技术领域
[0001] 本
发明涉及一种用于在高温环境下提供电力的方法和设备，特别地涉及通常在勘探
烃类时在地下环境中使用的仪器和工具。
背景技术
[0002] 随着人类不断寻找和开采石油，对烃类的探索已经变得越来越复杂。这种复杂性已经产生了各种复杂仪器。与其它技术领域一致，增加仪器的复杂性向用户提出增加电力的需求。
[0003] 遗憾的是，井下环境向系统的所有者和操作者提出实际的且不可避免的问题。例如，并且关系重大的是由于井下
温度引起的问题。也就是说，随着钻井和
测井更深地切入
地壳，井下工具持续增加地暴露于高温环境。
[0004] 在常规电源失效的情况下，例如，当化学基
电池储存器基本劣化到丧失功能的点时，升高的温度往往存在技术上的限制。
[0005] 因此，需要用于在高温环境下供应电力的电力系统。优选地，该电力系统包括：在常规装置无法提供可用电力的情况下向用户提供电力的可再充
电能量储存器。另外，优选该能量储存装置在使用、操作和配置上是经济的。
发明内容
[0006] 在一个实施方案中，提供了一种适合于在高温环境下供应电力的电力系统。该电力系统包括：在约负四十摄氏度至二百一十摄氏度之间的温度范围内可操作的可再充电能量储存器，可再充电能量储存器被耦接到
电路用于进行从能量储存器供应电力和给能量储存器充电中的至少之一，其中能量储存器配置为对至少两个充放电循环储存约百分之一（0.01）焦
耳至约一亿焦耳之间的能量，和提供约十分之一（0.10）瓦至约一亿瓦之间的
峰值功率。
[0007] 在另一实施方案中，提供了一种用于向井下测井仪提供电力的方法。该方法包括：选择包括电力系统的测井仪，该电力系统包括：在约负四十摄氏度至二百一十摄氏度之间的温度范围内可操作的可再充电能量储存器，可再充电能量储存器被耦接到电路用于进行从能量储存器供应电力和给能量储存器充电中的至少之一；以及在测井仪处于井下时，从电力系统向测井仪提供电力。
[0008] 在另一实施方案中，提供了一种用于制造用于测井仪的电力系统的方法。该方法包括：选择在约负四十摄氏度至二百一十摄氏度之间的温度范围内可操作的可再充电能量储存器，所述可再充电能量储存器被耦接到电路用于进行从能量储存器供应电力和给能量储存器充电中的至少之一；以及将能量储存器配置为结合到测井仪中。
[0009] 在另一实施方案中，提供了一种适合于在高温环境下供应电力的电力系统。该电力系统包括：在约负四十摄氏度至二百一十摄氏度之间的温度范围内可操作的可再充电能量储存器，可再充电能量储存器被耦接到电路用于进行从能量储存器供应电力和给能量储存器充电中的至少之一，其中电路包括用于使能量储存器中的电池去
钝化的子系统。
[0010] 在另一实施方案中，提供了一种适合于在高温环境下供应电力的电力系统。该电力系统包括：在约负四十摄氏度至二百一十摄氏度之间的温度范围内可操作的可再充电能量储存器，可再充电能量储存器被耦接到电路用于进行从能量储存器供应电力和给能量储存器充电中的至少之一，其中电路包括用于模拟电源的电输出的子系统。
[0011] 在另一实施方案中，提供了一种适合于在高温环境下供应电力的电力系统。该电力系统包括：在约负四十摄氏度至二百一十摄氏度之间的温度范围内可操作的可再充电能量储存器，可再充电能量储存器被耦接到电路用于进行从能量储存器供应电力和给能量储存器充电中的至少之一，其中电路包括用于监测能量储存器的充电状态的子系统。
[0012] 在另一实施方案中，提供了一种适合于在高温环境下供应电力的电力系统。该电力系统包括：在约负四十摄氏度至二百一十摄氏度之间的温度范围内可操作的可再充电能量储存器，可再充电能量储存器被耦接到电路用于进行从能量储存器供应电力和给能量储存器充电中的至少之一，其中电路包括用于在至少两个
能源之间进行切换的子系统。
[0013] 在另一实施方案中，提供了一种适合于在高温环境下供应电力的电力系统。该电力系统包括：在约负四十摄氏度至二百一十摄氏度之间的温度范围内可操作的可再充电能量储存器，可再充电能量储存器被耦接到电路用于进行从能量储存器供应电力和给能量储存器充电中的至少之一，其中电路包括用于自动调整电力系统的
电压输出的子系统。
[0014] 在另一实施方案中，提供了一种适合于在高温环境下供应电力的电力系统。该电力系统包括：在约负四十摄氏度至二百一十摄氏度之间的温度范围内可操作的可再充电能量储存器，可再充电能量储存器被耦接到电路用于进行从能量储存器供应电力和给能量储存器充电中的至少之一，其中电路包括用于在操作模式之间进行切换的子系统。
[0015] 在另一实施方案中，提供了一种适合于在高温环境下供应电力的电力系统。该电力系统包括：在约负四十摄氏度至二百一十摄氏度之间的温度范围内可操作的可再充电能量储存器，可再充电能量储存器被耦接到电路用于进行从能量储存器供应电力和给能量储存器充电中的至少之一，其中电路包括用于根据环境因素调整操作的子系统。
[0016] 在另一实施方案中，提供了一种适合于在高温环境下供应电力的电力系统。该电力系统包括：在约负四十摄氏度至二百一十摄氏度之间的温度范围内可操作的可再充电能量储存器，可再充电能量储存器被耦接到电路用于进行从能量储存器供应电力和给能量储存器充电中的至少之一，其中电路包括用于诱导低功率操作的子系统。
[0017] 在另一实施方案中，提供了一种适合于在高温环境下供应电力的电力系统。该电力系统包括：在约负四十摄氏度至二百一十摄氏度之间的温度范围内可操作的可再充电能量储存器，可再充电能量储存器被耦接到电路用于进行从能量储存器供应电力和给能量储存器充电中的至少之一，其中电路包括用于记录数据的子系统。
[0018] 在另一实施方案中，提供了一种适合于在高温环境下供应电力的电力系统。该电力系统包括：在约负四十摄氏度至二百一十摄氏度之间的温度范围内可操作的可再充电能量储存器，可再充电能量储存器被耦接到电路用于进行从能量储存器供应电力和给能量储存器充电中的至少之一，其中电路包括用于管理电源性能的子系统。
[0019] 在另一实施方案中，提供了一种适合于在高温环境下供应电力的电力系统。该电力系统包括：在约负四十摄氏度至二百一十摄氏度之间的温度范围内可操作的可再充电能量储存器，可再充电能量储存器被耦接到电路用于进行从能量储存器供应电力和给能量储存器充电中的至少之一，其中电路包括用于监测电力系统的
健康状态的子系统。
[0020] 在另一实施方案中，提供了一种适合于在高温环境下供应电力的电力系统。该电力系统包括：在约负四十摄氏度至二百一十摄氏度之间的温度范围内可操作的可再充电能量储存器，可再充电能量储存器被耦接到电路用于进行从能量储存器供应电力和给能量储存器充电中的至少之一，其中电路包括用于
访问冗余元件的子系统。
[0021] 在另一实施方案中，提供了一种使用电源的方法。该方法包括：选择具有至少一种超级电容器的电源；以及在约负四十摄氏度至约二百一十摄氏度之间的温度范围内操作电源，同时将超级电容器上的电压维持在约0.1伏至约4伏之间至少一小时；其中在这一小时结束时，在整个操作温度的范围内，超级电容器呈现出小于1,000毫安/升容积的漏
电流。
[0022] 在又一实施方案中，提供了一种使用电力系统的方法。该方法包括：将配置为用于高温操作的可再充电能量储存器与配置为用于高温操作的
电子设备耦接；以及通过从电力系统的输出提取功率脉冲来操作电力系统，其中每个脉冲包括至少0.01W的峰值和至少0.01J的总的功率与时间的乘积（能量）。
附图说明
[0023] 本发明的特征和优点通过结合附图的以下描述是清楚的。在附图中：
[0024] 图1示出了包括测井仪的
钻柱的示例性实施方案；
[0025] 图2利用通过
电缆部署的测井仪的实施方案示出了用于测井的示例性实施方案；
[0026] 图3利用部署在
生产井中的测井仪的实施方案示出生产井的示例性实施方案；
[0027] 图4是包括单个储存单元的示例性可再充电能量储存器的各方面的示意图，该单元为双电层电容器（EDLC）并且适合用作高温能量储存器；
[0028] 图5示出了包括高温可再充电能量储存器的电力系统的拓扑结构的一种实施方案；
[0029] 图6至图8示出了图5的拓扑结构的各方面；
[0030] 图9示出了包括高温可再充电能量储存器的电力系统的拓扑结构的另一实施方案；
[0031] 图10是描述电池电压
模拟器的一个实施方案的方
框图；
[0032] 图11A和图11B（在本文中统称为图11）分别为描述电池电压模拟器的并联实施方案和
串联实施方案的方框图；
[0033] 图12至图14为描述用于图10和图11的电压模拟器的转换器的实施方案的方框图；
[0034] 图15为描述用于图10和图11的电压模拟器的反馈
控制器的实施方案的方框图；
[0035] 图16为描述充电状态监测器的各方面的图；
[0036] 图17为描述转换控制单元的各方面的图；
[0037] 图18A、图18B和图18C（在本文中统称为图18）为描述了旁路控制器的实施方案的方框图；
[0038] 图19是示例性电源的透视图；
[0039] 图20是图19的电源的分解图；
[0040] 图21是用于图19和图20中示出的电源的控制器的透视图；
[0041] 图22是使用总线连接器组装的电路的侧视图；
[0042] 图23是储存单元的等距视图；以及
[0043] 图24A和图24B（在本文中统称为图24）为图23的两个储存单元在组装到能量储存器阶段的等距视图。
具体实施方式
[0044] 本文中公开了在高温环境下提供电能的电力系统。除在高温环境下提供电能之外，该电力系统还可以配置为向用户提供各种附加功能。虽然本文中提出的电力系统的实施方案配置为用于井下（即，地下）环境，但是应该认识到该电力系统可同样良好地用于向提供可靠电力提出挑战的高温环境。这样的挑战可以包括：环境恶劣的条件、可用于容纳能量储存器的有限空间、难以与外部能量源连通的相当偏远的
位置等。在更详细地介绍电力系统之前，提供一些背景。
[0045] 现在参照图1，其示出了用于钻探井眼1（也称为钻孔）的设备的各方面。作为惯例，井眼1的深度被描述为沿着Z轴，而横截面设置在通过X轴和Y轴描述的平面上。
[0046] 在该
实施例中，使用通过除了别的之外还提供转
动能量和向下力的钻机（未示出）驱动的钻柱11在
土壤2中钻出井眼1。井眼1通常穿过地下材料，所述地下材料可以包括各种
地层3（示出为地层3A、3B和3C）。本领域技术人员将认识到在地下环境中可能遇到的各种地质特征可以称为“地层”，并且钻孔下面（即，井下）的材料阵列可以称为“地下材料”。即，地层3由地下材料形成。因此，如在本文中使用的，应该认为虽然术语“地层”通常是指地质层，但是“地下材料”包括任意材料，并且可以包括例如固体、
流体、气体和液体等材料。
[0047] 在该实施例中，钻柱11包括驱动
钻头14的
钻杆12的长度。钻头14还提供
钻井液4（例如，钻井泥浆）的流。钻井液4通常通过钻杆12被
泵送到钻头14，流体在这里离开钻杆进入到井眼1中。这在井眼1内产生了钻井液4的上向流（upward flow）F。上向流通常冷却钻柱11及其部件、带走来自钻头14的
钻屑，并且防止加压烃类5的喷出。
[0048] 钻井液4（也称为“钻井泥浆”）通常包括如环境中可能固有的地
层流体、液体（例如
水）、钻井液、泥浆、油、气体的混合物。虽然钻井作业可能引入钻井液4，但是除了测井操作之外，钻井液4的使用或存在既不是需要的也不是必要的。通常，材料层存在于钻柱11的外表面与井眼1的壁之间。该层被称为“间隙层（standoff layer）”，并且包括称为“间隙，S”的厚度。
[0049] 钻柱11通常包括用于执行“随钻测量”（MWD），也称为“
随钻测井”（LWD）的设备。执行MWD或LWD通常需要测井仪10的操作，所述测井仪被结合到钻柱11中且设计用于随钻操作。通常，将用于执行MWD的测井仪10耦接到电子封装件，所述电子封装件也机载在钻柱11上，并因此称为“井下电子设备13”。通常井下电子设备13提供数据收集、数据分析和操作控制（如机电传动、通信和功率处理等）中的至少一种。可以包括电力系统16。通常，电力系统16向测井仪10、勘测部件15和井下电子设备13中的至少之一提供电力。通常，测井仪10和井下电子设备13耦接到上部设备7。可以包括上部设备7以进一步控制操作，提供更强的分析能力以及数据记录等。通信通道（下文所讨论的）可以提供到上部设备7的通信，并且可以经由如本领域已知的并且对于给定应用是切实可行的脉冲泥浆、有线管、EM遥测、光纤和其他技术来操作。
[0050] 现在参照图2，示出了用于井眼1的
电缆测井的示例性测井仪10。作为惯例，井眼1的深度被描述为沿着Z轴，而横截面设置在通过X轴和Y轴描述的平面上。在用测井仪
10测井之前，使用钻孔装置（例如在图1中所示出的）将井眼1钻到在土壤2中。
[0051] 在一些实施方案中，井眼1已经至少在一定程度上被填充有钻井液4。钻井液4（也称为“钻井泥浆”）通常包括如环境中可能固有的地层流体、液体（例如水）、钻井液、泥浆、油、气体的混合物。虽然钻井作业可能引入钻井液4，但是除了测井操作之外，钻井液4的使用或存在既不是需要的也不是必要的。通常，材料层存在于钻柱11的外表面与井眼1的壁之间。该层被称为“间隙层”，并且包括称为“间隙，S”的厚度。
