CN110095916B - 独立且自供电控制器的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及电致变色系统。系统可包括一个或更多个电致变色装置和中央控制装置。每个电致变色装置可包括两个玻璃层、两个粘附层、电致变色膜、控制器和控制装置。两个粘附层可设置在两个玻璃层的内表面上。电致变色膜可设置在两个粘附层之间且包括电致变色材料层、固体聚合物电解质和电荷存储层。控制器可包括电能转换器、信号接收器和电能输出。电能转换器可从电源接收电能。电源可包括与控制器集成的能量存储器。信号接收器可接收控制信号。电能输出可耦合到电致变色膜并向电致变色膜供电以控制电致变色膜的光学状态。控制装置可将控制信号发送到信号接收器。中央控制装置可全局控制所有一个或更多个电致变色装置的光学状态。
Description
技术领域
本公开一般性地涉及电致变色膜，并且特别地涉及用于控制电致变色装置的方法和系统。
背景技术
电致变色是通过使用电荷突发导致电致变色材料中的电致变色氧化还原(还原和氧化)反应而可逆地改变光学性质的一些材料呈现的现象。光学性质可以包括透射率、反射率、吸收率和发射强度。特别地，电致变色材料展现出可逆的颜色变化。
在智能窗的应用中，电致变色膜与玻璃窗集成以变得可供使用。电控制器用于控制与玻璃窗(即智能窗)集成的电致变色膜。智能窗能够被局部地和全局地控制。在具有许多与电致变色膜集成的智能窗的建筑中，用户可以能够独立地控制每一扇窗，也可以通过中央单元同时控制所有窗以覆盖局部控制。为了简化智能窗的安装，控制单元可以作为独立且自供电的单元被集成到智能窗中。在这种控制单元中，不需要外部电源。此外，通过使用无线充电能够进一步简化安装。
在本公开中，提供了用于控制电致变色装置的状态的不同方法和系统。
发明内容
本公开的一方面针对一种电致变色系统。该系统可以包括中央控制装置和一个或更多个电致变色装置。每个电致变色装置可以包括两个玻璃层、两个粘附层、电致变色膜、控制器和控制装置。两个粘附层可以设置在两个玻璃层的内表面上。电致变色膜可以设置在两个粘附层之间，电致变色膜包括电致变色材料层、固体聚合物电解质和电荷存储层。控制器可以包括电能转换器、信号接收器和电能输出。电能转换器可以被配置为从电源接收电能。电源可以包括与控制器集成的能量存储器。信号接收器可以被配置为接收控制信号。电能输出可以耦合到电致变色膜并且被配置为向电致变色膜提供电能以控制电致变色膜的光学状态。控制装置可以被配置为向信号接收器发送控制信号。中央控制装置可以被配置为全局地控制所有一个或更多个电致变色装置的光学状态。
本公开的一方面针对一种电致变色系统。该系统可以包括无线中央控制装置和一个或更多个电致变色装置。每个电致变色装置可以包括两个玻璃层、两个粘附层、电致变色膜、控制器和无线控制装置。两个粘附层可以设置在两个玻璃层的内表面上。电致变色膜可以设置在两个粘附层之间，电致变色膜包括电致变色材料层、固体聚合物电解质和电荷存储层。控制器可以包括电能转换器、信号接收器和电能输出。电能转换器可以被配置为从电源接收电能。电源可以包括与控制器集成的能量存储器。信号接收器可以被配置为接收控制信号。电能输出可以耦合到电致变色膜并且被配置为向电致变色膜提供电能以控制电致变色膜的光学状态。无线控制装置可以被配置为向信号接收器发送控制信号。无线中央控制装置可以被配置为全局地控制所有一个或更多个电致变色装置的光学状态。
本公开的另一个方面针对一种电致变色系统。该系统可以包括多个电致变色装置。每个电致变色装置可以包括电致变色膜、控制器、一个或更多个ZigBee协调器以及ZigBee网关。电致变色膜可以包括电致变色材料层、固体聚合物电解质和电荷存储层。控制器可以包括ZigBee接收器，其被配置为接收控制信号以控制电致变色膜的光学状态。每个ZigBee协调器可以被配置为与ZigBee接收器中的一个或更多个通信。ZigBee网关可以被配置为与ZigBee协调器通信并且连接到因特网。
本公开的另一个方面针对用于通过ZigBee协议全局地控制多层建筑中的多个智能窗。该系统可以包括多个ZigBee接收器、一个或更多个ZigBee协调器以及一个ZigBee网关。每个ZigBee接收器可以被配置为安装在每个智能窗上，并且接收控制信号以控制每个智能窗的光学状态。每个ZigBee协调器可以被配置为安装在每个楼层上，并且协调同一个楼层的ZigBee接收器。ZigBee网关可以被配置为全局且远程控制建筑中所有智能窗的光学状态。ZigBee接收器和ZigBee协调器可以形成ZigBee网络，并且ZigBee网关可以被配置为将ZigBee网络连接到因特网。
本公开的另一个方面针对一种电致变色装置。该电致变色装置可以包括两个玻璃层、两个粘附层、电致变色膜、控制器和控制装置。两个粘附层可以设置在两个玻璃层的内表面上。电致变色膜可以设置在两个粘附层之间，电致变色膜包括电致变色材料层、固体聚合物电解质和电荷存储层。控制器可以包括电能转换器、信号接收器和电能输出。电能转换器可以被配置为从电源接收电能。电源可以包括与控制器集成的能量存储器。信号接收器可以被配置为接收控制信号。电能输出可以耦合到电致变色膜并且被配置为向电致变色膜提供电能以控制电致变色膜的光学状态。控制装置可以被配置为向信号接收器发送控制信号。
通过下面详细的描述，所描述的实施例的其它目的、特征和优点对本领域技术人员将变得明显。然而，应理解的是，详细描述和特定示例虽然表示本发明的优选实施方式，但是其是作为示意给出的并且不具有限制性。在不脱离本发明的精神的情况下，可以在本发明范围内做出许多改变和修改，并且本发明包括所有这些修改。
附图说明
通过参照附图可以更容易地理解本发明的优选且非限制性的实施例，在这些附图中：
图1是示出了与本公开的示例性实施例一致的电致变色装置的简化示意图的图形呈现。
