CN104979888A - 多能量收集器电力系统 - Google Patents

Abstract

一种电力系统包括第一能量收集器、第二能量收集器、功率调节单元以及负载。所述第一能量收集器被配置来产生第一电压。所述第二能量收集器被配置来产生第二电压。所述第一电压大于所述第二电压。所述功率调节单元被配置来调节所述第二能量收集器产生的功率。所述功率调节单元是由所述第一电压供电。所述负载被配置来接收来自所述功率调节单元的经调节的功率。

Description

多能量收集器电力系统

技术领域

本发明总体上涉及电力系统，并且具体涉及一种用于利用多个能量收集器为远程负载供电的系统和方法。

背景技术

远程负载、诸如在飞机上的传感器必须接收操作用的功率。通常提供传统有线功率，但是要求将导线排布至负载。这增加了系统的复杂性、重量以及成本。因此，期望以无线方式为负载供电。

为向负载提供无线功率，现有技术系统利用远程电池。这些电池为负载提供了所需功率，但随时间推移放电并且最终要求替换。根据远程系统位置，对电池的替换可为高成本的事件。例如，如果远程传感器位于燃气涡轮发动机或飞机设备舱内，那么可能只是为了接触电池而使发动机或舱必需某种形式的拆卸，因此，要求定期替换电池并不经济。期望提供一种不要求使用有线功率或依赖于电池功率的远程电力系统。

发明内容

一种电力系统包括第一能量收集器、第二能量收集器以及功率调节单元。第一能量收集器被配置来产生处于第一电压的第一功率输出。第二能量收集器被配置来产生处于第二电压的第二功率输出。第二电压小于第一电压，并且第二功率输出大于第一功率输出。功率调节单元被配置来调节第二功率输出以向负载提供经调节的功率，其中功率调节单元是由第一功率输出供电。

附图说明

图1是示出一种利用多个能量收集器为传感器供电的系统的框图。

图2是示出一种利用多个能量收集器为传感器供电的方法的框图。

具体实施方式

本文公开一种包括多个能量收集器以对负载提供远程功率的电力系统。电力系统包括产生高电压与低功率输出的第一能量收集器、和产生低电压与高功率输出的第二能量收集器。来自第一能量收集器的高电压被利用来唤醒调节单元并为调节单元供电。来自第二能量收集器的高功率是由调节单元调节并被利用来为负载供电。这允许了在不排布导线或实现永久电池的情况下为远程负载(诸如传感器、计算机处理器、无线发射器、或这些负载的组合)供电。

图1是示出使用能量收集器14和16为负载12供电的电力系统10的框图。系统10包括负载12、能量收集器14和16、功率调节单元18、可选备用电池20、热源22以及散热器24。系统10可为例如位于飞机的燃气涡轮发动机内的、或在飞机中的空气循环机上的系统。负载12是可接收远程功率的任何负载，诸如燃气涡轮发动机内的传感器、或空气循环机内的传感器。备用电池20是可选的，并且系统10可在不使用电池20的情况下为负载12供电。

功率调节单元18可利用来调节提供至负载12的功率。负载12可为例如硅基传感器。硅基设备可能要求大于例如3.3伏的恒定电压来进行操作。功率调节单元18接收处于变化电压下的输入功率并向负载12提供处于等于例如3.3伏的近似恒定电压下的输出功率。功率调节单元18是能够提供此类型的调节的任何单元，例如像Maxim Integrated^TMMAX17710芯片。这些芯片使用例如升压调整器和可调节低压差线性调整器来提供恒定输出电压。

能源收集器14和16可为例如热电设备。热电能量收集器基于两个热端子之间的温差来产生电压。来自热源22的温度可施加至第一热端子，并且处于比热源22低的温度的散热器24可施加至第二热端子。在两个热端子之间的是可串联地电连接的一对或多对热电偶。从热电设备产生的电压和获得的功率取决于热源22和散热器24的温差以及热电偶的特性和数目。例如，在两个热端子之间具有更大总横截面积的热电设备可产生更大功率输出。具有更大数目的热电偶的热电设备可产生更大电压。

能量收集器14和16的第一热端子可连接至热量路径(heat path)，并且第二热端子可连接至冷温度源。热量路径可为例如燃气涡轮压缩机或空气循环机压缩机的高温出口路径。第一端子可在热量流动路径(hotflowpath)处连接至压缩机的外壳以从外壳接收热量。冷空气源可为例如设置于压缩机入口处的散热器，或可为被配置来将热量排至环境空气的自然对流散热器。

