專利名稱：獨(dú)立式直流電源之led燈放電控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種獨(dú)立式直流電源之LED燈放電控制系統(tǒng)，屬于太 陽能、風(fēng)力等再生能源與LED及超級電容技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太陽能產(chǎn)生的直流電源所驅(qū)動的LED照明具有獨(dú)立、不須挖溝 布線與設(shè)置彈性而且不須維護(hù)的優(yōu)勢。現(xiàn)己成為LED路燈照明、LED 警示與LED指示的重要電源系統(tǒng)。廣泛用于次要道路、公園、小區(qū)、 游樂區(qū)的路燈照明以及LED交通指示與警示標(biāo)志。而LED照明的電源分成市電的交流電與太陽能產(chǎn)生的直流電源， 由于LED為單向?qū)ㄘ?fù)載，所以一般將交流電降壓轉(zhuǎn)為直流電源，才 能驅(qū)動LED燈組。市電的交流電由電廠供應(yīng)，其電壓與電流供應(yīng)可為 恒定。而太陽能產(chǎn)生的直流電源，其電能是蓄積于電池中，當(dāng)驅(qū)動負(fù) 載時，由電池供應(yīng)。傳統(tǒng)的太陽能LED照明系統(tǒng)，如圖1,包括太陽能板(太陽能電 池)1、充放電控制器2 (充電控制與放電控制)、蓄電池3與LED負(fù) 載4等四大部份。太陽能板1是光電轉(zhuǎn)換組件，外界的光照射于太 陽能板上產(chǎn)生電流。充電控制是將太陽能板的電流，導(dǎo)入蓄電池3 中。而蓄電池是儲能組件， 一般是鉛酸電池、鎳氫電池等充電電池。 放電控制則是主宰電池驅(qū)動LED負(fù)載4的主要組件。將太陽能LED照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，簡化成系統(tǒng)充電與放電兩區(qū)塊。 系統(tǒng)充電是有關(guān)于太陽能系統(tǒng)能量的取得，而放電是指LED負(fù)載發(fā)光 的情況。今日一些提升充電效率的方法，如最大功率追蹤法(臺灣專 利00430130)、聚光(臺灣專利1277772)與集光(臺灣專利M300793) 系統(tǒng)，不斷的改善電能的取得效率。而放電方面，則往LED節(jié)能(中 國專利CN2696266Y)與調(diào)節(jié)亮度(中國專利200520018060. 2)方向研發(fā)。使LED更省電，延長蓄電池使用時間。目前獨(dú)立型直流電源的LED燈照明在應(yīng)用上幾個常見的缺點(diǎn) 1丄ED燈的亮度常使用脈寬調(diào)變(P麗)作調(diào)光，亮度選擇性只能越來越弱。2. 蓄電池幾乎為12V或24V甚至48V之深循環(huán)鉛酸電池，對于白 光LED (3.6V)燈組的驅(qū)動壓，產(chǎn)生不匹配問題，能耗損失大。3. 由于放電時蓄電池電壓一直往下降，LED燈光會逐漸暗去，無 法維持同一亮度。4. 常因太陽照度不良與節(jié)能因素，太陽能LED路燈長期處于昏暗照度，造成照明不佳的印象。5. 因蓄電池電壓變化，LED大部份時間并不處于LED最亮?xí)r刻。 此舉無法發(fā)揮LED的高亮度。此外， 一些系統(tǒng)除照明外，尚有短暫強(qiáng)光警告或強(qiáng)光需求，如圍 墻或牧場上夜間照明。有人侵入或野獸踐傷農(nóng)作物時，需強(qiáng)光警告與 探照。當(dāng)此短暫強(qiáng)光單獨(dú)使用蓄電池電源，將造成蓄電池壽命降低， 高功率電路組件需求增加等不利因素。所以本發(fā)明第二部份即揭露另 一種短暫強(qiáng)光型「獨(dú)立式直流電源之LED燈放電控制系統(tǒng)j，其關(guān)鍵處是加入一瞬間功率超電容電路。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提供一種獨(dú)立式直流電源之LED燈放電控制系統(tǒng)， 可使用于太陽能、風(fēng)力等各種再生能源之獨(dú)立式直流電源驅(qū)動LED燈 放電負(fù)載；并利用瞬間功率型的超電容其瞬間爆發(fā)的功率特性，供應(yīng) LED燈組。用以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的(1)隨獨(dú)立電源之電壓下降而造成LED燈光亮度變化，及獨(dú)立 電源之電壓與LED不匹配導(dǎo)致能耗高的問題；