图2是与本公开的示例性实施例一致的、包括固体聚合物电解质的电致变色装置的简化示意图的剖视图。
图3是示出了与本公开的示例性实施例一致的控制器的图形呈现。
图4是示出了与本公开的示例性实施例一致的、具有对电致变色装置的有线局部和有线全局控制的系统的图形呈现。
图5是示出了与本公开的示例性实施例一致的、具有对电致变色装置的无线局部控制和有线全局控制的系统的图形呈现。
图6是示出了与本公开的示例性实施例一致的、具有无线局部和无线全局控制的系统的图形呈现。
图7是示出了与本公开的示例性实施例一致的、具有通过ZigBee协议对多个电致变色装置的全局控制的系统的图形呈现。
图8是示出了与本公开的示例性实施例一致的、具有对电致变色装置的有线局部控制和无线全局控制的系统的图形呈现。
图9是示出了与本公开的示例性实施例一致的、独立且自供电的控制器的图形呈现。
图10是示出了与本公开的示例性实施例一致的、具有太阳能电池的独立且自供电的控制器的图形呈现。
图11是示出了与本公开的示例性实施例一致的、具有集成的太阳能电池的智能窗的简化示意图的图形呈现。
图12是示出了与本公开的示例性实施例一致的、具有能量接收器和能量发射器的无线充电控制器1400的图形呈现。
图13是示出了与本公开的示例性实施例一致的、具有能量接收器的智能窗的简化示意图的图形呈现。
图14是示出了与本公开的示例性实施例一致的、具有能量接收器和能量发射器的智能窗的简化示意图的图形呈现。
具体实施方式
现在将参照附图描述本发明的特定非限制性实施例。应理解的是，本文中公开的任意实施例的特定特征和方面可以与本文中公开的任意其它实施例的特定特征和方面一起使用和/或结合。应理解的是，这些实施例是示例性的，并且仅示出了本发明范围内的一小部分实施例。对本发明所属领域的技术人员显而易见的各种改变和修改都被认为在所附权利要求进一步限定的本发明的精神、范围和意图内。
除非上下文另外要求，否则在整个本说明书和权利要求中，词语“包括(comprise)”及其变型，例如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”应被理解为开放的包括意思，即“包括但是不限于”。数值范围也包括限定范围的数字。此外，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一(a)”“一(an)”和“该”包括复数指示。
在本说明书中提及的“一个实施例”或者“实施例”指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在本说明书中的各个位置中的出现不一定都指同一实施例，而是可以是一些例子。此外，特定特征、结构或特性可以在一个或更多个实施例中以任意合适的方式结合。
电致变色材料通常用在电致变色装置中。图1是示出了与本公开的示例性实施例一致的电致变色装置100(例如智能窗)的简化示意图的图形呈现。电致变色装置100可以包括两个玻璃层101、两个粘附层102、电致变色膜103、一个或更多个电线104以及控制器105(如图3所示)。
电致变色膜103夹在两个玻璃层101之间。粘附层102被配置为将电致变色膜103附着到玻璃层101。电致变色膜103与窗(玻璃层101)的集成在专利申请US15/399,852中被详细描述，该专利申请通过引用并入本文。
电线104的一端104a电连接到电致变色膜103。电线104的另一端104b电连接到控制器105。控制器105可以被配置为通过控制电致变色膜103的状态来控制电致变色装置100的状态。控制器105可以布置在玻璃101的外部，或者与电致变色膜103相似地层压在两个玻璃层101之间。
在一些实施例中，粘附层可以包括聚合物材料、特别是热固性聚合物材料。合适的热固性聚合物材料可以包括但不限于聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、乙烯醋酸乙烯酯(EVA)、聚亚安酯等。在一些实施例中，两个粘附层可以包括不仅被配置为使电致变色膜黏合到其、而且还是透明的材料。两个粘附层可以使用相同材料或不同材料。
图2示出了根据一个实施例的包括布置在其中的固体电解质的电致变色膜103的详细结构，并且在下文对其进行详细描述。
图1所示的示例性电致变色装置100能够是本说明书中描述的且在其它附图中示出的电致变色装置。
如图2所示，电致变色膜103可以包括第一透明导电膜1312和第二透明导电膜1310。第一透明导电膜1312和第二透明导电膜1310可以具有相同或不同的尺寸、包括相同或不同的材料等。在一些实施例中，第一透明导电膜和第二透明导电膜可以是如图1所示的粘附膜。在一些其它的实施例中，第一透明导电膜和第二透明导电膜可以是额外的膜。第一导电膜1312和第二导电膜1310还可以是每个都独立地具有单层或多层结构。用于第一导电膜1312和第二导电膜1310的合适的材料可以包括但不限于掺锡氧化铟(ITO)、掺氟氧化铟、掺锑氧化铟、掺锌氧化铟、掺铝氧化锌、银纳米线、金属网及其结合，和/或展现出足够的电导率的其它这种透明材料。在优选方面，第一导电膜1312和第二导电膜1310可以包括ITO。电能输出302可以被配置为在第一导电膜1312和第二导电膜1310之间供电。
如图2进一步所示，电致变色材料层1314沉积在第一导电膜1312的内表面1316上。电致变色材料层1314被配置为在由暴露于电流而引起的还原(获得电子)或氧化(失去电子)时实现可逆的颜色变化。在一些实施例中，电致变色材料层1314可以被配置为在氧化或还原时从透明状态改变为有色状态，或者从有色状态改变为另一有色状态。在一些实施例中，电致变色材料层1314可以为在其中多于两种氧化还原状态是可能的并因此可以展现几种颜色的多电致变色材料。
