CN104570784A - 确定环境控制系统控制器的窃电能力 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于确定环境控制系统控制器的窃电能力的系统和方法的示例性实施例。在一个示例性实施例中，用于在环境控制系统中使用的控制器包括电容器，该电容器能够由流过环境控制系统的离线模式负载的电流进行充电。电压检测电路检测所述电容器两端的电压。所述控制器包括计时器，用于基于来自电压检测电路的输入来确定将电容器从第一特定电压充电到第二特定电压的充电时间。控制器基于充电时间并基于确定的电阻来确定离线模式负载的电阻，确定通过离线模式负载进行的窃电的电流的水平。

Description

确定环境控制系统控制器的窃电能力

技术领域

本公开基本上涉及环境控制系统中的窃电（power stealing），更具体地（但并不排他性地）涉及确定诸如恒温器的环境控制系统控制器的窃电能力。

背景技术

本部分提供了涉及本公开的背景信息，其不一定是现有技术。

数字恒温器和其他环境控制系统控制器通常具有微型计算机和其他持续用电的组件。各种恒温器可以利用“离线模式”的窃电以获取操作电能。也就是说，当环境控制系统中的负载（例如，压缩机、风扇或者气阀）已经离线时，电能可以从“离线模式”的负载电路中窃取来驱动恒温器。

发明内容

本部分提供本公开的一般概要，并且不是其全部范围或者其全部特征的全面公开。

根据不同方面，示例性实施例公开了用于确定环境控制系统控制器的窃电能力的系统和方法。在示例性实施例，用于在环境控制系统中使用的控制器一般包括电容器，该电容器可由流过环境控制系统的离线模式负载的电流充电。电压检测电路检测所述电容器两端的电压。控制器包括计时器，该计时器用于基于来自电压检测电路的输入来确定将电容器从第一特定电压充电到第二特定电压的充电时间。控制器基于充电时间并基于确定的电阻来确定离线模式负载的电阻，以确定通过离线模式负载进行的窃电的电流的水平。

在另一个示例性实施例，用于在环境控制系统中使用的控制器包括窃电电路，该窃电电路用于从环境控制系统的离线模式负载窃取电能。控制器的电容器可由流过离线模式负载的电流充电。提供电压检测电路，以用于检测跨电容器的电压，该电压包括第一和第二特定电压。计时器配置成确定将电容器从第一特定电压充电到第二特定电压的充电时间，该第一特定电压和第二特定电压由电压检测电路检测到。控制器基于充电时间确定离线模式负载的电阻，基于确定的电阻确定窃电电路的窃电能力；以及基于确定的窃电能力调节控制器的工作周期。

还公开了以下方法，这些方法通常包括确定环境控制系统的控制器的窃电能力的方法。确定将控制器的电容器从第一特定电压充电到第二特定电压的持续时间，其中该电容器接收流过环境控制系统的离线模式负载的充电电流。基于该持续时间确定离线模式负载的电阻。利用确定的电阻来确定控制器通过离线模式负载进行的电流窃取的水平。

