數字電力接收器系統的製作方法

2023-11-10 22:13:38

背景技術：

數字電力或數字電能可以被表徵為任何電力格式，其中電電力分布在離散的、可控的能量單元中。分組能量傳遞(pet)是美國專利號8,781,637(伊夫斯2012)中披露的一種新型數字電電力協議。

與傳統的模擬電力系統相比，數字電力傳輸系統中的主要識別因素是電能被分離成離散的單元；並且單獨能量單元可以與模擬和/或數字信息相關聯，該模擬和/或數字信息可以用於優化安全性、效率、彈性、控制或路由的目的。

如伊夫斯2012所描述的，電源控制器和負載控制器通過電力傳輸線連接。伊夫斯2012的電源控制器周期性地將電力傳輸線與電源隔離(斷開連接)，並且在線路被隔離之前和之後立即至少對源控制器端子處存在的電壓特性進行分析。伊夫斯2012將電力線被隔離的時間周期稱為「採樣周期」，並且將連接電源的時間周期稱為「傳遞周期」。線路上的電壓在採樣周期之前、期間和之後的上升和衰減速率揭示電力傳輸線上是否存在故障條件。可測量故障包括但不限於短路、高線路電阻或不當接觸這些線路的個人的存在。

伊夫斯2012還對可以在電源與負載控制器之間通過電力傳輸線發送的數字信息進行描述，以進一步增強安全性或提供能量傳遞(諸如總能量或負載控制器端子處的電壓)的一般特性。由於pet系統中的能量被作為離散量或量子進行傳遞，所以這種能量可以被稱為「數字電力」或「數字電能」。

數字配電系統的一個應用是用於以數字格式並且在升高的電壓下將直流(dc)電源從系統的電源側分布到負載側。在配電系統的負載側，使用被稱為接收器的電路將dc電源從數字格式轉換回傳統的模擬dc格式，以用於通用的電力調節電路。本行業眾所周知的電力調節電路採用輸入電壓並產生受控的交流電流(ac)或dc輸出電壓。一個示例是採用380vdc輸入並產生12vdc輸出以用於計算機的調節器。電力調節電路還可以將dc輸入轉換成ac輸出，如不間斷電源或逆變器中常見的那樣。在其最基本的形式中，電力調節器是允許或禁止電流流動的簡單開關。

技術實現要素：

本文描述了一種數字電力接收器系統以及一種用於調整數字電力的方法，其中，該裝置和方法的各種實施例可以包括以下所描述的元件、特徵和步驟中的一些或全部。

由數字配電系統供應的數字電力接收器系統包括：一個或多個單獨接收器電路，該一個或多個單獨接收器電路各自連接到源自數字電力傳輸源的單獨傳輸線對，並且其中，該一個或多個單獨接收器電路被配置成用於將傳輸線對上的數字電力轉換成模擬電力；一個或多個接收器輸出總線區段，該一個或多個接收器輸出總線區段並聯地電連接該一個或多個單獨接收器電路的多個組；一個或多個電力調節電路，該一個或多個電力調節電路被配置成連接到該一個或多個單獨接收器電路或該一個或多個接收器輸出總線區段；一個或多個電力調節電路輸出總線區段，該一個或多個電力調節電路輸出總線區段電連接該一個或多個電力調節電路的輸出端子以提供組合的電力輸出；以及控制電路，該控制電路可操作用於監測該數字電力接收器系統內的至少一個電壓並且作用來調整至少一個電力調節電路的輸出電力，以改善電力的安全性、效率、彈性、控制和路由中的至少一項。

一種用於調整數字電力的方法包括：經由傳輸線對將數字電力傳輸到數字電力接收系統中的至少一個接收器電路；在接收器電路中將數字電力轉換成模擬電力；將模擬電力傳輸到至少一個電力調節電路；傳輸來自電力調節電路的輸出電力；監測數字電力接收器系統中的至少一個電壓；以及響應於該監測，調整來自電力調節電路的輸出電力以改善電力的安全性、效率、彈性、控制和路由中的至少一項。

附圖說明

圖1是數字電力接收系統的框圖。

圖2是接收器電路的實施例的框圖。

圖3是包括呈簡單二極體20形式的開關的接收器電路的實施例的框圖。

圖4是dc電力調節電路的實施例的框圖。

在附圖中，貫穿不同視圖，類似參考符號指代相同或相似部件；並且撇號用於區分共享相同參考號的相同或相似項目的多個實例。附圖不一定是按比例繪製的；相反，重點放在了展示下文所討論的範例的具體原理上。

