CN111316530A - 具有一体式电池的致动机构 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种电机驱动的致动器装置，所述电机驱动的致动器装置包括外壳(1)，在所述外壳中容纳有电机、控制模块(3)和驱动器(4)。所述驱动器(4)耦接在电机与被致动的装置之间。所述装置进一步包括用于接收可再生或所采集能量电源的输入和容纳在所述外壳(1)内的电池组(6)。所述电池组(6)被电连接以选择性地驱动电机和驱动器系统(4)并且可电连接到所述可再生或所采集能量电源以进行充电。所述控制模块被配置成使所述电池组(6)选择性地驱动所述电机并且使所述致动器移动。

Description

具有一体式电池的致动机构
技术领域
本发明总体上涉及一种电机驱动的致动器机构，如阀致动器，所述电机驱动的致动器机构包含一体式电池。
背景技术
应用于电机驱动的致动机构(如阀致动器)的电源通常由AC市电电源提供。然而，已知的是，在此类装置中提供(通常是外部的)备用电池，以便在AC市电电源故障期间通过利用来自电池电源的电力来提供阀关闭操作。因此，在此类装置中，在正常供电条件下，致动器从现场AC电源操作。然而，在此电源丢失的情况下，致动器会自动地切换，以便从电池电源接收电力，从而允许将阀控制到(通常外部地)预配置(关闭)位置。
然而，在此类装置中使用的电池位于致动器(无源装置)外部，并且所述电池属于通常不适合在防爆(EP)环境中使用的类型。很少或没有电池的主动监测或操作，并且当然，不能认为所述电池适合用作用于实现阀致动器的正常操作的唯一电源。
本发明的方面的目的是解决这些问题中的至少一些问题。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种电机驱动的致动器装置，其包括外壳，在所述外壳中容纳有电机、控制模块和驱动器，所述驱动器耦接在电机与被致动的所述装置之间，所述装置进一步包括用于接收可再生或所采集能量电源的输入和容纳在所述外壳内的电池组，所述电池组被电连接以选择性地驱动电机和驱动器系统并且可电连接到所述可再生或所采集能量电源以进行充电，所述控制模块被配置成使所述电池组选择性地驱动所述电机并使所述致动器移动。
所述可再生或所采集能量电源能够被配置成运行所述装置的所述辅助系统。
在本发明的示例性实施例中，上述辅助系统包括传感器和/或换能器，所述传感器和/或换能器通过无线或有线构件连接，以监测关于所述装置的工艺条件。
所述致动器装置可以具有至少两种操作模式，所述第一操作模式包括关闭模式，在所述关闭模式下，所述致动器被使得移动到预定义位置或极限；并且任选地，所述控制模块被配置成：监测所述可再生或所采集能量电源的状况，并且如果确定所述可再生能量电源断开连接和/或已经发生故障和/或所述电池放电到阈值，则使所述致动器在来自所述电池组的电力下移动到所述预定义位置或极限。
所述控制模块能够被配置成响应于接收到外部关闭命令信号而使所述致动器在来自所述电池组的电力下移动到所述预定义位置或极限。
所述致动器装置可以包括电池致动操作模式，其中所述控制模块被配置成使所述电池组通过所述可再生能量电源进行充电并且使所述致动器在来自所述电池组的电力下选择性地移动。
所述可再生或所采集能量电源可以包括太阳能电源、风能电源和/或水能电源。
所述控制模块能够被配置成：监测所述电池组的电压，并且在确定所述电压等于或低于预定截止电压的情况下，使所述电池组隔离并且阻止所述电池组进一步放电。
所述致动器装置可以包括电池致动操作模式和关闭操作模式的组合，其中所述控制模块被配置成使所述电池组通过所述可再生能量电源进行充电并且使所述致动器在来自所述电池组的电力下选择性地移动，并且监测所述可再生能量电源的状况，并且如果确定所述可再生能量电源断开连接和/或已经发生故障和/或已经发生故障和/或所述电池放电到阈值，则使所述致动器在来自所述电池组的电力下移动到所述预定义位置或极限。
在示例性实施例中，所述控制模块能够被配置成接收表示所述可再生能量电源的状况的数据，接收表示所述电池组的充电状态和/或状况的数据，并且当确定存在所述可再生能量电源并且所述电池组需要充电时，使所述电池组从所述可再生能量电源进行充电。任选地，所述装置进一步包括与所述电池组相关联的至少一个温度感测装置，所述控制模块被进一步配置成在所述电池组充电期间：
-从所述至少一个温度感测装置接收表示与所述电池组相关联的所测量温度的数据；
-将所述所测量温度与第一预定阈值温度进行比较；并且
-如果所述所测量温度大于所述第一预定阈值温度，则使从所述外部电源输送到所述电池组的充电电流减小，直到所述所测量温度等于或低于所述第一预定阈值温度。
所述致动器装置可以进一步包括至少一个加热装置，所述至少一个加热装置与所述电池组相关联，并且其中所述控制模块被进一步配置成在所述电池组充电期间：将所述所测量温度与第二预定阈值温度进行比较，并且如果所述所测量温度小于所述第二预定阈值温度，则使所述至少一个加热装置接通，直到所述所测量温度等于或高于所述第二预定阈值温度。任选地，所述控制模块被配置成在所述电池组放电期间：
从所述至少一个温度感测装置接收表示与所述电池组相关联的所测量温度的数据；
将所述所测量温度与第三预定阈值温度进行比较；并且
如果所述所测量温度小于所述第三预定阈值温度，则减小所述预定截止电压。
