隨著我國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來(lái),，電動(dòng)汽車(chē)必將成為今后我國(guó)汽車(chē)工業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。國(guó)家電網(wǎng)目前主推換電池模式,，即電池由電力公司購(gòu)買(mǎi),，公交公司購(gòu)買(mǎi)裸車(chē)，然后公交公司可以通過(guò)電池租賃的方式進(jìn)行運(yùn)營(yíng),，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(chē)電池充放電量的直流電能表，接入電動(dòng)汽車(chē)充電站計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中,，這樣一方面實(shí)現(xiàn)國(guó)網(wǎng)新方案對(duì)電動(dòng)汽車(chē)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(xiàn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到管理中心,，用計(jì)算機(jī)通過(guò)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)用電情況的統(tǒng)計(jì),、分析和處理，使電動(dòng)汽車(chē)用電管理更加科學(xué)化,、合理化,，降低運(yùn)營(yíng)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(chē)用電池供電,，電池輸出電流為直流，考慮到電動(dòng)汽車(chē)車(chē)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(chē)載電池充電與放電時(shí)的電能量,，同時(shí)測(cè)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(chē)車(chē)載電池充放電過(guò)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,。

    
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(chē)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(chē)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(cè)功能,、看門(mén)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(chē)復(fù)雜環(huán)境的情況，有冷然啟動(dòng)檢測(cè),，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(zhuān)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(cè)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(cè)量,。兩個(gè)電流通道可以同時(shí)測(cè)量火線(xiàn)和零線(xiàn)的電流,，實(shí)現(xiàn)防竊電的檢測(cè)。經(jīng)過(guò)對(duì)電流,、電壓的采樣,，經(jīng)過(guò)計(jì)算后，通過(guò)SPI總線(xiàn)傳輸給MCU芯片處理。
2.4 CAN通信單元
    CAN總線(xiàn)的短幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),、非破壞性總線(xiàn)性仲裁技術(shù)以及靈活的通信方式能夠適應(yīng)汽車(chē)的實(shí)時(shí)性和可靠性要求,，CAN總線(xiàn)已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車(chē)中應(yīng)用最廣泛的總線(xiàn)。本設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車(chē)直流電能表中加入CAN通信單元,，使其能與汽車(chē)進(jìn)行通信,，也可以通過(guò)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(chē)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(xiàn)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(xiàn)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(chē)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CAN V2.0B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(guò)濾掉不想要的報(bào)文,，因此減少了主單片機(jī)（MCU）的開(kāi)銷(xiāo),。MCP2515與MCU的連接是通過(guò)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口（SPI）來(lái)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(wú)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(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(xún)方式,通過(guò)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(cè)量進(jìn)行校準(zhǔn)。為了降低成本和不必要的硬件開(kāi)銷(xiāo),，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(yíng)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(chē)充電站計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中，并用于山東投入運(yùn)營(yíng)的電動(dòng)大巴上,，經(jīng)過(guò)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(yíng)中,，通過(guò)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(chē)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(cè)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(chē)行駛過(guò)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(guó)網(wǎng)公司將在其他電動(dòng)汽車(chē)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(kāi)發(fā)的直流表在精確測(cè)量和穩(wěn)定性方面都達(dá)到了很高的水準(zhǔn)，達(dá)到了開(kāi)發(fā)的目的,，為國(guó)網(wǎng)公司電動(dòng)汽車(chē)換電池方案的實(shí)施做出了很大的貢獻(xiàn),。
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