基于66AK2H14控制器的新能源汽车充电系统设计

王志超 王蕾

（中国电子科技集团公司第五十八研究所 江苏省无锡市 214000）

66AK2H14 控制器是一种以ARM 核作为核心，内置可编程flash 储存器，相较于一般的控制器，此类控制器的功能强大且具有较强的兼容性。新能源汽车通过电力驱动电机，可以减少燃烧石油产生的废气排放，从而能够有效地促进低碳理念的落实，随着新能源汽车动力系统的不断改进，新能源汽车在市场上所占据的份额也在逐渐加大，如何更有效的设置新能源汽车的充电设备，已逐渐成为当今新能源汽车发展中不可或缺的一环，因为不同的新能源汽车有着不同的充电参数，所以对于当前户外的充电设备要求较高。

新能源汽车在国外的发展时间较长，在国外的研究人员已经开始尝试利用太阳能技术建立并网系统，将太阳能转化为电能为新能源汽车充电。但国内的新能源汽车出现时间较晚，在建设过程中是通过以充电桩的形式为新能源汽车补充电能。我国有许多学者都针对新能源汽车的充电中的设计和应用，展开了对应的研究，例如有的学者利用传感器对充电数据进行采样，从而形成PID 控制器，为新能源汽车进行周期性充电，还有的学者设计了多核控制器充电控制系统，完善了充电结构硬件，实现了对多个能源汽车的充电。但以上两种控制方式均会导致开关电路产生较大的负载，从而在充电过程中产生大量的热，使硬件系统温度变得很高，极容易产生危险。基于以上控制器的缺陷，本文设计了一种基于66AK2H14 控制器的新能源充电系统，希望能够有效改善当前这一问题。

1 新能源汽车充电系统设计概述

1.1 新能源汽车充电系统概述

当前全球最为关注的问题已经变成了能源与环境的和谐发展，能源作为经济的根基，和环境共同制约着经济和社会的发展。这使得汽车逐渐从传统的燃油动力向电动汽车转型，也是汽车行业实现可持续发展的必由之路。同时，根据保安部2020年公布的机动车数量，目前我国有400 万辆汽车都是纯电动汽车，约占新能源汽车总量的81.32%。为了促进新能源汽车的持续性普及，推进充电基础设施建设就是必然要面临的问题之一。但现在的充电桩相关基础设备元件中都带有大量的电容元件、电感元件、二极管，这些元件的使用会使得充电桩产生大量谐波，不仅会污染电网，而且会损坏新能源汽车的电池装置，导致电力系统负荷增加，甚至还会产生的高温干扰新能源汽车充电过程，因此，减弱充电过程中的谐波干扰就显得尤为重要。66AK2H14 控制器是一种以ARM 核作为核心，内置可编程flash 储存器，相较于一般的控制器，此类控制器的功能强大且具有较强的兼容性。

1.2 功能需求分析

从功能需求的角度来看，新能源汽车系统需要在原有功能之上进一步的改善核心控制器，并增加液晶显示模块和温度采集模块。核心控制器的改进，是为了能够更好的控制功能系统，而液晶显示模块和温度采集模块共同作用讲采集到的谐波以可视化的形式展现出来。在软件设计的过程中，还要考虑到充电桩线圈匝数和充电系统以及充电桩本身的参数，最终所导致的各种互感效应。

非功能性需求就是要使该系统具有便捷可操作性，因此要添加人机交互模块，更方便对系统进行控制，同时，在编程的过程中，要借助公式计算好互感系数，从而有效地确定线圈的裸导线面积，确定线圈的匝数，将相应的风险控制在最低。

2 新能源汽车充电系统硬件设计

2.1 使用66AK2H14控制器设计充电桩

如图1 所示，该新能源汽车充电硬件系统采用66AK2H14 控制器为核心，所设置的充电桩结构共有七部分组成，一部分是核心控制器，另外六个部分分别是超声波模块，无线通信模块，温度采集模块，电源模块，液晶模块，人机交互模块。超声波模块，无线通讯模块，电源模块都属于充电系统中常见的功能模块。

图1：充电桩结构

人机交互模块中特别设置了一个发光二极管和风温器，通过测量充电桩的充电时间和其他参数，将充电桩的模块连接到芯片的下方，从而更有效的完善充电桩的结构。

为满足新能源汽车在不同环境下的充电需求，该系统选定了12864 液晶显示屏，电压要求是5V，利用其内部自带的控制命令组合接收来自外的各项指令，并进行转换，通过液晶屏显示出来。为了满足不同新能源汽车对充电高度的要求，设置了不同类型的六根开关管，可以应对不同高度脉冲发生器的需求。六个开关管的电感量参数一致，同时外接电容和电阻保证充电桩电路两侧电压的稳定性。

2.2 构建功能电路结构

如图2 所示，电路主要是基于66AK2H14 控制器芯片，通过读取温度传感器传来的信号，处理后将讲温度显示在液晶屏上，用户可以随时查看和监测充电装置的温度。将66AK2H14 控制器芯片作为整个电路的核心，利用芯片内部晶振作为时钟源，同时并联电容接地，滤除谐波，保障电路运行的稳定性。为保证能够有效地对温度进行采集，增加复位开关实现对系统错误时的初始化。