更多可适用的范围将从本文中提供的描述而变得显而易见。该概述中的描述和特定示例仅用于说明的目的，而不意图限定本公开的范围。

附图说明

在此所描述的附图仅用于对所选实施例而非所有可能的实施方式的说明目的，并且不意图限制本公开的范围。

图1是根据本公开的一个示例性实施例的环境控制系统的图，其中控制器配置成确定窃电能力；

图2是根据本公开的一个示例性实施例的环境控制系统的图，其中控制器配置成确定窃电能力；

图3是根据本公开的一个示例性实施例的环境控制系统控制器的工作周期的图；和

图4是根据本公开的一个示例性实施例的环境控制系统的图，其中控制器配置成确定窃电能力。

具体实施方式

现在将参考附图对示例性实施例进行更充分的描述。

发明人已经认识到由环境控制系统的恒温器或其它控制器的窃电电路窃取的电能的量可能随该环境控制系统设备的负载电阻而变。因此，发明人在本文中提出和公开了控制器和控制器执行的方法的示例性实施例，通过该控制器和控制器执行的方法可以确定HVAC设备的负载电阻，并且该负载电阻可用于控制在负载处于“离线”模式时有多少电流通过（pull through）那个负载。通过使用该电阻，恒温器或其它控制器能够调节，例如，使处于“离线”模式的设备中所通过的电流的量最大化，而不会导致电流达到激活继电器或其它开关从而意外地导致设备工作的水平。

应注意，基本上，尽管不同示例性实施例是参考恒温器描述的，但本公开并不受此限制。不同实施例具体地涉及与环境控制系统中能够确定窃电能力和/或执行窃电的其它控制器。

现在参考附图，图1示出了体现本公开的一个或多个方面的环境控制系统20的示例性实施例。如图1所示，环境控制系统20包括从AC变压器28接收操作电能的加热、通风和空调（HVAC）设备24。但是，应注意，其它环境控制系统实施例可包括用于分别向加热和致冷子系统提供电能的两个变压器。

变压器28具有高压侧（hot side）32（典型地为24伏特）和公共（即，中立）侧36。HVAC设备24连接到变压器28的公共侧36，并可以包括致冷设备，例如，风扇和压缩机。附加地或可选地，HVAC设备24可包括加热设备，例如，高炉气阀（furnace gas valve）。在不同环境控制系统实施例中可设置其它类型或附加类型的设备。

恒温器40被提供来用于控制环境控制系统20。恒温器40包括控制器44，其被配置成控制不同恒温器部件48，包括例如恒温器显示器52、无线收发器56和温度传感器60的操作。其它的或附加的部件64可包括湿度传感器、其它或附加的传感器、恒温器背光等。

恒温器40可激活一个或多个继电器68和/或其它开关装置，以激活HVAC设备24的全部或一部分。在图1的示例性实施例中，示出单个继电器68可由恒温器40来操作，以打开或关断HVAC设备24。然而，应理解，在不同环境控制系统实施例中可提供多于一个的继电器，以用于不同HVAC部件的恒温控制。在这样的实施例中，系统负载可取决于哪些部件在工作而变化。因此，在实施例中，窃电可以，例如，可选地，通过处于“离线”模式的多于一个的环境控制系统负载来执行，并且如本公开中描述的，可为每个负载确定窃电能力。

再次参考图1中的示例性实施例，恒温器40利用“离线模式”的窃电。当，例如，继电器68断开并且HVAC设备24关断时，窃电电路（未示出）可从变压器28获得电能，以便由恒温器40，例如，在控制不同恒温器部件48时使用。在窃电过程中，流过HVAC设备24的电流的水平非常低，低到足以避免闭合继电器68。窃取的电能可存储在一个或多个电池（未示出）中和/或可用于，例如，为恒温器部件48供电。

在当前示例性实施例中，恒温器40配置成确定HVAC设备24的负载电阻。因此，恒温器40配备了电容器72，该电容器可通过在HVAC设备24处于“离线”模式时流过设备24的电流来充电。在当前实例中，流到电容器72的电流被电流限制电路76限定和整流。电压检测电路80被设置成跨接电容器72两端。计时器84连接在电压检测电路80与计算模块88之间。计算模块88可与控制器44通信，并且可用于，例如，计算HVAC设备24的负载电阻，如以下进一步描述的。

图2中示出了环境控制系统的另一个示例性实施例，其一般性地用附图标记120指示。环境控制系统120包括从变压器128接收操作电能的加热、通风和空调（HVAC）设备124。变压器128具有高压（典型地为24伏特）“R”侧和公共（即，中立）“C”侧。HVAC设备124连接到变压器128的公共“C”侧，并具有被表示为电阻器R2的负载电阻。恒温器140被提供来用于控制环境控制系统120。恒温器140激活继电器168，以在“接通”和“切断”模式之间切换HVAC设备124。

