太陽能板、轉換器與無人飛行載具設備測試

圖 6.3.6。

圖 6.3.6 轉換器驅動 FPGA 與 DSK 板

圖 6.4.1 空載測試

【實驗二】

測試目標：轉換器輸出接上 FPGA 測試。也就是太陽能板提供電源給 轉換器，經由轉換器穩壓輸出，驅動 FPGA 運作，以三用 電表監控轉換器輸出電壓變化。測試情形如圖 6.4.2 所示。

結果討論：

由實驗結果顯示，吾人可知轉換器輸出一直維持 5.05 伏特輸出，

並可順利驅動 FPGA，維持 FPGA 正常運作。但是一旦陰天或是太陽 能板所提供電流不夠提供 FPGA 運作時，則輸出電壓會? 降，因此無 法使 FPGA 正常運作。

【實驗三】

測試目標：轉換器輸出接上 DSK 板測試是否可以驅動。圖 6.4.3 為測

試情形。

結果討論：

由實驗結果顯示，太陽能板在日照條件充足的情形下可驅動 5xDSK 板，但是一旦日照條件不足，則驅動 5xDSK 板所需電流不足 時，則無法驅動了。

圖 6.4.2 接上 FPGA 測試

圖 6.4.3 接上 5xDSK 板測試

由實驗一至實驗三，吾人可知太陽能板輸出為非線性電源。當日 照充足時，驅動 FPGA 與 DSK 板，一定沒有問題。可是一旦太陽能 板所提供能量不足時，則無法使 FPGA 與 DSK 板正常運作，因此無 人飛行載具將失去控制，自動導航與增加滯空時間的目標將無法達 成。有鑑於此，吾人將提出另一種方式彌補太陽能板輸出電流不足情 形並與實驗室無人飛行載具所使用的電源作一個整合的工作。圖 6.4.4 為今年實驗室無人飛行載具所使用的電源分配圖。

圖 6.4.4 電源分配圖

電源運作方式為：由於 DSP 在啟動瞬間需要 8 安培的大電流驅 動，一般乾電池或是蓄電池無法驅動，因此選擇市面上體積較小重量 較輕之 DC 12V 轉 AC 110V 之電源轉換器（圖 6.4.5）加以改裝，再 利用 5V 之變壓器將 AC 110V 轉換為 DC 5V 之電源提供給 DSP，用 此一方法可解決 DSP 需要大電流驅動問題。此電源轉換器所需之電 源為 DC 12V，GPRS 模組所需之電源也是 DC 12V，所以可以使用一 DC 12V 之蓄電池提供所需之電源，系統使用的蓄電池為祥光公司所

生產的 12V 鉛酸蓄電池，電量為 1.2AH。其他子系統的電源提供上，

利用 4 顆乾池提供 DC 5V 之電壓給訊號轉換晶片，並利用製作在上 面之電源腳位提供 DC 5V 之電源給其他子系統使用。

圖 6.4.5 電源轉換器

經過實際的飛行測試，無人飛行載具在滿油時總重約 5.25 公斤，

負載（payload）約為 2.55 公斤時，12V 充滿電量的蓄電池約可提供 DSP 與 GPRS 模組 40 分鐘的運作（未考慮乾電池提供電量給 GPS、

FPGA 與接收器），油料為 10 分鐘約用了 70 毫升。

由以上說明可知，太陽能板由於輸出電壓電流隨著日照強度、電 池表面溫度等將有所變化，而實驗室之無人飛行載具上各個硬體元件 所使用的電源主要的有 5V 乾電池與 12V 蓄電池。因此吾人針對此將 設計一個以太陽能板為輔助電源（充電用），以蓄電池為主電源的太 陽能光電系統，如圖 6.4.6 所示。

基本運作為：12V 的蓄電池提供無人飛行載具上所有硬體元件所 需之電力，也就是一部份的電源提供 GPRS 模組使用，另一部份透過 12VDC-110VAC 轉換器與 110VAC-5VDC 轉換器提供電源給 GPS 接 收器、FPGA、與 DSP 等。經過大略的估算，蓄電池所提供的電力約 可使用 30 分鐘左右。為了增加各個硬體元件的運作時間，吾人必須 設計一個太陽能電池充電器，在蓄電池提供電源給無人飛行載具上的

