备用电源装置的制作方法

概括地说，本公开内容涉及备用电源单元，更具体地说，涉及自放电的备用电源单元。

背景技术：

备用电源单元(Reserve power unit，RPU)用于在电力丢失的情况下提供备用电源，并且通常使用发电机和/或电能存储设备来实现。电能存储设备通常包括电池或电容器，并且通常用于提供电力以执行过程控制系统内的安全功能或操作，譬如将阀或其它过程控制部件移动到安全关闭位置(例如，故障保护位置)。许多能量存储设备是可再充电的和/或可容易替换的。

使用来自能量存储设备的电力来执行的功能或操作可能不需要能量存储设备中的所有能量。在一些应用中，RPU的能量存储设备中存在剩余能量是有问题的。当前使用的许多RPU不控制或完全释放能量存储设备中的剩余能量，并且因此不适合用于某些应用或环境中。

技术实现要素：

针对当前的RPU存在的剩余能量的问题，本实用新型提出了一种能够实现自放电的备用电源装置。

本实用新型一方面提出了一种备用电源装置，其包括：电能存储部件或设备，所述电能存储部件或设备用于向过程控制设备供应电力；放电部件，所述放电部件操作地耦合到所述电能存储设备；以及控制器，所述控制器响应于电力丢失，使得所述放电部件在由所述过程控制设备进行的操作完成之后从所述电能存储部件释放能量。

优选的，所述控制器在所述电力丢失之后、在使得所述放电部件从所述电能存储部件释放能量之前等待一时间段，所述时间段与完成所述操作至少所需要的时间量相对应。

优选的，所述控制器在使得所述放电部件从所述电能存储部件释放能量之前，等待确认所述过程控制设备已完成所述操作的信号。

优选的，所述装置还包括散热器，所述散热器耦合到所述放电部件。

优选的，所述控制器响应于所述电力丢失而中断至所述过程控制设备的控制信号，并且经由所述电能存储部件来向所述过程控制设备提供电力。

优选的，所述放电部件被配置为使得在从所述电能存储部件释放能量期间，所述放电部件耗散能量的速率不超过预定义的速率。

优选的，所述装置还包括状态指示器，所述状态指示器用于指示所述电能存储部件的状态。

优选的，所述电能存储部件包括电容器。

优选的，所述装置还包括围绕所述装置的防爆容器。

本实用新型另一方面提出了一种方法，包括：检测至过程控制设备的电力丢失；从电能存储部件向所述过程控制设备提供电力；响应于所述电力丢失，中断至所述过程控制设备的控制信号；以及在由所述过程控制设备进行的操作完成之后释放所述电能存储部件中的剩余能量。

