一种用于电动钻具的井下电源系统

摘要

本发明公开了一种用于电动钻具的井下电源系统，包括AC‑DC整流器、DC‑DC直流变换器、电机供电模块和电机控制器，其中，AC‑DC整流器，用于将电网提供的交流信号转换为第一直流信号；DC‑DC直流变换器，用于将第一直流信号转换为第二直流信号；电机供电模块，用于形成第三直流信号；电机控制器，用于根据第二直流信号和/或第三直流信号控制电动钻具作业；其中，电机供电模块，包括锂电池、超级电容和若干开关，通过控制所有开关的关断与导通，以实现电机供电模块中锂电池和超级电容在不同功率需求下工作模式的自适应电路选择，形成对应的第三直流信号。本发明可以实现井下大功率需求场景供电。

权利要求

1.一种用于电动钻具的井下电源系统，其特征在于，包括AC‑DC整流器、DC‑DC直流变换器、电机供电模块和电机控制器，其中，所述AC‑DC整流器，用于将电网提供的交流信号转换为第一直流信号；

所述DC‑DC直流变换器，用于将所述第一直流信号转换为第二直流信号；

所述电机供电模块，用于形成第三直流信号；

所述电机控制器，用于根据所述第二直流信号和/或所述第三直流信号控制电动钻具作业；

其中，所述电机供电模块，包括锂电池、超级电容和若干开关，通过控制所有开关的关断与导通，以实现所述电机供电模块中锂电池和超级电容在不同功率需求下工作模式的自适应电路选择，形成对应的所述第三直流信号；所述电机供电模块包括：锂电池、超级电容、电感L、开关S1、开关S2、开关S3、晶体管M、二极管D1、二极管D2和二极管D3，其中，所述锂电池的一端与所述开关S1的一端、所述开关S2的一端、所述电感L的一端、所述二极管D1的负极和所述二极管D2的正极连接，所述锂电池的另一端与所述开关S3的一端、所述晶体管M的源极和所述电机控制器的负极连接，所述超级电容的一端与所述开关S1的另一端、所述开关S3的另一端和所述二极管D1的正极连接，所述超级电容的另一端与所述开关S2的另一端、所述二极管D2的负极、所述二极管D3的负极和所述电机控制器的正极连接，所述电感L的另一端与所述晶体管M的漏极和所述二极管D3的正极连接。

2.根据权利要求1所述的用于电动钻具的井下电源系统，其特征在于，还包括电机功率检测单元，所述电机功率检测单元并联于所述电机控制器的两端，用于检测电机控制器两侧功率需求；

所述电机供电模块还包括超级电容电压检测单元，所述超级电容电压检测单元并联于所述超级电容的两端，用于实时检测所述超级电容两侧电压；

对应的，所述电机供电模块，还用于根据检测到的电机控制器两侧功率和所述超级电容两侧电压控制所有开关的关断与导通，以实现所述电机供电模块中锂电池和超级电容在不同功率需求下工作模式的自适应电路选择，形成对应的所述第三直流信号。

3.根据权利要求2所述的用于电动钻具的井下电源系统，其特征在于，所述电机供电模块还包括电源控制器，用于生成控制信号，通过所述控制信号控制所述开关S1、所述开关S2、所述开关S3和所述晶体管M的关断与导通，其中，所述电源控制器的输入端与所述电机功率检测单元的输出端和所述超级电容电压检测单元的输出端连接，所述电源控制器的输出端分别与所述开关S1的控制端、所述开关S2的控制端、所述开关S3的控制端和所述晶体管M的栅极连接。

4.根据权利要求2所述的用于电动钻具的井下电源系统，其特征在于，实现所述电机供电模块中锂电池和超级电容在不同功率需求下工作模式的自适应电路选择的过程，包括：所述电机功率检测单元实时检测所述电机控制器两端的功率处于哪个预设功率范围：

若处于第一预设功率范围，则所述电机供电模块通过所述二极管D2工作在锂电池直接输出工作模式；

若处于第二预设功率范围，则所述超级电容电压检测单元实时检测所述超级电容的电压是否达到预设参考值，若未达到，则控制所述开关S1、所述开关S2和所述开关S3均关断，同时控制所述晶体管M高频导通和关断，此时所述电机供电模块通过所述二极管D3工作在锂电池升压输出工作模式，并向所述超级电容充电，若达到，则控制所述开关S1、所述开关S2和所述晶体管M均关断，同时控制所述开关S3导通，此时所述电机供电模块工作在超级电容和锂电池并联输出工作模式；

