CN104349556A - 用于led路灯的控制电路和管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于LED路灯的控制电路和管理方法，其中用于LED路灯的控制电路，包括电源驱动电路、BUCK-BOOST驱动电路、BUCK-BOOST变换电路和电平变换电路，所述电平变换电路与电源驱动电路连接，所述电流信号经电源驱动电路与BUCK-BOOST驱动电路流向BUCK-BOOST变换电路。通过电源驱动电路输出的PWM脉冲波，调节BUCK-BOOST驱动电路的输出功率，从而通过BUCK-BOOST变换电路调节蓄电池的输出功率，达到节约能源的目的。

Description

用于LED路灯的控制电路和管理方法

技术领域

本发明涉及电学领域，具体地，涉及一种用于LED路灯的控制电路和管理方法。

背景技术

目前，新能源已经应用到路灯照明中去。风光互补路灯为其典型应用，其主要由太阳能电池，风力发电机，灯头，控制器，蓄电池组成。其中控制器是整个路灯控制的核心部件。目前市面上控制器品种繁多，其工作结构，性能相差不大。主要控制结构如图1所示，太阳能电池板输出直流电，并且通过单向开关简单的直接对电池充电，单向开关主要用来防止电池对太阳能板反充电；风机输出的交流电通过3相整流桥整流成直流电，然后通过单向开关直接对电池充电。当晚上来临时，调节器（处理器）自动打开电子开关，使路灯得到电，亮灯开始照明。然后定时到一定时间后（或者天亮后），关闭输出。

一般每晚亮灯时间控制在8-12小时之间。设计常规风光互补路灯时，一般设计光伏板功率为负载功率的3倍左右，风力机功率为负载功率4倍左右，蓄电池容量根据需要满足阴雨天气多少天正常亮灯来计算设计容量。

现有的控制器，仅仅控制路灯的开或关的方式管理使用能量，每次亮灯时间实际上没必要一直维持全功率运行，比如，深夜，人少时候，则带来很大的浪费，从而使得新能源路灯不能抵抗阴雨天气。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种用于LED路灯的控制电路，以实现节约能源的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于LED路灯的控制电路，包括电源驱动电路、BUCK-BOOST驱动电路、BUCK-BOOST变换电路和电平变换电路，所述电平变换电路与电源驱动电路连接，所述电流信号经电源驱动电路与BUCK-BOOST驱动电路流向BUCK-BOOST变换电路。

根据本发明的优选实施例，所述BUCK-BOOST驱动电路包括三极管Q16、三极管Q17、三极管Q18、三极管Q19和三极管Q20，所述三极管Q16的基极通过电阻R45与电源驱动电路串联，所述三极管Q16的集电极和三极管Q17的基极间串联电阻R63，所述三极管Q17的发射极与三极管Q19的集电极间串联电容C38，所述三极管Q19的基极和三极管Q18的发射极串联，所述三极管Q19的基极和三极管Q19的发射极间串联二极管D13，该二极管D13的阳极与三极管Q19基极连接，所述三极管Q18的基极和三极管Q20的基极间串联电阻R112和电阻R113，所述电阻R112和电阻R113连接的节点和三极管Q19的集电极间串联稳压二极管D12，该稳压二极管D12的阳极与三极管Q19的集电极串联，所述三极管Q19的集电极和三极管Q19的发射极间串联稳压二极管D15，该稳压二极管D15的阳极与三极管Q19的集电极连接。

根据本发明的优选实施例，所述BUCK-BOOST变换电路包括二极管电路D6，电感L3和场效应管Q6，所述二极管电路D6为两个同向并联的二极管，所述二极管电路D6的阴极与电感L3的一端串联，该二极管电路D6的阳极与电感L3的另一端间串联电阻R89，该电阻R89的两端并联电容C3，所述场效应管Q6的源极与二极管电路D6的阴极串联。

同时本发明的技术方案还公开了一种用于LED路灯的控制电路的管理方法，根据电池容量，通过控制电路控制路灯电路中蓄电池的输出功率。

根据本发明的优选实施例，分为7个阶段：

第一阶段：对于电池电压>24.0V时候，蓄电池相对应的容量达到85%以上，这个阶段剩余容量比较充足，到晚上来临开始，路灯开始亮计时，每间隔1个小时自动调整一次输出功率；