在示例性实施例中，所述电池组包括多个二次锂、镍金属氢化物或镍镉电池单元，并且所述装置可以进一步包括平衡充电电路和被配置成提供关于所述电池单元的过压、过流和欠压保护的电路。
任选地，所述电池组可以包括被布置和配置成在防爆环境中使用的多个二次锂或镍金属氢化物或镍镉电池单元。
所述控制模块能够被配置成在除了关闭操作之外的多种操作模式、事件和动作中操作。任选地，所述多种操作模式、事件和动作包含电池致动事件、自含模式事件、市电关闭事件、电池关闭事件和电池致动事件。在关闭模式下，所述控制模块被配置成使所述致动器移动到任何其它中间位置和/或任何其它移动极限。
在所述电池致动模式下，所述控制模块能够被配置成使所述可再生或所采集能源操作所述致动器装置的所述辅助系统，包含使所述电池组通过所述可再生或所采集能源进行充电，直到所述控制模块接收到移动命令，并且响应于所述移动命令而可以使所述电池组使所述致动器以电池致动事件的形式在来自所述电池组的电力下移动并且使所述电池组放电。
在示例性实施例中，所述控制模块能够被配置成任选地以数据日志的形式，可视地、远程地和/或通过有线或无线网络向用户传送电池组充电水平、电池组状况和/或故障。所述致动器能够被配置成通过有线或无线构件选择性地与所述控制模块和其它装置以及致动器进行通信，调整设定值和/或根据在有线和/或无线网络上接收到的命令移动。
所述致动器任选地被配置成在自含模式下基于从传感器和/或换能器接收到的数据做出工艺决策，并且在参考或不参考外部控制系统的情况下相应地选择性地改变其自身的设定值。
如果所述可再生或所采集能源或补充性市电电源被视为断开连接或无效，或接收到有效的关闭命令，则所述致动器能够被配置(如果所述致动器具有足够的电荷)成在以下中的任一情况下在电池关闭事件中使所述致动器从任何位置移动到预设位置或极限：
a.失去有效电源
b.失去电源，并且存在有效的有线和/或无线需求
c.通过有线和/或无线构件接收到有效需求
d.a.、b.或c.中具有预设和可配置延迟的任何一个。
在本发明的示例性实施例中，所述控制模块能够被配置成当检测到电池组容量已经下降到临界水平并且所述可再生或所采集能源未处于足以维持所述电池容量或对所述电池容量进行再充电的水平时触发电池关闭事件。
根据本发明的示例性实施例，所述装置可以包括用于监测温度并且在充电期间进行以下的构件：
a.将所述温度与两个预定阈值(高阈值和低阈值)进行比较
b.如果所述所测量温度高于所述高阈值，则使所述充电电流减小。当温度下降到低于所述高温时，充电电流恢复到正常水平
c.如果所述温度低于所述低阈值，则使加热装置接通，从而使所述电池升高和/或维持在允许最佳充电速率的温度下。
所述电机驱动的致动器装置可以包括用于监测温度并且在放电期间进行以下的构件：
a.将所述温度与两个预定阈值(第一低阈值和低阈值)进行比较
b.如果所述所测量温度低于所述第一低阈值，则使放电最小电压减小。
c.如果所述温度低于所述低阈值，则使加热装置接通，从而使所述电池升高和/或维持在允许最佳放电速率的温度下。
任选地，所述电机驱动的致动器装置能够被配置成如果所述电池组进行以下，则防止致动器在任何模式下操作：
a.确定故障状况
b.如果如此配置，则确定充电水平低于能够允许关闭事件的水平
所述电机驱动的致动器装置可以任选地包括用于管理和优化所述致动器外壳内的电源电力并且改变所述电池组的充电速率的构件。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于电机驱动的致动器装置的电池管理模块，所述电机驱动的致动器装置包括外壳，在所述外壳中容纳有电机和驱动器，所述驱动器耦接在电机与被致动的所述装置之间，所述装置进一步包括用于接收可再生或所采集能量电源的输入和容纳在所述外壳内的电池组，所述电池组电连接到所述可再生能量电源以进行充电，所述电池管理模块被配置成使所述电池组选择性地驱动所述电机并且使所述致动器移动。
所述电池管理模块可以包括至少两种操作模式，所述第一操作模式包括关闭模式，在所述关闭模式下，所述致动器被使得移动到预定义位置或极限，并且可以任选地被配置成：监测所述可再生能量电源的状况，并且如果确定所述可再生能量电源断开连接和/或已经发生故障，则使所述致动器在来自所述电池组的电力下移动到所述预定义位置或极限。
所述电池管理模块能够被配置成响应于接收到外部关闭命令信号而使所述致动器在来自所述电池组的电力下移动到所述预定义位置或极限。
上述第二操作模式包括正常操作模式，在所述正常操作模式下，所述电池组处于空闲状态，并且所述电机通过所述可再生能量电源驱动。
所述电池管理模块可以包括电池致动操作模式，其中所述电池管理模块被配置成使所述电池组通过所述可再生能量电源进行充电并且使所述致动器在来自所述电池组的电力下选择性地移动。
在示例性实施例中，所述电池管理模块能够被配置成接收表示所述电池组的所测量电池寿命和电池单元阻抗的数据并且与预定义简档进行比较；
a.在充电期间，比较电池单元阻抗并且相应地减小充电电压
b.在放电期间，比较电池单元阻抗并且使放电电压极限相应地减小。
任选地，所述电池管理模块被配置成保护所述电池组的电池单元免于过压、过流或欠压状况，将所述电池组与所述致动器隔离，可视地或远程地或通过网络报告故障，并且如果如此配置，则防止致动器操作。
在示例性实施例中，所述电池管理模块被配置成可视地并且通过有线和/或无线网络向用户传送状况、充电水平和容量。
