CN111587611A - 恒流驱动器充电的能量存储单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由恒流驱动器（12）供电的功能设备（10）。该设备（10）包括恒流驱动器（12）、电能存储单元（14）、功能单元（16）和控制单元（18）。设备（10）由控制单元（18）控制，使得恒流驱动器（12）根据脉宽调制电压信号向功能单元（16）和存储单元（14）提供恒定电流。在脉宽调制电压信号的关断时段的至少部分期间，电流被提供给存储单元（14），用于对存储单元（14）充电。在脉宽调制电压信号的接通时段期间，电流被提供给功能单元（16），并且没有电流被提供给存储单元（14）。这允许为设备提供具有更少空闲时段和更低电流供应的恒流驱动器。

Description

恒流驱动器充电的能量存储单元

技术领域

本发明涉及功能设备、功能系统、用于操作功能设备的方法、用于操作功能设备的计算机程序以及存储计算机程序的计算机可读介质。该功能设备可以例如是包括发光二极管（LED）的照明设备、包括加热元件的加热设备、包括致动元件的致动设备、音频放大器设备或由恒流驱动器提供电流的任何其他功能设备。

背景技术

LED具有正向电压，即LED导电和发光所需的伏特量，其随温度而变化。如果向LED施加恒定电压，则LED的温度升高，且LED的正向电压降低。这导致LED汲取更多的电流，引发正向电压降低和汲取电流增加的循环，其中最终LED会具有摧毁它的温度。因此，使用LED驱动器，以便通过改变提供给LED的驱动电压来提供恒定电流。

US 2013/0154491 A1示出了一种可调光的LED照明系统，其具有LED驱动器、电流吸收器、LED和输出电容器。LED驱动器被耦合以接收DC功率供应和调光控制，并根据调光控制产生驱动电压和电流控制。电流吸收器被耦合以接收电流控制，并在活动持续时间和非活动持续时间期间将通过LED的LED电流控制为基本上直流电流。LED驱动器可以在中等亮度模式下操作，在该模式下，在活动持续时间期间，LED驱动器产生的输出电流被分成提供给LED的LED电流和对输出电容器充电的充电电流，并且在非活动持续时间期间，输出电流被禁用。在活动持续时间内累积在输出电容器上的电荷在非活动持续时间内放电，以提供作为LED电流的补充电流。这允许可调光的LED照明系统在活动期间保持优选的驱动器效率。

US 2015/0108908 A1公开了一种用于驱动多色固态光源照明器的系统，以便当温度在给定范围内变化时保持色点。固态光源阵列包括两个或更多个串，并由单个恒流源驱动。在这些串中流动的电流量可以随着温度的变化而调整。在一个这样的电流共享场景中，切换控制信号的占空比直接对应于在两个不同的固态光源串之一中流动的电流的比例。

发明内容

本发明的一个目的可以视为提供一种功能设备、一种功能系统、一种用于操作该功能设备的方法以及一种用于操作该功能设备的计算机程序，其中功能设备需要较低的电流供应。

在本发明的第一方面，提出了一种功能设备。该功能设备包括恒流驱动器、电能存储单元、功能单元和控制单元。恒流驱动器被配置为通过改变驱动电压来提供恒定电流。电能存储单元被配置用于存储电能。功能单元被配置成执行功能并从恒流驱动器和电能存储单元接收电流。控制单元被配置用于控制电流流向和流出电能存储单元以及流向功能单元。控制单元被配置成提供用于控制电流的流动的脉宽调制（PWM）电压信号，使得在PWM电压信号的关断时段的至少一部分期间，电流被提供给电能存储单元，以便对电能存储单元充电，并且使得在PWM电压信号的接通时段期间，电流被提供给功能单元，并且没有电流被提供给电能存储单元。

由于控制单元被配置成提供用于控制电流的流动的PWM电压信号，使得在PWM电压信号的关断时段的至少一部分期间，电流被提供给电能存储单元，以便对电能存储单元充电，并且使得在PWM电压信号的接通时段中，电流被提供给功能单元，并且没有电流被提供给电能存储单元，因此由恒流驱动器提供的电流被提供给功能单元或电能存储单元。这允许减少所需的电流供应，因为功能单元和电能存储单元两者不必同时被提供电流。因此，在功能设备中可以使用具有较低电流供应的恒流驱动器。此外，可以改进恒流驱动器的使用，因为它可以具有更少的不被使用的时段。

由于功能单元被配置成接收来自恒流驱动器和电能存储单元的电流，功能单元可以被提供来自恒流驱动器、来自电能存储单元或者同时来自恒流驱动器和电能存储单元的电流。

恒流驱动器根据控制单元提供的PWM电压信号产生驱动电压和恒定电流。恒流驱动器用作电流源，来为功能单元供电并对电能存储单元充电。恒流驱动器可以被配置为连接到电流源，或者恒流驱动器可以包括电流源。

