专利名称：独立式直流电源之led灯放电控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种独立式直流电源之LED灯放电控制系统，属于太 阳能、风力等再生能源与LED及超级电容技术领域。
背景技术：
太阳能产生的直流电源所驱动的LED照明具有独立、不须挖沟 布线与设置弹性而且不须维护的优势。现己成为LED路灯照明、LED 警示与LED指示的重要电源系统。广泛用于次要道路、公园、小区、 游乐区的路灯照明以及LED交通指示与警示标志。而LED照明的电源分成市电的交流电与太阳能产生的直流电源， 由于LED为单向导通负载，所以一般将交流电降压转为直流电源，才 能驱动LED灯组。市电的交流电由电厂供应，其电压与电流供应可为 恒定。而太阳能产生的直流电源，其电能是蓄积于电池中，当驱动负 载时，由电池供应。传统的太阳能LED照明系统，如图1,包括太阳能板(太阳能电 池)1、充放电控制器2 (充电控制与放电控制)、蓄电池3与LED负 载4等四大部份。太阳能板1是光电转换组件，外界的光照射于太 阳能板上产生电流。充电控制是将太阳能板的电流，导入蓄电池3 中。而蓄电池是储能组件， 一般是铅酸电池、镍氢电池等充电电池。 放电控制则是主宰电池驱动LED负载4的主要组件。将太阳能LED照明系统结构，简化成系统充电与放电两区块。 系统充电是有关于太阳能系统能量的取得，而放电是指LED负载发光 的情况。今日一些提升充电效率的方法，如最大功率追踪法(台湾专 利00430130)、聚光(台湾专利1277772)与集光(台湾专利M300793) 系统，不断的改善电能的取得效率。而放电方面，则往LED节能(中 国专利CN2696266Y)与调节亮度(中国专利200520018060. 2)方向研发。使LED更省电，延长蓄电池使用时间。目前独立型直流电源的LED灯照明在应用上几个常见的缺点 1丄ED灯的亮度常使用脉宽调变(P丽)作调光，亮度选择性只能越来越弱。2. 蓄电池几乎为12V或24V甚至48V之深循环铅酸电池，对于白 光LED (3.6V)灯组的驱动压，产生不匹配问题，能耗损失大。3. 由于放电时蓄电池电压一直往下降，LED灯光会逐渐暗去，无 法维持同一亮度。4. 常因太阳照度不良与节能因素，太阳能LED路灯长期处于昏暗照度，造成照明不佳的印象。5. 因蓄电池电压变化，LED大部份时间并不处于LED最亮时刻。 此举无法发挥LED的高亮度。此外， 一些系统除照明外，尚有短暂强光警告或强光需求，如围 墙或牧场上夜间照明。有人侵入或野兽践伤农作物时，需强光警告与 探照。当此短暂强光单独使用蓄电池电源，将造成蓄电池寿命降低， 高功率电路组件需求增加等不利因素。所以本发明第二部份即揭露另 一种短暂强光型「独立式直流电源之LED灯放电控制系统j，其关键处是加入一瞬间功率超电容电路。 发明内容本发明目的是提供一种独立式直流电源之LED灯放电控制系统， 可使用于太阳能、风力等各种再生能源之独立式直流电源驱动LED灯 放电负载；并利用瞬间功率型的超电容其瞬间爆发的功率特性，供应 LED灯组。用以解决现有技术存在的(1)随独立电源之电压下降而造成LED灯光亮度变化，及独立 电源之电压与LED不匹配导致能耗高的问题；
