CN106304491A

CN106304491A - 基于led灯初始照度至特定照度范围内的节能控制方法

Info

Publication number: CN106304491A
Application number: CN201610737329.5A
Authority: CN
Inventors: 王安
Original assignee: Jiangsu Heng Peng Intelligent Electric Co Ltd
Current assignee: Nantong City Lighting Management Office
Priority date: 2016-08-19
Filing date: 2016-08-19
Publication date: 2017-01-04
Also published as: WO2018032993A1

Abstract

本发明公开了一种基于LED灯初始照度至特定照度范围内的节能控制方法，以LED灯具设定的标准照度为参照基准，在LED灯具衰减至标准照度之前至少进行一次电流控制调节，调节后LED灯具照度要低于此时LED灯具本身最大照度，且在剩余生命周期内不低于标准照度。该方法在现有的考虑维护因子的方法上，利用智能控制通过电流的调节设计了一种全新的节能方式。这种方法在不对产品寿命、可靠性或其它任何参数的减弱情况下，大幅度提高了LED灯具产品节能率。

Description

基于LED灯初始照度至特定照度范围内的节能控制方法

技术领域

本发明涉及一种LED灯具的节能控制方法，尤其针对LED灯具在初始照度至特定照度范围内的节能控制方法。

背景技术

光衰是LED灯不可避免的自然特性，为了在LED灯的寿命期内仍然能达到设定的照度，比较普遍的做法是在初始照度计算中加入一个维护系数，以抬高初始功率。这种加入维护因子的方法在灯具照明初期时的实际照度远大于设定的照度要求，会造成很大的电力浪费。如果有一种方法可以适应LED光源的特性，实现从灯具安装到使用寿命结束对灯具照度控制，将会很大幅度提高LED灯具的节电率。也就是说从初始状态功率只是满足特定要求的照度值，一直到灯具使用寿命结束，通过电源的调光功能实现对照度值的控制，最佳状态是恒照度。对恒照度控制，市场已经有很多类似功能的LED灯具，如某些品牌的室内灯具，通过安装光敏传感器等元器件，感知外部环境照度进行补光照明达到房间恒定照度值。但是在室外路灯中安装光敏传感器等元器件不仅成本较高，而且存在安装不便，精度不够等问题。

发明内容

本发明针对现有LED灯在灯具寿命期内一直以超特定照度值工作状态方式的不足，提出一种全新的照度控制方法，在LED灯具寿命期内，根据所使用LED灯珠光衰特点进行实时调光来进行补光，控制LED灯的光能量，且确保LED灯照度不少于特定照度值，提高产品的节电率。

为了解决上述技术问题，本发明的基于LED灯初始照度至特定照度范围内的节能控制方法，以LED灯具设定的标准照度为参照基准，在LED灯具衰减至标准照度之前至少进行一次电流控制调节，调节后LED灯具照度要低于此时LED灯具本身最大照度，且在剩余生命周期内不低于标准照度。

上述技术方案中，所述标准照度为LED灯具的初始照度与维护因子的乘积。

上述技术方案中，在LED灯具初始使用时，对LED灯具进行电流调节，使LED灯具照度达到标准照度的100％-115％；在LED灯具生命周期内，当LED灯具衰减至标准照度的98％-100％时，对LED灯具进行电流调节，使LED灯具照度至少达到标准照度。初始使用时，只要使LED灯具照度低于最大照度，高于标准照度的95％均可，当然最好状态是高于标准照度。在衰减过程中可以设定固定的时间间隔进行调节，从而确保LED灯具始终维持在标准照度以上。

上述技术方案中，所述电流控制调节中的电流选择采用如下方法，

a.对LED灯具进行电流与焊盘温度、光通量关系的测量，计算不同焊盘温度不同电流下对应的初始光通量；

b.利用初始光通量、产品正常寿命试验结果以及灯珠LM80报告，分析得到典型电流下光衰曲线；

c.根据典型电流下光衰曲线，利用TM21方法推算其它电流下的光衰曲线集图；

d.保持LED灯具光通量恒定情况下，得到各个电流-时间数据点集；

e.利用统计方法得到对应这些数据点的电流-时间拟合公式，进而获得相应时间点的电流。

上述技术方案中，所述LED灯具初始使用照度达到标准照度112％-114％，保守选择为113％。

如图1所示，150瓦灯具照度要求下，加入0.7维护因子，利用214瓦灯具实现照明效果。传统的照明方式中，只要能够使部分时间采用接近或标准照度照明，即可实现节能。假设以恒照度状态控制照明，在150瓦可以实现照度要求情况下，加入维护因子使用214瓦的灯具进行照明，在使用过程中假设功率不变。使用一种恒照度控制的LED灯具一开始就只使用150瓦，在与LED灯珠相匹配的控制方式下，图1中为假设直线，最终也达到214瓦的功率同样的光能量输出，寿命为5万小时，这样每盏灯节省电可粗略估计为(214-150)*50000/2000＝1600度电，即在5万小时寿命期可省电1600度，若10年计算平均每年每盏灯可节省160度，并且在使的开始几年尤其明显。