恒流驱动器可以包括电流调节单元、时钟发生器、输出电压感测单元、切换调节器、整流器和滤波器或它们的任意组合。恒流驱动器例如可以是LED驱动器等，特别是已知的LED驱动器，例如从US 2013/0154491 A1的图3a中已知的并且在相应的描述中描述的LED驱动器，其通过引用结合于此。时钟发生器可以例如被配置成产生AC驱动电压。电流调节单元可以被配置为从控制单元接收恒流驱动器控制信号，例如模拟或数字调光控制信号，该控制信号取决于PWM电压信号并且用于控制恒流驱动器。电流调节单元还可以被配置成产生电流控制信号、第一临界电压和第二临界电压，其中第二临界电压小于第一临界电压。第一和第二临界电压定义了驱动电压的输出电压范围，其中驱动电压被改变以便提供恒定电流。为了驱动呈LED形式的功能单元，根据LED的最低导通电压来确定第二临界电压。输出电压感测单元可以被配置为将由时钟发生器产生的AC驱动电压与临界电压进行比较，并产生持续时间控制信号，该持续时间控制信号确定恒流驱动器提供恒定电流的活动持续时间和恒流驱动器不提供恒定电流的非活动持续时间。切换调节器可以被配置成根据持续时间控制信号和恒流驱动器控制信号来调制由时钟发生器产生的AC驱动电压。整流器被配置为对调制的驱动电压信号进行整流，并且滤波器被配置为对调制的驱动电压信号进行滤波，以便产生驱动电压。与已知的LED驱动器（诸如US 2013/0154491 A1中呈现的LED驱动器）的操作相比，功能设备的恒流驱动器具有更短的不提供恒定电流的持续时间，因为恒定电流可以在PWM电压信号的至少部分关断时段期间被提供给电能存储单元。因此，虽然已知的LED驱动器可以用在功能设备中，但是LED驱动器以不同的方式工作，这允许减少LED驱动器的空闲时段。此外，控制单元可以被配置成基于感测恒流驱动器的输出电流来改变PWM电压信号。

电能存储单元例如可以是电池、电容器或允许存储作为电流提供的电能的任何其他设备。

功能单元例如可以是照明元件、加热元件、致动元件、音频放大器或任何其他利用恒流驱动器提供的电流操作的功能单元。照明元件例如可以是LED、LED阵列或任何其他当被提供恒定电流时产生光的照明元件。致动元件例如可以是压电致动器、电磁致动器、DC电动机或任何其他致动元件。

控制单元可以例如包括集成电路、处理器或用于处理数据的任何其他单元。

PWM电压信号具有占空比和频率。频率定义了PWM完成一个周期的速度，例如，1 Hz对应于每秒1个周期。频率可以例如具有在200 Hz和1000 Hz之间的范围内的值。占空比被定义为信号处于接通状态的时间比例，即PWM电压信号的接通时段的比例。接通状态被定义为如下状态，其中PWM电压信号的幅值比关断状态（即PWM电压信号的关断时段）高。PWM电压信号在接通状态下的幅值可以例如高于5 V，诸如12 V。在关断状态下，PWM电压信号的幅值低于接通状态下的幅值，并且可以例如为0 V。控制单元可以被配置为控制PWM电压信号的频率和占空比，以便控制恒流驱动器的切换，使得它或者为功能单元提供电能或者为电能存储单元充电。这允许在功能设备的操作期间向功能单元和能量存储单元提供恒定电流。

该功能设备允许收益效益和降低成本，因为诸如需求响应（DR）或需求侧管理（DSM）之类的服务可以与该功能设备一起使用。DR涉及电能市场上电能价格的短期上涨，其响应为鼓励用户减少对电能的需求。DSM涉及鼓励用户提高能效。功能设备可能需要较少的电子组件，这允许减少电磁干扰（EMI）和电磁兼容性（EMC）问题以及协调问题。该功能设备可能不太复杂，从而导致成本降低和平均故障间隔时间（MTBF）增加。

电存储单元和功能单元可以并联连接。这种连接布置允许控制单元控制电流的流动，使得在PWM电压信号的关断时段的至少一部分期间，电流被提供给电能存储单元，以便对电能存储单元充电，并且使得在PWM电压信号的接通时段期间，电流被提供给功能单元，并且没有电流被提供给电能存储单元。

控制单元可以被配置为通过切换恒流驱动器来控制电流的流动，使得恒流驱动器基于PWM电压信号向电能存储单元或功能单元提供电流。该功能设备可以包括具有切换单元的电路，该切换单元可以被配置为由控制单元产生的PWM电压信号控制，使得在PWM电压信号的关断时段的至少一部分期间，电流被提供给电能存储单元，以便对电能存储单元充电，并且使得在PWM电压信号的接通时段期间，电流被提供给功能单元，并且没有电流被提供给电能存储单元。

可替代地或附加地，控制单元可以被配置为通过调节在PWM电压信号的接通时段和向电能存储单元提供电流的PWM电压信号的关断时段的充电时段之间的死区时段来控制电能存储单元的充电速率。死区时段可以在接通时段和充电时段之间、在关断时段中的两个充电时段之间或者在充电时段和接通时段之间。