所述控制模块能够被配置成当检测到电池组容量已经下降到临界水平并且所述可再生或所采集能源未处于足以维持所述电池容量或对所述电池容量进行再充电的水平时触发电池关闭事件。
附图说明
现在将仅通过举例方式并且参照附图来描述本发明的实施例，在附图中：
图1是展示了根据本发明的示例性实施例的阀致动器的示意图；
图2是展示了根据本发明的示例性实施例的阀致动器的致动器、电池组和致动器控制模块的配置的示意性框图；并且
图3是展示了根据本发明的示例性实施例的电池管理方法的示意性流程图。
具体实施方式
本发明的示例性实施例更具体地涉及在例如发电工业、油气流量控制、海洋应用、水力设施和加工工业中广泛用作阀和气闸致动器的类型的致动器。这种阀致动器通常具有由可逆电机通过齿轮传动(例如，蜗杆和轮齿轮传动)驱动的输出轴，并且所述阀致动器可以在任一方向上移动所述输出轴以打开或关闭通过阀杆连接到所述输出轴的阀。
参照附图中的图1，展示了根据本发明的示例性实施例的阀致动器，并且所述阀致动器包括主外壳1和终端外壳2。这些外壳可以被气密密封以维持不透水完整性并保护其中的内部组件。主外壳容纳控制模块3(如位置控制装置和负荷传感器)以及传动系4。显示器和本地控制装置5可以容纳在主外壳上的盖内。
在主外壳内安装有电池组6并且所述电池组电连接到致动机构，并且致动器进一步包括用于管理电池组并操作致动机构的电池控制模块7。电池组包括多个电池单元，如二次锂电池单元，其与电池单元之间的二极管保护串联布线。对多个二次锂电池单元进行布线以形成电池组以及对其配置进行布线的方法对于本领域的技术人员而言是已知的。
所使用的电池单元的精确数量和所利用的布线配置在某种程度上将至少取决于有待实现的容量和电力，并且还取决于可用于容纳所得电池组的空间，并且本发明并不一定旨在限制于这个方面。二次锂电池单元被认为用于上述类型的阀致动器中是有利的，因为所述电池单元适合在防爆(EP)装置中使用。然而，本发明并非严格地限制于这个方面，并且其它适合的电池单元类型(如镍金属氢化物或镍镉)对于本领域的技术人员将是显而易见的。
在上述类型的电池组中，已知的是提供了一种智能平衡充电电路，其另外保护电池单元免于过充电、过放电或变得过放电(还分别称为过压、过流和欠压保护)。用于此目的的电路在其它技术领域中是已知的，并且在本文中将不再进一步详细讨论。可以说，电池组设计领域的技术人员将充分熟悉电子平衡充电电路和过压、过流和欠压保护方法，以便根据所使用的电池单元配置/布线方法/所需的容量和电力能力以及阀致动器的规格来选择和实施合适的布置。
二次电池单元具有有限的最佳温度范围，并且提供了另外的电路系统连同电池外壳中的散热孔以防止过温。
参照附图中的图2，以框图形式展示了根据本发明的示例性实施例的致动器10、控制模块12和电池组14配置。控制模块12可以结合上述平衡充电和过压、过流和欠压保护功能，但是这不是必要的，并且这些功能可以在单独的模块/PCB中提供。在以下描述中，将描述根据本发明的示例性实施例的致动器控制模块的电池管理功能的主要特征，并且应当理解的是，致动器控制模块12可以包含或可以不包含在本文中未详细描述的其它功能。此外，上述主要特征全部被描述为同一致动器控制模块的一部分，但是致动器控制模块功能当然可以以模块化形式提供，其中一个或多个功能在单独的装置/PCB中提供和/或远离其它功能，并且本发明不一定旨在限制于这个方面。
本发明的阀致动器示例性实施例——具体地其中所使用的电池组——具有在本文中被称为“关闭(Shutdown)”、“电池致动(Battery Actuation)”和“自含(Self-Contained)”的三种操作模式以及五种操作事件——“正常(Normal)”、“市电关闭(MainsShutdown)”、“电池关闭(Battery shutdown)”、“电池致动(Battery Actuation)”和“自含”以及若干种所产生的动作类型，其中每一种均通过将上述类型的电池组集成到阀致动器内得以支持并且通过作为致动器控制模块的一部分提供的电池管理功能与其关联。在本发明的示例性实施例中，所有上述模式可以使用同一硬件、使用不同的相应的(可切换的)配置来实现。另外的硬件可以用于“自含”操作模式，以典型地将太阳能转换成电能(以本领域的技术人员已知的方式)。
以下是对电池管理系统的说明。如将进一步更详细描述的，这种示例性情况在具有正常、市电关闭和电池关闭操作事件以及命令和电力损失动作的关闭模式内，然而，许多方面涉及所有操作模式、事件和动作。
控制模块和相关联的电池管理过程流程，提供(关于电池组)有源电压和电流管理、诊断(位于阀致动器内)、状况反馈功能、低温管理(使用加热器辅助性能和将电池单元维持在其最佳操作温度范围内)和高温管理，以延长电池单元的操作寿命。在此示例性实施例中，阀致动器(和相关联的电池组和控制模块)将适合在温度范围为-50℃到70℃的EP和非EP环境中使用。
电池组由电池管理(或“致动器控制”)模块来询问，以确定电池组/电池单元内的电池温度、电池容量、电池电压和剩余充电水平。本发明不限制于确定这些参数的方式的方面；根据本发明的此示例性实施例的控制模块的主要效用和优点是：控制模块使用这些经过感测的/经过计算的参数管理电池组，基于这些参数做出决策并为用户、致动器和/或电池组采取最佳动作，和/或在先前不可能进行这种水平的电池管理的技术领域内基于这些参数来报告电池组故障。当然，主要益处之一是在符合特定情况之外的EP规定的阀或气闸致动器中使用电池组先前是不实际的。虽然二次锂和类似的电池单元技术能够用于EP(和其它)危险的环境应用中，但是其最佳操作温度范围是有限的，并且其需要仔细管理(尤其是当充电和放电时)。因此，根据本发明的一方面，解决了这些问题。通过电子构件和使用电池单元外壳中的散热孔两者来提供过温保护。