具體實施方式

本發明的各方面的上述以及其他特徵和優點將因以下對本發明更寬闊的界限的各種構思和具體實施例更具體的描述而更明顯。鑑於主題不受限於任何具體實施方式，上文引入並在下文更詳細討論的主題的多個方面可以用很多方法中的任何一種實施。具體實現方式的示例和應用主要是為了說明的目的而提供的。

除非另外在本文中定義、使用或表徵，本文中使用的術語(包括技術術語和科學術語)將解釋為具有與其在相關領域的背景下所接受的相一致的意思，而不被解釋為理想化或過分正式意義，除非在本文中明顯這樣定義。例如，如果提及一種具體的成分，那麼該成分可以是基本上(儘管不是完全)純淨的，因為可能出現實際的及不完美的現實狀況；例如，可能存在至少痕量的雜質(例如，小於1％或2％)可以被理解為是在本說明書的範圍內；同樣，如果提及了一種具體的形狀，那麼該形狀旨在包括來自理想形狀的不完美的變體，例如，由於製造容差所造成的。本文中表達的百分比或濃度可以是就重量或體積而言的。除非另有說明，下文所描述的過程、程序和現象可以在環境壓力(例如，大約50千帕到120千帕——例如，大約90千帕到110千帕)和溫度(例如，-20攝氏度到50攝氏度——例如，大約10攝氏度到35攝氏度)下發生。

儘管術語第一、第二、第三等可以在本文中用於描述多種元件，但是這些元件不受這些術語的限制。這些術語僅用於將這些元件與彼此區別。因此，下文所討論的第一元件可以被稱為第二元件而不背離這些示例性實施例的教導。

空間相關的術語，比如「之上」、「之下」、「左方」、「右方」、「之前」、「之後」等可以在本文中用於使描述一個元件與另一個元件的關係的說明變得簡單，如在圖中所展示的。可以理解，這些空間相關的術語以及所展示的結構意指除本文所描述和圖中所描繪的取向之外還包括使用和運行中的裝置的不同指向。例如，如果將圖中的裝置翻過來，那麼描述為在其他元件或特徵「之下」或「下方」的元件則可以取向為在這些其他元件或特徵的「之上」。因此，示例性術語「之上」可以包括之上和之下的定向。該裝置能夠以其他方式定向(例如，旋轉90度或處於其他定向)並且本文中使用的空間關係描述符相應地得以解釋。

更進一步地，在本披露中，當一個元件被稱為在另一個元件「上」、「連接到」另一個元件、「聯接到」另一個元件、與另一個元件「接觸」等，該元件可以直接在該另一個元件上、連接到該另一個元件、聯接到該另一個元件或與該另一個元件接觸，或者可以存在中間元件，除非另有說明。

本文中使用的術語是為了描述具體實施例的目的，而非旨在限制這些示例性實施例。如本文中所使用的，單數形式(比如「一個(a)」和「一種(an)」)旨在同樣包括複數形式，除非上下文以其他方式表明。另外，術語「包括(includes)」、「包括(including)」、「包括(comprises)」和「包括(comprising)」指定了所述的元件或步驟的存在，但是不排除一個或多個其他元件或步驟的存在或添加。

另外，在此所標識的各種組件可以以組裝和完成的形式提供；或者組件中的一些或全部可以封裝在一起並且作為帶有指令(例如，呈書面、視頻或音頻的形式)的套件銷售，這些指令用於供客戶進行組裝和/或修改以產生成品。

更確切地說，在此披露的是傳統的電力調節電路和數字電力接收器電路的新穎組合，其可以改善或優化電力的安全性、效率、彈性、控制和路由因素，並且可以基於預選確定的優先級方案優先考慮跨多個負載的數字電力遞送。

在許多情況下，為了支持更高的電力水平或提供冗餘，將多個傳輸對並聯組合。當電力有限的電路並聯組合時出現的一個困難是：由於電路阻抗的微小變化，單獨電路並不總是同等地共享總負載。電路阻抗變化的原因可以包括相同長度的傳輸對橫截面直徑的差異和/或傳輸對長度的差異。

