CN103986221A - 发电机控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于具有通过内部反馈线测量和调整充电电压的内部输出电压调整器的发电机的发电机控制系统可以包括：开关，其在内部反馈线上；可变电压源，其连接到内部输出电压调整器；外部反馈线，其被配置成连接以便在接收充电电压的电池处测量该电池的状况；以及控制器，其连接以便通过外部反馈线接收与电池的状况相应的信号，并且作为对此的响应，选择性地打开开关，且选择性地激励可变电压源以便选择性地改变到内部输出电压调整器的电压输入，从而使得内部输出电压调整器发信号通知发电机相应地改变输出电压，使得到达电池的电压处于预设值。

Description

发电机控制系统和方法

技术领域

本发明涉及用于控制发电机的电压输出的方法和系统，更具体地，涉及用于控制用来维持电池中的电荷的发电机的输出的方法和系统。

背景技术

存在其中有必要从内燃机提供基本上连续的动力的许多应用。例如，在天然气井场操作中，可以提供内燃机以便操作压缩机和其他装备。这样的内燃机可以一天二十四小时、一周七天无人值守地操作。在这样的应用中，有必要维持与这样的内燃机关联的电池中的电荷，该电池典型地为湿电池。

这样的引擎可以使用由引擎驱动的发电机。这样的发电机的一个实例是图1中所示的发电机10。发电机10具有连接到一个或多个湿电池14的输出。发电机10可以包括通过内部反馈环18监视发电机的输出电压的内部调整器16，其典型地位于发电机内部。内部调整器可以将发电机10的电压输出维持在典型地恒定的电压，例如12伏系统中的14伏。这样的发电机10的一个缺点在于，电池14可能在一天的过程中或者在一个季节期间受到环境状况的影响，这些环境状况可能要求增大或者减小发电机的充电电压输出。例如，在相对寒冷的日子，可能希望的是将来自输出12的充电电压从14伏增大到14.2伏或14.3伏。此外，在发电机10的输出12与电池14之间可能存在线损，使得电池终端处实际输送的电压可能小于内部调整器16在发电机的输出处测量的电压。

如图2中所示，为了解决这种情形，发电机20可以包括这样的内部调整器16，该内部调整器通过导线22连接到电池14上的终端24以便提供遥感能力。典型地，导线22与从输出12到电池14的携带较大电流的导体26并排地延伸。配备有连接到电池终端24的外部导线22的发电机20提供了更精确的充电电压，因为它取消了沿着导体26的或者由于输出12处或电池14处的连接点处的电阻引起的任何电压降。尽管由发电机20和外部导线22组成的用于遥感能力的系统具有低制造成本以及优于图1发电机的反馈环的优点，但是仍然存在缺点，因为它们将附加的故障机制引入到电气系统中。

如果向内部调整器16提供反馈的导线22受损，或者它到电池或发电机的连接受损，那么发电机20失去其反馈环，并且内部调整器不再能够控制输出12的电压。在这样的状况下，发电机20的输出电压于是将上升到不安全的水平。该事件具有毁坏发电机20、电池14以及可能地还有其他灵敏电子器件的潜在可能。由于由这种故障模式造成的潜在危害的原因，由这种遥感发电机系统提供的益处可能不足以支持这些风险。

诸如温度补偿电路或者自定义外部调整器之类的其他系统也共享这样相同的问题。如果反馈环受损，那么发电机不再能够控制其输出电压，这具有毁坏电气系统的部件的潜在可能。相应地，存在对于利用远程传感器，但是消除了与反馈电路中的故障关联的风险的发电机系统和方法的需要。

发明内容

在一个实施例中，描述了一种供发电机使用的发电机控制系统，该发电机被配置成向电池提供充电电压并且具有通过内部反馈线测量和调整充电电压的内部输出电压调整器。该系统可以包括：开关，其在内部反馈线上；可变电压源，其连接到内部输出电压调整器；外部反馈线，其被配置成连接以便在接收充电电压的电池处测量该电池的状况；以及控制器，其连接以便通过外部反馈线接收与电池的状况相应的信号，并且作为对此的响应，选择性地打开开关，且选择性地激励可变电压源以便选择性地改变到内部输出电压调整器的电压输入，从而使得内部输出电压调整器发信号通知发电机相应地改变输出电压，使得到达电池的电压处于预设值。

在另一个实施例中，描述了一种供发电机使用的发电机控制系统，该发电机被配置成向电池提供充电电压并且具有通过内部反馈线测量和调整充电电压的内部输出电压调整器。该系统可以包括：开关，其在内部反馈线上；可变电压源，其连接到内部输出电压调整器；外部反馈线，其被配置成连接到电池监视器，该电池监视器被定位成远离发电机且在电池处以便在接收充电电压的电池处测量该电池的状况；以及控制器，其连接以便通过外部反馈线从电池监视器接收与电池的状况相应的信号，并且作为对此的响应，选择性地打开开关，且选择性地激励可变电压源以便选择性地改变到内部输出电压调整器的电压输入，从而使得内部输出电压调整器发信号通知发电机相应地改变输出电压，使得到达电池的电压处于预设值。