当环境温度下降到低于由致动器控制模块设定的预定义(和可配置)值时，电池组另外地使用加热器。因此，这些措施可以用于将电池单元维持在用于充电和放电两者的最佳工作温度下，并且可以在需要时由致动器控制模块选择性地接通和关闭。在高温下，致动器控制模块可以做出何时对电池组进行充电和对电池组进行充电的速率的决策，由此促进延长的操作温度范围并且延长电池组寿命。
此外，在阀致动器的寿命期间，电池组将不可避免地退化。致动器控制模块可以具有这种退化的内置映射，并且与电池容量感测相结合，致动器控制模块可以改变充电水平和电压，以最大化电池寿命和在其寿命的不同阶段的性能。另外，可能存在电池容量与温度的内置映射，其可以用于允许控制模块补偿不同的温度条件。
因此，根据本发明的示例性实施例的致动器控制模块(包含电池管理功能)可通信地耦接到一体式电池，并且被配置成根据操作模式和多个相关联的相应参数来监测和控制电池操作，如将在下文中更详细描述的。
现在参照附图中的图3，现在将结合所展示的流程图更详细地描述根据本发明的示例性实施例的电池管理(或控制)模块和电池管理方法。电池管理流程图开始于步骤100，其中当模块上电时或在电池组已经处于空闲状态之后，通常(尽管不是基本上)触发随后的充电过程流程。一旦过程流程已经开始，致动器控制模块就会针对以下参数检查电池组的状况(在步骤102处)：
●充电水平
●温度
●故障
○欠压
○过压
○过温
●电池单元状况和/或维修/维护需求。
致动器控制模块基于市电电力水平的当前状况以及电池组是否可以安全使用、致动器是否可以安全运行以及电池组是否需要充电来选择操作事件和动作。因此，在步骤104处，致动器控制模块检查连接到阀致动器的市电电力是否有效(即，足以驱动电机、运行阀致动器的外围功能并对电池组进行充电(如果需要的话))。
如果(或当)确定所存在的市电电力有效，电池可以安全使用并充满电，并且致动器可以安全运行，则阀致动器可以作为常规电机驱动的阀致动器进行操作(这在本文中被定义为“正常”操作事件)，由所存在的市电电力供电，并且电池组处于空闲状态(并且被配置成在相应的命令、电力损失、致动器故障等情况下提供所需的阀关闭操作)。
如果确定所存在的市电电力无效(即，不存在或低于限定的水平)和/或接收到有效的关闭命令，但是电池可以安全使用，致动器可以安全运行，并且电池组中存在足够的电荷，则致动器控制模块将引起电池关闭事件。在这种模式下，致动器立即或在可配置等待时间之后，在电池电力下移动到预定义位置或极限。
如果确定所存在的市电电力有效(即，存在并且高于限定的水平)并接收到有效的关闭命令，并且致动器被如此配置，则致动器控制模块将引起市电关闭事件。在这种模式下，致动器立即或在预先配置的等待时间之后，在市电电力下移动到预定义位置或极限，其中电池充当备用电源(如果市电电力被视为是无效的，则可能引起自动电池关闭事件)。
更详细地，并且根据示例性实施例，在电池关闭事件中，阀致动器将在从电池组接收到的电力下：
●从任何位置移动到完全打开极限，在负载(即，扭矩和/或推力)极限或位置上停止
●从任何位置移动到完全关闭极限，在负载极限或位置上停止
●从任何位置移动到任何其它中间位置。
当恢复有效的市电电力时，如果(或当)电池组被充分充电以允许一次关闭操作，则致动器将重新进入正常操作(正常的话，电池致动或自含)。
如果在步骤104处确定市电电力有效(并且，在步骤102处确定电池可以安全使用但需要充电)，则致动器控制模块将在步骤106处开始对电池组进行充电。在电池充电过程流程回路中，致动器控制模块再一次检查市电电力(在步骤108处)，并且还检查(再次)所有电池安全检查是否通过(在步骤110处)。如果市电电力保持正常并且电池安全检查全部通过，则电池组充电过程流程移动到步骤112。在步骤112处，致动器控制模块(从温度传感器)接收表示电池单元温度的数据。然后，所述致动器控制模块将所感测温度与预定“高”阈值进行比较。如果与预定“高”阈值相比，确定电池组温度过高，则致动器控制模块减小到电池组的充电电流(在步骤114处)。所述过程的此部分是迭代的，并且可以逐步重复，直到确定电池组温度低于“高”阈值(和/或在预定范围内)。接下来，在步骤116处，致动器控制模块将当前电池组温度与预定“初级低”阈值进行比较。如果与预定“初级低”阈值相比，确定电池组温度过低，则致动器控制模块被配置成接通电池组加热器(在步骤118处)。再一次，所述过程流程的此部分可以是迭代的，并且可以是重复的，直到确定电池组温度处于“高”阈值与“初级低”阈值之间所限定的温度范围内。
根据本发明的示例性实施例，可以根据电池组的寿命/退化程度来适配充电方案。因此，在步骤119a处，周期性地更新电池寿命日志。在步骤119b处，控制模块将寿命日志与预定基准简档进行比较。如果在步骤119c处确定电池组接近其寿命的初期，则使其以预定“低电压”进行充电(步骤119d)，而如果确定所述电池组不接近其寿命的初期，则使其以预定“高电压”进行充电(步骤119e)。
