用于多电池电源中的反馈感测的设备和方法与流程

背景技术：

本发明涉及多电池电源。更特别地，本发明涉及用于多电池电源中的反馈感测的设备和方法。

技术实现要素：

在本发明的第一方面中，提供了多电池电源，多电池电源用于从源接收电力并且在输出端子处将电力传递到负载。多电池电源包括被耦合到源的第一电力电池和第一电流传感器电路。第一电力电池提供第一输出电流，并且包括被耦合到多电池电源的参考节点的第一输出端子、和被耦合到输出端子的第二输出端子。第一电流传感器电路包括第一电流传感器和电源。第一电流传感器被耦合到第一电力电池的第一输出端子，并且测量第一输出电流。电源被耦合到第一电力电池的参考节点或浮动地节点，并且将电力提供到第一电流传感器。

在本发明的第二方面中，提供了多电池电源，多电池电源用于从源接收电力并且在输出端子处将电力传递到负载。多电池电源包括被耦合到源的第一电力电池。第一电力电池包括被耦合到多电池电源的参考节点的第一输出端子、被耦合到输出端子的第二输出端子、以及第一电阻器网络、第二电阻器网络和浮动地节点。第一电阻器网络被耦合在第一电力电池的第一输出端子和第一电力电池的浮动地节点之间。第二电阻器网络被耦合在第一电力电池的第二输出端子和第一电力电池的浮动地节点之间。第一电阻器网络提供第一电力电池的第一反馈电压，并且第二电阻器网络提供第一电力电池的第二反馈电压。

在本发明的第三方面中，提供了用于与多电池电源一起使用的方法，多电池电源从源接收电力并且在输出端子处将电力传递到负载。该方法包括：（a）将第一电力电池耦合到源，第一电力电池提供第一输出电流；（b）将第一电力电池的第一输出端子耦合到多电池电源的参考节点；（c）将第一电力电池的第二输出端子耦合到输出端子；（d）将第一电流传感器电路耦合到第一电力电池，第一电流传感器电路包括第一电流传感器和电源；（e）将第一电流传感器耦合到第一电力电池的第一输出端子；（f）将第一电流传感器电路的电源耦合到第一电力电池的参考节点或浮动地节点，其中，第一电流传感器电路的电源将电力提供到第一电流传感器；以及（g）使用第一电流传感器以测量第一输出电流。

根据下面的详细描述、所附权利要求和随附附图，本发明的其它特征和方面将变得更全面地明显。

附图说明

根据结合后面的附图考虑的后面详细描述，本发明的特征可以被更加清楚地理解，在附图中，贯穿附图，相同的参考标号指明相同的元件，并且在附图中：

图1a是先前已知的多电池电源的框图；

图1b是图1a的先前已知的多电池电源的更详细的框图；

图2是根据本发明的示例多电池电源的框图；

图3a是图2的多电池电源的示例电力电路的框图；

图3b是图2的多电池电源的替换示例电力电路的框图；

图3c是图2的多电池电源的另一替换示例电力电路的框图；

图4a是图2的多电池电源的示例电流传感器电路和电力电池的框图；

图4b是图2的多电池电源的替换示例电流传感器电路和电力电池的框图；

图5是根据本发明的替换示例多电池电源的框图；

图6是图5的多电池电源的示例电力电路的框图；以及

图7是图5的多电池电源的示例电力电池的框图。

具体实施方式

诸如在hammond的美国专利no.5,625,545、aiello等人的美国专利no.6,014,323、hammond的美国专利no.6,166,513、rastogi等人的美国专利no.7,508,147和hammond等人的美国专利no.8,169,107中描述的先前已知的多电池电源使用模块化电力电池来将中等电压电力传递到诸如三相ac马达的负载，上述专利中的每个被针对所有目的在其整体上通过引用而合并于此。

如在此使用的那样，“中等电压”是大于约690v且小于约69kv的电压，并且“低电压”是小于约690v的电压。本领域普通技术人员将理解的是，其它电压水平可以被指定为“中等电压”和“低电压”。例如，在一些实施例中，“中等电压”可以是约1kv和约69kv之间的电压，并且“低电压”可以是小于约1kv的电压。