若处于第三预设功率范围，则所述超级电容电压检测单元实时检测所述超级电容的电压是否达到预设参考值，若未达到，则控制所述开关S1、所述开关S2和所述开关S3均关断，同时控制所述晶体管M高频导通和关断，此时所述电机供电模块通过所述二极管D3继续工作在锂电池升压输出工作模式，并向所述超级电容充电，若达到，则控制所述开关S1导通，同时控制所述开关S2、所述开关S3和所述晶体管M均关断，此时所述电机供电模块工作在超级电容和锂电池的串联输出工作模式。

5.根据权利要求4所述的用于电动钻具的井下电源系统，其特征在于，实现所述电机供电模块中锂电池和超级电容在不同功率需求下工作模式的自适应选择的过程，还包括：当所述电机功率检测单元检测所述电机控制器两端的功率小于零，且所述超级电容电压检测单元检测所述超级电容的电压未达到预设参考值时，控制所述开关S1、所述开关S2、所述开关S3和所述晶体管M均关断，此时所述电机供电模块通过所述二极管D1工作在锂电池和超级电容串联回收模式；

当所述超级电容电压检测单元检测所述超级电容的电压达到预设参考值时，控制所述开关S2导通，同时控制所述开关S1、所述开关S3和所述晶体管M均关断，此时所述电机供电模块工作在锂电池单独回收模式。

6.根据权利要求2所述的用于电动钻具的井下电源系统，其特征在于，根据所述第二直流信号和/或所述第三直流信号控制电动钻具作业的过程，包括：电动钻具开始作业前，根据所述第二直流信号向所述锂电池充电，所述井下电源系统工作在电网充电模式；

电动钻具开始作业后，所述电机功率检测单元实时检测所述电机控制器两端的功率是否达到预设功率阈值，若未达到，则根据所述第二直流信号控制所述电动钻具作业，所述井下电源系统工作在电网单独工作模式，若达到，则根据所述第二直流信号和所述第三直流信号共同控制所述电动钻具作业，所述井下电源系统工作在电网与电机供电模块协同工作模式。

7.根据权利要求6所述的用于电动钻具的井下电源系统，其特征在于，若电网供电异常时，对应的根据所述第二直流信号和/或所述第三直流信号控制电动钻具作业的过程，还包括：电动钻具开始作业后，根据所述第三直流信号控制所述电动钻具作业，所述井下电源系统工作在所述电机供电模块单独工作模式。

8.根据权利要求1所述的用于电动钻具的井下电源系统，其特征在于，所述AC‑DC整流器、所述DC‑DC直流变换器、所述电机供电模块和所述电机控制器均置于井下电源保护仓中。

9.根据权利要求1所述的用于电动钻具的井下电源系统，其特征在于，所述电动钻具内置有电缆，所述电网通过所述电缆传输提供的交流信号。

说明书

一种用于电动钻具的井下电源系统

技术领域

[0001] 本发明属于油田钻采技术领域，具体涉及一种用于电动钻具的井下电源系。

背景技术

[0002] 近年来，锂电池技术取得了快速的发展和大量的推广应用，比如油田开采钻井过程中井下仪器的供电大多会采用锂电池供电方式。由于具备高能量密度的锂电池功率密度依旧偏低，使得锂电池供电解决不了现有井下大功率仪器用电的需求，具备超高功率密度的功率辅助输出装置逐渐开始被重视，比如超级电容。但是，目前的供电都是根据实际需求设计只具有锂电池或超级电容供电的电源系统，其并未综合考虑锂电池能量密度大、超级电容功率密度大的优势，使得供电中锂电池和超级电容利用率比较低，并不能有效解决井下大功率需求的问题。因此，如何巧妙设计包括锂电池和超级电容的复合供电电路，并在合适的控制策略下，实现不同功率需求下复合供电电路的自适应选择，从而提高锂电池和超级电容的利用率，实现不同功率需求场景的供电，尤其是爆炸性大功率需求场景的供电成为现在研究的热点。

发明内容

[0003] 为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于电动钻具的井下电源系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

[0004] 本发明实施例提供了一种用于电动钻具的井下电源系统，包括：

[0005] 包括AC‑DC整流器、DC‑DC直流变换器、电机供电模块和电机控制器，其中，[0006] 所述AC‑DC整流器，用于将电网提供的交流信号转换为第一直流信号；

