基于66AK2H14控制器的新能源汽車充電系統設計

王志超 王蕾

（中國電子科技集團公司第五十八研究所 江蘇省無錫市 214000）

66AK2H14 控制器是一種以ARM 核作為核心，內置可編程flash 儲存器，相較于一般的控制器，此類控制器的功能強大且具有較強的兼容性。新能源汽車通過電力驅動電機，可以減少燃燒石油產生的廢氣排放，從而能夠有效地促進低碳理念的落實，隨著新能源汽車動力系統的不斷改進，新能源汽車在市場上所占據的份額也在逐漸加大，如何更有效的設置新能源汽車的充電設備，已逐漸成為當今新能源汽車發展中不可或缺的一環，因為不同的新能源汽車有著不同的充電參數，所以對于當前戶外的充電設備要求較高。

新能源汽車在國外的發展時間較長，在國外的研究人員已經開始嘗試利用太陽能技術建立并網系統，將太陽能轉化為電能為新能源汽車充電。但國內的新能源汽車出現時間較晚，在建設過程中是通過以充電樁的形式為新能源汽車補充電能。我國有許多學者都針對新能源汽車的充電中的設計和應用，展開了對應的研究，例如有的學者利用傳感器對充電數據進行采樣，從而形成PID 控制器，為新能源汽車進行周期性充電，還有的學者設計了多核控制器充電控制系統，完善了充電結構硬件，實現了對多個能源汽車的充電。但以上兩種控制方式均會導致開關電路產生較大的負載，從而在充電過程中產生大量的熱，使硬件系統溫度變得很高，極容易產生危險?；谝陨峡刂破鞯娜毕?，本文設計了一種基于66AK2H14 控制器的新能源充電系統，希望能夠有效改善當前這一問題。

1 新能源汽車充電系統設計概述

1.1 新能源汽車充電系統概述

當前全球最為關注的問題已經變成了能源與環境的和諧發展，能源作為經濟的根基，和環境共同制約著經濟和社會的發展。這使得汽車逐漸從傳統的燃油動力向電動汽車轉型，也是汽車行業實現可持續發展的必由之路。同時，根據保安部2020年公布的機動車數量，目前我國有400 萬輛汽車都是純電動汽車，約占新能源汽車總量的81.32%。為了促進新能源汽車的持續性普及，推進充電基礎設施建設就是必然要面臨的問題之一。但現在的充電樁相關基礎設備元件中都帶有大量的電容元件、電感元件、二極管，這些元件的使用會使得充電樁產生大量諧波，不僅會污染電網，而且會損壞新能源汽車的電池裝置，導致電力系統負荷增加，甚至還會產生的高溫干擾新能源汽車充電過程，因此，減弱充電過程中的諧波干擾就顯得尤為重要。66AK2H14 控制器是一種以ARM 核作為核心，內置可編程flash 儲存器，相較于一般的控制器，此類控制器的功能強大且具有較強的兼容性。

1.2 功能需求分析

從功能需求的角度來看，新能源汽車系統需要在原有功能之上進一步的改善核心控制器，并增加液晶顯示模塊和溫度采集模塊。核心控制器的改進，是為了能夠更好的控制功能系統，而液晶顯示模塊和溫度采集模塊共同作用講采集到的諧波以可視化的形式展現出來。在軟件設計的過程中，還要考慮到充電樁線圈匝數和充電系統以及充電樁本身的參數，最終所導致的各種互感效應。

非功能性需求就是要使該系統具有便捷可操作性，因此要添加人機交互模塊，更方便對系統進行控制，同時，在編程的過程中，要借助公式計算好互感系數，從而有效地確定線圈的裸導線面積，確定線圈的匝數，將相應的風險控制在最低。

2 新能源汽車充電系統硬件設計

2.1 使用66AK2H14控制器設計充電樁

如圖1 所示，該新能源汽車充電硬件系統采用66AK2H14 控制器為核心，所設置的充電樁結構共有七部分組成，一部分是核心控制器，另外六個部分分別是超聲波模塊，無線通信模塊，溫度采集模塊，電源模塊，液晶模塊，人機交互模塊。超聲波模塊，無線通訊模塊，電源模塊都屬于充電系統中常見的功能模塊。

圖1：充電樁結構

人機交互模塊中特別設置了一個發光二極管和風溫器，通過測量充電樁的充電時間和其他參數，將充電樁的模塊連接到芯片的下方，從而更有效的完善充電樁的結構。

為滿足新能源汽車在不同環境下的充電需求，該系統選定了12864 液晶顯示屏，電壓要求是5V，利用其內部自帶的控制命令組合接收來自外的各項指令，并進行轉換，通過液晶屏顯示出來。為了滿足不同新能源汽車對充電高度的要求，設置了不同類型的六根開關管，可以應對不同高度脈沖發生器的需求。六個開關管的電感量參數一致，同時外接電容和電阻保證充電樁電路兩側電壓的穩定性。

2.2 構建功能電路結構

如圖2 所示，電路主要是基于66AK2H14 控制器芯片，通過讀取溫度傳感器傳來的信號，處理后將講溫度顯示在液晶屏上，用戶可以隨時查看和監測充電裝置的溫度。將66AK2H14 控制器芯片作為整個電路的核心，利用芯片內部晶振作為時鐘源，同時并聯電容接地，濾除諧波，保障電路運行的穩定性。為保證能夠有效地對溫度進行采集，增加復位開關實現對系統錯誤時的初始化。