以路灯照明为例，上述方案的另一种解决方法，在满足国家标准道路要求条件下，使用较低功率(如上述中不使用214W而是用150W)，使用一段时间间隔后将电流提高光通量来弥补光源的光衰直到灯具寿命结束。这是利用本方法来实现节电和降低选型，但会牺牲一定的使用寿命。

本发明的方法在现有的考虑维护因子的方法上，利用智能控制通过电流的调节设计了一种全新的节能方式。这种方法在不对产品寿命、可靠性或其它任何参数的减弱情况下，大幅度提高了LED灯具产品节能率；可以通过电源MCU控制，也可能后台控制器驱使电源实现，从而成为智慧城市建设过程在LED路灯智能控制上的节能方面一种通用解决方法。

附图说明

图1以214瓦实现生命周期内150瓦的照度要求的恒照度智能控制示意图；

图2为具体实施例中采用Philips Lumileds 3030 2D灯珠的灯具在不同电流不同焊盘温度时光通量值；

图3为具体实施例中Philips Lumileds 3030 2D灯珠的灯具在不同驱动电流下光衰曲线图；

图4为具体实施例中Philips Lumileds 3030 2D灯珠的灯具在恒照度控制下电流变化曲线图；

图5为具体实施例中Phil ips Lumileds 3030 2D灯珠的灯具在恒照度控制和现有方式控制下灯具功率对比。

具体实施方式

下面结合具体实施方案，对本发明做进一步详细说明，实施方式以路灯照明为例。

现有考虑维护因子的方法，电流是由路灯电源决定，在整个灯具产品视为完全恒定不变，也就是恒电流控制方式。这种恒电流方式是现在道路照明中通用的光学设计方式，一般通过对具体灯具的测试取得相关参数与配光曲线，在具体道路灯高杆距路宽等等灯具布置参数确定，经过光学软件模拟后得到高出国家相关道路的照度或亮度设计要求即可，在模拟过程中一般将维护因子设为0.7，考虑到灯具光衰至寿命期也可以满足国家道路安全的要求。

基于维护因子的设计，本发明具体是实施方法如下：

1.计算不同焊盘温度不同电流下对应的初始光通量

本发明提出的全新光学设计方法，利用智能控制对同样灯具的驱动电源对应这种传统方法的恒定电流。首先使用0.7倍的电流值驱动灯具，以一款使用Philips Lumileds3030 2D灯珠的灯具为例，测试出两种电流与结温的组合状态下光能量，再测试具体灯具从散热器到时灯珠焊盘的热阻，并由灯珠规格书焊盘至结温点热阻推算不同电流下结温值，利用下面光能量计算公式得到不同电流与结温组合下的不同光能量。

Φ_{v} (I_{f}, T_{j}) = Φ_{v 0} {(\frac{I_{f}}{I_{f 0}})}^{D} e^{\ln (H C) (\frac{T_{j} - T_{j 0}}{75})}

其中，Φ_v(I_f，T_j)为特定电流与结温下的光通量，Φ_v0为测试点I_f0T_j0的所测光通量，I_f0T_j0I_fT_j分别为所测点电流结温以及待计算点电流结温，D(Droop)为不同电流下蠕变比例值，HC(Hot-Cold factor)为冷热因子值；图2为通过公式推算出来的不同电流不同焊盘温度时的光通量值与相应的光效。

2.根据典型光衰曲线，并利用TM21方法推算其它电流下的光衰曲线集图

以上方法得到的具体灯具不同驱动电流下的初始光通量，再利用TM21计算方法，公式如下：

Φ(t)＝Bexp(-αt)

其中，Φ(t)为时间t时的光能量值，正交化0-1之间数值，B为初始光通量常数值，α为光衰参数值。

根据这款灯具实际寿命试验中1万小时实际测试数据与Philips Lumileds所提供的相关灯珠LM80报告中光衰数据分析得到不同电流与结温下的光衰曲线，如图3所示。

3.得到恒定光能量下电流时间数据点集，并拟合出曲线图与公式

图3曲线图中水平直线为恒照度控制，也就是恒定光通量希望达到的变化曲线。也就是说在不同时间点上，电流值有所提高，以达到不同电流值上指数式光衰曲线之间的平滑跃变，通过对不同曲线的反求计算，得到不同电流值对应的时间点序列，然后绘制曲线拟合后得到图4与公式。

其中图4中也给出了电流变化拟合曲线：y＝1.05E-01e^6.86E-06X，其中的拟合程度达到99.9％以上，说明非常适合。

根据这个曲线反求电流从70％的初始值每增加1％进行跃变到另一个电流的曲线时间点，并进行圆整可以近似为以下列表，从而更具有可操作性。

	If(A)	t(hr)	t(rounded)
				70％	0.105	0	0
71％	0.1065	2071	2000
				72％	o.108	4113	4000
73％	0.1095	6126	6000
				74％	0.111	8112	8000
75％	0.1125	10072	10000
				76％	0.114	12006	12000
77％	0.1155	13914	14000
				78％	0.117	15798	16000
79％	0.1185	17657	18000
				80％	0.12	19494	19000
81％	0.1215	21307	21000
				82％	o.123	23098	23000
83％	0.1245	24868	25000
				84％	0.126	26616	27000
85％	0.1275	28344	28000
				86％	0.129	30051	30000
87％	0.1305	31739	32000
				88％	0.132	33408	33000
89％	0.1335	35057	35000
				90％	0.135	36688	37000
91％	0.1365	38301	38000
				92％	0.138	39897	40000
93％	0.1395	41475	41000
				94％	0.141	43036	43000
95％	0.1425	44581	45000
				96％	0.144	46110	46000
97％	0.1455	47623	48000
				98％	0.147	49120	49000
99％	0.1485	50602	51000
				100％	0.15	52069	52000

