文獻標識碼： B
文章編號： 0258-7998(2012)05-0084-03
隨著我國低碳經濟時代的到來，電動汽車必將成為今后我國汽車工業和新能源產業發展的重點。國家電網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行運營，電力公司參考電費和其他投入費用收取服務費。為此設計一款用于計量電動汽車電池充放電量的直流電能表，接入電動汽車充電站計費系統中，這樣一方面實現國網新方案對電動汽車用電的全面準確計量，另一方面，可以利用通信接口和負荷曲線將數據轉移到管理中心，用計算機通過上位機軟件實現對電動汽車用電情況的統計、分析和處理，使電動汽車用電管理更加科學化、合理化，降低運營成本，達到節能降耗的目的。
1 直流電能表計量原理
電動汽車用電池供電，電池輸出電流為直流，考慮到電動汽車車載電池存在充電與放電兩種工作狀態，所以本設計所提出的直流計量方法能計量車載電池充電與放電時的電能量，同時測量電池充電與放電時每一秒的電壓有效值、電流有效值與平均功率值、總電量值。本文設計采用1 s內采樣4 096個點求平均值的方法，克服了在電動汽車車載電池充放電過程中電壓與電流不穩定（即存在交流成分時）對直流電能計量產生的影響。
給MCU、計量芯片和CAN通信模塊提供電源。
2.1 電源設計
電源供電設計電路圖如圖3。由于電動車電池提供電源的不穩定性和有大量高次諧波存在，為保證主MCU及其內部運行的穩定性，本設計對主MCU和CAN通信及其內部工作電壓用車載24 V電源提供，經一個小功率電源模塊，輸出1路3.3 V電壓，給MCU和計量芯片供電，另一路輸出5 V給CAN通信芯片供電[2]。由于CSG550的電壓、電流信號采自回路電壓網絡，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計必須留有足夠的裕量，以保證系統安全。
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達到128 KB，具有增強的低電壓檢測功能、看門狗獨立計數、待機，及POWER-OFF等多種低功耗模式，非常有效地降低了功耗。針對汽車復雜環境的情況，有冷然啟動檢測，全引腳上拉下拉，大電流驅動、D/A轉換可靈活應用、4路內置比較器Dataflash后臺操作，內置DTC功能、1.8~5.5 V更寬的工作電壓。
2.3 計量單元
CSG550是一顆高精度的單相電能專用計量芯片，其內部集成了3路獨立的二階∑-△架構的16位ADC，可同時采樣一路電壓、兩路電流，測量功率、有效值、功率因數和頻率等電參數。CSG550的模擬輸入端支持差分信號輸入，電流輸入端可以連接電流互感器實現電壓的測量。兩個電流通道可以同時測量火線和零線的電流，實現防竊電的檢測。經過對電流、電壓的采樣，經過計算后，通過SPI總線傳輸給MCU芯片處理。
2.4 CAN通信單元
CAN總線的短幀數據結構、非破壞性總線性仲裁技術以及靈活的通信方式能夠適應汽車的實時性和可靠性要求，CAN總線已經成為現代汽車中應用最廣泛的總線。本設計的電動汽車直流電能表中加入CAN通信單元，使其能與汽車進行通信，也可以通過USB/CAN轉換器與PC機的管理軟件通信，進行數據的交換，便于及時了解電動汽車電池單元的運行狀況和分析電池單元的電量情況。本設計CAN總線應用層遵循通用電力規范DL/T-2007通信規約（略有擴充），數據項目相同，遠紅外波特率固定為1 200 b/s，CAN總線波特率固定為250 kb/s。本系統采用拓展的29 bit標識符CAN數據幀格式，直流電表的數據幀ID：0x57；車載終端的數據幀ID：0x53。
本設計采用MCP2515獨立控制器局域網絡（CAN）協議控制器，完全支持CAN V2.0B技術規范。該器件能發送和接收標準、擴展數據幀以及遠程幀[3]。其結構如圖4所示。MCP2515自帶2個驗收屏蔽寄存器和6個驗收濾波寄存器，可以過濾掉不想要的報文，因此減少了主單片機（MCU）的開銷。MCP2515與MCU的連接是通過業界標準串行外設接口（SPI）來實現的。
3 軟件設計
直流表整個軟件采用模塊化設計，實現了與應用層平臺無關化和模塊化，易于移植和功能裁剪。主要包括如下模塊：顯示模塊、數據計算模塊、數據存儲模塊、CAN通信模塊等，設計的整體流程如圖5所示[4]。
檢測是否正常上電是表計為了保護MCU，使其進入低功耗容易，進入正常模式難，除非正常上電。數據存儲模塊存儲必要的校準數據、電量數據、事件記錄，比如上次編程記錄、上次清零記錄等。其中數據記錄采用瞬變數據和長期固定參數數據分區存儲的方式。對實時數據采用了長度校驗，同時對數據經行CRC校驗[5]。
數據通信模塊主要是完成MCU從CS550A讀取數據，并采用紅外通信和CAN通信進行數據傳輸。程序中采用查詢方式,通過I/O口的判斷,讀取相對應的數據。
校驗模塊用于對電能表的電壓、電流和電量測量進行校準。為了降低成本和不必要的硬件開銷，本設計采用軟件校表，對電壓電流通道的零點等進行軟件校驗，減小誤差[6]。
4 實際運營結果
本文設計的直流電能表已于2011年6月投入山東電力公司的電動汽車充電站計費系統中，并用于山東投入運營的電動大巴上，經過實際應用，達到了精確計量和高穩定性的效果。圖6是實際運營中，通過USB/CAN轉換器和上位機運行監控軟件讀出的電動汽車運行實時計量數據。
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，第四屏為正向電能項。經實驗室測量本設計電能表功耗小于等于1.5 W。
實際運行表明，本設計經受住了電動汽車行駛過程中強電磁干擾、強烈震動等各種不同環境的考驗，得到了電力公司的好評，國網公司將在其他電動汽車項目上繼續應用本設計直流費控電能表。所開發的直流表在精確測量和穩定性方面都達到了很高的水準，達到了開發的目的，為國網公司電動汽車換電池方案的實施做出了很大的貢獻。
參考文獻
[1] 靜恩波. 基于嵌入式系統的智能電表設計與研究[J]. 低壓電器，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] 陳少卿.基于CAN的電動汽車控制網絡設計與實現[D].北京：北京交通大學，2007.
[4] 周亦武.智能儀表原理與應用技術[M]. 北京：電子工業出版社，2009.
[5] 張維戈.充電站智能檢測系統的研究[D]. 北京：北京交通大學，2007.
[6] 李景新，黃李. 無軌電車專用智能電能表的設計[J]. 電測與儀表，2007，44(1)：25-28.