基于66AK2H14控制器的新能源汽車充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王志超 王蕾

（中國電子科技集團(tuán)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(nèi)置可編程flash 儲(chǔ)存器，相較于一般的控制器，此類控制器的功能強(qiáng)大且具有較強(qiáng)的兼容性。新能源汽車通過電力驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可以減少燃燒石油產(chǎn)生的廢氣排放，從而能夠有效地促進(jìn)低碳理念的落實(shí)，隨著新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，新能源汽車在市場上所占據(jù)的份額也在逐漸加大，如何更有效的設(shè)置新能源汽車的充電設(shè)備，已逐漸成為當(dāng)今新能源汽車發(fā)展中不可或缺的一環(huán)，因?yàn)椴煌男履茉雌囉兄煌某潆妳?shù)，所以對(duì)于當(dāng)前戶外的充電設(shè)備要求較高。

新能源汽車在國外的發(fā)展時(shí)間較長，在國外的研究人員已經(jīng)開始嘗試?yán)锰柲芗夹g(shù)建立并網(wǎng)系統(tǒng)，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能為新能源汽車充電。但國內(nèi)的新能源汽車出現(xiàn)時(shí)間較晚，在建設(shè)過程中是通過以充電樁的形式為新能源汽車補(bǔ)充電能。我國有許多學(xué)者都針對(duì)新能源汽車的充電中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，展開了對(duì)應(yīng)的研究，例如有的學(xué)者利用傳感器對(duì)充電數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，從而形成PID 控制器，為新能源汽車進(jìn)行周期性充電，還有的學(xué)者設(shè)計(jì)了多核控制器充電控制系統(tǒng)，完善了充電結(jié)構(gòu)硬件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)能源汽車的充電。但以上兩種控制方式均會(huì)導(dǎo)致開關(guān)電路產(chǎn)生較大的負(fù)載，從而在充電過程中產(chǎn)生大量的熱，使硬件系統(tǒng)溫度變得很高，極容易產(chǎn)生危險(xiǎn)。基于以上控制器的缺陷，本文設(shè)計(jì)了一種基于66AK2H14 控制器的新能源充電系統(tǒng)，希望能夠有效改善當(dāng)前這一問題。

1 新能源汽車充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

1.1 新能源汽車充電系統(tǒng)概述

當(dāng)前全球最為關(guān)注的問題已經(jīng)變成了能源與環(huán)境的和諧發(fā)展，能源作為經(jīng)濟(jì)的根基，和環(huán)境共同制約著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展。這使得汽車逐漸從傳統(tǒng)的燃油動(dòng)力向電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)型，也是汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。同時(shí)，根據(jù)保安部2020年公布的機(jī)動(dòng)車數(shù)量，目前我國有400 萬輛汽車都是純電動(dòng)汽車，約占新能源汽車總量的81.32%。為了促進(jìn)新能源汽車的持續(xù)性普及，推進(jìn)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)就是必然要面臨的問題之一。但現(xiàn)在的充電樁相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)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(huì)使得充電樁產(chǎn)生大量諧波，不僅會(huì)污染電網(wǎng)，而且會(huì)損壞新能源汽車的電池裝置，導(dǎo)致電力系統(tǒng)負(fù)荷增加，甚至還會(huì)產(chǎn)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(nèi)置可編程flash 儲(chǔ)存器，相較于一般的控制器，此類控制器的功能強(qiáng)大且具有較強(qiáng)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(tǒng)需要在原有功能之上進(jìn)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(jìn)，是為了能夠更好的控制功能系統(tǒng)，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(xiàn)出來。在軟件設(shè)計(jì)的過程中，還要考慮到充電樁線圈匝數(shù)和充電系統(tǒng)以及充電樁本身的參數(shù)，最終所導(dǎo)致的各種互感效應(yīng)。