硬體元件運作時，同時對蓄電池充電，以增加蓄電池所提供的電量。

圖 6.4.6 改良後太陽能光電系統架構圖

太陽能板經過太陽能充電器後，以定電壓定電流對蓄電池充電，

如果以 12.5 伏特 0.6 安培的輸出電壓電流對 12V 鉛酸蓄電池充電，

一方面蓄電池提供給系統運作，經估算後約可提供 1 小時運作時間。

而實驗室目前的 UAV 在滿油時所能提供的飛行時間約為 1 小時。因 此若以改良後的太陽能光電系統應用在實驗室的 UAV 上，執行一次 的飛行任務，油料與蓄電池約可提供 1 小時的飛行時間。

若要增加 UAV 的飛行時間，必須對整架 UAV 的外型與油箱大小 作適當的設計，並且選擇合適的蓄電池提供足夠的電量，也就是增加 蓄電池的電容量。但是電容量或是油料的增加將造成 UAV 的重量增 加，因此需特別小心與詳細計算。

目前市面上蓄電池的種類繁多，主要的有鉛酸電池、鎳鎘（Ni-Cd）

電池、鎳氫（Ni-MH）電池、鋰離子電池等。不同種類體積相同的蓄 電池所提供的能量亦有所不同。因此如何選擇適當的蓄電池作為UAV 的主電源便是相當重要的課題。由於鋰電池的電解液非水性溶液，過 充電時，不會有化學還原反應所造成的水分流失，所造成的電池損

壞，且電池的能量密度頗高。因此唯有選擇能量密度高的蓄電池作為 UAV 上的主電池，如此才可增加 UAV 上所有硬體元件所運行的時 間。唯有選擇能量密度高、充電容易與重量輕的蓄電池，才可能增加 無人飛行載具在天空飛行的時間，因此吾人建議將實驗室的鉛酸蓄電 池可以換成同等重量且輸出 電壓相同的鋰電池。

由文獻[51][52][53][54][55]可知，如果要自行設計充電器對蓄電 池充電，首先必須了解所使用的蓄電池相關規格，接著對相關規格進 行充電器的設計，如此才可增加蓄電池的使用壽命。幾個重要的規格 與定義有：1 安培-小時、電池製造商對安培-小時額定（C-rate）定義、

充 電 效 率 、 能 量 密 度 、 記 憶 效 應 （ Memory Effect）、 自 放 電

（Self-Discharge）、服務壽命（Service Life）、涓滴充電（Trickle Charge）

等。也就是說，進行充電器設計時，吾人必須了解有關蓄電池的相關 定義與規格，選擇合適的充電器或設計適合的充電器對蓄電池進行充 電，不但可以增加蓄電池的電容量，也可有效保護蓄電池。

不同的蓄電池，皆有不同形式的充電器。整個充電器，可劃分為 充電用與停止充電用電源電路、電壓偵測電路、控制電路等，如圖 6.4.7 所示。實際電路的硬體有：特殊用途之 IC、繼電器、電阻、電 容、電感、二極體等。只要經過適當的選擇，便可製作一個動作穩定 的充電器。停止充電的方法是利用繼電器從輸出電路中加以切斷。

圖 6.4.7 充電器方塊圖

當充電器設計好之後，先進行相關測試，目的為確保設計好的充 電器能正確無誤的動作。將設計好的充電器，以太陽能電池為充電電 源對蓄電池進行充電，蓄電池一方面可進行放電，只要以兩個不同的 迴路便可完成。也就是在蓄電池上設計一個迴路放電，另一個迴路充 電。至於電量可以供應多久，必須加以計算。吾人舉一個實例：假設 蓄電池的規格為 12V、1.2AH，以 0.6 安培的電量對負載進行充電使 用，如果不進行充電的話，約可使用 2 小時。此時如果以 0.3 安培的 電量進行充電，約可使用 4 小時，但是由於充電效率無法百分之百，

使用時間可能不到 3.5 小時。

還有一點需特別注意的，當蓄電池在充放電的過程中，由於本身 電極與電解液之間會形成迴路產生電路消耗，且本身也有相對的服務 壽命，因此經過一段時間後必須改換新的蓄電池。