基于R5F2L38A的电动汽车直流电能表设计

彭 宇,朱 青,孙 猛

（湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082）

随着我国低碳经济时代的到来，电动汽车必将成为今后我国汽车工业和新能源产业发展的重点。国家电网目前主推换电池模式，即电池由电力公司购买，公交公司购买裸车，然后公交公司可以通过电池租赁的方式进行运营，电力公司参考电费和其他投入费用收取服务费。为此设计一款用于计量电动汽车电池充放电量的直流电能表，接入电动汽车充电站计费系统中，这样一方面实现国网新方案对电动汽车用电的全面准确计量，另一方面，可以利用通信接口和负荷曲线将数据转移到管理中心，用计算机通过上位机软件实现对电动汽车用电情况的统计、分析和处理，使电动汽车用电管理更加科学化、合理化，降低运营成本，达到节能降耗的目的。

1 直流电能表计量原理

电动汽车用电池供电，电池输出电流为直流，考虑到电动汽车车载电池存在充电与放电两种工作状态，所以本设计所提出的直流计量方法能计量车载电池充电与放电时的电能量，同时测量电池充电与放电时每一秒的电压有效值、电流有效值与平均功率值、总电量值。本文设计采用1 s内采样4 096个点求平均值的方法，克服了在电动汽车车载电池充放电过程中电压与电流不稳定（即存在交流成分时）对直流电能计量产生的影响。

直流计量原理如图1所示。首先从用电回路中取得模拟电压信号u(t)与模拟电流信号 i(t)，u(t)是通过电阻分压网络得到，i(t)则是电流流经分流器时产生的分压信号。以4 096 Hz的采样速率，用16位的A/D转换器采样u(t)与 i(t)信号，采样的参考电压为-0.6 V～+0.6 V，这样就得到了离散的数字信号u(t)与i(t)；然后将得到的数字电压信号进行以秒为单位的计算，具体计算如式(1)。从第k秒开始，首先累加第k秒内数字电压信号u(t)的平方和，得到 U(k)：

再用U(k)除以一秒钟内的采样点数 4 096，之后进行开方运算。由于模拟前端电路、前端数据转换与数据运算过程带来了固定的增益,所以最后再乘以增益系数UGAIN，得到这一秒内的电压有效值U0(k)，如式(2)：

增益系数UGAIN视不同的分压电阻网络与不同的规格电流分流器会有所不同。电流值和功率值都按照此方法依次算出来。

2 硬件设计

由于电动车电能表计量的是直流电能，不存在功率因素和A、B相检测的需求，本设计采用主芯片与计量芯片相结合的设计方式，以保证测量速度，保证测量精确[1]。总体设计如图2所示。

计量模块通过采样信号，然后对信号进行分析，分析、计算后的数据通过SPI传输给MCU处理，MCU通过中断查询，进行数据通信或者数据显示。电源模块分别给MCU、计量芯片和CAN通信模块提供电源。

2.1 电源设计

电源供电设计电路图如图3。由于电动车电池提供电源的不稳定性和有大量高次谐波存在，为保证主MCU及其内部运行的稳定性，本设计对主MCU和CAN通信及其内部工作电压用车载24 V电源提供，经一个小功率电源模块，输出1路3.3 V电压，给MCU和计量芯片供电，另一路输出5 V给CAN通信芯片供电[2]。由于CSG550的电压、电流信号采自回路电压网络，与高压回路直接相连，因此CSG550的3.3 V供电电源与输入间变压器的隔离设计必须留有足够的裕量，以保证系统安全。

2.2 瑞萨R5F2L38ABDFP主芯片

主MCU采用瑞萨R5F2L38ABDFP芯片,此芯片引脚丰富，ROM达到128 KB，具有增强的低电压检测功能、看门狗独立计数、待机，及POWER-OFF等多种低功耗模式，非常有效地降低了功耗。针对汽车复杂环境的情况，有冷然启动检测，全引脚上拉下拉，大电流驱动、D/A转换可灵活应用、4路内置比较器Dataflash后台操作，内置DTC功能、1.8～5.5 V更宽的工作电压。