[0007] 所述DC‑DC直流变换器，用于将所述第一直流信号转换为第二直流信号；

[0008] 所述电机供电模块，用于形成第三直流信号；

[0009] 所述电机控制器，用于根据所述第二直流信号和/或所述第三直流信号控制电动钻具作业；

[0010] 其中，所述电机供电模块，包括锂电池、超级电容和若干开关，通过控制所有开关的关断与导通，以实现所述电机供电模块中锂电池和超级电容在不同功率需求下工作模式的自适应电路选择，形成对应的所述第三直流信号。

[0011] 在本发明的一个实施例中，还包括电机功率检测单元，所述电机功率检测单元并联于所述电机控制器的两端，用于检测电机控制器两侧功率需求；

[0012] 所述电机供电模块还包括超级电容电压检测单元，所述超级电容电压检测单元并联于所述超级电容的两端，用于实时检测所述超级电容两侧电压；

[0013] 对应的，所述电机供电模块，还用于根据检测到的电机控制器两侧功率和所述超级电容两侧电压控制所有开关的关断与导通，以实现所述电机供电模块中锂电池和超级电容在不同功率需求下工作模式的自适应电路选择，形成对应的所述第三直流信号。

[0014] 在本发明的一个实施例中，所述电机供电模块包括：锂电池、超级电容、电感L、开关S1、开关S2、开关S3、晶体管M、二极管D1、二极管D2和二极管D3，其中，

[0015] 所述锂电池的一端与所述开关S1的一端、所述开关S2的一端、所述电感L的一端、所述二极管D1的负极和所述二极管D2的正极连接，所述供锂电池的另一端与所述开关S3的一端、所述晶体管M的源极和所述电机控制器的负极连接，所述超级电容的一端与所述开关S1的另一端、所述开关S3的另一端和所述二极管D1的正极连接，所述超级电容的另一端与所述开关S2的另一端、所述二极管D2的负极、所述二极管D3的负极和所述电机控制器的正极连接，所述电感L的另一端与所述晶体管M的漏极和所述二极管D3的正极连接。

[0016] 在本发明的一个实施例中，所述电机供电模块还包括电源控制器，用于生成控制信号，通过所述控制信号控制所述开关S1、所述开关S2、所述开关S3和所述晶体管M的关断与导通，其中，

[0017] 所述电源控制器的输入端与所述电机功率检测单元的输出端和所述超级电容电压检测单元的输出端连接，所述电源控制器的输出端分别与所述开关S1的控制端、所述开关S2的控制端、所述开关S3的控制端和所述晶体管M的栅极连接。

[0018] 在本发明的一个实施例中，实现所述电机供电模块中锂电池和超级电容在不同功率需求下工作模式的自适应电路选择的过程，包括：

[0019] 所述电机功率检测单元实时检测所述电机控制器两端的功率处于哪个预设功率范围：

[0020] 若处于第一预设功率范围，则所述电机供电模块通过所述二极管D2工作在锂电池直接输出工作模式；

[0021] 若处于第二预设功率范围，则所述超级电容电压检测单元实时检测所述超级电容的电压是否达到预设参考值，若未达到，则控制所述开关S1、所述开关S2和所述开关S3均关断，同时控制所述晶体管M高频导通和关断，此时所述电机供电模块通过所述二极管D3工作在锂电池升压输出工作模式，并向所述超级电容充电，若达到，则控制所述开关S1、所述开关S2和所述晶体管M均关断，同时控制所述开关S3导通，此时所述电机供电模块工作在超级电容和锂电池并联输出工作模式；

[0022] 若处于第三预设功率范围，则所述超级电容电压检测单元实时检测所述超级电容的电压是否达到预设参考值，若未达到，则控制所述开关S1、所述开关S2和所述开关S3均关断，同时控制所述晶体管M高频导通和关断，此时所述电机供电模块通过所述二极管D3继续工作在锂电池升压输出工作模式，并向所述超级电容充电，若达到，则控制所述开关S1导通，同时控制所述开关S2、所述开关S3和所述晶体管M均关断，此时所述电机供电模块工作在超级电容和锂电池的串联输出工作模式。