圖2：電路結構

在電路能夠穩定運行的狀態下，電路還需要講溫度數據傳送到主芯片，首先將該芯片的引腳連接到溫度傳感器的AD 轉換接頭相連，實現模擬信號到內部數字信號的轉換。

3 新能源汽車充電系統軟件設計

3.1 規范充電電感正向狀態

該系統可以通過改變樁內磁芯的作用面積來通過芯片調節汽車的充電量，而通過正向電感提高新能源汽車的充電速度，所以，規范化充電電感正向的狀態就顯得尤為重要。要根據新能源汽車的充電參數和充電樁硬件的參數，借助額定電流與紋波電流數值得出充電過程中的峰值電流，并且以此作為標準確定電路結構中的電感量。

計算電感儲存電能的數值需要利用到兩個公式，第一個公式是借助儲存的電能電感效應的加線長度，充電樁的額定電流計算出電感過程所需要的AP 參數，滿足最小儲能條件時控制充電量。然后借助初始電流參數和上方公式所計算出的電流密度，計算出正向感應參數，以分配電感效應中的裸導線面積，從而控制充電樁產生符合工作要求的電感效應。

3.2 等效處理充電樁電感效應

得到控制參數數值的情況下，可以根據控制參數所計算出的裸導線面積來進一步判定，參與充電樁充電過程的導線匝數。為了最有效的還原數據，假設充電樁是在額定狀態下工作，此時所產生的正向電感量就可以借助額定參數磁芯截面參數來獲取。

為消除硬件結構中所產生的抑制諧波，避免溫度數據所造成的不良影響，可以利用基爾霍夫電壓定律來處理電裝內的等效電路，在相同線圈工作頻率的狀態下來對充電樁內部產生的共振效應進行計算，進而得出電樁所產生的負載功率。

進而借助所得到的數據計算互感狀態下的互感系數。除了計算所得出的負載功率數值以外，還要借助充電樁的徑向參數，電樁充電距離和參與互感效應的線圈數量，這樣就能夠使得充電的線圈保持在最小值，完成對新能源汽車充電的設計。

4 系統測試

4.1 測試準備

在測試新能源汽車充電系統時，使用短路測試盒作為系統測試板，連接好新能源汽車充電系統的各個硬件結構后，按照表1 所示的相關參數準備測試的軟硬件。

表1：參數設定

在表1 中各項參數設定的前提條件下，建好系統測試平臺，將系統平臺的溫度保持在27 度的恒溫，并控制好測試環境內的濕度，將電車充電系統的電池系統設置為12 伏，對本文的充電系統以及前文中所提到的基于負載的充電控制系統和基于多核控制器的充電控制系統進行比較，比較三種充電系統的性能。

4.2 結果及分析

為了比較三種充電系統的充電效果，以及是否產生了預期的功能，共設計了3 個實驗。第一個實驗是在設計相同鋰電池充電對象的情況下，將三種充電系統的充電時間和電池充電量，充電速率進行比較。第二個實驗是設計三種充電系統的額定功率和功率峰值相同情況下，固定三種充電系統的功率和開關頻率設定相應的充電效率，述職對比所設定的效率數值判定不同，系統充電效率的占比結果。第三個實驗室將三種充電模式的效率參數你定，后來進一步比較在不同測試頻率之間，散熱芯片的溫度情況。

如圖3 所示，第一個實驗設定的充電對象是3.7V/1500mAh 鋰電池，充電周期是15000 秒。最終的實驗數據顯示，文本所設計的系統充電量最高，充電速度最快。

圖3：充電周期對比

如圖4 所示，第二個實驗設定的額定功率參數是三十千瓦，功率峰值是六十千瓦，將0.005 數值效率作為占比統計點進行占空比結果分析。最終發現，文本所設計的充電系統占空比僅為0.3 到0.4，是開關器件上損耗最小的。

圖4：額定功率對比

如圖5 所示，第三個實驗是在第二個實驗條件不變的情況下，將測試頻率設定在50KHz 到200KHz 之間，判定散熱芯片的溫度，最終發現文本控制芯片的溫度最低，在21 到23 攝氏度之間，能夠保障系統的正常運行。

圖5：溫度對比

5 結語

新能源汽車既是符合汽車行業發展趨勢，又符合當下對生態環境保護理念，是利于社會發展的朝陽產業。但新能源汽車在我國出現的時間早晚關于其的充電技術也相對不夠成熟。本文以66AK2H14 控制器作為控制核心，通過搭配合適的外設，設計出了一種新能源汽車的充電系統。實驗結果顯示，本文所涉及的的充電系統完成對1500mAh 容量電池的充電需要15000s，充電效率在30%～40%之間，硬件溫度范圍為21℃～23℃之間。以上數據充分表明，該系統具有充電速度快，充電開關器件能量損耗較小，充電時溫度的波動較小的優點。該系統以66AK2H14 芯片作為控制核心，通過對控制匝結構中有效面積的控制，調節電感量，對充電樁電感效應進行等效處理，從而降低了新能源汽車車充電系統在充電過程中的電量損耗。