CN1879277B - 紧凑型电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种向负载提供电力的电源，该电源包括多个能量存储元件，各自具有不同的工作特性，在电路中连接至负载，以及介于所述存储元件中的至少一个与所述负载之间且可操作来将能量存储元件中从那里隔开的电路元件，所述电路元件被选择来使所述负载的能量供应与所述存储元件的特性相匹配。

Description

紧凑型电源

技术领域

本发明涉及电源。

背景技术

电池是由一个一个单独的电池单元形成的，每一个电池单元产生电压及电流输出。所述电池单元以串联或并联阵列形式排列，以形成能够生成所要求的电源电压及电流输出的电源。

电池单元可以根据多种材料和配置来构造，每一电池单元都具有特定的一组工作特性。例如，例如一些结构也许特别适合于在持续时间内以稳定的电压供应电流而不适合高瞬态负载，而其它的更适合于这样的加载。通常选择最适合于它将经受的占空比的电池单元结构。

在许多应用中占空比是稳定和重复的，允许使用特定的电池单元结构来满足需求。在其它应用中，占空比可能显著地不稳定地改变，使得电池单元选择比较难。进一步使选择变复杂的是许多要求高峰值电流的应用还有体积及重量的约束，列举少许，例如电动工具、业余爱好用的飞机、赛车。由申请人提出的特别要求的应用是电动假腿，其中电池需要对致动器供电并移动用户。对于许多有高峰值电流要求的那些应用来说，满足最大峰值电流所要求的电池数目会不适合在可用体积之内。

发明内容

因此存在对一种紧凑型电源的需要，该电源能够满足变化的需求并在短的时间内输出大量的能量，并适合在非常有限的体积之内。

因此，本发明的一个目的是消除或减轻上述缺点中的一些或全部。

根据本发明，提供一种向负载提供电力的电源，该电源包括：

第一能量存储元件组，包括适于供应高频电流曲线的至少一个电解电容器，所述第一能量存储元件组连接到所述负载；

第二能量存储元件组，包括适于供应低频电流曲线的至少一个电池单元和至少一个超级电容器；

电感器，介于所述第一能量存储元件组与所述第二能量存储元件组之间，且用来将所述第二能量存储元件组从所述负载隔开，由此使所述负载的能量供应与所述高频和低频电流曲线相匹配；以及

电源管理单元，用于监视由所述第二能量存储元件组的所述至少一个电池单元供应到所述负载的电力，并控制所述负载对来自所述第二能量存储元件组的所述至少一个电池单元的电力需求。

附图说明

现在将仅参考附图来说明该发明的实施例，其中：

图1是示出了用于具有致动机构的假肢的控制系统的框图。

图2是电源组的示意性框图。

图3是包含在图2中的电池的示意性框图。

图4是高频脉宽调制(PWM)信号的曲线图。

图5是典型步态的电流曲线图。

图6是包含在图2中的电源管理单元(PMU)的示意性框图。

图7是PMU算法的流程图。

图8是G(S)传输函数的框图。

具体实施方式

参考图1，控制系统40控制电源组50对于有源假肢60的电力供应。与传统假肢不同的是，有源假肢60被设计来供应必要的机械能来独立地移动。控制系统40的用途是提供所要求的信号来以所要求的方式，操作有源假肢60的致动机构62的控制，例如电动机。传感器42实时地捕获有关截肢者运动的动力学的信息，并经由接口44将该信息提供给控制器46。控制器46确定关节轨迹和必须由致动机构62施加的所要求的力或转矩，以提供协调运动。接着控制系统40生成用于调整从电源组50供应给致动机构62的电力的输出信息。

电源组50包括电力驱动器52，电力驱动器52本身连接至电源54以向致动机构62供应能量，以便产生要求的运动。电源54和电力驱动器52通过饱和控制线916来相互作用，控制由电力驱动器52经由电力线6 1提供给致动机构62的电力的量。电力驱动器52，可以是例如(但不限于)下面的型号，来自ELMO Motion Control的PIC25/50。

