基于STM32的移動(dòng)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　摘要：本文基于STM32設(shè)計(jì)了一款移動(dòng)電源，可輸出0-60 V可調(diào)直流電壓，輸出 0～30 A 可調(diào)直流電流，同時(shí)帶有交流 220 V 輸出口。移動(dòng)電源以太陽(yáng)充電為主，交流 220 V 充電為輔，當(dāng)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換部分出現(xiàn)故障(如不能發(fā)電)時(shí)，可使用交流 220 V 充電;本設(shè)計(jì)將 DC-DC 升降壓電路、DC-AC 變換電路結(jié)合在一起，使電源實(shí)現(xiàn)了交、直流輸入，交、直流輸出功能。

　　關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能;單片機(jī);無(wú)線充電;穩(wěn)壓

　　0 前言

　　電子產(chǎn)品已經(jīng)成為了人們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵罚F(xiàn)如今電子產(chǎn)品的類型越來(lái)越多，其標(biāo)稱的電壓和電流各不相同，且隨著電池的使用其儲(chǔ)能效率會(huì)不斷下降[1]，需要電源的場(chǎng)合越來(lái)越多，而且充電器接頭頻繁插拔，易于損壞充電接頭[2]。近年來(lái)，隨著無(wú)線充電效率和電壓的提高，且在充電過(guò)程中不需要外接電源接口和充電器接口，提高了充電的安全性和便捷性，但在充電過(guò)程不可避免會(huì)造成電能的浪費(fèi)[3-4]，所以可以將綠色太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)和無(wú)線充電技術(shù)相互結(jié)合，由太陽(yáng)能提供電源，利用無(wú)線充電技術(shù)進(jìn)行充電，兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。基于此，本文基于STM32的移動(dòng)電源，一方面解決戶外電源的供給問(wèn)題，另一方面可輸出多種可調(diào)電源，滿足多種電器的充電需求。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)包含電參數(shù)檢測(cè)、MCU 控制、充電控制、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換、DC-DC 升降電路、AC-DC 變換電路、電源穩(wěn)壓、BMS管理等電路。同時(shí)利用數(shù)字前端芯片 SH367309 設(shè)計(jì) BMS 管理系統(tǒng)，對(duì)電池的充放電進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和保護(hù)。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

　　2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)主要由控制電路、供電電路、無(wú)線發(fā)射電路、無(wú)線接收電路、AD轉(zhuǎn)換電路等組成，下面對(duì)各部分電路設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明。

　　2.1 BMS管理系統(tǒng)

　　具有穩(wěn)定的電源保護(hù)電路是本設(shè)計(jì)硬件性能的基礎(chǔ)和保障，本文利用數(shù)字前端芯片SH367309 設(shè)計(jì) BMS 管理系統(tǒng)。此芯片具有硬件保護(hù)功能：過(guò)充電保護(hù)功能，過(guò)放電保護(hù)功能，充電高溫保護(hù)功能等;在保護(hù)模式下，可獨(dú)立保護(hù)鋰電池 Pack。提供過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)、溫度保護(hù)、充放電過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、二次過(guò)充電保護(hù)等。利用集成平衡開(kāi)關(guān)提高電芯一致性。在采集模式下，可配合 MCU 管理鋰電池 Pack，同時(shí)使能所有保護(hù)功能。用于采集電芯電壓、溫度以及電流;內(nèi)置 CADC 采集電流，用于統(tǒng)計(jì) Pack 剩余容量; 內(nèi)置 EEPROM，用于保存保護(hù)閾值及延時(shí)等可調(diào)參數(shù);內(nèi)置 TWI 通訊接口，用于操作相關(guān)寄存器及 EEPROM。

　　2.2 電路設(shè)計(jì)

　　DC—DC 升壓電路，給電池組輸入 DC-12V，輸出 DC-0～60V/0～15A 可調(diào)，輸出電壓、電流的范圍兼容市面上手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等移動(dòng)設(shè)備。

　　DC—AC 變換電路，給電池組輸入 DC -12V，輸出 AC-220V，功率為 4000W，可為市面上大多數(shù)家用電器供電。

　　太陽(yáng)能充電電路、AC-220V 充電電路設(shè)計(jì)電池組的充電電壓為 DC-12V，需要將太陽(yáng)能和 AC-220V 轉(zhuǎn)換為DC-12V 后才能給電池組充電。將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能后通過(guò)電池組進(jìn)行存儲(chǔ)，通過(guò) DC-DC 升降壓或 DC-AC 變換后輸出交直流電，以達(dá)到放電范圍兼容任意用電器的目的。整個(gè)電源采用 50 節(jié) 18650 充電電池串并聯(lián)在一起作為儲(chǔ)能裝置，BMS 保護(hù)電路對(duì)其充、放電進(jìn)行保護(hù);充電采用雙層充電模式：即太陽(yáng)能板接收太陽(yáng)光充電、AC-220V 充電器充電。直流輸出0～60V/0～30A 連續(xù)可調(diào);交流輸出 220V。直流輸出功率最大可達(dá) 1800W，交流輸出功率最大可達(dá) 8000W;可以滿足功率在 8000W 以下的用電器供電需求。精確的 LED 電量顯示，時(shí)時(shí)有效地將電池的剩余電量按精確的百分比以 LED 亮燈的形式展示給用戶， 以達(dá)到高效直觀的目的。