(2)短暫強(qiáng)光單獨(dú)使用蓄電池電源造成蓄電池壽命降低，高功 率電路組件需求增加的問題。為了解決上述的第(1)問題，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案 一種獨(dú)立式直流電源之LED燈放電控制系統(tǒng)，其特征在于包含 一蓄電池供應(yīng)LED燈組負(fù)載主要電源；-智能型控制單元偵測蓄電池電壓、LED燈組負(fù)載電壓、電流 與溫度回授，并控制調(diào)整之；一時間設(shè)定器設(shè)定增亮與節(jié)能工作模式的時間； 一功率設(shè)定模塊設(shè)定增亮工作模式中不同燈串LED燈組的功率；一升降壓轉(zhuǎn)換器升降增亮工作模式中進(jìn)入LED燈組的電壓； 一LED燈組負(fù)載不同燈串的LED燈組數(shù)組； 一PWM點(diǎn)滅裝置脈寬調(diào)變驅(qū)動器對LED燈組調(diào)光節(jié)能。 所述的增亮工作模式的建立包括(1) 利用所述的功率設(shè)定模塊設(shè)定功率；(2) 利用所述的智能型的控制單元，依LED燈組負(fù)載情形，通 過升降轉(zhuǎn)換器將電壓調(diào)整至LED最亮電壓強(qiáng)度；(3) 利用所述的PWM點(diǎn)滅裝置對LED調(diào)光； 其中智能型的控制單元為一數(shù)字訊號處理器(DSP)，亦可為IC或類似電路模塊，用于偵控蓄電池電壓、LED燈組負(fù)載電壓、電流與溫 度回授，并控制調(diào)整之。所述的節(jié)能工作模式的建立包含(1) 定所述的PWM點(diǎn)滅裝置的工作周期；(2) 述的蓄電池直接輸送至LED燈組負(fù)載；(3) 述的P麗點(diǎn)滅裝置點(diǎn)亮輸出； 其中智能型的控制單元偵控蓄電池電壓與LED燈組負(fù)載電壓，不使蓄電池過放與LED燈組溫度過熱。
所述的蓄電池包括鉛酸電池、鎳氫、鎳鎘、鋰電池或其它各種一 次與二次電池。為了解決上述第(2)問題，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案是在上 述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上增加"瞬間功率超電容"而組成的可以發(fā)出強(qiáng)光 的技術(shù)方案，該技術(shù)方案還包括一瞬間功率超電容，連接在所述的升 降壓轉(zhuǎn)換器與LED燈組負(fù)載之間，用于累積電能，并通過所述的智能型控制單元的控制，利用瞬間功率型的超電容其瞬間爆發(fā)的功率特 性，供應(yīng)LED燈組。所述的瞬間功率超電容采用各種高能量密度與高功率密度之超 級電容，如釕氧超電容、金(碳)電容、金屬氧化物超電容、高分子超 電容及大電容量之鋁電解電容器。商業(yè)超電容概分成能量釋放型與瞬間功率型兩種，前者特性趨向 電池，以儲存能量為主。由于是物理儲能，其使用壽命與可靠度遠(yuǎn)比 化學(xué)反應(yīng)的電池來的高。而后者則以瞬間可提供強(qiáng)大功率為主，特性 類似電容器，具瞬間爆發(fā)的功率特性。本發(fā)明是以瞬間功率型超電容 電路，在短暫強(qiáng)光需求時，經(jīng)此電路將強(qiáng)大電能輸出到LED燈組，點(diǎn)亮之。綜合上述本發(fā)明的技術(shù)方案，其特色優(yōu)點(diǎn)在于1. 維持蓄電池電源之LED燈組最高亮度，不會燈光逐漸變暗問題；2. 