基于R5F2L38A的电动汽车直流电能表设计

摘 要: 设计了一款专门为电动汽车电池充放电进行准确计量的直流电能表，用来测量其电压、电流、功率和电量。采用高精度的采样计量和高速的MCU进行数据处理，采用非易失存储器进行电量存储，采用远红外和CAN总线进行数据抄读。实际运行结果表明，研发出的电动汽车专用计量直流表具有低成本、低功耗、高稳定性的特点。
关键词：电动汽车；直流电能表；CAN通信

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。

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CAN V2.0B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。