一种基于电致反光器件的智能窗控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及光电智能控制技术领域，更具体的说是涉及一种基于电致反光器件的智能窗控制系统及控制方法。

背景技术

在社会总能耗中，建筑物的能耗占比接近30％，因此对建筑物的节能越来越关注。电致变色智能窗作为一种可主动调节光透过率的智能玻璃技术，电致变色(Electrochromism，EC)是指在外加电场作用下，材料在紫外、可见光或(和)近红外区域的透射率、反射率或吸收率发生稳定的可逆变化的过程，直观地表现为材料的颜色和透明度发生可逆变化的现象。电致变色智能窗在电场作用下通过调节光的吸收和透过，选择性地吸收或反射外界的热辐射，并阻止内部热量向外扩散，从而减少了办公大楼和民用住宅等建筑物在夏季降温和冬季取暖而必须耗费的大量能源。电致反光智能窗是一种新型电致变色技术，它既可以阻挡太阳可见光，又可以有效反射太阳辐射，其能够完成透明态、深色态、镜面反光态的可逆转换。

然而，现有的电致反光器件(Electroreflective device，ERD)由于沉积的银镜反光面具有自溶解的特性，在施加电压后由透明态到达深色态再逐步转变为镜面反光态，断电后会恢复成透明态，而不能长时间保持在中间某个特定的透光率状态。并且电致反光器件的转变速度非常依赖于用户终端件时所处的温度，在不同的条件下，相同持续时间的电压导致不同的着色状态，很难按照用户的目标进行自由控制。

因此，如何提供一种基于电致反光器件的智能窗控制系统及控制方法，实现对电致反光智能窗着色与隔热状态的自由控制和维持稳定的效果是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于电致反光器件的智能窗控制系统及控制方法，解决了现有技术中施加恒定电压时无法准确到达并长时间维持用户设定的着色与隔热状态。实现了对电致反光智能窗着色与隔热状态的自由控制和维持稳定的效果。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于电致反光器件的智能窗控制系统，基于用户终端，包括：温度传感器、电致反光器件、电量检测电路、控制器以及供电控制模块；

其中，所述温度传感器检测环境温度以及所述电致反光器件的实际温度，在不同温度区间下，通过所述电量检测电路测试所述电致反光器件着色到不同着色状态所需要的平均电荷量值，并将所述平均电荷量值作为目标电量存储在所述控制器中；

当用户终端的用户指令输入至所述控制器一个目标着色状态，所述供电控制模块用恒定电压对所述电致反光器件进行着色，通过所述电量检测电路实时检测所述电致反光器件在施加电压后的累计电量，当所述累计电量达到目标电量时，所述电致反光器件到达设置的目标着色状态，所述供电控制模块切换至预设的脉冲电压进行供电，通过预设的脉冲电压，使所述电致反光器件一直保持在设置的目标着色状态。

