基于STM32的移動電源的設計與實現

　　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故障(如不能發電)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;穩壓

　　0 前言

　　電子產品已經成為了人們日常生活的必需品，現如今電子產品的類型越來越多，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 系統總體設計

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

　　2 硬件電路設計

　　該系統主要由控制電路、供電電路、無線發射電路、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

　　具有穩定的電源保護電路是本設計硬件性能的基礎和保障，本文利用數字前端芯片SH367309 設計 BMS 管理系統。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;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 18650 充電電池串并聯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、功率等數據，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品用電情況進行監控研發而成;也是充電樁，路燈監控、機房、基站監控、節能改造、智能用電管理、動環、安防監控、設備能耗監測等諸多行業各類電力監控需求廠家的配套模塊。該模塊準確度優于國家 1 級標準; 其可以測量 45～65Hz 的交流電壓、電流、功率、功率因素、頻率等電氣數據;通過相應接口方便和其他單片機、ARM 連接實現自動化數據采集及監控功能。

　　3 系統軟件設計

　　為了實現有效地管理電池組工作狀態，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。數據采集的精確程度對電池管理系統的性能影響有著直接關系。同時，實時檢測電池組工作狀態，可以在出現電壓過高或過低，溫度過高，電流過大等危險異常情況發生時，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 系統測試

　　對整個系統進行測試，驗證系統的可行性與穩定性，以手機為測試對象，利用該系統對電池容量為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，經過5個小時后手機充電至100%，驗證了系統的可行性，但充電速度仍需提高。

　　5 總結

　　電子產品已經成為了人們生活中不可或缺的一部分，為了解決電子產品的電能供給問題，尤其是在戶外沒有電源的情況下，本文基于STM32的移動電源，給出了系統的硬件結構框圖，并設計了系統各個部分的硬件電路同時利用數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的用電器檢測系統設計與實現[J].自動化與儀器儀表，2020(10)：113-116.

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

　　[3]張斌.高精度數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動態面反步控制