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关于太阳能电池板电池充电器设计全过程

LARGE  |  点击量:685次  |  2020年05月12日  

摘要
“你不记得去年天气有多热吗?”Dev 提醒我。“我们需要一些使我们凉爽的东西。喷雾系统会让我们感到凉快。喷水可以使温度降低 10 度!”Doug 突然大声说道。这就是我们为准备参加 2009 年 Burning Man 活动而碰头儿 ...

“你不记得去年天气有多热吗?”Dev提醒我。“我们要一些使我们凉爽的东西。喷雾系统会让我们感到凉快。喷水可以使温度降低10度!”Doug突然大声说道。这就是我们为准备参加2009年BurningMan活动而碰头儿时开始的一幕。我和3个朋友有了2008年令人惊喜的体验,决定再次到那个严酷的沙漠环境走一遭。我们誓言要把生活条件弄得比上次好,因此早早开始筹划,以确保我们在黑岩城沙漠能舒服一些,这片沙漠在美国内华达州里诺市北100英里的地方。


我们渴望舒服一点的条件是,一个基于水雾系统而让人凉快的解决方法,以克服困扰这片沙漠的干热空气。这可以用一台由电压源供电、连着一个带喷嘴的喷雾水龙带的水泵实现。喷雾系统的成功要素是电源,这个电源也可以用来给LED灯供电,以供夜间照明,或者给其它要电源的外部设备充电。我们的计划是,用太阳能电池板给一个海上用的深周期电池充电,然后用这块电池给其它所有东西供电。随即,我开始了太阳能电池板电池充电器的设计。


我有3周时间完成设计。我向朋友Simon请求帮助,Simon以前用凌力尔特公司的IC搞过太阳能供电设计。除了一台显示工作原理的样机,Simon还给了我一份原理图,这台样机从未连上太阳能电池板测试过,但在实验室做过仿真。我很兴奋,有兴趣用真实的太阳能电池板测试这个设计,我们准备对样机进行像样的测试。


一位朋友借给我两块Bp太阳能电池板(Bp380U)。在大约20V最高输出电压和4A最大输出电流时,每块电池板的峰值功率都是80W(实际规格为,在80W最大功率时,电压为17.6V,电流为4.55A)。把这两块太阳能电池板合起来,我希望在太阳光直接直射在电池板上时,在峰值条件下能有8A的总电流。太阳能电池板连接到Simon的样机上没有几分钟,系统就充分运转了(图1和图2)。通过对样机的初步测试,查明了几个故障,后来这给我们节省了大量时间。


图1:测试Bp太阳能电池板,Bp380U(0至20V输出,4A峰值功率80W)


图2:最初的太阳能充电电路样机,采用12V海上用深周期电池


样机运行良好,因此我购买了几块凌力尔特公司的演示板,并稍作修改以使其更适合重新设计过的系统规格要求。我保持样机作为备份和参考,同时我设计了一个新系统。我们解决了一些故障后,通过这些修改改善了原来的样机。总之,架构设计仍然是相同的:用0至20V的太阳能电池板,以4A的恒定电流给一个12V的电池充电。


太阳能电池充电器系统设计


用这些演示板忙活几天之后,我成功地完成了一个出现预期效果的设计,这设计将适合我们这次旅程。系统的方框图如图3所示,该图显示了一些IC和演示板功能。系统的照片如图4所示,显示了完整的太阳能电池板电池充电器单元。


图3:系统设计方框图


图4:最终的太阳能充电器电路


视太阳的位置不同而不同,太阳能电池板最初的输出电压在0V到20V之间变化,那么就用一个能接受这么宽输出范围的稳压器,并保持吸取低的电流(每个电池板上的输入电流最大值都是4A),同时调节一个固定的输出电压。这是在DC1198A-B演示板上用凌力尔特公司的微型模块(μModule)DC/DC降压-升压型开关稳压器LTM4607实现的。


LTM4607是一个小型LGA封装(15mmx15mmx2.8mm)的芯片,其中包括一个复杂的降压-升压型DC/DC开关稳压器所需的所有支持控制组件。复杂的开关控制电路和FET内置到微型模块稳压器中,从而使该器件非常容易使用。结果是仅需一个微型模块稳压器、电感器以及几个电容器和电阻器就完成简洁规则的布局。4.5V至36V的宽输入电压范围至固定20V输出(范围为0.8V至24V)关于太阳能电池板的特性(0至20V输出)正合适,而且该器件能加载高达5A的升压模式和10A的降压模式。在太阳能电池板峰值功率时,20V输入至20V/2.5A输出的效率是91%,而且积极利用了降压-升压型宽范围输入的好处。就这个系统设计的目的而言,输出调节到20V,用这个输出给LTC1435/LT1620高效率、低压差电池充电器系统供电。


