基于STM32的移動電源的設計與實現(xiàn)

　　摘要：本文基于STM32設計了一款移動電源，可輸出0-60 V可調直流電壓，輸出 0～30 A 可調直流電流，同時帶有交流 220 V 輸出口。移動電源以太陽充電為主，交流 220 V 充電為輔，當太陽能轉換部分出現(xiàn)故障(如不能發(fā)電)時，可使用交流 220 V 充電;本設計將 DC-DC 升降壓電路、DC-AC 變換電路結合在一起，使電源實現(xiàn)了交、直流輸入，交、直流輸出功能。

　　關鍵詞：太陽能;單片機;無線充電;穩(wěn)壓

　　0 前言

　　電子產(chǎn)品已經(jīng)成為了人們日常生活的必需品，現(xiàn)如今電子產(chǎn)品的類型越來越多，其標稱的電壓和電流各不相同，且隨著電池的使用其儲能效率會不斷下降[1]，需要電源的場合越來越多，而且充電器接頭頻繁插拔，易于損壞充電接頭[2]。近年來，隨著無線充電效率和電壓的提高，且在充電過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，但在充電過程不可避免會造成電能的浪費[3-4]，所以可以將綠色太陽能發(fā)電技術和無線充電技術相互結合，由太陽能提供電源，利用無線充電技術進行充電，兩者優(yōu)勢互補。基于此，本文基于STM32的移動電源，一方面解決戶外電源的供給問題，另一方面可輸出多種可調電源，滿足多種電器的充電需求。

　　1 系統(tǒng)總體設計

　　系統(tǒng)包含電參數(shù)檢測、MCU 控制、充電控制、太陽能轉換、DC-DC 升降電路、AC-DC 變換電路、電源穩(wěn)壓、BMS管理等電路。同時利用數(shù)字前端芯片 SH367309 設計 BMS 管理系統(tǒng)，對電池的充放電進行實時監(jiān)測和保護。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

　　2 硬件電路設計

　　該系統(tǒng)主要由控制電路、供電電路、無線發(fā)射電路、無線接收電路、AD轉換電路等組成，下面對各部分電路設計進行說明。

　　2.1 BMS管理系統(tǒng)

　　具有穩(wěn)定的電源保護電路是本設計硬件性能的基礎和保障，本文利用數(shù)字前端芯片SH367309 設計 BMS 管理系統(tǒng)。此芯片具有硬件保護功能：過充電保護功能，過放電保護功能，充電高溫保護功能等;在保護模式下，可獨立保護鋰電池 Pack。提供過充電保護、過放電保護、溫度保護、充放電過流保護、短路保護、二次過充電保護等。利用集成平衡開關提高電芯一致性。在采集模式下，可配合 MCU 管理鋰電池 Pack，同時使能所有保護功能。用于采集電芯電壓、溫度以及電流;內置 CADC 采集電流，用于統(tǒng)計 Pack 剩余容量; 內置 EEPROM，用于保存保護閾值及延時等可調參數(shù);內置 TWI 通訊接口，用于操作相關寄存器及 EEPROM。

　　2.2 電路設計

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

　　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。

　　太陽能充電電路、AC-220V 充電電路設計電池組的充電電壓為 DC-12V，需要將太陽能和 AC-220V 轉換為DC-12V 后才能給電池組充電。將太陽能轉換成電能后通過電池組進行存儲，通過 DC-DC 升降壓或 DC-AC 變換后輸出交直流電，以達到放電范圍兼容任意用電器的目的。整個電源采用 50 節(jié) 18650 充電電池串并聯(lián)在一起作為儲能裝置，BMS 保護電路對其充、放電進行保護;充電采用雙層充電模式：即太陽能板接收太陽光充電、AC-220V 充電器充電。直流輸出0～60V/0～30A 連續(xù)可調;交流輸出 220V。直流輸出功率最大可達 1800W，交流輸出功率最大可達 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，時時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， 以達到高效直觀的目的。

　　2.3 電量計模塊

　　為了更方便、精準的采集電池組充放電時的電壓、電流、溫度、功率等數(shù)據(jù)，特選擇 IM1253B 單相交直流電能計量模塊。IM1253B 單相交直流電能計量模塊是為了適應各類廠家對自己的產(chǎn)品用電情況進行監(jiān)控研發(fā)而成;也是充電樁，路燈監(jiān)控、機房、基站監(jiān)控、節(jié)能改造、智能用電管理、動環(huán)、安防監(jiān)控、設備能耗監(jiān)測等諸多行業(yè)各類電力監(jiān)控需求廠家的配套模塊。該模塊準確度優(yōu)于國家 1 級標準; 其可以測量 45～65Hz 的交流電壓、電流、功率、功率因素、頻率等電氣數(shù)據(jù);通過相應接口方便和其他單片機、ARM 連接實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控功能。

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　為了實現(xiàn)有效地管理電池組工作狀態(tài)，實時精確地檢測電池組的工作電壓、電流和溫度是一個重要的前提。數(shù)據(jù)采集的精確程度對電池管理系統(tǒng)的性能影響有著直接關系。同時，實時檢測電池組工作狀態(tài)，可以在出現(xiàn)電壓過高或過低，溫度過高，電流過大等危險異常情況發(fā)生時，立即切斷電源，保護電池組。通過釆集模塊實時檢測單體電池電壓、電池組總電壓、總電流和溫度值等工作信息，以及 DS3231 組成的時鐘模塊提供的標準時間，記錄到外擴 FLASH 存儲芯片 25LC640 中。可通過 RS232 串口與電腦通信，查閱存儲的工作信息記錄。

　　4 系統(tǒng)測試

　　對整個系統(tǒng)進行測試，驗證系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性，以手機為測試對象，利用該系統(tǒng)對電池容量為4000mAh的手機進行充電，初始電量為5%，從上午九時開始充電，每隔半小時記錄一次手機電量電壓，經(jīng)過5個小時后手機充電至100%，驗證了系統(tǒng)的可行性，但充電速度仍需提高。

　　5 總結

　　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)品的電能供給問題，尤其是在戶外沒有電源的情況下，本文基于STM32的移動電源，給出了系統(tǒng)的硬件結構框圖，并設計了系統(tǒng)各個部分的硬件電路同時利用數(shù)字前端芯片設計電池管理電路，對電池的充放電進行實時監(jiān)測和保護;并完成了基于STM32的寬電壓輸入輸出的逆變器PCB板的設計。

　　參考文獻：

　　張仁永，盧瑛，陳新.基于Arduino的用電器檢測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].自動化與儀器儀表，2020(10)：113-116.

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

　　[3]張斌.高精度數(shù)字萬用表恒流源和交流測量電路設計[J]. 電子世界，2017，(09)：186+192

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

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

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