优选地，还包括无线传输模块，设置在所述用户终端以及所述控制器之间，用于将用户终端产生的用户指令无线传输至所述控制器。

优选地，所述电致反光器件的结构为三明治结构，包括：自下而上设置的第二电极层、电解质层以及第一电极层；

其中，所述第一电极层和第二电极层为电导率透光材料；

所述电解质层为可电沉积的金属阳离子材料；

在恒定电压的作用下，电解质中的可电沉积的金属阳离子会还原成金属单质，沉积到第一电极层或者第二电极层，形成高反射率的金属薄膜。

优选地，所述电量检测电路包括依次串联的采样保持电路，缓冲器，电流镜电路，电流计以及积分器电路；

其中，所述供电控制模块通过电阻器R1与所述电致反光器件连接；

所述采样保持电路与所述电阻器R1并联，对所述电阻器R1上的电压进行采样并且将采样电压保持；

所述缓冲器缓冲采样保持电路的输出并产生与采样电压成比例的电流作为电流镜电路的输入电流；

所述电流镜电路接收输入电流，并输出镜像电流；

所述电流计以及积分器电路与所述控制器连接，感应镜像电流，并随着时间对感应的镜像电流进行积分以产生累计电量值。

优选地，所述采样保持电路包括：电压采样模块和电容器C1；

其中，所述电压采样模块定期对通过所述电阻器R1上的两端电压进行采样，并将采样的电压保持在所述电容器C1上。

优选地，所述缓冲器包括：运算放大器A1、电阻器R2、晶体管Q1、晶体管Q2；

其中，所述运算放大器A1正输入端接收采样电压，所述运算放大器A1的负输入端与所述晶体管Q1的输出端连接，所述运算放大器A1的输出端与所述晶体管Q1的控制端连接；

所述电阻器R2连接在所述晶体管Q1的输出端和地之间；

所述晶体管Q2的控制端和输出端连接在一起，所述晶体管Q2的输入端连接正极电压，形成电流源。

优选地，所述预设的脉冲电压的占空比公式为：

η＝t1/(t1+t2)＝-V

V

式中，t1为电平维持时间，t2为低电平维持时间，V

一种基于电致反光器件的智能窗控制方法，包括：

S100：通过控制器接收用户终端的用户指令确定目标着色状态；

S200：通过温度传感器检测的温度传到控制器，通过控制器确定温度区间；

S300：确定温度区间下变色到目标着色状态所需要的平均电荷量值，并将所述平均电荷量值作为目标电量；

S400：供电控制模块用恒定电压对所述电致反光器件的着色；

S500：通过所述电量检测电路实时检测所述电致反光器件在施加电压后的累计电量，判断所述累计电量是否达到目标电量，若否，则返回S200重新确定温度区间；若是，则：

S600：当所述电致反光器件到达设置的目标着色状态，控制器判断是否接收到用户终端发出的需要维持目标着色状态的用户指令，若否，则控制结束；若是，则：

S700：供电控制模块切换至预设的脉冲电压进行供电；

S800：确定目标着色状态下的脉冲电压的占空比；

S900：通过脉冲电压的占空比使电致反光器件一直保持在设置的目标着色状态。

优选地，所述S300，包括：预先存储至所述控制器中的不同温度区间，以及不同温度区间对应的不同着色目标，以及每个着色目标对应的一个电荷量值，用于确定温度区间下变色到目标着色状态所需要的平均电荷量值，并将所述平均电荷量值作为目标电量。

优选地，所述S800中脉冲电压的占空比公式为：

η＝t1/(t1+t2)＝-V

V

式中，t1为电平维持时间，t2为低电平维持时间，V

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于电致反光器件的智能窗控制系统及控制方法，可以根据用户的需求，将智能窗调控到某个特定的透过率，对应着特定的隔热能力，长时间保持恒定，解决了电致反光器件ERD应用到建筑智能窗中难以自由控制问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的脉冲供电模式下的脉冲电压示意图；

图3为本发明的电致反光器件工作过程透过率随时间变化示意图；

图4为本发明的电致反光器件结构示意图；

图5为本发明的方法流程示意图；

图6为本发明控制电致反光器件的效果示意图；

图7为本发明实施例2的应用效果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于电致反光器件的智能窗控制系统及控制方法，该系统用包括温度传感器、电致反光器件、电量检测电路、控制器以及供电控制模块；首先在不同温度区间下，利用本发明中的电量检测电路测试电致反光器件着色到不同着色状态所需要的平均电荷量值Q_target，存储在控制器中(不同着色状态包括LV0～LV10，具体的LV0表示100％相对透过率，LV1表示90％相对透过率，LV2表示80％相对透过率，依此类推，LV10则表示0.1％相对透过率，可理解为器件的着色极限)。系统工作时，在用恒定电压对器件的着色过程中，通过电量检测电路，实时监测器件在施加电压后的累计电量Q，在变色累计电量Q达到目标电量Q_target时，器件就到达设置的目标着色状态，随即系统会切换至脉冲电压进行供电，通过合适的脉冲电压，使器件一直保持在设置的目标着色状态。为电致反光器件ERD应用到建筑智能窗中难以自由控制的问题提供解决方案。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