在另一个实施例中，描述了一种供发电机使用的用于控制发电机的方法，该发电机被配置成向电池提供充电电压并且具有通过内部反馈线测量和调整充电电压的内部输出电压调整器。该方法可以包括：在内部反馈线上提供开关；提供连接到内部输出电压调整器的可变电压源；通过外部反馈线在接收充电电压的电池处测量该电池的状况；以及通过外部反馈线接收与电池的状况相应的信号，并且作为对此的响应，选择性地打开开关，选择性地激励可变电压源且选择性地改变到内部输出电压调整器的电压输入，从而使得内部输出电压调整器发信号通知发电机相应地改变输出电压，使得到达电池的电压处于预设值。

所公开的发电机控制系统和方法的其他目的和优点根据以下描述、附图和所附权利要求书将是清楚明白的。

附图说明

图1为现有技术发电机控制系统的示意性表示；

图2为现有技术发电机控制系统的示意性表示；

图3为所公开的发电机控制系统的一个实施例的示意性表示；以及

图4为所公开的发电机控制系统的另一个实施例的示意性表示。

具体实施方式

如图3中所示，向发电机30提供所公开的发电机控制系统的一个实施例，其总体上标为40。发电机30可以适于由关联的内燃机32驱动，并且可以以恒定的速度或者随着时间可变的速度驱动。发电机控制系统40可以集成到标准的内部反馈调整发电机30中，该发电机可以包括用于通过电缆26向电池或电池阵列14的终端24输出充电电压的输出12，以及通过发电机30内部的反馈线18读取输出12处的充电电压的内部电压调整器16。

系统40可以安装到发电机30上、附近或者内部，并且可以包括反馈线18上的开关42，该开关可以是正常闭合继电器或者电子等效物。当开关42如图3中所示闭合时，发电机控制系统40可以完全从反馈线18移除，在这种情况下，调整器16可以内部地接收反馈，就像它在发电机控制系统40不存在的情况下所做的那样。发电机控制系统40可以包括：控制器44，其可以是电路板或者可编程逻辑控制器；以及可调节电压源46，其在旁路线48上。可调节电压控制器46可以由控制器40进行控制。旁路线48可以连接到反馈线18，使得可调节电压源46可以与开关42并联。

控制器44可以连接到外部反馈线22，该外部反馈线连接到电池14的终端24。控制器44可以被配置成激励可调节电压源46以便改变由该可调节电压源输出的电压，该可调节电压源在开关42打开时可以将正的或负的电压添加到从输出12到内部调整器16的流经旁路线48、流经反馈线18的电压。控制器44可以被配置成选择性地打开和闭合开关42。通过打开开关42并且激励可调节电压源46，控制器40可以通过放置与内部反馈线串联的正的或负的电压而操纵流经内部反馈线18的电压。由于内部调整器16会设法维持调整器反馈输入49处测量的其电压设置点，通常是12伏系统中的14伏，因而发电机输出12处的电压在这个实例中将是14伏+或-由可调节电压源46在与线18串联的旁路线48上添加或者减去的电压。

相应地，控制器40可以在仍然利用由发电机制造商供应的出厂时固定的内部调整器16的同时调节发电机30的输出电压。控制器40可以被配置成使得如果出现差错状况，或者控制器存在功率损失，那么控制器40可以激励开关42回到闭合位置，并且禁用可调节电压源46，从而恢复内部反馈并且从而保护电气系统。

如图4中所示，在另一个实施例中，总体上标为50的发电机控制系统可以包括控制器52，该控制器被配置成通过通信线54从电池监视器56接收信息。电池监视器56可以被定位成远离发电机30并且安装在电池或电池阵列14上或邻近。在实施例中，电池监视器56可以连接到电池14的终端24。在该实施例中，电池监视器56可以被配置成收集关于电池14的信息，例如电池所连接的系统中流动的电流、电池电压和电池温度。电池监视器56可以被配置成分析该信息并且通过通信线54将信号发送至请求来自可调节电压源46的规定输出电压的控制器52。

电池监视器56可以被配置成提供温度补偿、多状态充电，或者对控制器52对可调节电压源46的激励进行任意次数的其他修改。由于电压由电池监视器56在电池14处读取，因而外部反馈的所有优点都适用，但是由于该反馈从调整器16的实际反馈环18中移除，因而不存在关于图2的实施例所描述的任何危险。