功能设备可以包括死区控制器。死区控制器可以被配置成控制电能存储单元的充电速率。死区控制器可以是控制单元的一部分。死区控制器可以被配置成通过调节PWM电压信号的接通时段和PWM电压信号的关断时段的充电时段之间的死区时段来控制电能存储单元的充电速率。这允许降低充电速率对PWM电压信号占空比的依赖性。死区时段可以从零变化到全PWM关断时段。这允许灵活控制电能存储单元的充电。

死区控制器可以被配置成控制充电，从而满足恒流恒压（CCCV）要求、涓流充电要求或CCCV要求和涓流充电要求两者。在CCCV充电机制中，电能存储单元在第一阶段用恒定电流充电。与加载恒定电压相比，这允许限制最大电流。当电能存储单元达到预定电压时，CCCV充电机制的第二阶段开始。在CCCV充电机制的第二阶段，电能存储单元用恒定电压充电。这允许减少提供给电能存储单元的电流，以便避免过度充电。在涓流充电机制中，完全充电的电能存储单元通过以空载的电能存储单元的自放电速率提供电流来充电。这允许电能存储单元保持充满电。

功能单元可以包括LED。功能单元还可以包括超过一个的LED，例如两个LED，或者LED阵列。可替代地或附加地，功能单元可以包括另一个照明元件、加热元件、致动元件、音频放大器或任何其他利用恒流驱动器提供的电流操作的功能单元。恒流驱动器可以是LED驱动器。如果功能单元包括LED或LED阵列，并且恒流驱动器是LED驱动器，则控制单元可以被配置为通过基于PWM电压信号切换LED驱动器来控制LED的调光。通过使用呈LED驱动器形式的恒流驱动器，除了对电能存储单元充电之外，这还允许更好地控制调光和更高的光效率。

电能存储单元可以被配置为在PWM电压信号的接通时段期间向功能单元提供电流。这允许改善功能设备的效率。此外，可以提供具有更少电流供应的恒流驱动器，因为功能单元被提供恒流驱动器和电能存储单元两者的电流。如果功能单元包括LED，则提供给功能单元的电流可以被功能单元用来给LED供电，并从而提供光。

可替代地或附加地，电能存储单元可以被配置成在PWM电压信号的关断时段的至少部分期间向功能单元提供电流。

该设备可以被配置为在智能脉宽调制（IPWM）模式下操作。该设备可以例如包括布置在能量存储单元和功能单元之间的附加电流源，并且该设备可以被配置为仅在PWM电压信号的关断时段期间激活附加电流源。该设备可以被配置为启用IPWM操作。在IPWM模式下，附加电流源可以被配置成在PWM电压信号的关断时段期间控制模拟电流的水平。由恒流驱动器提供的电流和模拟电流可以在接通时段期间叠加并提供给功能单元，即恒流驱动器可以被配置为在PWM电压信号的接通时段期间提供电流和模拟电流。附加电流源可以被配置成在恒流驱动器故障、DR或DSM时间期间控制从电能存储单元向功能单元提供电流。在这种情况下，电能存储单元不被提供来自恒流驱动器的电流，因为恒流驱动器不操作，并且电能存储单元被配置为基于由布置在能量存储单元和功能单元之间的附加电流源提供的驱动电压向功能单元提供恒定电流。在功能单元包括LED或LED阵列的情况下，这允许更好的颜色和光强度控制，并从而允许高效光强度。通过在PWM电压信号的关断时段期间在电能存储单元和LED之间添加附加电流源，可以容易地允许具有包括LED的功能单元的设备的IPWM操作。

恒流驱动器可以被配置为提供低输出电流。低输出电流足够高以为功能单元供电，但不允许同时对能量存储单元充电。低输出电流可以例如在100 mA和2000 mA之间的范围内，诸如在100 mA和1100 mA之间，诸如在100 mA和300 mA之间。这允许以更少的功率提供功率供应，并因此增加设计设备的灵活性。

恒流驱动器可以被配置为提供8 V至60 V之间的输出电压，例如27 V至54 V之间的输出电压。

控制单元可以包括降压转换器、升压转换器和/或线性转换器，即，控制单元可以包括降压转换器、升压转换器、线性转换器或它们的任意组合。

控制单元可以被配置用于控制由恒流驱动器（例如，LED驱动器）提供的恒定电流值。

控制单元可以被配置成提供模拟信号，例如模拟控制信号。模拟控制信号可以例如用于控制恒流驱动器和/或由恒流驱动器提供的恒定电流值。

功能设备例如可以是用于应急照明的电池集成照明器或者联网电池集成照明器。

在本发明的另一方面，提出了一种功能系统。该功能系统包括根据权利要求1至10中任一项的设备或该功能设备的任一实施例。功能系统还包括电流源。电流源可以是功能设备外部的电流源，或者电流源可以是功能设备的一部分。

功能系统可以包括网络控制单元，例如建筑物管理系统（BMS），其被配置用于控制控制单元。网络控制单元可以被配置成生成用于控制功能设备的控制信号。例如，在功能单元是LED的情况下，控制信号可以是用于通过PWM电压信号控制LED的调光水平和/或用于控制电能存储单元的充电速率的控制信号。附加地或可替代地，网络控制单元可以包括用于接收控制信号的收发器。控制信号可以例如由用户通过无线或有线网络连接来提供。用户可以例如通过计算机或诸如移动电话的移动设备来提供控制信号。