例如，图1a-1b图解从ac源接收三相电力并且将电力传递到负载12（例如，三相ac马达）的先前已知的多电池电源10。如图1a中示出的那样，多电池电源10包括变压器14、电力电路16、控制器18、电流传感器20和电阻器网络，电阻器网络包括电阻器r1和r2。

如图1b中示出的那样，变压器14包括激发九个次级绕组14s1-14s9的初级绕组14p，并且电力电路16包括分别被耦合到变压器14的次级绕组14s1-14s9的电力电池16a1、16b1、…、16c3。电力电池16a1、16b1、…、16c3被配置为将中等电压输出电力提供到负载12。

特别是，由一组串联连接的电力电池16a1、16b1、…、16c3对电力电路16的每个输出相进行馈送。电力电池16a1、16a2和16a3被串联耦合在第一相组中，电力电池16b1、16b2和16b3被串联耦合在第二相组中，并且电力电池16c1、16c2和16c3被串联耦合在第三相组中。每个相输出电压是相组中的电力电池的输出电压之和。例如，如果电力电池16a1、16b1、…、16c3中的每个具有约600v的最大输出电压幅度，则电力电路16的每个相可以产生在中性之上的约1800v的最大输出电压幅度。在这点上，电力电路16使用电力电池16a1、16b1、…、16c3将中等电压电力传递到负载12，电力电池16a1、16b1、…、16c3包括被额定用于比额定输出电压基本上更低的电压的部件。

电力电池16a1、16b1、…、16c3中的每个被耦合（例如，经由光纤通信链路）到控制器18，控制器18使用电流反馈和电压反馈以控制电力电池16a1、16b1、…、16c3的操作。特别是，电流传感器20b和20c感测电力电路16的输出电流，并且把与感测到的电流对应的输出信号提供到控制器18。通过如下等式来确定与相a对应的电流：

ia=-ib-ic

电流传感器20b和20c的每个可以包括被耦合到低电压供给（例如，±15v）的霍尔效应换能器，并且提供与测量到的电流成比例的低电压输出信号。电流传感器20b和20c的低电压供给和输出信号被直接连接到控制器18。因此，电流传感器20b和20c要求针对用于正常操作的额定输出线路到地电压（例如，2400v）的隔离、以及针对用于在地故障下的操作的额定的线路到线路电压（例如，4160v）的隔离。

然而，在商业上可获得的电流传感器典型地不具有这样的高隔离额定值。作为结果，先前已知的多电池电源典型地使用专门的技术以提供针对电流传感器20b和20c的中等电压隔离，诸如使用通过电流传感器的被屏蔽的线缆。这样的技术要求具有大孔径的电流传感器以容纳被屏蔽的线缆的更大导体尺寸，这增加电流传感器实现的成本和复杂度。

此外，电阻器r1和r2被耦合到电力电路16的输出总线，并且将电压反馈提供到控制器18。典型地，r2>>r1，以使得被衰减的反馈电压信号比电力电路16的额定输出电压更小得多。例如，r1可以是约4.8kω，并且取决于多电池电源10的所要求的输出电压，r2可以在约1.7mω到约21mω之间。为了避免使附图模糊，在图1b中，电阻器r1和r2的单个集合被示出被耦合到电力电路16的单个相输出。典型地，分离的电阻器r1和r2的集合被耦合到电力电路16的每个输出相。

典型地使用高电压电阻器来实现电阻器r2，高电压电阻器包括多个串联耦合的电阻器以缓解潜在的故障效果。高电压电阻器是笨重的，并且包括r1和r2的电阻器网络要求专门的测试以够格用于高电压操作，并且要求多电池电源10的高电压区段中的专用空间。此外，因为多电池电源10可以被用于提供一定范围的输出电压，所以必须取决于所要求的输出电压而使用不同的r2值。

进一步地，到电阻器r2的高电压连接、以及到电阻器r1和控制器18的低电压反馈连接要求通过其中存在高电压的机柜的小心的路线。低电压布线的这样的路线可能将噪声引入到反馈信号中。所有这些因素增加使用衰减器电阻器来实现电压感测的成本和复杂度。