[0052]
套管21可以插入井眼1中以确保物理完整性。套管21可以形成在井眼1中，插入井眼1中，或者以其他方式设置在井眼1中。套管21可以是分段的或连续的。为了在本文中讨论的目的，套管21通常包括
水泥外壳21的各种装置以及内部生产管道（例如，生产管道）。
[0053] 通常，在电缆测井中，使用通过井架6或类似装置部署的电缆8将测井仪10下放到井眼1中。通常，电缆8包括悬吊装置，例如，承重缆绳以及其他设备。其他设备可以包括电力系统、通信链路（例如，有线的或光学的）以及其他这样的装置。通常，电缆8由服务
卡车9或其他类似设备（例如，服务站、基站等）运送。通常，电缆8耦接到上部设备7。上部设备7可以向测井仪10提供电力，以及提供操作控制和数据分析中的至少之一的计算和处理能力。
[0054] 通常，测井仪10包括用于执行“井下”测量或在井眼1中测量的设备。这样的设备包括，例如多种勘测部件15。示例性勘测部件15可以包括
辐射探测器、防护罩、
传感器、转换器以及本领域中已知的其他多种勘测部件15。部件15可以视情况与井下电子设备13通信。可以包括电力系统16。通常，电力系统16向测井仪10、勘测部件15和井下电子设备13中的至少之一提供电力。通常执行例如可以使用测井仪10执行的测量和其他步骤来确定并证明烃类5的存在，但是也可以用于其他目的，例如识别
地热资源。
[0055] 现参照图3，示出了在生产期间用于测井的示例性测井仪10。生产测井仪10可以放置在井眼1内，在烃类5的开采期间该生产测井仪10将留在井眼1内。生产测井仪10可以通过使用其他装置（例如牵引机（未示出））而放置到井下。在一些实施方案中，生产测井仪10可以包括牵引机的元件（例如
马达和轨道）。可以包括电力系统16。通常，电力系统16向测井仪10、勘测部件15和井下电子设备13中的至少之一提供电力。
[0056] 一旦生产启动，则从井眼1中排出钻井液4。建立烃类5的流。在生产启动期间，在井眼1之上放置井口装置19。井口装置19提供对来自井眼1的流的调节并且适应开采烃类5的延长的时间。如通过向上箭头所示出的，当生产测井仪10就位时，生产（烃类5的提取）可以持续不减。通常，井口装置19包括如本领域中已知的防喷器。
[0057] 现在更详细地考虑电力系统16。在示例性实施方案中，电力系统16包括内部能量储存器。能量储存器可以包括多种形式的可再充电能量储存器的任意一种或更多种。例如，可再充电能量储存器可以包括电池、超级电容器和其他类似装置中的至少一种。现在将更详细地讨论示例性能量储存器的各方面。
[0058] 应该注意，电力系统16通常可以是能够在高温下可靠地接受并且供应电力的任意装置。能量储存器30的其他示例性形式包括化学电池（例如
铝电解电容器、钽电容器、陶瓷和金属膜电容器），混合电容器磁能储存器（例如，空气芯或高温芯材的电感器）。其他类型的能量储存器30还可以适当地包括例如机械能储存装置，例如
飞轮、
弹簧系统、弹簧-
质量系统、质量系统、
热容量系统（例如基于高热容量液体或固体或
相变材料的热容量系统）、液压或
气动系统。一个实施例为可从美国罗得岛州普罗维登斯的埃文斯电容器公司（Evans Capacitor Company）得到的，产品型号HC2D060122DSCC10004-16，额定125摄氏度的高温混合电容器。另一实施例为可从美国罗得岛州普罗维登斯的埃文斯电容器公司（Evans Capacitor Company）得到的，产品型号HC2D050152HT，额定200摄氏度的高温钽电容器。又一实施例为可从德国慕尼黑EPCOS得到的，产品型号B41691A8107Q7，额定150摄氏度的铝电解电容器。又一实施例为可从日本东京松下公司（Panasonic）得到的，日本产品型号ETQ-P5M470YFM，额定150摄氏度的电感器。其它的实施方案为可从法国巴涅奥莱市帅福得公司（Saft）得到的（产品型号锂离子VL32600-125），其在高达125摄氏度下操作30个充放电循环；以及在高达250摄氏度下可操作的，且处于Sadoway，Hu（马萨诸塞州坎布里奇的固体能源（Solid Energy））的实验阶段的
锂离子电池（实验的）。
[0059] 井下环境是恶劣的，因此向装置的可靠性提出相当大的挑战。例如，
环境温度可以为从地表温度到高达约300摄氏度且更高的范围内。如将在本文中进一步讨论的，在一些实施方案中，公开了电力系统16配置为在环境温度为约七十（70）摄氏度至高达约200摄氏度（在一些实施方案中更高（例如高达约250摄氏度））的范围内的环境中操作。在一些实施方案中，电力系统16可以在环境温度低至约负四十（－40）摄氏度的环境中操作。然而，应该注意电力系统16可以在更宽的温度范围内操作，因此，该温度范围不限于本文中的教导。
[0060] 作为惯例，并为了在本文中教导的目的，术语“能量储存器”是指可在提高的温度的环境中操作的能量储存装置，所述提高的温度通常可导致常规的能量储存装置失效。即，当置于同等环境中时所述能量储存器将胜过常规能量储存装置，并且作为升高温度的函数将提供至少一定程度的实用性。
[0061] 一般而言，根据本文中的教导所提供和使用的超级电容器提供优于现有能量储存技术的许多优点。这些优点产生了在比先前所实现的更高的温度下提供并且使用电力的能力。因此，由于为井下工具的使用者提供了更大的操作范围，先前由于电力限制不能到达的区域变得可以触及。
[0062] 一组优势源于超级电容器的可再充电性质。超级电容器既能够释放能量也能够接受能量。可将超级电容器用作井下应用的可再充电能量储存装置。例如，超级电容器可以以脉冲方式或间歇方式向工具提供电力，而以更持续方式通过电缆、井下电池或井下发
电机进行再充电。
[0063] 另一组优点源于超级电容器的高功率处理能力。众所周知，与化学电池能量储存技术相比，对于相似体积和重量超级电容器呈现出较小的内部
电阻。这些特征使得与一次（不可再充电）化学电池技术相比能够具有更高的功率输送能力，与可再充
电化学电池技术相比还能够具有更高的功率恢复能力。超级电容器可以用于扩大整个系统的功率处理能力。例如，超级电容器可以提供无法从典型的电缆、井下电池或井下发电机功率输送系统直接得到的大脉冲功率。
[0064] 另一组优点源于用于制造超级电容器的材料。由于超级电容器以
电场而不是通过化学反应形式储存能量，材料本身不易通过将这些材料暴露于空气环境中或者通过超出其额定容量地使用能量储存装置而发生灾难性故障。例如，可以使用超级电容器，而极少增加或者不增加超出已就位的、用于支持井下应用的程序的处理能力，安全性和处理物流。此外，超级电容器在井下应用中的使用可以降低对于其他能量储存技术的要求，在这种情况下，实际上可以降低支持井下应用所要求的必需的处理能力、安全性和处理物流。
[0065] 另一组优点源于超级电容器的高能量
密度。超级电容器能够储存比相当尺寸和体积的电容器多约50倍至约1000倍的能量。该特性使得超级电容器能够在井下工具中提供更长持续时间的高功率。
[0066] 在此之前，超级电容器由于不能在大于约七十摄氏度的温度下操作所以从来不适合用于井下工具中。适合于本文中教导的示例性超级电容器的实施方案通过能够在井下经常遇到的恶劣环境中可靠且安全操作解决了与高温操作相关的问题。
[0067] 现在提供关于超级电容器的示例性实施方案的更多细节。
[0068] 如图4所示，示例性能量储存器30包括至少一种储存单元42。在该实施例中，能量储存器30包括电化学双层电容器（EDLC），也称为“超级电容器”。超级电容器包括两个
电极（按照惯例称为“负电极”33和“正电极”34，然而，为了本
说明书的目的，所述超级电容器不需要具有储存在电极中的电荷），每个电极33、34在
电解质界面具有双层电荷。在一些实施方案中，包括多个电极。然而，为了讨论的目的，仅示出两个电极33、34。在本文中作为惯例，电极33、34中的每一个均使用
碳基能量储存介质31（如在本文中进一步讨论的）以提供能量储存。
[0069] 电极33、34中的每一个均包括相应的
集电器32。电极33、34通过隔离器35隔开。一般而言，隔离器35为薄结构材料（通常为片）用于将电极33、34隔开成两个或更多个隔室。
[0070] 包括至少一种形式的电解质36。电解质36填充电极33、34与隔离器35之间的空隙。一般而言，电解质36是包括带电离子的物质。在一些实施方案中可以包括溶解该物质的
溶剂。得到的电解溶液通过离子传输导电。
[0071] 为了方便起见，电极33、34、隔离器35和电解质36的组合称为“储存单元42”。在一些实施方案中，术语“储存单元”仅指电极33、34和隔离器35，不包括电解质36。
[0072] 通常，示例性EDLC为卷绕形式，然后被封装到柱状封闭壳体37中（可以简称为“壳体”37）。可以使用其他形式，例如棱柱形式。壳体37可以是密封的。在多个实施方案中，封装件通过利用激光、
超声波的技术和/或
焊接技术被密封。壳体37（也称为“壳（case）”）包括至少一个
端子38。每个端子38提供对储存在能量储存介质31中的能量的电接入。
[0073] 在一些实施方案中，壳体37由选择为与电解质36的
反应性最小的至少一种材料制造。例如，壳体37可以由铝以及铝
合金制造。在一些实施方案中，可以至少部分地（例如，作为端子38）使用其他材料例如钽。
[0074] 在示例性EDLC中，能量储存介质31可以通过
活性炭、碳
纤维、人造丝、
石墨烯、气凝胶、碳布、碳
纳米管（例如单壁的和/或多壁的）和/或其他碳纳米形式提供，并且可以包括：活性炭、
碳纤维、人造丝、
石墨烯、气凝胶、碳布、
碳纳米管（例如单壁和/或多壁）和/或其他碳纳米形式。活性炭电极可以通过例如如下步骤制造：对通过碳化合物的碳化所获得的碳材料进行第一活化处理来生产碳基材料；通过向该碳基材料添加
粘合剂制造形成体；碳化该形成体；以及通过对该碳化的形成体进行第二活化处理来最终制造活性碳电极。
[0075] 碳纤维电极可以通过例如使用具有高表面积的碳纤维的纸或布预成型来制造。
[0076] 在一个具体实施例中，通过使用
化学气相沉积（CVD）在多种衬底中的任意一种上制造
多壁碳纳米管（MWNT）。然后将这样制造的MWNT用在电极33、34中。在一个实施方案中，使用低压化学气相沉积（LPCVD）。
制造过程可以使用乙炔、氩气和氢气的气体混合物，以及利用电子束沉积和/或溅射沉积在衬底上沉积的
铁催化剂。
[0077] 在一些实施方案中，用于形成能量储存介质31的材料可以包括除了纯碳之外的材料。例如，可以包括用于提供粘合剂的材料的各种制剂。一般而言，能量储存介质31基本上由碳形成，并且因此称为“含碳材料”。
[0078] 简言之，尽管主要由碳形成，但是能量储存介质31可以包括被认为适当的或可接受的任意形式的碳和任意添加剂或杂质以提供作为能量储存介质31的期望的功能。
[0079] 电解质36包括多种阳离子39和阴离子41对，并且在一些实施方案中，可以包括溶剂。可以使用每一种的各种组合。在示例性EDLC中，阳离子39可以包括：1-(3-氰丙基)-3-甲基咪唑鎓、1,2-二甲基-3-丙基咪唑鎓、1,3-双(3-氰丙基)咪唑鎓、1,3-二乙
氧基咪唑鎓、1-丁基-1-甲基哌啶鎓、1-丁基-2,3-二甲基咪唑鎓、1-丁基-3-甲基吡啶鎓、1-丁基-4-甲基吡啶鎓、1-丁基吡啶鎓、1-癸基-3-甲基咪唑鎓、1-乙基-3-甲基咪唑鎓、3-甲基-1-丙基吡啶鎓及其组合物以及认为适当的其他等同物。
[0080] 在示例性EDLC中，阴离子41可以包括：双(三氟甲磺酰)亚胺、三(三氟甲磺酰)甲基化物、二氰胺、四氟
硼酸根（酯）、六氟
磷酸根（酯）、三氟甲磺酸根（酯）、双(五氟乙烷磺酰)亚胺、硫氰酸根（酯）、三氟(三氟甲基)硼酸根（酯）及其组合物以及认为适当的其他等同物。
[0081] 溶剂可以包括：乙腈、酰胺、苄腈、丁内酯、环醚、碳酸二丁酯、碳酸二乙酯、二乙醚、二甲氧基乙烷、碳酸二甲酯、二甲基甲酰胺、二甲基砜、二氧六环、二氧戊环、
甲酸乙酯、碳酸亚乙酯、碳酸甲乙酯、内酯、直链醚、甲酸甲酯、丙酸甲酯、甲基四氢呋喃、腈、硝基苯、硝基甲烷、N-甲基吡咯烷
酮、碳酸亚丙酯、环丁砜、砜、四氢呋喃、四氢噻吩砜、噻吩、乙二醇、二甘醇、三甘醇、聚乙二醇、碳酸酯、γ-丁内酯、腈、三聚氰基己烷、其任意组合或表现出适当性能特性的其他材料。
[0082] 一旦制造出EDLC，则可将其用在高温应用中而很少有的或者没有
漏电流。本文中描述的EDLC能够在宽温度范围内有效操作，在整个操作电压和温度范围内，在整个装置的体积的范围内标准化的漏电流小于装置的体积的1安培/升（A/L）。该性能的一个关键是组装过程本身，该组装过程制造出如下成品EDLC：相对于电解质的重量和体积，电解质中水分浓度小于500份/百万份（ppm）并且杂质的量小于1,000ppm。
[0083] 在一些实施方案中，更具体地，构成电极33、34中的每个电极的含碳介质在
真空环境中在升高的温度下干燥。分离器35在真空环境中在升高的温度下干燥。电解质36在真空环境中在升高的温度下干燥。一旦电极33、34、隔离器35和电解质36在真空下干燥，则将它们在小于50份/百万份（ppm）的水的大气中封装，而不最终密封或加盖。未加盖的EDLC在整个升高的温度范围内在真空下干燥。一旦完成该最终干燥，则将EDLC在小于50ppm水分的大气中密封。