参见图1所示，本发明实施例1公开了一种基于电致反光器件的智能窗控制系统及控制方法，基于用户终端，包括：温度传感器、电致反光器件、电量检测电路、控制器以及供电控制模块；

其中，温度传感器检测环境温度以及电致反光器件的实际温度，在不同温度区间下，通过电量检测电路测试电致反光器件着色到不同着色状态所需要的平均电荷量值，并将平均电荷量值作为目标电量存储在控制器中；

当用户终端的用户指令输入至控制器一个目标着色状态，供电控制模块用恒定电压对电致反光器件的着色，通过电量检测电路实时检测电致反光器件在施加电压后的累计电量，当累计电量达到目标电量时，电致反光器件到达设置的目标着色状态，供电控制模块切换至预设的脉冲电压进行供电，通过预设的脉冲电压，使电致反光器件一直保持在设置的目标着色状态。

具体的，温度传感器检测环境温度以及电致反光器件的实际温度，设置一系列温度区间，例如:10℃-12℃，12℃-14℃，14℃-16℃，16℃-18℃，18℃-20℃，20℃-22℃，22℃-24℃，24℃-26℃，26℃-28℃，28℃-30℃，30℃-32℃，32℃-34℃，34℃-36℃，得到每个温度区间下变色到不同着色目标包括LV1-LV10所需要的电荷量，将信息存储在控制器中，并设置为不同档位。

具体的，所需电荷量值和不同着色状态有对应关系(其实就是不同透过率)，包括LV0～LV10，其中LV0可以表示为100％相对透过率，LV1可以表示为90％相对透过率，LV2可以表示为80％相对透过率，依此类推，LV10则可以表示为0.1％相对透过率。

在一个具体实施例中，采样保持电路包括：电压采样模块和电容器C1；

其中，电压采样模块定期对通过电阻器R1上的两端电压进行采样，并将采样的电压保持在电容器C1上。

具体的，电压采样模块定期对通过电阻器R1两端的电压VR1进行采样，以产生采样电压V2。电容器C1用于存储或保持由采样模块产生的采样电压V2。

电量检测电路包括依次串联的采样保持电路，缓冲器，电流镜电路，电流计以及积分器电路；

其中，供电控制模块通过电阻器R1与电致反光器件连接；

采样保持电路与电阻器R1并联，对电阻器R1上的电压进行采样并且将采样电压保持；

缓冲器缓冲采样保持电路的输出并产生与采样电压成比例的电流作为电流镜电路的输入电流；

电流镜电路接收输入电流，并输出镜像电流；

电流计以及积分器电路与控制器连接，感应镜像电流，并随着时间对感应的镜像电流进行积分以产生累计电量值。

具体的，本发明创新性的使用了拓扑结构，利用采样保持电路，缓冲器和电流镜电路，使外部电路(电量检测系统)对器件着色状态转换过程的影响降至最低，并且保证了准确稳定地复制流经器件的电流。

在一个具体实施例中，缓冲器为单位增益缓冲器，包括：运算放大器A1、电阻器R2、晶体管Q1、晶体管Q2；其中，运算放大器A1的正输入端接收采样电压V2，运算放大器A1的负输入端连接到晶体管Q1的输出端，运算放大器A1的输出端连接到晶体管Q1的控制端，电阻器连接在晶体管Q1的输出端和地之间，晶体管Q2为PMOS晶体管，其输入端子连接到V+并且其控制端子和输出端子连接在一起，使得晶体管Q2形成电流源。由晶体管Q2两端的电压降产生的电流I2被提供给缓冲器电路，如前，缓冲器电路控制I2，使得电阻器R2两端的电压等于电阻器R1两端的电压。因此，电流I2近似于通过电致反光器件ERD的电流。

具体的，通过缓冲器可以缓冲采样保持电路的输出并产生与采样电压V2成比例的电流I2，单位增益缓冲器使电阻器R2的两端的电压V2与电阻器R1两端的电压VR1成正比，并且在采样保持电路内差分放大器的增益为1时基本保持相同。这样，电流I2与流经R1的电流I成正比，公式表示为：

