專利名稱：不需維護(hù)的應(yīng)急照明的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)急照明設(shè)備，該應(yīng)急照明設(shè)備包括用于照亮周圍區(qū)域的照明燈、為了給燈供電而提供電能的能量存儲單元、給能量存儲單元充電的充電裝置、以及用于啟動燈并用于控制充電的控制裝置。另外，本發(fā)明涉及一種包括多個這種應(yīng)急照明設(shè)備的應(yīng)急照明系統(tǒng)。
應(yīng)急照明設(shè)備和系統(tǒng)早已是公知的。應(yīng)用這種設(shè)備和系統(tǒng)以在建筑物、隧道或者任何其它位置中提供應(yīng)急照明。在緊急情況下提供照明，所述緊急情況例如是通常向正常照明提供電能的電源的故障，或者任何其它緊急情形，例如火災(zāi)、煙霧報警、存在爆炸物的危險或者任何其它緊急事件。應(yīng)急照明設(shè)備包括照明燈，該照明燈可以是任何適當(dāng)類型的燈，例如氣體放電燈、發(fā)光管、鹵素?zé)?、?biāo)準(zhǔn)的輝光燈泡、任何其它類型的白熾燈、發(fā)光半導(dǎo)體設(shè)備或者任何其它適當(dāng)?shù)恼彰髟O(shè)備。為了能夠給燈供電，應(yīng)急照明設(shè)備包括電池，例如NiCd電池或者鉛酸電池。為了能夠滿足需求，例如由其中將安裝應(yīng)急照明設(shè)備的設(shè)施例如隧道或建筑物的操作者強(qiáng)加的合法需求或者安全需求，需要操作的最小持續(xù)時間。這種操作的最小持續(xù)時間的例子是一個或者幾個小時，然而，可能需要任何的時間間隔。當(dāng)不能預(yù)測緊急情況的發(fā)生時，需要應(yīng)急照明設(shè)備在任何時候都是完全可操作的，因此，需要對蓄電池充分地充電，以能夠在最小的預(yù)定周期期間提供足夠的能量來點(diǎn)亮該燈。
與上述應(yīng)急照明相關(guān)的問題在于，蓄電池具有隨時間變差的趨勢，并因此必須被測試，并可能被周期性地更換。為了測試應(yīng)急照明至少在所需的最小時間周期期間是否能夠提供所需的照明，目前應(yīng)急照明必須處于其運(yùn)行的、可操作的狀態(tài)，即燈由電池供電，并且至少在最小預(yù)定時間期間必須監(jiān)控?zé)舻牟僮鳌．?dāng)顯示出至少在預(yù)定時間周期期間燈連續(xù)運(yùn)行時，電池的狀況被認(rèn)為是可接受的，而在該燈未運(yùn)行預(yù)定時間周期的情況中，電池需要更換。這種測試過程的缺點(diǎn)在于，它通常需要停止例如其中安裝應(yīng)急照明的隧道、建筑物等的設(shè)施的使用，并且它是費(fèi)力的，因為操作者必須監(jiān)控在設(shè)施中或者在設(shè)施上每個燈的照明的持續(xù)時間。
本發(fā)明打算提供一種需要少量維護(hù)的應(yīng)急照明。
為了實現(xiàn)該目的，根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)急照明設(shè)備的特征在于，能量存儲單元基本上包括用于存儲電能的超級電容器(ultra-capacitor)。超級電容器還被稱為超電容器或者升壓電容器，它們同樣是公知的。超級電容器例如通過極化電解溶液來靜電地存儲能量。該機(jī)構(gòu)高度可逆，從而允許對超級電容器充電和放電幾十萬次。超級電容器例如包括兩個懸浮在電解質(zhì)內(nèi)的不起反應(yīng)的多孔板，其具有施加到該板的電壓。在正板上施加的電勢吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，而負(fù)板上的電勢吸引正離子。這有效地產(chǎn)生了兩層電容存儲，一層是在正板處分散電荷，以及另一層是在負(fù)板處分散電荷。超級電容器可以包括平行板或者雙層電容器。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員還沒有考慮到這種超級電容器在應(yīng)急照明中的應(yīng)用，因為超級電容器具有高的成本價格，并且用于實現(xiàn)一定能量存儲電容的超級電容器的電流容量明顯大于常規(guī)電池例如NiCd或者NiMh電池的電流容量。然而，因為電容器的特性隨著時間不變差，至少不顯著變差，所以不需要通過啟動它的應(yīng)急照明狀態(tài)并且監(jiān)控該設(shè)備是否能夠至少在最小預(yù)定時間期間給燈供電來測試應(yīng)急照明設(shè)備，因為超級電容器的電特性基本上隨時間恒定，即不變差或者不顯著變差。另外，可以相對較精確地預(yù)測超級電容器的(可操作的)壽命。因為超級電容器的電壓將線性或者近似線性地取決于其充電狀況，所以可以在超級電容器和燈之間連接電轉(zhuǎn)換器，以用于將由超級電容器提供的電壓轉(zhuǎn)換成運(yùn)行燈所需的電壓或者其它電量。
