CN102810887A - 利用已调节输入电流的二次电池（蓄电池）的充电 - Google Patents

Abstract

陈述了利用已调节输入电流的二次电池（蓄电池）的充电以及一种用于对现场设备的能量存储设备充电并且调节能量存储设备的充电电流的充电电流调节设备，其中，对能量存储设备的充电电流的调节以如下方式进行，该方式使得与现场设备的输入电流有关的限制值不被超过。对充电电流的调节可以以如下方式进行，该方式使得能量存储够尽可能快地进行，而且不会使现场设备的输入保护电路过载。

Description

利用已调节输入电流的二次电池(蓄电池)的充电

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年5月5日提交的编号为EP 11 164 940.6的欧洲专利申请和2011年5月5日提交的编号为61/482 909的美国临时专利申请的优先权，这二者的全部公开内容通过引用合并到本文中。

技术领域

本发明涉及给现场设备提供电力。具体地，本发明涉及：一种用于调节现场设备的输入电流并且调节用于对现场设备的能量存储设备充电的充电电流的充电电流调节设备；一种具有充电电流调节设备的现场设备；以及一种用于调节用于对现场设备的能量存储设备充电的充电电流的方法。

背景技术

现场设备例如用于测量和自动化工程。为了独立于经由电网的电力供应或者对于断电的情况而做好准备，现场设备可以包括能量存储设备，能量存储设备使得能够独立于经由电网的电力供应来操作现场设备。术语“能量存储设备”例如可以指代可再充电电池。

具体地，术语“能量存储设备”可以指代在现场设备的操作期间经由电网来充电的可再充电电池。

发明内容

在现场设备中，输入电流负荷受到例如用于与电磁兼容性有关的测量的保护电路的限制，或者受到反极性保护电路（下文中称为“输入保护电路”）的限制。

理想的是，改善现场设备的能量存储设备的充电过程。

陈述了根据独立权利要求的特征的用于对现场设备的能量存储设备充电并且调节能量存储设备的充电电流的充电电流调节设备、具有充电电流调节设备的现场设备以及用于调节充电电流的方法。从属权利要求和以下描述中提出了本发明的扩展。

以下参考充电电流调节设备描述的很多特征还可以实现为与方法有关的步骤，并且，与方法有关的步骤也可以实现为设备的特征。

根据本发明的第一方面，陈述了一种用于对现场设备的能量存储设备充电并且调节能量存储设备的充电电流的充电电流调节设备，该充电电流调节设备包括控制单元、调节单元和开关调节器。

在用于对可再充电电池充电的充电电路的开关调节器中，输入电流取决于输入电压和输出功率。在开关调节器的输入电压增加并且输出功率恒定的情况下，用于对能量存储设备充电的输入电流在没有调节的情况下下降。

在开关调节器的输入电流下降的情况下，包括有能量存储设备的充电电路和开关调节器的现场设备的整个电流消耗下降，使得任何输入保护电路在这种情况下都不再满负荷使用。因而，能量存储设备的充电时间所依赖的开关调节器的输出功率可以增加，这又导致现场设备的电流消耗增加，使得现场设备的输入保护电路被满负荷使用。

以这种方式，可以加快能量存储设备例如可再充电电池的充电过程，并且同时可以防止现场设备的输入保护电路过载。

输入保护电路中的部件可以设计用于最大负荷情况。在充电电路的开关调节器的指定输出功率的情况下，如果输入电压很低，则会出现上述情况，这是因为为了获得指定的输出功率，又需要很高的输入电流。与此相反，在输入电压增加并且输出功率保持恒定的情况下，用于加载可再充电电池的开关调节器的输入电流下降。

在高输入电压范围内(高输入电压等同于具有指定输出功率的低输入电流)，输入保护电路没有以最大负荷使用，并且因而没有以最快可能速率对待充电可再充电能量存储设备(例如，可再充电电池)充电。