2.3 计量单元

CSG550是一颗高精度的单相电能专用计量芯片，其内部集成了3路独立的二阶∑-△架构的16位 ADC，可同时采样一路电压、两路电流，测量功率、有效值、功率因数和频率等电参数。CSG550的模拟输入端支持差分信号输入，电流输入端可以连接电流互感器实现电压的测量。两个电流通道可以同时测量火线和零线的电流，实现防窃电的检测。经过对电流、电压的采样，经过计算后，通过SPI总线传输给MCU芯片处理。

2.4 CAN通信单元

CAN总线的短帧数据结构、非破坏性总线性仲裁技术以及灵活的通信方式能够适应汽车的实时性和可靠性要求，CAN总线已经成为现代汽车中应用最广泛的总线。本设计的电动汽车直流电能表中加入CAN通信单元，使其能与汽车进行通信，也可以通过USB/CAN转换器与PC机的管理软件通信，进行数据的交换，便于及时了解电动汽车电池单元的运行状况和分析电池单元的电量情况。本设计CAN总线应用层遵循通用电力规范DL/T-2007通信规约（略有扩充），数据项目相同，远红外波特率固定为1 200 b/s，CAN总线波特率固定为250 kb/s。本系统采用拓展的29 bit标识符CAN数据帧格式，直流电表的数据帧ID：0x57；车载终端的数据帧ID：0x53。

本设计采用MCP2515独立控制器局域网络（CAN）协议控制器，完全支持CANV2.0B技术规范。该器件能发送和接收标准、扩展数据帧以及远程帧[3]。其结构如图4所示。MCP2515自带2个验收屏蔽寄存器和6个验收滤波寄存器，可以过滤掉不想要的报文，因此减少了主单片机（MCU）的开销。MCP2515与MCU的连接是通过业界标准串行外设接口（SPI）来实现的。

3 软件设计

直流表整个软件采用模块化设计，实现了与应用层平台无关化和模块化，易于移植和功能裁剪。主要包括如下模块：显示模块、数据计算模块、数据存储模块、CAN通信模块等，设计的整体流程如图5所示[4]。

检测是否正常上电是表计为了保护MCU，使其进入低功耗容易，进入正常模式难，除非正常上电。数据存储模块存储必要的校准数据、电量数据、事件记录，比如上次编程记录、上次清零记录等。其中数据记录采用瞬变数据和长期固定参数数据分区存储的方式。对实时数据采用了长度校验，同时对数据经行CRC校验[5]。

数据通信模块主要是完成MCU从CS550A读取数据，并采用红外通信和CAN通信进行数据传输。程序中采用查询方式,通过I/O口的判断,读取相对应的数据。

校验模块用于对电能表的电压、电流和电量测量进行校准。为了降低成本和不必要的硬件开销，本设计采用软件校表，对电压电流通道的零点等进行软件校验，减小误差[6]。

4 实际运营结果

本文设计的直流电能表已于2011年6月投入山东电力公司的电动汽车充电站计费系统中，并用于山东投入运营的电动大巴上，经过实际应用，达到了精确计量和高稳定性的效果。图6是实际运营中，通过USB/CAN转换器和上位机运行监控软件读出的电动汽车运行实时计量数据。

第一屏为电压，第二屏为电流，本直流表电流为100（600）A，第三屏为有功功率，RS表示正处于通信状态，第四屏为正向电能项。经实验室测量本设计电能表功耗小于等于1.5 W。

实际运行表明，本设计经受住了电动汽车行驶过程中强电磁干扰、强烈震动等各种不同环境的考验，得到了电力公司的好评，国网公司将在其他电动汽车项目上继续应用本设计直流费控电能表。所开发的直流表在精确测量和稳定性方面都达到了很高的水准，达到了开发的目的，为国网公司电动汽车换电池方案的实施做出了很大的贡献。

[1]静恩波.基于嵌入式系统的智能电表设计与研究[J].低压电器，2011(3)：25-30.

[2]LEE D C,LEE G M,LEE K D.DC-Bus voltage control of three-phase AC/DC PWM converters using feedback linearization[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2000,36(3)：826-833.

[3]陈少卿.基于CAN的电动汽车控制网络设计与实现[D].北京：北京交通大学，2007.

[4]周亦武.智能仪表原理与应用技术[M].北京：电子工业出版社，2009.

[5]张维戈.充电站智能检测系统的研究[D].北京：北京交通大学，2007.

[6]李景新，黄李.无轨电车专用智能电能表的设计[J].电测与仪表，2007，44(1)：25-28.