太陽能電池板效率計

在極端環(huán)境中對原型系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場測試
    在現(xiàn)場測試設(shè)備或產(chǎn)品時，資源、材料限制、調(diào)試和時間壓力都具有挑戰(zhàn)性。不過，正是失敗才是現(xiàn)場測試工作的成功之母，而且在現(xiàn)場測試中積累的經(jīng)驗(yàn)也有助于設(shè)計師對系統(tǒng)的全面了解。我們要測試的是，由太陽能供電的 12V 鉛酸汽車電池充電電路原型系統(tǒng)，我們要用這個汽車電池給 LED 燈、音頻系統(tǒng)、用于露營淋浴器和噴霧系統(tǒng)的水泵等供電，要證明該充電電路不會損壞并能正常工作。我們的測試環(huán)境是美國炎熱的內(nèi)華達(dá)州沙漠，那里沒有水、沒有陰涼處、沒有電，什么都沒有。在這樣的條件下，活著的惟一指望是，用貨運(yùn)汽車裝運(yùn)幾天中所需的一切，然后再一樣不少地全都運(yùn)回來。從每個方面來說，這都是一個完美的測試環(huán)境，可確定系統(tǒng)是否足以提供舒適的生活條件。

“真刀真槍”地驗(yàn)證自己的設(shè)計
    對于諸如此類的現(xiàn)場測試，失敗的后果是，會產(chǎn)生一種非常糟糕的感受。人們普遍認(rèn)為，必須監(jiān)視充電系統(tǒng)，以防止電池電量完全耗盡。因此，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y量，并實(shí)時收集測量數(shù)據(jù)，以保持并恢復(fù)電池壽命。我們所采用的器具包括一個 DC1688 演示電路板，該演示電路板采用凌力爾特的 LT3652 太陽能電池充電控制器，該控制器連接到 Solec 公司的 70W (Solec SQ-70) 太陽能電池板，這個太陽能電池板的最高電壓為 17V，電流為 4.45A ¹

¹ Solec SQ-70 太陽能電池板特征參數(shù)：
    額定功率：在 25oC 時為 75W
    最高電壓：17.00V
    最大電流：4.45A
    短路電流：4.75A
    開路電壓：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

問題是，如果我們開始時電池是充滿電的，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(yùn)轉(zhuǎn)、用 12V 汽車音頻放大器播放幾個小時的 iPod 音樂以及給其他外部設(shè)備再充電，Solec 70W 太陽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光照和太陽能電池板了嗎？盡管用輸出功率/輸入功率 x 100 來測量效率并不難，但是攜帶 4 個萬用表和一個計算器去沙漠，不斷讀取讀數(shù)和測量值，是不現(xiàn)實(shí)的。不過，我們可以使用內(nèi)部開發(fā)的“效率計”。采用兩塊凌力爾特的演示電路板、一個微控制器和一個 ADC，就可以構(gòu)成一個效率計，并用該效率計實(shí)時測量和計算效率，最后在 LCD 顯示屏上顯示結(jié)果。無需萬用表、無需計算器，最重要的是，無需電腦。該系統(tǒng)用一個僅為 9V 的電池和內(nèi)部嵌入式編程，就可以獨(dú)立工作了，這使得該系統(tǒng)非常便于攜帶。就優(yōu)化太陽能電池板充電系統(tǒng)而言，實(shí)時效率數(shù)據(jù)極為有用，例如，在給太陽能電池板定位時，有了實(shí)時效率數(shù)據(jù)，就不用靠猜測行事了，另外利用實(shí)時效率數(shù)據(jù)還可以確定白天什么時間充電效率最高、恰當(dāng)?shù)仡A(yù)算電池電量的使用等。

