CN101146388A

CN101146388A - 独立式直流电源之led灯放电控制系统

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Publication number: CN101146388A
Application number: CNA2007101515556A
Authority: CN
Inventors: 孙民兴; 张荣锜; 孙实钧
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-12-03
Filing date: 2007-12-03
Publication date: 2008-03-19

Abstract

本发明公开一种独立式直流电源之LED灯放电控制系统，属于太阳能、风力等再生能源与LED及超级电容技术领域。本发明实时监测蓄电池电压，使用升降压方式调整输出，达到固定高功率驱动LED灯串负载的目的。可维持LED灯组最高亮度，不会有灯光逐渐变暗情况。并解决蓄电池与LED之间电压不匹配问题，减少能耗与发热困扰。本发明LED灯组则有亮度增亮模式与PWM调光的节能模式智能选择。而超级电容器的置入，可瞬间强光照明输出，对于警告、指示与导引有其重要应用。

Description

独立式直流电源之LED灯放电控制系统

技术领域

本发明涉及一种独立式直流电源之LED灯放电控制系统，属于太阳能、风力等再生能源与LED及超级电容技术领域。

背景技术

太阳能产生的直流电源所驱动的LED照明具有独立、不须挖沟布线与设置弹性而且不须维护的优势。现已成为LED路灯照明、LED警示与LED指示的重要电源系统。广泛用于次要道路、公园、小区、游乐区的路灯照明以及LED交通指示与警示标志。

而LED照明的电源分成市电的交流电与太阳能产生的直流电源，由于LED为单向导通负载，所以一般将交流电降压转为直流电源，才能驱动LED灯组。市电的交流电由电厂供应，其电压与电流供应可为恒定。而太阳能产生的直流电源，其电能是蓄积于电池中，当驱动负载时，由电池供应。

传统的太阳能LED照明系统，如图1，包括太阳能板(太阳能电池)1、充放电控制器2(充电控制与放电控制)、蓄电池3与LED负载4等四大部份。太阳能板1是光电转换组件，外界的光照射于太阳能板上产生电流。充电控制是将太阳能板的电流，导入蓄电池3中。而蓄电池是储能组件，一般是铅酸电池、镍氢电池等充电电池。放电控制则是主宰电池驱动LED负载4的主要组件。

将太阳能LED照明系统结构，简化成系统充电与放电两区块。系统充电是有关于太阳能系统能量的取得，而放电是指LED负载发光的情况。今日一些提升充电效率的方法，如最大功率追踪法(台湾专利00430130)、聚光(台湾专利1277772)与集光(台湾专利M300793)系统，不断的改善电能的取得效率。而放电方面，则往LED节能(中国专利CN2696266Y)与调节亮度(中国专利200520018060.2)方向研发。使LED更省电，延长蓄电池使用时间。

目前独立型直流电源的LED灯照明在应用上几个常见的缺点：

1.LED灯的亮度常使用脉宽调变(PWM)作调光，亮度选择性只能越来越弱。

2.蓄电池几乎为12V或24V甚至48V之深循环铅酸电池，对于白光LED(3.6V)灯组的驱动压，产生不匹配问题，能耗损失大。

3.由于放电时蓄电池电压一直往下降，LED灯光会逐渐暗去，无法维持同一亮度。

4.常因太阳照度不良与节能因素，太阳能LED路灯长期处于昏暗照度，造成照明不佳的印象。

5.因蓄电池电压变化，LED大部份时间并不处于LED最亮时刻。此举无法发挥LED的高亮度。

此外，一些系统除照明外，尚有短暂强光警告或强光需求，如围墙或牧场上夜间照明。有人侵入或野兽践伤农作物时，需强光警告与探照。当此短暂强光单独使用蓄电池电源，将造成蓄电池寿命降低，高功率电路组件需求增加等不利因素。所以本发明第二部份即揭露另一种短暂强光型「独立式直流电源之LED灯放电控制系统」，其关键处是加入一瞬间功率超电容电路。

