CN106332349B - 一种具有锂电池低温保护的锂电型led照明系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有锂电池低温保护的锂电型LED照明系统，包括供电锂电池组件和LED灯组，供电锂电池组件包括封装壳体和设置在封装壳体内部的智能控制盒、电池保护板和保温锂电池组，智能控制盒包括盒体和设置在盒体内部的智能控制器，智能控制器、电池保护板和保温锂电池组依次电连接；保温锂电池组包括保温层和锂电池包，锂电池包包括热缩套和设置在热缩套内部的锂电池组、恒温控制板、发热板和导热铝板，导热铝板与锂电池组的多个侧面贴附接触，发热板贴附在导热铝板的表面，锂电池组和恒温控制板均通过导线连接电池保护板。本系统在有效解决了低温环境下锂电池保护问题的同时也确保了系统具有较长的使用寿命和使用效果。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池低温保护管理及LED照明技术领域，具体地说是涉及一种带有耐低温锂电池的LED照明系统，尤其涉及一种具有锂电池低温保护的锂电型LED照明系统。
背景技术
近年来锂电池技术不断发展，应用范围也越来越广，然而锂电池对应用环境要求较高。照明系统用锂电池往往采用悬挂式安装并暴露在照明灯具外部，锂电池的性能与寿命受外界环境温度的影响很大，尤其是当外界环境温度低于零度时锂电池便无法放电使用。为解决锂电池对温度要求高的问题，已有适应低温的锂电池推出使用，这些低温锂电池多采用恒温箱，对锂电池的使用环境进行恒温控制，以保证锂电池在一定温度环境范围内工作。但是这种恒温箱式的供电锂电池因其制作成本高且结构复杂体积大，致使其应用范围受到局限，特别是在低成本的照明产品应用中更处于劣势。
近年来将锂电池与LED灯结合运用到照明系统中获得了飞速发展，然而由于锂电型LED照明系统所处环境的温度变化大，尤其是在我国淮河以北地区的冬季，锂电池在锂电型LED照明系统的使用遇到了问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有锂电池低温保护的锂电型LED照明系统，该系统整体结构设计巧妙，结构简单易于实现且成本低，能有效解决低温环境下锂电池的保护问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种具有锂电池低温保护的锂电智能型LED照明系统，包括供电锂电池组件和LED灯组，所述供电锂电池组件和LED灯组电连接，所述供电锂电池组件包括封装壳体和设置在封装壳体内部的智能控制盒、电池保护板和保温锂电池组，所述智能控制盒包括盒体和设置在盒体内部的智能控制器，所述智能控制器、电池保护板和保温锂电池组依次电连接；所述保温锂电池组包括保温层和锂电池包，所述保温层包裹住整个锂电池包，所述锂电池包包括热缩套和设置在热缩套内部的锂电池组、恒温控制板、发热板和导热铝板，所述导热铝板与锂电池组的多个侧面贴附接触，所述恒温控制板紧贴锂电池组的表面并远离导热铝板，所述发热板贴附在导热铝板的表面，所述锂电池组和恒温控制板均通过导线连接电池保护板；所述恒温控制板包括一组贴片式温度传感器和加热控制电路，所述发热板是一种PTC恒温发热元件，所述贴片式温度传感器设置在恒温控制板上，并与锂电池组相接触，所述PTC恒温发热元件与导热铝板间贴附接触并传热，PTC恒温发热元件与恒温控制板通过导线相连接。所述电池保护板至少包括充放电均衡保护模块、过充保护模块、过放保护模块、过流保护模块、电能平衡模块和微控制器，所述充放电均衡保护模块、控温保护模块、过充保护模块、过放保护模块、过流保护模块和电能平衡模块均与微控制器相连。所述LED灯组也通过电源线缆和控制线缆连接智能控制器；所述智能控制器包括控温模块、温湿度传感器、电量管理模块、调光控制模块、光控开关模块、升压驱动模块和主控芯片，所述控温模块、温湿度传感器、电量管理模块、调光控制模块、光控开关模块和升压驱动模块均与主控芯片相连。