使用传感器42的控制系统40的示例在stéphane Bédard在2003年6月20日提交的题为“CONTROL SYSTEM AND METHOD FORCONTROLLING AN ACTUATED PROSTHESIS”，编号为10/600,725的美国专利申请中描述，而有源假肢的示例则在stéphane Bédard等在2003年6月17日提交的题为“ACTUATED PROSTHESIS FORABOVE-KNEE AMPUTEES”，编号为10/463,495的美国专利申请中描述。

致动机构62的操作所要求的电流可以分成图4和5中所示的两个主要的电流曲线。第一电流曲线是较高频率的脉宽调制(PWM)信号。PWM信号是一种在电动机控制中有着广泛使用的高效控制信号。PWM信号的周期总是保持相同，但是信号占空比(ON/OFF比率)可能随时间而改变，如图4中所示。馈电给致动机构62的电力驱动器52的输出是PWM型的。由电力驱动器52获得的完成这个曲线所要求的能量必须来自电源54。

第二电流曲线是低频率的。在有源假肢60的情况中，正是主电流再现了截肢者的步态或运动。此曲线，其示例在图5中示出，可以是相对高的电流，但是持续时间短，在正常步态操作中有着类似正弦波的形状。因此将看到加在电源上的电流需求改变，为了满足这些需求。电源是像图2中更详细示出的那样加以组织的。

要理解，在整篇说明书和附图中，相同的参考标记表示相同的部件。

电力存储元件

电源54具有不同特性的能量存储元件，即电池100、超级电容器200以及电解电容器300。存储元件通过连接至端子56、58的总线59并联地连接至电力驱动器52。第一曲线，高频脉宽调制(PWM)，最适当的是由电解电容器300处理，而第二曲线，低频的，最适合的是由电池100和超级电容器200来处理。存储元件是由介于总线59中的电感器400在功能上隔开的，以在特定情况下限制来自电池100和超级电容器200的电流，该情况将稍后讨论。电感器400运作以延迟来自电池100和超级电容器200的电流供应，因此优先通过并联电解电容器300的放电来供应电流。

电源54还包括电源保护/管理元件。电源保护/管理元件包括具有关联的开关510和电阻器520的本地分流控制器500、二极管600、慢速浪涌限制器700、快速浪涌限制器800以及电源管理单元(PMU)900。正如下面将进一步说明的，电池100也包括保护元件和管理元件。

分流控制器500和关联的开关510和电阻器520被包含，以在能量再生阶段期间防止在电源54的Vout+56和Vout-58端子上产生大的感生电压。二极管600在相同的阶段保护电池100免受到电源54总线59上的反向电流。此外，当电源54在一定间隔的闲置之后加电的时候，超级电容器200和电解电容器300便完全放电了。慢速浪涌限制器700，以及快速浪涌限制器800因此而分别用于在时间上限制由超级电容器200和电解电容器300引起的电池100上的电流消耗。

正如下面更详细地说明的那样，能量存储单元的特性是由它们的内部结构确定的。

电池

参考图3，电池100包括10个电池单元110，诸如高能量密度的锂聚合体(Li-Pol)电池单元，例如(但不限于)下面的型号，由KokamEngineering制造的SLPB36495-HD电池单元。电池单元110是串联配置的，这样的结构允许使用相对高的电压(额定是37V，在完全充电的时候最大是42V)，也允许使用高的电流(电力)。这些电池单元110很适合于有源假肢60的示范性应用，因为它们使高达电池单元110的额定电流的10倍(10C，其中C是电池100的容量，且1CmA＝2000mA)的高电流的放电得以实现，或用于其它要求高峰值电流的任何应用。这个性能使电池100内的所要求的电池单元110数目减少，因为电池单元输送比它们的额定的要高的电流的能力。另外，它提供了有利的体积-性能解决方案，并顾及了相对紧凑的设计，就有源假肢60或其它任何具有有限的电源可用空间的电气或电子设备而论，这是重要的因素。

可以使用的各种各样的配置的其它类型和数目的电池单元。例如，在替换实施例中，30个由Kokam Engineering制造的SLPB393452-H高能量密度的锂聚合物(Li-Pol)电池单元，可以各自配置在三个并联的由10个串联连接的电池单元构成的串中。

