专利名称：：紧凑型电源的利记博彩app
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。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。
发明内容根据本发明，提供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，在电路中连接至所述负载；以及电路元件，介于所述存储元件中的至少一个与所述负载之间，且可操作来将所述能量存储元件中的所述的一个从那里隔开，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所述特性相匹配。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。具体实施例方式参考图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(61)提供给致动机构(62)的电力的量。电力驱动器(52)，可以是例如，但并非将当前的说明限制于下面的型号，来自ELMOMotionControl的PIC25/50。使用传感器(42)的控制系统(40)的示例在stéphaneBédard在2003年6月20日提交的题为“CONTROLSYSTEMANDMETHODFORCONTROLLINGANACTUATEDPROSTHESIS”，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stéphaneBédard等在2003年6月17日提交的题为“ACTUATEDPROSTHESISFORABOVE-KNEEAMPUTEES”，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，正是主电流包络再现了步态或截肢者的运动。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。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，但并非将当前的说明限制于下面的型号，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KokamEngineering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PCM(120、130、140和150)来监视的，例如，但并非将当前的说明限制于下面的型号，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)，以便限制电池(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，浪涌高电流部分地由超级电容器(200)输出，例如，但并非将当前的说明限制于下面的型号，来自EvansCapacitor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。因此较高频率的浪涌高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的电容器的总电容是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，但是并非将当前的说明限制于下面的型号，来自APIDelevan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。电流保护/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(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将充电时间调节至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，DSP(910)执行算法来确定电力饱和控制线(916)的适当电平。可以由DSP(910)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，Vbati(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，MeanVbati(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MeanVbati(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MeanVbati(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，Vbati(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Vbat(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Vbat(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Vbat(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Vbat(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Ibat=Vbat(weighted)-MinVbat(acceptable)Rt]]>等式1其中Ibat是电池(100)电流，Rt是电池(100)的等效电阻；Iav=Iav+G1(Ibat-G2Iav)F]]>等式2其中Iav是可用电流，G1和G2是增益函数，F是采样频率；以及PmaxSat＝Iav·Vbat(weighted)等式3等式2的增益函数G1和G2可像这样来计算G2=1GA]]>G1=2πfcG2]]>等式4其中GA是所期望的系统增益，并且Fc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，但并非将当前的说明限制于下面的型号，DATELTWR-3.3/4-12/300-D4。使用DC/DC转换器(950)的优点是将DSP(910)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。因此，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。权利要求1.一种向负载提供电力的电源，该电源包括多个能量存储元件，每一能量存储元件具有不同的工作特性并再电路中连接至所述负载；以及电路元件，介于所述存储元件中的至少一个与所述负载之间，且可操作来将所述能量存储元件中的所述的一个从那里隔开，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所述特性相匹配。2.如权利要求1所述的电源，其中所述存储元件是并联连接的，并且所述电路元件介于一对所述存储元件之间。3.如权利要求2所述的电源，包括监视所述能量存储元件中的一个并根据所述负载改变其需求的电力监视单元。4.如权利要求3所述的电源，其中所述电力监视单元确定要提供应给所述负载的最大电流。5.如权利要求3所述的电源，其中所述电力监视单元可操作来在达到预定的条件时将所述一个能量存储单元从所述电路断开连接。6.如权利要求2所述的电源，其中所述一个能量存储元件可操作来补充所述能量存储元件中的其它能量存储元件中的能量。7.如权利要求6所述的电源，其中从所述一个存储元件到所述存储元件中的其它存储元件的电力供应被限制，以与所述一个存储元件的特性相匹配。8.如权利要求所述的电源，其中所述电路元件是电感器。9.如权利要求1所述的电源，其中能量存储元件包括至少一个电池单元。10.如权利要求9所述的电源，还包括连接在至少一个所述电池单元和所述负载之间的二极管；其中二极管抑制从负载到所述至少一个电池的浪涌电流。11.如权利要求9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。12.如权利要求1所述的电源，其中所述能量存储元件包括至少一个超级电容器。13.如权利要求1所述的电源，其中所述能量存储元件包括至少一个电解电容器。14.如权利要求1所述的电源，还包括至少一个浪涌电流限制器，连接至至少一个所述能量存储元件。15.如权利要求1所述的电源，还包括连接至所述总线的分流控制器，该分流控制器具有关联的电阻器和关联的开关；其中该分流控制器监视电源的电压电平，并响应达到预置最大电压电平而闭合其关联的开关，分流控制器关联开关的闭合导致能量消耗到其关联的电阻器中。16.如权利要求1所述的电源，其中从所述能量存储元件到所述负载的电力供应是由电力驱动控制器来控制的，该电力驱动控制器可操作来使来自所述存储元件的电流要求与所述负载的要求相匹配。17.如权利要求16所述的电源，其中至少一个所述能量存储元件是由电力监视单元监视的，以使所述控制器的要求与可用的电力相匹配。18.如权利要求17所述的电源，其中所述电力监视单元向电力驱动控制器提供控制信号，指示所述存储元件中所述一个的电力饱和电平。全文摘要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。文档编号H02J7/34GK1879277SQ200380110709公开日2006年12月13日申请日期2003年12月22日优先权日2003年11月18日发明者斯特凡·贝达尔,西尔万·加涅申请人:维克多姆人体机械公司