所述贴片式温度传感器采用贴片式热敏电阻，所述温湿度传感器采用DHT11温湿度传感器。所述智能控制器上的温湿度传感器用于实时检测锂电池组所处外部环境的温度变化，并以此作为对LED灯组进行调光的一个必要条件，当检测到的外部环境温度低于预先设定的温度时启动发热板对锂电池组进行加热，并按照设定的比例调节LED灯组的亮灯功率和发热板的发热功率；而当检测到的外部环境高于预先设定的温度时停止发热板的加热功能，并按照额定的亮灯功率点亮LED灯组，从而使得发热板与LED灯组同时工作的总功耗与LED灯组单个工作的功耗保持一致，当发热板耗电加大的同时，LED灯组耗电越少，LED灯组的亮灯时间缩短，以平衡电能消耗，将更多的电能供给发热板，对锂电池组起到低温保护作用。当检测到的外部环境温度低于4-5℃时启动发热板对锂电池组进行加热，并按照4:6的比例调节LED灯组的亮灯功率和发热板的发热功率；当检测到的外部环境达到6℃及以上时停止发热板的加热功能，并按照额定的亮灯功率点亮LED灯组，从而在更低温度时，降低LED亮度，温度高于设定的下限温度时，发热板不启动，LED灯组亮灯程序恢复正常。
作为本发明的一种改进，所述导热铝板是具有四个板面的铝制无缝焊接板框，所述导热铝板套设在所述锂电池组上，并且四个板面与锂电池组的相邻四个侧壁紧密贴附；所述发热板的外部包裹有一层导热铝壳，所述导热铝壳与导热铝板上的任一板面相贴附。
作为本发明的一种改进，所述电量管理模块用于实时检测并评估锂电池组的剩余电量，并按照所设定的锂电池组温度与LED灯组亮灯功率间的比例关系对剩余电量进行均衡分配；根据智能控制器提供的温度参数与LED灯组亮灯功率，所述调光控制模块根据电能平衡模块反馈过来的LED灯组亮灯功率参数对LED灯组的照明亮度进行调节；所述光控开关模块包括光线传感器和光控开关电路，所述光线传感器设置在矩形盒体上，光线传感器通过线缆连接光控开关电路；所述升压驱动模块采用TI的升压芯片进行设计，用于产生LED灯组的恒流驱动工作电压以稳定点亮LED灯组。
作为本发明的一种改进，所述封装壳体采用PC+ABS工程塑料合金(即ABS工程塑料)制成，所述盒体采用铝材制成，并在智能控制器与盒体内腔的空隙中填充灌封胶。
作为本发明的一种改进，所述保温层采用聚四氟乙烯泡沫塑料或聚氨酯泡沫塑料制成，所述锂电池组采用磷酸铁锂(LiFePO4)材料的聚合物锂离子电池和三元锂材料的聚合物锂离子电池作为储能单元。
相对于现有技术，本发明的有益效果至少包括以下内容：本系统通过对锂电池组进行低温保护和电量均衡管理，以及对LED灯组的亮度进行智能控制，达到延长锂电池组的使用寿命且增加LED灯组的照明时长的效果。其余的有益效果将在具体实施方式中体现。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明的系统中供电锂电池组件的结构示意图。
图3为本发明的系统中保温锂电池组的结构示意图。
图4为本发明的系统中发热板加热时的工作电流曲线图。
图5为本发明的系统中恒温控制板的电路原理图。
图中：1-封装壳体，2-电池保护板，3-智能控制盒，4-保温锂电池组，5-保险丝，6-电源线缆和控制线缆，7-保温层，8-热缩套，9-发热板，10-导热铝板，11-锂电池组，12-恒温控制板，13-贴片式温度传感器。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。