[0084] 此外，保持电解质36中的杂质尽可能少。例如，在一些实施方案中，卤素离子（氯离子、溴离子、氟离子和碘离子）的总浓度保持为小于1,000ppm。金属物质的总浓度（例如，Br、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mo、Na、Ni、Pb、Zn，包括其合金和氧化物的至少一种）保持为低于1,000ppm。此外，来自合成过程中所使用的溶剂和前体的杂质保持低于1,000ppm并且可以包括例如溴乙烷、氯乙烷、1-溴
丁烷、1-氯丁烷、1-甲基咪唑、
醋酸乙酯、二氯甲烷等。
[0085] 在 题 为“The oxidation of alcohols in substituted imidazolium ionic liquids using ruthenium catalysts”Farmer and Welton,The Royal Society of Chemistry,2002,4,97-102的参考文献中提供了用于提纯电解质的技术的一个实施例。
[0086] 可以使用各种技术例如
原子吸收
光谱法（AAS）、电感耦合
等离子体质谱法（ICPMS），或基于任务特定的
离子液体的简化增溶和电化学感测痕量重金属氧化物颗粒。
[0087] AAS为用于采用通过气态的自由原子的光学辐射（光）的吸收来定性和定量的测定化学元素的光谱分析方法。该技术用于测定待分析的样品中的具体元素（分析物）的浓度。AAS可以用于测定溶液中或直接在固体样品中的超过70种不同的元素。
[0088] ICPMS是一种质谱法，其高度敏感并且能够测定金属和若干非金属的低于1012分之一（万亿分之一）的浓度的范围。ICPMS是基于将作为产生离子（
离子化）的方法的电感耦合等离子体与质谱法耦合在一起，作为分离和检测离子的方法。ICP-MS也能够监测所选离子的同位素形态。
[0089] 通过使EDLC中的水分含量减少至相对于电解质的质量和体积小于500份/百万份（ppm），并且使杂质减小至小于1,000ppm，EDLC可以在适合于本文中的教导下使用的宽温度范围内有效地操作，在该温度和电压范围内具有小于1,000毫安/升的漏电流（I/L）。
[0090] 在一个实施方案中，通过使EDLC的电压保持恒定在额定电压（即，最大额定操作电压）下七十五（75）小时来测量在具体温度下的漏电流（I/L）。在此期间，温度保持恒定在具体温度下。在测量区间结束时测量EDLC的漏电流。
[0091] 在一些实施方案中，在室温下EDLC的最大电压额定值为4V。在升高的温度下（例如，超过210摄氏度）确保EDLC性能的方法为降低（即，减小）EDLC的电压额定值。例如，电压额定值可以调整为低至约0.5V，使得在较高温度下可以获得延长的操作持续时间。
[0092] 能量储存器30可以实施为若干不同形状因子（即，呈现出某种外观）。可能有用的形状因子的实例包括：圆柱状单元、轮状或环状单元、扁平棱柱单元或包括盒状单元的扁平棱柱单元的堆叠体，以及适合于容纳特殊几何形状（例如弯曲空间）的扁平棱柱单元。圆柱状形状因子可以在与圆柱状工具或以圆柱状形状因子安装的工具结合时最有用。轮状或环状形状因子可以在与环状工具或以环状外形安装的工具结合时最有用。适合于容纳特殊几何形状的扁平棱柱单元可以在与圆柱状、环状或以其他外形安装的工具结合时有用。
[0093] 圆柱形工具或以圆柱状形状因子安装的工具的实例包括：在钻探设备中通常布置在管道中的
钢丝（slickline）或可回收工具（retrievable tool）。轮状或环状工具或者以环状形状因子安装的实例包括设置在钻探设备的壁或套管上的套管安装的工具。
[0094] 现在示出电力系统16其他细节的一些示例性实施方案。
[0095] 通常，将电力系统16设计并且配置为在井下环境中可能遇到的深度和温度下操作。通常，电力系统16向勘测部件15和井下电子设备13中的至少之一提供能量，并且可以向下降到井眼1的测井仪10中的或测井仪10所附带的并且需要电力系统16能够提供的能量的任意部件提供能量。
[0096] 首先，应注意能量储存器30可以放电出初始电荷，并且也可以通过远程电源进行再充电。示例性远程电源包括通过电缆8、可再充电电池、不可再充电电池、井下发电机及其组合中的至少之一提供的电力。在一些实施方案中，井下电源包括耦接到能量储存器30的电池，通常很靠近，所以电池必须也经受测井仪10所面对的深度和温度。井下发电机必须也经受测井仪10所面对的深度和温度。通常，发电极使用如泥浆流动的原动力或振动以产生电力。
[0097] 示例性测井仪10可以包括用于地热资源开发或油和气勘探的各种工具和部件，并且可以包括随钻测井（LWD）工具、随钻测量（MWD）工具、电缆工具、生产工具等。这些工具的实例可以包括取芯工具、闭井工具、NMR工具、EM遥测工具、泥浆脉冲遥测工具、
电阻率测量工具、伽马传感工具、
压力传感器工具、声学传感器工具、
地震工具、核工具、脉冲
中子工具、地层取样工具和感应工具等。
[0098] 此外，已知各种部件可以包括在这些工具内。这些部件会消耗电力以提供期望的功能。这些部件的非限制性实例包括
电子电路、
变压器、
放大器、伺服系统、处理器、数据存储器、存储在机器可读介质上或机器可读介质中的机器可执行指令（称为“
软件”）、泵、马达、传感器（如热可调传感器、
光学传感器）、转换器、光纤、
光源、闪烁器、脉冲发生器、液压
致动器、天线、单道分析仪和/或多道分析仪、辐射检测器、
加速度计和
磁强计等。
[0099] 简言之，可以配置为支持测井仪10和/或作为测井仪10的一部分、并且消耗一些电力的或通过消耗一些电力的部件所驱动的任意装置可以受益于电力系统16及随附的能量储存器30的使用。
[0100] 此外，测井仪10可以包括或具有与系统用户、设计者和/或操作者认为适合的用于充电的任意类型的远程电源的
接口。实例包括耦接到远程电源的或认为适合的（例如，通过系统设计所决定的）低功率电缆。其他实施方案可以要求将电力系统16与机载发电设备（例如泥浆驱动发电机或
交流发电机）耦接。为说明观点，下面包括各种井下工具选择性描述。
[0101] 取芯工具通常设计成在井下环境中，提取
岩石或其他地层材料的样品。实例为旋转式取芯工具、钻孔取芯工具、
侧壁取芯工具和其他工具。这些工具通常包括马达，所述马达可能需要难以从标准井下电源（电池、发电机和电缆）得到的功率的瞬时量。井下取芯工具可用的功率可影响取芯速率和/或可提取的芯材料的量。
[0102] 闭井工具可以用于隔离井下区域以增强在该同一隔离区域中采用其他测量工具取得的测量结果的保真度。闭井工具阻止或控制流体的流动，否则所述流体可在井下钻井作业期间流动。闭井工具通常包括需要高功率脉冲的马达。闭井工具可用的功率的量决定闭井工具能够阻止流体流动的速度。
[0103] NMR（
核磁共振）工具可以用于确定钻孔周围的岩石中或其他地层中的烃类或其他内容。NMR工具通常需要快速的（<1秒），非常高功率（>1kW）的功率脉冲来操作。NMR工具可用的功率可影响该工具测量地层的显著特性的有效性。
[0104] EM（电磁）遥测工具可以用于使用传输的
电磁辐射从地下应用区域向地表发送数据。EM遥测工具可能需要高功率脉冲以实现以与所述应用深度相当的距离穿过岩石或其他地层的有用的传输。EM遥测工具可用的功率可影响向地表传输的可实现的范围和
数据速率。
[0105] 泥浆脉冲遥测工具可以用于使用在流体（“泥浆”）中传输的压力脉冲从地下应用区域向地表发送数据，所述流体通常在钻孔中流动。泥浆脉冲遥测工具可能需要脉冲功率以产生在泥浆中的所需的压力变化。泥浆脉冲遥测工具可用的功率可影响可得到的
信号保真度。
[0106] 电阻率工具测量在钻孔周围的岩石或其他地层的电阻率。显著地，烃类的电阻率明显不同于在钻孔附近找到的典型岩石和其他材料的电阻率。电阻率工具可以用许多方法测量电阻率。一种方法是在工具自身上两个物理上分离的点之间的施加差示电位。从一个点流到另一个点的电流则表示了工具周围的地层的电阻率。电阻率工具可用的功率可影响可实现的电阻率测量的保真度或范围。
[0107] 在图5中示出了包括可再充电能量储存器30的电力系统16的实施方案的各方面。在该示例性实施方案中，第一子系统52包括电流限制电子设备和电池调节电子设备。由于能量储存器30的高功率容量，所以电力系统16可以向测井仪10提供短时间电流爆发。同时，外部能量源51（在本文中也称为“源”）可以仅供应相对小但稳定的电流。因此，第一子系统52的一个功能是在每个爆发期间（即，在电力系统16从能量储存器30向测井仪10供应大电流的间隔期间）限制从外部能量源51提取的电流。当外部能量源51依靠电池技术时，该功能可能特别重要。也就是说，设计用于井下操作的典型的电池技术具有有限的电流处理能力，并且如果向其要求太大的电流会发生灾难性故障。因此，第一子系统52可以配置来限制从外部能量源51提取的电流。此外，由于可能需要调节电池技术，例如，在使用之前使得电池电极去钝化，第一子系统52可以配置来建立电池的去钝化电极所需要的电池终端条件（电流和电压）。
[0108] 第一子系统52和第二系统53可以分别通过第一子系统控制器55和第二子系统控制器56来控制。可以组合第一子系统控制器55和第二子系统控制器56以形成至少一部分控制电路58（还可以称为“控制器”58）。
[0109] 包括若干单电池的化学电池在使用之前可能需要去钝化以减少其有效输出阻抗使得操作电流不会导致电池
输出电压的过度降低。可以以多种方式中之一实现去钝化。一种示例性方法要求在短时间内从单电池提取恒定负载电流。示例性电流可以在每个单电池10mA至若干安培的范围内，并且示例性去钝化时间可以在若干秒至若干天的范围内。在去钝化过程期间，电流水平可以改变或脉动或以其他方式变化，例如电池可以每个单电池加载4mA持续三天，然后每个单电池加载150mA持续三十分钟。去钝化应在实际使用之前在
指定的最大时间（例如二十四小时）内执行。
[0110] 可以控制第一子系统52以提供从电池提取的所需电流用于去钝化。第一子系统52还可以结合用于确定去钝化的需要的测量设备。下面将描述包括用于自动去钝化的部件的示例性实施方式。在外部能量源51与第一子系统52之间可以设置有电压和/或电流传感器（未示出）。第一子系统52可以通过控制电路58或通过分离控制电流（未示出）的方式来控制以从电池中提取的指定电流，例如100mA。如果在指定电流负载下，通过外部能量源
51表示的所得电压在指定的时间（例如，100ms）内落入指定的电压
阀值（可事先确定该指定的电压
阈值以表示电池内钝化条件）之下，那么第一子系统52可以确定需要去钝化，否则不需要。例如，对于八个单电池中等速率Li亚硫酰氯
电池组，常见阀值为26V。如果第一子系统52确定需要去钝化，则可以控制提取如上所例示的用于去钝化的指定电流。
[0111] 电池一般通过提取指定的去钝化负载电流并监测电池电压直至该电压上升到指定水平来有效地去钝化。在一个实施例中，当从电池中提取大约100mA时，如果28V的中等速率下降到低于26V则确定电池钝化。如果是这样，则通常通过提取约200mA直至电池电压升高至超过26V来使电池去钝化。因此自动去钝化可以从电源提取约100mA并且监测电压。对于28V电池，如果电压低于26V，则该系统可随后从电池提取200mA并且监测电压。例如，当电力系统16测量电池电压超过26V时，去钝化可以被停止。
[0112] 从电池提取的去钝化电流可以在第一子系统52的输出端子处产生可以被导向能量储存器30的对应的电流，在这种情况下，能量储存器30将在去钝化期间被充电。当能量储存器30需要的充电电流时，该方法可能是有用的。电流也可以被导向虚拟电阻或稳压
二极管，或它们的的组合（未示出）等作为替代方案。当电压已经达到或接近能量储存器30的额定电压时，这些替代方案可能是有用的。
[0113] 如图6所示，第一子系统52的示例性实施方案包括第一
开关器件61、第二开关器件62以及滤波电感器。外部能量源51可以耦接到第一子系统52并且耦接到能量储存器30（例如，高温超级电容器）。可以控制第一开关器件61和第二开关器件62的动作以实现上述电流限制和电池调节特性。具体地，以互补方式（占空比）操作的第一开关器件61和第二开关器件62的相对导通时间可以用来调整电流的流动和转换率。当与能量储存器30的电压相比外部能量源51的电压较大时，图6中示出的示例性第一子系统52可以是有用的。
可以通过反馈控制系统（未示出）的方式来实现电流的限制和调节。
[0114] 第二子系统53的示例性实施方案包括电源转换器，根据工具的需要为DC-DC电源转换器或DC-AC电源转换器。第二子系统53的功能可以为调节输送到测井仪10的电压或电流。由于能量储存器30的电容特性，当植入超级电容器时，随着电荷从能量储存器30中提取出，能量储存器30的电压以近似线性方式降低。然后，尽管由能量储存器30呈现出变化的电压，但是第二子系统53的功能可以为调节输送到测井仪10的电压或电流。可以通过反馈控制系统（未示出）的方式来实现电压的限制和调节。