第二個困難是在啟動期間電路的適當同步。例如，考慮必須提供總計200w電力的雙電路系統，而其中任一單獨電路的電力被限制為100w。如果兩個電路中的一個在另一個之前啟動，它將暫時需要支持所有的負載要求(即，200w)。這個負載超過了電路的100w最大容量，從而由於過電力、不符合條件而導致電路關閉。配置成用於自動復位的電路典型地將在重試加電序列之前等待1至60秒。當第一電路正在等待重試時，第二電路將開始在線，並且繼而設法支持整個200w負載，並且進而由於過電力、不符合條件而關閉。如果數字電力電路沒有同步，故障啟動序列可能無限期地繼續。

然而，當響應於作為較大並聯組的一部分的單獨電路的故障時，會出現第三個困難。在許多示例中，電路正在向具有與其相關聯的優先級的負載供電。例如，為心臟泵供電的電源電路應當優先於為醫院內的普通照明供電的電源電路。當單獨電路發生故障時，具有預先安排的優先化方案將是有利的，該方案將確定哪些負載將接收到減少的電力分配。此外，優先化方案理想地將是可由外部主機系統來配置的。允許外部主機系統來配置優先化方案的一種方法是通過實現本行業中俗稱的應用編程接口(api)。

在此披露了一種體系結構，該體系結構可經濟且可靠地解決以上討論的困難，並且可以支持各式各樣的並聯數字電力電路，其範圍為從一個到數十個並聯電路。另外，如以下將描述的，伊夫斯2012中描述的pet協議的通信特徵被用於實現安全性、效率、彈性、控制或路由的優化組合，並且用於允許對多個負載設置電力遞送的優先級。

圖1中示出了數字電力接收器系統10的框圖。這個系統包括被配置成用於使用分組能量傳遞(pet)協議進行操作的數字電力接收器。在伊夫斯2012中描述了分組能量傳遞，並且更具體地發射機電力源。一個或多個接收器電路1各自具有源自pet發射源12的傳輸線對(對1、對2、對n)。各個接收器電路輸出可以在電接收器輸出總線(dc_link_in)2上並聯組合。一個或多個dc電力調節電路3的dc輸入端子被連接到dc_link_in2的可用區段。電力調節電路3的各個輸出可以通過與電力調節電路輸出總線(dc_link_out)4的區段連接或斷開連接而並聯組合或單獨地操作。接收器電路1和電力調節電路3的操作由控制電路5管理。控制電路5通過反饋線路組rxfb1、rxfb2、rxfbn、dcfb1、dcfb2、dcfbn獲得對接收器以及電力調節電路1和3的操作的反饋。控制電路5類似於伊夫斯2012中描述的負載控制器，其中不同之處在於控制電路5管理多個傳輸線對，與之相對的是，伊夫斯2012中只有一對。控制電路5可以是全功能處理器，其執行必要算法，以便優先考慮將能量分配到各種電力調節電路3，並且優化安全性、效率、彈性、控制和路由。在其他實施例中，控制電路5可以是執行源自遠程處理設備的操作的命令的簡化版本。

總的來說，控制電路5可以監測來自每個接收器電路1的電力的可用性，以便確定dc電力調節電路3是否將進行操作，確定多少dc電力調節電路3將進行操作,以及每個dc電力調節電路3將在什麼電力水平下進行操作。如背景部分中所討論，對於並聯連接組的操作，多個接收器電路1被同步激活以用於遞送電力，或者當附接到dc電力調節電路1輸出端的負載設備11開始汲取電力時，接收器通道中的一個或多個可能過載。控制電路5可通過控制線路組來控制每個電力調節電路3中的電力傳遞的速率，該控制線路組包括第一電力控制器(powctrl1)、第二電力控制器(powctrl2)直到第n電力控制器(powctrln)。