重复并继续上述充电和温度检测/管理过程，直到从充电电路检测到充电结束信号(在步骤120处)。在那时，致动器控制模块被配置成停止对电池组进行充电(在步骤122处)，并且再一次检查市电电力是否“正常”(在步骤123处)。过程流程还检查(在步骤124处)电池组是否已经自放电(或市电电力是否已经移除)，并且如果是，则过程流程返回到步骤104。
因此，总而言之，一旦已经检查了电池组的状况(在步骤102处)，如果电池组上没有故障(即，电池组可以安全使用)，则致动器控制模块将根据要求(由当前操作模式确定)决定下一个步骤。在要求是对电池组进行充电的情况下，致动器控制模块将在恒定电流/电压电源中切换，以根据需要对电池组进行充电。
电压充电水平由电池单元的寿命确定和控制，电流水平由温度和用户设定的充电电力确定。
可以通过致动器显示器或致动器自身状况继电器或连接到致动器的网络系统(有线和/或无线)向用户报告在电池组内所检测到的任何故障(步骤125)。另外，致动器控制模块可以基于上述所感测到参数和预设用户配置来决定是否继续操作。
在电池充电期间以及之后，在不参考电池组的情况下，致动器将正常运行，除非：
a)电池报告严重故障(在这种情况下，致动器控制模块退出充电过程流程并且产生有待报告/显示的错误信号)；或
b)有效的市电电力被移除，接收到有效的关闭命令并且市电电力被移除，或接收到有效的关闭命令，存在市电电力并且致动器被配置成优选地在电池上移动(在这种情况下，致动器控制模块将进入上述关闭操作模式)。
在充电期间，致动器控制模块的电池管理功能将监测电池是否安全使用以及致动器是否安全运行。如果这些检查中的任一个失败，将错误状况将被标记。致动器控制模块还监测有效的市电电力是否丢失和/或是否接收到有效的关闭命令，并且如果满足这些条件中的任一个，则致动器控制模块将进入上述关闭模式。
最后，当电池达到预定义电压水平的预定义电流极限时，充电将结束(引起产生充电结束信号)。预定义电压水平可以根据电池的寿命和环境温度而变化。此时，电池管理功能检查稳定的电池电压，并且如果所述电池电压处于预定范围内，则电池组将进入上述空闲状态，直到确定所述电池组需要充电。如果不满足准则，则电池管理功能返回到步骤106并且恢复充电过程。
如前所述，当电池组达到预定义电压极限时，充电将结束，所述预定电压极限可以根据电池的寿命而变化。如前所述，此时电池管理功能检查稳定的电池电压。
如果所述电池电压满足预定准则，则电池组将进入上述空闲状态，直到确定所述电池组需要充电。如果不满足准则，则电池管理功能返回到步骤106并且恢复充电过程。
每当电池组被启用(在步骤126处)时，在电池关闭事件中或在电池致动事件中，电池管理功能进入放电过程流程。在此过程流程中，致动器控制模块再一次监测电池组温度，但在这种情况下仅补偿低温。在步骤132处，电池管理功能检查以确定温度是否低于低阈值。如果温度低于低阈值，则使加热器接通(在步骤134处)。接下来，在步骤136处，电池管理功能确定跨电池组的电池单元阻抗，并且相应地调整较低截止电压。
当然，电池组和相关联的主动电池管理过程流程的另一显著优点是，电池组可以在许多操作模式中所选的一种操作模式下操作，而不是在具有一体式电池的上述常规阀致动器中提供的单一(被动)故障安全或关闭模式。
在关闭模式下，致动器操作为“正常”(市电为电致动器馈电)，直到市电电力下降到低于预定阈值并且/或接收到有效的关闭命令。如上所述，这可以在事件与关闭动作之间具有或不具有可配置时间延迟。然后，致动器将基于市电电力水平和/或关闭命令的性质做出决策，以开始市电关闭事件或“电池关闭”事件，其先前已经描述。
在电池致动模式下，市电电力(无论是来自电网还是来自可再生能源)用于运行致动器的外围系统并且对电池组进行充电。当需要移动阀时，电池组放电以操作致动器电机，并且然后电池组在移动之间进行再充电。这将进一步描述为“电池致动”事件。如果如此配置，如果市电电力下降到低于预定阈值和/或接收到有效的关闭命令，则致动器可以进一步开始“电池关闭”事件。这可以在如上所述的事件与关闭动作之间具有或不具有可配置时间延迟，并且具有或不具有存在的市电电力。
下文所描述的“自含”模式在许多方面与电池致动模式类似，其中提供另外的硬件以允许来自可再生能源的直接的经过优化的电源并且允许连接另外的外围物件，如传感器。典型地，源自太阳能电池板的电力用于运行致动器的外围系统并且对电池组进行充电。当需要移动阀时，电池组放电以操作致动器电机，并且然后电池组在移动之间进行再充电。这将进一步描述为“电池致动事件”。如果如此配置，如果电力下降到低于预定阈值和/或接收到有效的关闭命令和/或电池放电到预定水平，则致动器可以进一步开始“电池关闭”事件。如上所述，这可以在事件与关闭动作之间具有或不具有可配置时间延迟。
现在将更详细地描述这些另外的的操作模式。
在电池致动模式下，致动器控制模块能够从比运行机电致动器所需的电力更不强大的电源来致动阀。市电电力(无论是来自电网还是可再生能源)用于运行外围系统并且对电池组进行充电。当需要移动阀时，电池组放电以操作致动器(在步骤126处)，在本文中描述为电池致动事件。在这种操作模式下，可以利用所谓的“深度睡眠”模式(如下所述)来最大化进入电池组的电荷，其中当需要操作致动器电机时产生自动唤醒信号。
如果在步骤128处确定电池组电压低于预定截止电压，则致动器控制模块隔离电池(在步骤130处)，并且标记错误。