[0115] 如图7所示，第二子系统53的示例性实施方案可以包括第一开关器件61、第二开关器件62以及滤波电感器63的相应实施方案。测井仪10可以耦接到第二子系统53并且可以耦接到能量储存器30。可以控制第一开关器件61和第二开关器件62的各自的实施方案的动作以实现以上所述的所需的电流或电压调节特征。具体地，第一开关器件61和第二开关器件62的各自的实施方案的相对导通时间的占空比可以用来调节电流的流动和转换率或所呈现的电压。当与能量储存器30的电压相比所需电压的值较大时，图7中示出的示例性第二子系统53可以是有用的。可以通过反馈控制系统（未示出）的方式实现电压的限制或调节。
[0116] 如图8所示，第一子系统52和第二子系统53可以耦接到一起并且也耦接到能量储存器30以提供电力系统16的实施方案。在该实施方案中，当与测井仪10的端电压相比，外部能量源51的端电压在数值上更大或在数值上更小时，示例性电力系统16在可以是特别有利的，只要能量储存器30的端电压在数值上既小于外部能量源51的端电压又小于测井仪10的端电压即可。
[0117] 在一些实施方案中，电力系统16可以配置为低待机功耗。该特征在电力稀缺的偏远和恶劣的环境中是有利的。低待机功耗可以通过将低功率或微功率栅极驱动电路系统和控制电子器件结合到控制电路58中来实现。另外，通过结合用于电力系统16的休眠状态（下面进一步讨论的）可以显著减小总体待机功耗。在一些实施方案中，低待机功率状态可以通过电路系统的仅用于以下电路的操作的功率下降来表征：仅用于将电力传输到负载或测井仪10的电力处理所需的电路系统或者仅需要电路系统的子设备的任意应用所需的电路系统。可以结合检测电路系统来确定何时测井仪10不需要电力（激活）或者何时能量储存器30不需要充电电流。
[0118] 在一些实施方案中，在第一子系统52与能量储存器30之间的互连上可以设置有电流传感器（未示出）。电流传感器可以测量从能量储存器30提取的电流。当电流提取降到一定阈值之下时，逻辑控制电路（例如包括在控制电路58之内的
逻辑电路）可以使大多数第一子系统控制器55电源关闭（power-down）。然后控制电路58（在其休眠状态中）可以间歇地（但在一些实施例中，在远快于能量储存器30所要求的瞬时电流的时间尺度上）唤醒第一子系统52，并且轮询电流传感器以确定能量储存器30是否需要充电。
[0119] 作为另一个实施例，在第二子系统53与测井仪10之间的互连上可以设置独立的电流传感器。该独立电流传感器可以用于测量通过测井仪10所提取的电流。当该电流提取降到一定阈值之下时，可以在控制电路58之内的逻辑控制电路可以使大多数第二子系统控制器56电源关闭。然后控制电路58（在其休眠状态中）可以间歇地（但在一些实施例中，在远快于测井仪10所要求的瞬时电流的时间尺度上）唤醒第二子系统53并且轮询电流传感器以确定测井仪10是否是运行的。
[0120] 因为能量储存器30可以呈现出许多变化形式，所以能量储存器30可以配置为集成到测井仪10中。例如，测井仪10可以包括轮状的能量储存器30例如轮状的超级电容器。在该实施方案中，并且通过非限制实施例的方式，能量储存器30可以包围钻柱11中的泥浆通道或其他装置。能量储存器30可以分割或以其他方式划分以适应形状的要求并且适合用户的需求而串联地或并联地耦接。
[0121] 在一些实施方案中，在电力系统16中包括有自动旁路。也就是说，许多应用可以受益于故障安全特征。当电压系统16的任意部件（例如第一子系统52、能量储存器30、第二子系统53或控制电路58）或者任意其他关键部件无法正常工作时，则“旁路”特征可以是有用的。在那种情况下，将外部能量源51直接连接到测井仪10可能是有用的，其使得尽管有故障部件，但是外部能量源51仍然可以提供效用。在一些实施方案中，旁路特征自动确定关键部件的故障状态并且提供从外部能量源51到测井仪10的替代电流路径。因为旁路特征在出现故障部件时是有用的并且由于部件中固有的不确定性，所以在一些实施方案中，旁路特征可以提供自动操作。也就是说，该设计可以提供通过受旁路管制的各个关键部件适当运行来禁用旁路特征。在一些实施方案中，例如部件经受高水平的冲击和振动的情况下，旁路特征可以通过在该环境中比等效机电开关、继电器等更坚固的固态器件来实现。
[0122] 可以在实现固态自动旁路特征中特别有用的一个示例性固态器件是被称为结型
场效应晶体管（JFET）的
半导体器件。JFET是具有通常分别称为栅极、漏极和源极的至少三个端子的“常通”器件，意味着该器件可适当地使电流通过，除非在JFET的栅极与源极之间施加控制电压。开发用于自动旁路的JFET的示例性方法为将JFET的漏极连接到外部能量源51的高电势输出端子并且将JFET的源极连接到测井仪10的高电势端子。在控制电路58中或在独立控制电路（未示出）中可以包括另外的功能。该功能可以来源于用于关闭JFET的栅极到源极的驱动电压。该栅极到源极的驱动电压可以来源于在电路之内的表示所有关键部件适当运行的电压或信号。许多这样的信号或者这样信号的集合可以来源于借助用于电压和/或电流或其它的测量设备进行的测量。对于指示电力系统16的适当运行特别有用的一个指示性和示例性的信号是能量储存器30的端电压。例如，如果能量储存器30降到可用电压阈值之下，则这可以解释为第一子系统52的故障，因而表明了来自外部能量源
51的充电电流的损失。该条件也可以被解释为第二子系统53的故障，表明能量储存器30对测井仪10的过度放电。这两个条件中的任一个也可以间接表示控制电路58的故障，所以该示例性信号在一些情况下可以足以确定系统部件的适当运行。然后该信号可以直接地或实际上直接地用于驱动JFET的栅极到源极的电压，使得当该信号降到给定阈值之下时，JFET将自动回复到非驱动状态，该非驱动状态为使得适当的电流能够从JFET的漏极流到JFET的源极端子的状态。
[0123] 在另外的实施方案中，可以期望包括电流限制特征。考虑到化学电池或其他电源可能需要电流限制来防止电池端子的欠压，电池的内部部件的损伤，电池的
过热，过度快速放电、电池的加速老化或钝化，电池的灾难性故障等。在电力系统16中安全电流限制可以以许多方式实现。在此描述的用于实现安全电流限制的两个示例性方法可以单独使用或组合使用。
[0124] 第一方法开发控制电路系统，例如图5至图8所示的电路系统。例如，控制电路58可以得到来自电流传感器的电源电流的测量结果并且可以得到通过第一子系统52中的功率转换实现的已知状态的任意电压（stateknowledge any voltage）和电流转换率。也可以从可以设置在外部能量源51与第一子系统52之间的电流传感器得到电源电流的测量结果。
[0125] 然后，可以例如通过以互补方式（占空比）进行操作来调节第一开关器件61和第二开关器件62的相对导通时间而控制第一子系统52，以调节并从而限制电流的流动至预定的或者说确定的值。
[0126] 现在参照图9，示出了电力系统16的另一实施方案。在图9所示的示例性实施方案中，控制器45可以与任选的选择模
块99电通信。通常，控制器45通过电子管理系统（EMS）91电路与能量储存器30通信并且控制能量储存器30。电子管理系统（PEMS）91电路可以与可以包括相应电子模块93的至少一种监督器92通信（或者，在一些实施方案中，包括在EMS91内）。任选的选择模块99也可以包括多个监督器92电路，每个监督器92电路也可以包括相应电子模块93。通常，电子管理系统（EMS）91通过内部总线95与每个监督器92电通信。
[0127] 作为常规问题，内部总线95可以在电力系统16之内传送能量以及
控制信号等。因此，内部总线95可以包括多个导体以及非导电元件（例如光纤等）。因而，应该认为内部总线95的表示是有意简单化，而不应认为是对电力系统16之内的内部通信的限制。
[0128] 通常，从至少一种外部能量源51将电力提供给电力系统16。外部能量的示例性的源包括至少一种电池、远程电源（例如经由电缆8）以及至少一种发电机。在一些实施方案中，电子管理系统（EMS）91从外部能量源51接收能量并且将能量储存在能量储存器30中。通常，电子管理系统（EMS）91配置为管理能量储存器30的各种类型的充电和放电。例如电子管理系统（EMS）91可以配置为管理超级电容器以及至少一种类型电池的充电和放电。电子管理系统（EMS）91可以利用能量储存器30来提供各种能量形式。例如，可以提供比之前井眼1下面可获得的来自常规外部能量源51的功率脉冲的更高的功率脉冲。一个示例性实施方案的电特性提供在下面的表1中。当然，这些特性可以随着设计和/或规模或者其他这样的参数的改变进行调节。
[0129] 至少一种发电机可以依赖于各种技术中的任意一种或更多种。示例性发电机包括可以分类为流驱动发电机（例如，
涡轮）；位移发电机；热伏发电机等的发电机。
[0130] 在一个实施方案中，例如图9的实施方案，包括在电力系统16中的电子器件至少部分地使用数字逻辑实现。例如，电子管理系统（EMS）91电路可以包括数字电路。用于EMS91的数字电路的一个实施例是从亚利桑那州钱德勒的Microchip Technology Inc.可获得的
微处理器，型号PIC18F4680。EMS91可以使用数字协议与多个监督器92通信。每个监督器92可以包括数字电路。用于监督器92的数字电路的一个实施例为从亚利桑那州钱德勒的Microchip Technology Inc.可获得的微处理器，型号PIC12F615。通常，每个监督器92通过
数据总线94接收数据。当接收到用于监督器92中的相应一个监督器的指令时，相应监督器92（A-n）执行指定的功能。例如，监督器92A可以从EMS91接收指令来从内部电池提取电力。因此，监督器92A命令相应电子模块93（在该情况下，为电子模块93A）来利用包含在能量储存器30中的内部电池。在该实施例中，电子模块93A包括电源转换器和合适的开关。
[0131] 任选模块99可以包括在控制器45中（当附加到控制器45时，与控制器45物理分隔）。通常，选择模块99包括可以有益于有效能量管理和/或给用户提供有用信息的部件。在一些实施方案中，选择模块99中的每个选择包括相应监督器92n以及电子模块93n。在这些实施方案中，每一个监督器92均可以包括数字电路。用于监督器92的数字电路的一个实施例为从亚利桑那州钱德勒的Microchip Technology Inc.可获得的微处理器，型号PIC12F615。通常，每个监督器92均通过可以与电子管理系统（EMS）91共享的数据总线94接收数据。当接收到监督器92中一个相应监督器的指令时，相应监督器92（A-n）执行指定的功能。例如，监督器92D可以从EMS91接收用于温度读取的
请求。因此，监督器92D命令相应的电子模块93（在该情况下，为功率电子模块93D），以从例如电阻元件探知温度。作为另一实施例，EMS91可以命令监督器92C存储数据。因此，相应监督器92C向相应电子模块93C提供数据、测井指令等。
[0132] 电子模块93n中每一个可以包括适合来执行预期的功能的器件。例如，可以包括至少一种电源转换器，以及集成电路、IC芯片、
微控制器、电容器、
电阻器、电感器以及其他类似部件和部件的集合。
[0133] 可以制造选择模块99并将其设置为定制的和模块化的单元。也就是说，每个选择模块99在利用共同通信协议的同时可以在其中建立一定的功能性。
[0134] 控制器45可以包括与外部通信总线97的接口。外部通信总线（ECB）97可以配置为与其他机载工具通信或者与测井仪10通信。示例性的其他工具包括泥浆脉冲器、其他微控制器、数字电路和/或模拟电路等。ECB97可以使用私有协议，或者可以使用可商购协议。使用ECB97，用户可以例如上部设备7向EMS91发送至少一个命令。所述至少一个命令可以通过例如电压的改变、任意选择的激励、存储数据的读取等来调用。ECB97也可以提供定期的通信，例如记录到上部设备7常规数据的通信。
[0135] 在一般性地讨论可选特征并且特别是电气方面的特征之前，应该注意的是，所提供的实施方案是非限制性的并且仅为示例性的。例如，部件和/或特征可以在电力系统16之内到处移动（即，以不同方式关联），并且一些部件和/或特征可以设置在电力系统16的之外。本文中所描述的各种特征的方面的一些组合可以以其他形式实现，或者存在本文中未讨论的其他功能。可以省略本文中讨论的特征的一些方面，同时特征的其他方面可以用在本文中未示出的技术补充。还应该注意的是，在本文中所提供的概述是作为电力系统16的技术和能力的概括示出，并且因此仅举例说明了电力系统16的各方面。也就是说，例如，电力系统16的实施方案的附图和相关讨论以及其特征、部件和功能仅示出非限制的关系和能力并且无意于解释为电气图等。
[0136] 各种附加的部件和特征可以包括在选择模块99中。附加部件的实施例（未在本文中示出）非限制性地包括存储器、至少一种加速计、磁力计、电压测量装置、