在本公开的一个示例性实施例中，恒温器140采用“离线模式”窃电。例如，当继电器168断开并且HVAC设备124关断时，窃电电路（未示出）可从变压器128获得电能，以便由恒温器140在控制不同恒温器部件48时使用，例如，如之前参考图1所讨论的。在窃电过程中，流过HVAC设备124的电流的水平非常低，低到足以避免闭合继电器168。窃取的电能可存储在一个或多个电池（未示出）中。

在当前示例性实施例中，恒温器140配置成确定HVAC设备负载电阻R2，并利用电阻R2确定通过窃电电路能够消耗多少电能。因此，在本实施例中，恒温器140包括电容器172，其与二极管174、限流电阻器R1和开关178串联。电压检测电路180设置成跨接在电容器172两端并且与时间记录电路184相连。

当恒温器140使继电器168断开时，HVAC设备124切换到“离线”模式。当继电器168断开时，恒温器140可以使开关178闭合。于是电流从变压器128的“R”侧，通过HVAC设备124还通过变压器128的“C”侧，流到恒温器140中。在恒温器140中，电流被转换成直流并流入电容器172，使得电容器172被充电。充电速度取决于HVAC设备124的负载电阻R2，这意味着，为了将电容器172从一个特定电压充电到另一个特定电压，不同的HVAC设备配置可能需要不同的充电时间。

在本示例性实施例中，电压检测电路180可感测电容器172的电压，而时间记录电路184可记录电容器172被从一个特定电压充电到另一个特定电压所经过的时间段。记录的时间段可用于确定HVAC设备124的负载电阻R2。在不同实施例中，一旦已知R2，则R2可用于计算恒温器140的窃电能力，例如，窃电电流I。窃电电流I可以用于管理恒温器140上的应用程序的操作，例如，使得能够计算和控制电池寿命，例如，如以下进一步描述的。

例如，当继电器168断开时，可以闭合开关178，以通过电阻器R1和R2将电容器172从电压V₀充电到电压V_t。充电时间t可被时间记录电路184记录。HVAC设备电阻R2可以例如根据以下等式来计算：

V_t=V₀+(V₁-V₀)×(1–e^-t/RC)

其中R=R1+R2，并且V1是固定电压，例如，电容器172两端的选定电压（在本实例中，为12伏特）。

在本示例性实施例中，在恒温器140中，V_t、V₀、R1和电容器172的电容C是固定的值。

可根据以下获得窃电电流I：

V=IR2

其中V代表HVAC设备负载124两端的电压。

如之前所讨论的，给定恒温器的窃电电流I取决于连接到恒温器的设备的电阻。可执行窃电电路测试以获得数据，如前面讨论的，用于构造负载电阻值和相应电流值的查找表（LUT）。在本公开的不同实施例中，恒温器包括这样的表，使得恒温器通过该表可以选择适合于窃电的电流水平。

在不同实施例中，由给定恒温器为窃电电流I获得的值可用于控制向恒温器提供电能的电池的寿命。例如，如图3所示，恒温器可按照工作周期300工作。随着时间t的变化，当恒温器工作时，可从恒温器的电池流出电流I₁（以毫安计），并且当恒温器不工作时，可从恒温器的电池流出电流I₂（以毫安计）。恒温器在时间段t₁（以秒计）中的工作状态与时间段t₂（以秒计）中的非工作状态之间交替。因此，恒温器在每（t₁+t₂）秒工作t₁秒。从电池流出的总平均电流表示为：