为了启用电池致动事件，电池管理功能在充电模式下，其将使用可用的市电电力对电池组进行充电并且在所有情况下，电池组用于移动致动器。在这种情况下，当致动器想要运行时，致动器控制模块检查是否：
a)电池电荷充足
b)致动器已被带出深度睡眠
c)电池可以安全使用
d)致动器可以安全运行。
如果满足所有这些条件，则致动器将从任何设定位置运行到任何设定位置。有效输入将是数字信号、模拟电平或网络命令。
如果电池或致动器存在错误，则会报告错误(可视化地或通过网络向用户报告)，并且致动器将决定是否严重到足以阻止操作。如果电池电荷不足，这将防止操作直到存在足够的电荷。
为了对电池组进行充电，并且当电池组未被用于移动致动器，过程流程返回到步骤102和104。如果存在足够的市电电力，电池可以安全使用，致动器可以安全运行并且电池需要充电，则致动器控制模块将开始对电池组进行充电(在步骤106处)。在电池充电期间，并且如果如此配置，则致动器可以进入省电(或“深度睡眠”)模式。除非电池报告严重故障(在这种情况下，错误状况被标记并且系统将不运行)、有效的市电电力被移除(在这种情况下，系统可以进入上述电池关闭事件)或接收到有效的移动命令(在这种情况下，致动器将从任何设定位置运行到任何设定位置，如上所述)，否则电池组将被充电。这些参数在整个充电过程中被监测。
应当理解的是，上述电池致动模式可以用于市电供电的系统中和/或实际上用于从可再生能源(例如，太阳能、风能、水能等)馈电的系统中，并且本发明并不一定旨在限制于这个方面。因此，也设想了所谓的自含操作模式，并且现在将对此进行更详细地描述。
自含操作模式与电池致动操作模式非常类似，并且事件、电池致动和电池关闭在操作上是相同的。关键区别是电源和从由致动器供电的本地传感器做出工艺决策和/或向控制中心无线回送信息，进而以便将移动命令无线地发送到致动器的能力。
在自含操作模式下，阀致动器可以使用源自例如太阳能电池板或风力发电机等非持续电源来供电。来自这些装置的电力可以直接地馈送到致动器中，并且可以在不能够提供足够市电电源的应用中代替市电电源使用。致动器控制模块管理能源并且将能量储存在电池组中。致动器的电源运行外围系统并且当存在足够的电力时对电池进行充电，电池组在被命令时和/或如果存在不足的电力时对致动器电机和其它系统供电。如上所述，电池管理功能可以使电池进入所谓的深度睡眠模式，以便最大化仅在需要时唤醒的电池的电荷。如在所有其它模式下，可以通过有线或无线方式可视化地报告状况，并且在这种情况下，装置可能具有直接有线连接到第三方传感器并基于用户设定值处理信息的能力。
在这种示例性情况，电源是通过第3方太阳能电池板的太阳辐射。致动器将具有通过电力点跟踪来控制和优化太阳能电池板或其它电源的输出的能力，并且将所得电力供应馈送到致动器电池组中。这个系统的主要益处是太阳能电池板阵列不需要能够直接驱动致动器电机，因此将使用电池作为蓄电池来驱动电机，并且桥接由黑暗或阴影引起的阳光中的间隙。操作方法应按照电池驱动模式。
在功能方面，除了常规的硬连线命令和网络之外，还将无线地接收有效信号。致动器可以通过相同的无线通信、利用状况信息进行回复。这允许完全自含的解决方案。
其最后的方面是外部传感器(例如，压力传感器)的附接。这允许致动器做出内部工艺决策并且在参考或不参考中央控制设定值的情况下改变其自身的设定值。如果工艺移动到设置参数之外，则致动器可以通过有线或无线通信向控制发送警告消息。
在总电力损失的情况下，由于例如太阳能电池板的故障，致动器将从任何位置移动到预设的设定安全位置，并且在如所描述的电池关闭事件下以有线或无线方式报告警报。
本领域技术人员根据前面的描述将理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对所描述的实施例进行修改和变化。

Claims (43)

1.一种电机驱动的致动器装置，其包括外壳，在所述外壳中容纳有电机、控制模块和驱动器，所述驱动器耦接在电机与被致动的所述装置之间，所述装置进一步包括用于接收可再生或所采集能量电源的输入和容纳在所述外壳内的电池组，所述电池组被电连接以选择性地驱动电机和驱动器系统并且能够电连接到所述可再生或所采集能量电源以进行充电，所述控制模块被配置成使所述电池组选择性地驱动所述电机并使所述致动器移动。
2.根据权利要求1所述的电机驱动的致动器装置，其进一步包括一体式辅助系统，所述一体式辅助系统位于所述外壳内。
3.根据权利要求2所述的电机驱动的致动器装置，其中所述辅助系统包括传感器和/或换能器，所述传感器和/或换能器通过无线或有线通信构件连接到远程位置，以监测关于所述装置的工艺条件并报告表示所述工艺条件的数据。
4.根据权利要求3所述的电机驱动的致动器装置，其中所述通信构件仅在需要向所述远程位置或从所述远程位置传输数据时才被启用。
5.根据权利要求2到4中任一项所述的电机驱动的致动器装置，其中所述可再生或所采集能量电源被配置成运行所述装置的所述辅助系统。
6.根据权利要求2到4中任一项所述的电机驱动的致动器装置，其中所述可再生或所采集能源对所述电池组进行充电，并且所述电池组被配置成运行所述辅助系统并且选择性地驱动所述电机。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电机驱动的致动器装置，其具有至少两种操作模式，所述第一操作模式包括关闭模式，在所述关闭模式下，所述致动器被使得移动到预定义位置或极限。
