太陽(yáng)能電池板效率計

　　在現場(chǎng)測試設備或產(chǎn)品時(shí)，資源、材料限制、調試和時(shí)間壓力都具有挑戰性。不過(guò)，正是失敗才是現場(chǎng)測試工作的成功之母，而且在現場(chǎng)測試中積累的經(jīng)驗也有助于設計師對系統的全面了解。我們要測試的是，由太陽(yáng)能供電的 12V 鉛酸汽車(chē)電池充電電路原型系統，我們要用這個(gè)汽車(chē)電池給 LED 燈、音頻系統、用于露營(yíng)淋浴器和噴霧系統的水泵等供電，要證明該充電電路不會(huì )損壞并能正常工作。我們的測試環(huán)境是美國炎熱的內華達州沙漠，那里沒(méi)有水、沒(méi)有陰涼處、沒(méi)有電，什么都沒(méi)有。在這樣的條件下，活著(zhù)的惟一指望是，用貨運汽車(chē)裝運幾天中所需的一切，然后再一樣不少地全都運回來(lái)。從每個(gè)方面來(lái)說(shuō)，這都是一個(gè)完美的測試環(huán)境，可確定系統是否足以提供舒適的生活條件。

　　“真刀真槍”地驗證自己的設計

　　對于諸如此類(lèi)的現場(chǎng)測試，失敗的后果是，會(huì )產(chǎn)生一種非常糟糕的感受。人們普遍認為，必須監視充電系統，以防止電池電量完全耗盡。因此，必須進(jìn)行適當的測量，并實(shí)時(shí)收集測量數據，以保持并恢復電池壽命。我們所采用的器具包括一個(gè) DC1688 演示電路板，該演示電路板采用凌力爾特的 LT3652 太陽(yáng)能電池充電控制器，該控制器連接到 Solec 公司的 70W (Solec SQ-70) 太陽(yáng)能電池板，這個(gè)太陽(yáng)能電池板的最高電壓為 17V，電流為 4.45A 1。該演示電路板非常簡(jiǎn)單：連接太陽(yáng)能電池板和電池，就可以正常工作了。LT3652 跟蹤電源曲線(xiàn)，并優(yōu)化該曲線(xiàn)，以便以 14V 和 2A 的最大電流給電池充電，因此優(yōu)化了太陽(yáng)能電池板的供電。LT3652 具預查驗功能，會(huì )給低壓電池進(jìn)行涓流充電，以保持電池良好運行，如果電池沒(méi)有響應預查驗，那么該器件還提供壞電池檢測指示信號。

　　1 Solec SQ-70 太陽(yáng)能電池板特征參數：

　　額定功率：在 25oC 時(shí)為 75W

　　最高電壓：17.00V

　　最大電流：4.45A

　　短路電流：4.75A

　　開(kāi)路電壓：21.40V

　　尺寸：46.8 英寸 x 20.9 英寸 x 1.5 英寸

　　重量：16.5 磅/7.5 千克

　　問(wèn)題是，如果我們開(kāi)始時(shí)電池是充滿(mǎn)電的，并在白天始終保持充電，那么要想整夜使用 LED 燈、支持用于淋浴器的 12V 水泵的運轉、用 12V 汽車(chē)音頻放大器播放幾個(gè)小時(shí)的 iPod 音樂(lè )以及給其他外部設備再充電，Solec 70W 太陽(yáng)能電池板能提供足夠的電力、給電池充上所需的電量嗎?

　　這類(lèi)測試的關(guān)鍵部分是測試充電電路的效率。充電電路最大限度地給電池充電了嗎?充電電路最大限度地利用太陽(yáng)光照和太陽(yáng)能電池板了嗎?盡管用輸出功率/輸入功率 x 100 來(lái)測量效率并不難，但是攜帶 4 個(gè)萬(wàn)用表和一個(gè)計算器去沙漠，不斷讀取讀數和測量值，是不現實(shí)的。不過(guò)，我們可以使用內部開(kāi)發(fā)的“效率計”。采用兩塊凌力爾特的演示電路板、一個(gè)微控制器和一個(gè) ADC，就可以構成一個(gè)效率計，并用該效率計實(shí)時(shí)測量和計算效率，最后在 LCD 顯示屏上顯示結果。無(wú)需萬(wàn)用表、無(wú)需計算器，最重要的是，無(wú)需電腦。該系統用一個(gè)僅為 9V 的電池和內部嵌入式編程，就可以獨立工作了，這使得該系統非常便于攜帶。就優(yōu)化太陽(yáng)能電池板充電系統而言，實(shí)時(shí)效率數據極為有用，例如，在給太陽(yáng)能電池板定位時(shí)，有了實(shí)時(shí)效率數據，就不用靠猜測行事了，另外利用實(shí)時(shí)效率數據還可以確定白天什么時(shí)間充電效率最高、恰當地預算電池電量的使用等。

　　凌力爾特的演示電路板 DC590B 包括一個(gè) PIC 微控制器，該微控制器與 DC571A 演示電路板連接。DC571A 演示板由一個(gè) 8 通道 24 位差分 ADC LTC2418 組成。僅使用該 ADC 的 4 個(gè)通道，其中兩個(gè)通道測量 VIN 和 VOUT，另外兩個(gè)通道利用 DC1116A 演示電路板上的 LTC6103 電流檢測放大器，以電壓形式測量 IIN 和 IOUT，因為電壓與電流成正比。DC1116A 演示電路板略有修改，電阻器更換為實(shí)現 0.1V/1A 的比率。