(I₁t₁+I₂t₂)/(t₁+t₂)（以毫安计）

当执行窃电时流出的平均电流表示为：

(I₁t₁+I₂t₂)/(t₁+t₂)–I（以毫安计）

因此，在电池具有X毫安小时的能量的情况下，电池寿命可这样计算：

X/[(I₁t₁+I₂t₂)/(t₁+t₂)–I]（以小时计）

可以看出，电池寿命可通过调节工作周期300，例如通过调节时间段t₁和t₂来控制。

通过对窃电能力的调节来控制电池寿命的能力可能是非常有用的，例如，在能使用无线方式的恒温器中。为了延长电池寿命，这样的恒温器可基于能够窃取多少电流确定其无线工作模式。窃取的电流的利用率（availability）的增加可导致，例如，更快的无线连接。控制电池寿命的能力也会是有利的，例如，在其他特征可以被关断以节省的电池能量的恒温器中。一些恒温器，例如，在LCD显示器和/或背光没在使用时将其关断，以便节省能量，即使通过窃电可以得到足够的电流也是如此。在不同实施例中，恒温器现在能够确定是否可以得到足够的窃取的电流，并且能够保持显示器和/或背光发光更长的时间，例如，基本上总是发光。

在图4中，环境控制系统的另一个示例性实施例一般性地用附图标记420指示。环境控制系统420包括从变压器428接收工作电能的HVAC设备424。恒温器440被提供来用于控制环境控制系统420。如图4所示，HVAC设备424处于“离线”模式。在本示例性实施例中，恒温器440包括电容器472，其通过全波或半波整流器电路474接收电流。电压检测电路480设置成跨接在电容器472两端，并与时间记录电路484相连。恒温器440的其它电路486可以包括，例如，窃电电路，通过变压器428接收电能。

前述系统和方法使得可能在恒温器或其他环境控制系统控制器中控制电池寿命，而无需频繁地测量电压。当执行窃电所通过的HVAC设备的电阻已经确定出时，可以计算窃电能力，并且该窃电能力可用于管理控制器的工作。前述系统和方法通过应用藉由窃电接收电能的恒温器或其他控制器，可用于提供对电能消耗的改善的管理。由于执行前述方法所需的时间很少（例如，几秒），并且由于测量电容器电荷的间隔可以是较长的，例如，以天计，因此可以非常低的电能消耗来管理窃电。与在一些传统控制器中所用的方法相比，不需要频繁地测量电压（以及由此消耗的能量）。在本公开的实施例中，HVAC负载电阻和窃电能力可以被确定，并且可以支持对恒温器负载（包括无线能力等）的管理。在不同实施例中，可确定实际的负载电阻处于负载的“离线”模式，并且可以确定电流窃取的单个值。

示例性实施例的提供是为了使该公开完整，并且使本领域技术人员充分了解其保护范围。很多特定的细节被阐述，诸如，特定部件、装置和方法的示例，以提供对本公开的实施例的完全理解。对本领域技术人员将显而易见的是不必使用特定的细节，示例性实施例可以以很多不同的形式体现，并且它们都不被理解为对本公开范围的限制。在一些示例性实施例中，已知的处理、已知的装置结构和已知的技术没有详细描述。此外，本公开的一个或多个示例性实施例可以获得的优点和改进仅为了说明的目的而提供，并不限制本公开的范围，因为在此公开的示例性实施例可以提供全部上述优点和改进或者不提供上述优点和改进，但其仍落入本公开的范围中。

在此所公开的特定的尺寸、特定的材料和/或特定的形状本质上是示例性的，不限制本公开的范围。在此对给定参数的特殊值和值的特殊范围的公开并不排除对可能用于在此所公开的一个或多个示例的其他值和值的范围。此外，可以想到在此所述的特定参数的任何两个特定值可以限定值的范围的端点，其可适用于给定参数（即，用于给定参数的第一值和第二值的公开可以被解释为公开了第一和第二值之间的任何值也可以用于给定参数）。例如，如果在此举例说明了参数X具有值A，并且还举例说明了具有值Z，则可以想到参数X可以具有从大约A到大约Z的值的范围。类似地，可以想到对一个参数的值的两个或更多个范围（不论这些范围是嵌套的、重叠的或不同的）的公开将把该值的范围的所有可能的结合包括在内，其可能使用公开范围的端点来要求。例如，如果参数X在此举例说明是具有范围1-10或者2-9或者3-8的范围的值，也可以想到参数X可以具有包括1-9、1-8、1-3、1-2、2-10、2-8、2-3、3-10和3-9的其他值的范围。

