馬湘蓉，胡申華，徐偉業(yè)

（南京工程學院a.信息與通信工程學院；b.能源與動力工程學院，南京 211167）

0 引 言

溫差發(fā)電是一種利用低溫熱源通過熱電片將廢棄的余熱轉化為電能的技術，具有成本低、無噪音、綠色環(huán)保等優(yōu)點，是目前綠色能源研究的熱點［1-3］。溫差發(fā)電模塊普遍存在著供電電壓較低、輸出功率小、發(fā)電效率低等特點，提高熱電轉換效率一直是各國學者關注的核心問題。提高熱電轉換效率主要包括兩類方法：一種是獲取一種熱電優(yōu)值（ZT）高的熱電轉化材料［4-5］，另一種則是對溫差發(fā)電系統(tǒng)的結構進行優(yōu)化［6-7］及冷熱源結構優(yōu)化［8-9］。熱電片在工作中時由于溫差可能時刻在變化，無法保證其輸出的電能始終以最大功率輸出，設置最大功率跟蹤（Maximum Power

Point Tracking，MPPT）環(huán)節(jié)是必不可少的。傳統(tǒng)的MPPT控制算法有擾動觀察法［10］、電導增量法［11］、恒定電壓法［12］。隨著智能算法的興起，越來越多的智能算法被應用到MPPT，推動了MPPT 技術的迅速發(fā)展，為MPPT解決更復雜多變場景的最大功率追蹤成為可能［13］。為在實踐中實現(xiàn)MPPT 算法，硬件控制電路是基礎和前提。在前期工作中，對熱電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制電路進行了仿真及元器件參數(shù)的確定［14］。在此基礎上，采用STM32F103C8T6 芯片，設計了控制電路并利用Multisim軟件進行了仿真，并對電路中各元器件的選擇和優(yōu)化，完成控制器硬件制作并進行了測試，測試表明，可實現(xiàn)最大功率點追蹤，為MPPT 控制策略的實現(xiàn)提供了硬件保障。

1 MPPT控制原理及組成

1.1 MPPT控制器工作原理［15］

熱電系統(tǒng)在工作時，最大功率控制器的信號采集端不斷地采集熱電設備負載上的電壓和電流，通過計算功率的變化來調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制波（Pulse Width Modulation，PWM）的占空比朝著預期方向變化，使其能始終工作在最大功率點，達到提高熱電轉換效率的目的。嵌入式系統(tǒng)具有便攜、價廉、開發(fā)速度快和功耗低等優(yōu)點，現(xiàn)采用單片機系統(tǒng)進行MPPT 設計。具體實現(xiàn)流程如圖1 所示，包括檢測模塊、單片機控制模塊、顯示模塊、驅(qū)動電路、升壓式Boost 型DC-DC 轉換電路等。

圖1 熱電片控制器系統(tǒng)框圖

1.2 電路設計的基本思路

利用檢測電路對熱電片電源的輸出電壓和電流進行實時檢測，并將其轉換成STM32 可以辨識的范圍，利用單片機的A／D 轉換電路將所輸入的電壓從模擬量轉化為數(shù)字量，利用MPPT 控制算法改變PWM 波的占空比，將PWM波經(jīng)驅(qū)動電路進行功率放大后，接入Boost升壓電路，用于控制電路開關管的導通或斷開，以達到改變輸出電壓的目的，改變溫差發(fā)電設備的輸出功率，實現(xiàn)最大功率點追蹤。

2 器件及參數(shù)

2.1 STM32F103C8T6 芯片介紹

設計采用STM32F103C8T6 單片機芯片，內(nèi)置高速存儲器（高達128 KB的閃存和20 KB的SRAM），豐富的增強I／O 端口和連接到2 條APB 總線的外設。此器件包含2 個12 bit的A／DC、3 個通用16 bit 定時器和1 個PWM 定時器。包含多達2 個I2C 接口和SPI接口、3 個USART接口、一個USB接口和一個CAN接口。供電電壓為2.0～3.3 V，包含－40 ℃～＋85 ℃溫度范圍和－40 ℃～105 ℃的擴展溫度范圍。通過SWD串行調(diào)試接口可將程序燒錄芯片中，其封裝體積小價格較低，性價比高。

2.2 電流、電壓檢測電路

檢測電路設計的基本方案是從溫差發(fā)電設備上獲取設備的電流、電壓，通過運算放大電路對該信號進行合理放大，轉換成單片機可識別范圍內(nèi)的電壓，通過A／D轉換，再通過最大功率追蹤算法進行分析處理實現(xiàn)預期的功能。為實現(xiàn)微小信號的放大功能，設計中使用了同相比例放大器。

