工程师的太阳能电池板电池充电器设计全过程

2015-03-14 10:13:42来源: 互联网
"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案,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,或者给其它需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产生预期效果的设计,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 (15mm x 15mm x 2.8mm) 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) 对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 充电电流时仅需要 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,以产生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 为单位测量和提供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。这将提供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。为了避免携带多个万用表,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提供实时数据,而无需连接几个万用表。我使用 DC590B 演示板和 LTC2418 8信道 / 16 信道 24 位 ADC 演示板 DC571A.我的同事 Mark Thoren 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提供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DC590B PIC 微控制器控制;用 LTC2418 演示板 DC571 ADC 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。需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 15mm x 15mm x 2.8mm 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 电池提供一个稳定的 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,如果我需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需要的材料: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,我就可以增加电路,在晚上高效率地提供照明了。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,Philips Lumileds Luxeon LED 在 1000mA 时可以提供超过 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提供零电力。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需要充电,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,我增加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,所以我们需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。解决方案是,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。

因为电池板可能只提供 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。简单的解决方案是,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,这个解决方案不是最佳的,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案是,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,并提供 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。我迅速增加了一个采用 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,我需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,提供最大电流,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.这个建议起了作用,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,当我们需要躲避炎热时,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

关键字:工程师  太阳能  电池板  电池充电器

编辑:探路者 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/dygl/2015/0314/article_25748.html
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