CN107979083B

CN107979083B - 容错电力网络

Info

Publication number: CN107979083B
Application number: CN201710982667.XA
Authority: CN
Inventors: H·斯图尔特; A·J·加德纳; D·斯托弗; D·德韦利; J·L·希思
Original assignee: Linear Technology LLC
Current assignee: Analog Devices International ULC; Linear Technology LLC
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2017-10-20
Publication date: 2021-03-23
Anticipated expiration: 2037-10-20
Also published as: US10547206B2; EP3313021B1; KR20180044212A; US20180115191A1; CN107979083A; JP6556801B2; EP3313021A1; KR102101066B1; JP2018067917A

Abstract

本申请案涉及一种容错电力网络。一或多个供电设备PSE耦合到经互连节点的网络中的点。每一节点具有第一端口及第二端口。假定第一节点的所述第一端口正从所述PSE接收DC电力。所述第一节点接着在其第二端口处检测到来自邻近第二节点的第一端口的电签名。如果所述邻近第二节点呈现恰当的电签名，那么所述经供电第一节点将开关闭合以在其第一端口与第二端口之间传递电力以经由所述第二节点的所述第一端口对所述第二节点进行供电。接着以此方式依序对所述网络中的所有节点进行通电。如果在所述第一节点与所述第二节点之间存在故障，那么所述第二节点将由连接到所述第二节点的所述第二端口的另一节点进行供电。

Description

容错电力网络

相关申请案交叉参考

此申请案主张由希思·斯图尔特(Heath Stewart)等人于2016年10月21日提出申请的美国临时申请案第62/411,431号的优先权，所述美国临时申请案以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种其中供电设备(PSE)将电力供应到节点位置处的一或多个负载的电力网络，且特定来说，涉及一种其中电力围绕节点之间的任何故障自动进行路由的电力网络。

背景技术

在用于汽车及工业应用中的常规电力系统中，DC电力通常经由点对点接线或经由电力总线(其中各种负载从同一电力总线分接)而被供应到不同负载。对于此类系统，电力供应器与负载中的任何者之间的故障会致使存在故障下游的电力损失。进一步地，如果故障是短路，那么电力供应器将由于过电流而关闭，且去往所有负载的电力将被破坏。

需要一种“智能”电力网络，其中电力围绕故障进行路由且故障被隔离，使得不存在对去往负载中的任何者的电力的破坏。

发明内容

所揭示电力网络应用于经由将DC电压递送到负载的相同两个导线而发射差分数据的系统(例如，以太网供电系统)且应用于仅将DC电压供应到负载的系统。

在一个实施例中，一或多个节点环连接在一起以形成节点的网络。每一节点包含负载、开关、签名组件、检测电路(用于检测邻近节点的签名组件)及控制器。每一节点具有两个端口，其中邻近节点的相对端口通过一对导线而连接在一起。在一个终止点处，第一PSE连接到邻近节点的端口。在相对终止点处，第二PSE连接到其邻近节点的端口。可存在邻近于每一PSE的两个或多于两个节点。

施加到节点的一个端口的电力可选择性地被馈送到所述节点的另一端口以对邻近节点进行供电(假定在节点之间未检测到故障)。任何端口可充当电力的输入端口或电力的输出端口以将电力供应到邻近节点。节点连续检测去往其邻近节点的恰当的连接且将电力施加到其邻近节点，使得电力被连续供应到所有节点。节点独立地操作以将电力施加到其邻近节点。

在另一实施例中，节点经由中央控制器而将电力施加到其邻近节点。

节点的每一端口选择性地在连接到所述端口的导线上呈现检测签名或从连接到所述端口的导线检测签名，此取决于节点是充当所述端口处的电力接收器、所述端口处的电力发射器还是两者均不。通过从邻近节点检测签名并将签名呈现给邻近节点的各种节点，可通过节点未能从其邻近节点接收到恰当的签名而识别邻近节点之间的故障的位置。签名可为特定电阻值或跨越导线而切换的其它组件值，且每一节点中的检测器检测是否跨越导线而呈现恰当的组件值。

当在经供电第一节点的一个端口处识别出故障(即，未检测到来自邻近未经供电第二节点的恰当的签名，或电流流动指示故障)时，第一节点中的开关的操作阻止DC电力耦合到所述端口，且第二节点接着从其连接到第二节点的相对端口的其它邻近节点自动被供电。因此，所有节点从其邻近节点中的任一者接收电力，从而使得电力能够围绕故障进行路由且使得故障能够被隔离。

