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1、应急照明灯具优化设计方案探讨摘要充分利用蓄电池的有限容量,采用三基色荧光粉的荧光灯管及使逆变器的输出功率与灯管的额定功率相匹配可使光效较大幅度提高。用二步充电法及适当选择电池停止放电电压可使应急灯避免因过充电、充电不足及过放电而造成电池寿命短的现象。解决目前市场上应急灯光通输出不足、产品寿命不长两大问题。优秀的应急照明灯具的设计除应全面符合国家标准外,还应注意提高灯具下列二方面的性能指标:1.充分利用蓄电池的有限容量提高光源的发光效率和灯具的光利用率,从而达到在额定时间取得最佳照明效果。2.延长灯具的寿命与提高可靠性。下面就上述两方面的问题分别加以探讨。(一)由于在正常照明供电故障时靠有限容量
2、的电池供电,提高光源的发光效率是很重要的。目前市场上用荧光灯管作为光源的应急照明灯具,大多采用卤磷酸钙荧光粉的普通荧光灯管,其光效低、光衰快,加上多数应急灯逆变器输出功率严重不足(与所使用灯管额定功率相比)所造成的光效低及灯管早期发黑,使应急灯蓄电池中有限容量的电能并未得到有效利用。改用三基色荧光粉的紧凑型荧光灯或直管荧光灯并使逆变器输出功率与灯管的额定功率相匹配可大大提高光源的发光效率,从而使应急灯在电池容量相同及工作时间相同的情况下,光通输出得到大幅度提高。在设计灯具的光学系统时应注意尽可能提高光的利用率,采用高反射率的反射器及透射率高的透光材料和高光输出比折射系统的透光罩,并根据灯具的使
3、用场合来设计灯具的配光,可以获得较好照明效果。(二)应急灯具能否长期可靠工作的关键除了选用高品质的充电电池外,充放电线路的优劣直接影响到电池的寿命。全密封铅酸充电电池因其容量大、价格低廉、寿命长,无记忆效应等优点被大量用于应急灯上,但电池寿命与电池的充电方法、放电深度有着十分密切的关系。下面环绕着延长电池寿命这一主题分别来探讨如何来选择充电方法及放电深度。密封铅酸电池一般对充电电压、充电电流及充电量有着严格的限制,充电过量或充电不足都会影响到电池寿命。图1表示出了电池充放电次数寿命与充电量之间的关系。图中可看出过充电与充电不足都会使电池充放电次数寿命缩短。一般对电池安全充电的方法有两种。一种为
4、循环使用充电(强充电),单格电池充电电压为2.35V2.5V(该参数与温度有关,20时应为2.45V)。初始充电电流最大可允许为0.4CA。这种充电方法的充电时间短,一般35h左右可使电池充足。缺点为充电充足后必须停止充电,否则会造成过充电。过充电会大大缩短电池寿命。另一方法为浮充电,浮充电时单格电池的充电电压为2.23V2.3V(20时应为2.27V),充电时间大于或等于24h。用这种充电方法虽然充电充足后继续充电不会造成过充电而影响电池寿命,但由于充电时间过长如在充电不足的情况下使用应急灯,不仅因供电不足使应急灯点灯时间达不到规定的要求,并因电池充电不足而影响电池寿命。这二种充电方法的缺陷
5、是造成目前市场上应急灯使用寿命不长的主要原因之一。针对上述二种充电方法的缺点,我们采用了一种新充电方法:二步充电法。这种充电方法具有在短时间内使应急灯处于足电状态,而不会因过充电和充电不足影响电池寿命。其做法是:当应急灯使用完毕后,即对其进行大电流强充电,初始充电电流定为0.25CA0.4CA,最高充电电压定2.45V,当电池充至足电状态时,自动转换为低电压、小电流浮充电状态,这样既大大缩短了充电时间并且有效地避免了对应急灯的过充电。能否避免对电池的过充电或充电不足,关键取决于当强充电至电池足电时应立即转换至浮充电状态,使电池足电状态一直保持下去而不会形成过充电或充电不足。图二是由三个单格电池
6、串取起来的6V电池充电曲线,曲线表示了在最高充电压为7.35V(单格电池为2.45V)初始充电电流为0.25CA的状态下各参数随时间变化的情况。图中可以看出,我们以0.25CA的初始电流对电池充电,充至3.5h电流开始减小,当电流减至0.075CA时电池的充电量达到100%。此点应为从强充电转换至浮充电的最佳切换点。图三表示了二步充电法充电电流、充电电压随时间变化的曲线。电池的放电深度直接影响到电池的充放电次数寿命。图四表明了在环境温度25,放电电流为0.25CA,放电深度分别为30%,50%、100%时电池充放电次数寿命。放电过深会缩短电池寿命而放电不足会使应急灯应急照明时间变短。因此,设计
7、者要根据灯具的预计寿命、额定工作时间及电池的放电电流来定出电池停止放电的电压。图五为6V电池在不同放电电流的情况下,建议电池停止放电电压。应急灯一般定为5V5.4V。图六是根据上述充电方法和具有过放电保护功能的应急灯线路原理图。当应急灯接通电源后,电源电压检测电路将信号送至点灯控制电路,控制电路关断点灯电路,并同时对电池充电。充电开始时稳压电路将最高充电电压限制在7.35V(6V电池),限流电路将充电电流控制在0.4CA以内。随着充电时间的增加,充电电流逐渐减少,减至0.075CA时电流检测电路将测得的信号送到电压转换电路,使充电电压自动调整到6.85V的浮充电电压。灯具转换成应急照明状态后线