在本发明的另一方面，提供了一种用于操作根据权利要求1所述的功能设备或功能设备的任一实施例的方法。该方法包括以下步骤：

- 提供用于切换恒流驱动器的PWM电压信号，以便控制电流的流动，

- 控制电流的流动，使得在PWM电压信号的关断时段的至少一部分期间，电流被提供给电能存储单元，以便对电能存储单元充电，并且使得在PWM电压信号的接通时段期间，电流被提供给功能单元，并且没有电流被提供给电能存储单元。

电流的流动可以通过切换恒流驱动器来控制，使得恒流驱动器基于PWM电压信号向电能存储单元或功能单元提供电流。

该方法可以包括以下步骤：

- 调节PWM电压信号的接通时段和电流被提供给电能存储单元的PWM电压信号的关断时段的充电时段之间的死区时段，以便控制电能存储单元的充电速率。

在功能设备包括诸如LED或LED阵列的照明元件的情况下，该方法可以包括以下步骤：

- 基于PWM电压信号切换恒流驱动器，以便控制照明元件的调光。

该方法可以包括以下步骤：

- 在PWM电压信号的接通时段期间，从电能存储单元向功能单元提供电流。

可替代地或附加地，该方法可以包括以下步骤：

- 在PWM电压信号的关断时段的至少部分期间，从电能存储单元向功能单元提供电流。

该方法可以在IPWM模式下操作，或者包括步骤：

- 以IPWM模式操作功能设备。

在本发明的另一方面，提供了一种用于操作根据权利要求1所述的功能设备或功能设备的任一实施例的计算机程序。计算机程序包括程序代码装置，用于当计算机程序在处理器上运行时，使处理器执行权利要求12限定的方法或该方法的任一实施例。

在本发明的另一方面，提供了一种用于操作根据权利要求11所述的功能系统或功能系统的任一实施例的计算机程序。计算机程序包括程序代码装置，用于当计算机程序在处理器上运行时，使处理器执行权利要求12限定的方法或该方法的任一实施例。

在本发明的另一方面，提供了一种存储有根据权利要求14所述的计算机程序的计算机可读介质。可替代地或附加地，计算机可读介质可以存储有根据计算机程序的任一实施例的计算机程序。

应当理解，权利要求1的功能设备、权利要求11的功能系统、权利要求12的方法、权利要求14的计算机程序和权利要求15的计算机可读介质具有相似和/或相同的优选实施例，特别是如从属权利要求中所定义的。

应当理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求或以上实施例与相应独立权利要求的任意组合。

参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得到阐述。

附图说明

在以下附图中：

图1示意性且示例性地示出了以照明系统形式的功能系统的第一实施例中的以照明设备形式的功能设备的第一实施例；

图2A示意性且示例性地示出了PWM电压信号的25 %的占空比；

图2B示意性且示例性地示出了PWM电压信号的50 %的占空比；

图2C示意性且示例性地示出了PWM电压信号的75 %的占空比；

图3示意性且示例性地示出了以照明系统形式的功能系统的第二实施例中的以照明设备形式的功能设备的第二实施例；

图4示意性且示例性地示出了以加热系统形式的功能系统的第三实施例中的以加热设备形式的功能设备的第三实施例；

图5示出了用于操作功能设备的方法的实施例。

具体实施方式

图1示意性且示例性地示出了以照明系统100形式的功能系统的第一实施例中的以照明设备10形式的功能设备的第一实施例。在其他实施例中，功能设备可以是加热设备、致动设备、音频放大器设备或基于恒流驱动器提供的电流操作的任何其他功能设备。因此，在其他实施例中，功能系统可以是加热系统、致动系统、汽车、音频系统或任何其他功能系统，其具有基于由恒流驱动器提供的电流操作的设备。

照明设备10包括以LED驱动器12形式的恒流驱动器、以电池14形式的电能存储单元、以LED模块16形式的功能单元以及控制单元18。

在其他实施例中，可以提供替代的恒流驱动器、电能存储单元和功能单元。电能存储单元例如可以是电容器，诸如电解电容器或超级电容器，或者电容器和/或电池的阵列。功能单元例如可以是加热元件、致动元件、音频放大器或能够通过由恒流驱动器提供的电流操作的任何其他功能单元。致动元件例如可以是压电致动器、电磁致动器、DC电动机或任何其他致动元件。

照明设备10与AC电流源20和BMS 22形式的网络控制单元连接。AC电流源20连接到LED驱动器12，而BMS 22连接到控制单元18。在该实施例中，AC电流源20是AC市电功率供应。在其他实施例中，功能设备连接到DC电流源或包括DC电流源或AC电流源。在其他实施例中，BMS可以由另一个网络控制单元代替。在其他实施例中，网络控制单元也可以是功能系统或功能设备的一部分。