控制单元用于为调节单元指定命令变量。命令变量例如可以是现场设备的输入保护电路的最大可允许输入电流。控制单元可以手动配置或者以自动方式配置，配置体现在：例如，根据外部参数来调节命令变量，例如现场设备的环境温度。

调节单元可以设计成调节用于对能量存储设备充电的开关调节器的输入电流，调节体现在：从调节单元给开关调节器发送控制变量。

然而，调节单元还可以设计成给现场设备的用电设备发送控制变量，使得用电设备降低其电流消耗，并且从而又降低现场设备的输入电流，使得现场设备的输入保护电路不过载，或者，可以在输入电流保持恒定的情况下增加充电电流。

开关调节器可以给执行现场设备的能量存储设备的充电过程的充电电路指定输入电压和输入电流。

对能量存储设备充电的开关调节器的输入电流和用电设备的输入电流指定现场设备的整个输入电流，该输入电流流经现场设备的输入保护电路。

因而，可以调节现场设备的输入电流，调节体现在：调节单元调节开关调节器的输入电流或者用电设备的输入电流。

可以通过调节单元的控制单元来指定是否以及用什么方式调节用电设备的输入电流和/或用于对能量存储设备充电的开关调节器的输入电流。

根据本发明另外的方面，陈述了一种用于在不超过与现场设备的输入电流有关的限制值的这种处理的情况下，对现场设备的能量存储设备充电并且调节能量存储设备的充电电流的充电电流调节设备。在本布置中，充电电流调节设备可以包括电流感测电阻器或相应设备、运算放大器或相应设备以及开关调节器或相应设备。

现场设备的输入电流可以流经电流感测电阻器，并且从而，相应电压在电流感测电阻器处下降。在电流感测电阻器处下降的电压可以用作运算放大器的输入电压。此外，运算放大器的输出值可以馈送给开关调节器，使得可以改变开关调节器的输出电流或启动电流。在本布置中，开关调节器由运算放大器以如下方式来控制，该方式使得开关调节器的输出电流或启动电流能够以使得流经电流感测电阻器的现场设备的输入电流能够不超过现场设备的输入电流的限制值的方式改变。

现场设备的输入电流或者开关调节器的输出电流或启动电流表示待控制变量，并且从而表示受控变量。

与电流感测电阻器结合的运算放大器表示调节器或者调节单元。调节器的命令变量是现场设备的输入电流的限制值。

现场设备的输入电流的实际值由电流感测电阻器上的电压降来直接确定，其中，电流感测电阻器处的电压降是由流经电流感测电阻器的现场设备的输入电流引起的。

根据现场设备的输入电流的设定值与现场设备的输入电流的实际值的比较，在运算放大器上引起了输出信号，该输出信号可以用作开关调节器的电流消耗的控制变量，使得根据开关调节器的输出电流或者启动电流的调整，来引起对现场设备的输入电流的调整。

当然，运算放大器的输出值也可以馈送给现场设备的用电设备，使得能够调节用电设备的输入电流，并且从而也能够调节现场设备的输入电流。

可以以如下方式给运算放大器连接控制单元，该方式使得能够指定与现场设备的输入电流有关的设定值。

根据本发明另外的实施方式，运算放大器被切换为差分放大器，使得在运算放大器的输出端处输出运算放大器的两个输入端处所呈现的电压差的用放大因子加权后的结果。

因而，与现场设备的输入电流有关的设定值与现场设备的输入电流的实际测量值之间的差异引起运算放大器的输出值，该输出值用作开关调节器和/或现场设备的耗电设备的电流消耗的控制变量。