在此所使用的术语仅是为了说明特定示例实施例，而非意图构成限制。正如在此所使用的，单数形式“一”、“一个”，以及“该”可旨在也包括复数的形式，除非上下文另外明确地指出。术语“包括”、“正包括”、“正包含”，以及“具有”是包含性的，并因此指定了所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件，和/或其组群的存在或附加。在此所描述的本方法的步骤、处理，和操作不被直译成必须要求以所讨论或所说明的特定顺序执行，除非特地标识为一种执行顺序。应该理解的是，可采用额外的或备选的步骤。

当元件或层被称为“在其上”、“接合到”、“连接到”，或“耦合到”另一个元件或层上，这可以是直接地在其上、接合到、连接到或耦合到另一个元件或层上，或者，也可以存在中间的元件或层。相对而言，当元件被称为是“直接在其上”。“直接接合到”、“直接连接到”或“直接耦合到”另一个元件或层上，则可以没有中间元件或层存在。用于描述元件之间关系的其它措辞应该以相似的方式来解释（例如，“在…之间”对“直接在…之间”、“相邻”对“直接相邻”，等）。正如在此所使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个中的任意以及所有组合。

当施加于值时，术语“约”表示计算或者测量允许值的些许不精确（接近于精确的值；近似或者合理地靠近值；差不多）。如果，由于某些原因，由“约”提供的不精确不能被本领域技术人员用其通常含义所理解，则在此所用的“约”表示可以从测量的常规方法或者使用这种参数得到的至少一些变化。例如，术语“大体上”、“约”、“基本上”可以在此使用来表示处于制造公差中。

虽然术语第一、第二、第三，等在此可被用于说明不同的元件、部件、区域、层，和/或部段，但是这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可仅被用于将一个元件、部件、区域、层或部段与另一个区域、层，或部段区分开。诸如“第一”、“第二”的术语，以及其它序数词的术语在此被使用时，除非上下文明确指出，否则并不意味着序列或顺序。因此，在下面所讨论的第一元件、部件、区域、层，或部段可被称为第二元件、部件、区域、层，或部段，而不背离示例实施例的教导。

与空间相关的术语，诸如“里”、“外”、“在…之下”、“下面”、“下部”、“在…之上”、“上部”，以及类似术语在本文中可用于更容易对一个元件或特征与另一个（些）元件或特征的关系进行说明。空间相关的术语可意图涵盖装置在使用中或操作中除图中描绘的方向以外的不同定向。例如，如果装置在图中被翻转，则被描述为在其它元件或特征“下面”或“之下”的元件将被定向成在其它元件或特征“之上”。因此，示例术语“下面的”可涵盖上方和下面两种定向。装置可被另外地定向（旋转90度或在其他方向上），并且据此对在此所使用的与空间相关的描述进行解释。

为了说明和描述的目的，提供了对实施例的前述说明。其并不意图为排他性的或限制所揭示的内容。特定实施例中的个体的元件、意图的或者记载的用途或特征通常并不限于特定的实施例，但在可应用的情况下是可互换的，并且可在所选实施例中使用，即使未明确地示出或被描述。相同事物也可以多种方式变化。这样的变化并不被认为是背离了本公开，并且所有这样的变体意图被包括在本公开的范围之内。

Claims (13)

