用于电池驱动设备的太阳能电源装置 本发明涉及将一种电池驱动设备调节以允许该设备由一种太阳能电池借助于电路和充电电池提供动力。
许多电池驱动设备的问题是替换电池的费用太高，而且电池的寿命经常很短。该问题可以通过使用充电电池来缓解，但是，这通常需要连接一个充电设备到干线电源。
此前在美国专利4686441中已提出采用一种包括太阳能电板的光电充电器，用于产生电池的充电电流。然而，该装置并不方便，并未对该问题提供一种可行的解决方法。
本发明提供了一种电源装置，包括一种用于增加光电设备输出的变压器电路和连接于该变压器电路的充电电池。该变压器电路和电池被封装在一个同普通干电池同样大小的盒子里。
该电源装置允许将太阳能电板上比较于现有的太阳能采集方法而言一块相当小的面积用于产生电力。同时，该装置允许从较低照度，比如在居室内人造光线或靠近窗口的光线的照度，产生电力。除了上述之外，较小的太阳能电板降低了电源装置的成本。低成本以及可和现有的干电池互换这一情况使得该装置在非常多的民用环境中有着应用。
该电源装置可被用于向很多种设备供电，比如烟雾报警器，防盗报警器等等，以及收音机和个人用立体声放音机/录音机等。
为了使本发明易于理解，其实施方案将通过例子描述，仅参考所附地图例，其中：
图1所示的是根据本发明的电源装置用于一种电池驱动设备的一种实施方案的构成图。
图2给出了一种在电池驱动设备外部使用外部插头的连接方法。
图3给出了一种在电池驱动设备外部使用外部插头的连接方法，该插头来自于一个包括太阳能电池阵列，提升电路和充电电池的容器。
图4给出了用于低、中功率要求的调节电路。
图5给出了电池尺寸受限情况下用于低电流应用的最简单的调节电路。
图6给出的调节电路，通过在充电电池和太阳能电源输出之间放置更多的电压提升电路来降低充电电池的电压。
图7给出了一个在需要时允许较大供电电流能力的调节电路，依靠于一个直接从升压输出的旁路连接实现，它不受用于控制电池充电电流的限流电阻的影响。
图8给出了一个具有大电流输出能力的合理的调节电路的框架图，它在提升电路后有一个电压调节器，并且有从电压调节器到太阳能供电输出的旁路连接，它不受用于控制电池充电电流的限流电阻的影响。
图9给出了可允许使用图6中所示电路的特殊的端子。
图10给出了一种装置，通过一个闪烁LED表示有充足的光线来对充电电池充电。
图11给出了一种合适的振荡电路，可用于驱动经图10中所示的LED电脉冲。
图12给出了本发明另一种实施方案的特殊连接。
图13给出了本发明又一种实施方案的一种特殊连接。
该电源装置由三个基本部件组成：太阳能电池阵列2，直流-直流(DC-DC)变压器3，4，5，调节电路7，8，9和充电电池10。太阳能电池阵列2包括一些串并联连接的太阳能电池或所有面积的太阳能电池组合，它可以通过利用在一般家庭住所可得到的照度水平得到的电压经组合后充分提供电流来操纵电压提升电路，电池被排列成一个单一的平面，该平面可选择被固定于烟雾检测器的盖上，并且通过如图1所示的一个转轴装置以对水平的已知夹角定位。
太阳能电池阵列2可以某一角度固定或是可调节的，使得从下面和/或从侧面来的光均等地入射到太阳能电池表面上。采用可调节的定位可使太阳光或家庭内照明光的能量较高效率地被收集。在一些情况下，电池阵列可同装置分开放置，并且供电电压沿电缆或杆状天线的延伸长度方向传送。在从太阳能电池阵列出来的电缆末端有一个小盒子14，它的形状、大小以及连接方式均与诸如PP3电池或两个并排的AA电池之类的标准的干电池14相同。盒子的这种形状使得将这种电源装置很容易地装在装置12的通常为干电池占用的位置。在盒子14中有一个直流-直流变压器，其形式是一个或多个电压提升或是倍压器电路3、4和/或5，它们级联连接，这样一个电压提升或倍压器输出到下一个，直到电压电平足以对同样安装在盒14内的充电电池10充电。
