基于STM32 的太阳能多功能充电模拟系统设计

贺梦依，谭跃，雷蕾，齐欣，刘想，徐瑶，陈宣霖

（湖南城市学院 信息与电子工程学院，湖南益阳，413000）

0 引言

在科技和经济不断发展的过程中，能源绿色低碳转型逐渐成为全球经济竞争的发展趋势，太阳能作为一种资源丰富，可再生的新能源，早已引起各个国家的关注和研究。据研究，截至2020 年我国光伏市场累计装机量为253GW，同年新增装机量为48.2GW，同比增长60%；光伏发电量为2605kWh，同比增长16.2%，占总发电量3.5%[1]。这表明我国对太阳能产业的需求日益增长，但现阶段太阳能产业仍面临着许多问题，如光电转换效率低，受环境等因素限制，太阳能开发利用范围小。

为实现太阳能电池的效率最大化利用以及多功能化，本文设计了一种基于STM32 的太阳能多功能充电模拟系统。该系统能够模拟太阳能电池在不同光照下充电情况，并在弱光条件下控制电池组作为应急电源实现自动充放电，并可给多种不同接口的用电器充电、设定充电电压值和在LCD 屏显示充电电压和电流值。

1 系统总方案设计

系统的总体方案设计如图1 所示，该系统由STM32F1主控模块、电压电流采样模块、双向DC-DC 变换器、Boost 升压电路、隔离驱动电路、USB 接口充电模块、红外遥控和LCD 显示模块，以及太阳能电池模拟电路组成。其中双向DC-DC 变换器、Boost 升压电路为系统的主拓扑电路，使用直流稳压电源供电。由STM32F1 主控模块产生的PWM 输入到光耦隔离驱动中，经放大后PWM 接入到BOOST 和双向DC-DC 变换器，以驱动MOS 管。同时双向DC-DC 变换器后可接入锂电池组实现电池的自动充放电功能，当太阳能电池供给不足时，后接的锂电池组可自动放电到USB 接口充电模块，给手机等多种用电器充电。此外红外遥控模块与LCD 显示屏模块可根据电流电压采样模块采集到的信息来控制充电电压以及显示充电情况。

图1 系统的总方案设计

2 主要硬件设计

■2.1 太阳能电池模拟电路

本设计太阳能电池模拟电路主要由接入电源、1N5819二极管以及大功率电阻组成，如图2 所示，其后级是主变换电路、外部等效电阻和负载。该模拟电路是对单个太阳能电池电特性的简化模拟，直流稳压电源等效于太阳能电池内部由光能转化的电能，改变电源电压大小可以直观模拟太阳能电池在不同光照条件下的电压变化。1N5819 二极管能够防止太阳能电池所遭受反向漏电，在电池电压低于零阈值时，二极管会截止，从而保护太阳能电池。串联电阻等效于太阳能电池中的内阻，起限制电流作用。通过该模拟电路可以直观地了解太阳能电池在外部环境变化下的特性曲线和最佳工作点[2]，并能够有效模拟最大功率点跟踪过程。

图2 太阳能电池模拟电路

■2.2 主变换电路

主变换电路是基于开关管、电容、电感、电阻等组成的BOOST 升压电路和双向DC-DC 电路，如图3 所示。系统通过单片机产生的两路PWM 波分别控制BOOST 电路和双向DC-DC 电路的MOS 管开关闭合打开，调节主变换电路开关器件的导通脉冲宽度，使得电源的输出电压或电流等被控制信号稳定[3]。BOOST 升压电路后级可接入USB 接口充电模块，给手机等不同接口的移动设备充电。

图3 主变换电路图

■2.3 光耦隔离驱动电路

本设计光耦隔离驱动电路采用6N137 光耦合器与IR2104 芯片为电路的核心芯片，如图4 所示。6N137 是一种用于单通道的高速光耦合器[4]，其内部有一个850nm 波长 AlGaAs LED 和一个集成检测器组成，它用来隔离保护前级单片机控制模块，避免STM32 芯片被后级过大电流电压烧坏。系统的驱动电路由一个IR2104 芯片和两个MOS 管组成，为半桥驱动型电路[5]。IR2104 将STM32 单片机产生的PWM 进行放大，提高MOS 管的开关能力，并且该芯片允许驱动信号的电压上升率达±50 V/μs，使功率开关器件的开关损耗减小了很多。