圖2中示出接收器電路1的實施例。開關sw120控制進入接收器電路1的電流流動。sw120可以是如圖2所示的可控開關(機電或固態電子器件)的形式；或者它可以是如圖3所描繪的簡單二極體。接收器電路1將導體對上的數字電力轉換回不再包括離散單元或脈衝的常規模擬電力。這種轉換可通過主動(使用可控開關)或被動(使用二極體)的整流來執行。整流由sw120執行，當數字電力源12或發射機終止能量脈衝時，該sw1禁止從接收器dc鏈路22回到接收器導體對中的電流流動。發射機12通過在系統的發射機側上打開其本身的開關(使開關不導電)來終止能量脈衝。此刻，傳輸對與發射機和接收器都是電隔離的，從而至少允許發射機12分析接收器導體對，以便確定電壓衰減是否在預定參數內，如伊夫斯2012中所描述的。

sw120可以包括能夠控制任一方向上的電流流動的雙向開關。接收器電路1然後可以與雙向電力調節電路3組合。這允許電力從電力調節電路3的輸出端反向向回流穿過接收器電路1並進入傳輸線對。這種能力可用於負載11可以反轉角色並成為能量源的情況。例如，在數字電力接收器系統10在夜間為家庭饋電的情況下，家庭可以具有光伏太陽能電池板，該光伏太陽能電池板提供可通過數字電力接收器系統10發送回以便再銷售給公用事業的過剩電力。在另一個實施例中，能量存儲設備諸如電池被定位成用於接收電力調節電路3中的一個或多個的輸出。在一個示例中，電池可以被充電，但是然後可以在稍後時間放電回到數字電力接收器系統10中。數字電力接收器系統10可以執行路由算法，其中能量存儲設備中的能量的一部分經由傳輸線被發送回傳輸源12，並且來自存儲設備的能量的剩餘部分根據優先級方案被分布到系統10中的各種電力調節電路3'、3″和3″′。

控制電路5可以經由接收器控制線路組rxctrl1、rxctrl2、rxctrln將通信信號發送到圖2的接收器調製電路23。調製電路23可以使用本行業公知的技術將通信信號疊加在傳輸線對(對n)上並且對該通信信號進行調製。調製信號進而可以在相應的發射機源控制器處進行解調，如伊夫斯2012中詳細說明的。然後可以指示發射機源控制器開啟、關閉傳輸線對上可用的輸出電力、電壓或電流或對其設置極限。

使用通信能力的示例是控制電路5向回與每個發射機源控制器通信；通知它們：它們都在向同一個數字電力接收器系統10提供電力。以這種方式，單獨發射機控制器可作用來平衡通往所有涉及的傳輸線對的電力流動，或者根據預先配置的優先化方案，允許一對比另一對具有更高的電力極限。進一步的示例是接收器控制器(諸如在圖2的點18處)獲取接收器電路電壓或(諸如在圖4的點27處)獲取電力調節電路電壓，並將該值傳送到一個或多個發射機控制器的情況。然後，控制器根據預定設置點調整其平均輸出以便調整接收器處的電壓。接收器控制器可以通過周期性地向發射機控制器發送命令來實現類似的結果，該命令引導控制器增加或減少其平均輸出電壓，以便在接收器處維持預定電壓設置點。除了其他方法之外，如伊夫斯2012中所描述的，可以通過調整pet波形的傳遞周期對採樣周期的佔空比來實現平均輸出電壓變化。

在不向回與相應的發射機控制器通信的情況下，控制電路5具有以下能力：通過在圖2的點18處獲取接收器輸入端處的電壓並且確定其是否已經達到預定最小值來感測接收器電路1是否準備好遞送電力。控制器可以等待直到最小數目的接收器電路1'、1″和/或1″′準備好遞送電力，之後經由控制線路組powctrl1、powctrl2、powctrln啟用一個或多個電力調節電路3'、3″和/或3″′。可替代地，如果僅數目有限的接收器電路1'、1″和/或1″′準備好遞送電力，控制電路5可以被配置成用於根據預先安排的優先化方案將可用電力分布到電力調節電路3'、3″和/或3″′。在這種情況下，如圖1中的虛線所示的dc_link_out4從電力調節電路3'、3″和/或3″′中的至少一個移除，以允許電力調節電路3'/3″/3″′單獨地將電力遞送到負載11。優先化方案可以在控制器中進行本地編程，或者可以經由接收器電路1中的調製電路從發射機控制器進行遠程編程。