[0023] 在本发明的一个实施例中，实现所述电机供电模块中锂电池和超级电容在不同功率需求下工作模式的自适应选择的过程，还包括：

[0024] 当所述电机功率检测单元检测所述电机控制器两端的功率小于零，且所述超级电容电压检测单元检测所述超级电容的电压未达到预设参考值时，控制所述开关S1、所述开关S2、所述开关S3和所述晶体管M均关断，此时所述电机供电模块通过所述二极管D1工作在锂电池和超级电容串联回收模式；

[0025] 当所述超级电容电压检测单元检测所述超级电容的电压达到预设参考值时，控制所述开关S2导通，同时控制所述开关S1、所述开关S3和所述晶体管M均关断，此时所述电机供电模块工作在锂电池单独回收模式。

[0026] 在本发明的一个实施例中，根据所述第二直流信号和/或所述第三直流信号控制电动钻具作业的过程，包括：

[0027] 电动钻具开始作业前，根据所述第二直流信号向所述锂电池充电，所述井下电源系统工作在电网充电模式；

[0028] 电动钻具开始作业后，所述电机功率检测单元实时检测所述电机控制器两端的功率是否达到预设功率阈值，若未达到，则根据所述第二直流信号控制所述电动钻具作业，所述井下电源系统工作在电网单独工作模式，若达到，则根据所述第二直流信号和所述第三直流信号共同控制所述电动钻具作业，所述井下电源系统工作在电网与电机供电模块协同工作模式。

[0029] 在本发明的一个实施例中，若电网供电异常时，对应的根据所述第二直流信号和/或所述第三直流信号控制电动钻具作业的过程，还包括：

[0030] 电动钻具开始作业后，根据所述第三直流信号控制所述电动钻具作业，所述井下电源系统工作在所述电机供电模块单独工作模式。

[0031] 在本发明的一个实施例中，所述AC‑DC整流器、所述DC‑DC直流变换器、所述电机供电模块和所述电机控制器均位于井下电源保护仓中。

[0032] 在本发明的一个实施例中，所述电动钻具内置有电缆，所述电网通过所述电缆传输提供的交流信号。

[0033] 本发明的有益效果：

[0034] 本发明提出的用于电动钻具的井下电源系统，电网与电机供电模块协同供电可以满足大功率需求场景，尤其是电机供电模块综合利用锂电池能量密度大、超级电容功率密度大的优势，设计了包括锂电池、超级电容和若干开关的电机供电模块，该电机供电模块是一种电路结构简单、设计巧妙的复合电路结构，巧妙设计所有开关的关断与导通控制策略，可以实现电机供电模块中锂电池和超级电容在不同功率需求下工作模式的自适应电路选择，提高了锂电池和超级电容的利用率，且满足了电动钻具的不同场景功率需求，尤其是爆炸性大功率需求场景，并降低了井下电源系统在使用过程中可能存在的不必要功率损耗；本发明提出的井下电源系统，可以应对外部电网供电出现的异常情况，当外部电网供电出现异常时，设计的电机供电模块可以单独正常供电于电动钻具，避免了电动钻机因为电网突然断电存在的一系列危险事件，且由于电机供电模块可以独立提供不同功率需求的供电，即使在外部电网供电出现异常情况下，本发明依然可以满足大功率需求场景，具有更好推广应用需求。

[0035] 以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

[0036] 图1是本发明实施例提供的一种用于电动钻具的井下电源系统的结构示意图；

[0037] 图2是本发明实施例提供的电动钻具作业过程中供电方案的流程示意图；

[0038] 图3是本发明实施例提供的一种电机供电模块的具体电路结构示意图；

[0039] 图4是本发明实施例提供的电机供电模块中在不同功率需求下工作模式的自适应电路选择过程示意图；

[0040] 图5(a) 图5(d)是本发明实施例提供的电机供电模块中各种工作模式下对应图3~的简化电路结构示意图；

[0041] 图6是本发明实施例提供的另一种电机供电模块中在不同功率需求下工作模式的自适应电路选择过程示意图；

[0042] 图7是本发明实施例提供的一种电机供电模块的馈能方案流程示意图；

[0043] 图8(a) 图8(b)是本发明实施例提供的电机供电模块中各馈能方案对应图3的简~化电路结构示意图；

[0044] 图9是本发明实施例提供的另一种电动钻具作业过程中供电方案的流程示意图。

具体实施方式

[0045] 下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0046] 为了提高锂电池和超级电容的利用率，设计满足井下大功率需求场景的井下电源系统，请参见图1，本发明实施例提供了一种用于电动钻具的井下电源系统，包括AC‑DC整流器、DC‑DC直流变换器、电机供电模块和电机控制器，其中，