有利地，應(yīng)急照明設(shè)備包括測試電路，以用于測量在超級電容器的充電或者放電狀況中電容器的阻抗。通過測量超級電容器的阻抗，例如漏泄阻抗或者交流(AC)阻抗，這可以在超級電容器的任何充電狀況中進(jìn)行，可以可靠地測試其狀況，因為漏泄阻抗和/或交流阻抗提供了超級電容器狀況的可靠指示器。為了測量交流阻抗，測試電路可以向超級電容器施加交流電壓，并測量響應(yīng)于其而流過超級電容器的交流電流，或者反之亦然。因此，在不必對電容器放電和/或用存儲在超級電容器中的能量對燈供電一段時間周期例如應(yīng)急照明設(shè)備所需的最小運(yùn)行時間的條件下，可以進(jìn)行這些測試。因為超級電容器具有長的運(yùn)行壽命，所以可以省略電池的周期性更換，從而避免與其相關(guān)的環(huán)境負(fù)擔(dān)以及用于更換的材料和人工成本、以及應(yīng)急照明設(shè)備的停機(jī)時間的成本，這些成本通常很高，因為應(yīng)急照明設(shè)備的維護(hù)在很多應(yīng)用中將需要停止其中安裝有應(yīng)急照明設(shè)備的設(shè)施的工作。而且，例如在辦公樓中的電池的更換將需要打開照明器材、天花板等。由于用根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)急照明設(shè)備不需要這樣的操作，所以甚至進(jìn)一步降低了運(yùn)行成本。
而且，降低了根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)急照明設(shè)備的能量消耗，因為不需要連續(xù)或周期地對電池再充電以能夠維持電池在它的滿容量。超級電容器的漏泄電流是低的，以及由此與其再充電有關(guān)的功率消耗顯著降低。而且，電池的連續(xù)或周期充電(涓流充電)導(dǎo)致電池的附加損耗，并且增加電池的溫度，從而進(jìn)一步影響電池壽命，并從而進(jìn)一步增加對應(yīng)急照明設(shè)備的維護(hù)負(fù)擔(dān)。超級電容器的另一優(yōu)點(diǎn)是它可以非?？焖俚爻潆?。因此，在應(yīng)急照明中，一旦電能在應(yīng)急之后可以再次得到，則設(shè)備在短時間內(nèi)再次完全運(yùn)行，因為可以用非常大的電流、由此在非常短的時間間隔中對超級電容器充電。結(jié)果，如果重新發(fā)生緊急情形，則應(yīng)急照明設(shè)備在非常短的時間內(nèi)再次完全運(yùn)行。而且，通過檢測超級電容器的瞬時電壓，可以可靠地并用簡單的裝置例如簡單的電子測試電路來檢查超級電容器的瞬時充電狀況，因為存儲在電容器中電能的量線性或者幾乎線性地取決于在其上的電壓。
在應(yīng)急照明設(shè)備中可以有利地設(shè)置充電裝置，以用于向超級電容器施加基本固定的電壓或者電流。由于超級電容器可以承受的大電流、以及充電狀況與電容器上的電壓之間的線性關(guān)系，所以可以應(yīng)用這種簡單且直接的充電裝置?？梢园ㄓ糜谙拗七^量充電電流的限流器。
在另一有利實施例中，充電裝置包括用于將開關(guān)節(jié)點(diǎn)與電源節(jié)點(diǎn)和接地節(jié)點(diǎn)交替地連接的開關(guān)裝置、連接到充電節(jié)點(diǎn)的第一支路，該第一支路包括至少電容器和電感元件的串聯(lián)連接，該第一支路向可連接到超級電容器的整流器提供電能以用于對超級電容器充電。因此，提供在很短時間內(nèi)能夠?qū)Τ夒娙萜鞒潆姷呐渲?，因為用這種充電裝置可以產(chǎn)生大充電電流。不象其它裝置，該裝置利用了超級電容器的寄生串聯(lián)電感，因為其寄生串聯(lián)電感起到用于平滑對電容器充電的脈沖電流的濾波器的作用。開關(guān)裝置可以包括任何適當(dāng)?shù)拈_關(guān)裝置，例如場效應(yīng)晶體管。電感元件可以包括電感器，然而為了實現(xiàn)電隔離和/或在充電裝置的輸入電壓和輸出電壓之間實現(xiàn)顯著的改變，電感元件可以包括變壓器，充電裝置的第一支路通過變壓器的第一端口被連接到接地節(jié)點(diǎn)，變壓器的第二端口被連接到整流器。