每一节点中的“智能”电路(其由通过其邻近节点而被施加到任一端口的电压进行供电)控制内部开关以在导线上呈现签名或在导线上检测邻近节点的签名。如果未检测到故障，那么连接开关将经供电节点的一个端口处的导线连接到所述节点的其它端口处的导线以便对邻近节点进行供电。因此，由施加到两个端口中的任一者的DC电压依次对节点进行通电。

在一个实施例中，差分以太网数据连同DC电压一起也在导线对上进行发射，且节点及PSE处理所述数据以在节点与PSE之间传递任何信息。数据可用于使技术人员识别出故障的位置。DC电压容易从AC数据路径被滤除(例如通过变压器或电容器)，且不影响差分数据。另外，数据信号可使用电感器从电力路径被滤除，所述电感器仅传递DC电压及低频率信号。

本发明尤其用于其中接线减少及高可靠性为重要问题的汽车及工业应用中。

附图说明

图1图解说明其中多个环内的经互连节点经由其两个邻近节点中的一者而从PSE接收电力的一个类型的电力网络配置。

图2图解说明每一PSE内的相关电路。

图3图解说明每一节点内的相关电路，其中邻近节点端口到端口地连接在一起。

图4图解说明另一实施例中的每一节点内的相关电路，其中邻近节点端口到端口地连接在一起。

图5图解说明针对其中载运DC电压的导线对还载运用于网络中的各种组件之间的通信的差分数据的实施例的DC及AC耦合/解耦电路。

以相同编号标示相同或等效的元件。

具体实施方式

图1图解说明电力网络的许多可能实施例中的一者，其中一或多个PSE连接到经互连节点的网络的终止点，其中每一节点包含两个端口及一负载。网络经配置使得，如果在网络中任何地方存在故障，那么故障通过节点中的开关而被自动隔离，且去往所有节点的电力围绕故障自动进行路由。可接着通过DC电力导线上的差分数据信号而识别故障的位置并由技术人员修理所述故障。

节点可以任何图案(例如以一或多个环、串联地、以网格、以串联连接的环的组合或其中电力可经由每一节点的两个端口中的一者进入所述节点的其它适合组合)进行连接。

第一PSE 12连接到节点14的网络的一个终止点，且第二PSE 16连接到相对终止点。每一节点(例如节点A)包含第一端口18、第二端口20及待被供电的负载22。负载22可为任何类型的装置且可包含用于经由双绞线对24而发射差分数据的数字通信电路，所述双绞线对将节点连接到PSE 12及16且将所述节点互连。可使用其它类型的接线，例如屏蔽线缆。DC电压及AC数据可使用DC耦合电感器及AC耦合电容器来耦合到导线对24/从所述导线对解耦。此展示于稍后描述的图5中。

在图1的实例中，任何数目个节点连接于节点的第一环26中，且任何数目个节点连接于节点的第二环28中。两个环26及28通过串联的一或多个节点(节点C)而连接。可存在更多节点环及更多串联节点。任何其它适合配置是可能的，其中在节点中的任何者之间的单个故障的事件中，任何节点可从任一端口接收电力。

图2图解说明PSE 12中的相关功能单元。PSE 16可为相同的。控制器30控制检测开关32及电力开关34的操作。控制器30可为状态机、处理器、固件或其它逻辑电路。

在系统通电后，控制器30即刻经由DET_EN信号将检测开关32闭合且致使检测电路36起始低电力低频率检测例程。一个输出端子38连接到导线对24(图1)中的正电压导线，且导线对24中的另一导线可接地。替代地，如关于图5所描述，无导线接地，且DC电压源40经由DC耦合电感器而使其端子连接到导线对24。

导线对24可为还用于载运差分数据的平衡双绞线对。在另一实施例中，导线可为具有芯及外屏蔽物的屏蔽线缆。所述屏蔽物可连接到接地，而所述芯载运数据以及DC电压。

如稍后将更详细地描述，节点的每一端口为可控制的以跨越导线对24中的导线呈现检测签名。此检测签名可为特定值电阻器(例如25千欧)或者具有已知特性的其它组件或电路。此类其它组件可为电容器、稳压二极管(Zener diode)等。检测电路36跨越导线呈现低电流/低电压信号且检测邻近节点处的检测签名的存在。如果使用签名电阻，那么检测电路36可通过导线提供低电流且检测所得电压。故障将通常为开路或短路，因此相当容易地确定导线对24是呈现短路还是断路。如果检测签名在预期检测签名的适合范围内，那么控制器30将开关32断开且将电力开关34闭合以跨越导线对24中的导线而连接全DC电压。