[0047] AC‑DC整流器，用于将电网提供的交流信号转换为第一直流信号；

[0048] DC‑DC直流变换器，用于将第一直流信号转换为第二直流信号；

[0049] 电机供电模块，用于形成第三直流信号；

[0050] 电机控制器，用于根据第二直流信号和/或第三直流信号控制电动钻具作业；

[0051] 其中，电机供电模块，包括锂电池、超级电容和若干开关，通过控制所有开关的关断与导通，以实现电机供电模块中锂电池和超级电容在不同功率需求下工作模式的自适应电路选择，形成对应的第三直流信号。

[0052] 本发明实施例中，AC‑DC整流器、DC‑DC直流变换器可以采用现有电路实现，在此不做详细说明。其中，为了保证井下电源系统的防爆性和安全性，将AC‑DC整流器、DC‑DC直流变换器、电机供电模块和电机控制器均配置于井下电源保护仓中，使得AC‑DC整流器、DC‑DC直流变换器、电机供电模块和电机控制器免受井下恶劣环境的影响，其可以正常工作。井下电源保护仓可以由金属制成，也可以由硬度较强的阻燃、表面电阻率高的塑料制成。

[0053] 本发明实施例中，电动钻具内置有电缆，电网通过该电缆传输其提供的交流信号，且AC‑DC整流器从该电缆提取电网提供的交流信号，并转换为直流信号(第一直流信号)。其中，电网如何传输交流信号，以及AC‑DC整流器如何提取交流信号不是本发明实施例的重点，在此不再赘述，详细信号传输与处理过程可以参见现有技术。

[0054] 通常情况下，井下电源系统可以直接采用将电网提供的交流信号经AC‑DC整流器、DC‑DC直流变换器转换后的目标直流信号(第二直流信号)为电机控制器供电，以控制电动钻具作业。但由于油田现有井场供电条件有限，使得现有电网供电无法满足钻采过程中出现的大功率需求场景。为此，请参见图2，本发明实施例提出了一种电动钻具作业过程中的供电方案，具体地：

[0055] 本发明实施例根据第二直流信号和/或第三直流信号控制电动钻具作业的过程，包括：

[0056] 电动钻具开始作业前，根据第二直流信号向锂电池充电，井下电源系统工作在电网充电模式；

[0057] 电动钻具开始作业后，电机功率检测单元实时检测电机控制器两端的功率是否达到预设功率阈值，若未达到，则根据第二直流信号控制电动钻具作业，井下电源系统工作在电网单独工作模式，若达到，则根据第二直流信号和第三直流信号共同控制电动钻具作业，井下电源系统工作在电网与电机供电模块协同工作模式。

[0058] 由上述可以看出，本发明实施例提供的井下电源系统，根据电动钻具作业情况，可以合理利用电网和/或电机供电模块进行供电：在电动钻具作业前，井下电源系统可以工作在电网充电模式，利用将电网提供的交流信号经AC‑DC整流器、DC‑DC直流变换器转换后的第二直流信号对锂电池进行充电；在电动钻具开始作业后，实时检测电机控制器两端的需求功率，判断当前电网单独供电是否可以满足功率需求，若满足，则井下电源系统继续进行电网单独工作模式，若无法满足，即当前处于大功率需求，单独电网供电已无法满足功率需求，此时井下电源系统需要工作在电网与电机供电模块协同工作模式，利用电网经AC‑DC整流器、DC‑DC直流变换器转换后的第二直流信号，以及电机供电模块形成的第三直流信号共同为电动钻具供电，以实现大功率需求场景。

[0059] 需要说明的是，预设功率阈值为根据实际需求预先设定的参数。比如在本发明实施例中预设参考值可以设定为电网提供的最大功率。

[0060] 进一步地，对于电机供电模块，请参见图3，本发明实施例充分利用了锂电池能量密度大、超级电容功率密度大的优势，设计了包括锂电池、超级电容和若干开关的电机供电模块，通过控制所有开关的关断与导通，以实现电机供电模块中锂电池和超级电容在不同功率需求下工作模式的自适应电路选择，可以满足电动钻具的不同功率需求。具体地：

