LED照明系统及其方法与流程

对相关申请的引用

本专利申请要求于2017年9月20日提交的美国临时专利申请62/560,780的权益，该临时专利申请的全部内容通过引用结合在此。

本公开涉及照明系统，尤其涉及一种使用功率转换器的发光二极管(led)路灯系统，以及一种控制该系统的led并为其供电的方法。

背景技术：

发光二极管(led)是众所周知的，并已广泛用于许多行业，主要用作低功率发光指示灯。近年来，已经开发了具有更高功率输出或更高发光强度的led，并将其用于照明。例如，led灯具有更高能效、安全性和可靠性，正在取代市场上其他类型的灯，例如白炽灯、紧凑型荧光灯(cfl)等。由于日常照明极大地增加了电网负担，并大大增加了对于发电的总体需求，因此led的能效在将来的节能中会发挥关键作用。led可能会因其卓越的能效而主导照明市场。

高效的led已经取代了路灯的传统照明方案。由于led提供的各种优势(例如高光强度、高能效和高可靠性)，led路灯是一个快速发展的行业。由于led路灯需要能够在恶劣天气条件下长时间在室外运行，因此其可靠性和坚固性至关重要。

可再生能源系统和储能系统已用于路灯系统。例如，现有技术的路灯系统通常包括用于收集太阳能的光伏(pv)面板和用于存储所收集的能量的电池。电池在白天接收并存储通过光伏面板从太阳能转换而来的电能，并在晚上为led灯供电。

图1是示出具有pv面板12和电池14的现有技术led路灯系统10的示意图。如图所示，led路灯系统10包括安装在灯杆18上的led灯16。led灯16通常通过功率转换器(未示出)连接至电池14。pv面板12也连接至电池14，以在白天为电池14充电。led路灯系统10还可包括交流(ac)电源输入，例如用于为led灯16供电的交流公用电网(未示出)。

电池14有低温变化。此外，由于电池14的重量较重，因此通常将其置于地面上或地下。但是，这种布置需要在电池14与led灯16之间以及电池14与pv面板12之间使用长接线。长接线可能会导致电阻增大，并且长接线会增加无用功耗。由于大功率led灯(例如高速公路灯)的电池电压较低且电流较大，因此这一问题对于大功率led灯尤为明显。

图2是图1所示的现有技术led路灯系统10的框图。如图所示，led路灯系统10包括多个功率转换器。尤其是，第一直流(dc)/直流转换器(dc/dc转换器)24将pv面板12的输出转换成适合于给电池14充电的直流电源。第一dc/dc转换器24可在适用条件下使用最大功率点跟踪(mppt)来从pv面板12收集最大可用功率。

电池14经由第二dc/dc转换器26连接至led路灯16。第二dc/dc转换器26将电池26的直流输出转换为适合于led16的电压/电流。

如果在电池14中存储的能量不足，则led路灯16还由交流电源22通过ac/dc转换器28供电。

现有技术led路灯系统面临着各种挑战和困难。例如，

·电池14与其他组件(例如led灯16和pv面板12)之间的长接线导致严重的功率损失。因此，路灯系统的总体能效通常很差；

·系统需要多个功率转换器，例如图2所示的功率转换器24、26和28，从而导致系统复杂性增加，成本增加、并且可靠性降低；和

·当电池14中存储的能量不够时需要公用电网22为系统供电，从而导致公用电网22的能量需求负担。

技术实现要素：

根据本公开的一个方面，公开了一种照明系统。该照明系统包括太阳能板、电池组件，具有布置为多个照明群的多个照明装置的照明组件、以及多输入功率转换器，该多输入功率转换器电耦合至太阳能板、电池组件和照明组件，以使用电池组件和/或太阳能板为照明组件供电，并使用太阳能板为电池组件充电。在使用电池组件为照明组件供电时，多输入电源转换器工作，以确定为照明组件供电的所需时间，确定电池组件的功率水平，根据电池组件的功率水平和所需时间计算所需功率消耗速率，并将多个照明群中的一个或多个照明群电连接至电池组，以使多个照明群中的一个或多个照明群的功率消耗速等于或大约为所需耗电速率。