8、路中的电压检测电路将监测电池电压下降情况,当电池电压下跌至5.3V时,点灯控制电路会自动切断点灯电路,避免了电池过放电而影响电池寿命。应急照明灯具优化设计方案探讨摘要充分利用蓄电池的有限容量,采用三基色荧光粉的荧光灯管及使逆变器的输出功率与灯管的额定功率相匹配可使光效较大幅度提高。用二步充电法及适当选择电池停止放电电压可使应急灯避免因过充电、充电不足及过放电而造成电池寿命短的现象。解决目前市场上应急灯光通输出不足、产品寿命不长两大问题。优秀的应急照明灯具的设计除应全面符合国家标准外,还应注意提高灯具下列二方面的性能指标:1.充分利用蓄电池的有限容量提高光源的发光效率和灯具的光利用率,从而达到在
9、额定时间取得最佳照明效果。2.延长灯具的寿命与提高可靠性。下面就上述两方面的问题分别加以探讨。(一)由于在正常照明供电故障时靠有限容量的电池供电,提高光源的发光效率是很重要的。目前市场上用荧光灯管作为光源的应急照明灯具,大多采用卤磷酸钙荧光粉的普通荧光灯管,其光效低、光衰快,加上多数应急灯逆变器输出功率严重不足(与所使用灯管额定功率相比)所造成的光效低及灯管早期发黑,使应急灯蓄电池中有限容量的电能并未得到有效利用。改用三基色荧光粉的紧凑型荧光灯或直管荧光灯并使逆变器输出功率与灯管的额定功率相匹配可大大提高光源的发光效率,从而使应急灯在电池容量相同及工作时间相同的情况下,光通输出得到大幅度提高。
10、在设计灯具的光学系统时应注意尽可能提高光的利用率,采用高反射率的反射器及透射率高的透光材料和高光输出比折射系统的透光罩,并根据灯具的使用场合来设计灯具的配光,可以获得较好照明效果。(二)应急灯具能否长期可靠工作的关键除了选用高品质的充电电池外,充放电线路的优劣直接影响到电池的寿命。全密封铅酸充电电池因其容量大、价格低廉、寿命长,无记忆效应等优点被大量用于应急灯上,但电池寿命与电池的充电方法、放电深度有着十分密切的关系。下面环绕着延长电池寿命这一主题分别来探讨如何来选择充电方法及放电深度。密封铅酸电池一般对充电电压、充电电流及充电量有着严格的限制,充电过量或充电不足都会影响到电池寿命。图1表示出
11、了电池充放电次数寿命与充电量之间的关系。图中可看出过充电与充电不足都会使电池充放电次数寿命缩短。一般对电池安全充电的方法有两种。一种为循环使用充电(强充电),单格电池充电电压为2.35V2.5V(该参数与温度有关,20时应为2.45V)。初始充电电流最大可允许为0.4CA。这种充电方法的充电时间短,一般35h左右可使电池充足。缺点为充电充足后必须停止充电,否则会造成过充电。过充电会大大缩短电池寿命。另一方法为浮充电,浮充电时单格电池的充电电压为2.23V2.3V(20时应为2.27V),充电时间大于或等于24h。用这种充电方法虽然充电充足后继续充电不会造成过充电而影响电池寿命,但由于充电时间过
12、长如在充电不足的情况下使用应急灯,不仅因供电不足使应急灯点灯时间达不到规定的要求,并因电池充电不足而影响电池寿命。这二种充电方法的缺陷是造成目前市场上应急灯使用寿命不长的主要原因之一。针对上述二种充电方法的缺点,我们采用了一种新充电方法:二步充电法。这种充电方法具有在短时间内使应急灯处于足电状态,而不会因过充电和充电不足影响电池寿命。其做法是:当应急灯使用完毕后,即对其进行大电流强充电,初始充电电流定为0.25CA0.4CA,最高充电电压定2.45V,当电池充至足电状态时,自动转换为低电压、小电流浮充电状态,这样既大大缩短了充电时间并且有效地避免了对应急灯的过充电。能否避免对电池的过充电或充电
13、不足,关键取决于当强充电至电池足电时应立即转换至浮充电状态,使电池足电状态一直保持下去而不会形成过充电或充电不足。图二是由三个单格电池串取起来的6V电池充电曲线,曲线表示了在最高充电压为7.35V(单格电池为2.45V)初始充电电流为0.25CA的状态下各参数随时间变化的情况。图中可以看出,我们以0.25CA的初始电流对电池充电,充至3.5h电流开始减小,当电流减至0.075CA时电池的充电量达到100%。此点应为从强充电转换至浮充电的最佳切换点。图三表示了二步充电法充电电流、充电电压随时间变化的曲线。电池的放电深度直接影响到电池的充放电次数寿命。图四表明了在环境温度25,放电电流为0.25C
14、A,放电深度分别为30%,50%、100%时电池充放电次数寿命。放电过深会缩短电池寿命而放电不足会使应急灯应急照明时间变短。因此,设计者要根据灯具的预计寿命、额定工作时间及电池的放电电流来定出电池停止放电的电压。图五为6V电池在不同放电电流的情况下,建议电池停止放电电压。应急灯一般定为5V5.4V。图六是根据上述充电方法和具有过放电保护功能的应急灯线路原理图。当应急灯接通电源后,电源电压检测电路将信号送至点灯控制电路,控制电路关断点灯电路,并同时对电池充电。充电开始时稳压电路将最高充电电压限制在7.35V(6V电池),限流电路将充电电流控制在0.4CA以内。随着充电时间的增加,充电电流逐渐减少,减至0.075CA时电流检测电路将测得的信号送到电压转换电路,使充电电压自动调整到6.85V的浮充电电压。灯具转换成应急照明状态后线路中的电压检测电路将监测电池电压下降情况,当电池电压下跌至5.3V时,点灯控制电路会自动切断点灯电路,避免了电池过放电而影响电池寿命。