陀螺仪、温度传感器、振动感应和测量装置、冲击感应和测量装置、流量感应和测量装置、电流感应和测量装置、至少一种可编程的接口和电路、多个定制的解决方案中的一个或更多个（其中的一些在下面介绍）等。此外，这些和其他部件可以提供数据记录、数据传输、测量和/或控制电压、测量和/或控制电流，以及对温度、冲击、振动、流量、取向、轨迹、位置等的监测。在一些实施方案中，附加的部件可以设置在可以经由例如共同总线耦接到电力系统16的附加的模块（未示出）中。模块可以设置在例如控制器45与接口之间。
[0137] 通常，在本文中所公开的电力系统16适于在井下遇到的恶劣环境中操作。例如，能量储存器30和电力系统16作为整体在一些实施方案中适于在从上部的环境温度（尽管电力系统16可以配置为在低至约零下40摄氏度的温度下操作）至约175摄氏度，或高达约200摄氏度的范围的温度下操作。在一些实施方案中，能量储存器30适于在高达约250摄氏度的温度下操作。
[0138] 现在介绍一些附加的电气功能以及这些功能的实施方式的各方面。通常，并且仅通过示例的方式，这些特征可以在从属于（例如，受控于）相应监督器92和电子模块93的情况下来实现。尽管这些特征在图9的上下文中示出，但是这些特征不限于用本文中所示的实施方案实行。
[0139] 可以包括在电力系统16中的示例性附加功能包括电压模拟、充电状态监测、转换控制、输出电压优化、双模式控制、温度保护、休眠模式、存储器记录、部件旁路以及适应性电压控制等。应该注意的是，这些附加特征中的一些特征不相互排斥。就是说，期望的是，至少一种附加特征可以在任意给定时间下使用，并且该附加特征的该实现将不与其他特征的操作冲突。现在示出这些附加的方面和功能性中的一些。
[0140] 可以包括在电力系统16中的各种特征中的第一特征为电压模拟的特征。例如，可以包括电压模拟器作为在选择模块99之内的一个选择（或者以其他方式结合到未使用选择模块99的电力系统16中）。通常，电压模拟器模拟（或“模仿”）另一种电源的电特性。
[0141] 现在参照图10，示出了包括主电力系统（PPS）85的模拟器80的实施例。将主电力系统85描述为耦接到源以及负载。源可以为例如能量储存器30（例如超级电容器）。负载可以为存在对能量的需求的任意装置。负载的非限制性实施例包括泵、马达等，以及电子器件例如传感器、计算部件等。负载可以布置在其他工具例如测井仪10之内。
[0142] 在主电力系统85的该示例性实施方案中包括电源转换器81、反馈控制器82以及模拟器映射84。通常，主电力系统85中使用的部件在电力控制系统的技术领域中是已知的。在下面更详细地描述电源转换器81、反馈控制器82以及模拟映射84中的每一种。通常，电源转换器81从源接收电力并将电力转换。转换通过反馈控制器82控制，进而根据模拟器映射84控制电源转换器81的
输出信号。
[0143] 图11示出包括电池模拟器80的一些示例性系统构造。图11A表示电池模拟器80的输出与另一个源之间的并联连接的实施方案。图11B表示电池模拟器80的输出与另一个源之间的串联连接的实施方案。可以包括可选的电源转换器（第二电源转换器81B和第三电源转换器81C）。例如可以包括可选的电源转换器81B、81C以对电池模拟器80的输出与附加源或负载进行协调。可以是其他组合。例如，可以耦接有多个电池模拟器80，可以耦接有许多二次源，并且可以实现并联构造和串联构造的组合。简而言之，可以实现各种构造，并且根据需要通常可以包括许多源、负载、电源转换器等。
[0144] 电源转换器81（A、B、C、…n）中的每一个通常可以具有任意的拓扑结构。非限制性实施例包括通常称作“降压”、“升压”、“降压-升压”、“反激”、“正激”、“开关电容器”的转换器，和非隔离转换器的其他隔离形式（例如，Cúk、降压-升压），以及任意这些转换器的级联（例如，降压+升压）。
[0145] 在一些实施方案中，电源转换器81（A、B、C、…n）中的每一个可以支持双向功率流，尤其是当源或至少一种附加源为可再充电的情况下。
[0146] 示例性转换器81在图12中示出。在该实施例中，转换器81为双向
降压转换器。除其他之外，该实施方案在要求输出电压小于输入电压时尤其适于用作电源转换器。
[0147] 另一示例性转换器81在图13中示出。在该实施例中，转换器81为双向
升压转换器。另外的示例性转换器81在图14中示出。在该实施例中，转换器81为合并的双向降压-升压转换器。
[0148] 在图15中提供了反馈控制器82的示例性实施方案。在本文中所示的部件可以以通过设计者、制造者或用户所确定合适的模拟域或数字域，或者以组合的方式来实现。反馈控制器82可以包括用于监测和控制各种特征的元件。例如，反馈控制器82可以包括用于
频率补偿、脉冲宽度调制、停机时间保护、占空比限制、提供软启动（例如，斜坡电压）等的部件。
[0149] 模拟器映射84可以以各种方式实现。例如，在“模拟”实施方案中，模拟器映射84可以通过使用模拟的源的实际复制品（例如，用模拟的源的较小版本）来实现。在这些实施方案中的某些中，可以用相关的复制品部件对复制品进行充电和放电。
[0150] 在称作“数字”实施方案的其他实施方案中，微控制器（耦接到存储器、
模数转换器、
数模转换器等）检测源的状态以及输出转换到已知特征的映射（即，关联）。更具体地，通过示例的方式，微控制器借助模数接口（例如，通过模数转换器）感测源的充电状态，根据从存储器取回的数据表、曲线、
算法或其他数据组来评估所需的（期望的）从电池的输出，并且然后相应地控制电源转换器81的输出。结果经由数模接口（例如，
数模转换器）从微控制器输出。因而模拟输出影响用于反馈控制器82的“命令”电压。
[0151] 可以在主电力系统85中的各个地方实现模拟与数字之间的分离。例如，反馈控制器82可以在微控制器中完全实现，其中命令不作为
模拟信号传递而是内部地传递到微控制器（或在例如使用多个微控制器的情况下通过总线）。通常，模拟到数字的转换以及数字到模拟的转换可以在系统设计者、制造者或用户认为合适的主电力系统85中的任意地方实现。
[0152] 电源转换器81的命令或调节方面（例如，输出电压）通常可以包括可行的任意特征或特性。例如，可以对输出电流、输出电压、输出功率或输出电压、电流和功率的组合进行控制。其他方面包括阻抗、输出电阻、以及其他这样的参数。通常，输出包括直流电（DC）。然而，在一些实施方案中，提供交流电（AC）。
[0153] 感测到的源（在以上实施例中的电容器）的特征通常可以考虑认为合适的任意方面。例如，感测到的特征可以包括电压、电荷、阻抗、电流、温度等。
[0154] 现在参照图16，示出了示例性的充电状态监测器170的各方面。在图16中，来自电池的电流（Ibatt）通过在串联检测电阻器Rsense两端的电压测量值（Vsense）来测量。电流可以通过已知的电阻值Rsense（以欧姆为单位）由电压测量值推出。例如，通过使用公式（1）中给出的关系：
[0155] Ibatt=Vsense/Rsense(1)
[0156] 电流也可以通过其它技术检测。例如，在一些实施方案中，电流可以通过
霍尔效应传感器或电感传感器来检测。
[0157] 通常，将电源（例如，电池）初始充电到满充电状态。监测器定期（例如每毫秒一次）测量电压。测量可以例如在模数转换器（ADC）处执行。此外，可以使用该方法来更新存储器中的充电状态变量，而不是存储电流随时间的完整记录。因而，通过计算充电状态，不需要存储来自测量的大量数据。这对将充电状态条件从监测器传输到远程接收器（例如从井下监测器到上部接收器）或者当可用的井下存储器有限供应时可以是特别有用的。
[0158] 可以包括作为可选特征的电力系统16的另一方面为转换控制方面。在各种实施方案中，能量储存器30可以包括多个能源。当设置有多个能源时，电力系统16可能需要选择能源中的特定几个以提供电力。例如，在一些情况下，电力系统16可以利用两个电池。在一种状态下，电力系统16可以从所述电池中的第一电池提取。一旦第一电池已到达指定状态（例如，一旦第一电池已经基本耗尽），则电力系统16可以从另一个源（例如所述电池中的第二电池）提取电力。因而，源的转换不可避免。
[0159] 然而应注意，该转换未必为源之间的简单切换。例如，电力系统16可以单独从另一个源提取电力或者电力系统16可以从包括第一源和另一源的组合源提取电力。在一个实施例中，电力系统16监测在放电期间由一个电池表现出电压。电力系统16将测量负载电压、开路电压或者两者的组合。在一些实施例中，电力系统16将对在包括负载状态和非负载状态的期间上对电池电压进行时间平均。电力系统16将使用源电压作为源的剩余寿命的指示。在一些实施方案中，电力系统16也将使用（联合地或独立地）如下的充电状态检测方案作为剩余寿命的指示并相应地控制转换：测量由能量储存器30供应的电流并且记录电流和时间的乘积并且将乘积与先前已知的满状态充电容量的值进行比较。电力系统16也可以使用设计者认为有用或合适的任意其他方法或方法的任意组合以确定各自源的剩余寿命或者以指示所需的转换。该转换可以在设计者、用户、制造者或其他有关当事人认为合适或需要的电池、电缆、发电机、超级电容器以及任意其他形式的能源或者其组合之间实现。
[0160] 转换可以以任意数量的方式实施。一个实施例使用用于待通过转换控制器选择的各种能源的电流路径中的有源器件（例如MOSFET）。对于以地为参考的逻辑电平输入MOSFET，系统PEMS91或相应监督器92可以在MOSFET的栅极与源极之间提供逻辑电平控制信号以将MOSFET激活。例如，为了激活一个源并且停用另一个源，可以激活用于第一源的转换MOSFET以使第一源与电力系统16之间产生闭合电路连接，并且可以停用用于第二源的交换MOSFET以断开第一源与电力系统16之间的闭合电路连接。如果以地为参考的MOSFET由于任何原因而不适合，则可以将MOSFET类似地放置在高电势电路路径中。在该情况下，MOSFET的栅极到源极电压可能需要电平移位电路以将呈现在MOSFET端子处的栅极到源极电压限制到安全范围。在任意情况下，设计者应该考虑有源器件中的固有的
体二极管的方向以便当要断开电路时有效地阻挡电流。继电器、模拟开关、保险丝、自复保险丝、晶体管、隔离栅极
驱动器或隔离有源器件以及任意数量的器件在实现转换控制中可以全都是有用的。交换控制也可以以更为线性的方式实现。例如通过控制放置在该源的电流路径中的电阻，例如，可以通过连续统一体控制从一个源提取的电力的量。这也可以用晶体管实现。在该情况下的控制信号应该类似与模拟信号而不是数字或二进制信号。
[0161] 命令在源之间的改变（称作“转换命令”，以及通过其它类似术语称谓的）的控制信号可以在EMS91或相应监督器92之内生成。转换命令可以数字地、模拟地或者通过信号的混合生成，并且可以例如通过认为合适的任意技术来在EMS91或监督器92之外生成。
[0162] 转换可以以任意数量的方式表现。例如，该转换可以在电池之间进行切换，其可以从一个电池切换到两个或若干个电池的组合或者从一个组合切换到另一个组合，其可以在给定的时间期间中切换任意次数，其可以重复地切换回一个状态或在若干个状态之间重复切换，以这种方式其可以在状态之间进行调整以实现有效的时间平均特征，其可以对多种能源（例如电缆、发电机、电池、电容器、飞轮或认为有用的任意其他源）的任意组合之中进行切换。可以通过任意信息，例如能源的充电状态、源呈现的电压、能源呈现的阻抗、环境温度、振动或其他测量结果、从远程位置（例如在油或气体钻井应用中的地表等）接收的信号、或者信息的任意其他源来获知转换控制。
[0163] 在图17中，示出了用于示例性转换控制单元180的拓扑结构的各方面。
[0164] 给出电力系统16将在其中操作的极端环境条件和变量，可以包括自调整电压控制特征以确保电力系统16的可操作性。
[0165] 可以在一些情况下包括电压适应电路以控制能量储存器30的最大电压。例如，可以根据温度或一些其他外部测量结果（例如，另一个环境测量值）进行控制。更具体地，在一些实施方案中，能量储存器30将随着增加的温度变得愈加不稳定。通常，不
稳定性通过限制能量储存器30支持的电压来改善。对于高温超级电容器，随着温度增加，功率容量或能量容量也增加（由于在升高的温度下有效串联电阻降低并且电容增加）。同时功率容量和能量容量两者随着超级电容器电压（的平方）增加而增加。因而在升高的温度下，由于在那样的温度下有效串联电阻降低并且电容增加，所以在至少部分地保留功率容量和能量容量的同时可以减小电压。通过在提高的温度下降
低电压，在那些升高的温度下可以提升能量储存器30的稳定性。这导致能量储存器30的寿命的伴随着增加。这还允许能量储存器30的最大温度额定值的增加并且因此在限定能量储存器30的温度额定值的一些实施方案中，允许电力系统16的最大温度额定值增加。作为电压适应的实例，根据温度的串电压的管理可以例如通过提供用于电力转换的可变电压设定点（其中可变的设定点根据温度的测量结果变化）来实现。在一个实施方案中，温度通过耦接到EMS91的
热电偶来测量，PEMS91进而向相应监督器92发送电压设定点命令。在收到电压调节命令后，相应监督器92可以控制对电源转换器控制电路的额定或最大电压输出进行调节的电源转换器控制电路。