根据本发明的设备和方法使用由其电流正在被测量的电力电池供电并且被耦合到该电力电池的电流传感器电路来提供用于多电池电源的电流反馈。根据本发明，这样的电流传感器电路要求针对电力电池的额定电压的隔离，并且不要求针对电源的额定输出线路到地电压或额定线路到线路电压的隔离。

此外，根据本发明的设备和方法使用如下的电力电池来提供用于多电池电源的电压反馈，电力电池的每个包括被耦合在电力电池的输出端子和电力电池的浮动地端子之间的电阻器网络。每个电力电池中的电阻器网络提供用于电力电池的电压反馈信号。用于相组中的每个电力电池的电压反馈信号可以被添加以确定用于该相组的电压反馈信号。作为结果，每个电力电池中的电阻器网络可以使用常规的电阻器而非在先前已知的多电池电源中要求的高电压电阻器。

现在参照图2，描述根据本发明的示例多电池电源100a。多电池电源100a包括变压器14、电力电路160、控制器18以及反馈电阻器r1和r2。如在下面更详细地描述的那样，不像图1a的先前已知的多电池电源10，多电池电源100a不包括被耦合到电力电路160的输出总线的电流传感器20。

现在参照图3a，描述电力电路160的示例实施例。电力电路160a包括被耦合到变压器14（为了避免使附图模糊，未示出变压器14）并且经由通信链路而被耦合到控制器18的九个电力电池16a1、16b1、…、16c3。本领域普通技术人员将理解的是，可以使用比九个电力电池16a1、16b1、…、16c3更多或更少的电力电池。此外，本领域普通技术人员将理解的是，变压器14可以包括初级绕组14p和次级绕组14s1-14s9的不同配置，并且可以包括与图1b中描绘的那些不同的比九个次级绕组14s1-14s9更多或更少的次级绕组。

由一组串联连接的电力电池16a1、16b1、…、16c3来对电力电路160a的每个输出相进行馈送。电力电池16a1、16a2和16a3被耦合在第一相组中，电力电池16b1、16b2和16b3被耦合在第二相组中，并且电力电池16c1、16c2和16c3被耦合在第三相组中，其中三个相组以y字形连接接合在参考节点42处。本领域普通技术人员将理解的是，可以使用比三个输出相更多或更少的输出相。

电力电路160a还包括被耦合到电流传感器20b1和20c1、电力电池16c1、控制器18和参考节点42的电流感测电路40。电流传感器20b1和20c1可以是任何常规的电流传感器，诸如瑞士日内瓦lem控股sa（holdingsa）的lt2005-s电流换能器。本领域普通技术人员将理解的是，可以使用其它电流传感器。电流传感器20b1和20c1邻近于参考节点42，并且每个具有电力端子p并且在输出端子m处提供测量输出信号。

现在参照图4a，描述示例电流传感器电路40。电流传感器电路40包括电源44、处理器46和光纤光学接口48。电源44包括被耦合到被输入到电力电池16c1的三个相中的一个或更多个相的第一输入信号、和被耦合到参考节点42的第二输入信号，并且将电力（例如，±15vdc）提供到电流传感器20b1和20c1的电力端子p。电源44可以是任何常规的ac-dc转换器或其它类似的电源。

处理器46具有被耦合到电流传感器20b1和20c1的输出端子m的输入端子，并且具有被耦合到光纤光学接口48的输出端子。处理器46经由光纤光学接口48把测量到的输出信号从电流传感器20b1和20c1提供到控制器18。处理器46可以是微处理器（诸如得克萨斯州达拉斯德克萨斯仪器（texasinstruments,dallas,tx）的tms320f2801处理器）、可以被配置为执行处理器的功能的可编程门阵列器件（诸如来自阿尔特拉（altera）或赛灵思（xilinx）的fpga）、用以经光纤光学器件传送感测到的反馈的具有v/f转换器的基于运算放大器的电路，或其它类似的处理器或电路。光纤光学接口48被耦合在处理器46和控制器18之间，并且在电流传感器电路40和控制器18之间提供电隔离。光纤光学接口48可以是加利福尼亚圣何塞安华高科技（avagotechnologies,sanjose,ca）的afbr2624z/afbr1624z光纤光学接收器/发射器对，或者可以是任何其它类似的光纤光学接口。