2.2.1 電流檢測電路

要實現(xiàn)對0.2、0.5 A 的電流檢測，要先將電流信號轉換成電壓信號，再經(jīng)放大電路將該信號放大至STM32 單片機的工作范圍之內(nèi)。電路設計中選擇將阻值為0.1 Ω 的電阻串聯(lián)至采樣處，通過電路設計0.2 和0.5 A的電流分別經(jīng)過采樣電阻轉化為0 和50 mV的電壓，然后再通過放大電路實現(xiàn)電壓放大。

由于STM32 單片機可識別范圍為2.0～3.3 V的電壓，須將獲取的20、50 mV 電壓放大到能夠使單片機有效識別的范圍之內(nèi)。對于20 mV 電壓的檢測，使其經(jīng)放大后電壓值在2.0～3.3 V 之內(nèi)。選擇電路放大倍數(shù)為101［16］，則

設置電路參數(shù)R1＝1 kΩ，Rf＝100 kΩ；同理，對于50 mV電壓的檢測，選擇電路放大倍數(shù)為51，可設置電路參數(shù)R1＝1 kΩ，Rf＝50 kΩ，理論上通過放大電路可將電壓放大到2.55 V。

用Multisim軟件進行仿真的電路如圖2 所示，此次電路設計中的運算放大芯片采用OPA2234，該系列芯片的精確度高、尺寸較小且?guī)缀醪淮嬖诹闫?/p>

圖2 0.2 A檢測電流的仿真電路

放大電路仿真結果如圖3、4 所示，可觀測到經(jīng)運算放大電路放大后得到的電壓值為2.027 V 和2.569 V，和理論值相比誤差很小。

圖3 0.2 A檢測電流的仿真結果

圖4 0.5 A檢測電流的仿真結果

2.2.2 電壓檢測電路

與電流檢測電路一樣，電壓檢測電路同樣要實現(xiàn)檢測電壓的功能，也必須將電壓值放大到一定范圍之內(nèi)，使單片機能夠識別該電壓值，單片機的電壓識別范圍為2～3.3 V，無法直接識別5 mV 的電壓。為使單片機能夠有效識別，將5 mV 電壓經(jīng)過放大電路放大至2.5 V，即采用500 倍放大倍數(shù)。電路中的電阻阻值設置R1＝2 kΩ，Rf＝1 000 kΩ，根據(jù)同相比例放大倍數(shù)計算公式可求得放大倍數(shù)為501，由于此時放大倍數(shù)較大，因此在電路設計過程中應注意盡量減少干擾，否則會影響檢測結果，并使得誤差較大，導致控制功能的實現(xiàn)受到一定影響。對電壓檢測電路進行仿真的電路如圖5 所示。

圖5 5 mV檢測電壓的仿真電路

圖6 為檢測5 mV 電壓的仿真結果，結果顯示經(jīng)放大后的電壓為2.520 V，與理論結果差別不大。由于需要分別將電流、電壓放大不同倍數(shù)，因此選擇了OPA系列中另一款四通道芯片OPA4188，該芯片同樣具有精度較高、零點漂移小等優(yōu)點，其封裝類型為SOP-14，工作溫度在－40 ℃～125 ℃。

圖6 5 mV檢測電壓的仿真結果

3 驅(qū)動電路

電路要求Boost升壓電路能夠利用單片機輸出的PWM 波來驅(qū)動，實現(xiàn)改變輸出電壓的目的。由于STM32 單片機輸出的PWM 波功率不足，如直接將其輸入升壓電路中，可能會導致輸出波形出現(xiàn)失真現(xiàn)象。通過設計一個功率放大電路來實現(xiàn)將STM32 單片機輸出信號進行功率放大。在設計中，選擇IR2103 芯片構成驅(qū)動電路以實現(xiàn)放大PWM 波輸出功率的功能。IR2103 是半橋驅(qū)動器，可以用2 個組成H 橋驅(qū)動，常用于驅(qū)動MOSFET和IGBT，IR2103 組成的驅(qū)動電路，具有較強的帶負載能力，滿足設計中實現(xiàn)PWM 波功率放大的要求。

仿真電路中將半橋驅(qū)動器工作電壓設置為10 V，將單片機PA8 口輸出的PWM 波接入HIN 輸入端，HO口連接示波器用以觀察驅(qū)動電路的輸出信號。在利用仿真軟件對驅(qū)動電路進行測試時，同時接入直流升壓電路，搭建的仿真電路如圖7 所示。

