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相关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，然后再相同不少地全都运回来。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供应舒适的生活条件。

“真刀真枪”地验证自己的设计关于诸如此类的现场测试，失败的后果是，会出现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(SolecSQ-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4.45A1

1SolecSQ-70太阳能电池板特点参数：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x20.9英寸x1.5英寸重量：16.5磅/7.5千克

问题是，假如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，Solec70W太阳能电池板能供应足够的电力、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x100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ADCLTC2418组成。仅使用该ADC的4个通道，其中两个通道测量VIN和VOUT，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IIN和IOUT，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(ADCDC571A)演示电路板连接到DC590B的微控制器接口，这很容易，然后记录ADC4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)、IIN(电池充电器的输入电流)、Vb(电池电压)、IOUT(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(VbxIOUT)/(VsxIIN)x100。

让每个通道都作为差分电压测量通道工作意味着，VIN和VOUT的接地通道要连在一起。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，可调节供应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VIN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ADCLTC2418)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，除非有电池电源供应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持续使用(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.SolecSQ-7075W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