充電裝置的另一優(yōu)點(diǎn)是它得到保護(hù)以免遭受由于超級電容器的寄生串聯(lián)電感、線路的電感以及電感元件的電感的作用所引起的大輸出電流，其在超級電容器完全放電的情況下、即在超級電容器上的初始電壓為零或者幾乎為零的情況下限制了電流。
充電裝置還可以包括用于控制充電的充電控制裝置，該充電控制裝置影響開關(guān)裝置的切換頻率，以用于影響第一支路中的電流。可選擇地，可以控制RMS電流、平均電流或者其任何組合。通過控制裝置以基本固定的比率來有利地保持切換的占空比。由此，通過以基本固定的比率來保持切換頻率的占空比，開關(guān)裝置的切換發(fā)生在零電壓，產(chǎn)生了半諧振轉(zhuǎn)換器。由于零電壓切換，所以可以保持在充電裝置中的功率耗散為低，而不管包含的大電流。
有利地，充電控制裝置被設(shè)置用于檢測在已經(jīng)停止對電容器充電時超級電容器的電壓。在停止對超級電容器充電的時刻，其寄生串聯(lián)電感器上的電壓降將為零，以及由此電壓檢測將對超電容器的實際充電和/或?qū)嶋H電壓提供可靠的測量。例如，可以周期地停止充電，以用于檢測超級電容器的電壓。而且，還有可能在充電過程中檢測電壓，同時在電壓達(dá)到某個值的時候停止充電，以用更高的精度來檢測電壓。
參考附圖將進(jìn)一步描述本發(fā)明，其中示出本發(fā)明的非限制性實施例，其中

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)急照明設(shè)備的方框示意圖；以及圖2示出根據(jù)本發(fā)明的充電裝置的實施例的示意電路圖。
圖1示出一個應(yīng)急照明設(shè)備，它包括用于給能量存儲裝置、在這種情況中是超級電容器2充電的充電器1。當(dāng)通過開關(guān)4a已經(jīng)建立連接時，充電設(shè)備或充電裝置1能夠?qū)Τ夒娙萜?充電。借助于電源1a例如電力電源給充電裝置1提供電能。通過第二開關(guān)4b，能量存儲裝置2可以連接到燈3以用于操作燈3。燈3可以包括任何適當(dāng)類型的燈，例如高壓或者低壓放電燈、鹵素?zé)?、輝光燈泡、發(fā)光管、熒光燈、半導(dǎo)體發(fā)光裝置或者任何其它適當(dāng)?shù)恼彰餮b置。應(yīng)急照明系統(tǒng)還包括控制裝置4，以用于控制充電器1的充電以及用于通過控制開關(guān)4b來接通燈3。除了圖1所示的結(jié)構(gòu)之外，還有可能的是，電源1a通過另外的連接(未示出)直接連接到燈3，例如通過另外的開關(guān)。以這種方式，有可能在非緊急狀況中利用通過電源線1a提供的電源來操作燈3。此外，可選擇地，有可能根據(jù)充電裝置1的結(jié)構(gòu)來省去開關(guān)4a。如圖1描述的應(yīng)急照明設(shè)備可以被構(gòu)造成單個殼體，或者可以分布在多個殼體上。而且，轉(zhuǎn)換器可以在功能上被放置在超級電容器和燈之間，以用于將由超級電容器提供的電壓轉(zhuǎn)換成用于給燈供電的基本恒定的AC或者DC電壓，超級電容器所提供的電壓取決于超級電容器的充電狀態(tài)。
如圖2描述的根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)急照明設(shè)備的充電裝置包括開關(guān)裝置，該開關(guān)裝置包括開關(guān)M1和M2。開關(guān)裝置交替地將包括電容器C和串聯(lián)電感器Ls的第一支路連接到電源電壓Vs和接地電壓。電源電壓Vs例如可以包括整流的電源電壓。串聯(lián)電感器Ls被連接到第一端口，即變壓器T的第一繞組。第二端口，即變壓器T的第二繞組被連接到整流器，以用于整流由整流器R提供的脈沖。整流器R被連接到用于存儲電能的超級電容器UC。可能結(jié)合線路的電感的超級電容器的寄生串聯(lián)電感被示意性地表示為Luc，其提供對由整流器R提供給超級電容器UC的電流脈沖的濾波。選擇電容器C的值足夠大，以使可以保證零電壓切換以作為有效負(fù)載，即在整個工作頻率范圍中，包括寄生電感Luc、線路的電感以及變壓器和/或串聯(lián)電感器Ls的電感的超級電容器是電感性的，以及用50％的占空比來驅(qū)動包括開關(guān)M1和M2的開關(guān)裝置。