基于STM32 的太陽能多功能充電模擬系統(tǒng)設(shè)計

賀夢依，譚躍，雷蕾，齊欣，劉想，徐瑤，陳宣霖

（湖南城市學院 信息與電子工程學院，湖南益陽，413000）

0 引言

在科技和經(jīng)濟不斷發(fā)展的過程中，能源綠色低碳轉(zhuǎn)型逐漸成為全球經(jīng)濟競爭的發(fā)展趨勢，太陽能作為一種資源豐富，可再生的新能源，早已引起各個國家的關(guān)注和研究。據(jù)研究，截至2020 年我國光伏市場累計裝機量為253GW，同年新增裝機量為48.2GW，同比增長60%；光伏發(fā)電量為2605kWh，同比增長16.2%，占總發(fā)電量3.5%[1]。這表明我國對太陽能產(chǎn)業(yè)的需求日益增長，但現(xiàn)階段太陽能產(chǎn)業(yè)仍面臨著許多問題，如光電轉(zhuǎn)換效率低，受環(huán)境等因素限制，太陽能開發(fā)利用范圍小。

為實現(xiàn)太陽能電池的效率最大化利用以及多功能化，本文設(shè)計了一種基于STM32 的太陽能多功能充電模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠模擬太陽能電池在不同光照下充電情況，并在弱光條件下控制電池組作為應(yīng)急電源實現(xiàn)自動充放電，并可給多種不同接口的用電器充電、設(shè)定充電電壓值和在LCD 屏顯示充電電壓和電流值。

1 系統(tǒng)總方案設(shè)計

系統(tǒng)的總體方案設(shè)計如圖1 所示，該系統(tǒng)由STM32F1主控模塊、電壓電流采樣模塊、雙向DC-DC 變換器、Boost 升壓電路、隔離驅(qū)動電路、USB 接口充電模塊、紅外遙控和LCD 顯示模塊，以及太陽能電池模擬電路組成。其中雙向DC-DC 變換器、Boost 升壓電路為系統(tǒng)的主拓撲電路，使用直流穩(wěn)壓電源供電。由STM32F1 主控模塊產(chǎn)生的PWM 輸入到光耦隔離驅(qū)動中，經(jīng)放大后PWM 接入到BOOST 和雙向DC-DC 變換器，以驅(qū)動MOS 管。同時雙向DC-DC 變換器后可接入鋰電池組實現(xiàn)電池的自動充放電功能，當太陽能電池供給不足時，后接的鋰電池組可自動放電到USB 接口充電模塊，給手機等多種用電器充電。此外紅外遙控模塊與LCD 顯示屏模塊可根據(jù)電流電壓采樣模塊采集到的信息來控制充電電壓以及顯示充電情況。

圖1 系統(tǒng)的總方案設(shè)計

2 主要硬件設(shè)計

■2.1 太陽能電池模擬電路

本設(shè)計太陽能電池模擬電路主要由接入電源、1N5819二極管以及大功率電阻組成，如圖2 所示，其后級是主變換電路、外部等效電阻和負載。該模擬電路是對單個太陽能電池電特性的簡化模擬，直流穩(wěn)壓電源等效于太陽能電池內(nèi)部由光能轉(zhuǎn)化的電能，改變電源電壓大小可以直觀模擬太陽能電池在不同光照條件下的電壓變化。1N5819 二極管能夠防止太陽能電池所遭受反向漏電，在電池電壓低于零閾值時，二極管會截止，從而保護太陽能電池。串聯(lián)電阻等效于太陽能電池中的內(nèi)阻，起限制電流作用。通過該模擬電路可以直觀地了解太陽能電池在外部環(huán)境變化下的特性曲線和最佳工作點[2]，并能夠有效模擬最大功率點跟蹤過程。

圖2 太陽能電池模擬電路

■2.2 主變換電路

主變換電路是基于開關(guān)管、電容、電感、電阻等組成的BOOST 升壓電路和雙向DC-DC 電路，如圖3 所示。系統(tǒng)通過單片機產(chǎn)生的兩路PWM 波分別控制BOOST 電路和雙向DC-DC 電路的MOS 管開關(guān)閉合打開，調(diào)節(jié)主變換電路開關(guān)器件的導(dǎo)通脈沖寬度，使得電源的輸出電壓或電流等被控制信號穩(wěn)定[3]。BOOST 升壓電路后級可接入USB 接口充電模塊，給手機等不同接口的移動設(shè)備充電。

圖3 主變換電路圖

■2.3 光耦隔離驅(qū)動電路

本設(shè)計光耦隔離驅(qū)動電路采用6N137 光耦合器與IR2104 芯片為電路的核心芯片，如圖4 所示。6N137 是一種用于單通道的高速光耦合器[4]，其內(nèi)部有一個850nm 波長 AlGaAs LED 和一個集成檢測器組成，它用來隔離保護前級單片機控制模塊，避免STM32 芯片被后級過大電流電壓燒壞。系統(tǒng)的驅(qū)動電路由一個IR2104 芯片和兩個MOS 管組成，為半橋驅(qū)動型電路[5]。IR2104 將STM32 單片機產(chǎn)生的PWM 進行放大，提高MOS 管的開關(guān)能力，并且該芯片允許驅(qū)動信號的電壓上升率達±50 V/μs，使功率開關(guān)器件的開關(guān)損耗減小了很多。