[0061] 本发明实施例提供了一种可选方案，在电机供电模块中设计有：电机功率检测单元，电机功率检测单元并联于电机控制器的两端，用于检测电机控制器两侧功率需求；以及超级电容电压检测单元，超级电容电压检测单元并联于超级电容的两端，用于实时检测超级电容两侧电压。对应的，电机供电模块根据检测到的电机控制器两侧功率和超级电容两侧电压来控制所有开关的关断与导通，以实现电机供电模块中锂电池和超级电容在不同功率需求下工作模式的自适应电路选择，形成对应的第三直流信号。其中，电机功率检测单元和超级电容电压检测单元具体电路结构不限，实现功率检测、电压检测的电路均可以。

[0062] 本发明实施例提供了一种电机供电模块详细电路设计可选方案，该电机供电模块包括：锂电池、超级电容、电感L、开关S1、开关S2、开关S3、晶体管M、二极管D1、二极管D2和二极管D3，其中，锂电池的一端与开关S1的一端、开关S2的一端、电感L的一端、二极管D1的负极和二极管D2的正极连接，供锂电池的另一端与开关S3的一端、晶体管M的源极和电机控制器的负极连接，超级电容的一端与开关S1的另一端、开关S3的另一端和二极管D1的正极连接，超级电容的另一端与开关S2的另一端、二极管D2的负极、二极管D3的负极和电机控制器的正极连接，电感L的另一端与晶体管M的漏极和二极管D3的正极连接。对应的，请参见图4，实现电机供电模块中锂电池和超级电容在不同功率需求下工作模式的自适应电路选择的过程，包括：

[0063] 电机功率检测单元实时检测电机控制器两端的功率处于哪个预设功率范围：

[0064] 若处于第一预设功率范围，则电机供电模块通过二极管D2工作在如图5(a)所示的锂电池直接输出工作模式；

[0065] 若处于第二预设功率范围，则超级电容电压检测单元实时检测超级电容的电压是否达到预设参考值，若未达到，则控制开关S1、开关S2和开关S3均关断，同时控制晶体管M高频导通和关断，此时电机供电模块通过二极管D3工作在如图5(b)所示的锂电池升压输出工作模式，并向超级电容充电，若达到，则控制开关S1、开关S2和晶体管M均关断，同时控制开关S3导通，此时电机供电模块工作在如图5(c)所示的超级电容和锂电池并联输出工作模式；

[0066] 若处于第三预设功率范围，则超级电容电压检测单元实时检测超级电容的电压是否达到预设参考值，若未达到，则控制开关S1、开关S2和开关S3均关断，同时控制晶体管M高频导通和关断，此时电机供电模块通过二极管D3继续工作在如图5(b)所示的锂电池升压输出工作模式，并向超级电容充电，若达到，则控制开关S1导通，同时控制开关S2、开关S3和晶体管M均关断，此时电机供电模块工作在如图5(d)所示的超级电容和锂电池的串联输出工作模式。

[0067] 这里，对于晶体管M高频关断与导通，本发明实施例采用20kHZ 50kHZ频率的高低~变化电平来控制晶体管M的关断与导通，根据超级电容需要充电的电压大小来调节晶体管M的导通占空比，比如本发明实施例采用调节晶体管M导通占空比为0.5，可以实现2倍于锂电池电压的升压输出。后续电路涉及的锂电池升压输出工作模式均可以采用上述调节晶体管M的导通占空比方式来实现。

[0068] 由上述可以看出，本发明实施例在电机供电模块开始工作后，实时检测电机控制器两端的需求功率，根据当前检测到的需求功率来控制电机供电模块工作在不同的输出工作模式下，具体通过控制开关S1、开关S2、开关S3和晶体管M的关断与导通，使得电机供电模块可以工作在如图5(a)所示的锂电池直接输出工作模式、如图5(c)所示的超级电容和锂电池并联输出工作模式、如图5(d)所示的超级电容和锂电池的串联输出工作模式几种模式下，一个电路可以实现多种输出工作模式，根据不同功率需求自适应选择当前最为合适的电机供电模块进行供电。尤其，本发明实施例提出的电机供电模块可以工作在超级电容和锂电池的串联输出工作模式，其可以应对爆炸性大功率需求场景。