发明内容

本发明目的是提供一种独立式直流电源之LED灯放电控制系统，可使用于太阳能、风力等各种再生能源之独立式直流电源驱动LED灯放电负载；并利用瞬间功率型的超电容其瞬间爆发的功率特性，供应LED灯组。用以解决现有技术存在的：

(1)随独立电源之电压下降而造成LED灯光亮度变化，及独立电源之电压与LED不匹配导致能耗高的问题；

(2)短暂强光单独使用蓄电池电源造成蓄电池寿命降低，高功率电路组件需求增加的问题。

为了解决上述的第(1)问题，本发明采取以下技术方案：

一种独立式直流电源之LED灯放电控制系统，其特征在于：包含

一蓄电池：供应LED灯组负载主要电源；

一智能型控制单元：侦测蓄电池电压、LED灯组负载电压、电流与温度回授，并控制调整之；

一时间设定器：设定增亮与节能工作模式的时间；

一功率设定模块：设定增亮工作模式中不同灯串LED灯组的功率；

一升降压转换器：升降增亮工作模式中进入LED灯组的电压；

-LED灯组负载：不同灯串的LED灯组数组；

-PWM点灭装置：脉宽调变驱动器对LED灯组调光节能。

所述的增亮工作模式的建立包括：

(1)利用所述的功率设定模块设定功率；

(2)利用所述的智能型的控制单元，依LED灯组负载情形，通过升降转换器将电压调整至LED最亮电压强度；

(3)利用所述的PWM点灭装置对LED调光；

其中智能型的控制单元为一数字讯号处理器(DSP)，亦可为IC或类似电路模块，用于侦控蓄电池电压、LED灯组负载电压、电流与温度回授，并控制调整之。

所述的节能工作模式的建立包含：

(1)定所述的PWM点灭装置的工作周期；

(2)述的蓄电池直接输送至LED灯组负载；

(3)述的PWM点灭装置点亮输出；

其中智能型的控制单元侦控蓄电池电压与LED灯组负载电压，不使蓄电池过放与LED灯组温度过热。

所述的蓄电池包括铅酸电池、镍氢、镍镉、锂电池或其它各种一次与二次电池。

为了解决上述第(2)问题，本发明采取以下技术方案是：在上述技术方案的基础上增加“瞬间功率超电容”而组成的可以发出强光的技术方案，该技术方案还包括一瞬间功率超电容，连接在所述的升降压转换器与LED灯组负载之间，用于累积电能，并通过所述的智能型控制单元的控制，利用瞬间功率型的超电容其瞬间爆发的功率特性，供应LED灯组。

所述的瞬间功率超电容采用各种高能量密度与高功率密度之超级电容，如钌氧超电容、金(碳)电容、金属氧化物超电容、高分子超电容及大电容量之铝电解电容器。

商业超电容概分成能量释放型与瞬间功率型两种，前者特性趋向电池，以储存能量为主。由于是物理储能，其使用寿命与可靠度远比化学反应的电池来的高。而后者则以瞬间可提供强大功率为主，特性类似电容器，具瞬间爆发的功率特性。本发明是以瞬间功率型超电容电路，在短暂强光需求时，经此电路将强大电能输出到LED灯组，点亮之。