当然，电池100要求与电力驱动器52的电源要求相匹配以在其工作范围内输出电力，因此，根据应用，电池单元110的数目和配置可以相应地改变。电池100还包括充电连接器170，将电池单元110连接到电源，以重新充电。

在有源假肢60应用的示例中，假设，但并非将当前的说明限制于下面的说明，诸如电动机的致动机构62，具有大约36V的典型电压要求和大约18A的最大峰值电流。由于一个电池单元110有3.7V的额定电压，这意味着要求大约10个串联的电池单元110。单个电池单元110的正常工作电压，在4.2V(完全充电)到3.0V(完全放电)的范围内变化，因此电池单元被监视以便识别可能的不利的工作条件。

电池单元110是使用保护电路模块(PCM)120、130、140和150来监视的，例如(但不限于)下面的型号，由Maxim制造的MAX1666PCM等。单独的PCM 120、130、140和150通过测量电压、充电以及放电电流来监视关联的电池单元组112、113、114和115，电池单元组包括2个或3个串联的电池单元110。在充电模式中，通过经由各个控制线122、132、142和152来控制PCM的关联的充电保护开关124、134、144和154，当PCM 120、130、140和150检测到明显的电压改变或过电流条件的时候，它通过禁止它关联的电池单元组112、113、114和115的使用来保护所监视的电池单元110。在放电模式期间，一组电池单元中不利条件的检出把放电保护开关164断开以阻止进一步的电流供应。PCM 120、130、140和150在关联的电池单元组112、113、114和115达到它们的保护释放电压或电流的时候返回旁路模式(开关闭合)。

超级电容器

使用高能量存储元件，超级电容器200，来限制电池100的峰值电流影响。超级电容器200可以在非常短的时间内输出大量的能量，这是不同于电池100的行为。电池被认为是高能量元件，因为它们能够在它们的体积内存储比较高的能量，但是没有一样快地输出它的能力。因此，高频浪涌电流部分地由超级电容器200输出，例如(但不限于)下面的型号，来自Evans Capacitor的THQ3050243。已经得到评估的是，24mF对于该示范性应用来说是足够的。

至于超级电容器200的等效串联电阻(ESR)要特别当心，因为它应当保持得尽可能的低。一个超级电容器200的预期值应当是几个mΩ，在使用多个超级电容器200的情况下对于整个组来说应当低于1Ω。高的ESR导致比较低的瞬时可用的电流，这意味着电池100便不得不形成比较高的电流影响。

电解电容器

电解电容器300是高能量存储元件，用于限制电池100的峰值电流影响，也用于PWM滤波。与超级电容器200相似，电解电容器300能够在非常短的时间内输出大量的能量，这是不同于电池100的行为。因此高频率的浪涌电流部分地由电解电容器300输出，例如，但并非将当前的说明限制于下面的型号，来自Panasonic的EEUFC1J471L电容器。在当前示例中，出于体积的考虑，比较小的电解电容器300的使用已经是首选的，在该情况下，单独的电容为0.47mF的电容器的总电容为2.82mF(六个并联的电解电容器300)。附加的好处来自于这样的电解电容器300的并联，明显的是，ESR是依照因数六来减少的，而电容和最大电流是依照因数六来增加的。

电感器

如上所述，具有不同特性的能量存储元件是用电感器400来隔开的。电感器400的作用是在峰值高频电流条件出现的时候，延迟并从而限制电池100和超级电容器200的电流影响。电感器400设置在电力驱动器52和超级电容器200之间，因为电力驱动器52潜在地引起了高频噪声(因此引起了电流)，而超级电容器则是在高频条件下表现不好。电感器400对电池100起相同的作用。应当使用足够的电感以便允许可接受的低频子系统，即，电池100和超级电容器200的影响限制。通过减少低频子系统，电池100和超级电容器200的电流影响，电感器400迫使电解电容器300将它们的能量输出到电力驱动器52中。在有源假肢60的示范性应用中，电感器400可以是，例如(但不限于)下面的型号，来自API Delevan的DC780-153K电感器。应当注意，所选择的电感器400必须具有匹配应用的最坏情况下的电流的增量电流值，在所给的示例大约是18A。