在一些实施例中，电致变色材料层1314可以包括有机电致变色材料、无机电致变色材料、两者的混合等。电致变色材料层1314还可以是还原有色材料(即，在获得电子时变成有色的材料)，或者氧化有色材料(即，在失去电子时变成有色的材料)。
在一些实施例中，电致变色材料层1314可以包括金属氧化物，例如MoO3、V2O5、Nb2O5、WO3、TiO2、Ir(OH)x、SrTiO3、ZrO2、La2O3、CaTiO3、钛酸钠、铌酸钾、其结合等。在一些实施例中，电致变色材料层1314可以包括导电聚合物，例如聚3,4乙烯二氧噻吩(PEDOT)、聚2,2’双噻吩、聚吡咯、聚苯胺(PANI)、聚噻吩、聚异噻吩、聚邻氨基苯酚、聚吡啶、聚吲哚、聚咔唑、聚醌、八氰基酞菁、其结合等。此外，在一些实施例中，电致变色材料层1314可以包括诸如紫精、蒽醌、吩噻嗪、其结合等的材料。电致变色材料的另外的示例、尤其是包括多色电致变色聚合物的那些可以在2016年5月4日提交的标题为“Multicolored ElectrochromicPolymer Compositions and Methods of Making and Using the Same”的美国专利申请第62/331,760号以及在2017年1月6日提交的标题为“Multicolored ElectrochromicPolymer Compositions and Methods of Making and Using the Same”的美国专利申请第15/399,839号中找到。以上引用的两个申请的全部内容通过引用并入本文。
如图2另外示出地，电荷存储层1318沉积在第二导电膜1310的内表面1320上。用于电荷存储层1318的合适的材料可以包括但不限于氧化钒、二元氧化物(例如CoO、IrO2、MnO、NiO和PrOx)、三元氧化物(CexVyOz)等。
在一些实施例中，电荷存储层1318可以被可选的第二电致变色材料层替代。该可选的第二电致变色材料层可以具有与第一电致变色材料层1314相同或不同的尺寸，包括与第一电致变色材料层1314相同或不同的组分等。
电致变色膜103还包括布置在电致变色材料层1314和电荷存储层1318之间的电解质层1322。在一些实施例中，电解质层1322可以包括本领域已知的液态电解质。在一些实施例中，电解质层1322可以包括固态电解质，包括但不限于Ta2O5、MgF、Li3N、LiPO4、LiBO2-Li2SO4等。在一些实施例中，电解质层1322可以包括：包括电解质盐的基于聚合物的电解质(电解质盐为例如LiTFSI、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiSbFg、LiAsF6、LiN(CF3CF2SO2)2、(C2H5)4NBF4、(C2H5)3CH3NBF4、LiI等)、聚合物基质(例如，聚环氧乙烷、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚环氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯腈等)以及一种或更多种可选的增塑剂(例如，戊二腈、丁二腈、己二腈、富马酸腈等)。
在一些实施例中，电解质层1322包括固体聚合物电解质。在一个实施例中，固体聚合物电解质包括聚合物骨架，至少一种固体增塑剂和至少一种电解质盐。在一些实施例中，聚合物骨架可以包括平均分子量为约10,000道尔顿或更高的极性聚合物材料。在特定实施例中，极性聚合物材料可具有约10,000道尔顿至约800,000,000道尔顿的平均分子量。在一些实施例中，基于固体聚合物电解质的总重量，极性聚合物材料可以以约15重量％至约80重量％的量存在。
上述极性聚合物材料可以包括一种或更多种极性聚合物，每种极性聚合物可以包括以下中的一种或更多种：C、N、F、O、H、P、F等。合适的极性聚合物可以包括但不限于聚环氧乙烷、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯腈、其组合等。在存在多种极性聚合物的实施例中，聚合物可以交联以形成具有增强的机械性能的网络。
极性聚合物材料可具有足够的无定形性以实现足够的离子电导性。无定形聚合物材料通常表现出高离子电导率。因此，在一些实施例中，本文公开的极性材料可具有无定形或基本无定形的微结构。
在一些实施例中，极性聚合物材料可具有半结晶或结晶微结构。在这些情况下，可以对聚合物材料进行各种修改以抑制其结晶度。例如，一种修改可包括使用支化极性聚合物、线性无规共聚物、嵌段共聚物、梳形聚合物和/或星形极性聚合物。另一种修改可包括在极性聚合物材料中加入有效量的固体增塑剂，如下面更详细地讨论的。
还可以选择和/或修改极性聚合物材料的各种性质以使离子电导率最大化。这些性质可包括但不限于玻璃化转变温度、聚合物主链(polymer backbone)的链段迁移率/柔性和/或与其连接的任何侧链、聚合物的取向等。
如上所述，本发明公开的固体电解质可包括至少一种固体增塑剂。所述至少一种固体增塑剂可以基本上可混溶在固体增塑剂的聚合物骨架中。在一些实施例中，至少一种固体增塑剂可包括有机材料(例如，小的固体有机分子)和/或低聚物聚合物材料。在各种实施例中，所述至少一种固体增塑剂可选自戊二腈、丁二腈、己二腈、富马酸腈及其组合。
在一些实施例中，多种固体增塑剂可以存在于聚合物骨架中，其中每种增塑剂可以独立地包括有机材料(例如，小的固体有机分子)和/或低聚物聚合物材料。特别地，每种增塑剂可以独立地为戊二腈、丁二腈、己二腈、富马酸腈等。此外，增塑剂中的至少两种、一些、大部分或全部的尺寸可以彼此相同或不同。
在一些实施例中，基于固体电解质的总重量，固体增塑剂的总量可以为约20重量％至约80重量％。