综合上述本发明的技术方案，其特色优点在于：

1.维持蓄电池电源之LED灯组最高亮度，不会灯光逐渐变暗问题；

2.避免蓄电池电源与LED灯组电压不匹配因素，大幅度降低能耗与发热；

3.增亮与节能模式选择时控，增加灯组使用需求弹性；

4.可适用不同电压蓄电池与不同灯串的白光LED灯组；

5.可适时增亮LED灯组并适当的为LED节能调制；

6.本系统具电池过放与负载温度过热保护；

7.利用瞬间功率型的超电容输出短暂强光；

8.平常为照明系统，必要时为警告、指示、导引与强光照明系统；

9.可为节能、增亮与短暂强光三种模态切换，增加使用选择性。

附图说明

图1系为习用之太阳能LED照明系统结构图；

图2系为本发明LED灯放电控制模式示意图；

图3(a)系习用3串白光LED灯组之12V铅酸电池驱动电路示意图；

图3(b)系本发明12V铅酸电池驱动4串白光LED灯组电路示意图；

图4系本发明之普通实施例的电路结构图；

图5为本发明之增亮与节能模式选择之时控范例图；

图6是本发明之LED灯组最高亮度电压设定电压表；

图7是本发明之短暂强光型实施例的电路结构图。

具体实施方式

本发明的发明目的可以通过以下方式实现：

加入定高功率的控制，使放电系统有定功率的增亮模式与脉宽调变的节能模式。

如图2，前者不受蓄电池电压下降影响，放电系统将固定以LED最亮所需功率放电，使LED灯组增亮。后者使用脉宽调变(PWM)技术对LED调光，可大幅度节能。

一、使用升降压方式，解决蓄电池(铅酸电池)电压不匹配问题，并减少能耗。

中高功率独立型直流电源系统普遍为深循环的铅酸电池，LED灯照明系统几乎全为铅酸电池系统，其电压为12V或24V甚至48V，而单颗白光LED顺向电压为3.6V。因此铅酸电池与白光LED灯组在电压上产生不匹配，必须以电阻能耗解决。例如图3(a)，目前12V的铅酸电池其电压匹配是白光LED5灯组3个串联，3串白光LED5灯组电压＝3.6V×3＝10.8V，其间电压差1.2V就以电阻6消耗之。此处电压的不匹配，造成大能耗，且12V的铅酸电池在放电过程中，电压会往下降。本创作发明「独立式直流电源之LED灯放电控制系统」，图3(b)是以升压转换器8或降压转换器，将铅酸电池不匹配电压，调整成匹配电压，降低能耗。如上述解决能耗问题，是将铅酸电池升压至14.4V驱动4串白光LED灯组(其电压＝3.6V×4＝14.4V)，不仅可解决能耗，也使LED灯组增亮。此外，另一个方法，即将铅酸电池降压10.8V，驱动3串白光LED灯组。两者皆无电阻能耗问题，但升压比降压效率高且亮度增加，本创作发明以前者为优先考虑。

二、实时监测蓄电池电压并随时调整输出，以维持固定之高功率输出。

独立型直流电源因持续的放电，电压不断的降低，LED灯组会逐渐暗去，无法维持同一亮度。又若太阳光度弱，路灯会长期处于昏暗照度，造成使用者照明不佳的印象。而且对于LED而言LED大部份时间并不处于LED最亮时刻。此举会造成无法发挥LED的高亮度。所以问题都指向同一原因，蓄电池的电压是随着时间渐减而非固定值。以12V的铅酸电池而言，满充时可达到16V，放电多为13.8～11V之间。要维持同一亮度或使LED处于最亮时刻，必须随时侦测铅酸电池电压并变化调整电压，维持相同功率。

本发明的第一实施例的电路结构如图4所示，包括独立直流电源铅酸电池7，其电能可来自太阳能、风力或再生能源，甚至各种可充电电源，常见电压为12、24或48V。以12V铅酸电池为例，满充时可达到16V，放电多为13.8～11V间。在所有放电历程中，智能型的控制单元9随时侦查铅酸电池7的电压，当电压小于11.8V时即断电保护。以时间设定器10设置增亮与节能所需的时间，例如图5所示之二十种时控方法，可从全增亮到全节能选择点灯的模式。

电池电压14.4～12.8V区间，系统可选择增亮模式，经功率设定模块11设定功率，而智能型的控制单元9依LED灯组负载14的情形，控制升降转换器12将电压调整至LED最亮电压强度，如图6所示。当铅酸电池7的电压因放电而下降，经电压回授13与LED灯组负载14上的电流回授15到智能型的控制单元9，再度调整控制升降转换器12，维持对LED灯组负载14的固定功率输出。此LED灯组负载14输出时的温度值可由温度回授16传送到智能型的控制单元9，如过热会降压或卸载。最后再经可设定的PWM点灭装置17，点亮输出。