避免蓄電池電源與LED燈組電壓不匹配因素，大幅度降低能耗與 發(fā)熱；3. 增亮與節(jié)能模式選擇時控，增加燈組使用需求彈性；4. 可適用不同電壓蓄電池與不同燈串的白光LED燈組；5. 可適時增亮LED燈組并適當(dāng)?shù)臑長ED節(jié)能調(diào)制；6. 本系統(tǒng)具電池過放與負(fù)載溫度過熱保護(hù)；7. 利用瞬間功率型的超電容輸出短暫強(qiáng)光；8. 平常為照明系統(tǒng)，必要時為警告、指示、導(dǎo)引與強(qiáng)光照明系統(tǒng)；9. 可為節(jié)能、增亮與短暫強(qiáng)光三種模態(tài)切換，增加使用選擇性。


圖1系為習(xí)用之太陽能LED照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖2系為本發(fā)明LED燈放電控制模式示意圖； 圖3(a)系習(xí)用3串白光LED燈組之12V鉛酸電池驅(qū)動電路示意圖； 圖3 (b)系本發(fā)明12V鉛酸電池驅(qū)動4串白光LED燈組電路示意圖； 圖4系本發(fā)明之普通實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)圖； 圖5為本發(fā)明之增亮與節(jié)能模式選擇之時控范例圖； 圖6是本發(fā)明之LED燈組最高亮度電壓設(shè)定電壓表； 圖7是本發(fā)明之短暫強(qiáng)光型實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的發(fā)明目的可以通過以下方式實(shí)現(xiàn)加入定高功率的控制，使放電系統(tǒng)有定功率的增亮模式與脈寬 調(diào)變的節(jié)能模式。如圖2,前者不受蓄電池電壓下降影響，放電系統(tǒng)將固定以LED 最亮所需功率放電，使LED燈組增亮。后者使用脈寬調(diào)變(PWM)技 術(shù)對LED調(diào)光，可大幅度節(jié)能。一、使用升降壓方式，解決蓄電池(鉛酸電池)電壓不匹配問題， 并減少能耗。中高功率獨(dú)立型直流電源系統(tǒng)普遍為深循環(huán)的鉛酸電池，LED 燈照明系統(tǒng)幾乎全為鉛酸電池系統(tǒng),其電壓為12V或24V甚至48V, 而單顆白光LED順向電壓為3.6V。因此鉛酸電池與白光LED燈組在 電壓上產(chǎn)生不匹配，必須以電阻能耗解決。例如圖3(a),目前12V的 鉛酸電池其電壓匹配是白光LED 5燈組3個串聯(lián)，3串白光LED 5 燈組電壓-3.6VX 3-10.8V,其間電壓差1.2丫就以電阻6消耗之。
此處電壓的不匹配，造成大能耗，且12V的鉛酸電池在放電過程中， 電壓會往下降。本創(chuàng)作發(fā)明「獨(dú)立式直流電源之LED燈放電控制系 統(tǒng)」，圖3(b)是以升壓轉(zhuǎn)換器8或降壓轉(zhuǎn)換器，將鉛酸電池不匹配電 壓，調(diào)整成匹配電壓，降低能耗。如上述解決能耗問題，是將鉛酸電 池升壓至14.4V驅(qū)動4串白光LED燈組(其電壓=3.6VX 4=14.4V)， 不僅可解決能耗，也使LED燈組增亮。此外，另一個方法，即將鉛 酸電池降壓10.8V，驅(qū)動3串白光LED燈組。兩者皆無電阻能耗問題, 但升壓比降壓效率高且亮度增加，本創(chuàng)作發(fā)明以前者為優(yōu)先考慮。二、實(shí)時監(jiān)測蓄電池電壓并隨時調(diào)整輸出，以維持固定之高功率 輸出。獨(dú)立型直流電源因持續(xù)的放電，電壓不斷的降低，LED燈組會 逐漸暗去，無法維持同一亮度。又若太陽光度弱，路燈會長期處于昏 暗照度，造成使用者照明不佳的印象。而且對于LED而言LED大部 份時間并不處于LED最亮?xí)r刻。此舉會造成無法發(fā)揮LED的高亮度。 所以問題都指向同一原因，蓄電池的電壓是隨著時間漸減而非固定 值。以12V的鉛酸電池而言，滿充時可達(dá)到16V,放電多為13.8 ~11V 之間。