如上面另外指出的，固体聚合物电解质可包括至少一种电解质盐。在一些实施例中，至少一种电解质盐可包括有机盐。在一些实施例中，至少一种电解质盐可包括无机盐。合适的电解质盐可包括但不限于LiTFSI、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiSbFg、LiAsF6、LiN(CF3CF2SO2)2、(C2H5)4NBF4、(C2H5)3CH3NBF4、LiI、及其结合等。在一些实施例中，基于固体电解质的总重量，电解质盐的总量可以为约10重量％至约50重量％。
固体聚合物电解质可与常规液体电解质以及其中包含离子液体的凝胶聚合物电解质区分开。换句话说，本发明公开的固体聚合物电解质可以是全固态聚合物电解质，并且其中不包含任何液体或凝胶组分。本发明公开的固体聚合物电解质在某些方面也可以是透明的。另外，固体聚合物电解质的离子电导率可以为约10-7S/cm至约10-3S/cm。
制备本发明公开的固体聚合物电解质的方法可包括本领域已知的合成、聚合、溶剂化等过程。在一个特定的非限制性实施例中，制备本发明公开的聚合物电解质的方法可包括：(a)将聚合物骨架、至少一种增塑剂和至少一种电解质盐在合适的溶剂中组合；(b)除去溶剂以得到固体聚合物电解质。示例性溶剂可包括但不限于丙酮、甲醇、四氢呋喃等。在一些实施例中，可优化一个或更多个实验参数以促进聚合物骨架、增塑剂和电解质盐在溶剂中的溶解。这些实验参数可包括保留在溶剂中组分、溶剂的搅动/搅拌等。
在一些实施例中，图2的电解质层1322包括固体聚合物电解质，例如上述固体聚合物电解质，并且不包括任何液体或凝胶电解质。这种固体聚合物电解质(i)具有足够的机械强度，但形状可变，以便容易形成薄膜和薄膜状产品；(ii)避免与影响传统电解质的粘附和印刷处理有关的问题；(iii)在电解质/电极界面(在其上具有和不具有电致变色材料涂层的界面)之间提供稳定的接触；(iv)避免通常与液体电解质有关的泄漏问题；(v)具有理想的无毒和不易燃特性；(vi)避免因蒸气压力不足而导致的蒸发相关的问题；(vii)与常规聚合物电解质相比表现出改善的离子电导率等。
电解质材料的额外示例、特别是包括固体聚合物电解质的那些可以在2016年4月15日提交的名称为“Solid Polymer Electrolyte for Electrochromic Devices”的美国专利申请第62/323,407号和2017年4月13日提交的名称为“Solid Polymer Electrolytefor Electrochromic Devices”的美国专利申请第15/487,325号中找到。以上引用的两个申请的全部内容通过引用并入本文。
电致变色膜103可以用于各种应用和/或置换，其可以在本文描述的说明性实施例/方面中提及或不提及。例如，在一些实施例中，电致变色膜103可以包括比图2中所示的那些更多或更少的特征/组件。另外，除非另有说明，如本领域技术人员在阅读本公开内容时所理解的，电致变色膜103的一个或更多个组件可以是常规材料、设计和/或使用已知技术(例如，溅射、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、喷涂、槽模涂布、浸涂、旋涂、印刷等))制造。
图3是示出与本公开的示例性实施例一致的控制器的图形呈现。控制器105可以包括电能转换器301、电能输出控制302和信号接收器303。电能转换器301可以将来自电源的输入电能转换为信号接收器303和电能输出控制302所需的电能。电源可以是作为独立的自供电单元、与控制器105集成的电源，或由例如安装电致变色装置的建筑的电源提供外部电源。电能输出控制302可以被配置为向电致变色膜103供电以控制电致变色膜103的光学状态。电致变色膜的光学状态可以指亮度、透明度、颜色、反射率等。由于电致变色膜103的状态由电荷驱动，因此电能输出控制302能够基于信号接收器303接收的信号向电致变色膜103注入或从其提取出一定量的电荷，以改变电致变色膜103的状态。信号接收器303可以被配置为接收发送到控制器105的信号，并将信号传送到电能输出控制302。在一些实施例中，信号接收器303可以连接到控制装置和中央控制装置，以提供电致变色装置100的局部和全局控制。
在一个实施例中，信号接收器可以通过电缆连接到控制装置和中央控制装置，即有线局部和有线全局控制。图4是示出了与本公开的示例性实施例一致的、具有通过电缆对电致变色装置(例如智能窗)的有线本地和有线全局控制的系统400的图形呈现。系统400可包括一个或更多个电致变色装置401、一个或更多个控制器402、一个或更多个控制装置403、中央控制装置404、多条电线/电缆405a和总线405b。在一些实施例中，电致变色装置401可以是智能窗。每个电致变色装置401安装有控制器402。在一些实施例中，控制器402可以嵌入智能窗的框架内，或者安装在窗的外部。在一些实施例中，控制器402可以层压在电致变色装置401的玻璃层之间。
每个控制器402包括信号接收器402a。每个信号接收器402a通过电线/电缆405a独立地连接到控制装置403。控制装置403是安装在电致变色装置401附近的本地装置。通过翻转(触摸或按下按钮)控制装置403，控制信号能够被传送到信号接收器402a，并且电致变色装置的状态能够相应改变。
一个或更多个电致变色装置401的信号接收器402a也捆绑在一起，并通过总线405b连接到中央控制装置404。中央控制装置404可以被配置为控制房间、楼层或整栋建筑中的所有电致变色装置401。在一些实施例中，中央控制装置404可发送控制信号以共同且同时将所有电致变色装置401改变为相同状态。在一些实施例中，中央控制装置404可将控制信号发送到特定电致变色装置401以改变其状态。在一些实施例中，中央控制装置404可以向一些选定的电致变色装置401发送控制信号以同时改变它们的状态。