PSE 12还可包含电流检测电路，所述电流检测电路检测是否存在因节点所致的电流过载且接着将电力开关34断开。此电流过载可由节点中的任何者中的故障负载所致。

一旦邻近于PSE 12的节点(例如，图1中的节点A及B)由PSE 12通电，所述节点便可现在独立地操作以将DC电压传递到其下游邻近节点，关于图3所描述。

图3图解说明每一节点中的相关功能单元。举例来说，当PSE 12通过检测电路36将低电流供应到节点A时，此对节点A中的控制器42进行供电。控制器42接着将开关44暂时闭合以跨越接收检测电流的端口18的导线而连接签名组件46。在成功检测后，PSE 12即刻跨越导线而耦合DC电压源40(图2)，如上文所描述，且节点中的控制器42将开关44断开。此全电压可由作为节点负载的一部分的电压转换器转换为节点中的任何其它操作电压。一旦节点确定电压高于最小阈值(例如通过使用比较器)，控制器42便将电力开关48闭合以跨越节点的负载50而连接电压。

跨越负载的电力端子的电容器52确保如果存在来自PSE 12的短暂电力中断(例如在故障重新路由例程期间)，那么负载50将继续被供电。而且，网络可在被完全供电之后间歇地执行短暂检测例程以确定网络的健康，且电容器52可在这些短暂间隔期间对负载50进行供电。

控制器42可为状态机、处理器、固件或任何其它逻辑电路。

一旦邻近PSE 12的节点A被完全供电，节点便接着在经由相对端口20将传入DC电压连接到其邻近(下游)节点之前执行例程。控制器42将检测电路开关56闭合，此将低电流/电压供应到连接到端口20的导线，正如由PSE 12所完成一样。检测电路54可包括电流源及用于测量跨越导线的电压的电压检测器。连接到端口20的邻近节点接着将其“签名组件”开关44闭合以跨越导线而放置其签名组件。节点A接着检测耦合到端口20的邻近节点中的恰当的签名组件且因此知晓不存在耦合到端口20的故障。节点A接着将检测电路开关56断开且将连接开关58闭合，此将全DC电压转送到下游邻近节点。

此操作针对所有节点依次继续直到所有节点被供电为止。序列从PSE 12而从左到右地继续进行且从PSE 16而从右到左地继续进行。一旦节点从其端口中的一者被供电，所述节点便无法也从其其它端口接收电力。因此，连接开关58将针对一或多个节点而断开，且每一节点将由PSE 12或16进行供电(假定不存在故障)。更具体来说，一旦节点从一个端口(从PSE中的一者或邻近节点)接收DC电力，节点中的控制器42便阻止相对端口也接收电力。以此方式，一个PSE无法为另一PSE的负载。

在一些情形中，两个或多于两个节点(例如节点A及B)可与PSE 12并联连接，且这两个节点将独立地且同时地操作以将其签名呈现给PSE 12且最终从PSE 12接收全DC电压。

如上文所描述，节点将与特定端口相关联的开关44、56、60、62闭合及断开的操作致使各种节点从一个端口接收电力且从相对端口发射电力直到所有节点被供电为止。因此，虽然将图3的操作描述为其中电力经由端口18被输入到节点中，但电力可经由端口20而进入。在此情形中，控制器42将开关60闭合以将签名呈现给右邻近节点(以接着经由端口20从右邻近节点接收电力)，且一旦被通电，所述控制器便将开关62闭合以检测来自左邻近节点的签名以便经由端口18将左邻近节点通电。

因此，所有节点是远离PSE中的每一者而被依次通电。

在故障的一个实例中，举例来说，如果未由节点A在其端口20处检测到来自节点C的端口18处的恰当的签名响应，那么节点A不将电力供应到节点C的端口18(即，节点A中的连接开关58不被闭合)。因此，接线故障可能存在于两个节点之间。在此事件中，其余节点将自动被连续供电直到去往节点C的端口20的电力由节点D或E供应为止。节点C将接着通过将电力开关66闭合而将DC电力连接到其负载50。因此，将通过节点A及C的断开连接开关58而使节点A与C之间的故障被隔离。在节点C被通电之后，所述节点C将尝试在其端口18处执行签名检测。假定在节点A与C之间存在短路(签名检测失败)，那么节点C将不会将其连接开关58闭合，从而致使PSE 12仅对节点A及B进行供电，且PSE 16对其余节点C到E进行供电。