第二阶段：对于23.0V<电池电压<24.0V时候，蓄电池相对应的容量达到50%-85%之间，这个阶段剩余容量相对减少，到晚上来临开始亮灯，在第一阶段输出功率的基础上等比例降额输出；

第三阶段至第六阶段：蓄电池相对应的容量低于20%-50%剩余容量了，进入阴雨天气阶段，蓄电池的输出功率都超过电池额定输出功率的30%；

第七阶段：电池用尽阶段，控制电池不再继续放电，控制灯熄灭，控制蓄电池只能充电，不能放电，当电池恢复到额定功率的50%以上容量以上时,开始进行输出电流。

根据本发明的优选实施例，还包括，蓄电池老化，造成蓄电池最大容量数下降，电池空载电压虚高，对路灯电路进行欠压重启降额设定。

根据本发明的优选实施例，所述第二阶段的降额比例为10%-20%。

根据本发明的优选实施例，所述第二阶段的降额比例为15%。

根据本发明的优选实施例，所述三阶段至第六阶段这四个阶段输出功率都小于等于额定功率的30%。

根据本发明的优选实施例，所述第三阶段输出功率为额定功率的20%；第四阶段输出功率为额定功率的18%，第五阶段输出功率为额定功率的15%，第六阶段输出功率为额定功率的12%。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明的技术方案，通过电源驱动电路输出的PWM脉冲波，调节BUCK-BOOST驱动电路的输出功率，从而通过BUCK-BOOST变换电路调节蓄电池的输出功率，达到节约能源的目的。使路灯在同样蓄电池等能源配置的情况下，有现有的抗阴雨天气使用时间2-3天，延长到8-12天使用时间。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为现有的LED路灯的控制电路原理框图；

图2和图3为本发明实施例所述的用于LED路灯的控制电路的电路原理图；

图4为本发明实施例所述的用于LED路灯的控制电路原理框图；

图5为本发明实施例所述的管理方法第一阶段输出功率调节示意图；

图6为本发明实施例所述的管理方法的输出曲线降额比例调节示意图；

图7为本发明实施例所述的管理方法第三阶段至第六阶段调节示意图；

图8为本发明实施例所述的管理方法欠压重启降额比例调节示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图4所示，用于LED路灯的控制电路，包括电源驱动电路、BUCK-BOOST驱动电路、BUCK-BOOST变换电路和电平变换电路，电平变换电路与电源驱动电路连接，电流信号经电源驱动电路与BUCK-BOOST驱动电路流向BUCK-BOOST变换电路。

如图2所示，包括电源驱动电路、BUCK-BOOST驱动电路和电平变换电路的电路原理图，其中BUCK-BOOST驱动电路包括三极管Q16、三极管Q17、三极管Q18、三极管Q19和三极管Q20，三极管Q16的基极通过电阻R45与电源驱动电路串联，三极管Q16的集电极和三极管Q17的基极间串联电阻R63，三极管Q17的发射极与三极管Q19的集电极间串联电容C38，三极管Q19的基极和三极管Q18的发射极串联，三极管Q19的基极和三极管Q19的发射极间串联二极管D13，该二极管D13的阳极与三极管Q19基极连接，三极管Q18的基极和三极管Q20的基极间串联电阻R112和电阻R113，电阻R112和电阻R113连接的节点和三极管Q19的集电极间串联稳压二极管D12，该稳压二极管D12的阳极与三极管Q19的集电极串联，三极管Q19的集电极和三极管Q19的发射极间串联稳压二极管D15，该稳压二极管D15的阳极与三极管Q19的集电极连接。

如图3所示，BUCK-BOOST变换电路包括二极管电路D6，电感L3和场效应管Q6，二极管电路D6为两个同向并联的二极管，二极管电路D6的阴极与电感L3的一端串联，该二极管电路D6的阳极与电感L3的另一端间串联电阻R89，该电阻R89的两端并联电容C3，场效应管Q6的源极与二极管电路D6的阴极串联。

同时本发明的技术方案还公开了一种基于用于LED路灯的控制电路的管理方法，根据电池容量，通过控制电路控制路灯电路中蓄电池的输出功率。

优选的该管理方法可分为7个阶段：

第一阶段：对于电池电压>24.0V时候，蓄电池相对应的容量达到85%以上，这个阶段剩余容量比较充足，到晚上来临开始，路灯开始亮计时，每间隔1个小时自动调整一次输出功率；

