基于STM32F103VC的簡易太陽能充電控制系統(tǒng)的研制

徐淑珍，張浩然，薛莉莉

（浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江 金華 321004）

隨著日本核泄漏事故的發(fā)生，化石能源的枯竭以及化石能源的開發(fā)利用所造成的生態(tài)破壞和環(huán)境污染等問題日趨嚴(yán)重，使開發(fā)與利用人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展、可再生的新能源成為人類急需解決的問題。太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，具有儲(chǔ)量大、經(jīng)濟(jì)、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此，發(fā)展以太陽能為能源的發(fā)電系統(tǒng)具有重要意義。另外，微電子技術(shù)以及電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展為太陽能充電系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。意法半導(dǎo)體公司推出的STM32系列微控制器（MCU）是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32 bit嵌入式處理器，它無需操作系統(tǒng)的支持，實(shí)時(shí)性能優(yōu)異，功耗控制杰出。其優(yōu)勢之一在于快速采集、處理數(shù)據(jù)，具有兩個(gè)以上高速ADC，轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)1 μs，可同時(shí)對(duì)多個(gè)模擬量進(jìn)行快速采集，這是一般的MCU所不具備的。本系統(tǒng)采用STM32系列的STM32F103VC作為太陽能充電控制系統(tǒng)的主控制器。相對(duì)于傳統(tǒng)的太陽能充電控制電路，該充電系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)簡易且新穎，采用集成電流檢測芯片MAX4173以及精密電流傳感器電阻進(jìn)行精確電流檢測，使得整個(gè)控制系統(tǒng)更加準(zhǔn)確、集成度更高、功能更完善。

1 太陽能電池的基本原理與特性

太陽能電池是把太陽能轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換器，其工作原理[1]即半導(dǎo)體P-N結(jié)的光生伏打效應(yīng)。當(dāng)光照射到太陽能電池表面時(shí)，吸收到具有一定能量的光子，使P-N結(jié)半導(dǎo)體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化，電子-空穴對(duì)被分離，電子集中在N結(jié)一邊，空穴集中在P結(jié)一邊，P-N結(jié)兩邊產(chǎn)生異性電荷的積累，從而產(chǎn)生光生電動(dòng)勢。若在P-N結(jié)的兩側(cè)引出電極，并接上負(fù)載，則在外電路中即有光生電流輸出。太陽能光伏組件需將多個(gè)單體電池合理地通過串并聯(lián)混合方式連接起來。太陽能電池的等效電路如圖1所示。其中Iph為太陽能電池產(chǎn)生的電流，Dj為 P-N結(jié)二極管，Rsh、Rs分別為旁漏電阻和串聯(lián)電阻。

在恒常溫25℃、不同光照條件下，太陽能光伏組件的 P-V 曲線圖如圖 2（a）所示，U-I曲線圖如圖 2（b）所示。分析圖2可得：（1）太陽能光伏組件在最大功率點(diǎn)工作電壓之前（圖中13 V）輸出電流基本恒定，而之后隨著工作電壓的增加將大幅下降；（2）太陽能光伏組件輸出功率在最大功率點(diǎn)工作電壓左側(cè)隨著工作電壓的增加而增大，相反，在右側(cè)隨著工作電壓的增加而減小。