(2)短暂强光单独使用蓄电池电源造成蓄电池寿命降低，高功 率电路组件需求增加的问题。为了解决上述的第(1)问题，本发明采取以下技术方案 一种独立式直流电源之LED灯放电控制系统，其特征在于包含 一蓄电池供应LED灯组负载主要电源；-智能型控制单元侦测蓄电池电压、LED灯组负载电压、电流 与温度回授，并控制调整之；一时间设定器设定增亮与节能工作模式的时间； 一功率设定模块设定增亮工作模式中不同灯串LED灯组的功率；一升降压转换器升降增亮工作模式中进入LED灯组的电压； 一LED灯组负载不同灯串的LED灯组数组； 一PWM点灭装置脉宽调变驱动器对LED灯组调光节能。 所述的增亮工作模式的建立包括(1) 利用所述的功率设定模块设定功率；(2) 利用所述的智能型的控制单元，依LED灯组负载情形，通 过升降转换器将电压调整至LED最亮电压强度；(3) 利用所述的PWM点灭装置对LED调光； 其中智能型的控制单元为一数字讯号处理器(DSP)，亦可为IC或类似电路模块，用于侦控蓄电池电压、LED灯组负载电压、电流与温 度回授，并控制调整之。所述的节能工作模式的建立包含(1) 定所述的PWM点灭装置的工作周期；(2) 述的蓄电池直接输送至LED灯组负载；(3) 述的P丽点灭装置点亮输出； 其中智能型的控制单元侦控蓄电池电压与LED灯组负载电压，不使蓄电池过放与LED灯组温度过热。
所述的蓄电池包括铅酸电池、镍氢、镍镉、锂电池或其它各种一 次与二次电池。为了解决上述第(2)问题，本发明采取以下技术方案是在上 述技术方案的基础上增加"瞬间功率超电容"而组成的可以发出强光 的技术方案，该技术方案还包括一瞬间功率超电容，连接在所述的升 降压转换器与LED灯组负载之间，用于累积电能，并通过所述的智能型控制单元的控制，利用瞬间功率型的超电容其瞬间爆发的功率特 性，供应LED灯组。所述的瞬间功率超电容采用各种高能量密度与高功率密度之超 级电容，如钌氧超电容、金(碳)电容、金属氧化物超电容、高分子超 电容及大电容量之铝电解电容器。商业超电容概分成能量释放型与瞬间功率型两种，前者特性趋向 电池，以储存能量为主。由于是物理储能，其使用寿命与可靠度远比 化学反应的电池来的高。而后者则以瞬间可提供强大功率为主，特性 类似电容器，具瞬间爆发的功率特性。本发明是以瞬间功率型超电容 电路，在短暂强光需求时，经此电路将强大电能输出到LED灯组，点亮之。综合上述本发明的技术方案，其特色优点在于1. 维持蓄电池电源之LED灯组最高亮度，不会灯光逐渐变暗问题；2. 避免蓄电池电源与LED灯组电压不匹配因素，大幅度降低能耗与 发热；3. 增亮与节能模式选择时控，增加灯组使用需求弹性；4. 可适用不同电压蓄电池与不同灯串的白光LED灯组；5. 可适时增亮LED灯组并适当的为LED节能调制；6. 本系统具电池过放与负载温度过热保护；7. 利用瞬间功率型的超电容输出短暂强光；8. 平常为照明系统，必要时为警告、指示、导引与强光照明系统；9. 可为节能、增亮与短暂强光三种模态切换，增加使用选择性。
图1系为习用之太阳能LED照明系统结构图； 图2系为本发明LED灯放电控制模式示意图； 图3(a)系习用3串白光LED灯组之12V铅酸电池驱动电路示意图； 图3 (b)系本发明12V铅酸电池驱动4串白光LED灯组电路示意图； 图4系本发明之普通实施例的电路结构图； 图5为本发明之增亮与节能模式选择之时控范例图； 图6是本发明之LED灯组最高亮度电压设定电压表； 图7是本发明之短暂强光型实施例的电路结构图。
具体实施方式
本发明的发明目的可以通过以下方式实现加入定高功率的控制，使放电系统有定功率的增亮模式与脉宽 调变的节能模式。如图2,前者不受蓄电池电压下降影响，放电系统将固定以LED 最亮所需功率放电，使LED灯组增亮。后者使用脉宽调变(PWM)技 术对LED调光，可大幅度节能。一、使用升降压方式，解决蓄电池(铅酸电池)电压不匹配问题， 并减少能耗。中高功率独立型直流电源系统普遍为深循环的铅酸电池，LED 灯照明系统几乎全为铅酸电池系统,其电压为12V或24V甚至48V, 而单颗白光LED顺向电压为3.6V。因此铅酸电池与白光LED灯组在 电压上产生不匹配，必须以电阻能耗解决。例如图3(a),目前12V的 铅酸电池其电压匹配是白光LED 5灯组3个串联，3串白光LED 5 灯组电压-3.6VX 3-10.8V,其间电压差1.2丫就以电阻6消耗之。