根据本发明另外的方面，电流感测电阻器是欧姆电阻器。

如以上和以下所述的充电电流调节设备尤其适用于用直流或者在具体为12伏、24伏或32伏的直流电压范围内操作的现场设备。

当然，任何其它电压值和电流值下的操作也是可能的。

根据本发明另外的方面，陈述了一种包括有如以上和以下所述的充电电流调节设备的现场设备。

根据本发明另外的实施方式，现场设备还包括输入保护电路、能量存储设备、至少一个用电设备和充电电路。

在本布置中，输入保护电路表示现场设备的输入电流负荷的限制值。换言之，过大的输入电流负荷可以导致对输入保护电路的损坏。

能量存储设备设计成给用电设备提供电能。

充电电路设计成以如下方式给能量存储设备提供能量，该方式使得能量存储设备能够存储所提供的能量，其中，充电电流调节设备调节提供给充电电路的充电电流。

输入保护电路例如可以进行与电磁兼容性有关的测量或者与反极性保护有关的测量。

适于尤其以化学形式存储电能的任何部件都可以用作能量存储设备。在本布置中，能量存储设备用于提供能量以便操作从电网断开的现场设备或者用于在断电情况下提供能量。

现场设备的至少一个用电设备例如可以是测量设备或者用于由测量设备获取的数据的评估设备。

例如，测量设备可以是填充水平传感器、压力传感器或流量传感器。当然，例如，如以上和以下所述的现场设备中可以有任何物理尺寸的传感器。

然而，用电设备也可以是接收具有至少一个测量值的大量获取值的评估单元，并且还可以进一步处理这些获取值，以用于例如发送给另外的评估单元，但是也可以准备这些获取值用于随后的处理。

当然，如以上和以下所述的现场设备还可以包括多个用电设备，例如多个传感器和/或多个评估单元。

充电电路设计成以如下方式来通过充电电流调节设备的开关调节器提供能量，该方式使得能够对连接至充电电路的能量存储设备充电。

在本布置中，充电电流调节设备调节充电电路的充电电流和至少一个用电设备的电流消耗，使得电流不超过输入保护电路的最大可允许负荷，然而同时尽可能快地对能量存储设备充电。

考虑到输入保护电路的最大负荷，如以上和以下所述的充电电流调节设备使得能够尽可能快地对能量存储设备充电，这是因为可以根据至少一个用电设备消耗的电流来调节充电电流，使得可以在所有时刻利用现场设备的最大电流提供能力。

根据本发明另外的实施方式，能量存储设备是一组可再充电电池。

在本布置中，一组可再充电电池可以包括至少一个可再充电电池，然而也可以包括多个可再充电电池。

根据本发明另外的实施方式，现场设备的用电设备是填充水平测量设备。

根据本发明另外的实施方式，现场设备的用电设备是流量测量设备。

根据本发明另外的实施方式，现场设备的用电设备是压力测量设备。

当然，除了测量设备，如以上和以下所述的现场设备还可以包括相关联的评估单元。此外，如以上和以下所述的现场设备可以还包括不同物理尺寸的多个测量设备。

评估单元可以通过数据的无线或有线传输来从测量设备获得测量值。当然，评估设备也可以以无线或有线方式将测量值的处理数据发送给另外的评估单元。

根据本发明另外的实施方式，用电设备的电流消耗可以以如下方式改变，该方式使得能量存储单元的充电电流并且由此现场设备的输入电流能够遵循可指定值。

例如，可以根据环境温度、输入电压或者其它外部物理值并且根据能量存储设备的充电状态调节用电设备的电流消耗。

对用电设备的电流消耗的调节可以发生，例如，体现在：控制单元通过调节单元承担能量存储设备的充电过程的优先化。

根据本发明另外的实施方式，可以保持与能量存储设备的充电电流有关的可指定值恒定。

从而，用电设备的电流消耗也被调节单元保持恒定而达到以下程度：通过输入保护电路使用电设备的充电电流与电流消耗之和对应于现场设备的最大输入电流。

当然，能量存储设备的充电电流和用电设备的电流消耗二者都可以以如下方式调节，该方式使得用电设备的电流消耗与充电电流之和仅对应于现场设备的最大输入电流的一部分。为了确定最大输入电流(该最大输入电流当然可以随着时间变化)，控制单元可以使用外部参数如环境温度来调节用电设备的电流消耗和充电电流。