8.根据权利要求7所述的电机驱动的致动器装置，其中所述控制模块被配置成：监测所述可再生或所采集能量电源的状况，并且如果确定所述可再生能量电源断开连接和/或已经发生故障和/或所述电池放电到阈值，则使所述致动器在来自所述电池组的电力下移动到所述预定义位置或极限。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的电机驱动的致动器装置，其中所述控制模块被配置成响应于接收到外部关闭命令信号而使所述致动器在来自所述电池组的电力下移动到所述预定义位置或极限。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电机驱动的致动器装置，其包括电池致动操作模式，其中所述控制模块被配置成使所述电池组通过所述可再生能量电源进行充电并且使所述致动器在来自所述电池组的电力下选择性地移动。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电机驱动的致动器装置，其中所述可再生或所采集能量电源包括太阳能电源、风能电源和/或水能电源。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电机驱动的致动器装置，其中所述控制模块被配置成：监测所述电池组的电压，并且在确定所述电压等于或低于预定截止电压的情况下，使所述电池组隔离并且阻止所述电池组进一步放电。
13.根据前述权利要求中任一项所述的电机驱动的致动器装置，其包括电池致动操作模式和关闭操作模式的组合，其中所述控制模块被配置成使所述电池组通过所述可再生能量电源进行充电并且使所述致动器在来自所述电池组的电力下选择性地移动，并且监测所述可再生能量电源的状况，并且如果确定所述可再生能量电源断开连接和/或已经发生故障和/或已经发生故障和/或所述电池放电到阈值，则使所述致动器在来自所述电池组的电力下移动到所述预定义位置或极限。
14.根据前述权利要求中任一项所述的电机驱动的致动器装置，其中所述控制模块被配置成接收表示所述可再生能量电源的状况的数据，接收表示所述电池组的充电状态和/或状况的数据，并且当确定存在所述可再生能量电源并且所述电池组需要充电时，使所述电池组从所述可再生能量电源进行充电。
15.根据权利要求14所述的电机驱动的致动器装置，其中所述装置进一步包括与所述电池组相关联的至少一个温度感测装置，所述控制模块被进一步配置成在所述电池组充电期间：
从所述至少一个温度感测装置接收表示与所述电池组相关联的所测量温度的数据；
将所述所测量温度与第一预定阈值温度进行比较；并且
如果所述所测量温度大于所述第一预定阈值温度，则使从所述外部电源输送到所述电池组的充电电流减小，直到所述所测量温度等于或低于所述第一预定阈值温度。
16.根据权利要求14或权利要求15所述的电机驱动的致动器装置，其进一步包括至少一个加热装置，所述至少一个加热装置与所述电池组相关联，并且其中所述控制模块被进一步配置成在所述电池组充电期间：将所述所测量温度与第二预定阈值温度进行比较，并且如果所述所测量温度小于所述第二预定阈值温度，则使所述至少一个加热装置接通，直到所述所测量温度等于或高于所述第二预定阈值温度。
17.根据权利要求12所述的电机驱动的致动器装置，其中所述控制模块被配置成在所述电池组放电期间：
从所述至少一个温度感测装置接收表示与所述电池组相关联的所测量温度的数据；
将所述所测量温度与第三预定阈值温度进行比较；并且
如果所述所测量温度小于所述第三预定阈值温度，则减小所述预定截止电压。
18.根据前述权利要求中任一项所述的电机驱动的致动器装置，其中所述电池组包括多个二次锂、镍金属氢化物或镍镉电池单元，并且所述装置进一步包括平衡充电电路和被配置成提供关于所述电池单元的过压、过流和欠压保护的电路。
19.根据前述权利要求中任一项所述的电机驱动的致动器装置，所述电池组包括被布置和配置成在防爆环境中使用的多个二次锂或镍金属氢化物或镍镉电池单元。
20.根据前述权利要求中任一项所述的电机驱动的致动器装置，其中所述控制模块能够配置成在除了关闭操作之外的多种操作模式、事件和动作中操作。
21.根据权利要求20所述的电机驱动的致动器装置，其中所述多种操作模式、事件和动作包含电池致动、自含模式、市电关闭、电池关闭和电池致动事件。
22.根据权利要求20或权利要求21所述的电机驱动的致动器装置，其中在关闭模式下，所述控制模块被配置成使所述致动器移动到任何其它中间位置和/或任何其它移动极限。
23.根据前述权利要求中任一项所述的电机驱动的致动器装置，其中在所述电池致动模式下，所述控制模块被配置成使所述可再生或所采集能源操作所述致动器装置的所述辅助系统，包含使所述电池组通过所述可再生或所采集能源进行充电，直到所述控制模块接收到移动命令，并且响应于所述移动命令而使所述电池组使所述致动器以电池致动事件的形式在来自所述电池组的电力下移动并且使所述电池组放电。
24.根据前述权利要求中任一项所述的电机驱动的致动器装置，其中所述控制模块被配置成任选地以数据日志的形式，可视地、远程地和/或通过有线或无线网络向用户传送电池组充电水平、电池组状况和/或故障。
25.根据前述权利要求中任一项所述的电机驱动的致动器装置，其中所述致动器被配置成通过有线或无线构件选择性地与所述控制模块和其它装置以及致动器进行通信，调整设定值和/或根据在有线和/或无线网络上接收到的命令移动。