圖4 光耦隔離驅(qū)動電路

3 軟件設(shè)計分析

■3.1 主程序流程圖分析

系統(tǒng)的主程序流程如圖5 所示，上電后，系統(tǒng)進行初始化，接著掃描紅外遙控按鍵，檢測按鍵是否被按下，若沒有按下，則進行電池組電壓輸出采樣，用以調(diào)節(jié)電池電壓；若按下，則先對設(shè)定電壓進行調(diào)整，再轉(zhuǎn)向采樣。然后進行

圖5 程序流程圖

MPPT 調(diào)節(jié)，應(yīng)用MPPT算法調(diào)整所在電路占空比來尋求最大功率跟蹤點[6]，再對PWM 進行調(diào)節(jié)控制使輸出電壓Uo 穩(wěn)定在設(shè)定值。最后將各參數(shù)打印至串口，使在LCD 屏幕上。

■3.2 最大功率點跟蹤的實現(xiàn)

為使系統(tǒng)的太陽能效率最大化利用，系統(tǒng)程序采用擾動觀察法來實現(xiàn)最大功率點跟蹤。擾動觀察法的核心思想是對光伏電池的輸出電壓或外接電路的PWM 控制信號施加一個或正或負的擾動[7]。圖6 為擾動觀察法控制流程圖，系統(tǒng)初始化后，采樣初始電壓電流值，計算初始功率Po，接著通過開關(guān)電路給定一個PWM 擾動，測定擾動后的功率Pi。若PiPo，則再次減小PWM 值，使功率Pi+1減小；如此往復(fù)，使輸出功率在最大輸出功率點的極小區(qū)間內(nèi)波動，進而實現(xiàn)最大功率點跟蹤。

圖6 擾動觀察法控制流程圖

4 測試結(jié)果

■4.1 多功能指標測試

（1)模擬正常光照條件下：當使用紅外遙控設(shè)置為功能模式一，閉合USB 接口充電電路的開關(guān)K1，可給手機等用電器充電。當使用紅外遙控設(shè)置為功能模式二，關(guān)閉K1，閉合雙向DC-DC 變換器的開關(guān)K2，可實現(xiàn)后接鋰電池組的自動充放電，并可設(shè)置充電電壓值，穩(wěn)定輸出電壓。

在輸入電壓在30～40V 可調(diào)，輸入電流等于1.0A 的條件下，電池實現(xiàn)充電功能：輸出電壓穩(wěn)定在25V，上下波動0.1V，輸出電流大于等于0.1A。測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 直流開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出記錄表

通過測量和計算可知，當改變直流穩(wěn)壓電源的電壓值，模擬不同光照條件下太陽能電池電壓變化，輸出電壓能穩(wěn)定在設(shè)定電壓值25V。

（2)模擬弱光條件下：當直流穩(wěn)壓電源電壓過小時，即弱光條件下，此時閉合開關(guān)K1 和K2，鋰電池組可自動放電到USB 接口電路，給手機等用電器充電。

■4.2 最大功率點跟蹤偏差值

在30～40V 的直流穩(wěn)壓電源輸入下，輸出保持穩(wěn)定25V 狀況下，根據(jù)最大功率傳輸定理，即當內(nèi)阻電壓等于外阻阻抗電壓時，功率達到最大值，通過四位半數(shù)字萬用表測量電壓Us和Uin，計算偏差。

采用MPPT 和PWM 控制方式，效率較高，功率跟蹤點偏差極小；與普通控制方法相比較，能夠?qū)崟r跟蹤最大功率點跟蹤，且能精確控制。得到數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 最大功率點跟蹤記錄表

通過反復(fù)測量和計算，得到最大功率點跟蹤偏差平均值約為0.0426V，基本符合功率分配需求，有較好的最大功率點跟蹤能力，能夠使太陽能電池效率最大化利用。

■4.3 電路系統(tǒng)實物圖

電路系統(tǒng)實物圖如圖7 所示。圖片最上方是雙向DC-DC電路，能夠輸出穩(wěn)定的充電電壓，同時保證輸入電源負載的電能反饋。圖片下方是紅外遙控器與LCD 顯示屏，能設(shè)定充電電壓并顯示充電電壓值和電流值。

5 結(jié)束語

針對太陽能利用效率低以及應(yīng)用范圍受限的問題，本系統(tǒng)設(shè)計了一種基于STM32 的太陽能多功能充電模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)中接入電池組作為應(yīng)急電源可實現(xiàn)自動充放電，解決了在弱光條件下太陽能電池供電不足問題，并且可以設(shè)置任意充電電壓并通過LCD 屏顯示充電電壓值和電流值，此外該系統(tǒng)的輸出電壓穩(wěn)定，最大功率點跟蹤偏差值較小。

圖7 電路系統(tǒng)實物圖