在14V稳定电压时,LTC1435/LT1620演示板(DC133A)将充电电流控制到稳定的4A.该演示板与LT1620数据表第一页上的应用电路类似,我将FB电阻器(110k)换成一个可变电位器,以实现输出电压调节,并将电池浮置电压设置到14V.该演示板设计利用LT1620轨至轨电流检测放大器,结合LTC1435开关稳压器电路的高效率和低压差能力,形成了一个效率超过95%的电池充电器,从而在4A充电电流时仅要0.5V输入至输出电压差。一个到地的编程电流设置电池充电电流(4A),该电池充电电流一直是稳定的,直到电池电压达到预设的浮置电压(在本文情况下为14V)为止。随着电池达到其满充电状态,电路的编程将自动转入涓流充电状态,并就电池的输出电压而言缓慢降低充电电流。这减轻了由于恒定过冲电给电池造成的压力。


一个理想二极管电路设计与DC133A充电系统的输出串联,利用LTC4414实现电路保护,并允许在充电电路以最小损耗运行的同时使用电池。这种自动电源通路(powerpath?)控制使外部设备能够自由地用太阳能电池板或电池供电。当太阳能电池板功率不足时,电路自动转为从电池吸取功率。该电路设计与LTC4414数据表第九页上的图2类似。LTC4414(8引线MSOp封装)控制一个外部p沟道MOSFET,以出现接近理想的二极管功能,用于电源切换。这允许多个电源高效率进行"或"操作;在本文情况下,电源是太阳能电池板和电池。当连接一个外部设备时,电池和充电系统接受负载状态。在无负载时,将对电池充电。因此该设计允许一起使用太阳能电池板和电池供电,同时运行电池充电过程。这一部分没有演示板可用,因此我按照定制电路板上的应用电路进行设计。


电流检测系统与电池串联,利用并联检测电阻器测量电池的输入充电电流和输出放电电流,而无需断开电路。图3的方框图仅说明了输入充电电流。LTC6103(采用8引线MSOp封装,在4V至60V范围内工作)是一个双路独立电流检测放大器,可通过外部检测电阻器监视电流。该器件以mV为单位测量和供应电池充电和放电电流的电流比率输出。在本文情况下,它帮助指示电池充和放了多少电量。这是一种以低功率损耗读取电流的方法,这对保持一个高能效系统至关重要。我略微调节了LTC6103(DC1116A)演示板以实现这一点。引脚8和7分别与进入电池的电流通路+IN_A和-IN_A串联。这将供应进入电池的充电电流。引脚6和5相互掉换后反着连接,以测量电池放电电流通路,+IN_B(引脚5)连接到-IN_A(引脚7),-IN_B(引脚6)连接到+IN_A(引脚8)。电阻器的值以10为倍数改变和调节,以便在0.1Ω并联检测电阻器与电路串联时,输出以100mV/A变化。图5中的万用表显示整个系统的结果。太阳能电池板输出电压是17.11V,电池电压为12.95V,充电电流是3.58A.


图5:万用表显示17.11V太阳能电池板输出,12.95V电池充电电压;3.58A电池充电电流


ADC和微控制器读数


我决定,每次检查电路是否正常运行时不使用电压表,因为电压表在沙漠中难以携带。为了防止携带多个万用表,我用一个微控制器和ADC来读取系统的电压值,并在一般的LCD显示屏上显示信息。这种方法可就电路性能供应实时数据,而无需连接几个万用表。


我使用DC590B演示板和LTC24188信道/16信道24位ADC演示板DC571A.我的同事MarkThoren给了我pIC微控制器的嵌入式源代码样本,我微调了这个源代码样本,以跨LTC2418上ADC的不同通道对电压采样,并以可接受的分辨率、准确地读出mV范围的电压值。既然基准电压的最大范围是2.5V,那么我用一种电压分压器方法来按比例将电压降低到mV范围,以在ADC上实现正确的测量。通道连接到单个有关的输入和输出电压上,包括电流检测电压。这么做非常成功,无需多个万用表。图6是一个有关这个LCD显示屏的全功能系统的例子。我在LCD上得到的最后的显示供应了有关以下电压的信息:变化的太阳能电源电压Vs、充电电路电压Vc、电池电压Vb、以及电池上的输入充电/放电电流C和D.在本文情况下,是"C",它在充电。放电时,程序将改变到"D".