如图5所示，到充电电池的电流受到一个调节电路限制，该调制电路包括一个串联电阻7、串联二极管8和限压稳压二极管9，当照到太阳能电池上的光线照度较大时，它可防止充电电池过充电。二极管和电压提升/倍压器电路串联使用，使得电流仅能流向充电电池。
如图6所示，一旦太阳能电池阵列产生的并且被供电的电气设备所要求的电流量可能较大时，二极管8被移至一个位置，使得电流可直接从提升电路2、3、4、5和稳压二极管9，通过二极管8流到输出端。然后前向偏置于电池的另一个二极管20，被放在电池和输出之间，来防止大电流通过限流电阻7。一个附加的电阻21可被有选择地紧随提升电路之后放置，来限制流过稳压二极管9的最大电池。
电阻7的限流过程也可通过用一种专用的限流装置，例如一块集成电路LM334，替代电阻来实现。在这里情形下，所必需的就是限压稳压管和限流装置。
图7给出了在提升电路末端、在电阻7和二极管8前面使用一个电压调节器19的示意图，它通过限制电阻7两端的电压来限制充电电流。在此电路中，二极管8被移至一个位置使得电流可直接从提升电路3、4流出通过二极管8流至输出。于是前向偏置于电池的另一个二极管20被置于电池和输出之间，用以防止大电流通过限流电阻7。
充电电池不必放在电压提升/倍压装置串的末端。在一些情况下，充电电池10的电压可以比整个电路输出小得多。充电电池电压比电路输出低可以带来成本上的好处，因为电池的成本被降低了。然而在这种情况下，就需在充电电池和被供电的实际设备之间增加一个直流-直流变压器或直流-直流变压器组，如图8中所示。
如图8所示，另一个电压提升电路11由电池10馈电，并且被装在盒子14中，允许电池电压比输出电压低。
这个附加的直流-直流变压器11应通过一特殊的连接器从电池接出，一旦被供电的电子设备被接上时，它只会向该附加的直流-直流变压器供电。此举防止了在太阳能适配器处于使用前的封装状态和未暴露于光线下被充电的同时，发生所不希望的电池放电。图9a、b说明了上述方案是如何实现。
在图8中，从电池的正极连接端16和到最后的直流-直流变压器的连接端17都接到太阳能电源输出18，并且只在正极输出被连接时被联系在一起。这是因为，例如图9a、b所示，在盒子的大小和PP3电池同样的情况下，正极在组成PP3正极结构的两个正连接之间有一个绝缘片22，因此，连接16和17只在被供电的设备被连接于连接件18时才可形成。应该强调的是，相似的技术可被用于固定连接到设备上的电池端子上的其它类型的电池。
将直流-直流变压器(组)同太阳能电池一起使用的做法，与普通的将太阳能电池电压输出简单连接到充电电池的方法比较而言，提高了在低亮度和较小太阳能电池情况下将光转换成电力的能力。这点是通过提升电路的作用而保证供给电池的电压总是高于电池电压来实现的，甚至当太阳能电池的实际输出低于电池电压时也是如此。假定输出电压为V的太阳能电池通过电阻R向电池电压Vb提供电流，那么，进入电池的充电电流I由下式给出：
电流I＝(V-Vb)/R＝(V/R)-(Vb/R) (1)在太阳能电池和电池之间使用增益因子为G的电压提升电路要求额外的电流Is给增益电路。那么，进入电池的充电电流如下给出：
电流Ig＝(GV/R)-(Vb/R)-Is (2)
由公式1和2得到：
(G-1)V/R＞Is (3)那么，Ig/I＞1 (4)这表明对于太阳能电池和充电电池之间使用电压提升的电路，相对于仅从太阳能电池至充电电池的简单连接来说，充电电流要大。
为保证上面公式3的条件成立，必须特别注意同电压提升电路一起使用的太阳能电池的伏安特性(I-V曲线)。在所选择的照度下，较优的设计是在太阳能电池的等效输出阻抗和提升电路、充电限流电阻以及电池充电内部阻抗相组合的等效输入阻抗相匹配时得到的。
考虑到太阳能电池的效率E以电压输出V、电流输出I、太阳能电池面积A和光照度L表示，假定条件未远离伏安特性的最佳工作状态，那么：