圖7 驅(qū)動電路仿真

通過圖8 所示的仿真結果可看到輸出的方波波形正常，且參數(shù)符合預期。當工作電壓設為最小值10 V時，PWM波輸出幅值為9.6 V左右。在芯片工作電壓范圍內(nèi)，通過改變芯片的工作電壓，輸出方波的幅值也會隨之改變。通過觀察可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過IR2103 組成的驅(qū)動電路可實現(xiàn)對PWM信號的功率進行放大。

圖8 驅(qū)動電路仿真結果

4 Boost升壓電路

要實現(xiàn)Boost 電路的升壓功能，可通過調(diào)頻方式或脈沖寬度調(diào)制方式，采用調(diào)頻方式調(diào)制時過程不夠穩(wěn)定，且易遭到外部因素的干擾。Boost升壓電路一般采用脈沖寬度調(diào)制方式，即通過PWM 波進行調(diào)制。經(jīng)驅(qū)動電路功率放大后的PWM波經(jīng)MOS管的柵極輸入，可控制MOS管的導通和關斷，控制電感儲存和釋放能量的時間。若要改變電感的工作狀態(tài)和時間，可以通過改變PWM波的工作周期來實現(xiàn)。

電路中的二極管選擇快速恢復二極管1N4007，快速恢復二極管可以有效減少關斷時的消耗，同時具有降低噪聲的功能，從而提高效率。開關管采用的是N溝道MOS管IRF540，其封裝類型為TO-220AB。由于IRF540 在導通時的阻值較低，并且開關反應時間較短，常用于直流轉換器，因此可以滿足設計要求。

如圖9 所示為將PWM 波輸入Boost 升壓電路以控制電路完成升壓功能的仿真結果，可以看到當輸入電壓為5 V時，經(jīng)過Boost升壓電路升壓最終輸出電壓為7.6 V左右。

圖9 Boost升壓電路仿真結果

5 熱電片控制器

經(jīng)仿真分析確定電路設計后，利用Altium Designer軟件繪制控制器電路原理圖。原理圖要確保各元件的引腳嚴格對應，封裝類型選擇正確，在確認原理圖繪制完整無誤之后，將所有元件封裝導入PCB，根據(jù)元件的連接進行合理布局并手動布線，布局時要避免元件之間的干擾，同時布線時要將電源線加粗，防止出現(xiàn)供電不足，總體布線也要使得電路板整體美觀。

焊接完成后，如圖10 所示，將該控制器接入如圖11 所示的熱電系統(tǒng)。

圖10 MPPT控制器系統(tǒng)

圖11 熱電發(fā)電實驗系統(tǒng)

該熱電系統(tǒng)使用TG12-6-02 型熱電片，如圖12所示。

圖12 熱電片實物圖

實驗中一共使用了12 片熱電片，分成3 組，通過改變這3 組外接負載電阻的阻值，可獲得熱電片組電流和功率關系特性曲線，典型的特性曲線如圖13 所示。可見，每組特性曲線呈現(xiàn)拋物線狀，都存在一個最大輸出功率點。由電路理論可知，該點為負載電阻與電源內(nèi)阻相等時的狀態(tài)點。

圖13 輸出電流與輸出功率特性

測試時，通過讀取電路輸出電流和電壓與采集模塊的采集數(shù)值進行對照，一致性較高，可較為準確地測量電源電路的電壓和電流。將PWM 波頻率設為20 kHz，占空比為0.5，并將示波器接好觀察輸出電壓，電路連接如圖11 所示，此時熱電片的輸出電壓為4 V。經(jīng)測試BOOST電路將電壓從4 V升高到7.64 V，波形如圖14 所示。

圖14 經(jīng)Boost升壓電路輸出波形

6 結 語

在熱電供電系統(tǒng)中，為提高熱電轉換效率，MPPT控制器是不可或缺的部分。在前期研究的基礎上，設計完成了溫差發(fā)電熱電片控制器硬件電路制作，該控制器具有以下特點：

該控制器提供3 路電壓電流測量，可對三路熱電電源進行最大功率跟蹤；

電路簡單，測量精度高，選用STM32 系列芯片，能滿足經(jīng)典的MPPT 算法（如擾動觀察法，電導增量法等）和智能MPPT算法對硬件的要求。

該控制器能為仿真研究提供良好的驗證途徑，進一步提升研究的水平和價值。