此处电压的不匹配，造成大能耗，且12V的铅酸电池在放电过程中， 电压会往下降。本创作发明「独立式直流电源之LED灯放电控制系 统」，图3(b)是以升压转换器8或降压转换器，将铅酸电池不匹配电 压，调整成匹配电压，降低能耗。如上述解决能耗问题，是将铅酸电 池升压至14.4V驱动4串白光LED灯组(其电压=3.6VX 4=14.4V)， 不仅可解决能耗，也使LED灯组增亮。此外，另一个方法，即将铅 酸电池降压10.8V，驱动3串白光LED灯组。两者皆无电阻能耗问题, 但升压比降压效率高且亮度增加，本创作发明以前者为优先考虑。二、实时监测蓄电池电压并随时调整输出，以维持固定之高功率 输出。独立型直流电源因持续的放电，电压不断的降低，LED灯组会 逐渐暗去，无法维持同一亮度。又若太阳光度弱，路灯会长期处于昏 暗照度，造成使用者照明不佳的印象。而且对于LED而言LED大部 份时间并不处于LED最亮时刻。此举会造成无法发挥LED的高亮度。 所以问题都指向同一原因，蓄电池的电压是随着时间渐减而非固定 值。以12V的铅酸电池而言，满充时可达到16V,放电多为13.8 ~11V 之间。要维持同一亮度或使LED处于最亮时刻，必须随时侦测铅酸 电池电压并变化调整电压，维持相同功率。本发明的第一实施例的电路结构如图4所示，包括独立直流电源 铅酸电池7，其电能可来自太阳能、风力或再生能源，甚至各种可充 电电源，常见电压为12、 24或48V。以12V铅酸电池为例，满充时 可达到16V,放电多为13.8 11V间。在所有放电历程中，智能型 的控制单元9随时侦査铅酸电池7的电压，当电压小于11.8V时即 断电保护。以时间设定器10设置增亮与节能所需的时间，例如图5 所示之二十种时控方法，可从全增亮到全节能选择点灯的模式。电池电压14.4 12.8V区间，系统可选择增亮模式，经功率设定 模块11设定功率,而智能型的控制单元9依LED灯组负载14的情形，
控制升降转换器12将电压调整至LED最亮电压强度，如图6所示。 当铅酸电池7的电压因放电而下降，经电压回授13与LED灯组负载 14上的电流回授15到智能型的控制单元9，再度调整控制升降转换 器12,维持对LED灯组负载14的固定功率输出。此LED灯组负载14 输出时的温度值可由温度回授16传送到智能型的控制单元9,如过 热会降压或卸载。最后再经可设定的PWM点灭装置17,点亮输出。电池电压14. 4 11. 8V区间，系统可选择节能模式或电池电压在 12.8 11.8V之间，系统会强迫进入节能模式，以保护电池。此时升 降转换器12将不工作，仅作为通路，将铅酸电池7的电力直接输送 到LED灯组负载14,再经可设定的PWM点灭装置17,点亮输出。本发明第二实施例的电路结构如图7所示，该实施例用于有短暂强 光需求的场合。在所述的升降压转换器12与LED灯组负载14之间 连接一瞬间功率超电容及驱动模块18，该瞬间功率超电容及驱动模 块18是以瞬间功率超电容为主体加上辅助电路，用于累积电能， 并通过所述的智能型控制单元9的控制，将所累积的电能瞬间输出 驱动强光LED灯组14。其瞬间功率超电容可以储存累积电能，而辅 助电路可以使超电容得以瞬间强光放电。所述的辅助电路为现有技 术(申请号200620122486. 7、发明名称为"超电容发光二极管闪光系统"的专利电路)。所述的瞬间功率超电容18采用各种高能量密度与高功率密度之 超级电容，如钌氧超电容、金(碳)电容、金属氧化物超电容、高分子 超电容及大电容量之铝电解电容器。升降压转换器12后，进入瞬间功率型的超电容强光模块18,累