　　2.3 電量計(jì)模塊

　　為了更方便、精準(zhǔn)的采集電池組充放電時(shí)的電壓、電流、溫度、功率等數(shù)據(jù)，特選擇 IM1253B 單相交直流電能計(jì)量模塊。IM1253B 單相交直流電能計(jì)量模塊是為了適應(yīng)各類廠家對(duì)自己的產(chǎn)品用電情況進(jìn)行監(jiān)控研發(fā)而成;也是充電樁，路燈監(jiān)控、機(jī)房、基站監(jiān)控、節(jié)能改造、智能用電管理、動(dòng)環(huán)、安防監(jiān)控、設(shè)備能耗監(jiān)測(cè)等諸多行業(yè)各類電力監(jiān)控需求廠家的配套模塊。該模塊準(zhǔn)確度優(yōu)于國(guó)家 1 級(jí)標(biāo)準(zhǔn); 其可以測(cè)量 45～65Hz 的交流電壓、電流、功率、功率因素、頻率等電氣數(shù)據(jù);通過(guò)相應(yīng)接口方便和其他單片機(jī)、ARM 連接實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控功能。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)有效地管理電池組工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)精確地檢測(cè)電池組的工作電壓、電流和溫度是一個(gè)重要的前提。數(shù)據(jù)采集的精確程度對(duì)電池管理系統(tǒng)的性能影響有著直接關(guān)系。同時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)電池組工作狀態(tài)，可以在出現(xiàn)電壓過(guò)高或過(guò)低，溫度過(guò)高，電流過(guò)大等危險(xiǎn)異常情況發(fā)生時(shí)，立即切斷電源，保護(hù)電池組。通過(guò)釆集模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)單體電池電壓、電池組總電壓、總電流和溫度值等工作信息，以及 DS3231 組成的時(shí)鐘模塊提供的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，記錄到外擴(kuò) FLASH 存儲(chǔ)芯片 25LC640 中。可通過(guò) RS232 串口與電腦通信，查閱存儲(chǔ)的工作信息記錄。

　　4 系統(tǒng)測(cè)試

　　對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性，以手機(jī)為測(cè)試對(duì)象，利用該系統(tǒng)對(duì)電池容量為4000mAh的手機(jī)進(jìn)行充電，初始電量為5%，從上午九時(shí)開(kāi)始充電，每隔半小時(shí)記錄一次手機(jī)電量電壓，經(jīng)過(guò)5個(gè)小時(shí)后手機(jī)充電至100%，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，但充電速度仍需提高。

　　5 總結(jié)

　　電子產(chǎn)品已經(jīng)成為了人們生活中不可或缺的一部分，為了解決電子產(chǎn)品的電能供給問(wèn)題，尤其是在戶外沒(méi)有電源的情況下，本文基于STM32的移動(dòng)電源，給出了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖，并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)各個(gè)部分的硬件電路同時(shí)利用數(shù)字前端芯片設(shè)計(jì)電池管理電路，對(duì)電池的充放電進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和保護(hù);并完成了基于STM32的寬電壓輸入輸出的逆變器PCB板的設(shè)計(jì)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　張仁永，盧瑛，陳新.基于Arduino的用電器檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2020(10)：113-116.

　　帥偉，郭愛(ài)云. 一種便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù)，2017，(05)：41-43.

　　[3]張斌.高精度數(shù)字萬(wàn)用表恒流源和交流測(cè)量電路設(shè)計(jì)[J]. 電子世界，2017，(09)：186+192

　　[4]龍小麗，任瑾. 基于Multisim10的序列信號(hào)產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)與仿真[J]. 電子世界，2017，(08)：108+111.

　　[5]趙娜，王艷，殷天明，趙立勇. 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組的主動(dòng)均衡電路設(shè)計(jì)與控制策略[J]. 電子設(shè)計(jì)工程，2017，(08)：105-108+114.

　　推薦閱讀：電壓源型直流輸電變流器系統(tǒng)動(dòng)態(tài)面反步控制