太阳能电池板效率计

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

¹ Solec SQ-70 太阳能电池板特征参数：
    额定功率：在 25oC 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

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)、Vb (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 (Vb 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 IIN 和 IOUT。该 ADC 具 2.5V 的内部基准电压限制，因此我必须在 Vs 和 Vb 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；从左至右依次是：
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)

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。

图 2：搭建遮荫棚和使用 12V 水泵的淋浴房时使用了可再充电的工具

 
图 3：在沙漠中实现最高效率的系统配置：
A. Solec SQ-70 75W 太阳能电池板
B. 12V 铅酸汽车电池 (两个电池装在绿色箱子中；一个用于充电，另一个用于工作)
C. Ryobi 无绳电钻的充电器和电池
D. 用于淋浴器和冷却喷雾系统的水泵
E. 法式咖啡壶，早上提神用
F. 扬声器用作桌子的腿，配合废弃木板搭成桌子