因此，本文采用最大功率點(diǎn)算法（MPPT）來保證光伏充電系統(tǒng)的能量利用效率。此外，隨著外界晝夜以及日照強(qiáng)度的變化，整個(gè)充電系統(tǒng)應(yīng)該工作在不同的模式下，分別為夜晚、陰天多云、陽光充足的白天、蓄電池浮充四種自適應(yīng)的模式。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用意法半導(dǎo)體公司的STM32系列STM32F103VC為整個(gè)太陽能電池充電系統(tǒng)的主控制器，整個(gè)硬件的框架圖如圖3所示。當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)，D2導(dǎo)通，R1提升 Q1柵極（G）電壓，使得 Q1導(dǎo)通；同理，Q2截止時(shí)，D2截止，R1拉低Q1柵極電壓，使得Q1截止。此外，Q1至關(guān)重要和新穎之處在于Q1內(nèi)嵌的二極管可以防止夜晚蓄電池倒充向太陽能光伏組件；Q2為該電路真正的開關(guān)控制元件，Q2、D1、L1、C2 組成為 Buck DC/DC轉(zhuǎn)換器；Q3與Q2組成半橋電路，兩者互補(bǔ)，設(shè)計(jì)時(shí)需加入死區(qū)電壓，防止Q2與Q3的同時(shí)導(dǎo)通而導(dǎo)致短路。簡言之，運(yùn)用兩路PWM波控制Q1～Q3場效應(yīng)管的關(guān)斷，PWM1通過驅(qū)動(dòng)芯片 IR2104（HO、LO）端輸出兩路互補(bǔ)的PWM波，PWM2通過IR2104的SD端控制輸出波的關(guān)斷。此外，STM32F103VC內(nèi)嵌3個(gè)12 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC0、ADC1、ADC2），每個(gè) ADC 共用多達(dá) 16 個(gè)外部通道，可以實(shí)現(xiàn)單次或掃描轉(zhuǎn)換。在掃描模式下，自動(dòng)進(jìn)行在選定的一組模擬輸入上的轉(zhuǎn)換。本次設(shè)計(jì)通過STM32內(nèi)ADC1的3個(gè)采樣通道進(jìn)行A/D采樣，應(yīng)用ADC10、ADC11采集太陽能光伏組件輸出的電壓和電流（UPV，IPU），ADC12 采集鉛酸蓄電池的電壓。

2.1 Buck DC/DC降壓型電路

由于太陽能電池的輸出功率深受外界天氣和氣候的影響，因此引入PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器。PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器是整個(gè)充電系統(tǒng)的主要組成部分和直流電能轉(zhuǎn)換與控制中心，用來將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成符合蓄電池充電需要的直流電壓。

本設(shè)計(jì)采購的太陽能光伏組件為18 V/20 W規(guī)格，鉛酸蓄電池采用的是12 V規(guī)格的。因此，選用Buck降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器是最為合適的。該電路結(jié)構(gòu)簡單，主要包括 Q1、D、Lf、Cf4種元件。電感電流連續(xù)的Buck降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換電路工作原理[2]如見圖4所示。

開關(guān)管Q導(dǎo)通期間電流iL的增大量等于ΔiLf（+）等于開關(guān)管Q關(guān)斷期間減小量ΔiLf（-），從而得出 buck 轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓與輸入電壓關(guān)系式：

由此可知，輸出電壓與輸入電壓比為PWM波的占空比D，只要適當(dāng)調(diào)整占空比，就可調(diào)解太陽能充電系統(tǒng)的電壓比。這在后續(xù)的軟件設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。

2.2 基于MAX4173電流采樣電路

一直以來電源電流的高效測量是工程實(shí)際必須首先解決的關(guān)鍵問題，對(duì)于流經(jīng)電路的電源電流檢測，一般采用基于串聯(lián)電阻的電流檢測方法，即在電路的電源引腳與相應(yīng)的輸入通道之間插入一阻值已知的采樣電阻，然后運(yùn)用電壓檢測出采樣電阻兩端的電壓。以往電流檢測電路是基于分立或半分立元件設(shè)計(jì)，需要采用精密運(yùn)放和精密電阻電容，比較繁瑣。美國美信公司（Maxim）生產(chǎn)的精密高端電流檢測芯片已經(jīng)形成系列化產(chǎn)品，MAX4173是其中最具代表性的，它是一款低成本、高精度、高放大倍數(shù)的電流檢測芯片，廣泛地應(yīng)用于筆記本、手機(jī)、蓄電池等需要電流檢測系統(tǒng)電路中。本設(shè)計(jì)采用MAX4173來檢測太陽能光伏組件的輸出電流。

采用MAX4173[3]只需外加一個(gè)采樣電阻和一個(gè)濾波電容，便可將太陽能光伏組件的輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓，實(shí)現(xiàn)高速高精度的實(shí)時(shí)測量。圖3中的Rsame就是應(yīng)用此方法來檢測光伏組件的輸出電流Ipv，如圖5所示。其輸出的A/D采樣電壓為：