优选的，检测所述电力丢失包括：比较提供给所述过程控制设备的电压与门限值。

优选的，中断所述控制信号使得所述过程控制设备改变所述过程控制设备的操作模式。

优选的，释放所述剩余能量在自开始从所述电能存储设备向所述过程控制设备提供电力之后经过一时间量后开始。

优选的，释放所述电能存储设备中的所述剩余能量包括使用脉宽调制信号。

优选的，在检测所述电力丢失之前，对所述电能存储部件进行充电。

优选的，对所述电能存储部件进行充电包括：比较提供给所述过程控制设备的电压与门限，并且基于所述比较结果来对所述电能存储部件进行充电

本实用新型还提出了一种方法，包括：经由电能存储设备来向过程控制设备供应能量；以及在所述过程控制设备完成操作之后，从所述电能存储设备释放剩余能量。

优选的，使用来自所述电能存储部件的能量来使得所述过程控制设备移动到预定的控制位置。

优选的，从所述电能存储设备释放剩余能量包括：释放所述剩余能量至预定值以下。

优选的，释放所述剩余能量是在预定的时间量内执行的。

通过采用本实用新型的技术方案，实现了对备用电源装置中的剩余能量的有效控制，提升了备用电源装置的应用的广泛性。

附图说明

图1是根据本实用新型的教导的示例性装置的示意框图；

图2-1至图3-3是示出了实现图1的示例性装置的一种方式的示意图；

图4是描绘了可以利用图1的示例性装置来实现的示例性方法的流程图。

具体实施方式

本文所描述的示例性装置涉及位于过程控制设备(例如，致动器和阀组件)和电源之间的备用电源单元(RPU)。当过程控制系统正常操作时，电源向过程控制设备提供电电力。示例性RPU还被放置于过程控制设备和从控制系统至过程控制设备的信号之间。响应于电力丢失(故意的或非故意的)，RPU扰乱或中断控制信号，并且经由设置在RPU内的能量存储设备或部件(例如，电容器、电池等等)来向过程控制设备提供电力。控制信号的中断可以使得过程控制设备移向预定的或故障保护位置(例如，完全打开或完全关闭阀)。示例性装置的能量存储设备的大小被设置以使得RPU能够在至少长得足以使过程控制设备移动到故障保护位置的时间段内向过程控制设备提供电力。然后，示例性RPU释放能量存储设备中的任何剩余能量，以有助于对过程控制设备和/或RPU的安全维护。

在一些例子中，从能量存储设备释放能量需要预定的最大时间量来完成。然而，取决于电力丢失时过程控制设备的位置，实际的完成时间会变化。在一些例子中，装置可以设置在防爆壳体中和/或在潜在的危险环境中进行操作。在打开防爆壳体以执行维护之前等待预定的最大时间量向维修 人员确保：RPU的能量存储设备中的任何能量已经基本上完全释放，并且消除了在对过程控制设备和/或RPU进行维修时产生火花的风险。在其它例子中，当过程控制设备已经完成了移动到故障保护位置时，RPU可以从过程控制设备接收到反馈信号(例如，数字输出、模拟输出、数字通信信号)。在接收到这种信号时，RPU可以开始放电。

本文所描述的示例性装置的放电操作利用脉宽调制(pulse-width modulate，PWM)信号来控制一个或更多个固态开关的电力消耗。示例性RPU被配置为使得能量释放不超过预定的速率，以防止超过开关的最高操作温度。PWM信号的占空比影响完成能量存储设备的放电而需要的时间，并且还确保该放电速率不会使RPU的部件过热。由某些因素来确定适当的占空比，这些因素包括能量存储设备中剩余的电压以及用于有助于能量耗散的散热器的特征(例如，热电阻、大小等等)。

图1是根据本实用新型的教导的示例性装置100的示意框图。示例性装置100被描绘成RPU100，其中在来自主电源104的电力丢失的情况下，RPU100向过程控制设备102提供备用电源。RPU100经由电能存储设备106来向过程控制设备102提供电力。可以使用一个或更多个部件(例如，电容器、电池等等)或者其组合来实现能量存储设备106。此外，能量存储设备106被设计为：存储充足的电能，以便在来自主电源104的电源中断或丢失之后，在至少允许过程控制设备102完成操作的时间量内向过程控制设备102提供电力。例如，过程控制设备102可以是流体阀和致动器组件，并且RPU100可以在足以使致动器将流体阀移动到故障保护位置的时间量内向致动器提供电力，而不管流体阀的初始位置。

在正常操作期间，当主电源104向过程控制设备102提供能量时，设置在RPU100内的充电器108对能量存储设备106的电荷进行充电至基本上充满电的条件或保持至基本上充满电的条件。可以使用被特制为最有效地和最高效地对能量存储设备106进行充电的电路来实现充电器108。例如，如果使用多个串联的大容值电容器(通常被称为超级电容器)来实现能量存储设备106，则充电器108可以具有可变电流源的作用。在该情况下，充电器108可以提供可以由控制器110改变的电流，使得充电电流随着能量存储设备106接近充满电的条件而减小。以此方式，可以控制能量存储设 备106的温度和/或基本上消除能量存储设备106过充的可能性。

如图1中所描绘的，充电器108经由控制器110所控制的电力路由器112来从主电源104接收电力，下面进行更详细的描述。如果能量存储设备106包含多个部件或设备，则还可以在充电器108和能量存储设备106之间插入充电平衡电路114，以确保能量存储设备106的部件中的每个部件基本上均等地充电。例如，如果能量存储设备106包含多个电容器，则充电平衡电路114确保电容器中的每个电容器充电至基本上相同的电压。

在正常操作期间，控制器110使得电力路由器112将主电源104所提供的电力路由到充电器108和过程控制设备102。此外，控制器110使得通信开关116将一根或更多根通信线路118通信地耦合到过程控制设备102。通信线路118可以在控制系统和过程控制设备102之间传送命令、消息、数据等等。因此，在正常操作期间，RPU100相对于电源以及与过程控制设备102相关联的通信信号透明地运行(即，充当直通设备(pass-through device))。