图6:LCD读数:Vs(太阳能电池板电压);Vc(充电电路电压);Vb(电池电压);C=充电电流(4.3A),


用DC590BpIC微控制器控制;用LTC2418演示板DC571ADC读取电压,该演示板由LTM4601演示板DC1041A微型模块降压型稳压器供电。


注意,DC590B演示板不是靠12V轨供电,而是靠5V轨供电。要一个降压型稳压器将电压从电池的12V降低到5V.这个降压型稳压器将必须是高效率的,因为电源将来自太阳能电池板和电池,我不想因运行LCD显示屏和微控制器而耗费大量功率。我使用LTM4601微型模块DC/DC开关稳压器演示板DC1041A.


LTM4601是一个LGA封装的15mmx15mmx2.8mm微型模块DC/DC开关稳压器,在12A最大负载电流时,输入为4.5V至20V,输出为0.6V至5V.LTM4601的设计使得非常容易从12V电池供应一个稳定的5V输出。该微型模块包括所有控制支持组件,如电阻器、电容器、MOSFET和电感器。在这个系统中,效率大约为90%,使用最小的电池电流,极大地延长了电池寿命。更容易的是,输出电压用一个电阻器设置,假如我要一个不同的电压轨(例如3.3V、2.5V、1.8V、1.5V和1.2V),那么在演示板上用一条跨接线可以非常容易地改变这个输出电压。


总之,两块Bp太阳能电池板,每块在4A电流时都有0至20V的输出,这两块太阳能电池板由20V输出的LTM4607降压/升压型微型模块开关稳压器调节,然后再到14V输入的LTC1435/LT1620电池充电器,通过一个理想二极管MOSFET控制器LTC4414、一个串联的电流检测放大器LTC6103,最终进入电池;以稳定的4A电流充电。在这个设计中,由LTC2418在不同的级获取ADC读数,并将读数送至由LTM4601微型模块开关稳压器供电的DC590B演示板微控制器,以在LCD上显示结果。图7显示正在运行的整个系统。


图7:运行中的整个系统设计


喷雾系统的机械设计


有了一个正常工作的太阳能充电器和稳定的12V输出,我就准备好着手组装喷雾系统了。去一趟五金店就得到了我要的材料:舱底污水泵、水龙带连接器、水龙带夹具、转接器和喷雾系统。水龙带长约15英尺,拧在转接器螺钉上,用水龙带夹具固定到水泵上,喷雾系统固定在末端,有5个喷雾嘴。底舱污水泵靠最大值为12V的电压运行,水压可以通过降低电压来控制。


为了实现灵活性,我安装了一个稳压器,该稳压器可以接受12V输入,并将输入转换成可变的12V输出。这要求LTM4607设计有降压/升压特性。该器件使用一个反馈电阻器控制输出电压。一个50k的可变旋钮电位器取代了电阻器,从而非常容易控制0.8V至12V的输出。还串联了一个5.62k的电阻器,以限制输出电压,保持输出低于15V.该设计通过旋转一个旋钮实现了水压控制。


然后,我就可以测试我的全功能喷雾系统了。结果,水泵导致最大约6A的电池放电电流,这意味着,在峰值输出时,水泵约从每块太阳能电池板获得4A电流。控制水泵速度和压力的好处是,我可以将压力降到足够低,以降低电池的放电电流,并全部靠太阳能电池板运行水泵,以节省电池电量,这样做非常有效。通过这种方法,我们能够在营地全天运行喷雾系统,而不必担心电池放电,耽误夜间用于LED照明系统。


LED照明


随着电源的完成,我就可以新增电路,在晚上高效率地供应照明了。LED足够亮,可以照亮房间,这在以前是不可想象的,但是新的技术进步已经为LED照明的新时代创造了条件。尤其是,philipsLumiledsLuxeonLED在1000mA时可以供应超过100流明的光。我配备了一个LumiLED阵列,使用LTC3475(16引线TSSOp耐热增强型封装)双路1.5A恒定电流LED驱动器DC923A演示板。它设计成用一个宽范围输入电压(4V至30V)驱动两个信道,每个信道1.5A.12V电池直接连接到演示板的输入,为每个通道3个串联的LED灯供电,当两个通道都接通时,总共有6个LED.这些LED出奇地亮,用一块柔光布遮上时,足够照亮我们整个营地。晚上的放电电流全部来自电池,因为太阳能电池板夜间供应零电力。以2A的总放电电流,可以整晚为这些灯供电。到接近中午或偏下午时,电池再次充满电,为给喷雾系统供电做好了准备,在早午餐后,喷雾系统就可以让我们感到凉爽了。