一种具有锂电池低温保护的锂电智能型LED照明系统，参见图1和3，包括供电锂电池组件和LED灯组，所述供电锂电池组件和LED灯组电连接，用于对LED灯组供电。所述供电锂电池组件包括封装壳体1和设置在封装壳体1内部的智能控制盒3、电池保护板2和保温锂电池组4，所述智能控制盒3包括盒体和设置在盒体内部的智能控制器，所述智能控制器、电池保护板2和保温锂电池组4依次电连接，并在智能控制器、电池保护板2和保温锂电池组4之间还设有保险丝5。电池保护板2用于对供电锂电池组件进行保护控制，所述保温锂电池组4包括保温层7和锂电池包，所述保温层7包裹住整个锂电池包，所述锂电池包包括热缩套8和设置在热缩套8内部的锂电池组11、恒温控制板12、发热板9和导热铝板10，所述导热铝板10与锂电池组11的多个侧面贴附接触，用于对锂电池组11实现大面积接触传热，保证锂电池组11在设定的某一温度及以上工作。所述恒温控制板12紧贴锂电池组11的表面，并远离导热铝板10(即恒温控制板12紧贴在锂电池组11上的未设置导热铝板10的面上)，使得保温层7内部温度维持在8℃左右，由于导热铝板10的温度非常不稳定，因此为了确保恒温控制板12的感温稳定性，需要将恒温控制板12远离导热铝板10，以避免导热铝板10对恒温控制板12的影响。所述发热板9贴附在导热铝板10的表面，用于向导热铝板10传导热量。所述锂电池组11和恒温控制板12均通过导线连接电池保护板2。所述LED灯组也通过电源线缆和控制线缆6连接智能控制器；所述智能控制器包括控温模块、温湿度传感器、电量管理模块、调光控制模块、光控开关模块、升压驱动模块和主控芯片，所述控温模块、温湿度传感器、电量管理模块、调光控制模块、光控开关模块和升压驱动模块均与主控芯片相连。所述主控芯片优先选用型号为PIC16F1829的单片机PIC芯片。
实施例中，所述发热板9是一种PTC恒温发热元件，其外部包裹有一层导热铝壳，起到保护和快速导热的作用；所述PTC恒温发热元件与导热铝板10间贴附接触并传热，PTC恒温发热元件与恒温控制板12通过导线相连接。在中小功率加热场合，PTC恒温发热元件具有恒温发热、热转换率高、自然寿命长以及不受电源电压影响等优点，其原理是PTC热敏电阻加点后自热升温使阻值进入跃变区，恒温加热PTC热敏电阻表面温度将保持恒定值，且温度只与PTC热敏电阻的居里温度和外加电压有关，而与环境温度无关。因此，使用PTC恒温发热元件即便加热控制电路因失控而不间断给其供电，其也只能升高至上限温度(通常不高于60度)，从而可有效防止其对锂电池组的损坏和意外事故的发生。所述恒温控制板12包括一组贴片式温度传感器13和加热控制电路，所述贴片式温度传感器13设置在恒温控制板12上，并与锂电池组11相接触，用于感应锂电池组11的温度并将信号反馈给加热控制电路，所述加热控制电路控制PTC恒温发热元件的通断。所述加热控制电路是由场效应管和比较放大器组成的开关控制电路(参见图5)，当贴片式温度传感器13所感知的温度低于设定的温度后，开关控制电路中的比较放大器输出增大，导通场效应管，从而启动PTC恒温发热元件对发热板9加热。
实施例中，所述电池保护板2至少包括充放电均衡保护模块、过充保护模块、过放保护模块、过流保护模块、电能平衡模块和微控制器，所述充放电均衡保护模块、控温保护模块、过充保护模块、过放保护模块、过流保护模块和电能平衡模块均与微控制器相连。从而对供电锂电池组件进行充放电保护、过流保护、温度保护、全智能充放电均衡以及精确电能管理等功能，实现对电池充放电状态进行实时监测与控制，并能保证锂电池组的使用安全和寿命。
实施例中，所述导热铝板10围绕电池组四周缠绕一圈，具体是将导热铝板10制成具有四个板面的铝制无缝焊接板框，然后将所述导热铝板10套设在所述锂电池组上，并且让导热铝板10的四个板面与锂电池组的相邻四个侧壁紧密贴附，锂电池组的整体形状为矩形。为了实现高导热效率，所述发热板9外部的导热铝壳与导热铝板10的大面积板面一侧相贴附，通过铝壳与铝板的直接接触进行热量传导，具有传热快且传热均匀的优点，可对整个锂电池组实现均匀的加热和保温效果。另外，将发热板9上的导热铝壳的面积设置为导热铝板10的大面积板面面积的2/3-4/5，在防止发热板9发生短路的前提下尽量增大导热铝壳与导热铝板10的接触面积，从而可提高传热效率。