如图1中所示出的，示例性RPU100包括内部电源120，该内部电源120向控制器110和组成示例性RPU100的功能框的多个其它电路、器件等提供电力。下面结合对图2和图3中所描绘的详细示意图的描述来提供对电源120所提供的电力在RPU100内分配的方式的更详细的描述。在正常操作期间，电源120从主电源104获得其向RPU100的设备提供的电力。通常(但不一定)，在正常操作期间，电源120将主电源104的电压下降(例如，使用降压转换器、线性调节器等等)到较低的电压或者多个不同的较低电压以供RPU100内的各个电路使用。

如图1中还示出的，控制器110操作地耦合到电压监控器122，以监控与示例性RPU100相关联的一个或更多个电压。例如，电压监控器122可以提供与主电源104的电压相对应的信号、提供给过程控制设备102的电源电压、能量存储设备106的电压和/或可以用于控制或影响RPU100的操作的任何其它电压。

在主电源104处的电力丢失的情况下，电源120继续从能量存储设备106接收电能。以此方式，如下面更详细描述的，电源120可以在足以使得过程控制设备102能够完成例如移动到关闭或故障保护位置(例如，完全 断开或完全闭合的位置)的时间段内继续向RPU100内的电路供应电力。响应于经由电压监控器122检测到主电源104处的电源故障，控制器110使得电力路由器112启用(例如，闭合)能量存储设备106和过程控制设备102之间的连接。因此，响应于检测到的电源故障，电力路由器112将电力从能量存储设备106路由到过程控制设备102，以允许过程控制设备102的连续操作。此外，响应于检测到的电源故障，控制器110使得电力路由器112禁用(例如，断开)主电源104和充电器108之间的连接，从而禁用充电器108并且阻止对能量存储设备106的进一步充电以及阻止经由充电平衡电路114对主电源的反馈。此外，响应于检测到的电源故障，控制器110使得通信开关116断开，以阻止通信线路118上的信号到达过程控制设备102。通信线路118上信号的丢失转而使得过程控制设备102进入电源故障模式并开始移向预定的(例如，故障保护)位置。

响应于检测到主电源104处的电源故障，控制器110还经由主放电电路124和近零放电电路126来执行对能量存储设备106的受控放电。对能量存储设备106的受控放电可以在检测到电源故障之后的预定时间量之后开始、由过程控制设备102发起、或者可以在检测到电源故障之后立即开始，这取决于特定应用的需求。由控制器110来发起并监督受控放电，以使得过程控制设备102能够在能量存储设备106中的剩余能量下降到低于门限量(其阻止过程控制设备102的进一步移动)之前完成例如移动到故障保护位置的操作。

为了控制主放电电路124，控制器110可以提供脉宽调制(PWM)信号以控制一个或更多个电源开关，这些电源开关周期性地将能量存储设备106分流到地电势，从而耗散存储在能量存储设备106中的能量。PWM信号的占空比可以根据经由电压监控器122所测量的能量存储设备106的电压而变化，以控制最大电力消耗，并且因此控制主放电电路124的温度。例如，PWM信号的占空比可以随着能量存储设备106的电压降低而增加。为了有助于从主放电电路124移除热量，主放电电路124的各个部件可以热耦合到RPU100的壳体128。壳体128可以由金属和/或任何其它材料构成。因此，除了形成用于RPU100的电路的保护覆盖之外，壳体128还可以运行为用于主放电电路124和RPU100中的任何其它电路中的一些或所 有电路的散热器。

当主放电电路124正在运行时，负电压转换器130向近零放电电路126提供负电压以禁用近零放电电路126，从而阻止近零放电电路126将存储在能量存储设备106中的能量分流到地电势。随着主放电电路124耗散存储在能量存储设备106中的能量，由存储在能量存储设备106中的能量向电源120提供的电压继续下降。当由能量存储设备106向电源120提供的电压超过控制器110为了正常操作控制器110而需要的电压时，电源120使用降压调节器来向控制器110提供电力。然而，当能量存储设备106的电压不再足以使得电源120能够使用降压调节器来向控制器110提供电力时，电源120内的升压电路变得活跃，并且随着能量存储设备106处的电压继续下降，该升压电路继续向控制器110供应电力。以此方式，电源120的双操作模式(即，降压/升压)使得控制器110能够继续经由主放电电路124来控制对能量存储设备106中的剩余能量的释放。在一个例子中，针对低至例如能量存储设备106处的150毫伏的电压，电源120可以继续进行运行并向控制器110提供充足的电力。