非功能性需求就是要使該系統(tǒng)具有便捷可操作性，因此要添加人機(jī)交互模塊，更方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，同時(shí)，在編程的過程中，要借助公式計(jì)算好互感系數(shù)，從而有效地確定線圈的裸導(dǎo)線面積，確定線圈的匝數(shù)，將相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制在最低。

2 新能源汽車充電系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 使用66AK2H14控制器設(shè)計(jì)充電樁

如圖1 所示，該新能源汽車充電硬件系統(tǒng)采用66AK2H14 控制器為核心，所設(shè)置的充電樁結(jié)構(gòu)共有七部分組成，一部分是核心控制器，另外六個(gè)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(jī)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(tǒng)中常見的功能模塊。

圖1：充電樁結(jié)構(gòu)

人機(jī)交互模塊中特別設(shè)置了一個(gè)發(fā)光二極管和風(fēng)溫器，通過測量充電樁的充電時(shí)間和其他參數(shù)，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(jié)構(gòu)。

為滿足新能源汽車在不同環(huán)境下的充電需求，該系統(tǒng)選定了12864 液晶顯示屏，電壓要求是5V，利用其內(nèi)部自帶的控制命令組合接收來自外的各項(xiàng)指令，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過液晶屏顯示出來。為了滿足不同新能源汽車對(duì)充電高度的要求，設(shè)置了不同類型的六根開關(guān)管，可以應(yīng)對(duì)不同高度脈沖發(fā)生器的需求。六個(gè)開關(guān)管的電感量參數(shù)一致，同時(shí)外接電容和電阻保證充電樁電路兩側(cè)電壓的穩(wěn)定性。

2.2 構(gòu)建功能電路結(jié)構(gòu)

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(hào)，處理后將講溫度顯示在液晶屏上，用戶可以隨時(shí)查看和監(jiān)測充電裝置的溫度。將66AK2H14 控制器芯片作為整個(gè)電路的核心，利用芯片內(nèi)部晶振作為時(shí)鐘源，同時(shí)并聯(lián)電容接地，濾除諧波，保障電路運(yùn)行的穩(wěn)定性。為保證能夠有效地對(duì)溫度進(jìn)行采集，增加復(fù)位開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)錯(cuò)誤時(shí)的初始化。

圖2：電路結(jié)構(gòu)

在電路能夠穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)下，電路還需要講溫度數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換接頭相連，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到內(nèi)部數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

3 新能源汽車充電系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 規(guī)范充電電感正向狀態(tài)

該系統(tǒng)可以通過改變樁內(nèi)磁芯的作用面積來通過芯片調(diào)節(jié)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(guī)范化充電電感正向的狀態(tài)就顯得尤為重要。要根據(jù)新能源汽車的充電參數(shù)和充電樁硬件的參數(shù)，借助額定電流與紋波電流數(shù)值得出充電過程中的峰值電流，并且以此作為標(biāo)準(zhǔn)確定電路結(jié)構(gòu)中的電感量。

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

3.2 等效處理充電樁電感效應(yīng)

得到控制參數(shù)數(shù)值的情況下，可以根據(jù)控制參數(shù)所計(jì)算出的裸導(dǎo)線面積來進(jìn)一步判定，參與充電樁充電過程的導(dǎo)線匝數(shù)。為了最有效的還原數(shù)據(jù)，假設(shè)充電樁是在額定狀態(tài)下工作，此時(shí)所產(chǎn)生的正向電感量就可以借助額定參數(shù)磁芯截面參數(shù)來獲取。

為消除硬件結(jié)構(gòu)中所產(chǎn)生的抑制諧波，避免溫度數(shù)據(jù)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(nèi)的等效電路，在相同線圈工作頻率的狀態(tài)下來對(duì)充電樁內(nèi)部產(chǎn)生的共振效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而得出電樁所產(chǎn)生的負(fù)載功率。

進(jìn)而借助所得到的數(shù)據(jù)計(jì)算互感狀態(tài)下的互感系數(shù)。除了計(jì)算所得出的負(fù)載功率數(shù)值以外，還要借助充電樁的徑向參數(shù)，電樁充電距離和參與互感效應(yīng)的線圈數(shù)量，這樣就能夠使得充電的線圈保持在最小值，完成對(duì)新能源汽車充電的設(shè)計(jì)。