串聯(lián)電感器Ls可以是獨(dú)立的電感，然而也可以是通過變壓器T的漏泄電感形成的(部分或者全部)。整流器例如可以是二極管整流器或者同步整流器。超級電容器Uc具有大的物理尺寸，以及因此超級電容器及其連接的寄生電感Luc是大的。在根據(jù)圖2的電路中，該寄生串聯(lián)電感用作濾波器來平滑來自整流器的電流脈沖，并且在根據(jù)圖2的電路的工作原理中起著重要的作用。因此，使用變壓器的寄生串聯(lián)電感以及超級電容器的寄生串聯(lián)電感作為根據(jù)圖2的電路的積分(integral)部分，所述寄生串聯(lián)電感成分在電路中通常起著不利的作用，并且被認(rèn)為分別是超級電容器和變壓器的不希望有的特性。這是尤其有利的，因為由于對變壓器和超級電容器所選的大尺寸而導(dǎo)致的這些寄生電感大，因此選擇這些尺寸以能夠在短時間內(nèi)用大電流對超級電容器充電。通過包括光隔離器(例如光耦合器)OI、檢測變壓器T的初級繞組中電流的電流檢測裝置Cs、檢測超級電容器的電壓的電壓檢測裝置V和控制器Con的充電控制裝置(或者任何其它控制裝置)控制超級電容器的充電。充電控制裝置單元通過控制初級電流的峰值、RMS值或者平均值，由此控制在變壓器T的初級繞組中流動的電流，從而調(diào)節(jié)超級電容器的充電電流。用電流檢測Cs(例如包括分流電阻器)檢測該電流值，或者可選擇地，在例如包括金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的開關(guān)M2中(串聯(lián)地)檢測，或者用電源電壓Vs串聯(lián)地檢測。通過控制切換頻率，控制器Con可以控制變壓器T的初級繞組中的初級電流的峰值。50％的占空比不受影響，由此在根據(jù)圖2的轉(zhuǎn)換器的整個運(yùn)行范圍中實現(xiàn)零電壓切換。通過檢測裝置V可以連續(xù)測量超級電容器上的DC電壓，然而由于電感Luc的影響，所以當(dāng)電流流過該電感時將發(fā)生測量誤差。因此，根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)停止充電時可以精確地測量超級電容器上的電壓，因此能夠測量超級電容器上的直流電壓，而對所測量的電壓的輸出電感沒有任何影響?？梢灾芷诘剡M(jìn)行這種輸出電壓的測量，因此如果發(fā)生充電，那么為此應(yīng)當(dāng)周期地中斷充電。而且，有可能在充電過程中進(jìn)行不大精確的測量，而在電容器接近完全充電狀態(tài)的時刻，充電控制裝置施加停止充電的精確測量。充電控制裝置可以是獨(dú)立裝置，或者構(gòu)成圖1的控制裝置4的一部分。
通過測量電容器的阻抗可以測試根據(jù)圖1的應(yīng)急照明設(shè)備中的超級電容器，這在超級電容器的任何充電狀況中都是可能的。有可能測量超級電容器的漏泄阻抗，該漏泄阻抗提供超級電容器的狀況的指示。而且，有可能測量交流阻抗，例如通過向超級電容器施加交流電壓，并且測量響應(yīng)于該電壓而流過超級電容器的交流電流。而且，可選擇地，有可能向超級電容器施加電流并測量響應(yīng)于其而在超級電容器上產(chǎn)生的電壓。在圖1和圖2中沒有描述該測試電路。有利地，測量漏泄阻抗或者電流和能量含量。通過測量隨時間降低的電壓可以測量漏泄。通過測量電容器上的電壓(優(yōu)選當(dāng)停止充電時)并例如利用公式E＝1/2CV2從中計算能量含量來確定能量含量，其中E是能量含量，C是電容以及V是超級電容器上的電壓。
應(yīng)急照明系統(tǒng)可以包括如上所述的多個應(yīng)急照明設(shè)備，該系統(tǒng)的這些設(shè)備可以通過任何適當(dāng)?shù)难b置互連。另外，該系統(tǒng)可以包括用于檢查系統(tǒng)的設(shè)備以及用于從中接收狀態(tài)信息和/或錯誤消息的控制系統(tǒng)。