具体地，输入保护电路的最大负荷可以随着输入电流变化，并且，可以以如下方式调节充电电流的启动，该方式使得充电电流的大小跟随变化的输入电流值。

根据本发明另外的方面，陈述了一种用于调节充电电流的方法，该方法在第一步骤中获取现场设备的输入电流，在第二步骤中调节充电电流，使得用电设备的电流消耗与充电电流之和不超过与输入电流有关的可指定值。

根据另外的实施方式，本方法还包括调节用电设备的电流消耗的步骤。

当然，用电设备的电流消耗和充电电流二者可以单独和/或共同调节。

如以上和以下所述的用于对现场设备的能量存储设备充电的充电电流调节设备测量现场设备的输入电流，并且例如，根据定时充电电路依照测量的输入电流来调节能量存储设备的充电电流。在充电电路的输出功率恒定并且充电电路上的输入电压增加的情况下，可以使充电电流下降，充电电流下降可以使现场设备的输入电流下降。充电电流调节设备识别现场设备的输入电流的下降，并且以如下方式调节能量存储设备的充电电路，该方式使得充电电流并且从而使得现场设备的输入电流增加。因而，现场设备的输入保护电路例如承受恒定的输入电流或者还可以最大程度地利用现场设备的输入保护电路。

如以上和以下所述的充电电流调节设备还可以用于为更小的输入电流确定输入保护电路的尺寸，这是因为充电电流调节设备可以设计成不仅增加充电电流而且还将其限制为可指定最大值。然而，现场设备的能量存储设备的快速充电是可能的，这是因为如以上和以下所述的充电电流调节设备适于使用现场设备的用电设备的实际电流消耗与现场设备的最大可能输入电流之间的电流差作为能量存储设备的充电电流。

下面，参考附图描述本发明的示例性实施方式。

附图说明

图1示出了具有根据本发明示例性实施方式的充电电流调节设备的现场设备；

图2示出了具有根据本发明另外的示例性实施方式的充电电流调节设备的现场设备；

图3示出了根据本发明示例性实施方式的调节方法的流程图；

图4a示出了具有根据本发明另外的示例性实施方式的用电设备的现场设备；

图4b示出了具有根据本发明另外的示例性实施方式的用电设备的现场设备；

图4c示出了具有根据本发明示例性实施方式的另外的用电设备的现场设备；以及

图5示出了根据本发明示例性实施方式的用于充电电流调节的方法的流程图。

具体实施方式

附图中的说明是图解性的而非按照比例的。

如果附图的以下描述中使用相同的附图标记，则这些相同的附图标记涉及相同或相似的元件。

图1示出了根据本发明示例性实施方式的现场设备10。现场设备10包括充电电流调节设备100、输入保护电路101、能量存储设备105和用电设备106。

充电电流调节设备100包括调节单元102、控制单元103和开关调节器104。

现场设备10由输入保护电路101提供有电压U_E和电流I_E。调节电路102从控制单元103接收控制变量，即输入电流I_E的设置值，并且可以通过控制变量以如下方式作用于开关调节器104或者用电设备106，该方式使得开关调节器104改变启动电流I_L或者输出电流I_A，或者使得用电设备106改变电流消耗I_V。开关调节器104的输出电流I_A对应于能量存储设备105的充电电流。

调节单元102可以以如下方式设计，该方式使得调节单元102能够给开关调节器104和/或用电设备106输出控制变量。从调节单元102到用电设备106的虚线示出了这个控制变量是可选的。可以调节电流消耗作为开关调节器104的输出电流I_A或启动电流I_L的替选或附加。

图1示出了电流I_V与I_L之和基本上对应于输入电流I_E。部件的电流消耗可以引起任何差异。

图2示出了根据本发明另外的示例性实施方式的现场设备10。现场设备10包括输入保护电路101、开关调节器104、能量存储设备105和用电设备106。

在图2中，调节单元102用电流感测电阻器R 201和运算放大器202来实现。

经由输入保护电路101和电流感测电阻器R 201馈送输入电流I_E，其中，由于流过输入电流I_E，因而在电流感测电阻器R 201处电压U_R下降。运算放大器202可以以电压U_R作为输入电压来操作，并且以如下方式连接至开关调节器104，该方式使得运算放大器202的输出信号能够以如下方式馈送给开关调节器104，该方式使得开关调节器104可以以输入电流I_E也改变的方式根据运算放大器202的输出信号来调整启动电流I_L或者输出电流I_A。