功率调节单元18可要求以阈值电压接通，诸如2.1伏，并且可在负载16的操作持续时间内要求相同电压。过去，已经利用电池来提供此操作电压。然而，如果电池一旦落至阈值电压以下，那么系统可能不再操作，直至能够替换电池。电池替换可为高成本的过程，尤其是在系统10处于远程位置的情况下，诸如在燃气涡轮发动机内或在飞机设备舱内。

为向功率调节单元18提供必要的接通和操作电压，能量收集器14可实现为例如高电压低功率设备，如热电堆。热电堆可通过串联连接多个小热电偶实现。每个热电偶均产生电压，并且热电偶的组合产生大的电压。因为热电偶小，因此可从热电堆提取的电流低并因此来自热电堆的潜在功率输出也低。此低功率可为足够用于调节单元18的功率，但非足够用来为负载12供电的功率。因此，能量收集器14可利用来接通并且操作调节单元18。

为向负载12供电，能量收集器16可为例如较低电压、高功率设备。与相比，能源收集器16可实现为例如比能量收集器14的热电偶具有更大横截面积的多个更大的热电偶。能量收集器16产生的功率可为足以在正常系统操作期间为负载12供电的任何功率电平，例如像几十毫瓦。因为能量收集器16并不需要接通并为调节单元18供电，因此能量收集器16产生的电压可以小于例如两伏。功率调节单元18接收这个低电压高功率输入，并且对它进行调节以在大于例如3.3伏下将来自能量收集器16的输出功率提供至负载12。

通过使用能量收集器14来为调节单元18供电并且使用能量收集器16来为负载12供电，系统10能够在不需要排布导线且不需要单个高电压高功率能量收集器的情况下为负载12供电。不论尺寸和功率输出，热电偶均可产生类似电压。因此，如果实现单个能量收集器来为调节单元18和负载12两者供电以产生调节单元18的必要电压，那么高功率能量收集器将会要求与能量收集器14相同数目的热电偶。这将大大增加系统10的成本和重量。因此，能量收集器14和16的组合提供优于单个高电压高功率能量收集器的实现方案的减少的重量和成本。

可选电池20可实现为响应于能量收集器14提供用于接通功率调节单元18的不充足的电压或用于操作调节单元18的不充足的功率来提供电压和功率。调节单元18可要求以例如2.1伏接通。如果能量收集器14并未产生大于2.1伏，那么可利用电池20来接通调节单元18。接通之后，调节单元18要求低电流、例如像约一百微安来操作。响应于能量收集器14未提供足够的功率来向调节单元18供应必要电流，电池20可提供用于调节单元18的操作的功率。在能量收集器14正在产生足够功率时，可对电池20充电。以此方式，更换电池20的替换频率与现有技术系统相比大大降低。

继续参考图1，图2是示出利用能量收集器14和16和备用电池20的供电系统10的方法30的流程图。虽然电池20是可选的，但是它可包括在系统10内以向调节单元18提供冗余功率。在步骤32，如果能量收集器14提供用以接通调节单元18的足够大的电压，那么方法30进行至步骤34，其中从能量收集器14提供功率来将以将功率调节单元18接通。如果能量收集器14并未提供足够大的电压，方法30进行至步骤36，其中从电池20提供功率来将功率调节单元18接通。

在步骤38，一旦接通功率调节单元18，那么功率调节单元18调节来自能量收集器16的功率并向负载12提供经调节的功率。在步骤40，在调节单元18操作期间，确定来自能量收集器14的功率是否大到足够用于功率调节单元18的操作。如果它是足够大的，那么方法30进行至步骤42，其中能量收集器14提供功率用于以下操作两者：操作调节单元18以及对电池20充电。如果来自能量收集器14的功率并未大到足以为调节单元18供电，那么方法30进行至步骤44，其中电池20提供功率来操作调节单元18，直至能量收集器14再一次为调节单元18的操作提供足够大的功率。以此方式，电池20有节制地使用并且在未使用时再充电。这为系统10提供冗余功率，同时减少或消除定期更换电池20的需要。

可能实施方案的讨论

以下是本发明的可能实施方案的非排他性描述。

一种电力系统包括第一能量收集器、第二能量收集器、功率调节单元以及负载。第一能量收集器被配置来产生第一电压。第二能量收集器被配置来产生第二电压。第一电压大于第二电压。功率调节单元被配置来调节第二能量收集器产生的功率。功率调节单元是由第一电压供电。负载被配置来接收来自功率调节单元的经调节的功率。