在一个具体实施例中，电流镜电路的作用是来接收输入电流，并为输出提供了精准的镜像电流，即把电流I2复制到输出端，输出端连接电流计以及积分器电路。电流计以及积分器电路中包括电流计和积分器，其中，电流计用来感应输入的电流，而积分器接收电流计的输出，并随着时间对其进行积分以产生累计电量值“Q”，该值等于在一个时间段内转移到电致反光器件的电荷量。控制器接收到电量值“Q”后，在变色累计电量“Q”达到目标电量Q_target时，控制器传达信号给供电控制系统，使其切换至脉冲供电模式。

具体的，供电控制模块有两种供电模式，脉冲供电模式和恒压供电模式，正常供电模式就是恒压供电模式，电致变色器件两端施加恒定的电压，而脉冲供电模式则产生可调占空比的脉冲电压，脉冲电压占空比是在控制器上设置，然后由控制器根据脉冲电压占空比控制脉冲供电模式。如图2所示，高电平维持时间为t1，低电平维持时间为t2，占空比为η＝t1/(t1+t2)。

如图3所示为电致反光器件工作过程透过率随时间变化示意图，为电致反光器件工作过程中透过率随时间变化示意图，具体是施加恒定电压，待着色完全后，撤去电压，使其自褪色的过程。透射率由100％降至0.1％的过程是施加电压时的着色曲线，透过率由0.1％升至100％的过程是撤去电压后的自褪色曲线。着色曲线和自褪色曲线对应40％透过率的a点和b点，斜率v

具体的，该曲线率可由光谱仪测试得出，横坐标为时间，纵坐标为透过率，这条曲线的斜率即可以表示着色速率以及自褪色的速率。电致反光器件的透过率从100％到0.1％可调，所以当我们用光谱仪测到透过率为LV0～LV10其中的一个，比如LV8，对应透过率20％，这个时候通过电量检测电路来检测此时的电荷量值，然后存储在控制器中。

在一个具体实施例中，脉冲电压占空比是在控制器上设置，然后由控制器根据脉冲电压占空比控制脉冲供电模块，设置的脉冲电压占空比的具体算法如下，例如图3中LV6即40％透过率时，根据此透过率对应的曲线上的两点a和b处的斜率，可以得到着色速率v

V

所以脉冲电压占空比的设置为

η＝t1/(t1+t2)＝-V

在这样的脉冲电压作用的过程中，电致反光器件就实现着色状态的动态保持。

具体的，还包括无线传输模块(图中未示出)，设置在用户终端以及控制器之间，用于将用户终端产生的用户指令无线传输至控制器；

具体的，无线传输模块可以集成蓝牙模块，Zigbee或者WIFI模块，实现对智能窗的远程控制。

在一个具体实施例中，参见图4所示，电致反光器件的结构为三明治结构，包括：自下而上设置的第二电极层、电解质层以及第一电极层；

其中，第一电极层和第二电极层为锡掺杂氧化铟电极层；

电解质层为可电沉积的金属阳离子电解质层；

在恒定电压的作用下，电解质中的可电沉积的金属阳离子会还原成金属单质，沉积到第一电极层或者第二电极层，形成高反射率的金属薄膜。

具体的，电致反光器件的工作原理为：在恒定电压的作用下，电解质中的Ag

具体的，本发明提到的电解质中的Ag+可替换为Cu

另一方面，参见图5所示，一种基于电致反光器件的智能窗控制方法，包括：

S100：通过控制器接收用户终端的用户指令确定目标着色状态；

S200：通过温度传感器检测的温度传到控制器，通过控制器确定温度区间；

具体的，预先存储至控制器中的不同温度区间，以及不同温度区间对应的不同着色目标，以及每个着色目标对应的一个电荷量值，用于确定温度区间下变色到目标着色状态所需要的平均电荷量值，并将平均电荷量值作为目标电量。