[0166] 电力系统16的另一示例性特征为多模式控制的特征。可以实现多模式控制（MMC）以控制多组电力系统16的各方面。例如，在一个模式中，用户可能希望实现可提供减小的能量储存器30（在该实施例中，为电池）内部的电力损失从而延长电池的可使用寿命的某种性能方面。在该模式中，例如，电力系统16可以配置为提供相对低的电压。在另一个模式中，用户可能希望实现导致增加的输出功率以提高与远程位置的通信的效率的某一性能方面。在该模式中，例如，电力系统16可以配置为提供相对较高的电压。在某些模式中，电力系统16可以配置为提供相当高的电压。其他性能方面可以包括例如使输出电流或平均输出电流最大化、或认为合适的任意其他方面。可以期望其他的模式。可以提供任意数量的模式。
[0167] 可以实施选择模式的各种方法。例如，用户可以通过对电力系统16进行编程（例如通过经由外部通信总线（ECB）97对电子管理系统（EMS）91进行编程）来将电力系统16设置在地面上。用户可以通过经由数据链路（例如EM链路）或泥浆脉冲链路或通过控制井下液体的流动创建的链路或者任意其他链路进行通信来远程地配置电力系统16。可以对电力系统16进行编程以在运行时间中重新配置电力系统16自身。可以通过任意数量的方式来实现不同模式的操作。例如，电子管理系统（EMS）91可以在运行时间中改变用于反馈调节的电源转换器的输出电压或输出电流的设定点，从而改变转换器呈现的额定输出电压或电流。电子管理系统（EMS）91可以通过向相应监督器92施加例如模拟控制信号或数字控制信号，或者通过激活改变控制输入的器件，或者通过认为合适的任意其他方式来实现上述内容。在用数字反馈控制设计的转换器中，可以数字地进行模式之间的改变。在一些情况下，当在模式之间进行改变时，可以有效地改变其他电路参数。例如，当改变额定输出电压时，可以改变指示反馈回路的稳定性的无源部件。可以使用晶体管或其他受控的开关器件来根据需要将那些部件主动地断开并且将其他部件接入。在数字反馈控制的情况下，反馈回路的稳定性可以通过在编码预编程数字控制器的不同段之间进行切换来维持。
[0168] 电力系统16的另一示例性特征为低温控制的特征。低温控制在某些环境中是期望的。也就是说，能量源（例如，外部能量源51）的性能可能在某些温度范围（“低温阈值”，其可以为近似值或值的范围）之下暂时劣化。在低温阈值之下，如果从能量源提取大量的电力，则可能损伤能量源。考虑，例如，可从纽约克拉伦斯的Electrochem Solutions获得的井下电池（美国产品型号33-127-150MR系列：4422DD，在低至零下40摄氏度的“低温阈值”下具有200mA额定大小的输出电流）。在低温阈值之下，该电池可以在未引起永久电池损伤的条件下仅能够供应约1mA至50mA。
[0169] 因而，电力系统16可以配置有低温控制电路。低温控制电路配置为在低温范围内探测温度然后适当地限制从能量源提取电力。在低温阈值之下所提取的电力可以分配给某些功能，例如维持电力系统16以及用于探测温度并控制电力提取的控制系统的操作。因而，在一些实施方案中，将功率限制设定点设置到需要实现低温检测和控制的电力水平之上。当环境的周围温度上升到低温阈值之上时，低温控制电路然后可以逐渐地将电力储存到电力系统16之内的所选择的部件。
[0170] 电力系统16可以配备为使用各种器件来监测温度。在一些实施方案中，低温控制电路配备有热电偶、带隙参考电路以及电阻温度探测器（RTD）中的至少一种。可以使用用于测量的其他技术，并且用于测量的其他技术可以包括例如电力系统16之内的呈现出温度依赖特性的其他部件的使用。
[0171] 可以通过简单地使某些电力系统部件（例如电源转换器和
传感器系统）禁用来对电力提取进行限制。也可以通过控制电力系统部件的电力提取（例如通过调节电源转换器电路的输出电流或电压）来对电力提取进行限制。系统可以配置为一旦温度上升到低温范围之上则恢复正常操作。
[0172] 在讨论低温保护方面的同时，也应该认识到，前述的各方面也可以用于提供高温保护。在温度保护提供电力系统16的减少的功能的同时，在一些实例中，引入实质上关闭电力系统16的“过温关闭模式”是有益的。
[0173] 电力系统16的另一特征为“休眠模式”。休眠模式可以给用户提供对电力系统16的保护。这样的保护对于电力系统16不使用的期间可以是有益的。例如，对于期望维持电力系统16连接到能量储存器30的存储或传输期间。此外，休眠模式将限制能量储存器30的过早耗尽。更具体地，通常将要求一定水平的“备用电力”以保持电力系统16中的部件运行。如果给定的电力系统16连接到能量储存器30并且维持存储或维持传输若干个星期到几个月，能量储存器30可能将基本上或完全地耗尽。考虑以下实施例。
[0174] 在一个实施例中，能量储存器30包括具有四个电池的电池组（例如，可从纽约克拉伦斯的Electrochem Solutions获得的产品型号33127-150MR系列：4422）。电池组具有大约4个单电池×3.67V×29Ah=425Wh的容量。通过使连接到这样的电池组的电力系统持续四个星期所提取的200mW的备用电力将消耗电池组的约67Wh或总容量的约16%。如果使电力系统16在未完全充电下处于储存状态，或者维持一段延长的时间，则该影响将是显著的。
[0175] 在一些实施方案中，休眠模式通过探测有效的非工作态来激活。可以使用若干个方法。在一个实施例中，电力系统16设置有至少一种防尘罩。防尘罩中的相应一个防尘罩配备为与电力系统16电耦接。例如，防尘罩可以包括配置来连接到在电力系统16的连接器中的引脚的跨接线。EMS91可识别连接器中的某些引脚何时已经被连接并且给出休眠模式命令。
[0176] 在一个实施方案中，连接器的探测要求使通过防尘罩连接器的引脚（该实施例，为两个引脚）对应于在EMS91上的引脚。EMS91配置为识别引脚中的作为数字输出的第一引脚以及作为数字输入的其他引脚。配置作为数字输出的引脚可以设置为高的逻辑电平例如5V。然后，如果在配置作为输入的引脚上探测到5V，则EMS91将认为其为防尘罩的指示并且因而认为其为非工作态。引脚构造的若干组合可以用于探测多个状态或用于探测由多个不同情况引起的等效状态。可以使用探测引脚之间的连接的其他方法。
[0177] 防尘罩（任意种类的
覆盖物、护罩或
包装（为了方便将所有的这些称作“覆盖物”））也可以配置来在电力系统16上施加其他条件。例如，覆盖物可以呈现跨引脚的一定电阻或任意其他种类的阻抗，覆盖物可以呈现例如来自埋置在防尘罩中的一次电池的电压，覆盖物可以呈现通过分隔电路或任意其他装置创建的交流信号或
数字信号，覆盖物可以呈现如通过二极管提供的那样的非线性效果。由于防尘罩通常旋拧到压力筒上，所以连接器上的引脚的连接可能需要埋置在覆盖物中的可旋转连接器。因而连接器可以
配对有插座并且防尘罩的外部可以绕所述连接器旋转。连接可以在没有防尘罩的条件下实现，连接器可以显式地放置以使系统处于休眠模式，连接可以在除出现在压力筒的外侧的连接器之外的连接器处连接到电力系统。休眠模式可以通过在没有用于显示非工作态的外部连接下探测非工作态来实施。例如，电力系统16可以测量传送到负载的电流并且在传送的电流小于指定值的若干时间后，确定非工作态并且控制电力系统进入休眠模式。电力系统可以测量在电容器或其他能量储存元件上的电压并且确定在电压偏差小于指定量的若干时间后确定非工作态并且控制电力系统16进入休眠模式。可以使用设计者认为合适或有用的其他方法。
[0178] 在一些实施方案中，覆盖物包括这样的部件：例如电阻器、电池以及二极管等中的至少一种。就是说，覆盖物可以包括在安装覆盖物时将向电力系统16提供特定
电信号的任意部件。当电力系统16探测到相关的特定电信号时，电力系统16将进入休眠模式。
[0179] 休眠模式可以包括对非必需系统部件（例如仅在操作期间需要的电源转换器或传感器部件）进行禁用或断电。休眠模式也可以暂时改变系统参数例如输出电压以例如减小在能量储存器的自放电中或在其他电阻元件中消耗的待机电力。
[0180] 可以包括在电力系统16的实施方案中的另一特征能够实现数据记录。就是说，在电力系统16中可以包括有存储器记录电路（即，模块）。存储器记录电路可以包括存储器和用来接收事件数据的接口。该数据可以用于控制系统操作、将系统状况发送到远程位置、或者在其他用途之外的操作之后对系统进行调试或评估。系统可以记录的数据的一些实例包括电池电压、电池电流、电池充电状态、温度、振动、冲击事件、显示测量的流体流量的逻辑电平信号、用于MWD泥浆脉冲器的泥浆脉冲激励、电池交换状态等。存储器记录电路还可以包括适于接收并存储事件数据的处理能力（即，存储器记录处理器）。存储器记录处理器也可以从存储器重新得到事件数据并且将用于传输的事件数据传送给用户。
[0181] 通常，对数据
采样和数据参数化的速度进行仔细选择以确保有用量的信息的存储。就是说，适用于在高温下操作的存储器通常比适用于在较低温度处操作的存储器更不密集。因此，在一些实施方案中，数据采样和记录以与改变的速度相当的速度执行。在一些实施方案中，将采样的数据参数化（即，用来更新表示总体参数的拟合变量，例如充电状态或损伤部分）。提供了一些实施例。例如，在一些实施方案中，缓慢变化的信号仅在每数分钟采样。将振动数据参数化为在特定
时间窗口（例如，10秒）上从加速计测得的均方根加速度的时间平均。电池充电状态存储为随着在时间上测量电池电流而更新的单个数据点（相反于保持电池电流的全记录）。冲击事件为时间标记的并且记录为在加速度超过指定限制（例如，35Gs）期间的单个事件。易失性存储器和
非易失性存储器的组合也可以减轻在高温下操作的高密度存储器的不足。就是说，非易失性存储器（即使没电也保持其状态的存储器）通常较不密集但是在能量源中的故障的事件中将不会失去其数据，因而其有益于在非易失性存储器尤其在恶劣环境应用中保持数据。同时易失性存储器通常更密集，但是在能量源中的故障的事件中将不一定保持其数据。在一些实施方案中，使用折衷设计，通常将所有数据存储在易失性存储器中使得可以具有更长的记录，同时将数据周期性地存档到非易失性存储器。
[0182] 例如，在用于存储器管理的折衷设计中，用户可以访问最近100小时左右在能量源中的故障的事件中的数据记录。最近存档以后的最新数据可能丢失。该影响可以通过更频繁地存档来减轻。然而，非易失性存储器通常适用于特定数目的写入循环。因而，可以作出折衷。例如，如果系统需要持续2,000小时并且ROM（非易失性存储器）适用于10,000次写入循环，则可以每2,000小时/10,000循环×60分钟=12分钟对数据进行存档。因而，用户在最坏的情况下可能丢失12分钟的最近数据，并且统计上预计将丢失6分钟的最近数据。该效果可以通过这样进一步减轻：向电力系统16添加若干个ROM使得一个ROM可以大量次数（例如，10,000次）写入并且然后认为在寿命的尽头时，然后第二ROM可以被写入至10,000次，依次类推，使得对于电力系统16可获得多于10,000的写入循环并且存档可以更频繁地进行。同时，如果在能量源中不存在故障，在RAM（易失性存储器）中可以获得数据的全记录。因此，应该认识到，可以使用各种存储器管理方案。
[0183] 示例性存储器部件为可从美国加利福尼亚的阿纳海姆TT半导体（TTsemiconductor Anaheim）获得的一兆比特的高温ROM（EEPROM）（产品型号TT28HT010）。
该示例性部件适用于最高达约200摄氏度的操作。另一实施例从相同制造者可获得并且为
16兆字节RAM（SRAM），（产品型号TTS2MWV8）适用于最高达约220摄氏度的操作。
[0184] 如上所述，可以包括在电力系统16的实施方案中的特征之一为旁路特征。现在讨论旁路特征的一些另外的方面。
[0185] 在一些实施方案中，旁路特征通过独立电源转换器和冗余电源转换器（称作“旁路转换器”）中的至少一种来实施。在那种情况下，可能需要阻挡加设旁路的部件的输出端的电流流入或流出。因而，在电力系统16中可以包括开关网络。在一些实施方案中，开关网络包括具有第一转换器的输出的二极管使得二极管将适当地阻挡电流流动。在一些实施方案中，二极管将不合适（例如在双向设计中二极管引起过多的电力损失或电流流动的阻挡），所以可以使用MOSFET或其他有源器件。在利用至少一种MOSFET或至少一种其他种类的晶体管作为开关的实施方案中，开关器件耦接到适当的栅极或基极或者其他驱动电路以安全地激活开关器件。在MOSFET的情况下，应该认为固有的体二极管在两个方向上均阻挡电流流动。可以使用与体二极管的方向相反的串联二极管来阻挡沿着两个方向的电流。也可以使用MOSFET的组合。也可以使用MOSFET与二极管的组合。在一些拓扑结构中，开关网络的功能性对于电路可以是固有的，从而不需要附加的开关网络。例如，在具有异步高侧开关（二极管）的升压转换器中，转换器将仅从源极使大量电流导通到在高电势路径中的负载。因而，如果开关网络的所需的功能性为电流不能从负载流到在高电势路径中的源极，则不需要附加的开关网络。
[0186] 旁路特征在电力系统16的部件不处于适合于提供电力的状态中时可以是特别有用的。例如，旁路特征在子系统或能量储存器30已发生故障时可以是有用的。旁路特征在能量储存器处于低充电状态中时或在电力系统16已经进入阻止电力系统16利用能量储存器30或其他系统部件的操作的模式时也可以有用的。可以存在旁路特征的其他用途，只要设计者发现它们是合适的即可。