控制装置403和/或中央控制装置404能够是通断开关，其具有导通和关断两种状态。在一些实施例中，控制装置403和/或中央控制装置404能够具有调光能力，其能够具有多个状态，每个状态对应于光透射水平。多个状态能够是离散的或连续的，并且能够是亮度、透明度、颜色和/或反射率的状态。电致变色装置401变为对应于不同电荷量的不同颜色、亮度、透明度或反射率水平。在一些实施例中，控制装置和/或中央控制装置能够通过机械触摸、语音、无线电、光波等操作。类似地，在本申请的其他实施例中描述的控制装置和/或中央控制装置可具有与上述类似的特征。
在另一实施例中，电致变色装置可以由无线协议局部控制，并且由有线中央控制装置全局控制(即，无线局部控制和有线全局控制)。图5是示出了与本公开的示例性实施例一致的、具有对电致变色装置(例如智能窗)的无线局部控制和有线全局控制的系统500的图形呈现。系统500可包括一个或更多个电致变色装置501、一个或更多个控制器502、一个或更多个无线控制装置503、中央控制装置504和总线505。每个电致变色装置501安装有控制器502。在一些实施例中，控制器502可以嵌入智能窗的框架内，或者安装在窗的外部。在一些实施例中，控制器502可以层压在电致变色装置501的玻璃层之间。
每个控制器502包括信号接收器502a。为了提供无线局部控制，每个信号接收器502a能够接收无线信号，并且能够通过无线通信协议操作。每个信号接收器502a独立且无线地连接到无线控制装置503。无线控制装置503被配置为经由无线通信协议控制电致变色装置501。无线通信协议能够是射频(例如蓝牙、Wi-Fi、Z-Wave、ZigBee等)，或光波(例如在消费电子产品中普遍使用的红外辐射)，或声波。对于射频通信协议，无线控制装置503可以是安装在射频使能终端装置中的应用程序(app)，或者是靠近窗操作的独立单元。对于光波，无线控制装置503能够是遥控器。对于声波，能够通过语音控制电致变色装置501。例如，信号接收器502a可以包括接收语音信号并具有语音识别能力的麦克风，以将接收的语音信号转换为电信号。在该示例中，电致变色装置501可以不需要控制装置。电致变色装置501被配置为响应其无线控制装置503，并相应地改变电致变色膜的状态。每个无线控制装置503可以具有唯一的频率，并且与无线控制装置503相对应的信号接收器502a被配置为接收具有该唯一频率的信号。通过这种方式，每个无线控制装置503能够将信号发送到相应的信号接收器502a。在另一实施例中，每个无线控制装置503可以具有ID，该ID包括在由该无线控制装置503发送的信号中。当信号接收器502a从无线控制装置503接收信号时，它将首先确定它是否识别该ID。如果信号接收器502a识别出ID，则它将处理来自无线控制装置503的信号。在一些实施例中，多个无线控制装置503能够在一个终端装置上(例如，智能电话、模板、可穿戴装置或计算机)实现。终端装置可以将具有不同频率或不同ID的信号传输到对应的电致变色装置501。
除了无线局部控制之外，可以将一个或更多个电致变色装置501的信号接收器502a绑定在一起，并且通过总线505连接到中央控制装置504。中央控制装置504可以被配置为控制在房间、楼层或整栋建筑中的所有电致变色装置501。在一些实施例中，中央控制装置504可发送控制信号以共同且同时将所有电致变色装置501改变为相同状态。在一些实施例中，中央控制装置504还可将控制信号发送到特定电致变色装置501以改变其状态。在一些实施例中，中央控制装置504可以向一些选定的电致变色装置501发送控制信号以同时改变它们的状态。
在另一实施例中，电致变色装置可以由无线协议局部和全局控制。图6是示出了与本公开的示例性实施例一致的、具有对电致变色装置(例如智能窗)的无线局部和全局控制的系统600的图形呈现。系统600可包括一个或更多个电致变色装置601、一个或更多个控制器602、一个或更多个无线控制装置603和无线中央控制装置604。在一些实施例中，电致变色装置601可以是智能窗。每个电致变色装置601安装有控制器602。在一些实施例中，控制器602可以嵌入智能窗的框架内，或者安装在窗的外部。在一些实施例中，控制器602可以层压在电致变色装置101的玻璃层之间。
每个控制器602包括无线信号接收器602a。每个信号接收器602a能够接收无线信号，并且能够通过无线通信协议操作。每个信号接收器602a独立且无线地连接到无线控制装置603。无线控制装置603被配置为经由无线通信协议控制电致变色装置601。无线通信协议能够是射频(例如蓝牙、Wi-Fi、Z-Wave、ZigBee等)，或光波(例如在消费电子产品中普遍使用的红外辐射)，或声波。对于射频通信协议，无线控制装置603可以是安装在射频使能终端装置中的app，或者是靠近窗操作的独立单元。对于光波，无线控制装置603能够是遥控器。对于声波，能够通过语音控制电致变色装置601。电致变色装置601被配置为响应其无线控制装置603，并相应地改变电致变色膜的状态。
除了无线局部控制时，一个或更多个电致变色装置601的信号接收器602a还无线地连接到无线中央控制装置604。每个信号接收器602a可直接连接到无线中央控制装置604，或在网状网络架构中相互连接。无线中央控制装置604被配置为经由无线通信协议控制电致变色装置601。无线通信协议可以是无线协议Wi-Fi、Z-Wave或ZigBee。无线中央控制装置604可被配置为控制在房间、楼层或整栋建筑中的所有电致变色装置601。在一些实施例中，无线中央控制装置604可发送控制信号以共同且同时将所有电致变色装置601改变为相同状态。在一些实施例中，无线中央控制装置604还可将控制信号发送到特定电致变色装置601以改变其状态。在一些实施例中，无线中央控制装置604可以向一些选定的电致变色装置601发送控制信号以同时改变它们的状态。与其它实施例相似，控制装置603和中央控制装置604可使用不同的频率或ID来控制不同的电致变色装置601。