1.一种在环境控制系统中使用的控制器，该控制器包括：

电容器，能够由流过所述环境控制系统的离线模式负载的电流进行充电；

电压检测电路，用于检测所述电容器两端的电压；和

计时器，用于基于来自所述电压检测电路的输入来确定将所述电容器从第一特定电压充电到第二特定电压的充电时间；

所述控制器被配置成，基于所述充电时间来确定所述离线模式负载的电阻，并基于所确定的电阻来确定通过所述离线模式负载进行的窃电的电流的水平。

2.如权利要求1所述的控制器，其中所述控制器进一步配置成，控制向所述控制器提供电能的电池的寿命，该控制是通过基于所确定的窃电的电流的水平调节所述控制器的工作周期来执行的。

3.如权利要求1所述的控制器，进一步包括：

窃电电路；和/或

在所述电容器与所述HVAC设备之间的限流电路。

4.如权利要求1所述的控制器，其中：

所述控制器是恒温器；和/或

所述控制器使用所确定的电阻和查找表来确定用于窃电的电流的水平。

5.如权利要求1至4中任一项所述的控制器，其中所述离线模式负载的电阻是根据下式来确定的：

V_t=V₀+(V₁-V₀)×(1–e^-t/RC)

其中V_t代表在时刻t的所述电容器两端的电压，R代表包括所述离线模式负载的电阻的电路电阻，C代表所述电容器的电容，V₀和V₁代表所述第一特定电压和第二特定电压。

6.一种在环境控制系统中使用的控制器，该控制器包括：

窃电电路，用于从所述环境控制系统的离线模式负载窃取电能；

电容器，能够由流过所述离线模式负载的电流进行充电；

电压检测电路，用于检测所述电容器两端的电压，该电压包括第一特定电压和第二特定电压；和

计时器，配置成确定将所述电容器从第一特定电压充电到第二特定电压的充电时间，该第一特定电压和第二特定电压由所述电压检测电路检测到；

所述控制器被配置成：

基于所述充电时间来确定所述离线模式负载的电阻；

基于所确定的电阻来确定所述窃电电路的窃电能力；以及

基于所确定的窃电能力来调节所述控制器的工作周期。

7.如权利要求6所述的控制器，进一步包括在所述电容器和所述HVAC设备之间的限流电路。

8.如权利要求6所述的控制器，其中：

所述控制器是恒温器；和/或

所述控制器使用所确定的电阻和查找表来确定用于窃电的电流的水平。

9.如权利要求6至8中任一项所述的控制器，其中所述离线模式负载的电阻根据下式来确定：

V_t=V₀+(V₁-V₀)×(1–e^-t/RC)

其中V_t代表在时刻t的所述电容器两端的电压，R代表包括所述离线模式负载的电阻的电路电阻，C代表所述电容器的电容，V₀和V₁代表所述第一特定电压和第二特定电压。

10.一种确定环境控制系统的控制器的窃电能力的方法，该方法包括：

确定将所述控制器的电容器从第一特定电压充电到第二特定电压的持续时间，其中所述电容器接收通过所述环境控制系统的离线模式负载的充电电流；

基于所述持续时间确定所述离线模式负载的电阻；和

使用所确定的电阻来确定由所述控制器通过所述离线模式负载进行电流窃取的水平。

11.如权利要求10所述的方法，进一步包括，基于所确定的电流窃取的水平来调节所述控制器的工作周期，执行该调节是用来控制所述控制器的电池的寿命。

12.如权利要求10所述的方法，其中：

所述控制器是恒温器；和/或

所述控制器使用所确定的电阻和查找表来确定用于窃电的电流的水平。

13.如权利要求10至12中任一项所述的方法，其中所述离线模式负载的电阻根据下式来确定：

V_t=V₀+(V₁-V₀)×(1–e^-t/RC)

其中V_t代表在时刻t的所述电容器两端的电压，R代表包括所述离线模式负载的电阻的电路电阻，C代表所述电容器的电容，V₀和V₁代表所述第一特定电压和第二特定电压。