实施例中，所述电能平衡模块用于实时检测并评估锂电池组的剩余电量，并按照所设定的锂电池组温度与LED灯组亮灯功率间的比例关系对剩余电量进行均衡分配。根据智能控制器提供的温度参数与LED灯组亮灯功率，所述调光控制模块根据电能平衡模块反馈过来的LED灯组亮灯功率参数对LED灯组的照明亮度进行调节。所述光控开关模块包括光线传感器和光控开关电路，所述光线传感器设置在矩形盒体上，光线传感器通过线缆连接光控开关电路。通过光线传感器来实时检测外部环境的光照强度，并反馈给光控开关电路，通过光控开关电路对反馈来的关于光照强度信号的参数与预设参数进行比较并实现对LED灯组的点亮和熄灭操作。通过光控开关模块可实现LED照明系统的自动照明功能，从而有效提高LED照明系统的智能化、人性化和节能环保效果。所述升压驱动模块采用TI的升压芯片(优选采用型号为TPS40211的升压)进行设计，对供电锂电池组件输送来的电源电压进行升压操作，从而产生LED灯组的恒流驱动工作电压以稳定点亮LED灯组。
实施例中，所述封装壳体1采用PC+ABS工程塑料合金(即ABS工程塑料)制成，具有优良的耐热耐候性、尺寸稳定性、耐酸碱性、防水防潮性、防腐性和耐冲击性能。所述盒体采用铝材制成，从而对智能控制器起到散热保护的作用，并且在智能控制器与盒体内腔的空隙中填充灌封胶，以防静电。
实施例中，所述保温层7采用聚四氟乙烯泡沫塑料或聚氨酯泡沫塑料制成，厚度在1-5cm，保温隔热效果好，可有效减缓低温环境下锂电池组的热量散失。所述锂电池组采用磷酸铁锂(LiFePO4)材料的聚合物锂离子电池和三元锂材料的聚合物锂离子电池作为储能单元，具有极高的能量密度，超长的循环寿命，良好的温度特性，优异的安全性能等优点，适用于各种太阳能路灯、太阳能楼宇亮化、移动通信、小型发电系统、屋顶电站等领域。
实施例中，所述贴片式温度传感器13采用贴片式热敏电阻，所述温湿度传感器采用DHT11温湿度传感器。
实施例中，所述智能控制器上的温湿度传感器用于实时检测锂电池组所处外部环境的温度变化，并以此作为对LED灯组进行调光的一个必要条件(因为，就算没有这一必要条件，LED灯组的亮灯程序也是一个变化的过程，其调光的其他必要条件可以是外界环境的光照强度、人流红外感应信号、车流超声感应信号等等)，当检测到的外部环境温度低于预先设定的温度时启动发热板9对锂电池组进行加热，并按照设定的比例调节LED灯组的亮灯功率和发热板9的发热功率。而当检测到的外部环境高于预先设定的温度时停止发热板9的加热功能，并按照额定的亮灯功率点亮LED灯组，从而使得发热板9与LED灯组同时工作的总功耗与LED灯组单个工作的功耗保持一致，当发热板9耗电加大的同时，LED灯组耗电越少，LED灯组的亮灯时间缩短，以平衡电能消耗，将更多的电能供给发热板9，对锂电池组起到低温保护作用。
具体的，当检测到的外部环境温度低于4-5℃时启动发热板9对锂电池组进行加热，并按照4:6的比例调节LED灯组的亮灯功率和发热板9的发热功率。当检测到的外部环境达到6℃及以上时停止发热板9的加热功能，并按照额定的亮灯功率点亮LED灯组，从而在更低温度时，降低LED亮度，温度高于设定的下限温度时，发热板9不启动，LED灯组亮灯程序恢复正常。假设非低温情况下，LED灯组的额定亮灯功率为P，则在启动锂电池组的低温保护程序后，当温度达到最低温时，LED灯组的亮灯功率为40％*P，而发热板9的发热功率为60％*P，两者的总功耗要与原始总功耗接近，从而能够保证夏冬阴雨天数可以保持一致。所述恒温控制板12对发热板9的加热方式是间断式的，具体的加热状态主要由外部环境温度决定，并且加热时间也不确定，如果保温层7的保温效果好，且外部环境温度相对高的话，发热板9的实际发热时间就短一些。如图4所示，为发热板9的工作电流曲线，当外界环境温度越低，发热板9工作电流曲线上突出的波段越长，表明需要较长的发热时间。