电力电池16c1可以是包括整流器50、（多个）dc总线电容器52、逆变器58、处理器56和光纤光学接口58的常规电力电池。整流器50将三相输入ac信号转换为被耦合到（多个）dc总线电容器52的基本上恒定的dc电压。逆变器54把跨（多个）dc总线电容器52的dc电压转换为ac输出。整流器50、（多个）dc总线电容器52和逆变器54具有公共的浮动地节点。电力电池16c1的第一输出端子被耦合到参考节点（y字形连接）42，并且电力电池16c1的第二输出端子被耦合到电力电池16c2（在图4a中未示出）。

处理器56可以经由光纤光学接口58而被耦合到控制器18。处理器可以是tms320f2801处理器，或者可以是任何其它类似的处理器。光纤光学接口58可以是afbr2624z/afbr1624z光纤光学接收器/发射器对，或者可以是任何其它类似的光纤光学接口。处理器56可以将关于电力电池16c1的状态信息通信到控制器18，并且控制器18可以将控制信号通信到处理器56以控制电力电池16c1的操作。

电流传感器20b1被耦合在电力电池16b1的第一输出端子和参考节点42之间，电流传感器20c1被耦合在电力电池16c1的第一输出端子和参考节点42之间，并且电源44被耦合到参考节点42。这使电流传感器20b1和20c1上的隔离电压压力均衡。

此外，针对电流传感器20b1和20c1中的每个的隔离要求等于电力电池16c1的额定输出电压（例如，480v）。相比之下，图1a-1b的先前已知的多电池电源10的电流传感器20b和20c在正常操作期间要求针对额定输出到地电压（例如，2400v）的隔离，或者在异常操作期间（诸如在输出地故障条件下）要求针对多电池电源10的额定线路—线路电压（例如，4160v）的隔离。因此，针对电流传感器20b1和20c1的隔离要求比针对先前已知的多电池电源10的电流传感器20b和20c的所要求的隔离更低得多。此外，针对电流传感器20b1和20c1的隔离要求不受多电池电源100a的额定输出电压影响或者不受在多电池电源100a的输出总线上使用的被屏蔽的导体的尺寸影响。

根据本发明，电流传感器20b1测量电力电池16b1的输出电流，并且电流传感器20c1测量电力电池16c1的输出电流。电力电池16b1的测量到的输出电流基本上等于电力电路160a的“b”相输出电流，并且电力电池16c1的测量到的输出电流基本上等于电力电路160a的“c”相输出电流。因此，电力电路160a在不要求电流传感器20b1和20c1的高电压隔离的情况下将电流反馈提供到控制器18。

现在参照图3b，描述电力电路160的替换示例实施例。特别是，电力电路160b包括被耦合到电流传感器20b1和电力电池16b1的第一电流传感器电路40b1、以及被耦合到电流传感器20c1和电力电池16c1的第二电流传感器电路40c1。在这点上，电流传感器20b1和20c1中的每个由对对应的电力电池进行供给的源供电，并且分别测量电力电池16b1和16c1的输出电流。

现在参照图4b，描述示例电流传感器电路40c1。电流传感器电路40c1包括电源44，电源44具有被耦合到被输入到电力电池16c1的三相中的一个或更多个相的第一输入信号、被耦合到电力电池16c1的浮动地的第二输入信号，并且将电力（例如，±15vdc）提供到电流传感器20c1的电力端子p。电流传感器20c1的输出端子m被耦合到电力电池16c1的处理器56的输入端子。

处理器56经由光纤光学接口58把测量到的输出信号从电流传感器20c1提供到控制器18。在这点上，第二电流传感器电路40c1不要求它自己专用的处理器和光纤光学链路，但是替代地使用电力电池16c1的现存的处理器56和光纤光学链路58以将电流传感器20c1的测量到的输出信号通信到控制器18。尽管在图4b中未示出，但是第一电流传感器电路40b1可以与第二电流传感器电路40c1相同，并且可以使用电力电池16b1的处理器和光纤光学链路以将电流传感器20b1的测量到的输出信号通信到控制器18。针对图3b中的电流传感器20b1和20c1中的每个的隔离要求分别等于电力电池16b1和16c1的额定输出电压（例如，480v）。