效率E＝(IV)/(AL) 瓦/米2/勒克司 ……1
假定由两个效率E相等的太阳能电池向充电电池提供相同的电流，一个太阳能电池1直接连到电池，另一个太阳能电池2通过一个增益因子为G的电压提升电路连接到电池。
对两个太阳能电池都使用上面的公式1，通过效率E和电流I常数K，重新整理得到：
(E/I)＝K＝V1/(A1·L1)＝V2/(A2·L2)……2太阳能电池2的电压输出(V2)相比太阳能电池1(V1)而言根据提升因子G降低，因此
V2＝V1/G ……3将公式3代入2并约去V1，得到
(A2·L2)/(A1·L1)＝1/G ……4因此，如果在恒定照度(L)下要比较两个太阳能电池所要求的面积，或是在两太阳能电池面积(A)相等时比较照度，则
A2/A1＝1/G L恒定……5
L2/L1＝1/G A恒定……6假定相同的太阳能电池向电池发送相同的电流，两公式5、6表明，与太阳能电池和充电电池之间为直接连接时的相同参数A1和L1比较而言，太阳能电池和充电电池之间使用提升电路使得面积A2减小和照度L2降低。
上述的分析假定了对于相比较的太阳能系统来说，充电电流I和电池效率E是相等的。而且，在选定的照度下，太阳能电池短路电流输出能力Isc大大超过电池充电电流I，并且也大大超过提升电路提供的电流Ig。另一个假定是限压的稳压二板管在大多数工作条件下不影响提升电路输出。
所使用的充电电池类型应能表现出良好的输出电压对输入电流的函数，并且能充电和放电许多次而不会减弱其总体容量。目前，这种电池是一种锂型电池，比如锂-钒或二氧化锰锂电池。这意味着对于小电流来说，电池会较快地稳定在一个稳定的电压输出。
对于一些装置来说，将太阳能电池阵列做成设备外壳的一个组成部分是可能的。在这种情形下就不可能调节太阳能电池的定位，而且，如果设备是例如一个烟雾检测器，它们就必须以这样一种方式安装，使得从侧面和下面的光线能易于照射到太阳能电池上以便有效地收集光能。在这种情况下，可使用一块总面积稍大一点的太阳能电池，因此，在光线不是均等地照射到所有电池上的情况下，它就不会对太阳能电池阵列的电流输出产生负面影响。当太阳能电池和该设备成为一个整体时，供电连接就不必通过干电池型连接来完成。充电电池和倍压器可被加入烟雾报警器的已知印制电路板构件中。
图1给出了固定于烟雾报警器12顶部的调节装置，通过电源导线连接到内装的等效干电池14。光线1照射在太阳能电池阵列2上，被收集并转变成电压，继而该电压通过以级联方式连接的电压提升/倍压器电路3、4和/5升压以给出最终的电压输出6。该电压，其最大值为稳压二极管9所限，经电阻7和串接二极管8供给一个或多个充电电池10。这些充电电池可直接连接或通过另一个电压提升/倍压器或多个倍压器11连接到烟雾检测器。
可以对上述的设备采用各种各样的改进方法。比如，在干电池的尺寸较小的情况下，电压提升电路的一部分或全部可以被装入如图2和3所示太阳能电池的构造中。而且，在其位置被认为不合适时太阳能电池可以从充电电池/提升电路或是单独的电池/电流限制组合中分离出来。
图4给出了一个实施方案，其中提升电路在充电电池26的正极和负极输出处，如垂直的虚线7和8所示，与其分离。该电路允许灵活地对充电电流充电，继而在不需要的时候将太阳能电池和电压提升电路移走。它亦允许替换和除去充电电池，而不必丢弃直流-直流提升电路。
为了使充电电池在没有充电电路的情况下亦能连到电池驱动设备，在电池和设备之间使用一种连接器，其输入来自充电电路，如图12和13所示。