图7是示出了与本公开的示例性实施例一致的、具有通过ZigBee协议对多个(例如10000个)电致变色装置(例如智能窗)的全局控制的系统700的图形呈现。该系统可包括ZigBee网关701、多个ZigBee协调器702和多个ZigBee接收器703。系统700可以安装在具有多个楼层的建筑中，并且每个楼层可包括多个智能窗。每个智能窗可以安装有ZigBee接收器703。ZigBee接收器703被配置为接收控制信号来控制智能窗的状态。ZigBee协调器702安装在每个楼层，并且具有发射器，所述发射器被配置为向同一楼层的ZigBee接收器703发射信号以改变该楼层的智能窗的状态。ZigBee接收器703和ZigBee协调器702可以形成ZigBee网络，ZigBee网关701被配置为将ZigBee网络连接到因特网，提供对整栋建筑中的智能窗的中央和远程控制。
通常，取决于电能输出和环境条件，ZigBee发射器的传输距离在10至100米。在100米的传输距离内，ZigBee协议适于控制商业建筑中同一楼层上的所有智能窗。在大的建筑的情况下，通过经由中间装置的网状网络传输数据以到达更远的装置，ZigBee发射器能够在长距离上传输数据。
以100层楼的高层商业建筑为例(如图7所示)。每个楼层可以具有100个大型智能窗。在每个楼层，ZigBee协调器702可以被配置为协调100个智能窗以同时转换。为了控制整栋建筑的智能窗，需要总共100个ZigBee协调器702。100个ZigBee协调器702连接到ZigBee网关701，ZigBee网关将ZigBee网络连接到因特网。因此，能够通过中央控制装置远程控制整栋建筑中的10000个智能窗的状态。
在另一实施例中，电致变色装置可以由有线控制装置局部控制，并且由无线协议全局控制。图8是示出了与本公开的示例性实施例一致的、具有对电致变色装置(例如智能窗)的有线局部控制和无线全局控制的系统800的图形呈现。系统800可包括一个或更多个电致变色装置801、一个或更多个控制器802、一个或更多个控制装置803、无线中央控制装置804和多条电缆/电线805。在一些实施例中，电致变色装置801可以是智能窗。每个电致变色装置801安装有控制器802。在一些实施例中，控制器802可以嵌入智能窗的框架内，或者安装在窗的外部。在一些实施例中，控制器802可以层压在电致变色装置801的玻璃层之间。
每个控制器802包括信号接收器802a。为了提供无线全局控制，每个信号接收器802a能够接收无线信号，并且能够通过无线通信协议操作。一个或更多个电致变色装置801的信号接收器802a无线连接到无线中央控制装置804。每个信号接收器802a可以直接地连接到无线中央控制装置804，或者在网状网络构架中相互连接。无线中央控制装置804被配置为经由无线通信协议控制电致变色装置801。无线通信协议能够是射频(例如蓝牙、Wi-Fi、Z-Wave、ZigBee等)，或光波(例如在消费电子产品中普遍使用的红外辐射)，或声波。由于无线控制是全局的，因此无线协议Wi-Fi、Z-Wave和ZigBee是优选的。无线中央控制装置804可被配置为控制在房间、楼层或整栋建筑中的所有电致变色装置801。在一些实施例中，无线中央控制装置804可发送控制信号以共同且同时将所有电致变色装置801改变为相同状态。在一些实施例中，无线中央控制装置804还可将控制信号发送到特定电致变色装置801以改变其状态。在一些实施例中，无线中央控制装置804可以向一些选定的电致变色装置801发送控制信号以同时改变它们的状态。
另外，每个信号接收器802a通过电线/电缆805独立地连接到控制装置803。控制装置803是安装在电致变色装置801附近的本地开关。通过翻转(触摸或按下按钮)控制装置803，控制信号能够由信号接收器802a接收，因此能够相应地改变电致变色装置的状态。
在一些实施例中，控制器可以放置在玻璃外部，或者层压在两层玻璃之间。集成到智能窗或玻璃支撑中的控制器，或层压在电致变色膜或玻璃层之间的控制器能称为独立控制器。此外，由于独立控制器不包括外部电源，因此独立控制器也是自供电的。在没有任何外部电源的情况下，避免了将电致变色膜连接到外部电源的过程。此外，智能窗的安装与常规窗的安装相同，这是因为控制器是独立的并且是自供电的。
图9是示出了与本公开的示例性实施例一致的独立且自供电的控制器900的图形呈现。如图9所示，控制器900可包括电能转换器901、电能输出控制902、信号接收器903和电源904。电能转换器901可以将来自电源904的输入电能转换为信号接收器903和电能输出控制器902所需的电能。电源904可以与控制器900集成(在内部或外部)，并且能够是能量存储器，例如电池，或能量发生器，例如太阳能电池。电能输出控制902可以被配置为向电致变色膜103供电。由于电致变色膜103的状态由电荷驱动，因此在信号接收器903接收到信号时，电能输出控制902能够向电致变色膜注入或从其中提取出一定量的电荷，以改变电致变色膜103的状态。信号接收器903可以被配置为接收发送到控制器105的信号，并将信号传送到电能输出控制902。
在一些实施例中，诸如电池之类的能量存储器能够用作电源904以向控制器900供电。通常，电池的寿命可以达到10年。电池能够切换到新电池，以便在维护期间驱动智能窗中的电致变色膜。