当能量存储设备106的电压下降到低于低门限(电源120在该低门限处不能够再以升压模式操作以向控制器110提供充足的电力)时，控制器110变得不工作，这禁用了主放电电路124并且阻止主放电电路124耗散能量存储设备106中的任何剩余能量。此外，当电源120变得不工作时，负电压转换器130不再向近零放电电路126提供负的禁用电压，这使得近零放电电路126能够将能量存储设备106中的剩余能量分流到地电势。如图3-3中更详细示出的，近零放电电路126包括一个或更多个正常情况下闭合的开关，当没有电力经由负电压转换器130电力被提供给近零放电电路126时，这些开关运行以将能量存储设备126分流到地电势。

其它例子可以使用其它方法来释放剩余能量。特定的例子可能不需要使用升压电路来保持控制器的最小电压要求。相反，示例性装置可以通过使用一个或更多个电阻器来释放该点处剩余的任何电力。用此方法，控制器将可操作用于阻止放电，与促使放电相对。此外，可能需要适当地设置电阻器和散热器的大小。

因此，响应于主电源104处的电源故障，示例性RPU100使得过程控 制设备102能够完成例如移动到故障保护位置，并且然后在经过了最大的预定时间量之后执行对能量存储设备106的受控放电。因此，可以向例如维修人员确保：在主电源104的故障或移除之后等待最大的预定时间量后，可以打开围绕RPU100和/或过程控制设备102的防爆容器，并且可以对RPU100的内部部件或过程控制设备102进行维修，而没有产生火花或者任何其它潜在有害的电气事件的风险。

如图1中所示出的，示例性RPU100还包括手动超控电路(override circuit)132。手动超控电路132可以包括壳体128外部的开关，该开关使得人员能够选择RPU超控模式。当选择或启用了RPU超控模式时，上面所描述的RPU100功能被跳过，并且过程控制设备102如同其直接耦合到主电源104和通信线路118一样进行操作。因此，如果主电源104发生故障或者以其它方式被移除，则过程控制设备102不会从能量存储设备106接收任何电力，并且过程控制设备102可以保持在其在电源故障时所处的位置中(即，可能不会处于故障保护位置)。

示例性RPU100还包括状态指示器134，该指示器可以安装在壳体128外部以有助于人员进行查看。在该例子中，状态指示器134是由控制器110来控制的灯，以提供不同的闪烁图案来指示RPU100和/或能量存储设备106的操作状态或模式。其它例子可以具有不同的状态指示器134，例如多个发光二极管、数字显示器等等。该例子的状态指示器134针对RPU100的模式(包括正在充电、正在放电(即，当能量存储设备106正在向过程控制设备102提供电力时)、正常、超控和已放电)中的每个模式提供不同的闪烁图案。例如，状态指示器134可以以缓慢稳定的方式闪烁，来指示RPU100正在充电，状态指示器134可以定期地快速闪烁两次之后停顿，来指示放电操作，状态指示器134可以周期性地快速闪烁一次之后停顿，来指示正常操作(即，过程控制设备102正在经由RPU100从主电源104接收电力)，状态指示器134可以提供稳定的连续亮灯来指示RPU100处于手动超控模式，并且状态指示器134可以保持不亮灯来指示RPU100完全放电。

可以由硬件、软件、固件和/或硬件、软件和/或固件的任意组合来实现图1的示例性控制器110。因此，例如可以由一个或更多个模拟或数字电路、逻辑电路、可编程处理器、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、可编程逻辑器件(programmable logic device，PLD)和/或现场可编程逻辑器件(field programmable logic device，FPLD)来实现示例性控制器110。当阅读本专利的装置或方法权利要求中的任何权利要求来涵盖纯软件和/或固件实现方式时，示例性控制器110由此被明确地定义为包括有形的计算机可读存储设备或存储盘，例如存储软件和/或固件的存储器、数字多功能盘(digital versatile disk，DVD)、压缩盘(compact disk，CD)、蓝光盘等等。此外，图1的示例性控制器110可以包括一个或更多个单元、过程和/或设备和/或可以具有这些单元、过程和设备中的任意或所有单元、过程和设备中的一个以上。