在图4的实施例中，电池监视器56可以通过通信线54与控制器52通信，该通信线可以是双向串行通信链路。然而，可以采用任何通信方法，包括无线通信。系统50可以包括电气覆盖线58。控制器52可以被配置成使得电气覆盖线58可以从控制器52的电路系统移除电力，并且控制器可以被配置成在这样的事件中闭合开关42，从而恢复通过内部反馈线18到调整器的内部反馈。

在一个实施例中，控制器52和电池监视器56可以被配置成通过通信链路52彼此监视，从而提供附加的安全特征。例如，可能触发控制器打开开关42并且改变发电机的输出的状况可以包括执行发电机控制系统50安全检查，确定可调节电压源是否正在起作用并且设置为0伏，确定与发电机30关联的引擎是否正在运行以及发电机是否在内部反馈上正确表现、是否存在与电池监视器56的无差错通信链路，确定电池监视器报告的电压是否处于发电机输出电压的预先选择的百分比内，建议正确的布线和连接，确定发电机的电流输出是否处于预先编程的极限内，确定是否正确地执行了温度补偿计算。

此外，控制器52可以执行电池监视器56安全检查。这样的安全检查可以包括确定引擎是否正在运行以及发电机是否在内部反馈上正确表现，确定是否存在与控制器52的无差错通信链路，以及确定电池监视器56报告的电压是否处于电池电压的特定百分比内，建议正确的布线和连接。

如果控制器52和电池监视器56二者都通过了前述初始安全检查，那么电池监视器可以请求修改发电机30的输出电压，在这点上，控制器52可以打开开关42并且调节输出12处的电压以便实现希望的输出电压。利用通过通信线54的持续通信，控制器52和电池监视器56可以基于任意数量的准则升高或者降低输出12处的电压。

在一个实施例中，控制器52可以被配置成在其检测到任意数量的故障或差错的情况下关闭开关42，从而恢复通过反馈线18到发电机30的内部反馈。这样的故障或差错可以包括来自电池监视器56的关闭开关42的命令、与电池监视器通信的丢失、通信错误、检测到布线或连接问题、失去对于发电机输出电压的控制、包括意外的结果、发电机的电流输出超过设置的极限以及计算误差由电池监视器形成。

电池监视器56和控制器52可以被配置成使得电池监视器可以在其检测到任意数量的故障或差错的情况下关断到控制器的电力，这可以闭合开关42，从而恢复通过反馈线18到发电机30的内部反馈。这样的故障或差错可以包括与电池监视器通信的丢失、通信错误、检测到布线或连接问题以及电压的不当调整、不正确或者未请求的变化。电池监视器56可以被配置成包括附加的特征，例如电气脱硫设备或者低电压断开。电池监视器56或者控制器52可以被配置成在显示器60处或者通过其他方式向操作者提供差错信息或诊断信息，该显示器可以采取LED、显示器、监视器的形式。电池监视器56或者控制器52可以被提供来在显示器60处或者通过其他方式向操作者提供历史数据，或者可以本地地存储在与控制器52关联的存储装置处或者远程地存储以供以后分析。显示器60可以位于电池监视器56附近或者远离电池监视器的地点。

所描述的发电机控制系统40、50大大地降低了与外部电压反馈关联的风险，因为它们具有两种反馈模式：内部和外部反馈。系统中使用的发电机30可以利用常规的、内部的、单个的电压调整器16，其缺省内部地接收其反馈。如本文中所描述的，所公开的发电机控制系统40、50可以能够从内部反馈切换到外部反馈并且再次切换回来。该切换机制可以被定位成尽可能靠近电压调整器16以便最小化连接问题。在外部模式下，发电机控制系统40、50可以操纵外部反馈以便提供任意次数的电压调节，例如温度补偿、多状态充电或者遥感。所描述的发电机控制系统40、50可以被配置成使得在外部反馈以任何方式受损的情况下或者在系统失去对于发电机30的控制的情况下，这些系统可以自动地恢复到内部反馈，从而保护电气系统部件。外部模式下的反馈可以利用电压直接提供，或者通过某种类型的通信架构提供，不管它是有线的还是无线的。

尽管本文公开的装置和方法的形式可以构成本发明优选实施例，但应当理解的是，可以在不脱离本发明范围的情况下对其做出若干变型。

Claims (20)

1.一种供发电机使用的发电机控制系统，该发电机被配置成向电池提供充电电压并且具有通过内部反馈线测量和调整充电电压的内部输出电压调整器，该系统包括：

开关，其在内部反馈线上；

可变电压源，其连接到内部输出电压调整器；

外部反馈线，其被配置成连接以便在接收充电电压的电池处测量该电池的状况；以及

控制器，其连接以便通过外部反馈线接收与电池的状况相应的信号，并且作为对此的响应，选择性地打开开关，且选择性地激励可变电压源以便选择性地改变到内部输出电压调整器的电压输入，从而使得内部输出电压调整器发信号通知发电机相应地改变输出电压，使得到达电池的电压处于预设值。

