太阳能电池板效率计

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在极端环境中对原型系统进行现场测试

在现场测试设备或产品时，资源、材料限制、调试和时间压力都具有挑战性。不过，正是失败才是现场测试工作的成功之母，而且在现场测试中积累的经验也有助于设计师对系统的全面了解。我们要测试的是，由太阳能供电的12V铅酸汽车电池充电电路原型系统，我们要用这个汽车电池给LED灯、音频系统、用于露营淋浴器和喷雾系统的水泵等供电，要证明该充电电路不会损坏并能正常工作。我们的测试环境是美国炎热的内华达州沙漠，那里没有水、没有阴凉处、没有电，什么都没有。在这样的条件下，活着的惟一指望是，用货运汽车装运几天中所需的一切，然后再一样不少地全都运回来。从每个方面来说，这都是一个完美的测试环境，可确定系统是否足以提供舒适的生活条件。

“真刀真枪”地验证自己的设计

对于诸如此类的现场测试，失败的后果是，会产生一种非常糟糕的感受。人们普遍认为，必须监视充电系统，以防止电池电量完全耗尽。因此，必须进行适当的测量，并实时收集测量数据，以保持并恢复电池寿命。我们所采用的器具包括一个DC1688演示电路板，该演示电路板采用凌力尔特的LT3652太阳能电池充电控制器，该控制器连接到Solec公司的70W (Solec SQ-70) 太阳能电池板，这个太阳能电池板的最高电压为17V，电流为4.45A ¹。该演示电路板非常简单：连接太阳能电池板和电池，就可以正常工作了。LT3652 跟踪电源曲线，并优化该曲线，以便以14V和2A的最大电流给电池充电，因此优化了太阳能电池板的供电。LT3652具预查验功能，会给低压电池进行涓流充电，以保持电池良好运行，如果电池没有响应预查验，那么该器件还提供坏电池检测指示信号。

¹Solec SQ-70太阳能电池板特征参数：

额定功率：在25℃时为75W

最高电压：17.00V

最大电流：4.45A

短路电流：4.75A

开路电压：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

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问题是，如果我们开始时电池是充满电的，并在白天始终保持充电，那么要想整夜使用LED灯、支持用于淋浴器的12V水泵的运转、用12V汽车音频放大器播放几个小时的iPod音乐以及给其他外部设备再充电，Solec 70W太阳能电池板能提供足够的电力、给电池充上所需的电量吗

这类测试的关键部分是测试充电电路的效率。充电电路最大限度地给电池充电了吗？充电电路最大限度地利用太阳光照和太阳能电池板了吗？尽管用输出功率/输入功率 x 100来测量效率并不难，但是携带4个万用表和一个计算器去沙漠，不断读取读数和测量值，是不现实的。不过，我们可以使用内部开发的“效率计”。采用两块凌力尔特的演示电路板、一个微控制器和一个ADC，就可以构成一个效率计，并用该效率计实时测量和计算效率，最后在LCD显示屏上显示结果。无需万用表、无需计算器，最重要的是，无需电脑。该系统用一个仅为9V的电池和内部嵌入式编程，就可以独立工作了，这使得该系统非常便于携带。就优化太阳能电池板充电系统而言，实时效率数据极为有用，例如，在给太阳能电池板定位时，有了实时效率数据，就不用靠猜测行事了，另外利用实时效率数据还可以确定白天什么时间充电效率最高、恰当地预算电池电量的使用等。

凌力尔特的演示电路板DC590B包括一个PIC微控制器，该微控制器与DC571A演示电路板连接。DC571A演示板由一个8通道24位差分ADC LTC2418组成。仅使用该ADC的4个通道，其中两个通道测量V_IN和V_OUT，另外两个通道利用DC1116A演示电路板上的LTC6103电流检测放大器，以电压形式测量I_IN和I_OUT，因为电压与电流成正比。DC1116A演示电路板略有修改，电阻器更换为实现0.1V/1A的比率。

将LTC2418(ADC DC571A)演示电路板连接到DC590B的微控制器接口，这很容易，然后记录ADC 4个差分通道上的代码、获取所测电压的瞬时值、转换、计算效率并将结果显示在LCD上。最终结果是，我们得到了一个简单明了的系统，可显示Vs (太阳能电池板电压)、I_IN (电池充电器的输入电流)、V_b (电池电压)、I_OUT (从电池充电器到12V铅酸电池的输出电流) 和计算所得的效率 (V_b x I_OUT) / (V_s x I_IN) x 100。

让每个通道都作为差分电压测量通道工作意味着，V_IN和V_OUT的接地通道需要连在一起。在我的设计中，通道3、5、7和9连接至地。通道2和6是Vs和Vb。通道4和8是I_IN和I_OUT。该ADC具2.5V的内部基准电压限制，因此我必须在V_s和V_b通道使用一个分压器，以保持处于20V的最大输入范围内。通道上的电阻器分压器最大限度地提高了分辨率，而内部代码用来重新计算真正的电压值，所使用的少量纠错可以忽略不计。

最后一步是让该系统具有足够的便携性，以靠一个9V碱性电池工作，方便随身携带，但又要使该系统足够灵活，以使用12V铅酸电池。DC823B演示电路板采用LTM4600降压型微型模块(μModule) 稳压器，该稳压器的最大输入电压范围为20V，可调节提供给整个太阳能电池板电池充电器系统的5V电压(图 1) 。用5V输出选择跨接线将9V碱性电池连接到该演示电路板的V_IN端。LTM4600的BURST模式在轻负载时效率较高，有助于延长电池寿命。通过在现场依靠最终产品工作，我们对最终产品进行了从设计到原型系统的β测试。

图 1：可在LCD显示屏上实时显示结果的太阳能电池板效率计（从左至右依次）

DC823B 演示电路板(LTM4600 - 降压型微型模块稳压器)

DC590B 演示电路板PIC微控制器

DC571A 演示电路板(LTC2418 - 24位、8通道ADC LTC2418)

DC1116A 演示电路板(LTC6103 - 电流检测放大器)

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实时效率

在沙漠中生活几天不是一件容易的事，除非有电池电源提供一些令人舒适的条件。我们使用了一个12V水泵，能用淋浴器和喷雾系统同炎热的天气做斗争 (图 2)。晚上也令人愉快，有一串LED灯给营地照明。我们搭建遮荫棚以遮蔽太阳时，使用了无绳电钻，该无绳电钻可再充电以连续使用 (参见图 3)。我们甚至通过一个放大器和几个扬声器播放了 iPod 音乐，度过了几个节日般的夜晚。实时效率计帮助我们预算整个白天的功耗，不仅帮助我们定位了太阳能电池板的朝向，还帮助我们确定了设备使用多长时间后，电池电量才会耗尽。宿营仍然具有挑战性，因为我们必须应对隔断太阳光照的沙尘暴，沙尘暴妨碍太阳能电池板给电池充电，使我们不得不限制电源的使用。不过最后，该系统的工作表现与设计初衷相吻合，电池电量从未耗尽，设计师经受住了现场测试的考验而没有任何损失。