第二阶段：对于23.0V<电池电压<24.0V时候，蓄电池相对应的容量达到50%-85%之间，这个阶段剩余容量相对减少，到晚上来临开始亮灯，在第一阶段输出功率的基础上等比例降额输出；

第三阶段至第六阶段：蓄电池相对应的容量低于20%-50%剩余容量了，进入阴雨天气阶段，蓄电池的输出功率都超过电池额定输出功率的30%；

第七阶段：电池用尽阶段，控制电池不再继续放电，控制灯熄灭，控制蓄电池只能充电，不能放电，当电池恢复到额定功率的50%以上容量以上时,开始进行输出电流。

优选的第二阶段的降额比例为10%-20%。最优的第二阶段的降额比例为15%。

优选的三阶段至第六阶段这四个阶段输出功率都小于等于额定功率的30%。最优的第三阶段输出功率为额定功率的20%；第四阶段输出功率为额定功率的18%，第五阶段输出功率为额定功率的15%，第六阶段输出功率为额定功率的12%。

另外还包括，蓄电池老化，造成蓄电池最大容量数下降，电池空载电压虚高，对路灯电路进行欠压重启降额设定。

上述优选的分段划分主要是针对铅酸电池而设的，如果应用到锂电池，则这些段的电压范围划分根据锂电池的性质进行更改即可。

具体对于风光互补路灯，或者光伏路灯来说：白天时候通过风力发电机，光伏板对蓄电池充电，路灯不亮；当到了晚上时候，路灯开始亮，定时亮个6-12小时不等，或者是晚上亮，亮到白天为止。

第一阶段  对于电池电压>24.0V时候，蓄电池相对应的容量达到85%以上，这个阶段剩余容量比较充足，到晚上来临开始，路灯开始亮计时，每间隔1个小时可以自动调整一次输出功率，总共提供了16个小时段可供调整，基本满足了所有时间间隔调整要求。如图5所示。根据图5可以得出该16个小时的功率输出曲线图即功率曲线。

 一般情况下：亮灯开始时时间集中在6:00-7:00范围（具体根据天气，时节不同自动调整这个时间）1小时内可以输出额定功率的80%左右，那是因为刚进入晚上，相对环境光还不算太弱，所以不需要全功率输出运行也可以满足照度要求；过了这个时间，可以调整为全功率运行2-3小时，对应时间约到晚上10点到11点左右；超过11点以后相对应的行人，车辆相对会减少，可以适当再次调整减少输出功率，如仅输出50%的功率照明3小时左右；到了凌晨2,3点时候，路灯基本没有什么行人车辆时候，可以再次减少输出功率，如仅输出30%左右；到了黎明，行人车辆开始增多，环境光比较弱，那时需要至少提供80%以上输出功率来照明，直到天亮为止。

上面的能量使用方法，既能满足照明需求，相对整晚都全功率亮灯的方法来说，还大大节约了能量使用量。

一个合适的配置例子如下：额定功率60W的LED灯      每天亮灯10小时满功率亮时使用能量为： 60W*10小时=600WH功率管理使用后的能量为： 50*1+60*2+50*1+30*3+20*3=370WH，相对常满功率亮的输出可以节约230WH的能量按照此种使用方式，多出的能量实际上可以多使用4-6小时。这些能量都在电池里，为下次亮灯存储起来。

第二阶段  对于23.0V<电池电压<24.0V时候，蓄电池相对应的容量达到50%-85%之间，这个阶段剩余容量相对减少了，到晚上来临开始亮灯，亮灯输出的功率是这样的：按照图5得出的功率曲线*（输出曲线降额比例）%作为输出。输出曲线降额比例即图6所示的调节数。相当于在原有功率曲线输出下，降额一个比例作为最终输出，一般降额比例为10%-20%，用于补偿电池剩余容量下降了的使用时间。建议15%。

