流电压，存储转换结果，并把所存储的直流电压提供给变速控制器9。电源27具有中空的壳体部件35，如图6中所示，壳体部件35具有符合通用电池标准的外部形状。一个例子是能够容纳4节AA电池的椭球形，该电池的正负极交替朝着相反的方向。如上文所述，壳体部件35容纳在控制盒31中。由于壳体部件的形状与通用电池相匹配，因此壳体部件31除了控制盒31之外还可以容纳电池。这使得在电池损坏或者其它紧急情况下，可以由通用电池提供紧急电源。壳体部件还可以取代电池安装在已有的控制盒上。

电源27包括第一输入端40、第二输入端41、全波倍压整流电路42、以及恒压输出电路43，如图5中所示。

第一输入端40置于壳体35的外部表面上，并且连接到交流发电机19的正电压输出端19a，如图5和6中所示。第二输入端41至1壳体部件35的外表面上，与第一输入端40相对齐，并且连接到交流发电机19的负电压输出端19b。

全波倍压整流电路42可以存储并输出由两个输入端40和41所提供交流电压的两倍的直流电压。全波倍压整流电路42包括第一二极管50，其阳极端连接到第一输入端40；第二二极管51，其阴极端连接到第一输入端40；第一存储元件52，其一端连接到第一二极管50的阴极端，并且另一端连接到第二输入端41；以及第二存储元件53，其一端连接到第二输入端41，并且另一端连接到第二二极管的阳极端。两个存储元件52和53的每一个具有电偶层电容器或者其它大容量电容器，并且用于存储和平滑由二极管50和51所整流的直流电压。

直流电压输出电路43是一个用于把由全波倍压整流电路42所产生的直流电压保持在不超过低于该二倍电压的第一规定电压(例如，10伏)的某一电平。该装置可以保护全波倍压整流电路42的存储元件52和53。

恒压输出电路43包括第一开关电路60，其置于第一输入端40和第一二极管50之间，并且用于连通或断开这两者之间的连接；第二开关电路61，其置于第一输入端40与第二二极管51之间，并且用于连通或断开这两者之间的连接；第三开关电路62，用于导通或切断提供到第一和第二输出端44和45的直流电压；以及开关控制电路63，用于控制开关电路60-62。三个开关电路60-62例如可以是场效应晶体管或其它开关元件，并且由来自开关控制电路63的控制信号所导通或切断。开关控制电路63的两端连接到第一和第二输出端44和45，两个输出端44和45之间的电压被检测，并且当所检测电压超过第一规定电压时，只要该电压高于第一规定电压，则第一和第二开关电路60和61保持切断状态。另外，如果所检测电压低于比第一规定电压更低的第二规定电压(例如，4伏)，则开关控制电路63切断第三开关电路62。

第一输出端44置于对应在壳体部件35的一个端面上的AA电池的正极的一个位置处(从纵向看去)，用于输出恒压输出电路43的高电压。第二输出端45对应在壳体部件35的另一个端面上的AA电池的负极的一个位置处，用于输出恒压输出电路43的低电压。变整控制器9被作为连接到输出端44和45的负载。

以下将描述电源27的工作。

利用如此构成的电压27，当自行车运动并且前轮6转动时，交流发电机19开始发电。在来自交流发电机19的正电压输出端19a的输入电压的正半周过程中，直流电压被通过第一开关电路60提供到第一二极管50，并且第一存储元件52被充电到最大直流电压。在来自负电压输出端19b的电压的负半周过程中，直流电压被施加到在第二存储元件53和第二二极管51之间串联的两端，电流流过第二二极管51，并且第二存储元件53被充电到最大交流电压。结果，两个输出端44和45之间的电压(即，输出电压)等于由两个存储元件52和53的充电所得的合成电压，并且输出电压变为交流发电机19的最大电源电压的两倍。

但是，两个开关电路60和61由开关控制电路63保持在低于两倍电源电压的第一规定电压处，因此产生小于电源电压两倍的恒定电压。另外，当自行车以低速运动并且输出电压下降到低于第二规定电压时，第三开关电路62被切断，并且从而进一步防止电能提供到变速控制器9，直到系统被充电到等于或大于第二规定电压的某一电压。

即使当自行车以低速运动时，由于可以产生由交流发电机19所产生最大电压两倍的电压，因此该装置使得足够大的电压被提供到变速控制器9。另外，如此提供的电压可以由开关控制电路63保持恒定，即使在可变速度的情况下，可以向变速控制器9提供稳定的电能。从而，可以安全地向基于为计算机的电子设备提供电能。

(a)尽管上述实施例是参照把在轮轴内的发电机轮轴用作为交流发电机的情况进行描述的，但是本发明还可以应用于由通用的与轮缘或车带相接触的轮缘接触型发电机产生交流电压的情况。

(b)尽管上述实施例是参照把变速控制器用作为耗电设备的情况来描述，但是本发明不限于此，并且包括用于利用电能来控制自行车停止等等的电子设备，以及其它类型的用于自行车的电子设备。

(c)尽管上述实施例是参照一种装置进行描述的，其中壳体部件具有类似于AA电池的外部形状，但是本发明不受该形状所限制，例如，可以包括类似于用在相机上的锂电池或者其它类型或结构的电池的形状。该壳体部件还可以具有不同于电池的形状，并且可以与电子设备分离安装。

(d)尽管上述实施例是参照这样一种情况进行描述，其中电源与交流发电机相分离，但是交流发电机还可以按照图7中所示的方式作为整体部件提供。该方案不需要两个输入端，但是除了第一和第二输出端44和45之外还提供用于连接灯控制单元18a和传输交流输出的第三和第四输出端44a和45a。

(e)尽管上述实施例是参照这样一种情况进行描述的，其中电容器被用作为存储元件，但是还可以使用镍镉电池、锂离子电池或者其它二次电池。

(f)尽管上述实施例是参照这样一种情况进行描述，其中恒压输出装置的第一和第二开关电路60和61按照图5中所示的方式置于二极管50和51的输入端40附近，但是这些开关电路的排列和数目不限于在该实施例中所采用的方式。具体来说，开关电路可以放置在由图8中的三角形、正方形或者圆形所表示的位置处。在此，圆形表示根据相反的方案(相对于上述实施例)正对着二极管50和51的存储元件52和53的开关电路的位置。另外，方形或三角形表示电路放置在与第一输入端40相对的第一输入端40和二极管50和51之间的交叉点处的位置，或者表示电路放置在与第二输入端41相对的第二输入端41与存储元件52和53的交叉点处的位置。当开关电路按照这种方式位于与输入端相对的交叉点处时，可以使用单个开关电路。本实施例的另一个特点是灯控制单元18a与变速控制器9相并联，而不与交流发电机相并联。

(g)尽管上述实施例是参照这样一种情况描述的，当输出电压超过第一规定电压时，其中第一和第二开关电路60和61由开关电路62所切断，但是还可以采用这样一种方案，其中第一和第二开关电路60和61受到PWM控制，并且保持第一规定电压。

本发明的优点根据本发明，可以输出由交流发电机所产生的最大电压两倍的电压，即使当以低速度运行自行车时，也可以向电子设备提供足够大的电压。

根据本发明另一个方面，提供一种形状可以容纳各种部件并且符合通用电池的标准的壳体部件，并且两个输出端置于壳体上符合电池标准的位置处，使得能够安装该电源来取代通常用作为提供电能的电池。在损坏的情况下，该电源可以用电池来取代。