[0187] 旁路控制器的一些实施方案在图18中示出。在图18A、图18B以及图18C中，旁路控制器190在与电力系统16的部件的各种关系中示出。
[0188] 可以包括在电力系统16中的又一特征为优化模块。在包括优化特征的实施方案中，电力系统16可以调整操作以优化整体性能方面。该调整可以在运行时中发生。例如，电力系统16可以以优化的整体系统能量效率为目标。电力系统16可以配置为对所有电力损失的总和进行评价。例如，电力系统16可以配置为监测当损失随负载电压变化时的负载中的损失、当损失随均方根电流水平变化时的能量源中的损失、在保持电源转换器运转时的待机电力损失、在能量源中的泄露电力损失等。使用该信息，优化特征任务是减小整体电力损失。
[0189] 为了提供优化，优化模块可以使用各种技术中的任意一种或更多种。例如，优化模块可以计算最优参数例如对从能量源提取的均方根电流进行调整的参数、电源转换器控制电路的相对导通时间、加到负载的输出电压、加到能量储存器30的电压等。优化电路也可以使用通过扰动一个参数并且重新测量系统效率，然后尝试以降低总电力损失的方向调整扰动的“扰动和观察”方法。当在任一方向上的扰动导致测量的电力损失上的增加时可以认为是最优或局部最优。可以通过将扰动和观察寻找算法与第一计算结合来帮助避免在全局
角度实际上为次优化的局域最优。第一计算应该将一组系统参数位于相对接近全局（系统）最优化。可以通过首先考虑在电力系统16中的所有损失的估计的总和来尝试这样做。总和可以包括来源于运行时间测量的损失项、来源于先验或预设值的损失项、来源于计算的损失项以及来源于以上的组合的损失项。第一计算可以尝试通过计算各种组系统参数的总和并且选择在所有组系统参数中得到最小计算电力损失的一组系统参数来找到全局最优。第一计算也可以尝试计算总和的偏离来
定位一组局域最优并且然后回来将系统参数替代到初始总和表示中以达到一组局域最优以选择全局最优。
[0190] 此外，优化模块可以在系统参数改变时（例如在时间平均负载电流或电力改变时、当能源存储器30老化时、当温度增加并且能源存储器30的泄露电流增加时等）在运行时间中对优化进行调整。为此目的可以通过测量电压和电流（例如源极电压和电流、负载电压和电流、其自身的待机电流、流进能量储存器30的电流等）的能力来帮助电力系16。优化模块还可以结合测量来确定其他方面例如电池内阻，原因是电池内阻可以从两个不同对的电池电压和电流的测量来取得。能量源的内阻可以作为优化的输入。
[0191] 在一些情况下，优化的输出电压导致在电力系统16的一些实施方案中的较高的效率（更少的损失）。考虑以下实施例。在MWD泥浆脉冲器系统中，较低电压可以产生具有较少耗散的足够的
电动机激励。一般来说，需要高电压电池来驱动MWD脉冲器，原因是在选择电池电压时必须考虑在输出功率的脉冲期间的瞬时电压下降以及MWD系统的下操作电压限制。就是说，一些峰值储备（head room）必须包括在电池电压中以应对电池内电阻导致的下降。另外，这些下降可能突破能引起电力系统16的其他不需要的行为关闭的下限电压阈值。然而，这样的电池电压对于泥浆脉冲器效率以及电池寿命可能不是最优的。因此，电力系统16可以配置为缓冲电池电压并且给MWD提供脉冲器电力。在该情况下，由于反馈调制和或能量储存器30、电源转换器或者能量储存器30和电源转换器的低输出串联电阻，电力系统16可以提供与电池相比基本上更固定的输出电压。因而仅有电池的设计中典型的峰值储备的考虑基本上放宽。可以在不关系到突破下限电压阈值下赋予MWD脉冲器较低的电压。同时，在较低电压下操作的MWD脉冲器可以更有效。最终，该效率导致能量储存器30中的电池的更久的寿命，原因是更少的电池能量无效地浪费。在一个实施例中，MWD泥浆脉冲器可以接受从15V至29V的电压。通常选择7个单电池或8个单电池电池来实现约25V至28V的电压。在操作期间以及当电池在其寿命期间衰退导致增加内电阻时，在向MWD脉冲器传输脉冲电力期间瞬时电压可能从开路电池电压降至20V或更小。一旦电池电压到达以瞬时方式或时间平均方式或另外方式测量的下阈值，则系统可能停止适当运行或者可能主动关闭。同时从28V电池驱动的MWD脉冲可以消耗约15J的能量。替代地，电力系统16可以耦接到电池和MWD脉冲器。电力系统16可以在电池的寿命范围内向MWD脉冲器提供相对固定的20V。同时通过20V的电力系统输出驱动的MWD脉冲可以消耗约11J的能量（表示约26%的能量节省）。展现该行为的MWD脉冲器系统的一个实施例为可从美国德克萨斯州乔治城的Benchtree获得的Benchtree MWD电动机驱动泥浆脉冲器（产品型号900370）。
[0192] 可以提供系统健康状态监测器作为又一特征。系统健康状态可以源自温度、振动和冲击以及对应的持续时间的测量和记录。损伤部分可以基于经验和统计试验预限定。
[0193] 电源16可以包括在其构造中的冗余特征。例如，可以包括附加的电力电子电路。可以包括在能量储存器30中的附加的容量。电力系统16可以配置为在探测到部件中的故障时停用该部件并且然后激活冗余部件。可以通过使用有源器件例如晶体管或继电器禁用控制电路、中断与电路的电力连接以及将电路与输入和输出断开中的至少一种来停用电路。可以通过使用有源器件将能量储存器30与输入和输出断开来同样地停用能量储存器
30。
[0194] 故障可以以任意数目的方式来识别并且将依赖于待被识别的故障的种类以及可能已经停止的部件的种类。例如电源转换器故障可以通过以下进行指示：转换器不能比特定量的时间（只要输出电力提取在典型限制之内的时间）更久地使输出电压维持在典型限制范围内。超级电容器故障可以识别为低或接近零的电压，尽管正常电压加在串联连接的超级电容器上也是如此。这可以具体地指示
短路型故障。可以通过使用电压测量器件例如耦接到模数转换器还耦接到PEMS91或其他类型控制器的电阻分配器来帮助故障探测。可以将故障和损伤部分记录在存储器中（例如通过本文中所提供的技术）并且报告给用户等。
[0195] 已经如此描述了电力系统16的电性能的各方面，现在提供一些附加的方面。通常，这些附加方面涉及电力系统16的构造和制造。
[0196] 现在参照图19至图24，示出了电力系统16的另外方面。在图19中，示出了适合于结合到测井仪10中的电力系统16的实施方案。在该实施例中，电力系统16具有使结合到钻柱11或电缆8简化的形状因素。更具体地，在该实施例中，电力系统16设置为细长、圆柱容器47并且包括在每个末端处的接口46（在该实施例中）。在容器47之内为作为能量储存器30的多个超级电容器。能量储存器30的充电和放电可以通过借助界面46传送电力的控制器45控制。图20提供了图19中所示的电力系统16的实施方案的分解图。
[0197] 电力系统16及其部件可以以“模块化”方式组装。就是说，电力系统16的模块化构造提供用于定制每个电力系统16并且提供更方便的制造。在考虑以下介绍的各方面的情况下模块化构造的各方面将变得更明显。
[0198] 参照图21，示出了控制器45的实施方案。在该实施例中，控制器45展现了适合于布置在圆柱容器47之内的形状因素。因此，控制器45可以包括至少一种绝缘体65。在该实施例中，控制器45通常通过布置在每个末端的绝缘体65来划界，并且还包括中间绝缘体65。绝缘体65中的每个绝缘体65通常提供控制器45与电力系统16的其他部分的物理隔离，并且可以用于结合其他特征例如用于多个间隙
支撑物64的支撑点。绝缘体65可以从任意合适的绝缘材料例如聚四氟乙烯（PTFE）或等同物来制造。绝缘体65可以牢固地固定在容器47之内，使得中间部件物理地容纳到容器47之内的位置。通常，绝缘体65中的每个绝缘体65可以包括至少一种物理特征例如至少一种
槽口或孔，以提供至少一种入口引道。
至少一种入口引道可以提供用于例如，
导线的通道、封装等的通路。
[0199] 间隙支撑物64共同地提供多个电路62的安装和分离。电路62可以包括布置在例如
电路板上的部件。电路62可以包括部件例如多个电容器。在一些实施方案中，包括至少一种电感器63。在一些实施方案中，包括多个电感器63。多个电感器63可以用单个导体卷绕。在一些实施方案中可以使用单个导体，以提供在恶劣环境（例如将遇到过度振动的地方）中具有坚固物理强度的多个电感器63。
[0200] 通常，间隙支撑物64提供维持在每个电路62之间的间隔的刚性支撑。间隙支撑物64中的每个间隙支撑物64可以由合适的材料例如金属材料和/或绝缘材料（例如
聚合物的形式）来制造。
[0201] 在图21的图示中，电路板中的每个电路板通常布置为在使用时与Z轴垂直。因而，电路62中的每个电路62通常在整个电路62中吸收并均匀地分散
应力，并且经受来自任意机械应力的最小扰动。简而言之，电路62中的每个电路62可以包括提供使所经受的应力或应变中的至少一种最小化的设计（即，轴向力是压缩的而非纯粹的力）。通常，电路62中的每个电路62可以包括特征例如至少一种槽口或孔，以提供至少一种入口引道。至少一种入口引道可以提供用于例如导线的通道、封装等的通路。电路62中的每个电路62的形状因素（即，物理外观）可以以任意所需的方式适于提供这样的调整。例如，代替圆形电路板，电路板可以具有两个至许多个侧面（n个角对角线）。
[0202] 储存单元42中的至少两个储存单元42可以包括布置在其之间的至少一种绝缘体65。储存单元42中的每一个储存单元42可以包括其他形式的绝缘材料例如比如特拉华的Dupont Chemical Corp.提供的聚酰亚胺膜（例如KAPTON），使用KAPTON，原因是其在宽范围的温度中仍然稳定。储存单元42中的每个储存单元42可以用绝缘膜包覆，该绝缘膜尤其可以用于提供防止电短路。
[0203] 一旦各种模块化部件已经组装（即，互连），则这些部件被安装在容器47之内。例如，可以将组件插入到容器47。为了确保机械上坚固的电力系统16，以及为了防止电干扰等，在一些实施方案中，可以将
密封剂浇铸到容器47中。通常，密封剂填充容器47之内的所有空隙空间。
[0204] 密封剂的实施方案可以包括例如SYLGARD170（可从密西根州密特兰的DowCorning获得），其为在
固化前呈现低粘性的快速固化
硅橡胶，在100kHz下的
介电常数为
2.9，
介电强度为530伏特/密耳（v/mil），以及在100kHZ下的耗散因数为0.005，以及温度范围为约零下45摄氏度至约200摄氏度。可以使用其他密封剂。可以例如根据电特性、温度范围、粘性、硬度等来选择密封剂。
[0205] 通常，电路62中的每个电路62可以表示对于用户至少一种增值特征（例如前述特征中的一些，包括例如描述作为选择模块99中的选项的那些特征），并且根据需要可以包括在电力系统16中。作为惯例，“增值特征”可以认为在控制电力系统16中有用的特征。例如，增值特征可以包括用于数据记录、遥感勘测、充电状态监测器、电池转换控制、电力转换、数字监督器、至少一种接口（例如串行接口）、健康状态监测器等的能力。
[0206] 因此，可以存在用于连接各种电路62的共同电总线。电总线可以包括布线组件（例如包括在电路62之间钎焊或以另外的方式连接的多个导体的总线）。电总线也可以包括其他技术。
[0207] 就是说，电总线可以包括替代或除布线组件之外的其他形式的连接器。例如，总线可以包括至少一种总线连接器。总线连接器可以包括例如每个部件可以附接到电路62中的相应电路的可匹配的凸部件和可匹配的凹部件。在这些实施方案中，总线连接器可以附加地提供在控制器45之内的某种程度的物理支撑。总线连接器可以包括一个至许多个导体，并且此外可以选择操作、机械特性（例如刚性）的可接受的温度范围。可匹配的凸部件和可匹配的凹部件中的每一个可以预制造到电路62中的相应电路上，或者稍后在待用在电力系统16中的各种电路被识别时添加到相应电路62。可以使用各种总线连接器。参见，例如图22。
[0208] 在图22中，示出了总线连接器70的简化图。在该实施例中，凹部件71包括用于与凸部件72闭
锁的闭锁部件。在组装时，凹部件71和凸部件72提供在两个电路62之间的电通信以及结构支撑。可以使用另外的总线连接器70。例如，另一个总线连接器70可以布置在电路62的相对侧以提供增加的结构强度。
[0209] 总线连接器70可以被表面安装，可以安装在至少一种通孔中，串联地（或并联地）或者以认为合适的任意方式安装。在一些实施方案中，总线连接器70适于结合中间器件例如带状电缆（未示出）。带状电缆可以包括例如适于高温操作的聚酰亚胺柔性材料。
[0210] 如图20所示，能量储存器30可以包括多个储存单元42。储存单元42可以以各种构造电耦接。可以参照图23和图24得到从多个单个储存单元42构造能量储存器30上的更多细节。
[0211] 参照图23，储存单元42包括布置在顶部处的
阴极83。储存单元42的壳体37提供
阳极87。阴极83和阳极87通过所集成的绝缘体63
电隔离。例如，阴极83可以为包括在结合到壳体37中的玻璃-金属密封中的电极。为了保护储存单元42免受不希望的电干扰，壳体37可以用绝缘材料的