图12给出了一种根据图4精细结构的本发明的实施方案。在这个实施方案中，在充电电池30和电池驱动设备28之间联接有一种特殊的连接器27以允许对充电电池30充电，同时，接收来自太阳能电池和提升电路25的充电，而无须中断对电池驱动设备的供电。连接器27被放置用来使得太阳能供电可通过一个插头42而简单地断开，并且在不需要太阳能充电时，允许从充电电池和限流电路30到电池驱动设备28的直接连接。从连接器27垂直伸出的两个突出臂防止了从连接器27到电池驱动设备28和充电电池30的错误连接，因为如果企图将只能接到D边的A边同C连相接，突出臂会在机械上同电池相冲突。
图13给出了本发明又一个实施方案，由此一个位于充电电池30或者普通干电池40间的连接器29，允许电流从充电电池30或干电池40，或者具有提升电路21的太阳能电池流向电池驱动设备。连接器的结构有两个突出的臂31和32，用来防止A边被意外地接到C边的电池正、负两极。在连接器的结构中，有一个电路允许从太阳能电池和提升电路26或从待安装的充电/干电池向电池驱动设备提供电压。从太阳能提升电路流出的电流流经前向偏置二极管8以及从充电/干电池流出的电流流经前向偏置的二极管38，这取决于哪一个二极管具有更高的前向偏置电压。如果从太阳能电池和提升电路25出来的电压高些，那么电流会从充电或干电池流经二极管38。如果此前有大量的太阳能存在，那么，一个被用来贮存电荷的低泄漏电容会在电流从充电/干电池30或40流出之前暂时向电池驱动设备供电。也可选用一个前向偏置二极管42，用于当电源不被使用时防止电容通过放大电路放电。
上述电路，通过利用一种特殊设计的电池负端26来检测充电电池的存在，允许电流越过二极管38向充电电池充电。该特殊的充电电池由一个分裂成两个单独的电接头36和37构成。当特殊设计的充电电池30连到连接器27时，在电池驱动设备、电池与太阳能电源的负端以及二极管34之间并没有连接。由于二极管34并未同任何东西有电的联接，没有电流会流过二极管34和电阻33。因此，在电阻33和二极管34之间的电压被提高到供电电压，导致在开关设备39的门/基极提供了一个高电压，因此该开关设备39导通，允许电流从太阳能电池/提升电路25流向充电电池30。
当一个普通干电池40被接至特殊的连接器27时，半接头36和37都被接至零电位，将开关设备39的门/基极电压拉下并关闭。这继而防止了任何电流越过阻隔二极管38而流入干电池。需要附加的保护二极管35和34以在电池30的端子被暂时不正确地在B连和C连连接器27时保护开关设备39。
该装置的优点是不会对干电池进行充电，而且只有具有分裂接头的充电电池可被充电。这就允许充电电池和干电池都可同太阳能一起使用，选择由简单的干电池而不是充电电池来提供备用能量。
可以通过使用放置在包括充电电池或太阳能板2的盒于14上的闪烁LED24来指示光线是否足以对电池充电这一情况。该LED24由从一简单电路24发出的一种不常发生的脉冲电压供电，该电路23如图11所示，连接位置如图10所示，它由两个三极管Tr1和Tr2组成，在一时间常数控制下快速进入和离开饱和状态，该时间常数由电源通过来自提升电路的输出的电阻对电容充电决定的。
上述的设备尤其被用在电池驱动设备不得不在一段延长的时间内处于“等待”状态然后才能可靠工作的场合，例如烟雾检测器，入侵警报器或者甚至一个手电筒。它亦可用于其它领域，比如在个人娱乐领域中，该电源装置可被用于对小收音机或个人立体声设备或计算器供电。其中最重要的是，太阳能电池能暴露在光线下一段时间，以便有足够的能量对电池充电。
在所有这些应用中，电路和充电电池被装在一个尺寸和形状与普通电池，例如PP3电池或AA型电池相同的盒子中，这个事实意味着，举例来说，只要连接太阳能电池和电源盒子的电线能从该设备的电池外壳下通过，就不需要对该设备进行改动。
由于电池外壳设备的封闭特点，在对干电池的位置不可能有外部连接的情况下，就要求一种太阳能电源的稍微不同的装置，见图2和图3。在这种情形下，包含电池、提升电路和电流调节电路的盒子14构成了太阳能电池结构的一部分，或者是从太阳能电池到位于电池驱动设备上的外部供电插头15的通路。