LED驱动器12包括AC/DC转换器13，并通过公共总线24与电池14和LED模块16连接。电池14和LED模块16并联连接。AC/DC转换器13将AC源20提供的AC转换成DC。DC可以用在照明设备10中。

电池14通过电池切换单元26连接到公共端30。基于经由导线28提供的充电控制信号，可以切换电池切换单元26以将电池14连接到公共端30。在其他实施例中，可以基于从控制单元18（未示出）无线提供的充电控制信号来切换切换单元26。公共端30连接到控制单元18（未示出）的公共端。在替代实施例中，公共端30也可以是光学隔离的。

LED模块16经由LED模块切换单元32连接到公共端36。基于经由导线32提供的调光控制信号，可以切换LED模块切换单元32以将LED模块16连接到公共端36。在其他实施例中，可以基于从控制单元18（未示出）无线提供的调光控制信号来切换切换单元32。在该实施例中，公共端36与公共端30光学隔离。

控制单元18经由导线38连接到LED驱动器12。控制单元18可以通过经由电池切换单元26或LED模块切换单元32闭合电路来切换LED驱动器12，使得LED驱动器12向电池14或LED模块16提供电流。如果电路经由电池切换单元26闭合，则电池14可以被充电。如果电路经由LED模块切换单元32闭合，则LED模块16可以被操作。在该实施例中，电路经由电池切换单元26或者经由LED模块切换单元32闭合。

LED驱动器12通过改变驱动电压来提供恒定电流。在该实施例中，LED驱动器12是飞利浦40 W 0.10-1.1A 54V SR XI040C110V054PT1，其输出电压范围在27 V和54 V之间。这允许向各种类型的LED模块提供电流并以宽电压范围对电池14充电。在该实施例中，LED驱动器12可以提供100 mA和1100 mA之间的恒定电流。在其它实施例中，飞利浦 40 W0.10-1.1A 54V SR XI040C110V054PT1可以由任何其它LED驱动器或恒流驱动器代替。在其他实施例中，可以用于驱动电压的输出电压范围可以不同。输出电压范围可以例如在8 V和60 V之间。

电池14存储由电流提供的电能。如果电路经由电池切换单元26闭合，则电池14可以向控制单元18提供电流，并因此可以经由控制单元18的公共端和公共端30为控制单元18供电。电池14是可重充电的。

在该实施例中，LED模块16包括两个LED 17。在其他实施例中，LED模块可以包括多于两个LED的LED阵列，例如3、4、6、8、10、12或更多个LED。如果电路经由LED模块切换单元32闭合，则LED模块16可以从LED驱动器12接收恒定电流并将其提供给LED 17，以便LED 17产生光。

控制单元18包括处理器39、死区控制器40和存储器41形式的计算机可读介质。控制单元18产生PWM电压信号，用于控制LED模块16的LED 17的调光。PWM电压信号具有由控制单元18控制的电压幅值、占空比和频率（见图2），以便控制LED模块16的LED 17的调光。控制单元18使用PWM电压信号控制电流的流动。因此，在该实施例中，控制单元18基于根据PWM电压信号产生的充电控制信号和调光控制信号来切换切换单元26和32，使得在PWM电压信号的关断时段的至少一部分期间，电流被提供给电池14，以便对电池14充电，并且使得在PWM电压信号的接通时段期间，电流被提供给LED模块16，并且没有电流被提供给电池14。

因此，LED模块16和电池14都以恒流模式交替供电。电池14可以以各种充电速率充电。这允许考虑DR和DSM。此外，电池14可用于向控制单元18提供电流，以便通过DR和DSM获得收益和成本效益。在其他实施例中，电池14可用于向功能设备的其他单元（诸如功能单元）提供电流。

该实施例中，控制单元18还向LED驱动器12提供恒定电流值。恒定电流值可以包括在模拟调光信号中，该模拟调光信号根据PWM电压信号产生，并经由导线38提供给LED驱动器12，以便控制LED驱动器12并改变由LED驱动器12提供的恒定电流值。这允许增加灵活性。

在该实施例中，死区控制器40通过调节PWM电压信号的接通时段和向电池14提供电流的PWM电压信号的关断时段的充电时段之间的死区时段来控制电池14的充电速率。因此，死区控制器40向切换单元26提供死区信号，该死区信号防止切换单元26切换，以便在死区时段期间将电池14与公共端30连接。因此，在死区时段期间，可由切换单元26和32闭合的电路没有一个被闭合，从而在死区时段期间没有电流流动。死区控制器40可以将死区时段的持续时间控制在PWM电压信号的关断时段的0%和100%之间，使得电池14仅在PWM电压信号的关断时段的一部分期间被充电。与将通过使用用于对电池14充电的PWM电压信号的整个关断时段来实现的充电速率相比，这允许降低充电速率。因此增加了充电速率的灵活性。对于足够大的关断时段，即在某个调光水平，充电速率可以变得独立于占空比。该实施例中的死区控制器40调节死区时段，使得满足CCCV和涓流充电要求。