在一些实施例中，所述照明装置包括发光二极管(led)。

在一些实施例中，太阳能板、电池组件、照明组件和多输入功率转换器在空间上彼此靠近。

根据本公开的一个方面，公开了一种照明系统。该照明系统包括：具有太阳能板和电池组件的电源；具有布置为多个照明群的多个照明装置的照明组件，该照明组件具有预定的最大功率；以及多输入功率转换器，该多输入功率转换器电耦合至电源和照明组件，以使用电源组件为照明组件供电，并使用太阳能板为电池组件充电。所述多输入功率转换器配置为用于：确定具有可预测的时间长度的时间段的开始，在该时间段内，通过电池组件对照明组件供电，并且不使用太阳能板对电池组件充电；确定该时间段的长度；确定电池组件中的存储能量水平；根据电池组件中的存储能量水平和所述时间段长度计算功率上限；将该功率上限与照明组件的最大功率比较，并选择照明群的至少一个如下子集：其具有小于或等于计算的功率上限的总功率；并使用电池组件为选定的照明群供电。

在一些实施例中，所述比较和选择步骤包括：将功率上限与照明组件的最大功率进行比较，并选择照明群的至少一个如下子集：其具有总功率在照明群的所有组合中最大且小于或等于计算的功率上限。

在一些实施例中，所述比较和选择步骤包括：若功率上限小于照明群的最小功率，则选择具有最小功率的照明群。

在一些实施例中，所述照明系统还包括时钟；并且所述确定时间段的开始的操作包括：至少使用时钟来确定时间段的开始。

在一些实施例中，所述确定时间段的长度的操作包括：至少使用时钟来确定时间段的长度。

在一些实施例中，所述照明系统还包括光传感器；并且所述确定时间段的开始的操作包括：至少使用所述光传感器确定时间段的开始。

在一些实施例中，所述确定时间段的长度的操作包括：至少使用所述光传感器来确定时间段的长度。

在一些实施例中，所述照明装置包括发光二极管(led)。

在一些实施例中，太阳能板、电池组件、照明组件和多输入功率转换器在空间上处于彼此相邻的位置。

在一些实施例中，所述照明系统还包括用于耦合至交流电源并有选择性地为照明组件供电的交流(ac)功率输入。

根据本公开的一个方面，公开了一种用于使用电池组件为照明组件供电的方法。该照明组件包括布置为多个照明群的多个照明装置。该电池组件可由太阳能板充电。所述方法包括：确定具有可预测的时间长度的时间段的开始，在该时间段内，通过电池组件对照明组件供电，并且不使用太阳能板对电池组件充电；确定该时间段的长度；确定电池组件中的存储能量水平；根据电池组件中的存储能量水平和所述时间段长度计算功率上限；将该功率上限与照明组件的最大功率比较，并选择照明群的至少一个如下子集：其具有小于或等于计算的功率上限的总功率；并使用电池组件为选定的照明群供电。

在一些实施例中，所述比较和选择步骤包括：将功率上限与照明组件的最大功率进行比较，并选择照明群的至少一个如下子集：其具有总功率在照明群的所有组合中最大且小于或等于计算的功率上限。

