摘要：本文基于STM32设计了一款移动电源，可输出0-60 V可调直流电压，输出 0～30 A 可调直流电流，同时带有交流 220 V 输出口。移动电源以太阳充电为主，交流 220 V 充电为辅，当太阳能转换部分出现故障(如不能发电)时，可使用交流 220 V 充电;本设计将 DC-DC 升降压电路、DC-AC 变换电路结合在一起，使电源实现了交、直流输入，交、直流输出功能。
关键词：太阳能;单片机;无线充电;稳压
0 前言
电子产品已经成为了人们日常生活的必需品，现如今电子产品的类型越来越多，其标称的电压和电流各不相同，且随着电池的使用其储能效率会不断下降[1]，需要电源的场合越来越多，而且充电器接头频繁插拔，易于损坏充电接头[2]。近年来，随着无线充电效率和电压的提高，且在充电过程中不需要外接电源接口和充电器接口，提高了充电的安全性和便捷性，但在充电过程不可避免会造成电能的浪费[3-4]，所以可以将绿色太阳能发电技术和无线充电技术相互结合，由太阳能提供电源，利用无线充电技术进行充电，两者优势互补。基于此，本文基于STM32的移动电源，一方面解决户外电源的供给问题，另一方面可输出多种可调电源，满足多种电器的充电需求。
1 系统总体设计
系统包含电参数检测、MCU 控制、充电控制、太阳能转换、DC-DC 升降电路、AC-DC 变换电路、电源稳压、BMS管理等电路。同时利用数字前端芯片 SH367309 设计 BMS 管理系统，对电池的充放电进行实时监测和保护。系统总体方案如图1所示。
2 硬件电路设计
该系统主要由控制电路、供电电路、无线发射电路、无线接收电路、AD转换电路等组成，下面对各部分电路设计进行说明。
2.1 BMS管理系统
具有稳定的电源保护电路是本设计硬件性能的基础和保障，本文利用数字前端芯片SH367309 设计 BMS 管理系统。此芯片具有硬件保护功能：过充电保护功能，过放电保护功能，充电高温保护功能等;在保护模式下，可独立保护锂电池 Pack。提供过充电保护、过放电保护、温度保护、充放电过流保护、短路保护、二次过充电保护等。利用集成平衡开关提高电芯一致性。在采集模式下，可配合 MCU 管理锂电池 Pack，同时使能所有保护功能。用于采集电芯电压、温度以及电流;内置 CADC 采集电流，用于统计 Pack 剩余容量; 内置 EEPROM，用于保存保护阈值及延时等可调参数;内置 TWI 通讯接口，用于操作相关寄存器及 EEPROM。
2.2 电路设计
DC—DC 升压电路，给电池组输入 DC-12V，输出 DC-0～60V/0～15A 可调，输出电压、电流的范围兼容市面上手机、平板电脑、笔记本电脑等移动设备。
DC—AC 变换电路，给电池组输入 DC -12V，输出 AC-220V，功率为 4000W，可为市面上大多数家用电器供电。
太阳能充电电路、AC-220V 充电电路设计电池组的充电电压为 DC-12V，需要将太阳能和 AC-220V 转换为DC-12V 后才能给电池组充电。将太阳能转换成电能后通过电池组进行存储，通过 DC-DC 升降压或 DC-AC 变换后输出交直流电，以达到放电范围兼容任意用电器的目的。整个电源采用 50 节 18650 充电电池串并联在一起作为储能装置，BMS 保护电路对其充、放电进行保护;充电采用双层充电模式：即太阳能板接收太阳光充电、AC-220V 充电器充电。直流输出0～60V/0～30A 连续可调;交流输出 220V。直流输出功率最大可达 1800W，交流输出功率最大可达 8000W;可以满足功率在 8000W 以下的用电器供电需求。精确的 LED 电量显示，时时有效地将电池的剩余电量按精确的百分比以 LED 亮灯的形式展示给用户， 以达到高效直观的目的。
2.3 电量计模块
为了更方便、精準的采集电池组充放电时的电压、电流、温度、功率等数据，特选择 IM1253B 单相交直流电能计量模块。IM1253B 单相交直流电能计量模块是为了适应各类厂家对自己的产品用电情况进行监控研发而成;也是充电桩，路灯监控、机房、基站监控、节能改造、智能用电管理、动环、安防监控、设备能耗监测等诸多行业各类电力监控需求厂家的配套模块。该模块准确度优于国家 1 级标准; 其可以测量 45～65Hz 的交流电压、电流、功率、功率因素、频率等电气数据;通过相应接口方便和其他单片机、ARM 连接实现自动化数据采集及监控功能。
3 系统软件设计
为了实现有效地管理电池组工作状态，实时精确地检测电池组的工作电压、电流和温度是一个重要的前提。数据采集的精确程度对电池管理系统的性能影响有着直接关系。同时，实时检测电池组工作状态，可以在出现电压过高或过低，温度过高，电流过大等危险异常情况发生时，立即切断电源，保护电池组。通过釆集模块实时检测单体电池电压、电池组总电压、总电流和温度值等工作信息，以及 DS3231 组成的时钟模块提供的标准时间，记录到外扩 FLASH 存储芯片 25LC640 中。可通过 RS232 串口与电脑通信，查阅存储的工作信息记录。
4 系统测试
对整个系统进行测试，验证系统的可行性与稳定性，以手机为测试对象，利用该系统对电池容量为4000mAh的手机进行充电，初始电量为5%，从上午九时开始充电，每隔半小时记录一次手机电量电压，经过5个小时后手机充电至100%，验证了系统的可行性，但充电速度仍需提高。
5 总结
电子产品已经成为了人们生活中不可或缺的一部分，为了解决电子产品的电能供给问题，尤其是在户外没有电源的情况下，本文基于STM32的移动电源，给出了系统的硬件结构框图，并设计了系统各个部分的硬件电路同时利用数字前端芯片设计电池管理电路，对电池的充放电进行实时监测和保护;并完成了基于STM32的宽电压输入输出的逆变器PCB板的设计。
参考文献：
张仁永，卢瑛，陈新.基于Arduino的用电器检测系统设计与实现[J].自动化与仪器仪表，2020(10)：113-116.
帅伟，郭爱云. 一种便携式数据采集系统的硬件电路设计[J]. 仪表技术，2017，(05)：41-43.
[3]张斌.高精度数字万用表恒流源和交流测量电路设计[J]. 电子世界，2017，(09)：186+192
[4]龙小丽，任瑾. 基于Multisim10的序列信号产生电路设计与仿真[J]. 电子世界，2017，(08)：108+111.
[5]赵娜，王艳，殷天明，赵立勇. 磷酸铁锂动力电池组的主动均衡电路设计与控制策略[J]. 电子设计工程，2017，(08)：105-108+114.
推荐阅读：电压源型直流输电变流器系统动态面反步控制