比如：当前正在输出60W功率，电池电压慢慢下降到23.9V，则这时输出功率会自动更改为：60W*(100-15)%=51W 输出。

按照上面曲线使用方法，则可节约能量为370WH*15%=55.5WH，多出的能量可以多亮1-2小时时间。

由于人对LED灯的视觉感官亮度是非线性的，输出功率虽然下调了10%，但是人眼感觉到亮度几乎没有变化的，也能完全满足使用要求。一般情况下，工作到这个电压范围的灯，已经进入了阴雨天气阶段范围了，正常来说，每天收集到的能量应该比输出的能量多，路灯才是配置合理的，否则是满足不能正常使用的。使用能源管理算法，可以提前让蓄电池充满来抵抗阴雨天气的亮灯使用时间。然后在阴雨天气尽可能在满足照度要求下，节约用电量。

第三阶段至第六阶段  此阶段蓄电池相对应的容量低于20%-50%剩余容量了，是在阴雨天气阶段了。如果用好这段阶段能量是至关重要，关系到灯是否继续保持亮。因为灯亮与灯不亮是个分界，在实际使用影响，给人的行为感觉是完全不同的：如果不亮的话，会认为这个灯不好用；如果灯保持照亮，但是亮度暗一点，可以带来照明效果，可以理解为由于阴雨天气能量补偿不足，需要低亮度使用来节约用电。试验表明：5米高的灯用4W功率照射到地面，周围半径4米内的物体都是可以看见识别的。所以灯保持亮带来的实际使用效果是有效和贴合使用需要的。

这四个阶段实际上是由功率曲线输出直接转化到剩余容量配置决定输出的阶段了，这四个阶段，已经忽略了功率曲线了，只要在这里的每个阶段内，输出的功率都是恒定的，如果由于剩余容量继续下降，输出功率自动切换到下一个阶段恒定输出。一般配置上这四个阶段输出功率都不超过额定功率的30%。一般建议：第三阶段输出20%；第四阶段输出18%，

第五阶段输出15%，第六阶段输出12%。这样把低剩余容量的电池由低放电速率来补偿容量不足的问题。由于低的放电率，电池放电比较平稳，放电深度可以加大，也能用的比较干净，最大化的延长了使用时间。

例如：现在正在输出50W，一段时间后，电压跌落到22.9V，则输出功率立即调整为：

额定功率60W*20%=12W 输出，如果电压直到天亮都不会下跌到22.5V以下，则会以12W的功率工作到天亮。即使由于有能量补充（如风机正在发电，电池剩余容量上升）也不会加强功率输出，此种下垂输出的特性保持功率使用平稳利于电池恢复容量。如果容量继续下跌，则会切换到下一个阶段。理论和试验分析由于输出功率低于20%，则剩余容量的使用时间可以增加5倍左右的使用时间。如常规满功率只能使用1天，现在可以怎么增加到使用5天左右时间。带来的实际应用效果是非常出色的。此为使用能源管理算法带来的革命性效果。

第七阶段是电池用尽阶段（一般剩余容量低于20%可以认为电池空）不能再继续放电了，这时灯是不允许亮的，控制器仅仅只能充电，不能放电。当电池恢复到约50%（约23.5V)以上容量以上时,才能开始进行输出动作。可以更好地保护电池不会由于过放电损坏，或者重复断续放电（电池虚电压上升，造成再次亮灯）。

还有个特殊的情况，蓄电池使用时间比较长后（2年后），能够存储的最大容量数已经下降，造成电池空载电压虚高，一带负载，电压立即下降到欠压状态，立即关闭灯。遇上这个问题，能源管理算法里明确了这种处理办法：判断出这问题后，灯会立即关闭，并且等到1-2分钟后，自动重新启动亮灯一次，亮灯输出的功率由下面方法计算：

A.启动瞬间电压判断到落在第一阶段时： Pout=曲线功率*欠压重启降额比例%；

B,启动瞬间电压判断到落在第二阶段时： Pout=曲线功率*输出曲线降额比例%*欠压重启降额比例%；

C,启动瞬间电压判断到落在第三阶段-第六阶段时： Pout=对应功率*欠压重启降额比例%；其中曲线功率即根据图5得出的功率曲线，C中的对应功率即图7中A、B、C、D对应的输出功率。

欠压重启降额比例%是个非常重要的参数，决定了再次亮灯是否成功的制约因数，一般建议此参数设置为50%以上，也就是说，再次重启，是按照不大于准备输出的一半功率作为输出。实际上需要根据电池使用年限，电池额定容量来综合调整。经过欠压重启处理后，灯可以继续保持亮，一般可以增加1-2天使用时间。

