基于R5F2L38A的電動(dòng)汽車直流電能表設(shè)計(jì)

彭 宇,朱 青,孫 猛

（湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082）

隨著我國低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來，電動(dòng)汽車必將成為今后我國汽車工業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。國家電網(wǎng)目前主推換電池模式，即電池由電力公司購買，公交公司購買裸車，然后公交公司可以通過電池租賃的方式進(jìn)行運(yùn)營，電力公司參考電費(fèi)和其他投入費(fèi)用收取服務(wù)費(fèi)。為此設(shè)計(jì)一款用于計(jì)量電動(dòng)汽車電池充放電量的直流電能表，接入電動(dòng)汽車充電站計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中，這樣一方面實(shí)現(xiàn)國網(wǎng)新方案對(duì)電動(dòng)汽車用電的全面準(zhǔn)確計(jì)量，另一方面，可以利用通信接口和負(fù)荷曲線將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到管理中心，用計(jì)算機(jī)通過上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車用電情況的統(tǒng)計(jì)、分析和處理，使電動(dòng)汽車用電管理更加科學(xué)化、合理化，降低運(yùn)營成本，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1 直流電能表計(jì)量原理

電動(dòng)汽車用電池供電，電池輸出電流為直流，考慮到電動(dòng)汽車車載電池存在充電與放電兩種工作狀態(tài)，所以本設(shè)計(jì)所提出的直流計(jì)量方法能計(jì)量車載電池充電與放電時(shí)的電能量，同時(shí)測量電池充電與放電時(shí)每一秒的電壓有效值、電流有效值與平均功率值、總電量值。本文設(shè)計(jì)采用1 s內(nèi)采樣4 096個(gè)點(diǎn)求平均值的方法，克服了在電動(dòng)汽車車載電池充放電過程中電壓與電流不穩(wěn)定（即存在交流成分時(shí)）對(duì)直流電能計(jì)量產(chǎn)生的影響。

直流計(jì)量原理如圖1所示。首先從用電回路中取得模擬電壓信號(hào)u(t)與模擬電流信號(hào) i(t)，u(t)是通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)得到，i(t)則是電流流經(jīng)分流器時(shí)產(chǎn)生的分壓信號(hào)。以4 096 Hz的采樣速率，用16位的A/D轉(zhuǎn)換器采樣u(t)與 i(t)信號(hào)，采樣的參考電壓為-0.6 V～+0.6 V，這樣就得到了離散的數(shù)字信號(hào)u(t)與i(t)；然后將得到的數(shù)字電壓信號(hào)進(jìn)行以秒為單位的計(jì)算，具體計(jì)算如式(1)。從第k秒開始，首先累加第k秒內(nèi)數(shù)字電壓信號(hào)u(t)的平方和，得到 U(k)：

再用U(k)除以一秒鐘內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù) 4 096，之后進(jìn)行開方運(yùn)算。由于模擬前端電路、前端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)運(yùn)算過程帶來了固定的增益,所以最后再乘以增益系數(shù)UGAIN，得到這一秒內(nèi)的電壓有效值U0(k)，如式(2)：

增益系數(shù)UGAIN視不同的分壓電阻網(wǎng)絡(luò)與不同的規(guī)格電流分流器會(huì)有所不同。電流值和功率值都按照此方法依次算出來。

2 硬件設(shè)計(jì)

由于電動(dòng)車電能表計(jì)量的是直流電能，不存在功率因素和A、B相檢測的需求，本設(shè)計(jì)采用主芯片與計(jì)量芯片相結(jié)合的設(shè)計(jì)方式，以保證測量速度，保證測量精確[1]。總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

計(jì)量模塊通過采樣信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，分析、計(jì)算后的數(shù)據(jù)通過SPI傳輸給MCU處理，MCU通過中斷查詢，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信或者數(shù)據(jù)顯示。電源模塊分別給MCU、計(jì)量芯片和CAN通信模塊提供電源。

2.1 電源設(shè)計(jì)

電源供電設(shè)計(jì)電路圖如圖3。由于電動(dòng)車電池提供電源的不穩(wěn)定性和有大量高次諧波存在，為保證主MCU及其內(nèi)部運(yùn)行的穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)對(duì)主MCU和CAN通信及其內(nèi)部工作電壓用車載24 V電源提供，經(jīng)一個(gè)小功率電源模塊，輸出1路3.3 V電壓，給MCU和計(jì)量芯片供電，另一路輸出5 V給CAN通信芯片供電[2]。由于CSG550的電壓、電流信號(hào)采自回路電壓網(wǎng)絡(luò)，與高壓回路直接相連，因此CSG550的3.3 V供電電源與輸入間變壓器的隔離設(shè)計(jì)必須留有足夠的裕量，以保證系統(tǒng)安全。

2.2 瑞薩R5F2L38ABDFP主芯片

主MCU采用瑞薩R5F2L38ABDFP芯片,此芯片引腳豐富，ROM達(dá)到128 KB，具有增強(qiáng)的低電壓檢測功能、看門狗獨(dú)立計(jì)數(shù)、待機(jī)，及POWER-OFF等多種低功耗模式，非常有效地降低了功耗。針對(duì)汽車復(fù)雜環(huán)境的情況，有冷然啟動(dòng)檢測，全引腳上拉下拉，大電流驅(qū)動(dòng)、D/A轉(zhuǎn)換可靈活應(yīng)用、4路內(nèi)置比較器Dataflash后臺(tái)操作，內(nèi)置DTC功能、1.8～5.5 V更寬的工作電壓。