[0069] 本发明实施例中，开关S1、开关S2和开关S3可以为N型或P型沟道的金属‑氧化物半导体场效应晶体管(Metal‑Oxide‑Semiconductor Field‑Effect Transistor，简称MOSFET)，也可以为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)，以及可以采用其他同种作用的开关替代。

[0070] 本发明实施例中，锂电池的额定电压等于超级电容的最大电压，由于锂电池的最大电压比其额定电压高，使得在锂电池升压工作时，可以保证超级电容被充电至最大电压。

[0071] 这里，锂电池也可以为锂电池组，其由若干锂电池串联和/或并联组成；所涉及的锂电池具体可以为高倍率型锂电池。超级电容可以为其他倍率型功率密度储能元件。

[0072] 需要说明的是，预设参考值、第一预设功率范围、第二预设功率范围和第三预设功率范围均为根据实际需求预先设定的参数。比如在本发明实施例中：预设参考值可以设定为超级电容的最大电压的90% 95%；第一预设功率范围可以设定为小于或等于锂电池的最~大工作功率的情况，第一预设功率范围的下限为大小于电网提供的最大功率；第二预设功率范围可以设定为大于锂电池的最大工作功率，且小于或等于锂电池的5倍额定功率的情况；第三预设功率范围可以设定为大于锂电池的额定功率5倍以上的情况。

[0073] 进一步地，经发明人分析发现，在超级电容放电时，当超级电容的电量先于锂电池耗尽时，如果继续强行放电，整个电机供电模块将有可能发生损坏甚至起火、爆炸，为了确保电机供电模块的安全可靠性，请参见图6，本发明实施实现电机供电模块中锂电池和超级电容在不同功率需求下工作模式的自适应选择的过程，还包括：

[0074] 在超级电容和锂电池的串联输出工作模式或超级电容和锂电池并联输出工作模式下，当超级电容电压检测单元检测超级电容的电压低于预设下限值时，则控制开关S1、开关S2和开关S3均关断，同时控制晶体管M高频导通和关断，电机供电模块重新工作在如图5(b)所示的锂电池升压输出工作模式，并向超级电容充电，直到超级电容电压达到预设参考值，则控制开关S1、开关S2和晶体管M均关断，同时控制开关S3导通，此时电机供电模块工作在如图5(c)所示的超级电容和锂电池并联输出工作模式，或直到超级电容电压达到预设参考值，则控制控制开关S1导通，同时控制开关S2、开关S3和晶体管M均关断，此时电机供电模块工作在如图5(d)所示的超级电容和锂电池的串联输出工作模式。

[0075] 需要说明的是，预设下限值为根据实际需求预先设定的参数。比如在本发明实施例中，预设下限值可以设定为超级电容的最大电压的10% 20%。~

[0076] 进一步地，请参见图7，基于上述电机供电模块的设计，本发明实施例还提出一种馈能方案，包括：

[0077] 当电机功率检测单元检测电机控制器两端的功率小于零，且超级电容电压检测单元检测超级电容的电压未达到预设参考值时，控制开关S1、开关S2、开关S3和晶体管M均关断，此时电机供电模块通过二极管D1工作在如图8(a)所示的锂电池和超级电容串联回收模式；

[0078] 当超级电容电压检测单元检测超级电容的电压达到预设参考值时，控制开关S2导通，同时控制开关S1、开关S3和晶体管M均关断，此时电机供电模块工作在如图8(b)所示的锂电池单独回收模式。

[0079] 可见，本发明实施例通过上述馈能方案，可以再次提高锂电池和超级电容的利用率，进而延长电机供电模块的使用寿命，实现井下电源系统对电钻钻具持续有效的供电。

[0080] 进一步地，本发明实施例电机供电模块还包括电源控制器，用于生成控制信号，通过控制信号控制开关S1、开关S2、开关S3和晶体管M的关断与导通，其中，电源控制器的输入端与电机功率检测单元的输出端和超级电容电压检测单元的输出端连接，电源控制器的输出端分别与开关S1的控制端、开关S2的控制端、开关S3的控制端和晶体管M的栅极连接。具体地：