此种管理方法在新能源路灯上的能源管理算法带来非常高效的能源使用效果和产生极大的经济价值。由于采用了能源管理算法，此类路灯在同样需求下，可以减少风力发电机功率，光伏板功率，蓄电池容量等间接的系统成本。经实际测试：总体成本可以下调20%以上，也能满足使用要求。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于LED路灯的控制电路，其特征在于，包括电源驱动电路、BUCK-BOOST驱动电路、BUCK-BOOST变换电路和电平变换电路，所述电平变换电路与电源驱动电路连接，所述电流信号经电源驱动电路与BUCK-BOOST驱动电路流向BUCK-BOOST变换电路。

2.根据权利要求1所述的用于LED路灯的控制电路，其特征在于，所述BUCK-BOOST驱动电路包括三极管Q16、三极管Q17、三极管Q18、三极管Q19和三极管Q20，所述三极管Q16的基极通过电阻R45与电源驱动电路串联，所述三极管Q16的集电极和三极管Q17的基极间串联电阻R63，所述三极管Q17的发射极与三极管Q19的集电极间串联电容C38，所述三极管Q19的基极和三极管Q18的发射极串联，所述三极管Q19的基极和三极管Q19的发射极间串联二极管D13，该二极管D13的阳极与三极管Q19基极连接，所述三极管Q18的基极和三极管Q20的基极间串联电阻R112和电阻R113，所述电阻R112和电阻R113连接的节点和三极管Q19的集电极间串联稳压二极管D12，该稳压二极管D12的阳极与三极管Q19的集电极串联，所述三极管Q19的集电极和三极管Q19的发射极间串联稳压二极管D15，该稳压二极管D15的阳极与三极管Q19的集电极连接。

3.根据权利要求1或2所述的用于LED路灯的控制电路，其特征在于，所述BUCK-BOOST变换电路包括二极管电路D6，电感L3和场效应管Q6，所述二极管电路D6为两个同向并联的二极管，所述二极管电路D6的阴极与电感L3的一端串联，该二极管电路D6的阳极与电感L3的另一端间串联电阻R89，该电阻R89的两端并联电容C3，所述场效应管Q6的源极与二极管电路D6的阴极串联。

4.一种基于权利要求1至3所述的用于LED路灯的控制电路的管理方法，其特征在于，根据电池容量，通过控制电路控制路灯电路中蓄电池的输出功率。

5.根据权利要求4所述的管理方法，其特征在于，分为7个阶段：

第一阶段：对于电池电压>24.0V时候，蓄电池相对应的容量达到85%以上，这个阶段剩余容量比较充足，到晚上来临开始，路灯开始亮计时，每间隔1个小时自动调整一次输出功率；

第二阶段：对于23.0V<电池电压<24.0V时候，蓄电池相对应的容量达到50%-85%之间，这个阶段剩余容量相对减少，到晚上来临开始亮灯，在第一阶段输出功率的基础上等比例降额输出；

第三阶段至第六阶段：蓄电池相对应的容量低于20%-50%剩余容量了，进入阴雨天气阶段，蓄电池的输出功率都超过电池额定输出功率的30%；

第七阶段：电池用尽阶段，控制电池不再继续放电，控制灯熄灭，控制蓄电池只能充电，不能放电，当电池恢复到额定功率的50%以上容量以上时,开始进行输出电流。

6.根据权利要求5所述的管理方法，其特征在于，还包括，蓄电池老化，造成蓄电池最大容量数下降，电池空载电压虚高，对路灯电路进行欠压重启降额设定。

7.根据权利要求4所述的管理方法，其特征在于，所述第二阶段的降额比例为10%-20%。

8.根据权利要求7所述的管理方法，其特征在于，所述第二阶段的降额比例为15%。

9.根据权利要求4所述的管理方法，其特征在于，所述三阶段至第六阶段这四个阶段输出功率都小于等于额定功率的30%。

10.根据权利要求9所述的管理方法，其特征在于，所述第三阶段输出功率为额定功率的20%；第四阶段输出功率为额定功率的18%，第五阶段输出功率为额定功率的15%，第六阶段输出功率为额定功率的12%。