如果由控制器72发现负载50为故障的，那么负载电力开关48及66可由控制器42断开，而连接开关58经闭合以将端口18与20耦合在一起。

在一些网络配置(例如单个节点环)中，仅需要一个PSE，这是因为所述环中的任何故障将仅致使电力围绕所述环顺时针行进、逆时针行进或此两者直到所有节点被供电为止。

在图3中，每节点存在单个连接开关58且每节点存在两个负载电力开关48及66。

在图4的替代配置中，每节点存在两个连接开关58A及58B且每负载存在一个负载电力开关70。在图4中，检测及签名部分与图3中相同，但控制器72将连接开关58A及58B两者闭合以连接两个端口18与20之间的DC电力。仅存在一个负载电力开关70。因此，可通过将开关70连同连接开关58A及58B中的一者或两者闭合而对负载50进行供电。

图5图解说明实施例中的任何者中的PSE 80及节点82可如何通过双绞线对24经由以太网差分数据而进行通信同时还通过同一导线对24而传导DC电压。PSE 80中的开关84包括图2中所展示的用于检测、电力耦合、签名等的各种开关及电路，且节点82中的开关86包括图3或4中所展示的用于检测、电力耦合、签名等的各种开关及电路。DC电压源40经由DC耦合电感器88而耦合到导线，且DC电压在节点82处通过电感器90而被解耦。AC数据信号经由AC耦合电容器96到99而耦合于PHY 92与94之间。PHY 92及94含有各种收发器及用于数字通信的其它电路。任何类型的数据处理电路可耦合到PHY 92及94。以此方式，可将故障的位置传递给技术人员以进行修理。可沿着导线对24传达任何其它信息。

尽管已展示及描述了本发明的特定实施例，但所属领域的技术人员将显而易见，可在不背离本发明的情况下对本发明的较宽广方面做出改变及修改，且因此，所附权利要求书欲将属于本发明的真正精神及范围内的所有此类改变及修改囊括于其范围内。

Claims

1.一种供电网络，其包括：

至少一个供电设备PSE(12)，其经配置以用于将DC电力供应到多个经互连节点(节点A-E)，所述经互连节点包含第一节点，所述第一节点中的每一者连接到第一邻近节点及第二邻近节点；

所述第一节点包括：

第一端口(18)，其具有连接到所述第一邻近节点的第一端子及第二端子；

第二端口(20)，其具有连接到所述第二邻近节点的第三端子及第四端子；

第一签名电路(46)，其选择性地耦合到所述第一端口且经配置以响应于从耦合到所述第一端口的所述第一邻近节点被施加到所述第一端口的检测信号而呈现特定电签名；

第二签名电路，其选择性地耦合到所述第二端口且经配置以响应于从耦合到所述第二端口的所述第二邻近节点被施加到所述第二端口的所述检测信号而呈现所述特定电签名；

第一检测电路(54)，其选择性地耦合到所述第一端口且经配置以将所述检测信号呈现给所述第一邻近节点的所述第二端口并检测所述第一邻近节点的所述特定电签名；

第二检测电路，其选择性地耦合到所述第二端口且经配置以将所述检测信号呈现给所述第二邻近节点的所述第一端口并检测所述第二邻近节点的所述特定电签名；及

一或多个连接开关(58)，其经耦合以在所述第一检测电路或所述第二检测电路检测到所述第一邻近节点或所述第二邻近节点的所述特定电签名的情况下将所述第一端口连接到所述第二端口，

其中在检测到来自所述第一邻近节点或所述第二邻近节点的所述特定电签名之后，所述第一节点从所述PSE选择性地将DC电压传递到所述第一邻近节点或所述第二邻近节点以使得所述经互连节点依次被供电，选择性地将DC电压传递到所述第一邻近节点或所述第二邻近节点取决于所述DC电压是在所述第一节点的所述第一端口处还是所述第二端口处接收，且