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种具有锂电池低温保护的锂电型LED照明系统，其特征在于：包括供电锂电池组件和LED灯组，所述供电锂电池组件和LED灯组电连接，所述供电锂电池组件包括封装壳体和设置在封装壳体内部的智能控制盒、电池保护板和保温锂电池组，所述智能控制盒包括盒体和设置在盒体内部的智能控制器，所述智能控制器、电池保护板和保温锂电池组依次电连接；所述保温锂电池组包括保温层和锂电池包，所述保温层包裹住整个锂电池包，所述锂电池包包括热缩套和设置在热缩套内部的锂电池组、恒温控制板、发热板和导热铝板，所述导热铝板与锂电池组的多个侧面贴附接触，所述恒温控制板紧贴锂电池组的表面并远离导热铝板，所述发热板贴附在导热铝板的表面，所述锂电池组和恒温控制板均通过导线连接电池保护板；所述恒温控制板包括一组贴片式温度传感器和加热控制电路，所述发热板是一种PTC恒温发热元件，所述贴片式温度传感器设置在恒温控制板上，并与锂电池组相接触，所述PTC恒温发热元件与导热铝板间贴附接触并传热，PTC恒温发热元件与恒温控制板通过导线相连接；所述电池保护板至少包括电能平衡模块、充放电均衡保护模块、过充保护模块、过放保护模块、过流保护模块和微控制器，所述电能平衡模块、充放电均衡保护模块、控温保护模块、过充保护模块、过放保护模块和过流保护模块均与微控制器相连；所述LED灯组也通过电源线缆和控制线缆连接智能控制器；所述智能控制器包括控温模块、温湿度传感器、电量管理模块、调光控制模块、光控开关模块、升压驱动模块和主控芯片，所述控温模块、温湿度传感器、电量管理模块、调光控制模块、光控开关模块和升压驱动模块均与主控芯片相连；所述贴片式温度传感器采用贴片式热敏电阻，所述温湿度传感器采用DHT11温湿度传感器；所述智能控制器上的温湿度传感器实时检测锂电池组所处外部环境的温度变化，并以此作为对LED灯组进行调光的一个必要条件，当检测到的外部环境温度低于预先设定的温度时启动发热板对锂电池组进行加热，并按照设定的比例调节LED灯组的亮灯功率和发热板的发热功率；而当检测到的外部环境高于预先设定的温度时停止发热板的加热功能，并按照额定的亮灯功率点亮LED灯组，从而使得发热板与LED灯组同时工作的总功耗与LED灯组单独工作时的功耗保持一致；当检测到的外部环境温度低于4-5℃时启动发热板对锂电池组进行加热，并按照4:6的比例调节LED灯组的亮灯功率和发热板的发热功率；当检测到的外部环境达到6℃及以上时停止发热板的加热功能，并按照额定的亮灯功率点亮LED灯组。
2.如权利要求1所述的一种具有锂电池低温保护的锂电型LED照明系统，其特征在于，所述导热铝板是具有四个板面的铝制无缝焊接板框，所述导热铝板套设在所述锂电池组上，并且四个板面与锂电池组的相邻四个侧壁紧密贴附；所述发热板的外部包裹有一层导热铝壳，所述导热铝壳与导热铝板上的任一板面相贴附。
3.如权利要求1所述的一种具有锂电池低温保护的锂电型LED照明系统，其特征在于，所述电量管理模块实时检测并评估锂电池组的剩余电量，并按照所设定的锂电池组温度与LED灯组亮灯功率间的比例关系对剩余电量进行均衡分配；根据智能控制器提供的温度参数与LED灯组亮灯功率，所述调光控制模块根据电能平衡模块反馈过来的LED灯组亮灯功率参数对LED灯组的照明亮度进行调节；所述光控开关模块包括光线传感器和光控开关电路，所述光线传感器设置在矩形盒体上，光线传感器通过线缆连接光控开关电路；所述升压驱动模块采用TI的升压芯片进行设计，用于产生LED灯组的恒流驱动工作电压以稳定点亮LED灯组。
4.如权利要求1所述的一种具有锂电池低温保护的锂电型LED照明系统，其特征在于，所述封装壳体采用PC+ABS工程塑料合金制成，所述盒体采用铝材制成，并在智能控制器与盒体内腔的空隙中填充灌封胶。
5.如权利要求1所述的一种具有锂电池低温保护的锂电型LED照明系统，其特征在于，所述保温层采用聚四氟乙烯泡沫塑料或聚氨酯泡沫塑料制成，所述锂电池组采用磷酸铁锂材料的聚合物锂离子电池和三元锂材料的聚合物锂离子电池作为储能单元。
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