用于外部设备的点烟器适配器


我们的通信无线电收发报机在大量使用以后要充电,因为蜂窝电话接收不到信号。我们使用的无线电收发报机有一个汽车适配器插头,可通过点烟器充电。为了快速充电,我新增了一个连接到电池的12V点烟器内孔适配器,专门用于该汽车适配器插头。这证明很有用,因为电池充电一次仅持续几个小时,所以我们要经常给我们的无线电收发报机充电。图8显示的是,通过连接到12V电池输出的点烟器给无线电收发报机充电。


图8:通过汽车点烟器在12Vdc时对Ham无线电收发报机充电


调试和隐患


在用样机进行的一次初步测试中,我发现了太阳能电池板使用的一个根本限制。太阳能电池板上变化的电压也意味着变化的电流。我在仿真一些现实世界的要素时,例如阴影遮住太阳能电池板或阳光不足,顿悟了这个问题。在一种极端情况下,在电池板上方舞动手臂都能引起系统闭锁到限流值上,这令人担忧。当阳光变化使输出电压下降时,样机的电流模式架构使系统从太阳能电池板吸取更多电流,这是非常合乎情理的,因为功率反映的是电流与电压之间的关系,电压下降时,电流会上升,以达到同样的功率值。解决方法是,设计一个功率变化的系统,因为视阳光在太阳能电池板上照射量的不同而改变,输入电压和输入电流会变化。


因为电池板可能只供应4A的最大峰值电流,所以输入端的这种欠流使系统闭锁,并保持闭锁状态直到系统复位为止。简单的解决方法是,当输入电压降至低于某个门限时,复位LTM4607微型模块稳压器上的RUN引脚。当电池板电压下降时,用一个带设定基准电压的比较器去触发可以做到这一点。不幸的是,这个解决方法不是最佳的,因为视电池板接受的太阳光照射量的不同,会引起系统或者接通或者断开。一个更适合的解决方法是,就太阳能电池板电压而言,调节充电电流,这样,4A的充电电流就随着太阳能电池板上太阳光的照射量而变化。当太阳能电池板输出电压下降时,到电池的充电电流也应该下降。


我的一位同事对这个问题苦苦思索后,建议使用一个运算放大器和MOSFET来控制LTC1435上的pROG引脚。这个引脚控制充电电流输出值,使该输出值与从这个引脚吸出的电流值成比例。运放跟踪太阳能电池板的电压,视电池板电压值的不同而不同,调节MOSFET的Rds-on并控制电流。当电池板电压是最大值时,运放控制MOSFET至完全接通,从而允许吸出最大电流,并供应4A充电电流。当电池板电压较低时,充电电流也应该较低,以保持合适的功率输出。我迅速新增了一个采用LT1006运算放大器的电路,附在DC133A演示板上。我的时间不够了,而且仍然在琢磨偏置MOSFET上的电阻器、以实现最大充电电流。我的一个朋友建议我使用一个可变电位器,来快速解决电流偏置问题,而不再计算电流和电阻。当太阳能电池板电压达到10V的中间点时,我要将充电电流降低一半。在最大值20V时,充电电流应该是4A.他建议我设置电位器,以在太阳能电池板电压为20V的测试中,供应最大电流,并在缓慢调节电位器至2A充电电流而不闭锁的同时,将电压降至10V.这个建议起了用途,当太阳能电池板输出下降时,电路不再闭锁了。该系统最大限度地充分利用了太阳光,而不管处于一天的什么时间。


结果顺利完成活动并返家


我们的系统和演示板在沙漠中存活下来,经受了沙尘暴、酷热和干燥环境以及100?F的太阳暴晒。电池支撑住了,没有发生故障。LED灯上覆盖了厚厚一层干盐湖灰尘,但是仍然足够有效,发出足够亮的光,让我们能收拾东西。我们离开时是午夜,所以这些灯是最后收拾的。喷雾系统的表现值得赞赏,当我们要躲避炎热时,喷雾系统就喷出一层宜人的凉水。营地(图9)凉爽、舒服,是我们在沙漠中逗留4天的家。这套系统回到家时完好无损,功能正常,明年还可以再用。


图9:在营地的太阳能电池板利用凌力尔特公司的演示板给电池充电


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