其中所述经互连节点独立地操作以检测所述经互连节点之间的故障，以使得所述PSE不用于检测所述经互连节点之间的故障，

其中所述PSE包括：

DC电压源(40)；

第一电力开关(84)，其选择性地将所述DC电压源耦合到所述节点中与所述PSE直接耦合的一者的所述第一端口；及

第三检测电路(36)，其选择性地耦合到所述节点中与所述PSE直接耦合的所述一者的所述第一端口，所述第三检测电路经配置以将所述检测信号呈现给所述节点中与所述PSE直接耦合的所述一者的所述第一端口，且检测所述节点中与所述PSE直接耦合的所述一者的所述特定电签名，

其中所述PSE经配置以在检测到所述特定电签名的情况下将所述第一电力开关闭合以将所述DC电压源耦合到所述节点中与所述PSE直接耦合的所述一者的所述第一端口。

2.根据权利要求1所述的网络，其中所述第一节点包括由所述PSE所供应的所述DC电力供电的控制器(42)，所述控制器控制耦合开关(62、44、56、60)以选择性地将所述第一签名电路、所述第二签名电路、所述第一检测电路及所述第二检测电路耦合到其相关联第一端口或第二端口，此取决于所述DC电力是在所述第一端口处还是所述第二端口处接收。

3.根据权利要求1所述的网络，其中所述第一节点进一步包括；

负载(22、50)；及

电力开关(48、66)，其经连接以将所述负载耦合到所述DC电压，所述DC电压从所述PSE被施加到所述第一端口或所述第二端口。

4.根据权利要求1所述的网络，其中所述第一节点与所述第一邻近节点之间的接线故障阻止所述第一邻近节点将所述第一邻近节点的所述特定电签名呈现给所述第一检测电路，因此阻止所述第一节点将所述DC电力供应到所述第一邻近节点，且

其中所述第一节点与所述第二邻近节点之间的接线故障阻止所述第二邻近节点将所述第二邻近节点的所述特定电签名呈现给所述第二检测电路，因此阻止所述第一节点将所述DC电力供应到所述第二邻近节点。

5.根据权利要求1所述的网络，其中所述第一节点、所述第一邻近节点及所述第二邻近节点经由导线对(24)而互连，所述导线对连接于所述第一节点、所述第一邻近节点及所述第二邻近节点的所述第一端口及所述第二端口中的相对者之间。

6.根据权利要求1所述的网络，其中所述一或多个连接开关是介于所述第一端口与所述第二端口之间的单个连接开关；或者其中所述一或多个连接开关包括串联地介于所述第一端口与所述第二端口之间的两个连接开关。

7.根据权利要求1所述的网络，其中所述第一节点中的至少一些第一节点连接成环(26)。

8.根据权利要求1所述的网络，其中所述至少一个PSE包括在不同点处耦合到所述多个经互连节点的多个PSE(12、16)。

9.根据权利要求1所述的网络，其中通过将所述一或多个连接开关闭合而依序对所述第一节点进行通电。

10.根据权利要求1所述的网络，其中所述多个经互连节点由用于传导所述DC电力的导线对进行互连，其中可选地所述导线对还在所述PSE与所述多个经互连节点之间载运差分数据。

11.一种对多个经互连节点进行供电的方法，其包括：

a.供电设备PSE(12)将检测信号呈现给与所述PSE直接耦合的第一节点(节点A)的第一端口(18)，检测所述第一节点的特定电签名，并且所述PSE在检测到所述特定电签名的情况下将DC电力供应到所述第一节点的所述第一端口；

b.从所述第一节点的第二端口(20)将检测信号提供到第二节点(节点C)的第一端口；

c.所述第二节点响应于来自所述第一节点的所述检测信号而提供特定电签名；

d.由所述第一节点检测所述特定电签名(46)且将所述第一节点的所述第一端口耦合到所述第一节点的所述第二端口以将所述DC电力供应到所述第二节点的所述第一端口；及

e.针对所述多个经互连节点中的额外节点重复步骤b到d以依序对所述多个经互连节点中的所有所述节点进行供电，其中所述经互连节点独立地操作以检测所述经互连节点之间的故障，以使得所述PSE不用于检测所述经互连节点之间的故障，且其中取决于依次给所述节点供电以绕过所述故障的方向，所述节点从两个端口中的任一者接收电力。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述节点中的至少一些节点连接成环(26)。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中存在在不同点处耦合到所述多个经互连节点的多个PSE(12、16)。

14.根据权利要求11所述的方法，其中所述节点由导线对(24)进行互连，且其中还经由所述导线对而连同所述DC电力一起发射差分数据；和/或其中如果在所述第一节点与所述第二节点之间存在接线故障，那么所述特定电签名将不会被所述第一节点检测到。