此外，图1的示例性控制器110可以使用任何过去的、当前的或未来的通信协议(例如，蓝牙，USB 2.0、USB 3.0等等)、利用任何类型的有线连接(例如，数据总线、USB连接等等)或无线通信机制(例如，射频、红外线等等)来与功能部件(例如，电压监控器122、主放电电路124、电力路由器112等等)中的一个或更多个功能部件进行通信。此外，图1的一个或更多个功能部件可以使用这些有线连接或无线通信机制来彼此进行通信。

转到图2-1、图2-2、图2-3、图2-4、图3-1、图3-2和图3-3，提供了示出了可以实现图1的示例性RPU100的电路的一种方式的更详细的示意图。在图2-1的例子中使用耦合到晶体管Q3的光隔离器U1和U2来实现通信开关116，其中经由处理器U5来控制晶体管Q3。类似地，可以使用耦合到场效应晶体管(FET)Q8、Q9、Q11、Q20和Q21的光隔离器U13和U14来实现图2-2中所示出的电力路由器112。可以由晶体管Q4和Q5来控制光隔离器U13和U14，其中晶体管Q4和Q5耦合到图2-4中所示出的处理器U5所提供的控制信号。可编程处理器U5可以用于实现控制器110。

如图2-3中所示出的，可以使用经由控制器U3来控制的降压转换器来实现电源120。电源120还包括经由分离的控制器U6来控制的升压转换器。经由二极管D14和电阻器R28将降压转换器和升压转换器的输出结合，以便为处理器U5提供充足的操作电压。在受控放电期间，能量存储设备106的电压的范围可以从比处理器U5所需要的电压高的电压至比处理器U5为 了正确操作而需要的电压低得多的电压。

图2-1的框300在图3-1至图3-3中被描绘成更详细的电路示意图，可以使用该电路示意图来实现充电器108、充电平衡电路114、能量存储设备106、近零放电电路126以及主放电电路124。如图3-1中所示出的，充电器108可以包括降压转换器控制器U7，该降压转换器控制器U7从电流监控器U8接收反馈，使得充电器108运行为对能量存储设备106进行充电的电流源。由充电器108所提供的充电电流通过改变图3-2中所示出的运算放大器U11A的反相端处的参考电压而可控地变化。该参考电压根据由处理器U5(图2-4)经由数模转换器(digital-to-analog converter，DAC)信号(该信号被提供给利用图3-1中所示出的运算放大器U11B来实现的缓冲器)来提供的变化的电压而变化。提供给图3-3中所示出的能量存储设备106的充电电流可以随着能量存储设备106的电压接近充满电的条件而下降，以阻止能量存储设备106的过热和/或过充。

可以使用包括等值的电阻器R45、R46、R47、R48和R49的电阻分压器来实现充电平衡电路114。这些电阻器R45-R49经由利用运算放大器U9A、U9B、U10A和U10B而形成的各个缓冲器，来向组成能量存储设备106的各个单独的电容器C31、C32、C33、C34和C35提供能量存储设备106的总电压的相等部分。

图3-1示出了主放电电路124包括三个FET Q19、Q22A和Q22B以及由能量存储设备106提供的电压(标记为CapPos)。FET Q19、Q22A和Q22B的栅极端连接到由处理器U5提供的PWM信号。因此，在主放电电路124的操作期间，PWM信号使得FET Q19、Q22A和Q22B周期性地开启和关闭，以便通过电阻器R60和晶体管Q19、Q22A和Q22B来将存储在能量存储设备106中的能量分流到地电势。虽然将三个FET示出为实现主放电电路124，但是反之可以使用更少或更多的FET和/或任何其它类型的晶体管或开关来达到相同或相似的结果。