电源保护/管理元件

分流控制器

在一定的状态下，电源54会从有源假肢60吸收能量而不是输出能量，这样的状态称为再生阶段。再生阶段在，例如，有源假肢60的用户下楼梯的时候出现。再生阶段对电源54的作用是能量返回它的元件，这能量可以用于对超级电容器200和电解电容器300进行重新充电。但是，一旦超级电容器200和电解电容器300已经完全重新充电了，Vout+56和Vout-58上的电压就会继续增大，这可能是破坏性的。为了保护超级电容器200和电解电容器300，分流控制器500监视Vout+56和Vout-58上的电压，以便确定预定的最大电压电平是否已达到。只要所监视的电压超过了预定的最大电压电平，分流控制器500就闭合开关510，这导致所吸收的能量消耗到电阻器520中。相反，只要所监视的电流低于预定的最大电压电平，分流控制器500就断开开关510。

二极管

在再生阶段期间，如上所述，对电源54的作用是能量返回它的元件，这对于电池100来说可能是破坏性的。二极管600的用途是通过停止电源54的总线59上的反向电流来保护电池100不受这样的能量返回。

浪涌限制器

当对电池100对超级电容器200和电解电容器300进行充电的时候，例如当电源54在一定间隔的闲置之后加电的时候，电池100经历非常高且快速的电力消耗，其中所述闲置有完全放电超级电容器200和电解电容器300的作用。这导致可能超过可用最大可允许电力的电力消耗，从而促使PMU将电池100从总线59断开连接，以便保护电池100免于过度放电状态。为了防止这样的状态发生，慢速浪涌限制器700和快速浪涌限制器800分别在时间上限制超级电容器200和电解电容器300对于电池100的电流消耗。

慢速浪涌限制器700和快速浪涌限制器800可以基于，例如，N-沟道D²PAK功率金属氧化物半导体场效应晶体管，它们将使在超级电容器200和电解电容器300两端的电压分别线性地增大。一个简单的处置方法是调节充电时间以获得接近稳定状态的可接受的电力。

电源管理单元(PMU)

尽管存储元件的组织会使适当的元件供应电流给致动机构62，但可以从电源管理单元(PMU)900获得进一步增强和控制。图6中所示的PMU 900，是一个控制器，该控制器的用途是确定可从电池100得到的最大可允许的电力，使用放电开关控制线914断开或闭合放电开关164和使用电力饱和控制线916来设定电力驱动器52的电力饱和命令。电力饱和控制线916上的信号指示可从电池100得到的电力，并被电力驱动器52用来为致动机构62选择最佳的控制信号。

PMU 900包括数字信号处理器(DSP)910、可选的声音警告960和LCD显示器970式低电平指示器以及DC/DC转换器950。可选的声音警告960和LCD显示器970式低电平指示器并不要求是PMU 900的一部分，或甚至不要求设置在电源54上，它们也可以是，例如，远程地设置。

DSP 910包括状态机，该状态机通过监视线912实时地监视电池单元110的电压。随着电池单元110条件的改变，DSP910执行算法来确定电力饱和控制线916的适当电平。可以由DSP910执行的算法的示例用图7中所示的流程图加以说明。包括该算法的步骤序列是用块920至942的序列来指示的。

在块920中，该算法开始于在时间采样“t”先通过监视线912监视单独的电池单元110的瞬时电压，Vbat_i(t)，并在块922中，通过求所有单独的电池单元110的瞬时电压的和，来计算电池100的总的瞬时电压，Vbat(t)。

在块924中，算法继续为每一个电池单元110计算最后“1”个时间采样的平均电压，MeanVbat_i(t)。这一步骤用来滤清电压的剧烈的上升及下降，电压的剧烈上升及下降可能暂时存在且可能不表示单独的电池单元110的状态。

在块926中，计算所有电池单元110的MeanVbat_i(t)的平均数，MeanVbat。与块926并行地，块928针对所有电池单元110，识别MeanVbat_i(t)的最小值，结果形成VmeanMin。

然后，在块930中，通过用一个加权因子乘总的瞬时电压，Vbat_i(t)，来计算加权的电压，Vbat(weighed)，该加权因子等于最后“1”个时间采样的平均电压的最小值与那些平均电压的平均数的比率。加权因子的用途是考虑在单独的电池单元110之间可能的电压差异。当然，可以使用其它加权因子来代表电源的特定条件。