要維持同一亮度或使LED處于最亮?xí)r刻，必須隨時偵測鉛酸 電池電壓并變化調(diào)整電壓，維持相同功率。本發(fā)明的第一實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括獨(dú)立直流電源 鉛酸電池7，其電能可來自太陽能、風(fēng)力或再生能源，甚至各種可充 電電源，常見電壓為12、 24或48V。以12V鉛酸電池為例，滿充時 可達(dá)到16V,放電多為13.8 11V間。在所有放電歷程中，智能型 的控制單元9隨時偵査鉛酸電池7的電壓，當(dāng)電壓小于11.8V時即 斷電保護(hù)。以時間設(shè)定器10設(shè)置增亮與節(jié)能所需的時間，例如圖5 所示之二十種時控方法，可從全增亮到全節(jié)能選擇點(diǎn)燈的模式。電池電壓14.4 12.8V區(qū)間，系統(tǒng)可選擇增亮模式，經(jīng)功率設(shè)定 模塊11設(shè)定功率,而智能型的控制單元9依LED燈組負(fù)載14的情形，
控制升降轉(zhuǎn)換器12將電壓調(diào)整至LED最亮電壓強(qiáng)度，如圖6所示。 當(dāng)鉛酸電池7的電壓因放電而下降，經(jīng)電壓回授13與LED燈組負(fù)載 14上的電流回授15到智能型的控制單元9，再度調(diào)整控制升降轉(zhuǎn)換 器12,維持對LED燈組負(fù)載14的固定功率輸出。此LED燈組負(fù)載14 輸出時的溫度值可由溫度回授16傳送到智能型的控制單元9,如過 熱會降壓或卸載。最后再經(jīng)可設(shè)定的PWM點(diǎn)滅裝置17,點(diǎn)亮輸出。電池電壓14. 4 11. 8V區(qū)間，系統(tǒng)可選擇節(jié)能模式或電池電壓在 12.8 11.8V之間，系統(tǒng)會強(qiáng)迫進(jìn)入節(jié)能模式，以保護(hù)電池。此時升 降轉(zhuǎn)換器12將不工作，僅作為通路，將鉛酸電池7的電力直接輸送 到LED燈組負(fù)載14,再經(jīng)可設(shè)定的PWM點(diǎn)滅裝置17,點(diǎn)亮輸出。本發(fā)明第二實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)如圖7所示，該實(shí)施例用于有短暫強(qiáng) 光需求的場合。在所述的升降壓轉(zhuǎn)換器12與LED燈組負(fù)載14之間 連接一瞬間功率超電容及驅(qū)動模塊18，該瞬間功率超電容及驅(qū)動模 塊18是以瞬間功率超電容為主體加上輔助電路，用于累積電能， 并通過所述的智能型控制單元9的控制，將所累積的電能瞬間輸出 驅(qū)動強(qiáng)光LED燈組14。其瞬間功率超電容可以儲存累積電能，而輔 助電路可以使超電容得以瞬間強(qiáng)光放電。所述的輔助電路為現(xiàn)有技 術(shù)(申請?zhí)?00620122486. 7、發(fā)明名稱為"超電容發(fā)光二極管閃光系統(tǒng)"的專利電路)。所述的瞬間功率超電容18采用各種高能量密度與高功率密度之 超級電容，如釕氧超電容、金(碳)電容、金屬氧化物超電容、高分子 超電容及大電容量之鋁電解電容器。升降壓轉(zhuǎn)換器12后，進(jìn)入瞬間功率型的超電容強(qiáng)光模塊18,累
積增亮電能，再經(jīng)可設(shè)定的P麗點(diǎn)滅裝置17，點(diǎn)亮輸出,
權(quán)利要求