4 系統(tǒng)測試

4.1 測試準(zhǔn)備

在測試新能源汽車充電系統(tǒng)時(shí)，使用短路測試盒作為系統(tǒng)測試板，連接好新能源汽車充電系統(tǒng)的各個(gè)硬件結(jié)構(gòu)后，按照表1 所示的相關(guān)參數(shù)準(zhǔn)備測試的軟硬件。

表1：參數(shù)設(shè)定

在表1 中各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定的前提條件下，建好系統(tǒng)測試平臺(tái)，將系統(tǒng)平臺(tái)的溫度保持在27 度的恒溫，并控制好測試環(huán)境內(nèi)的濕度，將電車充電系統(tǒng)的電池系統(tǒng)設(shè)置為12 伏，對(duì)本文的充電系統(tǒng)以及前文中所提到的基于負(fù)載的充電控制系統(tǒng)和基于多核控制器的充電控制系統(tǒng)進(jìn)行比較，比較三種充電系統(tǒng)的性能。

4.2 結(jié)果及分析

為了比較三種充電系統(tǒng)的充電效果，以及是否產(chǎn)生了預(yù)期的功能，共設(shè)計(jì)了3 個(gè)實(shí)驗(yàn)。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是在設(shè)計(jì)相同鋰電池充電對(duì)象的情況下，將三種充電系統(tǒng)的充電時(shí)間和電池充電量，充電速率進(jìn)行比較。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)是設(shè)計(jì)三種充電系統(tǒng)的額定功率和功率峰值相同情況下，固定三種充電系統(tǒng)的功率和開關(guān)頻率設(shè)定相應(yīng)的充電效率，述職對(duì)比所設(shè)定的效率數(shù)值判定不同，系統(tǒng)充電效率的占比結(jié)果。第三個(gè)實(shí)驗(yàn)室將三種充電模式的效率參數(shù)你定，后來進(jìn)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(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)定的充電對(duì)象是3.7V/1500mAh 鋰電池，充電周期是15000 秒。最終的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，文本所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)充電量最高，充電速度最快。

圖3：充電周期對(duì)比

如圖4 所示，第二個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)定的額定功率參數(shù)是三十千瓦，功率峰值是六十千瓦，將0.005 數(shù)值效率作為占比統(tǒng)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行占空比結(jié)果分析。最終發(fā)現(xiàn)，文本所設(shè)計(jì)的充電系統(tǒng)占空比僅為0.3 到0.4，是開關(guān)器件上損耗最小的。

圖4：額定功率對(duì)比

如圖5 所示，第三個(gè)實(shí)驗(yàn)是在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，將測試頻率設(shè)定在50KHz 到200KHz 之間，判定散熱芯片的溫度，最終發(fā)現(xiàn)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(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖5：溫度對(duì)比

5 結(jié)語

新能源汽車既是符合汽車行業(yè)發(fā)展趨勢，又符合當(dāng)下對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)理念，是利于社會(huì)發(fā)展的朝陽產(chǎn)業(yè)。但新能源汽車在我國出現(xiàn)的時(shí)間早晚關(guān)于其的充電技術(shù)也相對(duì)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(shè)，設(shè)計(jì)出了一種新能源汽車的充電系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本文所涉及的的充電系統(tǒng)完成對(duì)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(shù)據(jù)充分表明，該系統(tǒng)具有充電速度快，充電開關(guān)器件能量損耗較小，充電時(shí)溫度的波動(dòng)較小的優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)以66AK2H14 芯片作為控制核心，通過對(duì)控制匝結(jié)構(gòu)中有效面積的控制，調(diào)節(jié)電感量，對(duì)充電樁電感效應(yīng)進(jìn)行等效處理，從而降低了新能源汽車車充電系統(tǒng)在充電過程中的電量損耗。