在块932，该算法检查加权的电压，Vbat(weighed)，是否低于最小的可接受的电压MinVbat(acceptable)，该电压是指示最小的在操作上安全的电压电平的阈值，在该电压电平之下对电池100或它的组成电池单元110中的一些的损害开始增长。如果Vbat(weighed)低于MinVbat(acceptable)，那么，在块933中，该算法就通过放电开关控制线914来断开放电开关164，以便将电池100从总线59断开连接。另一方面，如果Vbat(weighed)不低于MinVbat(acceptable)，那么，在块935中，该算法就通过放电开关控制线914来闭合放电开关164，以便将电池100连接至总线59。

在块936中，通过用传输函数G(S)去乘加权电压Vbat(weighed)以及最小可接受的电压MinVbat(acceptable)之间的差值，来计算致动机构62的电力饱和电平PMaxSat，其中函数G(S)实现了一个稳压器。图8示出了G(S)传输函数的框图，其中：

$I_{\mathrm{bat}}=\frac{\mathrm{Vbat}\left(\mathrm{weighted}\right)-\mathrm{MinVbat}\left(\mathrm{acceptable}\right)}{R_t}$ 等式1

其中

I_bat是电池100电流，

R_t是电池100的等效电阻；

$I_{\mathrm{av}}=I_{\mathrm{av}}+\frac{G_1(I_{\mathrm{bat}}-G_2{I}_{\mathrm{av}})}{F}$ 等式2

其中：

I_av是可用电流，

G₁和G₂是增益函数，

F是采样频率；

以及：

PmaxSat＝I_av·Vbat(weighted)    等式3

等式2的增益函数G₁和G₂可像这样来计算：

$G_2=\frac{1}{G_A}$ 等式4

$G_1=\frac{{2\mathrm{\πf}}_c}{G_2}$

其中：

G_A是所期望的系统增益，并且

f_c是所期望的系统的截止频率；

就电力驱动器52而言，该系统是电池100和负载。

该算法接着在块938中，通过经由电力饱和控制线916向电力驱动器52发送电力饱和需求PMaxCMD，来设定电力驱动器52的致动机构62电力饱和电平。

在块940中，低通滤波器被应用于PMaxSat，低通滤波器的用途是在时间上引入一定的延迟，以便消除PMaxSat的小的迅速变化。在PMaxSat的低通滤波之后，在块942中，响应可用电力动态地调节传输函数G(S)。

典型的是，DSP 910要求单3.3V和双+/-12V的电源来操作。这电力可以通过使用DC/DC转换器950来将电力驱动器52的可用电力的一部分转换成所要求的DSP 910电平，例如(但不限于)下面的型号，DATEL TWR-3.3/4-12/300-D4。使用DC/DC转换器950的优点是将DSP910从电源，即，电池100隔离的可能性。另一可行的方法便是使用分离的电子元件来构成等效转换器，而不是标准组件块，所述电子元件被集成为转换器或具有专用于DSP 910的附加电源。

至于在接近电池100的自动时间的结束的时候给用户警告，可以将声音警告960和/LCD显示器970实现为两级的配置：第一警告指示电池100电力正在变低；第二警告指示电池100的正接近“临界电力失效”条件。例如第一警告可以在PMU 900估计电池100有足以在彻底放电之前再工作30分钟的电力储备(在正常工作条件下)的时候发出，而第二警告则可以在彻底放电之前10分钟发出。

在工作中，电池100使用连接器170进行初始充电。电池单元110由PCM 120、130、140和150监视，并且在完全充电时与充电器170隔离。当假肢激活时，超级电容器200和电解电容器300就从电池100充电，同时浪涌限制器700和800限制电池100的消耗。

截肢者的初始运动是由传感器42来保证的，并在控制器46中生成控制信号来初始化致动机构62的操作。电力驱动器52确定高达由饱和控制线916指示的最大值的所要求电流，并将电源54连接至机构62。电解电容器300提供电流供应的较高频率成分，在浪涌限制器800的限制下电池100对电解电容器300进行重新充电。电感器400抑制来自电池100和超级电容器200的电流，以便该需求由电解电容器300来满足。