2.3 基于IR2104的半橋驅(qū)動(dòng)電路

IR2104是美國IR公司生產(chǎn)的新一代驅(qū)動(dòng)集成芯片，其內(nèi)部集成了互相獨(dú)立的控制驅(qū)動(dòng)輸出電路，可直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)功率半導(dǎo)體器件MOSFET或IGBT，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、工作頻率高，具有多種保護(hù)功能。圖3中的驅(qū)動(dòng)電路模塊就是驅(qū)動(dòng)Q2、Q3半橋電路的，于是采用IR2104半橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，具體電路圖如圖6所示，電路原理可參考文獻(xiàn)[4]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 STM32F103系列微處理器

STM32F103系列微處理器[5]是首款基于ARMv7-M體系結(jié)構(gòu)的32 bit標(biāo)準(zhǔn)RISC處理器，最高頻率可達(dá)72 MHz，具有高效的代碼效率，內(nèi)置高達(dá)128 KB的Flash存儲(chǔ)器和20 KB的SRAM，具有豐富快速I/O端口多達(dá)51個(gè)，每個(gè)端口都可以由軟件配置成 （推挽或開漏）輸出（帶或不帶）上拉或下拉輸入功能，2～3個(gè) 12 bit ADC多達(dá) 16個(gè)外部通道，轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá) 1 μs，最高工作頻率可達(dá) 14 MHz，多達(dá)7個(gè) 12 bit的定時(shí)器，因而該微控制器能很好地滿足整個(gè)充電系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要求，特別是ADC的多通道同時(shí)轉(zhuǎn)換以及高轉(zhuǎn)換速率，可以實(shí)時(shí)采集太陽能光伏組件電壓、電流以及蓄電池電壓，控制功率管的關(guān)斷以及調(diào)節(jié)PWM波占空比。

3.2 MPPT控制策略

針對(duì)太陽能電池板的特性，采用電壓尋優(yōu)[6]的最大功率點(diǎn)跟蹤 MPPT （Maximum PeakPowerTracking）算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤。當(dāng)太陽能組件工作在最大功率點(diǎn)時(shí)，處于該點(diǎn)的工作電壓與開路電壓存在線性比例關(guān)系，因而可在軟件上將光伏陣列最大功率點(diǎn)的工作電壓設(shè)置為KUoc（K 一般取值為 0.76），該點(diǎn)即為最大功率點(diǎn)，控制流程如圖7所示。 若采集工作電壓 U（k）＞KUoc，則說明此時(shí)功率在最大功率點(diǎn)右側(cè)，需增加PWM波的占空比，提高充電電壓；相反，則減小PWM波占空比。

3.3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)四種充電模式，分別是夜晚模式、陰天多云模式、陽光充足的白天模式、蓄電池浮充模式。另外，MPPT控制算法的實(shí)現(xiàn)是包含在白天模式下的實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤，總程序框圖如圖8所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

本實(shí)驗(yàn)采用20 W/18 V的單晶光伏陣列組件，用阻性負(fù)載替換充電電路中的蓄電池。在上午8：00測得太陽能陣列輸出電壓12 V,負(fù)載兩端輸出電壓穩(wěn)定在7.2 V，此時(shí)，軟件處于陽光充足的白天模式，設(shè)置PWM波占空比為60%，現(xiàn)場調(diào)試所測的實(shí)驗(yàn)波形如圖9所示。此外，在上午 10：00～10：45期間，檢測在阻性負(fù)載下太陽能組件的輸出電壓和電流（每點(diǎn)間隔5 min），并計(jì)算輸出功率，如表1所示。

表1 太陽能光伏組件的輸出功率

從表1中可以分析得到，加入MPPT控制之后，太陽能光伏組件的輸出功率得以提高。

本設(shè)計(jì)已在實(shí)驗(yàn)中獲得顯著的效果，能時(shí)刻跟蹤最大功率點(diǎn)（MPPT），使得太陽能充電系統(tǒng)高效率的工作。在綠色能源方面具有一定的社會(huì)效益和廣泛的推廣價(jià)值。

[1]王長貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

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[3]郭朝有，羅建明，陳航波.基于集成電流檢測芯片的電源電流測量裝置[J].機(jī)電工程技術(shù)，2009（10）：75-76.

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[5]孫書鷹，陳志佳，寇超.新一代嵌入式微處理 STM32F103開發(fā)與應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010（12）：59-63.

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