在一些实施例中，所述比较和选择步骤包括：若功率上限小于照明群的最小功率，则选择具有最小功率的照明群。

在一些实施例中，所述确定时间段的开始的操作包括：至少使用时钟来确定时间段的开始。

在一些实施例中，所述确定时间段的长度的操作包括：至少使用时钟来确定时间段的长度。

在一些实施例中，所述确定时间段的开始的操作包括：至少使用光传感器来确定时间段的开始。

在一些实施例中，所述确定时间段的长度的操作包括：至少使用所述光传感器来确定时间段的长度。

附图说明

现在将参照以下附图说明本公开的实施例，其中，不同附图中的相同附图标记指示相同的元件，在附图中：

图1是具有太阳能板和电池组件的现有技术路灯系统的示意图；

图2是图1所示的现有技术led路灯系统的框图；

图3是本公开的一些实施例的led照明系统的示意图；

图4a是图3所示的led照明系统的供电和照明组件的示意性透视图；

图4b是图4a中所示的供电和照明组件的示意性横截面图，该供电和照明组件包括太阳能板、电池组件、布置为多个led照明群的多个led、以及其他组件；

图5是图4a所示的供电和照明组件的框图；

图6是图4a所示的供电和照明组件的电路图；

图7是示出在夜间使用电池组件有选择性地为一个或多个led照明群供电的照明过程步骤的流程图；

图8是本公开的一些替代实施例的具有交流(ac)输入的如图4a所示的供电和照明组件的框图；

图9是图8所示的供电和照明组件的电路图；和

图10示出了图9的电路图，其中，该电路设置为使用交流输入为led组件供电。

具体实施方式

本文中的实施例公开了一种led照明系统，该led照明系统在一些实施例中可以是led路灯。本文公开的led照明系统包括多个电源(也可互换地表示为能量源)、多输入功率转换器和多个led。本文公开的led照明系统以有效的方式为led供电。

在一些实施例中，本文公开的led照明系统是具有多输入功率转换器的集成led照明系统，该多输入功率转换器用于从多个能量源有效地输送功率。

即使在电池组件具有较低功率时，所述多输入功率转换器也根据实现长时间照明操作的需求(稍后说明)自适应地调节输出至led的功率，从而提高了led照明系统的可靠性和灵活性。在一些实施例中，本文公开的led照明系统还包括各种辅助传感器，例如光传感器、摄像头、运动传感器等。

现在请转到图3，其中示出了本公开的一些实施例的led照明系统，并且该led照明系统通常使用附图标记100来标识。这些实施例中的led照明系统100是led路灯系统，并且包括结合至灯杆104的供电和照明组件102。

如图4a和4b所示，供电和照明组件102包括光伏(pv)面板104、能量存储装置106(例如具有一个或多个电池单元的电池组件)、多输入功率转换器108、以及具有多个led112的led组件110。所有这些组件104至110集成在一起，电池组件106和多输入功率转换器108夹在pv面板104与led组件110之间，从而避免了从电池组件106进行较长的接线。在这些实施例中，集成的供电和照明组件102还包括一个或多个传感器(未示出)。

本领域的技术人员应理解，集成供电和照明组件102可被封闭在壳体(未示出)内，pv面板104面向该壳体的透明部分以接收穿过该透明部分的日光，并且led组件110面对壳体的另一个透明部分，以提供照明源。

图5是供电和照明组件102的框图。如图所示，多输入功率转换器108使用来自太阳能板104和/或电池组件106的能量在选定的时间段为led组件110供电，并使用来自太阳能板104的能量为电池组件106充电。多输入功率转换器108还从传感器122(一个或多个光传感器、摄像头和运动传感器)接收传感器数据，并使用接收到的传感器数据来管理电池组件106的充电和led组件110的供电。

图6是供电和照明组件102的电路图。如图所示，组件110的led112布置为多个led照明群或列114。每个led照明群114由多输入功率转换器108(稍后说明)的组开关132控制。led112的分组可按照任何适当的标准或者根据期望或需要进行。例如，在这些实施例中，led112的分组根据每个led照明群114的照明高于最低照明水平的要求。

在此实施例中，多输入功率转换器108是开关dc/dc功率转换器。多输入功率转换器108包括电感器134，例如铜芯电感器，该电感器用于处理从太阳能板104获得的功率和通过电池组件106的功率。多输入功率转换器108还包括由控制器152控制的一组控制开关142至148，并且以预定的高频率操作(即，接通/断开)，以对电池组件106充电并为led112供电。

尤其是，控制器152从光传感器122接收上述传感器数据，并根据接收的传感器数据配置组开关132和控制开关142至148，以对电池组件106进行充电并调节led组件110的照明。控制器152对控制开关142和146进行控制，以按预定频率接通/断开(或闭合/断开)，开关142和146的选通脉冲是互补的，以控制从太阳能板104流出的电流。控制器152还控制开关144和148以按预定频率接通/断开，开关144和148的选通脉冲是互补的，以控制通过电池组件106的电流。