在一些实施例中，能量发生器(例如太阳能电池)能够用作电源以向控制器供电。图10是图示与本公开的示例性实施例一致的、具有太阳能电池的独立且自供电的控制器1100的图形呈现。如图10所示，控制器1100可以包括电能转换器1101、电能输出控制1102、信号接收器1103、电能存储单元1104和太阳能电池1105。电能转换器1101可以将来自电能存储单元1104的输入电能转换为信号接收器1103和电能输出控制1102所需的电能。电能存储单元1104可以是例如能量存储器，例如电池或电容器。电能输出控制1102可以配置为向电致变色膜供电。由于电致变色膜的状态由电荷驱动，因此电能输出控制1102能够在信号接收器1103接收到信号时向电致变色膜注入或从其提取一定量的电荷，以改变电致变色膜的状态。信号接收器1103可以被配置为接收发送到控制器1100的信号，并将信号传送到电能输出控制1102。
太阳能电池1105可以被配置为将太阳能转换为电能并对电能存储单元1104(例如控制器中的电池或电容器)充电。在对智能窗中的电致变色膜的操作期间，控制器1100可以从电能存储单元1104吸取能量。当可获得光时，能够首先将太阳能转换成电能。转换的电能可以存储在电能存储单元1104中。存储的能量被提供给控制器1100以操作电致变色膜。在对电致变色膜的操作期间，太阳能电池1105可以不直接向控制器1100供应能量，因此避免了在阴天或雨天期间不能改变电致变色膜的光学状态的情况。
由于太阳能电池被配置为将太阳能转换为电能，所以太阳能电池需要面向光源。在一些实施例中，光源可以是太阳。因此，太阳能电池需要放置在智能窗的外表面上，面向太阳。在一些实施例中，光源可以是室内照明。因此，太阳能电池需要放置在智能窗的内表面上，面向室内照明。
图11是示出了与本公开的示例性实施例一致的、具有集成太阳能电池的智能窗1300的简化示意图的图形图示。智能窗1300可包括两个玻璃层1301、两个粘附层1302、电致变色膜1303、控制器1304、太阳能电池1305和多条电线1306。
电致变色膜1303夹在两个玻璃层1301之间。粘附层1302被配置为将电致变色膜1303附接到玻璃层1301。控制器1304可以放置在玻璃1301的外部，并且利用电线1306电连接到电致变色膜1303。控制器1303可以被配置为通过控制电致变色膜1303的状态来控制智能窗1300的状态。太阳能电池1305可以放置在玻璃1301的外表面上，并且利用电线1306电连接到控制器1304。太阳能电池1305被配置为将太阳能转换为电能并将转换后的能量提供给控制器1304。
在一些实施方案中，无线充电可用于向电致变色装置中的电致变色膜提供能量。无线充电，也称为感应充电，使用电磁场通过电磁感应将电能从发射源传输到接收装置。发射源可以使用第一感应线圈来产生交变电磁场。接收装置可以使用第二感应线圈从电磁场接收能量并将其转换成电能。然后，转移的能量能够用于操作装置。通过无线充电，可以减少和简化装置中的布线和安装。
图12是示出了与本公开的示例性实施例一致的、具有能量接收器1410和能量发射器1420的无线充电控制器1400的图形呈现。无线充电控制器1400可以包括能量接收器1410和能量发射器1420。
能量接收器1410可以包括第一感应线圈1411和电能转换器1412。第一感应线圈1411可以被配置为接收从能量发射器1420无线传送的电磁能量。电能转换器1412可以被配置为将所接收的电磁能(AC)转换为DC电能并将其输出至电致变色装置中的电致变色膜。能量接收器1410可以附接到电致变色膜并且在安装期间被视为电致变色膜的一部分。能量接收器1410可以集成到玻璃中。
图13中示出了智能窗1500的示例性集成。电致变色膜1503和能量接收器1504层压在两层玻璃1501之间。结果，没有从玻璃内部到外部的突出线。电致变色膜1503和能量接收器1504都嵌入玻璃单元1501内，简化了玻璃安装。电致变色膜集成方法能够应用于电致变色膜与能量接收器的集成，细节在专利申请US15/399,852中给出，该专利申请通过引用并入本文。在一些实施例中，能量接收器可以安装在玻璃外部，嵌入窗框内或安装在窗的外部。
如图12所示，能量发射器1420可以包括电能转换器1421、第二感应线圈1422a、电能发射器1422b和信号接收器1423。电能转换器是一种电气装置，其用于将电能从一种形式转换为另一种形式，例如在AC(交流电)和DC(直流电)之间的转换；或转换为不同的电压或频率；或这些的一些组合。电能发射器通常可以包括配置成将电能或能量从电源传输到电力负载的电子电路。例如，电能发射器可以是市场上可获得的常规电能发射器，并且可以包括用于产生信号的电子振荡器电路、用于调制要发送的信号的调制器电路、用于增加信号功率的放大器、用于将发射器的阻抗与接收器的阻抗匹配的阻抗匹配电路以及其他电路。电能转换器1421可以被配置为将外部电能转换为电能发射器1422b和信号接收器1423所需的电能。电能发射器1422b和第二感应线圈1422a可以被配置为将电磁能量无线地传输到电致变色装置的能量接收器。信号接收器1423可以被配置为接收信号以将电致变色膜改变到特定状态。
智能窗1600的示例性集成在图14中示出。能量发射器1605可以被配置为放置在智能窗1600的外部。例如，在安装智能窗之后，能量发射器1605能够简单地附接到玻璃的外部以控制装置。在一些实施例中，能量发射器1605可以使用其中安装有智能窗的建筑的电源来向其自身供电。
已经出于说明和描述的目的提供了本发明的前述描述。其并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。本发明的广度和范围不应受任何上述示例性实施例的限制。许多修改和变化对于本领域技术人员来说是显而易见的。修改和变化包括所公开特征的任何相关组合。实施例被选择和描述是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使得本领域技术人员能够理解本发明的各种实施例并且具有适合于预期的特定用途的各种修改。本发明的范围旨在由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (14)
