賀夢(mèng)依，譚躍，雷蕾，齊欣，劉想，徐瑤，陳宣霖

（湖南城市學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院，湖南益陽(yáng)，413000）

0 引言

在科技和經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的過(guò)程中，能源綠色低碳轉(zhuǎn)型逐漸成為全球經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的發(fā)展趨勢(shì)，太陽(yáng)能作為一種資源豐富，可再生的新能源，早已引起各個(gè)國(guó)家的關(guān)注和研究。據(jù)研究，截至2020 年我國(guó)光伏市場(chǎng)累計(jì)裝機(jī)量為253GW，同年新增裝機(jī)量為48.2GW，同比增長(zhǎng)60%；光伏發(fā)電量為2605kWh，同比增長(zhǎng)16.2%，占總發(fā)電量3.5%[1]。這表明我國(guó)對(duì)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的需求日益增長(zhǎng)，但現(xiàn)階段太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)仍面臨著許多問(wèn)題，如光電轉(zhuǎn)換效率低，受環(huán)境等因素限制，太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用范圍小。

為實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池的效率最大化利用以及多功能化，本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32 的太陽(yáng)能多功能充電模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠模擬太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jì)

系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)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(dòng)電路、USB 接口充電模塊、紅外遙控和LCD 顯示模塊，以及太陽(yáng)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?fù)潆娐?，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(dòng)中，經(jīng)放大后PWM 接入到BOOST 和雙向DC-DC 變換器，以驅(qū)動(dòng)MOS 管。同時(shí)雙向DC-DC 變換器后可接入鋰電池組實(shí)現(xiàn)電池的自動(dòng)充放電功能，當(dāng)太陽(yáng)能電池供給不足時(shí)，后接的鋰電池組可自動(dòng)放電到USB 接口充電模塊，給手機(jī)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(lái)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(jì)

2 主要硬件設(shè)計(jì)

■2.1 太陽(yáng)能電池模擬電路

本設(shè)計(jì)太陽(yáng)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(jí)是主變換電路、外部等效電阻和負(fù)載。該模擬電路是對(duì)單個(gè)太陽(yáng)能電池電特性的簡(jiǎn)化模擬，直流穩(wěn)壓電源等效于太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池所遭受反向漏電，在電池電壓低于零閾值時(shí)，二極管會(huì)截止，從而保護(hù)太陽(yáng)能電池。串聯(lián)電阻等效于太陽(yáng)能電池中的內(nèi)阻，起限制電流作用。通過(guò)該模擬電路可以直觀地了解太陽(yáng)能電池在外部環(huán)境變化下的特性曲線和最佳工作點(diǎn)[2]，并能夠有效模擬最大功率點(diǎn)跟蹤過(guò)程。

圖2 太陽(yáng)能電池模擬電路

■2.2 主變換電路

主變換電路是基于開(kāi)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(guò)單片機(jī)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(kāi)關(guān)閉合打開(kāi)，調(diào)節(jié)主變換電路開(kāi)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(hào)穩(wěn)定[3]。BOOST 升壓電路后級(jí)可接入U(xiǎn)SB 接口充電模塊，給手機(jī)等不同接口的移動(dòng)設(shè)備充電。

圖3 主變換電路圖

■2.3 光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路

本設(shè)計(jì)光耦隔離驅(qū)動(dòng)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(gè)850nm 波長(zhǎng) AlGaAs LED 和一個(gè)集成檢測(cè)器組成，它用來(lái)隔離保護(hù)前級(jí)單片機(jī)控制模塊，避免STM32 芯片被后級(jí)過(guò)大電流電壓燒壞。系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路由一個(gè)IR2104 芯片和兩個(gè)MOS 管組成，為半橋驅(qū)動(dòng)型電路[5]。IR2104 將STM32 單片機(jī)產(chǎn)生的PWM 進(jìn)行放大，提高M(jìn)OS 管的開(kāi)關(guān)能力，并且該芯片允許驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓上升率達(dá)±50 V/μs，使功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗減小了很多。

圖4 光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路

3 軟件設(shè)計(jì)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(jìn)行初始化，接著掃描紅外遙控按鍵，檢測(cè)按鍵是否被按下，若沒(méi)有按下，則進(jìn)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(duì)設(shè)定電壓進(jìn)行調(diào)整，再轉(zhuǎn)向采樣。然后進(jìn)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(lái)尋求最大功率跟蹤點(diǎn)[6]，再對(duì)PWM 進(jìn)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(diǎn)跟蹤的實(shí)現(xiàn)

為使系統(tǒng)的太陽(yáng)能效率最大化利用，系統(tǒng)程序采用擾動(dòng)觀察法來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。擾動(dòng)觀察法的核心思想是對(duì)光伏電池的輸出電壓或外接電路的PWM 控制信號(hào)施加一個(gè)或正或負(fù)的擾動(dòng)[7]。圖6 為擾動(dòng)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(jì)算初始功率Po，接著通過(guò)開(kāi)關(guān)電路給定一個(gè)PWM 擾動(dòng)，測(cè)定擾動(dòng)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(diǎn)的極小區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。

圖6 擾動(dòng)觀察法控制流程圖

4 測(cè)試結(jié)果

■4.1 多功能指標(biāo)測(cè)試

（1)模擬正常光照條件下：當(dāng)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(kāi)關(guān)K1，可給手機(jī)等用電器充電。當(dāng)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(kāi)關(guān)K2，可實(shí)現(xiàn)后接鋰電池組的自動(dòng)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(shí)現(xiàn)充電功能：輸出電壓穩(wěn)定在25V，上下波動(dòng)0.1V，輸出電流大于等于0.1A。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出記錄表

通過(guò)測(cè)量和計(jì)算可知，當(dāng)改變直流穩(wěn)壓電源的電壓值，模擬不同光照條件下太陽(yáng)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(dāng)直流穩(wěn)壓電源電壓過(guò)小時(shí)，即弱光條件下，此時(shí)閉合開(kāi)關(guān)K1 和K2，鋰電池組可自動(dòng)放電到USB 接口電路，給手機(jī)等用電器充電。

■4.2 最大功率點(diǎn)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(dāng)內(nèi)阻電壓等于外阻阻抗電壓時(shí)，功率達(dá)到最大值，通過(guò)四位半數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量電壓Us和Uin，計(jì)算偏差。

采用MPPT 和PWM 控制方式，效率較高，功率跟蹤點(diǎn)偏差極?。慌c普通控制方法相比較，能夠?qū)崟r(shí)跟蹤最大功率點(diǎn)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(diǎn)跟蹤記錄表

通過(guò)反復(fù)測(cè)量和計(jì)算，得到最大功率點(diǎn)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(diǎn)跟蹤能力，能夠使太陽(yáng)能電池效率最大化利用。

■4.3 電路系統(tǒng)實(shí)物圖

電路系統(tǒng)實(shí)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(shí)保證輸入電源負(fù)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(yǔ)

針對(duì)太陽(yáng)能利用效率低以及應(yīng)用范圍受限的問(wèn)題，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于STM32 的太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)充放電，解決了在弱光條件下太陽(yáng)能電池供電不足問(wèn)題，并且可以設(shè)置任意充電電壓并通過(guò)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(diǎn)跟蹤偏差值較小。

圖7 電路系統(tǒng)實(shí)物圖