因此，根據(jù)本發(fā)明已經(jīng)產(chǎn)生了基本不需維護(hù)的應(yīng)急照明設(shè)備，因為可以省略周期性地使用應(yīng)急照明設(shè)備并對能量存儲單元進(jìn)行放電以能夠檢查在能量存儲單元中存儲的能量是否足以在至少最小的預(yù)定時間期間操作燈。因此，總的操作成本將顯著降低，并可以省略測試應(yīng)急照明設(shè)備的負(fù)擔(dān)，這被認(rèn)為是有益的，因為它避免了在安裝有應(yīng)急照明設(shè)備的設(shè)施中發(fā)生正常操作的中斷。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)急照明設(shè)備，包括用于照亮周圍區(qū)域的照明燈、為了給燈供電而提供電能的能量存儲單元、給能量存儲單元充電的充電裝置、以及用于啟動燈并用于控制充電的控制裝置，其中該能量存儲單元基本上包括用于存儲電能的超級電容器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)急照明設(shè)備，還包括測試電路，用于測量在超級電容器的充電或者放電狀況中電容器的阻抗。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)急照明設(shè)備，其中阻抗包括漏泄阻抗。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的應(yīng)急照明設(shè)備，其中阻抗包括交流阻抗，測試電路用于向超級電容器施加交流電壓，并且測量響應(yīng)于其而流過超級電容器的交流電流，或者反之亦然。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項所述的應(yīng)急照明設(shè)備，其中充電裝置被設(shè)置用于向超級電容器施加基本固定的電壓或電流。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項所述的應(yīng)急照明設(shè)備，其中充電裝置包括用于將開關(guān)節(jié)點(diǎn)與電源節(jié)點(diǎn)和接地節(jié)點(diǎn)交替地連接的開關(guān)裝置、連接到充電節(jié)點(diǎn)的第一支路，該第一支路包括至少電容器和電感元件的串聯(lián)連接，該第一支路用于向可連接到超級電容器的整流器提供電能以用于給超級電容器充電。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的應(yīng)急照明設(shè)備，其中電感元件包括變壓器，該第一支路通過該變壓器的第一端口被連接到接地節(jié)點(diǎn)，該變壓器的第二端口被連接到整流器。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的應(yīng)急照明設(shè)備，充電裝置還包括用于控制充電的充電控制裝置，該充電控制裝置影響開關(guān)裝置的切換頻率，以用于影響第一支路中的電流。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的應(yīng)急照明設(shè)備，其中充電控制裝置被設(shè)置用于以基本固定的比率來保持切換頻率的占空比。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9中任何一項所述的應(yīng)急照明設(shè)備，其中控制裝置被設(shè)置用于在已經(jīng)停止對電容器充電時檢測超級電容器的電壓。
11.一種應(yīng)急照明系統(tǒng)，包括多個根據(jù)權(quán)利要求1至10中任何一項的應(yīng)急照明設(shè)備。
全文摘要
一種應(yīng)急照明設(shè)備包括用于照明區(qū)域的照明燈和用于向為了給燈供電而提供電能的能量存儲單元。根據(jù)本發(fā)明，能量存儲單元包括用于存儲電能的超級電容器。因為超級電容器顯示出隨著時間幾乎不變差，所以例如可以省略在它的壽命期間應(yīng)急照明設(shè)備的大量周期性測試。描述了用于對應(yīng)急照明設(shè)備中的超級電容器充電的充電裝置。
文檔編號H02J7/34GK1894839SQ200480037576
公開日2007年1月10日 申請日期2004年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月17日
發(fā)明者B·J·W·A·布魯克斯, B·J·A·科斯蒂安斯, G·W·范德威恩, M·J·G·M·亨德里克斯, M·C·弗穆倫 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司