在该实施例中，BMS 22向控制单元18提供控制信号，控制单元18设置LED模块16的调光水平和电池14的充电速率。在该实施例中，BMS 22由用户控制，用户输入调光水平和充电速率的特定值。在其他实施例中，调光水平和/或充电速率可以根据某些参数自动选择，诸如白天、亮度、当前电能市场价格或与确定LED模块16的调光水平和/或电池14的充电速率相关的任何其他参数。

控制单元18接收控制信号，并基于接收到的控制信号产生PWM电压信号，以及基于PWM电压信号产生充电控制信号、调光控制信号、可选的死区信号和模拟调光信号，以便控制LED模块16的调光水平和电池14的充电速率。

图2A、2B和2C示出了三个PWM电压信号42、42’和42”及其对应的占空比。这些图表在横轴上显示时间t，在纵轴上显示电压V。PWM电压信号42、42’、42”具有对应于接通状态的高电压幅值44和对应于关断状态的低电压幅值46。在该实施例中，接通状态对应于12 V的电压幅值。在其他实施例中，接通状态的电压幅值也可以例如是高于5 V的电压幅值，诸如6V或10 V。在该实施例中，关断状态对应于0 V的电压幅值。对于恒定频率的PWM电压信号，周期48延续预定的时间间隔，并且然后重复。

在图2A中，PWM电压信号42具有25%的占空比。这意味着接通时段50持续周期48的25%，而关断时段52持续周期48的75%。

在该实施例中，死区控制器40提供死区时段54，在此期间电池14不充电。因此，在死区时段54期间，电池切换单元26没有切换到闭合电池14充电电路的位置。在死区时段54中，电池切换单元26和LED模块切换单元32都不会被切换来将电池14或LED模块16与公共端30或公共端36连接。改变死区时段54允许控制电池14的充电速率。死区时段54可以在PWM电压信号42的关断时段52的0%到100%之间调节。在该实施例中，死区时段54在接通时段50和关断时段52的充电时段60之间。死区时段也可以在充电时段和接通时段之间，或者在两个充电时段之间（未示出）。在该实施例中，死区时段54被调节到PWM电压信号42的关断时段52的1/3，对应于周期48的25%。因此，电池14在周期48的50%期间被充电，即充电时段60持续周期48的50%。随着周期48的重复，这也对应于LED驱动器12处于操作中的时间的50%。

在图2B中，PWM电压信号42’具有50%的占空比。接通时段50’持续周期48的50%，而关断时段52’也持续周期48的50%。在这种情况下，死区时段54’被调节到关断时段52’的50%，对应于周期48的25%。因此，电池在周期48的25%被充电，即充电时段60’持续周期48的25%。

在图2C中，PWM电压信号42”具有75%的占空比。接通时段50”持续周期48的75%，而关断时段52”持续周期48的25%。在这种情况下，死区时段被调节到关断时段52”的0%。因此，电池14在周期48的25%被充电，即充电时段60”持续周期48的25%。

图3示意性且示例性地示出了照明系统100’形式的功能系统的第二实施例中的照明设备10’形式的功能设备的第二实施例。照明设备10’类似于根据图1所示的第一实施例的照明设备10。除了照明设备10的组件之外，照明设备10’还包括附加的电流源56和导线58。

照明设备10’被配置为在IPWM模式下操作。附加电流源56布置在电池14和LED模块16之间。基于电流源控制信号来控制附加电流源56，该电流源控制信号基于PWM电压信号并经由导线58提供。在其他实施例中，附加电流源56也可以基于从控制单元18无线地提供的电流源控制信号来控制。电流源控制信号控制附加电流源56，使得附加电流源56在PWM电压信号的接通时段期间连接到公共端，并且电流源56控制在PWM电压信号的关断时段期间提供给LED模块16的模拟电流的水平。

在PWM电压信号的接通时段期间，由LED驱动器12提供的电流叠加在模拟电流上，并且电流从LED驱动器12提供给LED模块16。

在AC电流源20故障、DR或DSM时间期间，切换单元26和32断开，并且附加电流源56控制从电池14提供给LED模块16的电流。在这种情况下，电池14不被提供来自LED驱动器12的电流，因为LED驱动器12不操作，并且电池14在PWM电压信号的关断时段期间，即在充电时段和死区时段期间，基于由布置在电池14和LED模块16之间的附加电流源56提供的驱动电压，向LED模块16提供恒定电流。然而，在充电时段期间没有充电发生，因为LED驱动器12不操作。在IPWM模式下操作照明设备10’允许更好的颜色和光强度控制，并因此允许高效光强度，因为电流流动的控制得以改善。

在其他实施例中，通过在PWM电压信号的关断时段期间在电能存储单元和功能单元之间添加附加电流源，可以容易地允许功能设备的IPWM操作（未示出）。

如果LED驱动器12处于操作中，则电池14在PWM电压信号的关断时段期间被充电。

图4示意性且示例性地示出了加热系统100”形式的功能系统的第三实施例中的加热设备10”形式的功能设备的第三实施例。加热系统100”具有与照明系统100相似的组件。与照明系统100相比，LED驱动器12由加热元件驱动器12’代替，电池14由包括电容器的电容器模块14’代替，并且LED模块16由加热元件16’代替。