图4 光耦隔离驱动电路

3 软件设计分析

■3.1 主程序流程图分析

系统的主程序流程如图5 所示，上电后，系统进行初始化，接着扫描红外遥控按键，检测按键是否被按下，若没有按下，则进行电池组电压输出采样，用以调节电池电压；若按下，则先对设定电压进行调整，再转向采样。然后进行

图5 程序流程图

MPPT 调节，应用MPPT算法调整所在电路占空比来寻求最大功率跟踪点[6]，再对PWM 进行调节控制使输出电压Uo 稳定在设定值。最后将各参数打印至串口，使在LCD 屏幕上。

■3.2 最大功率点跟踪的实现

为使系统的太阳能效率最大化利用，系统程序采用扰动观察法来实现最大功率点跟踪。扰动观察法的核心思想是对光伏电池的输出电压或外接电路的PWM 控制信号施加一个或正或负的扰动[7]。图6 为扰动观察法控制流程图，系统初始化后，采样初始电压电流值，计算初始功率Po，接着通过开关电路给定一个PWM 扰动，测定扰动后的功率Pi。若PiPo，则再次减小PWM 值，使功率Pi+1减小；如此往复，使输出功率在最大输出功率点的极小区间内波动，进而实现最大功率点跟踪。

图6 扰动观察法控制流程图

4 测试结果

■4.1 多功能指标测试

（1)模拟正常光照条件下：当使用红外遥控设置为功能模式一，闭合USB 接口充电电路的开关K1，可给手机等用电器充电。当使用红外遥控设置为功能模式二，关闭K1，闭合双向DC-DC 变换器的开关K2，可实现后接锂电池组的自动充放电，并可设置充电电压值，稳定输出电压。

在输入电压在30～40V 可调，输入电流等于1.0A 的条件下，电池实现充电功能：输出电压稳定在25V，上下波动0.1V，输出电流大于等于0.1A。测试数据如表1 所示。

表1 直流开关稳压电源输出记录表

通过测量和计算可知，当改变直流稳压电源的电压值，模拟不同光照条件下太阳能电池电压变化，输出电压能稳定在设定电压值25V。

（2)模拟弱光条件下：当直流稳压电源电压过小时，即弱光条件下，此时闭合开关K1 和K2，锂电池组可自动放电到USB 接口电路，给手机等用电器充电。

■4.2 最大功率点跟踪偏差值

在30～40V 的直流稳压电源输入下，输出保持稳定25V 状况下，根据最大功率传输定理，即当内阻电压等于外阻阻抗电压时，功率达到最大值，通过四位半数字万用表测量电压Us和Uin，计算偏差。

采用MPPT 和PWM 控制方式，效率较高，功率跟踪点偏差极小；与普通控制方法相比较，能够实时跟踪最大功率点跟踪，且能精确控制。得到数据如表2 所示。

表2 最大功率点跟踪记录表

通过反复测量和计算，得到最大功率点跟踪偏差平均值约为0.0426V，基本符合功率分配需求，有较好的最大功率点跟踪能力，能够使太阳能电池效率最大化利用。

■4.3 电路系统实物图

电路系统实物图如图7 所示。图片最上方是双向DC-DC电路，能够输出稳定的充电电压，同时保证输入电源负载的电能反馈。图片下方是红外遥控器与LCD 显示屏，能设定充电电压并显示充电电压值和电流值。

5 结束语

针对太阳能利用效率低以及应用范围受限的问题，本系统设计了一种基于STM32 的太阳能多功能充电模拟系统。该系统中接入电池组作为应急电源可实现自动充放电，解决了在弱光条件下太阳能电池供电不足问题，并且可以设置任意充电电压并通过LCD 屏显示充电电压值和电流值，此外该系统的输出电压稳定，最大功率点跟踪偏差值较小。

图7 电路系统实物图