1. 一種獨(dú)立式直流電源之LED燈放電控制系統(tǒng)，其特征在于包括一蓄電池供應(yīng)LED燈組負(fù)載主要電源；一智能型控制單元用于偵測所述的蓄電池的輸出電壓和LED燈 組負(fù)載的電壓、電流及溫度反饋信號，并根據(jù)所偵測到的相關(guān)信息， 通過一升降壓轉(zhuǎn)換器控制調(diào)整該LED燈組負(fù)載的電壓、電流；一時間設(shè)定器設(shè)定LED燈組負(fù)載處于增亮工作模式與節(jié)能工作 模式的時間，與所述的智能型控制單元的一個輸入端連接；一功率設(shè)定模塊:設(shè)定所述的增亮工作模式中不同燈串LED燈組的功率，與與所述的智能型控制單元的一個輸入端連接；一所述的升降壓轉(zhuǎn)換器受所述的智能型控制單元的控制，調(diào)整所述的增亮工作模式中施加在LED燈組的電壓； 一LED燈組負(fù)載不同燈串的LED燈組數(shù)組；一PWM點(diǎn)滅裝置是一種脈寬調(diào)變驅(qū)動器，受所述的智能型控制 單元的控制，通過調(diào)整LED燈組負(fù)載的電流，對該LED燈組調(diào)光節(jié)能。
2. 根據(jù)權(quán)要求1所述的獨(dú)立式直流電源之LED燈放電控制系統(tǒng)， 其特征在于所述的增亮工作狀態(tài)是通過以下裝置建立的(1) 利用所述的功率設(shè)定模塊設(shè)定功率；并且(2) 利用所述的智能型的控制單元，依LED燈組負(fù)載情形，通過升 降轉(zhuǎn)換器將電壓調(diào)整至LED最亮電壓強(qiáng)度；而且(3) 利用所述的PWM點(diǎn)滅裝置對LED調(diào)光； 其中智能型的控制單元為一數(shù)字訊號處理器(DSP),亦可為IC或類似電路模塊，用于偵控蓄電池電壓、LED燈組負(fù)載電壓、電流與溫 度回授，并控制調(diào)整之。
3. 根據(jù)權(quán)要求1所述的獨(dú)立式直流電源之LED燈放電控制系統(tǒng)， 其特征在于所述的節(jié)能工作模式是通過以下裝置建立的(1) 設(shè)定所述的P醫(yī)點(diǎn)滅裝置的工作周期；(2) 所述的蓄電池直接輸送至LED燈組負(fù)載；(3) 所述的P麗點(diǎn)滅裝置點(diǎn)亮輸出； 其中智能型的控制單元偵控蓄電池電壓與LED燈組負(fù)載電壓，不使蓄電池過放與LED燈組溫度過熱。
4. 根據(jù)權(quán)要求1所述的獨(dú)立式直流電源之LED燈放電控制系統(tǒng)， 其特征在于所述的蓄電池包括鉛酸電池、鎳氫、鎳鎘、鋰電池或其 它各種一次與二次電池。
5. 根據(jù)權(quán)要求1 4任何一項(xiàng)所述的獨(dú)立式直流電源之LED燈放 電控制系統(tǒng)，其特征在于還包括一瞬間功率超電容及驅(qū)動模塊，連 接在所述的升降壓轉(zhuǎn)換器與LED燈組負(fù)載之間，用于累積電能，并通過所述的智能型控制單元的控制，將所累積的電能瞬間輸出驅(qū)動強(qiáng)光 LED燈組。
6. 根據(jù)權(quán)要求5所述的獨(dú)立式直流電源之LED燈放電控制系統(tǒng)， 其特征在于所述的瞬間功率超電容采用各種高能量密度與高功率密 度之超級電容，如釕氧超電容、金(碳)電容、金屬氧化物超電容、高 分子超電容及大電容量之鋁電解電容器。
全文摘要
本發(fā)明公開一種獨(dú)立式直流電源之LED燈放電控制系統(tǒng)，屬于太陽能、風(fēng)力等再生能源與LED及超級電容技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明實(shí)時監(jiān)測蓄電池電壓，使用升降壓方式調(diào)整輸出，達(dá)到固定高功率驅(qū)動LED燈串負(fù)載的目的?？删S持LED燈組最高亮度，不會有燈光逐漸變暗情況。并解決蓄電池與LED之間電壓不匹配問題，減少能耗與發(fā)熱困擾。本發(fā)明LED燈組則有亮度增亮模式與PWM調(diào)光的節(jié)能模式智能選擇。而超級電容器的置入，可瞬間強(qiáng)光照明輸出，對于警告、指示與導(dǎo)引有其重要應(yīng)用。
文檔編號H05B37/02GK101146388SQ20071015155
公開日2008年3月19日 申請日期2007年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月3日
發(fā)明者孫實(shí)鈞, 孫民興, 張榮锜 申請人:孫民興