而另一種用於將可用電力從接收器電路1分配到電力調節電路3的方法是用於經由dc反饋線路組dcfb1、dcfb2、dcfbn測量單獨電力調節電路3'、3″和3″′處的電壓和/或電流，並且基於優先化方案使用電力調節器控制線路組powctrl1、powctrl2、powctrln來限制可由電力調節電路3提供的電力或能量的量。例如，dc電力調節電路3'、3″或3″′可以為心臟泵充電器供電，並且一旦滿足單獨負載要求的最小數目的接收器電路1'、1″和/或1″′且在啟用任何其他電力調節電路3'、3″或3″′之前，啟用該dc電力調節電路。應當注意，對於用於啟用電力調節電路3與禁用電力調節電路3(包括允許電力調節電路3的操作)的可用接收器電路1的最小數目可能存在不同的設置，只要有一個接收器電路1'、1″或1″′可用於遞送電力。附加的示例是這樣的情況：其中導體對可以被配置成用於支持具有高衝擊電流要求的設備的初始高電流，但是稍後將被配置成用於將電流限制到較低的水平以便進行最有效的操作。

在圖4所描繪的dc電力調節電路3的實施例中，第二開關(sw2)24和第三開關(sw3)25包括電晶體開關。在這種情況下，控制電路5使sw224和sw325保持打開(非導電狀態)，直到如由rxfb1、rxfb2、rxfbn提供的接收器輸入電壓達到最小值，該最小值指示接收器通道被完全初始化並且準備好遞送電力。當最小數目的接收器電路1準備好提供電力時，控制電路5將作用來閉合sw325(將其置於導電狀態中)。sw325通過串聯電阻r126將接收器電路1連接到dc電力調節電路3的輸出端。當對輸入電容進行充電時，r126限制電流流動，該輸入電容可以是附接到輸出總線dc_link_out4的負載設備11的一部分。r126和sw224的作用在本行業中通常被稱為預充電電路。在預充電時間到期之後，通過閉合第二開關sw224並且然後打開第三開關sw325來完成與負載設備11的直接連接。因此，接收器電路1同時被接合併且能夠提供大量的脈衝電力容量。

重新參照圖1，外部控制通道6允許控制電路5獲取來自外部設備的附加的傳感器信號或通信信號。例如，外部控制通道6可以包括外部溫度傳感器、環境光傳感器或串行通信流。外部控制通道6可以被提供為第三方接口。例如，數字電力接收器系統10可以是led照明器材的一部分；並且該器材的製造可能希望通過傳輸線對將關於環境光條件的數據發送回到傳輸源12，並且可能還希望通過外部控制通道6發送出控制信號以便設置led器材的調光水平。外部控制通道6也可以連接到傳輸源控制器中的相應的「通信鏈路」，如伊夫斯2012中所描述的。如上所述，這種連接可以避免必須經由調製傳輸線對來與發射機源控制器通信。

在描述本發明的實施例時，為了清晰的目的而使用了特定的術語。為了描述的目的，特定的術語旨在至少包括技術的和功能的等效物，這些等效物以相似的方式操作從而實現相似的結果。此外，在本發明的具體實施例包括多個系統元件或方法步驟的一些實例，那些元件或步驟可以用單個元件或步驟替換；同樣，單個元件或步驟可以用達到相同目的的多個元件或步驟來替換。進一步地說，除非另有說明，當本文中為本發明的實施例指定了各種特性的參數或其他值時，這些參數或值可上下調整1/100、1/50、1/20、1/10、1/5、1/3、1/2、2/3、3/4、4/5、9/10、19/20、49/50、99/100等(或高達為1、2、3、4、5、6、8、10、20、50、100等的因子)，或其四捨五入的近似值。而且，儘管已經參照本發明的具體實施例示出並描述了本發明，但是本領域技術人員將理解的是，可以在不背離本發明的範圍的情況下，做出形式及細節方面的不同替換和改變。仍進一步地說，其他方面、功能和優點也在本發明的範圍內；並且不一定需要本發明的所有實施例都達到所有的優點或具有以上所描述的所有特徵。此外，本文結合一個實施例所討論的步驟、元件及特徵同樣可以結合其他實施例使用。貫穿本文所引用的參考文獻(包括參考文本、期刊文章、專利、專利申請書等)的內容均通過引用以其全文結合在此；並且來自這些參考文獻的適當部件、步驟和特徵可以或者可以不包含在本發明的實施例中。仍進一步地，在背景部分指明的這些部件和步驟與本披露是一體的，並且在本發明的範圍內可以結合在本披露中其他地方所描述的部件或步驟使用或替換它們。在方法權利要求中，其中以具體的順序列舉了多個階段——具有或不具有為易於引用而添加的有序前序字符——這些階段並不解釋為被暫時地限制於它們所列舉的順序，除非另有說明或被這些術語和措辭所隱含。