2.权利要求1的发电机控制系统，其中可变电压源在内部反馈线上。

3.权利要求2的发电机控制系统，其中可变电压源与开关并联连接。

4.权利要求1的发电机控制系统，其中控制器被配置成选择性地增大和减小到内部输出电压调整器的电压输入。

5.权利要求1的发电机控制系统，其中控制器被配置成在通过反馈线接收的信号中检测到差错状况的情况下闭合开关并且禁用可变电压源，由此内部输出电压调整器测量发电机处的充电电压。

6.权利要求1的发电机控制系统，其中外部反馈线连接到电池的终端。

7.权利要求1的发电机控制系统，其中外部反馈线被配置成连接到电池监视器，由此控制器通过外部反馈线从电池监视器接收信号。

8.权利要求7的发电机控制系统，其中电池监视器被连接成定位在电池处且远离发电机。

9.权利要求1的发电机控制系统，其中电池监视器连接到电池的终端。

10.权利要求7的发电机控制系统，其中电池监视器被配置成向控制器提供与温度补偿和多阶段充电中的一个或多个相应的信号。

11.权利要求7的发电机控制系统，其中控制器被配置成通过串联通信链路与电池监视器通信。

12.权利要求11的发电机控制系统，其中控制器被配置成在打开开关之前提供控制器安全检查。

13.权利要求12的发电机控制系统，其中控制器安全检查包括以下一个或多个：确定可调节电压源是否被设置为0伏，确定与发电机关联的引擎是否正在运行以及发电机是否在内部反馈上正确表现，确定是否存在与电池监视器的无差错通信链路，确定电池监视器报告的电压是否处于预先编程的范围内以及是否正确地执行了温度补偿计算。

14.权利要求11的发电机控制系统，其中电池监视器被配置成在控制器打开开关之前执行电池监视器安全检查。

15.权利要求11的发电机控制系统，其中电池监视器安全检查包括以下一个或多个：确定与发电机关联的引擎是否正在运行以及在内部反馈上正确表现，确定是否存在通过串联通信链路与控制器的无差错通信链路，以及确定控制器报告的电压是否处于电池电压的预设百分比内。

16.权利要求11的发电机控制系统，其中控制器被配置成在出现一个或多个差错状况的情况下关闭开关，从而恢复通过内部反馈线的内部反馈，所述差错状况包括接收到来自电池监视器的闭合开关的命令、与电池监视器通信的丢失、通信错误、检测到连接问题、检测到失去对于发电机输出电压的控制、检测到发电机的电流输出超过设置的极限、以及检测到由电池监视器形成的计算误差。

17.权利要求11的发电机控制系统，其中电池监视器被配置成在检测到差错状况的情况下关断到控制器的电力，使得控制器闭合开关，从而恢复到发电机的内部反馈，差错状况包括以下一个或多个：与控制器通信的丢失、检测到通信错误、检测到连接问题、检测到不当调整、检测到充电电压的未请求的变化、以及检测到充电电压的不正确的变化。

18.权利要求7的发电机控制系统，其中控制器被配置成接收电气覆盖信号，该信号从控制器中移除电力，闭合开关，并且恢复到内部电压调整器的内部反馈。

19.一种供发电机使用的发电机控制系统，该发电机被配置成向电池提供充电电压并且具有通过内部反馈线测量和调整充电电压的内部输出电压调整器，该系统包括：

开关，其在内部反馈线上；

可变电压源，其连接到内部输出电压调整器；

外部反馈线，其被配置成连接到电池监视器，该电池监视器被定位成远离发电机且在电池处以便在接收充电电压的电池处测量该电池的状况；以及

控制器，其连接以便通过外部反馈线从电池监视器接收与电池的状况相应的信号，并且作为对此的响应，选择性地打开开关，且选择性地激励可变电压源以便选择性地改变到内部输出电压调整器的电压输入，从而使得内部输出电压调整器发信号通知发电机相应地改变输出电压，使得到达电池的电压处于预设值。

20.一种供发电机使用的用于控制发电机的方法，该发电机被配置成向电池提供充电电压并且具有通过内部反馈线测量和调整充电电压的内部输出电压调整器，该方法包括：

在内部反馈线上提供开关；

提供连接到内部输出电压调整器的可变电压源；

通过外部反馈线在接收充电电压的电池处测量该电池的状况；以及

通过外部反馈线接收与电池的状况相应的信号，并且作为对此的响应，选择性地打开开关，选择性地激励可变电压源且选择性地改变到内部输出电压调整器的电压输入，从而使得内部输出电压调整器发信号通知发电机相应地改变输出电压，使得到达电池的电压处于预设值。