根据本发明，电流传感器20b1测量电力电池16b1的输出电流，并且电流传感器20c1测量电力电池16c1的输出电流。电力电池16b1的测量到的输出电流基本上等于电力电路160b的“b”相输出电流，并且电力电池16c1的测量到的输出电流基本上等于电力电路160a的“c”相输出电流。因此，电力电池16b1和16c1在不要求与电力电路的额定电压（例如，2400v）对应的高电压隔离的情况下把电流反馈提供到控制器18。

根据本发明的电力电池可以包括比两个电流传感器更多的电流传感器。例如，现在参照图3c，描述电力电路160的另一替换示例实施例。特别是，电力电路160c包括分别被耦合到对应的电力电池16a1、16b1、…、16b3、16c3并且分别被耦合到对应的电流传感器20a1、20b1、…、20b3、20c3的电流传感器电路40a1、40b1、…、40b3、40c3。

在这点上，每个电流传感器20a1、20b1、…、20b3、20c3分别由对应的电力电池16a1、16b1、…、16b3、16c3的输出电流供电并且测量对应的电力电池16a1、16b1、…、16b3、16c3的输出电流。此外，电力电池16a1、16b1、…、16b3、16c3被用于分别将对应的电流传感器20a1、20b1、…、20b3、20c3的测量到的输出信号通信到控制器18。这样的配置可以被用于提供用于电流感测的冗余。如在图3a和图3b的实施例中那样，针对图3c中的电流传感器20a1、20b1、…、20b3、20c3中的每个的隔离要求分别等于对应的电力电池16a1、16b1、…、16b3、16c3的额定输出电压（例如，480v）。

本领域普通技术人员将理解，分离的电流传感器20a1、20b1、…、20b3、20c3和电流传感器电路40a1、40b1、…、40b3、40c3可以取决于想要的冗余的量而在全部的电力电池电力电池16a1、16b1、…、16b3、16c3的情况下或者在少于全部的电力电池16a1、16b1、…、16b3、16c3的情况下被使用。

现在参照图5，描述根据本发明的替换示例多电池电源100b。多电池电源100b包括变压器14、电力电路260和控制器18。如下面更详细地描述的那样，不像图1a的先前已知的多电池电源10和图2的示例多电池电源100a，多电池电源100b不包括被耦合到电力电路260的输出总线的电阻器r1和r2。

现在参照图6，描述电力电路260的示例实施例。电力电路260包括被耦合到变压器14（为了避免使附图模糊，未示出变压器14）并且还经由通信链路而被耦合到控制器18的九个电力电池16a1’、16b1’、…、16c3’。本领域普通技术人员将理解，可以使用比九个电力电池16a1’、16b1’、…、16c3’更多或更少的电力电池。本领域普通技术人员将理解，变压器14可以包括初级绕组14p和次级绕组14s1-14s9的不同配置，并且可以包括与在图1b中描绘的那些不同的比九个次级绕组14s1-14s9更多或更少的次级绕组。

由一组串联连接的电力电池16a1’、16b1’、…、16c3’对电力电路260的每个输出相进行馈送。电力电池16a1’、16a2’和16a3’被耦合在第一相组中，电力电池16b1’、16b2’和16b3’被耦合在第二相组中，并且电力电池16c1’、16c2’和16c3’被耦合在第三相组中个，其中三个相组以y字形连接而与参考节点42接合。本领域普通技术人员将理解可以使用比三个输出相更多或更少的输出相。