电池电压14.4～11.8V区间，系统可选择节能模式或电池电压在12.8～11.8V之间，系统会强迫进入节能模式，以保护电池。此时升降转换器12将不工作，仅作为通路，将铅酸电池7的电力直接输送到LED灯组负载14，再经可设定的PWM点灭装置17，点亮输出。本发明第二实施例的电路结构如图7所示，该实施例用于有短暂强光需求的场合。在所述的升降压转换器12与LED灯组负载14之间连接一瞬间功率超电容及驱动模块18，该瞬间功率超电容及驱动模块18是以瞬间功率超电容为主体加上辅助电路，用于累积电能，并通过所述的智能型控制单元9的控制，将所累积的电能瞬间输出驱动强光LED灯组14。其瞬间功率超电容可以储存累积电能，而辅助电路可以使超电容得以瞬间强光放电。所述的辅助电路为现有技术(申请号200620122486.7、发明名称为“超电容发光二极管闪光系统”的专利电路)。

所述的瞬间功率超电容18采用各种高能量密度与高功率密度之超级电容，如钌氧超电容、金(碳)电容、金属氧化物超电容、高分子超电容及大电容量之铝电解电容器。

升降压转换器12后，进入瞬间功率型的超电容强光模块18，累积增亮电能，再经可设定的PWM点灭装置17，点亮输出。

Claims

1.一种独立式直流电源之LED灯放电控制系统，其特征在于：包括：

一蓄电池：供应LED灯组负载主要电源；

一智能型控制单元：用于侦测所述的蓄电池的输出电压和LED灯组负载的电压、电流及温度反馈信号，并根据所侦测到的相关信息，通过一升降压转换器控制调整该LED灯组负载的电压、电流；

一时间设定器：设定LED灯组负载处于增亮工作模式与节能工作模式的时间，与所述的智能型控制单元的一个输入端连接；

一功率设定模块：设定所述的增亮工作模式中不同灯串LED灯组的功率，与与所述的智能型控制单元的一个输入端连接；

一所述的升降压转换器：受所述的智能型控制单元的控制，调整所述的增亮工作模式中施加在LED灯组的电压；

一LED灯组负载：不同灯串的LED灯组数组；

一PWM点灭装置：是一种脉宽调变驱动器，受所述的智能型控制单元的控制，通过调整LED灯组负载的电流，对该LED灯组调光节能。

2.根据权要求1所述的独立式直流电源之LED灯放电控制系统，其特征在于：所述的增亮工作状态是通过以下装置建立的：

(1)利用所述的功率设定模块设定功率；并且

(2)利用所述的智能型的控制单元，依LED灯组负载情形，通过升降转换器将电压调整至LED最亮电压强度；而且

(3)利用所述的PWM点灭装置对LED调光；

3.根据权要求1所述的独立式直流电源之LED灯放电控制系统，其特征在于：所述的节能工作模式是通过以下装置建立的：

(1)设定所述的PWM点灭装置的工作周期；

(2)所述的蓄电池直接输送至LED灯组负载；

(3)所述的PWM点灭装置点亮输出；

4.根据权要求1所述的独立式直流电源之LED灯放电控制系统，其特征在于：所述的蓄电池包括铅酸电池、镍氢、镍镉、锂电池或其它各种一次与二次电池。

5.根据权要求1～4任何一项所述的独立式直流电源之LED灯放电控制系统，其特征在于：还包括一瞬间功率超电容及驱动模块，连接在所述的升降压转换器与LED灯组负载之间，用于累积电能，并通过所述的智能型控制单元的控制，将所累积的电能瞬间输出驱动强光LED灯组。

6.根据权要求5所述的独立式直流电源之LED灯放电控制系统，其特征在于：所述的瞬间功率超电容采用各种高能量密度与高功率密度之超级电容，如钌氧超电容、金(碳)电容、金属氧化物超电容、高分子超电容及大电容量之铝电解电容器。