包装材料74（例如以上所述的KAPTON膜）包覆。KAPTON可以包括布置在其上的高温粘合剂以确保与壳体37的粘附。通常，在一些实施方案中，包装材料74在除了阴极83以及壳体37的底表面之外的整个壳体37上提供电绝缘。
[0212] 在一些实施方案中，阴极83由
不锈钢制造，然而，这并不是必须的。
[0213] 在一些实施方案中，在包装材料74之上可以布置有
垫圈75。垫圈75可以由如包装材料74的类似材料（例如，由KAPTON膜）制造。通常，将垫圈75加工成一定尺寸以紧贴地安装在阴极83周围并且提供对壳体37的整个顶部的覆盖。在放置垫圈75之后，可以将连接条（tab）固定到阴极83。
[0214] 此外，垫圈75提供了能量储存器30中的附加的电绝缘。当然，同时垫圈75可以围绕阴极83放置（如所示出并描述的），垫圈75可以围绕阳极87放置（例如，参见图23的具有相反极性的组件）。因此，垫圈75可以围绕认为合适的至少一种电极（即，阳极和/或阴极）放置。
[0215] 现在参照在本文中统称为图24的图24A和图24B，示出了能量储存器30的组件的各方面。在图24A中，两个储存单元42并排放置。连接条88固定到能量储存单元42中的第一能量储存单元的阴极83，并且也固定到能量储存单元42中的第二能量储存单元的底表面。一旦连接条88被合适地固定（例如通过
激光焊接、
点焊接、氩弧焊接、
电阻焊接、超声焊接或其形式的焊接），则将能量储存单元的第二能量储存单元旋转到如图24B所示的竖立位置。
[0216] 在一个实施方案中，用于镍制造连接条88。然而，用于连接条88的材料可以包括认为呈现出合适特性（例如可焊性、强度、
导电性等）的任意材料。
[0217] 储存单元42的串联连接是能量储存器30的一个示例性方面。在其他实施方案中，能量储存器30可以包括以并联方式、或者以串联和并联的某种组合的方式连接的储存单元42。
[0218] 在将多个储存单元42组装为如图24B所示的堆叠体（即，串联地）时，在各个储存单元42之间出现间隙86。在各个储存单元42之间可以布置有插入物（在图20中所示）。在一些实施方案中，插入物49由高温绝缘材料例如比如聚四氟乙烯（PTFE）制造。此外，插入物49提供机械力的分散，并且确保在操作期间的各个阳极87的电分隔。
[0219] 一旦能量储存器30组装为最终形式，然后可以将电力系统16“封装”。就是说，一旦电力系统16插入到容器47中，则可以用密封剂填充容器47。此外，密封剂提供缓冲机械冲击以及保护免受在电力系统16之内的电干扰和环境干扰。在一个实施方案中，电力系统16填充有作为密封剂的 170硅橡胶（从密西根州密特兰的Dow Corning可
获得）。密封剂也可以提供热传导以使远离例如电路部件的多余的热耗散。
[0220] 已经这样描述了电力系统16的各方面，应该认识到，可以实现各种实施方案。例如，电力系统16可以包括提供用于对储存单元42中的至少一种储存单元42或耦接到电力系统16的电池（未示出）中的充电进行监测的充电状态监测器的电路；电力系统16可以包括用于从例如以冗余构造布置的若干个电池组中的一个或更多个提取电力的控制电路系统；电力系统16可以提供马达驱动；可以包括例如压力传感器、温度传感器以及振动传感器等的各种传感器（合适时可以向用于控制电力系统16的控制电路系统提供输出）。
[0221] 通常，在本文中公开的电力系统16适于在井下遇到的恶劣环境中操作。例如，能量储存器30和电力系统16作为整体在一些实施方案中适于在从环境温度至最高为约175摄氏度的温度范围内操作。
[0222] 可以用在电力系统16中的一些示例性现成部件和技术包括：（1）裸管芯硅和绝缘体上硅有源器件；（2）碳化硅有源功率器件；（3）高温额定以及低温度系数陶瓷无源元件（COG或NPO
电介质）；以及（4）高温磁无源元件、AlN（氮化铝）陶瓷由于良好的
热稳定性和热传导性而可以用作电路
基板材料。电路互连可以由抗氧化的Au线形成。接合方案可以采用芯片倒装或者使
用例如AuGe高温钎料的用于裸管芯有源部件的Au或Al线接合。在一些实施方案中，引线接合由于附加的机械顺从性，所以预计比芯片倒装接合有利，尤其在存在
热膨胀、冲击以及振动时，更是如此。
[0223] 例如可以使用高温电路技术以确保反馈调节电路的稳定性，尽管由于用于频率补偿的无源电路部件可能在值上变化时非常宽的温度摆动，也是如此。可以通过将负温度系数电阻器与常规电阻器耦接、通过精密匹配的有源器件以及通过依赖比率（相对的）而非绝对感应和控制来实现低温度系数或基本上为零的温度系数的电路设计。作为实施例，可以使用取自带隙的电压基准来取消在反馈调节电路中设定点上的非常宽的温度变化的效果。温度系数关键部件选择也减轻这些问题，例如CGO或NPO电介质陶瓷电容器具有对于整个该范围的温度相对平坦的响应。有源器件性能变化可以通过使用广泛可获得的气密的和裸管芯形式的绝缘体上硅（SOI）和碳化硅（SiC）技术显著减轻。
[0224] 可以使用本领域公知的其他高温材料、部件以及构造来提供在特定（高）温度处的可操作性。
[0225] 绝缘体上硅（SOI）、碳化硅（SiC）、裸管芯部件、陶瓷PCB、低温度系数无源元件以及高温高可靠性钎料将全部获得以完成电子系统。以上部件中的每个部件的供应商的非穷举列表包括在下面的表I中。
[0226] 表I
[0227] 示例性高温部件制造商
[0228]
[0229] 如在本文中所使用的，与电力系统16相关的术语“控制”通常涉及管理电力系统16的性能。然而，在一些实施方案中，“控制”可以解释为提供对电源的性能的监测。监测可以用于例如以另外的方式控制电源的使用的方面（例如，当充电状态显示有用的电荷已经耗尽时取消电源）。因此，术语“控制”等应该广义地并且在某种意义上解释为将覆盖可以意指或以另外的方式表明的这样的另外的理解。
[0230] 通常，某些测量和部件的使用（例如包装材料74、垫圈75、密封剂等）可以提供某些防护益处并且确保电力系统16在井下遇到的恶劣环境时的性能。因此，在这些测量和部件中的一些可以提供附加的益处的同时，在实现防范益处的情况下，通过结合这些测量和部件制造用于井下操作的电力系统16，在至少一些上下文中，可以称作电力系统16的“强化”。
[0231] 在本文中所提供的电力系统16的优点中的一些包括通过例如在高速率电池使用是必需的情况下使用低或适中速率电池所提供的增加的安全等级。能量储存器30不包含大量的铅或锂。电力系统16包括通过对通常在高电流提取期间遇见的暂时的电压突降进行限制而延长电池可用寿命。此外，电源用固有的电力转换添加了灵活性使得电池可以更容易地与井下的工具和仪器接合。另外，电力系统16可以在使用高温可再充电超级电容器来平缓并限制电池电流提取的同时提供提高的电力。这些效果将广泛地延长包括在电力系统16中的电池的可用寿命。
[0232] 电力系统16也可以通过减小来自电力系统16之内的电路的大的、快的电压偏差来消除直流（DC）总线上的电压变化（否则可以导致例如“串扰”或不期望的跨信号线耦合等问题）的影响。
[0233] 已经呈现了包括可再充电能量储存器30的电力系统16的许多方面，示例性实施方案的各种性能参数提供在表II中。
[0234] 表II
[0235] 示例性井下电源装置的性能参数
[0236]
[0237] 在表I中注意到，系统峰值功率使用每个电池的峰值功率Vw2/(4Rdc)乘以系统中电池的数量N来计算。最大输出电流通过用额定系统电压20V除以峰值功率来计算。系统2
能量通过使用单电池能量1/2CVw/3600乘以系统中电池的数量N来计算。
[0238] 由示例性系统的实施方案产生的关键特征包括：最高达约250摄氏度的操作温度，以及在操作温度之上的生存温度；基本上使用无毒部件；可定制的电流调节以及安全电流限制；可定制的输出电压设置；冗余电子器件；自动的电池去钝化；用于确保故障安全的旁路操作；和气密构造以及其他特征。
[0239] 因此，系统高度运用在例如那些需要高功率和脉冲功率的井下MWD和LWD的应用中。此外，在石油以及气体或地热勘探（“井下”）中，益处的实例包括：通过借助将电力系统耦接到一次电池和负载产生“平缓的”电池电流而减小电池内部损失来提高井下一次电池寿命，该“平缓的”电池电流由于电流与一次电池内部有效串联电阻中的欧姆损失之间的平方关系而引起与“尖峰”电流相比更少的能量损失；通过将电力系统耦接到相对低的电源（例如，外部能量源51）和负载而增加系统爆发功率能力，其导致从能量储存器提供相对高功率的爆发以及在更长时间范围上对能量储存器进行再充电的能力；通过将电力系统16耦接到相对间歇源和负载而减轻在一些电源例如发电机中的间歇性。
[0240] 因而，在本文中的教导产生可以提升井下电力并且使运行时间小时数比常规系统延长了20%至40%或更多的井下系统。此外，该教导能够使用低速率或适中速率电池替代高速率电池，同时通过故障安全和冗余特征的设置以使井下故障的可能性最小化以提供增强的可靠性，这产生简化的地面操作。
[0241] 应该认识到，在本文中的教导仅为示例性的并且不对本发明进行限制。此外，本领域技术人员将认识到，在保持在本发明的范围之内的同时可以实现另外的部件、构造、布置等。例如，用户可能希望撤消能量储存器30并且使其维持在一些演变中的顶侧，同时经由电缆例如经由电缆8将电力供应给测井仪10。通常，在井下环境中的电力系统16的设计和/或应用，或者在其他方面，仅受系统设计者、制造者、操作者和/或用户的需要以及出现在任意具体情形中的需求限制。
[0242] 此外，可以包括并采用各种其他部件用于提供在本文中的教导的方面。可以包括例如，附加的电源（例如，发电机、电缆、远程供应以及化学电池中的至少一种）、冷却部件、加热部件、维持压力部件、绝缘体、
制动器、传感器、电极、发送器、接收器、收发器、天线、控制器、电单元或机电单元，支持在本文中所讨论的各种方面或支持包括在超出本公开内容的其他功能。
[0243] 通常，电力系统16可以包括一种到多种电源转换器。电源转换器的示例性种类非限制性地包括“降压”、“升压”、“降压-升压”、“反激”、“正激”、“开关电容器”以及非隔离转换器的其他隔离形式（例如，Cúk降压-升压），以及任意这样转换器的级联（例如，降压+升压）。转换器也可以为DC-AC（逆变器）、AC-DC（
整流器）、AC-AC。开关电容器电路的示例性种类非限制性地包括Mark型、梯形网络、串并联、
电荷泵等。通常，转换器可以为切换模式或线性调节种类的转换器。切换模式转换器可以包括晶体管、二极管、硅控整流器或者相关当事人认为合适的任意其他种类的开关。
[0244] 在介绍本发明或其实施方案的元件时，冠词“一”、“一个”以及“该”意指存在一个或更多个元件。类似地，形容词“另一个”在用于介绍元件时意指一个或更多个元件。术语“包括”和“具有”意指为包括的使得可以存在除所列的元件之外的附加元件。
[0245] 合适时，技术可以作为“电路”、“模块”“部件”以及通过任意类似（通常为可互换的）术语存在于本文中。应该认识到，存在的技术的形式不受本文中所述的实施方案限制。就是说，应该认识到，许多方面例如电路系统可以实现为存储在机器可读媒介中的机器可执行的指令（即，实现为软件），并且反之亦然。因此，合适时，可以包括电路，或者被有能力的处理器等置换（并且反之亦然）。
[0246] 术语“自动”以及类似术语当在本文中使用时应该解释为通常进行的过程或技术的性能至少部分无人管理或没有相互作用，并且可以在限定或非限定持续时间进行
基础上继续。例如，控制电路或软件可以接收输入并且自动做出控制调整。调整和其他过程、控制或技术可以在“实时”或“基本实时”的基础上执行。然而，涉及“实时”的术语应该解释为在使满足用户、设计者、制造者或其他类似相关当事人的要求满意的时间段之内的特定过程、控制或技术的性能，并且非意指受限于瞬间响应或性能。
[0247] 在本应用中描述了各种变量，包括但不限于部件（例如，电极材料、电解质等）、条件（例如，温度、在各种水平下的各种杂质的
自由度）、以及性能特性（例如，相对于初始电容的后循环电容、低漏电流等）。应该理解，这些变量中的任意变量的任意组合可以限定本发明的实施方案。例如，特定电极材料、具有特定电介质、在特定温度范围下并且具有小于特定量的杂质的组合（尽可能地包括这些变量但可能未对特定组合进行着重陈述）为本发明的实施方案。也可以从本文中所列的变量之中具体地选择物件、部件、条件和/或方法的其他组合以限定其他实施方案，这些对本领域技术人员是明显的。
[0248] 应该认识到，各种部件或技术可以提供一定的必要性或有益的功能性或特征。因此，由于可能需要的这些功能和特征支持所附
权利要求和其变化，所以这些功能和特征被视为固有地被包括为本文中的教导的一部分和公开的本发明的一部分。
[0249] 虽然已经参照示例性实施方案描述了本发明，但是应该理解，在不脱离本发明的范围的条件下可以作出各种变型并且等同物可以替代其元件。另外，许多
修改将理解为在不脱离本发明的实质范围的条件下适应根据本发明的教导的具体仪器、情形或材料。因此，其意图是本发明不限于所公开的具体实施方案作为设想执行本发明的最佳方式而是通过本文中所附的权利要求解释。