26.根据前述权利要求中任一项所述的电机驱动的致动器装置，其中所述致动器被配置成在自含模式下基于从传感器和/或换能器接收到的数据做出工艺决策，并且在参考或不参考外部控制系统的情况下相应地选择性地改变其自身的设定值。
27.根据前述权利要求中任一项所述的电机驱动的致动器装置，其中如果所述可再生或所采集能源或补充性市电电源被视为断开连接或无效，或接收到有效的关闭命令，则在所述致动器具有足够的电荷的情况下，所述致动器被配置成在以下中的任一情况下在电池关闭事件中使所述致动器从任何位置移动到预设位置或极限：
a.失去有效电源
b.失去电源，并且存在有效的有线和/或无线需求
c.通过有线和/或无线构件接收到有效需求
d.a.、b.或c.中具有预设和可配置延迟的任何一个。
28.根据前述权利要求中任一项所述的电机驱动的致动器装置，其中所述控制模块被配置成当检测到电池组容量已经下降到临界水平并且所述可再生或所采集能源未处于足以维持所述电池容量或对所述电池容量进行再充电的水平时触发电池关闭事件。
29.根据前述权利要求中任一项所述的电机驱动的致动器装置，其包括用于监测温度并且在充电期间进行以下的构件：
a.将所述温度与两个预定阈值(高阈值和低阈值)进行比较
b.如果所述所测量温度高于所述高阈值，则使所述充电电流减小；当温度下降到低于所述高温时，充电电流恢复到正常水平
c.如果所述温度低于所述低阈值，则使加热装置接通，从而使所述电池升高和/或维持在允许最佳充电速率的温度下。
30.根据前述权利要求中任一项所述的电机驱动的致动器装置，其包括用于监测温度并且在放电期间进行以下的构件：
a.将所述温度与两个预定阈值(第一低阈值和低阈值)进行比较
b.如果所述所测量温度低于所述第一低阈值，则使放电最小电压减小
c.如果所述温度低于所述低阈值，则使加热装置接通，从而使所述电池升高和/或维持在允许最佳放电速率的温度下。
31.根据前述权利要求中任一项所述的电机驱动的致动器装置，其被配置成如果所述电池组进行以下，则防止致动器在任何模式下操作：
a.确定故障状况
b.如果如此配置，则确定充电水平低于能够允许关闭事件的水平。
32.根据前述权利要求中任一项所述的电机驱动的致动器装置，其包括用于管理和优化所述致动器外壳内的电源电力并且改变所述电池组的充电速率的构件。
33.一种用于电机驱动的致动器装置的电池管理模块，所述电机驱动的致动器装置包括外壳，在所述外壳中容纳有电机和驱动器，所述驱动器耦接在电机与被致动的所述装置之间，所述装置进一步包括用于接收可再生或所采集能量电源的输入和容纳在所述外壳内的电池组，所述电池组电连接到所述可再生能量电源以进行充电，所述电池管理模块被配置成使所述电池组选择性地驱动所述电机并且使所述致动器移动。
34.根据权利要求30所述的电池管理模块，其具有至少两种操作模式，所述第一操作模式包括关闭模式，在所述关闭模式下，所述致动器被使得移动到预定义位置或极限。
35.根据权利要求31所述的电池管理模块，其被配置成监测所述可再生能量电源的状况，并且如果确定所述可再生能量电源断开连接和/或已经发生故障，则使所述致动器在来自所述电池组的电力下移动到所述预定义位置或极限。
36.根据权利要求31或权利要求32所述的电池管理模块，其被配置成响应于接收到外部关闭命令信号而使所述致动器在来自所述电池组的电力下移动到所述预定义位置或极限。
37.根据权利要求34到36中任一项所述的电池管理模块，其中所述第二操作模式包括正常操作模式，在所述正常操作模式下，所述电池组处于空闲状态，并且所述电机通过所述可再生能量电源驱动。
38.根据权利要求33到37中任一项所述的电池管理模块，其包括电池致动操作模式，其中所述电池管理模块被配置成使所述电池组通过所述可再生能量电源进行充电并且使所述致动器在来自所述电池组的电力下选择性地移动。
39.根据权利要求34到38中任一项所述的电池管理模块，其被配置成接收表示所述电池组的所测量电池寿命和电池单元阻抗的数据并且与预定义简档进行比较；
a.在充电期间，比较电池单元阻抗并且相应地减小充电电压
b.在放电期间，比较电池单元阻抗并且使放电电压极限相应地减小。
40.根据权利要求33到38中任一项所述的电池管理模块，其被配置成保护所述电池组的电池单元免于过压、过流或欠压状况，将所述电池组与所述致动器隔离，可视地或远程地或通过网络报告故障，并且如果如此配置，则防止致动器操作。
41.根据权利要求33到40中任一项所述的电池管理模块，其被配置成可视地并且通过有线和/或无线网络向用户传送状况、充电水平和容量。
42.根据权利要求33到41中任一项所述的电池管理模块，其中所述控制模块被配置成当检测到电池组容量已经下降到临界水平并且所述可再生或所采集能源未处于足以维持所述电池容量或对所述电池容量进行再充电的水平时触发电池关闭事件。
43.根据权利要求33到42中任一项所述的电池管理模块，其被进一步配置成：
针对以下参数中的任何一个或多个参数检查所述电池组的状况：电池单元状况、退化率和/或维修/维护需求；
产生表示所述一个或多个参数的数据；
在本地显示构件上和/或通过有线或无线通信构件向远程位置报告所述数据。
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