加热元件驱动器12’通过改变驱动电压来向加热元件16’提供恒定电流。

电容器模块14’存储由电流提供的电能。

当加热元件16’被提供电流时，加热元件16’增加其温度，并因此允许增加其周围的温度。

控制单元18通过向加热元件驱动器12’提供控制信号来控制加热元件驱动器12’经由导线38提供的恒定电流值。控制单元18还控制从加热元件驱动器12’到加热元件16’和电容器模块14’的电流的流动。因此，控制单元18产生PWM电压信号以及基于PWM电压信号的充电控制信号和加热模块控制信号，其切换切换单元26和32，使得在PWM电压信号的关断时段期间，电流被提供给电容器模块14’，以便对电容器模块14’充电，并且使得在PWM电压信号的接通时段期间，电流被提供给加热元件16’，并且没有电流被提供给电容器模块14’。

因此，加热系统100”允许高效地使用由加热元件驱动器12’提供的恒定电流。

可以向控制单元18提供来自BMS 22的控制信号。控制信号可以确定PWM电压信号的占空比，并且还包括加热元件驱动器12’提供的恒定电流值。

加热系统100”可以高效地集成在更大的AC电网中。AC源20可以是更大的AC电网的一部分，诸如区域AC电网。加热系统100”可以利用AC电网中的DR和DSM，因为电容器模块14’可以用于在AC电网中的高电流可用性时段期间临时存储电流提供的电能。高电流可用性可以通过电能的低价格来表示，例如，在白天，当用太阳能电池板获取电能并且AC电网的用户需要较少量的电能时。由电容器模块14’存储的电能可以在AC电网的高电能需求时段期间（例如，由高电能价格指示）提供给加热设备10”的单元。这允许使用加热设备10”和加热系统100”的成本和收益效益。功能设备和功能系统的其他实施例也可以利用DR和DSM。

图5示出了用于操作功能设备的方法的实施例。该方法允许操作功能设备，该功能设备可以是例如照明设备、加热设备、致动设备、音频放大器设备或基于恒流驱动器提供的电流操作的任何其他功能设备。致动设备例如可以是压电致动器、电磁致动器、DC电动机设备或任何其他致动设备。

在该实施例中，功能设备是照明设备。因此，该方法操作照明设备。该照明设备包括LED驱动器、LED模块、电池以及控制单元。LED驱动器通过改变驱动电压来提供恒定电流。电池储存电流提供的电能。LED模块具有4个LED，当它们被提供恒定电流时可以提供光。可以从LED驱动器、电池或LED驱动器和电池向LED模块提供电流。控制单元控制流向和流出电池的电流和流向LED模块的电流。控制单元可以提供用于控制电流的流动的PWM电压信号。

在步骤200中，提供PWM电压信号来切换LED驱动器，以便控制电流的流动。

在步骤210中，控制电流的流动，使得在PWM电压信号的关断时段期间，电流被提供给电池，以便对电池充电，并且使得在PWM电压信号的接通时段期间，电流被提供给LED模块，并且没有电流被提供给电池。LED驱动器基于PWM电压信号被切换，使得LED驱动器向电池或LED模块提供电流。

在步骤220中，调节PWM电压信号的接通时段和向电池提供电流的PWM电压信号的关断时段之间的死区时段，以便控制电池的充电速率。

在步骤230中，基于PWM电压信号来切换LED驱动器，以便控制LED模块的调光。

在步骤240中，在PWM电压信号的接通时段期间，电流从电能存储单元提供给LED模块。

在步骤250中，在PWM电压信号的关断时段期间，电流从电池提供给LED模块。

该方法可以在IPWM模式下执行。步骤220至250是可选的，并且可以以任何其他顺序以及可选步骤220至250的任何组合来执行。特别地，步骤240和250可以是该方法的可替代步骤。

虽然本发明已经在附图和前面的描述中被详细示出和描述，但是这种示出和描述被认为是说明性的或示例性的，而不是限制性的；本发明不限于公开的实施例。

通过对附图、公开内容和所附权利要求的研究，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变化。

在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。

单个单元、处理器或设备可以实现权利要求中列举的几个项的功能。在相互不同的从属权利要求中列举某些措施的纯粹事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。

由一个或几个单元或设备执行的类似以下的操作可以由任何其他数量的单元或设备实施：提供用于切换恒流驱动器的PWM电压信号以便控制电流的流动的操作；控制电流的流动，使得在PWM电压信号的关断时段的至少部分期间，电流被提供给电能存储单元，以便对电能存储单元充电，并且使得在PWM电压信号的接通时段期间，电流被提供给功能单元，并且没有电流被提供给电能存储单元；切换恒流驱动器，使得恒流驱动器基于PWM电压信号向电能存储单元或功能单元提供电流；等等。这些操作和/或方法可以实现为计算机程序的程序代码装置和/或专用硬件。

计算机程序可以存储/分布在合适的介质上，诸如与其他硬件一起提供或作为其他硬件的一部分提供的光存储介质或固态介质，但是也可以以其他形式分布，诸如经由因特网、以太网或其他有线或无线电信系统。