图2：电路结构

在电路能够稳定运行的状态下，电路还需要讲温度数据传送到主芯片，首先将该芯片的引脚连接到温度传感器的AD 转换接头相连，实现模拟信号到内部数字信号的转换。

3 新能源汽车充电系统软件设计

3.1 规范充电电感正向状态

该系统可以通过改变桩内磁芯的作用面积来通过芯片调节汽车的充电量，而通过正向电感提高新能源汽车的充电速度，所以，规范化充电电感正向的状态就显得尤为重要。要根据新能源汽车的充电参数和充电桩硬件的参数，借助额定电流与纹波电流数值得出充电过程中的峰值电流，并且以此作为标准确定电路结构中的电感量。

计算电感储存电能的数值需要利用到两个公式，第一个公式是借助储存的电能电感效应的加线长度，充电桩的额定电流计算出电感过程所需要的AP 参数，满足最小储能条件时控制充电量。然后借助初始电流参数和上方公式所计算出的电流密度，计算出正向感应参数，以分配电感效应中的裸导线面积，从而控制充电桩产生符合工作要求的电感效应。

3.2 等效处理充电桩电感效应

得到控制参数数值的情况下，可以根据控制参数所计算出的裸导线面积来进一步判定，参与充电桩充电过程的导线匝数。为了最有效的还原数据，假设充电桩是在额定状态下工作，此时所产生的正向电感量就可以借助额定参数磁芯截面参数来获取。

为消除硬件结构中所产生的抑制谐波，避免温度数据所造成的不良影响，可以利用基尔霍夫电压定律来处理电装内的等效电路，在相同线圈工作频率的状态下来对充电桩内部产生的共振效应进行计算，进而得出电桩所产生的负载功率。

进而借助所得到的数据计算互感状态下的互感系数。除了计算所得出的负载功率数值以外，还要借助充电桩的径向参数，电桩充电距离和参与互感效应的线圈数量，这样就能够使得充电的线圈保持在最小值，完成对新能源汽车充电的设计。

4 系统测试

4.1 测试准备

在测试新能源汽车充电系统时，使用短路测试盒作为系统测试板，连接好新能源汽车充电系统的各个硬件结构后，按照表1 所示的相关参数准备测试的软硬件。

表1：参数设定

在表1 中各项参数设定的前提条件下，建好系统测试平台，将系统平台的温度保持在27 度的恒温，并控制好测试环境内的湿度，将电车充电系统的电池系统设置为12 伏，对本文的充电系统以及前文中所提到的基于负载的充电控制系统和基于多核控制器的充电控制系统进行比较，比较三种充电系统的性能。

4.2 结果及分析

为了比较三种充电系统的充电效果，以及是否产生了预期的功能，共设计了3 个实验。第一个实验是在设计相同锂电池充电对象的情况下，将三种充电系统的充电时间和电池充电量，充电速率进行比较。第二个实验是设计三种充电系统的额定功率和功率峰值相同情况下，固定三种充电系统的功率和开关频率设定相应的充电效率，述职对比所设定的效率数值判定不同，系统充电效率的占比结果。第三个实验室将三种充电模式的效率参数你定，后来进一步比较在不同测试频率之间，散热芯片的温度情况。

如图3 所示，第一个实验设定的充电对象是3.7V/1500mAh 锂电池，充电周期是15000 秒。最终的实验数据显示，文本所设计的系统充电量最高，充电速度最快。

图3：充电周期对比

如图4 所示，第二个实验设定的额定功率参数是三十千瓦，功率峰值是六十千瓦，将0.005 数值效率作为占比统计点进行占空比结果分析。最终发现，文本所设计的充电系统占空比仅为0.3 到0.4，是开关器件上损耗最小的。

图4：额定功率对比

如图5 所示，第三个实验是在第二个实验条件不变的情况下，将测试频率设定在50KHz 到200KHz 之间，判定散热芯片的温度，最终发现文本控制芯片的温度最低，在21 到23 摄氏度之间，能够保障系统的正常运行。

图5：温度对比

5 结语

新能源汽车既是符合汽车行业发展趋势，又符合当下对生态环境保护理念，是利于社会发展的朝阳产业。但新能源汽车在我国出现的时间早晚关于其的充电技术也相对不够成熟。本文以66AK2H14 控制器作为控制核心，通过搭配合适的外设，设计出了一种新能源汽车的充电系统。实验结果显示，本文所涉及的的充电系统完成对1500mAh 容量电池的充电需要15000s，充电效率在30%～40%之间，硬件温度范围为21℃～23℃之间。以上数据充分表明，该系统具有充电速度快，充电开关器件能量损耗较小，充电时温度的波动较小的优点。该系统以66AK2H14 芯片作为控制核心，通过对控制匝结构中有效面积的控制，调节电感量，对充电桩电感效应进行等效处理，从而降低了新能源汽车车充电系统在充电过程中的电量损耗。