凌力爾特的演示電路板 DC590B 包括一個 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 8 通道 24 位差分 ADC LTC2418 組成。僅使用該 ADC 的 4 個通道，其中兩個通道測量 V_IN 和 V_OUT，另外兩個通道利用 DC1116A 演示電路板上的 LTC6103 電流檢測放大器，以電壓形式測量 I_IN 和 I_OUT，因?yàn)殡妷号c電流成正比。DC1116A 演示電路板略有修改，電阻器更換為實(shí)現(xiàn) 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 個差分通道上的代碼、獲取所測電壓的瞬時值、轉(zhuǎn)換、計算效率并將結(jié)果顯示在 LCD 上。 最終結(jié)果是，我們得到了一個簡單明了的系統(tǒng)，可顯示Vs  (太陽能電池板電壓)、I_IN (電池充電器的輸入電流)、Vb (電池電壓)、I_OUT (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 I_OUT) / (V_s x I_IN) x 100。

讓每個通道都作為差分電壓測量通道工作意味著，V_IN 和 V_OUT 的接地通道需要連在一起。在我的設(shè)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(nèi)部基準(zhǔn)電壓限制，因此我必須在 Vs 和 Vb 通道使用一個分壓器，以保持處于 20V 的最大輸入范圍內(nèi)。通道上的電阻器分壓器最大限度地提高了分辨率，而內(nèi)部代碼用來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(tǒng)具有足夠的便攜性，以靠一個 9V 堿性電池工作，方便隨身攜帶，但又要使該系統(tǒng)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(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器的最大輸入電壓范圍為 20V，可調(diào)節(jié)提供給整個太陽能電池板電池充電器系統(tǒng)的 5V 電壓 (圖 1) 。用 5V 輸出選擇跨接線將 9V 堿性電池連接到該演示電路板的V_IN 端。LTM4600 的 BURST 模式在輕負(fù)載時效率較高，有助于延長電池壽命。通過在現(xiàn)場依靠最終產(chǎn)品工作，我們對最終產(chǎn)品進(jìn)行了從設(shè)計到原型系統(tǒng)的 β 測試。

圖 1：可在 LCD 顯示屏上實(shí)時顯示結(jié)果的太陽能電池板效率計；從左至右依次是：
DC823B 演示電路板 (LTM4600  -  降壓型微型模塊穩(wěn)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 12V 水泵，能用淋浴器和噴霧系統(tǒng)同炎熱的天氣做斗爭 (圖 2)。晚上也令人愉快，有一串 LED 燈給營地照明。我們搭建遮蔭棚以遮蔽太陽時，使用了無繩電鉆，該無繩電鉆可再充電以連續(xù)使用 (參見圖 3)。我們甚至通過一個放大器和幾個揚(yáng)聲器播放了 iPod 音樂，度過了幾個節(jié)日般的夜晚。實(shí)時效率計幫助我們預(yù)算整個白天的功耗，不僅幫助我們定位了太陽能電池板的朝向，還幫助我們確定了設(shè)備使用多長時間后，電池電量才會耗盡。宿營仍然具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槲覀儽仨殤?yīng)對隔斷太陽光照的沙塵暴，沙塵暴妨礙太陽能電池板給電池充電，使我們不得不限制電源的使用。不過最后，該系統(tǒng)的工作表現(xiàn)與設(shè)計初衷相吻合，電池電量從未耗盡，設(shè)計師經(jīng)受住了現(xiàn)場測試的考驗(yàn)而沒有任何損失。

圖 2：搭建遮蔭棚和使用 12V 水泵的淋浴房時使用了可再充電的工具

 
圖 3：在沙漠中實(shí)現(xiàn)最高效率的系統(tǒng)配置：
A. Solec SQ-70 75W 太陽能電池板
B. 12V 鉛酸汽車電池 (兩個電池裝在綠色箱子中；一個用于充電，另一個用于工作)
C. Ryobi 無繩電鉆的充電器和電池
D. 用于淋浴器和冷卻噴霧系統(tǒng)的水泵
E. 法式咖啡壺，早上提神用
F. 揚(yáng)聲器用作桌子的腿，配合廢棄木板搭成桌子