1.一种电致变色系统，包括：
一个或更多个电致变色装置，每个电致变色装置包括：
两个玻璃层；
设置在所述两个玻璃层的内表面上的两个粘附层；
设置在所述两个粘附层之间的电致变色膜，所述电致变色膜包括电致变色材料层、固体聚合物电解质以及电荷存储层；
控制器，所述控制器层压在每个电致变色装置的两个玻璃层之间，并包括电能转换器、信号接收器、电能存储单元和电能输出，所述电能转换器被配置为从所述电能存储单元接收电能，所述信号接收器被配置为接收控制信号，并且所述电能输出耦合到所述电致变色膜并且被配置为向所述电致变色膜提供电能以控制所述电致变色膜的光学状态；
被配置为将太阳能转换为电能的太阳能电池，所述太阳能电池为所述电能存储单元充电并向所述控制器提供电能而无需外部电源；以及
控制装置，所述控制装置被配置为将所述控制信号发送给所述信号接收器，以及
中央控制装置，所述中央控制装置被配置为全局控制所有所述一个或更多个电致变色装置的光学状态。
2.如权利要求1所述的电致变色系统，其中所述固体聚合物电解质包括聚合物骨架、至少一种固体增塑剂和至少一种电解质盐。
3.如权利要求2所述的电致变色系统，其中所述至少一种固体增塑剂包括与所述聚合物骨架基本上可混溶的低聚物聚合物材料。
4.如权利要求2所述的电致变色系统，其中所述至少一种电解质盐选自：LiTFSI、LiPF6、LiBF4、LiCIO4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiSbFg、LiAsF6、LiN(CF3CF2SO2)2、(C2H5)4NBF4、(C2H5)3CH3NBF4、LiI及其组合。
5.如权利要求1所述的电致变色系统，其中，所述信号接收器包括无线接收器，并且每个控制装置和所述中央控制装置包括无线发射器，其中，所述无线接收器和发射器被配置为通过射频、光波或声波进行通信，其中所述射频包括蓝牙、Wi-Fi、Z-Wave、ZigBee，并且所述光波包括红外光。
6.一种电致变色系统，包括：
一个或更多个电致变色装置，每个电致变色装置包括：
两个玻璃层；
设置在所述两个玻璃层的内表面上的两个粘附层；
设置在两个粘附层之间的电致变色膜，所述电致变色膜包括电致变色材料层、固体聚合物电解质和电荷存储层；
控制器，所述控制器层压在每个电致变色装置的两个玻璃层之间，并包括电能转换器、信号接收器、电能存储单元和电能输出，所述电能转换器被配置为从所述电能存储单元接收电能，所述信号接收器被配置为接收控制信号，并且所述电能输出耦合到所述电致变色膜并且被配置为向所述电致变色膜提供电能以控制所述电致变色膜的光学状态；
被配置为将太阳能转换为电能的太阳能电池，所述太阳能电池对所述电能存储单元充电并向所述控制器提供电能而无需外部电源；和
无线控制装置，所述无线控制装置被配置为通过无线通信将所述控制信号发送给所述信号接收器，以及
无线中央控制装置，所述无线中央控制装置被配置为通过无线通信全局控制所有所述一个或更多个电致变色装置的光学状态。
7.如权利要求6所述的电致变色系统，其中所述控制器包括ZigBee接收器，所述ZigBee接收器被配置为接收控制信号以控制所述电致变色膜的光学状态。
8.如权利要求7所述的电致变色系统，还包括一个或更多个ZigBee协调器，每个ZigBee协调器被配置为与一个或更多个ZigBee接收器通信。
9.如权利要求8所述的电致变色系统，还包括ZigBee网关，所述ZigBee网关被配置为与所述ZigBee协调器通信并连接到因特网。
10.一种电致变色装置，包括：
两个玻璃层；
设置在所述两个玻璃层的内表面上的两个粘附层；
设置在所述两个粘附层之间的电致变色膜，所述电致变色膜包括电致变色材料层、固体聚合物电解质和电荷存储层；
控制器，所述控制器层压在每个电致变色装置的两个玻璃层之间，并包括电能转换器、信号接收器、电能存储单元和电能输出，所述电能转换器被配置为从所述电能存储单元接收电能，所述信号接收器被配置为接收控制信号，并且所述电能输出耦合到所述电致变色膜并且被配置为向所述电致变色膜提供电能以控制所述电致变色膜的光学状态；
被配置为将太阳能转换为电能的太阳能电池，所述太阳能电池对所述电能存储单元充电并向所述控制器提供电能而无需外部电源；以及
外部开关，所述外部开关被配置为将所述控制信号发送给所述信号接收器。
11.如权利要求10所述的电致变色装置，其中所述固体聚合物电解质包括聚合物骨架、至少一种固体增塑剂和至少一种电解质盐。
12.如权利要求11所述的电致变色装置，其中所述至少一种固体增塑剂包括与所述聚合物骨架基本上可混溶的低聚物聚合物材料。
13.如权利要求11所述的电致变色装置，其中所述至少一种电解质盐选自：LiTFSI、LiPF6、LiBF4、LiCIO4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiSbFg、LiAsF6、LiN(CF3CF2SO2)2、(C2H5)4NBF4、(C2H5)3CH3NBF4、LiI及其组合。
14.如权利要求10所述的电致变色装置，其中所述信号接收器包括无线接收器，并且所述外部开关包括无线发射器，其中所述无线接收器和发射器被配置为通过射频、光波或声波进行通信，其中所述射频包括蓝牙、Wi-Fi、Z-Wave、ZigBee，并且所述光波包括红外光。
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