可以使用FET Q14、Q15、Q16、Q17和Q18来实现图3-3中所示出的近零放电电路126，Q14、Q15、Q16、Q17和Q18连接为以便通过电容器C31、C32、C33、C34和C35中相应的电容器来分流到地电势。FET Q14-Q18运行为正常情况下闭合的开关，其中当通电时，这些开关-响应于出现由负 电压转换器130(图2-4)提供的负电压而断开(即，不导通)。然而，如上面所描述的，当主电源104发生故障或者以其它方式不可用时，电源120通过在某个时间量内从能量存储设备106汲取能量来继续操作。然而，当能量存储设备106的电压下降到低于门限时，电源120不再运行，这使得负电压转换器130不再向图3-3中所示出的近零放电电路126提供负电压。负电压的丢失使得近零放电电路126的FET Q14-18恢复到它们的正常闭合(即，导通)状态，从而将电容器C31-C35中的任何剩余能量分流到地电势，并且因此在该过程中耗散剩余能量。

图4描绘了由示例性装置100实现的示例性方法400。框402表示过程控制设备102处于正常操作模式，其中能量存储设备106充电，过程控制设备102靠外部电源(即，主电源104)运行，并且来自通信线路118的控制信号被启用(即，连接到过程控制设备102)。电压监控器122对提供给RPU100的主电源104的电压进行监控，并且将该电压与门限进行比较(框404)。如果电压高于门限，则示例性装置100和过程控制设备102继续正常操作(即，控制返回到框402)。如果主电源104的电压下降到低于门限，则指示主电源104已发生故障，在该时间处，电力路由器124使得过程控制设备102以能量存储设备106所提供的电力进行操作(框406)。控制器110然后禁用主电源104和充电器108之间的连接(框408)。此外，控制器110经由通信开关116来禁用通信线路118和过程控制设备102之间的连接(框410)，从而激活过程控制设备102中的信号丢失功能，并且使得过程控制设备102移动到故障保护位置。控制器110等待过程控制设备102完成移动，其可以包括例如，等待足以使过程控制设备102完成移动的预定时间量，或者接收到移动已经完成的通知(框412)。控制器110然后开始从能量存储设备106释放剩余能量(框414)。在示例性方法400中，从能量存储部件106释放剩余能量可以包括一个或更多个步骤(例如，经由主放电电路124进行放电、经由近零放电电路126进行放电)。在释放了能量存储设备106中的剩余能量之后，控制器110不再工作，这是因为控制器110不从电源120接收电力，并且RPU100充满电(框416)。

在该例子中，可以使用机器可读指令来实现由图4中的流程图表示的方法的至少一部分，其中机器可读指令包括用于由处理器(例如，结合图 2-4所示出的处理器U5)来执行的程序。程序可以体现在存储在有形的计算机可读存储介质(例如，CD-ROM、软盘、硬盘驱动器、数字多功能盘(DVD)、蓝光盘或者与处理器U5相关联的存储器)上的软件中，但是整个程序和/或程序的部分可以替代地由除了处理器U5之外的设备来执行和/或体现在固件或专用硬件中。此外，虽然参考图4中所示出的流程图来描述了示例性程序，但是替代地可以使用实现本文所描述的示例性方法100的许多其它方法。例如，可以改变框的执行顺序和/或可以改变、消除或组合所描述的框中的一些框。

如上面所提到的，可以使用经编码的指令(例如，计算机和/或机器可读指令)来实现图4的示例性方法的至少一部分，其中经编码的指令存储在有形的计算机可读存储介质上，例如硬盘驱动器、闪存、只读存储器(ROM)、压缩盘(CD)、数字多功能盘(DVD)、高速缓存、随机存取存储器(RAM)和/或任何其它存储设备或存储盘，信息在任何其它存储设备或存储盘中存储任意持续时间(例如，扩展的时间段、永久地、短期、临时缓存和/或信息的高速缓存)。如本文所使用的，术语有形的计算机可读存储介质被明确地定义为包括任何类型的计算机可读存储设备和/或存储盘，并且排除传播信号和传输介质。如本文所使用的，“有形的计算机可读存储介质”和“有形的机器可读存储介质”可互换使用。如本文所使用的，术语计算机可读介质被明确地定义为包括任何类型的计算机可读存储设备和/或存储盘，并且排除传播信号和传输介质。

虽然本文已经公开了某些示例性方法、装置和产品，但是本专利的涵盖范围不限于此。相反，本专利涵盖落入本专利的权利要求范围内的所有方法、装置和产品。