2.3 計(jì)量單元

CSG550是一顆高精度的單相電能專用計(jì)量芯片，其內(nèi)部集成了3路獨(dú)立的二階∑-△架構(gòu)的16位 ADC，可同時(shí)采樣一路電壓、兩路電流，測量功率、有效值、功率因數(shù)和頻率等電參數(shù)。CSG550的模擬輸入端支持差分信號(hào)輸入，電流輸入端可以連接電流互感器實(shí)現(xiàn)電壓的測量。兩個(gè)電流通道可以同時(shí)測量火線和零線的電流，實(shí)現(xiàn)防竊電的檢測。經(jīng)過對(duì)電流、電壓的采樣，經(jīng)過計(jì)算后，通過SPI總線傳輸給MCU芯片處理。

2.4 CAN通信單元

CAN總線的短幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、非破壞性總線性仲裁技術(shù)以及靈活的通信方式能夠適應(yīng)汽車的實(shí)時(shí)性和可靠性要求，CAN總線已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車中應(yīng)用最廣泛的總線。本設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車直流電能表中加入CAN通信單元，使其能與汽車進(jìn)行通信，也可以通過USB/CAN轉(zhuǎn)換器與PC機(jī)的管理軟件通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，便于及時(shí)了解電動(dòng)汽車電池單元的運(yùn)行狀況和分析電池單元的電量情況。本設(shè)計(jì)CAN總線應(yīng)用層遵循通用電力規(guī)范DL/T-2007通信規(guī)約（略有擴(kuò)充），數(shù)據(jù)項(xiàng)目相同，遠(yuǎn)紅外波特率固定為1 200 b/s，CAN總線波特率固定為250 kb/s。本系統(tǒng)采用拓展的29 bit標(biāo)識(shí)符CAN數(shù)據(jù)幀格式，直流電表的數(shù)據(jù)幀ID：0x57；車載終端的數(shù)據(jù)幀ID：0x53。

本設(shè)計(jì)采用MCP2515獨(dú)立控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）協(xié)議控制器，完全支持CANV2.0B技術(shù)規(guī)范。該器件能發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)、擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀以及遠(yuǎn)程幀[3]。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。MCP2515自帶2個(gè)驗(yàn)收屏蔽寄存器和6個(gè)驗(yàn)收濾波寄存器，可以過濾掉不想要的報(bào)文，因此減少了主單片機(jī)（MCU）的開銷。MCP2515與MCU的連接是通過業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口（SPI）來實(shí)現(xiàn)的。

3 軟件設(shè)計(jì)

直流表整個(gè)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了與應(yīng)用層平臺(tái)無關(guān)化和模塊化，易于移植和功能裁剪。主要包括如下模塊：顯示模塊、數(shù)據(jù)計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、CAN通信模塊等，設(shè)計(jì)的整體流程如圖5所示[4]。

檢測是否正常上電是表計(jì)為了保護(hù)MCU，使其進(jìn)入低功耗容易，進(jìn)入正常模式難，除非正常上電。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)必要的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、電量數(shù)據(jù)、事件記錄，比如上次編程記錄、上次清零記錄等。其中數(shù)據(jù)記錄采用瞬變數(shù)據(jù)和長期固定參數(shù)數(shù)據(jù)分區(qū)存儲(chǔ)的方式。對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采用了長度校驗(yàn)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)經(jīng)行CRC校驗(yàn)[5]。

數(shù)據(jù)通信模塊主要是完成MCU從CS550A讀取數(shù)據(jù)，并采用紅外通信和CAN通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。程序中采用查詢方式,通過I/O口的判斷,讀取相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

校驗(yàn)?zāi)K用于對(duì)電能表的電壓、電流和電量測量進(jìn)行校準(zhǔn)。為了降低成本和不必要的硬件開銷，本設(shè)計(jì)采用軟件校表，對(duì)電壓電流通道的零點(diǎn)等進(jìn)行軟件校驗(yàn)，減小誤差[6]。

4 實(shí)際運(yùn)營結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的直流電能表已于2011年6月投入山東電力公司的電動(dòng)汽車充電站計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中，并用于山東投入運(yùn)營的電動(dòng)大巴上，經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，達(dá)到了精確計(jì)量和高穩(wěn)定性的效果。圖6是實(shí)際運(yùn)營中，通過USB/CAN轉(zhuǎn)換器和上位機(jī)運(yùn)行監(jiān)控軟件讀出的電動(dòng)汽車運(yùn)行實(shí)時(shí)計(jì)量數(shù)據(jù)。

第一屏為電壓，第二屏為電流，本直流表電流為100（600）A，第三屏為有功功率，RS表示正處于通信狀態(tài)，第四屏為正向電能項(xiàng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測量本設(shè)計(jì)電能表功耗小于等于1.5 W。

實(shí)際運(yùn)行表明，本設(shè)計(jì)經(jīng)受住了電動(dòng)汽車行駛過程中強(qiáng)電磁干擾、強(qiáng)烈震動(dòng)等各種不同環(huán)境的考驗(yàn)，得到了電力公司的好評(píng)，國網(wǎng)公司將在其他電動(dòng)汽車項(xiàng)目上繼續(xù)應(yīng)用本設(shè)計(jì)直流費(fèi)控電能表。所開發(fā)的直流表在精確測量和穩(wěn)定性方面都達(dá)到了很高的水準(zhǔn)，達(dá)到了開發(fā)的目的，為國網(wǎng)公司電動(dòng)汽車換電池方案的實(shí)施做出了很大的貢獻(xiàn)。

[1]靜恩波.基于嵌入式系統(tǒng)的智能電表設(shè)計(jì)與研究[J].低壓電器，2011(3)：25-30.

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