积增亮电能，再经可设定的P丽点灭装置17，点亮输出,
权利要求
1. 一种独立式直流电源之LED灯放电控制系统，其特征在于包括一蓄电池供应LED灯组负载主要电源；一智能型控制单元用于侦测所述的蓄电池的输出电压和LED灯 组负载的电压、电流及温度反馈信号，并根据所侦测到的相关信息， 通过一升降压转换器控制调整该LED灯组负载的电压、电流；一时间设定器设定LED灯组负载处于增亮工作模式与节能工作 模式的时间，与所述的智能型控制单元的一个输入端连接；一功率设定模块:设定所述的增亮工作模式中不同灯串LED灯组的功率，与与所述的智能型控制单元的一个输入端连接；一所述的升降压转换器受所述的智能型控制单元的控制，调整所述的增亮工作模式中施加在LED灯组的电压； 一LED灯组负载不同灯串的LED灯组数组；一PWM点灭装置是一种脉宽调变驱动器，受所述的智能型控制 单元的控制，通过调整LED灯组负载的电流，对该LED灯组调光节能。
2. 根据权要求1所述的独立式直流电源之LED灯放电控制系统， 其特征在于所述的增亮工作状态是通过以下装置建立的(1) 利用所述的功率设定模块设定功率；并且(2) 利用所述的智能型的控制单元，依LED灯组负载情形，通过升 降转换器将电压调整至LED最亮电压强度；而且(3) 利用所述的PWM点灭装置对LED调光； 其中智能型的控制单元为一数字讯号处理器(DSP),亦可为IC或类似电路模块，用于侦控蓄电池电压、LED灯组负载电压、电流与温 度回授，并控制调整之。
3. 根据权要求1所述的独立式直流电源之LED灯放电控制系统， 其特征在于所述的节能工作模式是通过以下装置建立的(1) 设定所述的P醫点灭装置的工作周期；(2) 所述的蓄电池直接输送至LED灯组负载；(3) 所述的P丽点灭装置点亮输出； 其中智能型的控制单元侦控蓄电池电压与LED灯组负载电压，不使蓄电池过放与LED灯组温度过热。
4. 根据权要求1所述的独立式直流电源之LED灯放电控制系统， 其特征在于所述的蓄电池包括铅酸电池、镍氢、镍镉、锂电池或其 它各种一次与二次电池。
5. 根据权要求1 4任何一项所述的独立式直流电源之LED灯放 电控制系统，其特征在于还包括一瞬间功率超电容及驱动模块，连 接在所述的升降压转换器与LED灯组负载之间，用于累积电能，并通过所述的智能型控制单元的控制，将所累积的电能瞬间输出驱动强光 LED灯组。
6. 根据权要求5所述的独立式直流电源之LED灯放电控制系统， 其特征在于所述的瞬间功率超电容采用各种高能量密度与高功率密 度之超级电容，如钌氧超电容、金(碳)电容、金属氧化物超电容、高 分子超电容及大电容量之铝电解电容器。
全文摘要
本发明公开一种独立式直流电源之LED灯放电控制系统，属于太阳能、风力等再生能源与LED及超级电容技术领域。本发明实时监测蓄电池电压，使用升降压方式调整输出，达到固定高功率驱动LED灯串负载的目的。可维持LED灯组最高亮度，不会有灯光逐渐变暗情况。并解决蓄电池与LED之间电压不匹配问题，减少能耗与发热困扰。本发明LED灯组则有亮度增亮模式与PWM调光的节能模式智能选择。而超级电容器的置入，可瞬间强光照明输出，对于警告、指示与导引有其重要应用。
文档编号H05B37/02GK101146388SQ20071015155
公开日2008年3月19日 申请日期2007年12月3日 优先权日2007年12月3日
发明者孙实钧, 孙民兴, 张荣锜 申请人:孙民兴