此外，第一电流传感器电路40b1被耦合到电流传感器20b1和电力电池16b1’，并且第二电流传感器电路40c1被耦合到电流传感器20c1和电力电池16c1’。在这点上，电流传感器20b1和20c1中的每个由对电力电池进行供给的输入源来供电，并且分别测量电力电池16b1’和16c1’的输出电流。本领域普通技术人员将理解，电流传感器20b1和20c1替换地可以被耦合到单个电力电池16b1’（诸如在图3a的实施例中）。类似地，分离的电流传感器20a1、20b1、…、20b3和20c3替换地可以分别由对应的电力电池16a1’、16b1’、…、16b3’和16c3’来供电（诸如在图3c的实施例中）。

现在参照图7，描述示例电力电池16c1’。电力电池16c1’类似于图4a的电力电池16c1，但是还包括被耦合在逆变器54的第一输出端子和电力电池16c1’的浮动地节点之间的第一电阻器网络r1a’和r2a’、以及被耦合在逆变器54的第二输出端子和电力电池16c1’的浮动地节点之间的第二电阻器网络r1b’和r2b’。

第一电阻器网络r1a’和r2a’将第一电压反馈信号vc1a提供到处理器56，并且第二电阻器网络r1b’和r2b’将第二电压反馈信号vc1b提供到处理器56。处理器56经由光纤光学接口58将电压反馈信号vc1a和vc1b通信到控制器18。对于具有单极输出的电力电池（其中两个端子之一作为参考节点）而言，r1a’和r2a’的单个电阻器网络足以提供电压反馈。

再次参照图6，电力电池16a1’、16b1’、…、16b3’、16c3’中的每个类似地将对应的电压反馈信号通信到控制器18，控制器18通过对来自电力电池16a1’、16b1’、…、16b3’和16c3’的各个电压反馈信号求和来重构电力电路260的总电压反馈信号。例如，针对每个相的电压反馈信号可以被确定为：

其中，va1a和va1b是电力电池16a1’的电压反馈信号，va2a和va2b是电力电池16a2’的电压反馈信号，va3a和va3b是电力电池16a3’的电压反馈信号，vb1a和vb1b是电力电池16b1’的电压反馈信号，vb2a和vb2b是电力电池16b2’的电压反馈信号，vb3a和vb3b是电力电池16b3’的电压反馈信号，vc1a和vc1b是电力电池16c1’的电压反馈信号，vc2a和vc2b是电力电池16c2’的电压反馈信号，并且vc3a和vc3b是电力电池16c3’的电压反馈信号。

再次参照图7，因为第一电阻器网络r1a’和r2a’、以及第二电阻器网络r1b’和r2b’的每个被耦合在逆变器54的输出端子和电力电池16c1’的浮动地节点之间，因此可以基于电力电池16c1’的固定额定输出电压（例如，480v）来对电阻器r1a’、r2a’、r1b’和r2b’设定尺寸。例如，r1a’和r1b’的每个可以是约4.8kω，并且取决于电力电池16c1’的额定电压，r2a’和r2b’的每个可以在约300kω到约1mω之间。

作为结果，r2a’和r2b’可以是更容易地可获得的，并且处于比在先前已知的多电池电源10中使用的电阻器r2更低的成本。进一步地，尽管取决于先前已知的多电池电源10的额定输出电压而要求电阻器r2的多个值，但是在图5的示例多电池电源100b中，基于电力电池16a1’、16b1’、…、16b3’和16c3’的固定额定电压而要求电阻器r2a’和r2b’的单个值。而且，在不需要附加的线路或部件的情况下通过电力电池16a1’、16b1’、…、16b3’和16c3’中的每个内的现存的光纤光学通信链路来实现控制器18和多电池电源100b的输出电压之间的隔离。

前述仅仅图解了本发明的原理，并且在不背离本发明的范围和精神的情况下可以由本领域普通技术人员作出各种修改。

例如，根据本发明的模块化的中等电压电源利用h桥逆变器作为被串联连接以形成中等电压输出的、在电力电池中的模块化部件。其它电源电路使用用于该模块化部件的不同结构（诸如半桥逆变器或中性点钳位逆变器）以提供中等电压输出。根据本发明的电流传感器电路实现可以被合并到这些电源电路中以提供更低复杂度和成本的相同优点。

此外，根据本发明的电源可以被耦合在源和负载之间，并且可以在这两者之间提供单向的或双向的电力流动。