基于STM32F103VC的簡易太陽能充電控制系統的研制

徐淑珍，張浩然，薛莉莉

（浙江師范大學 數理與信息工程學院，浙江 金華 321004）

隨著日本核泄漏事故的發生，化石能源的枯竭以及化石能源的開發利用所造成的生態破壞和環境污染等問題日趨嚴重，使開發與利用人類社會可持續發展、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，具有儲量大、經濟、清潔環保等優點，因此，發展以太陽能為能源的發電系統具有重要意義。另外，微電子技術以及電力電子技術的迅猛發展為太陽能充電系統的硬件實現奠定了基礎。意法半導體公司推出的STM32系列微控制器（MCU）是基于ARM Cortex-M3內核的32 bit嵌入式處理器，它無需操作系統的支持，實時性能優異，功耗控制杰出。其優勢之一在于快速采集、處理數據，具有兩個以上高速ADC，轉換時間可達1 μs，可同時對多個模擬量進行快速采集，這是一般的MCU所不具備的。本系統采用STM32系列的STM32F103VC作為太陽能充電控制系統的主控制器。相對于傳統的太陽能充電控制電路，該充電系統硬件電路設計簡易且新穎，采用集成電流檢測芯片MAX4173以及精密電流傳感器電阻進行精確電流檢測，使得整個控制系統更加準確、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換為電能的能量轉換器，其工作原理[1]即半導體P-N結的光生伏打效應。當光照射到太陽能電池表面時，吸收到具有一定能量的光子，使P-N結半導體內的電荷分布狀態發生變化，電子-空穴對被分離，電子集中在N結一邊，空穴集中在P結一邊，P-N結兩邊產生異性電荷的積累，從而產生光生電動勢。若在P-N結的兩側引出電極，并接上負載，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單體電池合理地通過串并聯混合方式連接起來。太陽能電池的等效電路如圖1所示。其中Iph為太陽能電池產生的電流，Dj為 P-N結二極管，Rsh、Rs分別為旁漏電阻和串聯電阻。

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工作電壓左側隨著工作電壓的增加而增大，相反，在右側隨著工作電壓的增加而減小。

因此，本文采用最大功率點算法（MPPT）來保證光伏充電系統的能量利用效率。此外，隨著外界晝夜以及日照強度的變化，整個充電系統應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的模式。

2 系統硬件設計

本設計采用意法半導體公司的STM32系列STM32F103VC為整個太陽能電池充電系統的主控制器，整個硬件的框架圖如圖3所示。當Q2導通時，D2導通，R1提升 Q1柵極（G）電壓，使得 Q1導通；同理，Q2截止時，D2截止，R1拉低Q1柵極電壓，使得Q1截止。此外，Q1至關重要和新穎之處在于Q1內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控制元件，Q2、D1、L1、C2 組成為 Buck DC/DC轉換器；Q3與Q2組成半橋電路，兩者互補，設計時需加入死區電壓，防止Q2與Q3的同時導通而導致短路。簡言之，運用兩路PWM波控制Q1～Q3場效應管的關斷，PWM1通過驅動芯片 IR2104（HO、LO）端輸出兩路互補的PWM波，PWM2通過IR2104的SD端控制輸出波的關斷。此外，STM32F103VC內嵌3個12 bit的模數轉換器（ADC0、ADC1、ADC2），每個 ADC 共用多達 16 個外部通道，可以實現單次或掃描轉換。在掃描模式下，自動進行在選定的一組模擬輸入上的轉換。本次設計通過STM32內ADC1的3個采樣通道進行A/D采樣，應用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轉換器。PWM DC/DC轉換器是整個充電系統的主要組成部分和直流電能轉換與控制中心，用來將輸入的直流電壓轉換成符合蓄電池充電需要的直流電壓。

本設計采購的太陽能光伏組件為18 V/20 W規格，鉛酸蓄電池采用的是12 V規格的。因此，選用Buck降壓式DC/DC轉換器是最為合適的。該電路結構簡單，主要包括 Q1、D、Lf、Cf4種元件。電感電流連續的Buck降壓式DC/DC轉換電路工作原理[2]如見圖4所示。