[0081] 本发明实施例电源控制器可以为ARM控制器，ARM控制器集成于电机供电模块，电机功率检测单元检测电机控制器两端的需求功率，根据检测结果判断电机供电模块可以工作在低(第一预设功率范围)、中(第二预设功率范围)、高(第三预设功率范围)三种功率需求下对应的某个输出工作模式，同时超级电容电压检测单元检测超级电容的当前电压，综合考虑电机功率检测单元和超级电容电压检测单元的检测结果，判断对应开关S1、开关S2、开关S3和晶体管M的关断与导通的需求，ARM控制器生成对应的控制信号，通过控制信号控制开关S1、开关S2、开关S3和晶体管M的关断与导通实现该输出工作模式下的电机供电模块供电。比如，电机功率检测单元检测结果判断电机供电模块可以工作在中功率对应的输出工作模式，在本发明实施例中的中功率对应的输出工作模式为超级电容和锂电池并联输出工作模式，同时若超级电容电压检测单元检测结果判断超级电容在作为输出之前，先需要进行充电，此时ARM控制生成的控制信号需要控制如图3中的开关S1、开关S2和开关S3均关断，同时控制晶体管M高频导通和关断，电机供电模块工作在如图5(b)所示的锂电池升压输出工作模式，并向超级电容充电。当超级电容完成充电，即充电达到预设参考值，此时ARM控制生成的控制信号需要控制如图3中的开关S1、开关S2和晶体管M均关断，同时控制开关S3导通，实现如图5(c)所示的超级电容和锂电池并联输出工作模式，满足当前功率需求，避免直接使用较大功率的锂电池带来的利用率低的问题；其他输出工作模式，同样由ARM控制器生成对应的控制信号，再由该控制信号控制开关S1、开关S2、开关S3和晶体管M的关断与导通来实现。

[0082] 进一步地，当外部电网供电出现异常时，会严重影响井下钻采工作的效率，且电钻钻具断电，若人力未及时将钻具提到安全高度，突然的上电可能使钻具不合时宜的开始旋转，从而带来安全隐患，进而影响到钻井质量。而本发明实施例提出的井下电源系统可以很好的应对这种外部电网供电出现异常的情况，请参见图9，当电网供电异常时，对应的根据第二直流信号和/或第三直流信号控制电动钻具作业的过程，还包括：

[0083] 电动钻具开始作业后，根据第三直流信号控制电动钻具作业，井下电源系统工作在电机供电模块单独工作模式。

[0084] 可见，本发明实施例电机供电模块可以单独实现供电，供电中可以应对电网供电出现异常的情况，而且电机供电模块可以实现不同功率需求的供电，尤其超级电容和锂电池的串联输出工作模式，其依然可以应对井下爆炸性大功率需求场景，使得本发明实施例提出的井下电源系统具有更好的推广应用需求。

[0085] 需要说明的是，本发明实施例井下电源系统以为电机控制器提供直流供电为例进行了说明，但其同样可以为电机控制器提供交流供电，在为电机控制器供电前，通过逆变换器，将直流信号转换为交流信号，提供该交流信号于电机控制器以控制电动钻具作业。

[0086] 综上所述，本发明实施例提出的用于电动钻具的井下电源系统，电网与电机供电模块协同供电可以满足大功率需求场景，尤其是电机供电模块综合利用锂电池能量密度大、超级电容功率密度大的优势，设计了包括锂电池、超级电容和若干开关的电机供电模块，该电机供电模块是一种电路结构简单、设计巧妙的复合电路结构，通过巧妙设计所有开关的关断与导通控制策略，可以实现电机供电模块中锂电池和超级电容在不同功率需求下工作模式的自适应电路选择，提高了锂电池和超级电容的利用率，且满足了电动钻具的不同场景功率需求，尤其是爆炸性大功率需求场景，并降低了井下电源系统在使用过程中可能存在的不必要功率损耗；本发明实施例提出的井下电源系统，可以应对外部电网供电出现的异常情况，当外部电网供电出现异常时，设计的电机供电模块可以单独正常供电于电动钻具，避免了电动钻机因为电网突然断电存在的一系列危险事件，且由于电机供电模块可以独立提供不同功率需求的供电，即使在外部电网供电出现异常情况下，本发明实施例依然可以满足大功率需求场景，具有更好推广应用需求。

[0087] 同时，本发明实施例通过巧妙设计开关S1、开关S2、开关S3和晶体管M的关断与导通控制策略，以实现不同馈能模式的切换，能够灵活满足不同情况的馈能需求，从而再次提高锂电池和超级电容的利用率，进而延长电机供电模块的使用寿命，实现井下电源系统对电钻钻具持续有效的供电。

[0088] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

[0089] 尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

[0090] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。