以下相关性适用于输入电流I_E：在输入电流I_E由于例如充电电流I_L增加而增加的情况下，电流感测电阻器R 201上的电压U_R上升，并且从而，馈送给开关调节器104的运算放大器202的输出信号上升。运算放大器202的更高的输出信号在开关调节器104中具有使启动电流I_L或输出电流I_A下降的效果，这导致了输入电流I_E下降，使得电流感测电阻器R201上的电压U_R也下降，这又导致运算放大器202的输出信号的调整。

当然，运算放大器202可以以如下方式切换，该方式使得运算放大器202的输出信号表现为与电压U_R成正比或者成反比。换言之，这表示，运算放大器202的输出信号在第一种情况下也随着电压U_R上升而上升（这同时表示电压U_R下降引起输出信号下降），而在第二种情况下随着U_R上升而下降（这同时表示电压U_R下降引起输出信号上升）。

开关调节器104可以以如下方式设计，该方式使得开关调节器104能够如以上和以下所述地调节启动电流I_L。

当然，可以将与输入电流I_E有关的设定值指定给运算放大器202，其中，通过指定与电压U_R比较的参考电压来间接设置与输入电流I_E有关的设定值。指定设定值可以通过控制单元来进行。

当然，运算放大器202也可以将其输出信号传送给用电设备106，其中，用电设备106可以以如下方式来设计，该方式使得运算放大器202的该输出信号能够用作用于调整用电设备的操作方法并且从而调整电流损耗和电流消耗I_V的控制变量。

如以上和以下所述的对用电设备的操作方法进行调整可以具体地发生，调整体现在：改变与测量值有关的数据获取速率，或者可选地，执行能量密集型计算和评估操作。

具体地，如果数据获取速率降低，和/或如果不执行或仅在有限的范围内执行能量密集型计算和评估操作，则可以减少如以上和以下所述的用电设备的电流消耗。

降低数据获取速率可以以分级方式或者连续方式进行。

图3示出了根据本发明示例性实施方式的调节方法300的流程图。

电源PI的电流通过电流测量设备301来测量；该电流用作与电流调节单元303有关的输入值。通过伏特计302测量的电压值被用作与电压调节单元304有关的输入值。通过以这种方式调节电源来改变能量存储设备105。

图4a示出了根据本发明示例性实施方式的现场设备401。

现场设备401包括输入保护电路101、充电电流调节设备100、充电电路420和能量存储设备105。此外，现场设备401包括填充水平传感器404和评估单元410。当然，现场设备401也可以包括多个填充水平传感器404和多个评估单元410。

充电电流调节设备100调节用于对能量存储设备105充电的充电电流，使得填充水平传感器404的电流消耗与充电电流之和不超过现场设备的输入电流的最大可允许值。

现场设备401还可以与填充水平传感器404局部地分隔开，其中，填充水平传感器404可以以无线或有线方式将测量值发送给评估单元410。

图4b示出了根据本发明另外的示例性实施方式的现场设备402。现场设备402包括输入保护电路101、充电电流调节设备100、充电电路420、能量存储设备105、压力传感器405和评估单元410。

类似于现场设备401，现场设备402也可以包括多个压力传感器405和多个评估单元410。

在如以上和以下所述的所有现场设备10、401、402和403中，充电电路调节设备100当然可以用于调节能量存储设备105的充电电流以及例如评估单元410以及传感器404、405和406的用电设备的电流消耗。