另外和/或可替代地，前述段落的系统可选地包括以下特征、配置和/或另外部件中的任何一个或多个：

前述电力系统的另一个实施方案，其中第一能量收集器和第二能量收集器是热电能量收集器。

任何前述电力系统的另一个实施方案，其中电力系统实现于飞机上并且负载是传感器。

任何前述电力系统的另一个实施方案，其中第一热电能量收集器和第二热电能量收集器从压缩机的热量路径产生功率。

任何前述电力系统的另一个实施方案，所述实施方案还包括电池，电池可由第一能量收集器充电并且被配置来响应于第一能量收集器并未产生阈值功率输出来为功率调节单元供电。

任何前述电力系统的另一个实施方案，其中第二电压小于两伏并且第一电压大于3.3伏。

一种产生用于负载的功率的方法除其它外包括：使用第一能量收集器产生处于第一电压的第一功率输出；使用第二能量收集器产生处于第二电压的第二功率输出，其中第二电压小于第一电压，并且其中第二功率输出大于第一功率输出；使用第一功率输出来为功率调节电路供电；使用功率调节电路来调节第二功率输出以产生经调节的电压；以及使用经调节的电压来为负载供电。

另外和/或可替代地，前述段落的方法可选地包括以下特征、配置和/或另外部件中的任何一个或多个：

前述方法的另一个实施方案，其中第一能量收集器和第二能量收集器是热电能量收集器。

任何前述方法的另一个实施方案，其中电力系统实现于飞机上并且负载是传感器。

任何前述方法的另一个实施方案，其中第一热电能量收集器和第二热电能量收集器从压缩机的热量路径产生功率。

任何前述方法的另一个实施方案，所述实施方案还包括响应于第一电压大于阈值，使用第一功率输出来为电池充电。

任何前述方法的另一个实施方案，所述实施方案还包括响应于第一电压小于阈值，使用电池的输出来为功率调节电路供电。

任何前述方法的另一个实施方案，其中阈值是功率调节电路的接通电压。

任何前述方法的另一个实施方案，其中第二电压小于两伏并且第一电压大于3.3伏。

虽然已经参照示例性实施方案来描述本发明，但是本领域的技术人员应当了解，在不背离本发明的范围的情况下，可以做出各种改变并且可用等效物取代其要素。另外，在不背离本发明的基本范围的情况下，可以做出许多修改来使具体的情况或材料适应本发明的教义。因此，旨在使得本发明不限于所公开的具体实施方案，而是本发明将包括落在所附权利要求书的范围内的所有实施方案。

Claims (14)

1.一种电力系统，其包括：

第一能量收集器，所述第一能量收集器被配置来产生处于第一电压的第一功率输出；

第二能量收集器，所述第二能量收集器被配置来产生处于第二电压的第二功率输出，其中所述第二电压小于所述第一电压，并且其中所述第二功率输出大于所述第一功率输出；以及

功率调节单元，所述功率调节单元被配置来调节所述第二功率输出以向负载提供经调节的功率，其中所述功率调节单元是由所述第一功率输出供电。

2.如权利要求1所述的电力系统，其中所述第一能量收集器和所述第二能量收集器是热电能量收集器。

3.如权利要求2所述的电力系统，其中所述电力系统实现于飞机上并且所述负载是传感器。

4.如权利要求3所述的电力系统，其中所述第一热电能量收集器和所述第二热电能量收集器从压缩机的热量路径产生功率。

5.如权利要求1所述的电力系统，其还包括：

电池，其中所述电池可由所述第一能量收集器充电，并且被配置来响应于所述第一能量收集器并未产生阈值功率输出而向所述功率调节单元供电。

6.如权利要求1所述的电力系统，其中所述第二电压小于两伏并且所述第一电压大于3.3伏。

7.一种产生用于负载的功率的方法，所述方法包括：

使用第一能量收集器产生处于第一电压的第一功率输出；

使用第二能量收集器产生处于第二电压的第二功率输出，其中所述第二电压小于所述第一电压，并且其中所述第二功率输出大于所述第一功率输出；

使用所述第一功率输出来为功率调节电路供电；

使用所述功率调节电路来调节所述第二功率输出以产生经调节的电压；以及

使用所述经调节的电压来为负载供电。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述第一能量收集器和所述第二能量收集器是热电能量收集器。

9.如权利要求7所述的方法，其中所述电力系统实现于飞机上并且所述负载是传感器。

10.如权利要求8所述的方法，其中所述第一热电能量收集器和所述第二热电能量收集器从压缩机的热量路径产生功率。

11.如权利要求7所述的方法，其还包括：

响应于所述第一电压大于阈值，使用所述第一功率输出来为电池充电。

12.如权利要求11所述的方法，其还包括：

响应于所述第一电压小于所述阈值，使用所述电池的输出来为所述功率调节电路供电。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述阈值是所述功率调节电路的接通电压。

14.如权利要求7所述的电力系统，其中所述第二电压小于两伏并且所述第一电压大于3.3伏。