在这些实施例中，多输入功率转换器108在各种条件下(例如太阳辐射、环境温度、太阳能电池温度等)使用最大功率点跟踪来获得太阳能板104的最大可用功率输出。如上所述，多输入功率转换器108管理太阳能板104以在周围光照充足时(例如在有足够阳光的大部分或整个白天期间)对电池组件106进行恒定充电，并管理电池组件106以在夜间和/或根据需要(例如led112周围的区域在白天处于黑暗状态)给led112供电。

在夜间，多输入功率转换器108(更具体地说是其控制电路；在后文中更详细地说明)监视存储在电池组件106中的能量水平，并通过控制组开关132的打开/关闭来动态调节led组件110的功耗。尤其是，多输入功率转换器108重复地(例如周期性地或以随机方式交替地)执行照明过程，以在预定最大功率与预定最小功率之间操作led组件110。在此，最大功率和最小功率指能量消耗速率，并且可按瓦特为单位方便地描述。当所有组开关132闭合时，最大功率基本上是led组件110的所有led112的总功率。最小功率是led列114中的最小led列功率。在所有led列具有相同功率的实施例中(例如所有led列具有相同数量的led并且所有led具有相同功率水平)，最小功率是led列114的led112的总功率，并且led组件110可通过闭合组开关132中的任何一个并断开所有其他组开关而配置为最小功率。在led列具有不同功率水平的实施例中，最小功率是具有最低功率水平的led列114的led112的总功率，并且led组件110可通过闭合与最小功率led列对应的组开关132并断开所有其他组开关而配置为最小功率。

图7是示出照明过程160的流程图。

当多输入功率转换器108的控制电路确定led组件110将由电池组件106供电一段时间(例如一夜)时，照明过程160开始，该时间段具有可预测的时间长度，并且在该时间段中不使用太阳能板104给电池组件106充电。在一些实施例中，可通过使用时钟或计时器来确定该时间段的开始(例如使用时钟来确定夜间的开始)。在一些实施例中，所述时钟配置为确定当前日期和时间。因此，控制电路使用当前日期和时间来确定夜间的开始时间。在一些实施例中，可根据当前日期和时间并考虑到夏令时(若适用)来预先确定夜间的开始。

在一些其他实施例中，使用光传感器来确定夜间的开始。在一些实施例中，可使用时钟和光传感器来更准确地确定夜间。

在照明过程160开始之后，多输入功率转换器108的控制电路确定上述时间段的长度(以下称为“所需led供电时间段”)，例如用于从当前时间到日出时间向led组件110供电，在该日出时间时太阳能板104可开始为电池组件106充电(步骤162)。

在一些实施例中，所述日出时间可根据当前日期来确定，并且可根据实际情况考虑到夏令时。在一些替代实施例中，控制电路使用前一天的日出时间来确定日出时间。在执行照明过程160期间，控制电路使用光传感器或监视太阳能板104的输出，以确定太阳能板104开始接收足以给电池组件106充电的时间(以下称为“更新日出时间”)。然后，控制电路在照明过程160的下一次执行期间停止照明过程160，并在步骤162中使用更新日出时间。

请参考图7，多输入功率转换器108的控制电路确定电池组件106中的当前存储能量水平(步骤164)，并且根据电池组件106中的存储能量水平和所需led供电时间长度计算功率上限(步骤166)。所计算的功率上限是led组件110的允许电池组件106至少在所需led供电时间段内为led组件110供电的最高能量消耗率，并且也是在电池组件106可由太阳能板104充电之前可提供最大照明而不会耗尽电池组件106的存储能量的优选led能量消耗速率。

然后，多输入功率转换器108将计算的功率上限与最大功率进行比较，并确定哪些led列114应被通电，使得led组件110的能量消耗速率小于或等于优选led耗电速率。

尤其是，多输入功率转换器108的控制电路检查所计算的功率上限是否大于预定的最大功率(步骤168)。

若计算的功率上限大于或等于最大功率，则电池组件106中存储的能量足以向所有led供电至日出时间。因此，所有组开关132闭合，以允许电池组件106为所有led112供电，从而获得最大照度(步骤170)。