图4c示出了根据本发明另外的示例性实施方式的现场设备403。

现场设备403包括输入保护电路101、充电电流调节设备100、能量存储设备105、充电电路420、流量传感器406和评估单元410。

如以上和以下所述的充电电路420连同开关调节器104用于给能量存储设备105提供充电电流。

当然，如以上和以下所述的现场设备还可以包括不同的传感器，例如，压力传感器、流量传感器和填充水平传感器。可以通过一个评估单元410或若干评估单元410来获取、处理和转发传感器的测量值。

图5示出了根据本发明示例性实施方式的用于调节充电电流的方法500。

在第一步骤501中，获取输入电流I_E。之后是第二步骤502，调节充电电流I_L，其中，用电设备的电流消耗I_V与充电电流I_L之和基本上对应于现场设备的输入电流I_E，并且现场设备的输入电流I_E没有超过可指定限制值。在第三步骤503中，调节用电设备的电流消耗I_V，使得现场设备的输入电流I_E不超过最大值。

此外，应当注意，“包括”不排除其它元件或步骤，而且表述“一个”并不排除有“多个”的情况。此外，应当注意，已经参考上述示例性实施方式中的一个示例性实施方式描述的特征或步骤也可以与其它上述示例性实施方式的其它特征或步骤结合使用。权利要求中的附图标记不应当理解为限制。

Claims (10)

1.一种现场设备（10，401，402，403），包括：

输入保护电路（101）；

能量存储设备（105）；

至少一个用电设备（404，410）；

充电电路（420）；以及

充电电流调节设备（100），

其中，所述输入保护电路（101）设计成限制所述现场设备的输入电流负荷；

所述能量存储设备（105）设计成给所述用电设备提供电力；

所述充电电路（420）设计成给所述能量存储设备（105）提供能量，使得所述能量存储设备（105）存储所提供的能量；以及

所述充电电流调节设备（100）设计成调节被馈送给所述充电电路（420）以对所述能量存储设备（105）充电的充电电流I_L，使得与流经所述输入保护电路（101）的输入电流I_E有关的限制值不被超过。

2.根据权利要求1所述的现场设备（10，401，402，403），其中，

所述能量存储设备（105）是一组可再充电电池；

所述一组可再充电电池包括至少一个可再充电电池。

3.根据权利要求1或2所述的现场设备（10，401，402，403），其中，所述用电设备是填充水平测量设备（401）。

4.根据权利要求1或2所述的现场设备（10，401，402，403），其中，所述用电设备是流量测量设备（403）。

5.根据权利要求1或2所述的现场设备（10，401，402，403），其中，所述用电设备是压力测量设备（402）。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的现场设备（10，401，402，403），其中，以所述充电电流I_L遵循可指定值的方式改变所述用电设备（404，410）的电流消耗I_V。

7.根据权利要求6所述的现场设备（10，401，402，403），其中，与所述充电电流I_L有关的所述可指定值保持恒定。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的现场设备（10，401，402，403），其中，所述充电电流调节设备（100）包括：

电流感测电阻器R（201）；

运算放大器（202）；以及

开关调节器（104），

其中，所述输入电流I_E流经所述电流感测电阻器R（201），从而相应电压U_R在所述电流感测电阻器R（201）处下降；

将所述电压U_R作为输入电压来操作所述运算放大器（202）；

所述运算放大器（202）的输出电压被馈送给所述开关调节器（104），并且以能够改变所述开关调节器（104）的输出电流I_A或者启动电流I_L的方式来控制所述开关调节器（104）；以及

所述开关调节器（104）由所述运算放大器（202）以如下方式来控制，在所述方式下，按照使得流经所述电流感测电阻器R（201）的所述输入电流I_E不超过所述输入电流I_E的所述限制值的方式来改变所述开关调节器（104）的所述输出电流I_A或者所述启动电流I_L。

9.根据权利要求8所述的现场设备，其中，所述运算放大器（202）被切换为差分放大器，使得在所述运算放大器（202）的输出端处输出所述运算放大器（202）的两个输入端处所呈现的电压差被放大因子加权后的结果。

10.根据权利要求8或9所述的现场设备，其中，所述电流感测电阻器R（201）是欧姆电阻器。

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