权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

本发明涉及由恒流驱动器供电的功能设备。该设备包括恒流驱动器、电能存储单元、功能单元和控制单元。该设备由控制单元控制，使得恒流驱动器根据PWM电压信号向功能单元和电能存储单元提供恒定电流。在PWM电压信号的关断时段的至少部分期间，电流被提供给电能存储单元，用于对电能存储单元充电。在PWM电压信号的接通时段期间，电流被提供给功能单元，并且没有电流被提供给电能存储单元。这允许为设备提供具有更少空闲时段和更低电流供应的恒流驱动器。

Claims (13)

1.一种功能设备（10，10’，10”），包括：

- 恒流驱动器（12，12’），被配置为通过改变驱动电压来提供恒定电流，

- 电能存储单元（14，14’），用于存储电能，

- 功能单元（16，16’），用于执行功能并被配置为从所述恒流驱动器（12，12’）和所述电能存储单元（14，14’）接收电流，以及

- 控制单元（18），用于控制所述电流流向和流出所述电能存储单元（14，14’）和流向所述功能单元（16），

其中所述控制单元（18）被配置为提供脉宽调制电压信号（42，42’，42”），用于控制所述电流的流动，使得在所述脉宽调制电压信号（42，42’，42”）的关断时段（52，52’，52”）的至少一部分期间，所述电流被提供给所述电能存储单元（14，14’），以便对所述电能存储单元（14，14’）充电，并且使得在所述脉宽调制电压信号（42，42’，42’’）的接通时段（50，50’，50’’）期间，电流被提供给所述功能单元（16），并且没有电流被提供给所述电能存储单元（14，14’）；

其中所述控制单元（18）被配置用于通过切换所述恒流驱动器（12，12’）来控制电流的流动，使得所述恒流驱动器（12，12’）基于所述脉宽调制电压信号（42，42’，42”）向所述电能存储单元（14，14’）或所述功能单元（16）提供电流。

2.根据权利要求1所述的设备（10，10’，10”），其中所述控制单元（18）被配置为通过调节所述脉宽调制电压信号（42，42’，42”）的接通时段（50，50’，50”）和所述脉宽调制电压信号（42，42’，42”）的关断时段（52，52’，52”）的充电时段（60，60’，60”）之间的死区时段（54，54’）来控制所述电能存储单元（14，14’）的充电速率，在所述充电时段中，电流被提供给所述电能存储单元（14、14'）。

3.根据权利要求2所述的设备（10，10’），其中所述功能单元（16）包括发光二极管（17），并且所述恒流驱动器（12）是发光二极管驱动器（12）。

4.根据权利要求3所述的设备（10，10’），其中所述控制单元（18）被配置为通过基于所述脉宽调制电压信号（42，42’，42”）切换所述发光二极管驱动器（12）来控制所述发光二极管（17）的调光。

5.根据权利要求4所述的设备（10，10’），其中所述电能存储单元（14）被配置为在所述脉宽调制电压信号（42，42’，42”）的接通时段（50，50’，50”）期间向所述功能单元（16）提供电流。

6.根据权利要求5所述的设备（10，10’），其中所述设备（10，10’）被配置为在智能脉宽调制模式下操作。

7.根据权利要求6所述的设备（10，10’），其中所述发光二极管驱动器（12）被配置为提供低输出电流。

8.根据权利要求7所述的设备（10，10’），其中所述发光二极管驱动器（12）被配置为提供27 V和54 V之间的输出电压。

9.根据权利要求8所述的设备（10，10’），其中所述控制单元（18）被配置为控制由所述发光二极管驱动器（12）提供的恒定电流值。

10.一种功能系统（100，100’，100”），包括根据权利要求1至9之一所述的设备（10，10’，10”）和电流源（20，56）。

11.一种用于操作根据权利要求1所述的功能设备（10，10’，10”）的方法，包括以下步骤：

- 提供用于切换所述恒流驱动器（12，12’）的脉宽调制电压信号（42，42’，42”），以便控制电流的流动，

- 控制电流的流动，使得在所述脉宽调制电压信号（42，42’，42’’）的关断时段（52，52’，52’’）的至少部分期间，电流被提供给所述电能存储单元（14，14’），以便对所述电能存储单元（14，14’）充电，并且使得在所述脉宽调制电压信号（42，42’，42’’）的接通时段（50，50’，50’’）期间，电流被提供给所述功能单元（16，16’），并且没有电流被提供给所述电能存储单元（14，14’’）；

其中电流的流动通过切换所述恒流驱动器（12，12’）控制，使得所述恒流驱动器（12，12’）基于所述脉宽调制电压信号（42，42’，42”）向所述电能存储单元（14，14’）或所述功能单元（16）提供电流。

12.一种用于操作根据权利要求1所述的功能设备（10，10’，10”）的计算机程序，其中所述计算机程序包括程序代码装置，用于当所述计算机程序在处理器（39）上运行时，使所述处理器（39）执行如权利要求11所述的方法。

13.一种计算机可读介质（41），存储有根据权利要求12所述的计算机程序。

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