4.进行节能效率分析：

通过以上的分析，最后再重新对比整个灯具在寿命期内的功率变化曲线图。现行的恒电流照明可以认为功率没有变化，两种方式的功率对比如图5。

以1％功率下降计算，这样图5中两根曲线的方程可以写成：

1)恒照度控制下功率变化拟合曲线y1＝6.27E-01e^7.31E-06t

2)现有灯具恒电流照明功率变化y2＝y0

这样，灯具总共有210颗灯珠，初始状态下加上光学损耗与电源转换损耗后实际灯具功率在0.15安培电流下214瓦，在0.105安培下为150瓦，在整个使用寿命期中的节电度数可以表示成：

Q_{S} = {&Integral;}_{0}^{t_{0}} (0.210 * (y 2 - y 1)) d t

经过计算整个寿命期可省电共1750度电。

本发明的方法提出了一种利用LED路灯灯具光衰过程中恒照度智能控制的节能解决方案。在150瓦光照度要求下，具体灯具在现有设计方案考虑维护因子的情况，需要使用214瓦的功率；而使用上述控制后，同样灯具可以调节电流只使用150瓦，而在使用过程中不断增加电流来达到合适的光能量，这种对应特定时间点的电流调整可以通过智能控制网络后台软件实现某个组同种灯具调整，也可以对应驱动电源的单灯控制器中芯片程序实现单个灯具调整，更可能是加入驱动电源厂家的芯片时间调光功能中，也就是达到等效的地面照度值，从而达到整个灯具寿命期内地面恒定照度，一方面灯具效果感觉“无光衰”，地面效果极佳，另一方面更重要的是，可以节省大量电能，为国家节能环保做贡献。

本发明方法研究的是整个灯具自然光衰的过程，不包括灯具由于某些特殊原因(如电源浪涌问题、整灯防水或灯珠不良等等非正常情况，所以即使灯具在寿命期内由于这些特殊原因造成产品失效，根据时间记录可以将新灯具调整到当前时间可以与其它灯具达到完全相同的光通量，也就是相同道路照度效果，为市政维护带来极大的方便。

本发明实施例方案虽然是基于某种特定灯具与特定使用的灯珠，但由于不同灯珠本身的光衰特性完全相同，其中的推导过程也适用于任何其它LED灯具与所使用的大功率或中功率灯珠。其中相关的参数值会有所不同，对应的电流曲线与调整电流的时间点会有所不同，但整个方案提出的方法具有适用于所有LED灯具的普遍意义，具有非常广阔的应用前景。

Claims

1.基于LED灯初始照度至特定照度范围内的节能控制方法，其特征在于：以LED灯具设定的标准照度为参照基准，在LED灯具衰减至标准照度之前至少进行一次电流控制调节，调节后LED灯具照度要低于此时LED灯具本身最大照度，且在剩余生命周期内不低于标准照度。

2.如权利要求1所述的基于LED灯初始照度至特定照度范围内的节能控制方法，其特征在于：所述标准照度为LED灯具的初始照度与维护因子的乘积。

3.如权利要求1或2所述的基于LED灯初始照度至特定照度范围内的节能控制方法，其特征在于：在LED灯具初始使用时，对LED灯具进行电流调节，使LED灯具照度达到标准照度的100％-115％；在LED灯具生命周期内，当LED灯具衰减至标准照度的98％-100％时，对LED灯具进行电流调节，使LED灯具照度至少达到标准照度。

4.如权利要求1或2所述的基于LED灯初始照度至特定照度范围内的节能控制方法，其特征在于：所述电流控制调节中的电流选择采用如下方法，

5.如权利要求3所述的基于LED灯初始照度至特定照度范围内的节能控制方法，其特征在于：所述电流控制调节中的电流选择采用如下方法，

6.如权利要求3所述的基于LED灯初始照度至特定照度范围内的节能控制方法，其特征在于：所述LED灯具照度达到标准照度112％-114％。

7.如权利要求5所述的基于LED灯初始照度至特定照度范围内的节能控制方法，其特征在于：所述LED灯具照度达到标准照度112％-114％。

8.如权利要求6所述的基于LED灯初始照度至特定照度范围内的节能控制方法，其特征在于：所述LED灯具照度达到标准照度113％。

9.如权利要求7所述的基于LED灯初始照度至特定照度范围内的节能控制方法，其特征在于：所述LED灯具照度达到标准照度113％。