当电力驱动器52以较低频率要求高电流的时候，超级电容器200供应这个，由电池100提供补充以满足要求。

PMU 900监视电池单元110的条件，并适当修改电力驱动器52中的主电力需求。如果电池100的条件指示临界的能量水平，低电平指示器960和970就被激活以允许截肢者采取适当的行动。如果电池单元的条件继续恶化，开关164就被断开，电池100被隔离。

因此，将会看到通过监视它们的特性并适当修改电力供应，电源54有效地使储元件的特性与占空比相匹配并避免了对电池单元110的永久损害。

应当注意，本发明并不限于它关于有源假肢的用途，其它在短的时限期间有高能量需求的应用，诸如，例如无线电动工具、业余爱好的飞机以及赛车，也可以从上述电源受益。

尽管本发明已经通过特定实施例和它们的示例进行了说明，还是应当注意，对于本领域的技术人员来说显而易见的是，可以在不偏离本发明的范围的情况下对本发明的特定实施例进行修改。

Claims (11)

1.一种向负载提供电力的电源，该电源包括：

第一能量存储元件组，包括适于供应高频电流曲线的至少一个电解电容器，所述第一能量存储元件组连接到所述负载；

第二能量存储元件组，包括适于供应低频电流曲线的至少一个电池单元和至少一个超级电容器；

电感器，介于所述第一能量存储元件组与所述第二能量存储元件组之间，且用来将所述第二能量存储元件组从所述负载隔开，由此使所述负载的能量供应与所述高频和低频电流曲线相匹配；以及

电源管理单元，用于监视由所述第二能量存储元件组的所述至少一个电池单元供应到所述负载的电力，并控制所述负载对来自所述第二能量存储元件组的所述至少一个电池单元的电力需求。

2.如权利要求1所述的电源，其中所述电源管理单元确定要供应给所述负载的最大电流。

3.如权利要求1所述的电源，其中所述电源管理单元可操作来在达到预定的能量水平时将所述第二能量存储元件组的所述至少一个电池单元从所述负载断开连接。

4.如权利要求1所述的电源，其中所述第二能量存储元件组的所述至少一个电池单元可操作来补充所述第一能量存储元件组的所述至少一个电解电容器和所述第二能量存储元件组的所述至少一个超级电容器的能量。

5.如权利要求4所述的电源，其中从所述第二能量存储元件组的所述至少一个电池单元到所述第一能量存储元件组的所述至少一个电解电容器和所述第二能量存储元件组的所述至少一个超级电容器的电力供应被限制，以与所述至少一个电池单元的特性相匹配。

6.如权利要求1所述的电源，还包括：

连接在所述至少一个电池单元和所述负载之间的二极管；

其中所述二极管抑制从所述负载到所述至少一个电池单元的浪涌电流。

7.如权利要求1所述的电源，其中

所述至少一个电池单元是锂聚合物电池单元。

8.如权利要求1所述的电源，还包括：

与电阻器串联连接的开关；

与所述至少一个超级电容器串联连接的慢速浪涌电流限制器，串联连接的所述开关和所述电阻器跟串联连接的所述至少一个超级电容器和所述慢速浪涌电流限制器并联连接；

连接至所述开关的分流控制器；

其中所述分流控制器监视所述电源的电压电平，并响应达到预置最大电压电平而闭合所述开关，所述开关的闭合导致能量消耗到所述电阻器中。

9.如权利要求1所述的电源，其中

从所述第一能量存储元件组的所述至少一个电解电容器和所述第二能量存储元件组的所述至少一个电池单元和至少一个超级电容器到所述负载的电力供应是由电力驱动器来控制的，所述电力驱动器可操作以使来自所述第一能量存储元件组的所述至少一个电解电容器和所述第二能量存储元件组的所述至少一个电池单元和至少一个超级电容器的电流要求与所述负载的要求相匹配。

10.如权利要求9所述的电源，其中：所述电源管理单元向所述电力驱动器提供控制信号，指示所述至少一个电池单元的电力饱和电平。

11.如权利要求1所述的电源，还包括：

与所述至少一个电解电容器串联连接的快速浪涌电流限制器。

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