若计算的功率上限小于最大功率，则多输入功率转换器108的控制电路会选择总功率小于或等于计算的功率上限的一个或多个led列114(步骤172)。在所有led列114具有相同功率的实施例中，多输入功率转换器108的控制电路确定总功率小于或等于计算的功率上限的led列114的数量n，并且可选择任何n个led列。n个led列的选择可以是随机的或者以替代方式进行，使得每个led列114可具有同等的照明时间。在一些实施例中，多输入功率转换器108的控制电路在步骤172中选择总功率在led列的所有组合中最大且小于或等于计算的功率上限的一个或多个led列114。通过这种方式，led组件110的能量消耗速率处于小于或等于优选的led功耗速率的最大速率。

若计算出的功率上限小于最小功率，则选择具有最小功率的led列。

在步骤174处，与所选择的一个或多个led列114对应的组开关132被关闭，而其他组开关打开，以仅打开选定的led列114以进行照明。

通过使用过程160，系统100然后在电池组件106可能被太阳能板104充电之前提供最大照明而不耗尽电池组件106中的存储能量，或者若电池组件106的存储能量不足以给任何led列114供电到日出时间，则提供最长照明时间。

在一些实施例中，当系统确定电池组件106的存储能量不足以给任何led列114供电到日出时间时，多输入功率转换器108还可输出警告或警报信号。

采用上述设计，供电和照明组件102的弹性提高，并且可不需要使用公用电网来为led组件110供电。

在一些实施例中，供电和照明组件102可包括用于连接至交流公用电网以为led组件110供电的交流输入。在这些实施例中，供电和照明组件102特别适合于升级现有的交流供电路灯，并在用于路灯系统的公用电网和所需连接已经就位的地点使用。

图8是这些实施例中的供电和照明组件102的框图。图9是图8所示的供电和照明组件102的电路图。

这些实施例中的电源和照明组件102与图5和图6中所示的相似，不同之处在于，这些实施例中的电源和照明组件102还包括用于连接至作为led组件110的附加电源的交流电源204(例如交流公用电网)的交流输入202。

如图9所示，交流输入202经由三向开关206电耦合至led组件110，该三向开关206可配置为在太阳能板104与电池组件106之间切换，以使用太阳能板104和电池组件106作为led组件110的电源，并使用交流公用电网204作为led组件110的电源。交流电路部分包括：用于将交流功率204转换为直流的全波整流器212、可在预定的高频率下操作(即，接通/断开)的开关208和210、以及电感器214。

在图9所示的示例中，三向开关206配置为选择太阳能板104和电池组件106为led组件110供电。

如图10所示，三路开关206配置为选择交流输入202为led组件110供电。在此配置中，控制器152控制开关208和210以预定的高频率接通/关断，开关208和210的选通脉冲是互补的，以控制流过电感214的电流，从而控制流过电感214并进而流过led112的电流量。如上所述，控制器152可控制组开关132以调节负载和照明。本领域的技术人员还应理解，虽然使用交流输入202用于为led组件110供电，但是通过将开关142和144设置为闭合并将开关146和148设置为断开，仍可使用太阳能板104为电池组件106充电。

虽然在以上实施例中供电和照明组件102是集成装置，但是在一些替代实施例中，其组件(例如太阳能板104、多输入功率转换器108和/或电池组件106)可以是彼此独立但保持功能耦合的。

虽然在以上实施例中电池组件106在空间上置于太阳能板104和led组件110附近的位置以避免长接线，但是在一些替代实施例中，太阳能板104可置于与电池组件106和led组件110相距选定距离的可接收最大日光照明的位置。

虽然在以上实施例中使用led进行照明，但是在一些其他实施例中，也可使用其他类型的照明装置(例如白炽灯、紧凑型荧光灯(cfl)等)进行照明。

本领域技术人员应理解，上述开关可以是任何适当的开关装置，例如机电式开关、金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)等。

虽然在上文中参照附图说明了一些实施例，但是本领域技术人员应理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，能够做出各种变化和修改。