基于R5F2L38A的電動汽車直流電能表設(shè)計

摘 要: 設(shè)計了一款專門為電動汽車電池充放電進行準確計量的直流電能表，用來測量其電壓、電流、功率和電量。采用高精度的采樣計量和高速的MCU進行數(shù)據(jù)處理，采用非易失存儲器進行電量存儲，采用遠紅外和CAN總線進行數(shù)據(jù)抄讀。實際運行結(jié)果表明，研發(fā)出的電動汽車專用計量直流表具有低成本、低功耗、高穩(wěn)定性的特點。
關(guān)鍵詞：電動汽車；直流電能表；CAN通信

隨著我國低碳經(jīng)濟時代的到來，電動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。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行運營，電力公司參考電費和其他投入費用收取服務(wù)費。為此設(shè)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(tǒng)中，這樣一方面實現(xiàn)國網(wǎng)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到管理中心，用計算機通過上位機軟件實現(xiàn)對電動汽車用電情況的統(tǒng)計、分析和處理，使電動汽車用電管理更加科學(xué)化、合理化，降低運營成本，達到節(jié)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(tài)，所以本設(shè)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(shè)計采用1 s內(nèi)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(wěn)定（即存在交流成分時）對直流電能計量產(chǎn)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(shè)計
電源供電設(shè)計電路圖如圖3。由于電動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)部運行的穩(wěn)定性，本設(shè)計對主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(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達到128 KB，具有增強的低電壓檢測功能、看門狗獨立計數(shù)、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(fù)雜環(huán)境的情況，有冷然啟動檢測，全引腳上拉下拉，大電流驅(qū)動、D/A轉(zhuǎn)換可靈活應(yīng)用、4路內(nèi)置比較器Dataflash后臺操作，內(nèi)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(nèi)部集成了3路獨立的二階∑-△架構(gòu)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(shù)和頻率等電參數(shù)。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(xiàn)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(xiàn)防竊電的檢測。經(jīng)過對電流、電壓的采樣，經(jīng)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(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)汽車的實時性和可靠性要求，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(zhuǎn)換器與PC機的管理軟件通信，進行數(shù)據(jù)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(shè)計CAN總線應(yīng)用層遵循通用電力規(guī)范DL/T-2007通信規(guī)約（略有擴充），數(shù)據(jù)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(tǒng)采用拓展的29 bit標(biāo)識符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)計采用MCP2515獨立控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）協(xié)議控制器，完全支持CAN V2.0B技術(shù)規(guī)范。該器件能發(fā)送和接收標(biāo)準、擴展數(shù)據(jù)幀以及遠程幀[3]。其結(jié)構(gòu)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(yè)界標(biāo)準串行外設(shè)接口（SPI）來實現(xiàn)的。