開關管Q導通期間電流iL的增大量等于ΔiLf（+）等于開關管Q關斷期間減小量ΔiLf（-），從而得出 buck 轉換電路的輸出電壓與輸入電壓關系式：

由此可知，輸出電壓與輸入電壓比為PWM波的占空比D，只要適當調整占空比，就可調解太陽能充電系統的電壓比。這在后續的軟件設計中至關重要。

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際必須首先解決的關鍵問題，對于流經電路的電源電流檢測，一般采用基于串聯電阻的電流檢測方法，即在電路的電源引腳與相應的輸入通道之間插入一阻值已知的采樣電阻，然后運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計，需要采用精密運放和精密電阻電容，比較繁瑣。美國美信公司（Maxim）生產的精密高端電流檢測芯片已經形成系列化產品，MAX4173是其中最具代表性的，它是一款低成本、高精度、高放大倍數的電流檢測芯片，廣泛地應用于筆記本、手機、蓄電池等需要電流檢測系統電路中。本設計采用MAX4173來檢測太陽能光伏組件的輸出電流。

采用MAX4173[3]只需外加一個采樣電阻和一個濾波電容，便可將太陽能光伏組件的輸出電流轉換成電壓，實現高速高精度的實時測量。圖3中的Rsame就是應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的半橋驅動電路

IR2104是美國IR公司生產的新一代驅動集成芯片，其內部集成了互相獨立的控制驅動輸出電路，可直接驅動兩個功率半導體器件MOSFET或IGBT，動態響應快、驅動能力強、工作頻率高，具有多種保護功能。圖3中的驅動電路模塊就是驅動Q2、Q3半橋電路的，于是采用IR2104半橋驅動電路設計，具體電路圖如圖6所示，電路原理可參考文獻[4]。

3 系統軟件設計

3.1 STM32F103系列微處理器

STM32F103系列微處理器[5]是首款基于ARMv7-M體系結構的32 bit標準RISC處理器，最高頻率可達72 MHz，具有高效的代碼效率，內置高達128 KB的Flash存儲器和20 KB的SRAM，具有豐富快速I/O端口多達51個，每個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 12 bit ADC多達 16個外部通道，轉換時間可達 1 μs，最高工作頻率可達 14 MHz，多達7個 12 bit的定時器，因而該微控制器能很好地滿足整個充電系統軟件設計要求，特別是ADC的多通道同時轉換以及高轉換速率，可以實時采集太陽能光伏組件電壓、電流以及蓄電池電壓，控制功率管的關斷以及調節PWM波占空比。

3.2 MPPT控制策略

針對太陽能電池板的特性，采用電壓尋優[6]的最大功率點跟蹤 MPPT （Maximum PeakPowerTracking）算法，實現對最大功率點的跟蹤。當太陽能組件工作在最大功率點時，處于該點的工作電壓與開路電壓存在線性比例關系，因而可在軟件上將光伏陣列最大功率點的工作電壓設置為KUoc（K 一般取值為 0.76），該點即為最大功率點，控制流程如圖7所示。 若采集工作電壓 U（k）＞KUoc，則說明此時功率在最大功率點右側，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 系統軟件實現

本系統軟件設計主要實現了自適應四種充電模式，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控制算法的實現是包含在白天模式下的實現最大功率點的跟蹤，總程序框圖如圖8所示。

4 實驗結果討論

本實驗采用20 W/18 V的單晶光伏陣列組件，用阻性負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,負載兩端輸出電壓穩定在7.2 V，此時，軟件處于陽光充足的白天模式，設置PWM波占空比為60%，現場調試所測的實驗波形如圖9所示。此外，在上午 10：00～10：45期間，檢測在阻性負載下太陽能組件的輸出電壓和電流（每點間隔5 min），并計算輸出功率，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。

本設計已在實驗中獲得顯著的效果，能時刻跟蹤最大功率點（MPPT），使得太陽能充電系統高效率的工作。在綠色能源方面具有一定的社會效益和廣泛的推廣價值。

[1]王長貴，王斯成.太陽能光伏發電實用技術[M].北京：化學工業出版社，2004.

[2]劉鳳君.現代高頻開關電源技術及應用[M].北京：電子工業出版社，2007.

[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].機電工程技術，2009（10）：75-76.

[4]陳忠仁，佘艷，孫云蓮.IR2304半橋驅動集成電路的功能原理及應用[J].國外電子元器件，2005（1）：44-47.

[5]孫書鷹，陳志佳，寇超.新一代嵌入式微處理 STM32F103開發與應用[J].微計算機應用，2010（12）：59-63.

[6]LEE Dong Yun， NOH Hyeong Ju， HYUN Dong Seok， et al.An improved MPPT converter using current compensation method for small scaled PV applications[C].IEEE APEC′03， 2003：540-545.