首先着色目标是用户终端设定的LV0～LV10，具体的LV0表示100％相对透过率，LV1表示90％相对透过率，LV2表示80％相对透过率，依此类推，LV10则表示0.1％相对透过率，可理解为器件的着色极限。

S300：确定温度区间下变色到目标着色状态所需要的平均电荷量值，并将平均电荷量值作为目标电量；

具体的，每个着色目标对应了一个电荷量的值，该值在图3中的控制器中存储着，由电量检测电路中的电压采样电路，缓冲器，电流镜电路，电流计及积分电路检测实时的电荷量值，与控制器中存储的值做对比，如果相同就说是确定达到着色目标所需要的电荷量Q_target。

S400：供电控制模块用恒定电压对电致反光器件的着色，具体的，恒压供电模式下将电流施加到电致反光器件上进行着色；

S500：通过电量检测电路实时检测电致反光器件在施加电压后的累计电量，判断累计电量是否达到目标电量，若否，则返回S200重新确定温度区间；若是，则：

S600：当电致反光器件到达设置的目标着色状态，控制器判断是否接收到用户终端发出的需要维持目标着色状态的用户指令，若否，则控制结束；若是，则：

S700：供电控制模块切换至预设的脉冲电压进行供电；

S800：确定目标着色状态下的脉冲电压的占空比比公式为：

η＝t1/(t1+t2)＝-V

V

式中，t1为电平维持时间，t2为低电平维持时间，V

S900：通过脉冲电压的占空比使电致反光器件一直保持在设置的目标着色状态。

本发明公开提供了一种基于电致反光器件的智能窗控制系统及控制方法，可以根据用户的需求，将智能窗调控到某个特定的透过率，对应着特定的隔热能力，长时间保持恒定，解决了现有的ERD应用到建筑智能窗中难以自由控制问题。若用户想要在阻光隔热的同时保持对窗外景观的可视性，则可以调节智能窗的透过率维持在10～80％的不同区间。如图透过率随时间变化的示意图，器件工作时由LV0的100％透过率降低至LV7的30％透过率，并长时间保持在这个状态；而如果用户想要电致反光智能窗维持在完全阻光隔热的镜面反光态，则可以调节智能窗的透过率维持在0.1％的镜面反光态，在炎热的夏天可以有效减缓屋内温度的升高，减少空调使用带来的能耗，在寒冷的冬天又可以实现智能保温的效果。并且应用本发明技术可以使电致反光智能窗维持良好的镜面。参见图6所示，为本发明控制电致反光器件由100％透过率降至30％透过率并保持效果示意图。

实施例2

下面由本发明实施例2具体说明提供的一种基于电致反光器件的智能窗控制系统及控制方法的应用效果：

具体的，参见图7所示，带电致反光器件的智能窗被安装在建筑上，并且装有温度传感器，用户可以通过用户终端对电致反光智能窗控制系统进行设置，可以根据需求对智能窗的透过率进行控制。夏天的中午，太阳直射房屋，太阳辐射透过窗户进入室内，屋内温度随之迅速上升。空调的使用将消耗很大的电能，不利于节能环保。利用电致反光智能窗控制系统，用户可以控制智能窗保持在合适的着色状态，例如图中若用户想要在阻光的同时，能够看到窗外的景观，可以设置窗户由透明态转变为40％透过率的深色态并维持不变；若用户想要完全阻光隔热，则可以设置窗户维持为0.1％透过率的镜面反光态，可以有效减缓屋内温度升高，减少空调使用带来的能耗。由于完全着色后，窗户可以变为镜面反光态，对红外线具有99％以上的反射率，在寒冷的冬天，也可以利用本发明能控制窗户实现对红外辐射的反射调节，使得室内的热量更不容易通过窗户耗散，实现室内的智能保温。另外，应用本发明，用户有希望舍弃窗帘，白天自由控制室内光线的强弱和太阳能辐射的强度，而晚上又可以保护室内隐私。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。