　　將 LTC2418 (ADC DC571A) 演示電路板連接到 DC590B 的微控制器接口，這很容易，然后記錄 ADC 4 個(gè)差分通道上的代碼、獲取所測電壓的瞬時(shí)值、轉換、計算效率并將結果顯示在 LCD 上。 最終結果是，我們得到了一個(gè)簡(jiǎn)單明了的系統，可顯示Vs (太陽(yáng)能電池板電壓)、IIN (電池充電器的輸入電流)、Vb (電池電壓)、IOUT (從電池充電器到 12V 鉛酸電池的輸出電流) 和計算所得的效率 (Vb x IOUT) / (Vs x IIN) x 100。

　　讓每個(gè)通道都作為差分電壓測量通道工作意味著(zhù)，VIN 和 VOUT 的接地通道需要連在一起。在我的設計中，通道 3、5、7 和 9 連接至地。通道 2 和 6 是 Vs 和 Vb。通道 4 和 8 是 IIN 和 IOUT。該 ADC 具 2.5V 的內部基準電壓限制，因此我必須在 Vs 和 Vb 通道使用一個(gè)分壓器，以保持處于 20V 的最大輸入范圍內。通道上的電阻器分壓器最大限度地提高了分辨率，而內部代碼用來(lái)重新計算真正的電壓值，所使用的少量糾錯可以忽略不計。

　　最后一步是讓該系統具有足夠的便攜性，以靠一個(gè) 9V 堿性電池工作，方便隨身攜帶，但又要使該系統足夠靈活，以使用 12V 鉛酸電池。DC823B 演示電路板采用 LTM4600 降壓型微型模塊 (µModule®) 穩壓器，該穩壓器的最大輸入電壓范圍為 20V，可調節提供給整個(gè)太陽(yáng)能電池板電池充電器系統的 5V 電壓 (圖 1) 。用 5V 輸出選擇跨接線(xiàn)將 9V 堿性電池連接到該演示電路板的VIN 端。LTM4600 的 BURST 模式在輕負載時(shí)效率較高，有助于延長(cháng)電池壽命。通過(guò)在現場(chǎng)依靠最終產(chǎn)品工作，我們對最終產(chǎn)品進(jìn)行了從設計到原型系統的 β 測試。

　　圖 1：可在 LCD 顯示屏上實(shí)時(shí)顯示結果的太陽(yáng)能電池板效率計;從左至右依次是：

　　DC823B 演示電路板 (LTM4600 - 降壓型微型模塊穩壓器)

　　DC590B 演示電路板 PIC 微控制器

　　DC571A 演示電路板 (LTC2418 - 24 位、8 通道 ADC LTC2418)

　　DC1116A 演示電路板 (LTC6103 - 電流檢測放大器)

　　實(shí)時(shí)效率

　　在沙漠中生活幾天不是一件容易的事，除非有電池電源提供一些令人舒適的條件。我們使用了一個(gè) 12V 水泵，能用淋浴器和噴霧系統同炎熱的天氣做斗爭 (圖 2)。晚上也令人愉快，有一串 LED 燈給營(yíng)地照明。我們搭建遮蔭棚以遮蔽太陽(yáng)時(shí)，使用了無(wú)繩電鉆，該無(wú)繩電鉆可再充電以連續使用 (參見(jiàn)圖 3)。我們甚至通過(guò)一個(gè)放大器和幾個(gè)揚聲器播放了 iPod 音樂(lè )，度過(guò)了幾個(gè)節日般的夜晚。實(shí)時(shí)效率計幫助我們預算整個(gè)白天的功耗，不僅幫助我們定位了太陽(yáng)能電池板的朝向，還幫助我們確定了設備使用多長(cháng)時(shí)間后，電池電量才會(huì )耗盡。宿營(yíng)仍然具有挑戰性，因為我們必須應對隔斷太陽(yáng)光照的沙塵暴，沙塵暴妨礙太陽(yáng)能電池板給電池充電，使我們不得不限制電源的使用。不過(guò)最后，該系統的工作表現與設計初衷相吻合，電池電量從未耗盡，設計師經(jīng)受住了現場(chǎng)測試的考驗而沒(méi)有任何損失。

　　圖 2：搭建遮蔭棚和使用 12V 水泵的淋浴房時(shí)使用了可再充電的工具

　　圖 3：在沙漠中實(shí)現最高效率的系統配置：

　　A. Solec SQ-70 75W 太陽(yáng)能電池板

　　B. 12V 鉛酸汽車(chē)電池 (兩個(gè)電池裝在綠色箱子中;一個(gè)用于充電，另一個(gè)用于工作)

　　C. Ryobi 無(wú)繩電鉆的充電器和電池

　　D. 用于淋浴器和冷卻噴霧系統的水泵

　　E. 法式咖啡壺，早上提神用

　　F. 揚聲器用作桌子的腿，配合廢棄木板搭成桌子