CN102207520B - 一种电动汽车用电计量系统及计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种电动汽车用电计量系统及计量方法，克服了现有技术中直流电表准确计量结构复杂的问题。为了达到所述效果，本发明包括电表本体、所述电表本体上设置的若干个输入端口和输出端口，以及车载智能终端，所述电表本体内包括电源模块、采集模块、数据处理模块和通讯处理模块，所述输入端口连接到安装在电表本体内的采集模块，所述采集模块连接至数据处理模块，所述数据处理模块包计量单元，连接在计量单元上的主处理器，以及连接在所述主处理器上的存储器，。由于采用了所述技术方案，本发明一种电动汽车用电计量系统有机结合在电动车本身的智能系统中，并且通过用于该系统的计量方法，精确计算出实际使用电量。

Description

一种电动汽车用电计量系统及计量方法

技术领域

本发明涉及电动汽车用电领域，更特定言之，本发明关于一种电动汽车用电计量设备，其能够将电动汽车的动力电池用电量进行实时精确计量并上报给车载智能终端。

背景技术

随着全球能源危机的不断加深，石油资源储量日益枯竭，大气污染、气候变暖等危害逐渐加剧，各国政府以及汽车制造企业普遍认识到节能减排、开发新能源动力汽车是未来汽车技术发展的主要方向，其中电动汽车是解决以上技术难题的最佳方案，由于电动汽车具有环保特性，因此代表着汽车产业未来的发展方向。

目前，政府密集出台了鼓励电动汽车及相关行业发展的政策措施，汽车制造企业对电动汽车的研发和产业化投入显著增强。在此背景下，为解决电动汽车的用电结算问题，当前存在两种不同的解决方案：售电(充电)时结算和实时结算。对于售电时结算方式，目前最为常见的方法是利用充电桩为电动汽车进行充电，充电桩的主要功能是完成对电动汽车电池的电能补给，同时记录下充电时所耗费的用电量，进行计费并收取费用。而对于实时结算方式，其类似于目前居民用电的结算方式，而电动汽车由380V直流电池组供电，因此车载电能表便成为该结算方式的必需计量设备，即“一车一表”。目前，市场上尚未出现对电动汽车的电池用电量进行实时精确计量的车载计量系统或装置，而基本上依靠充电站的中央电脑或计费系统，在充电时对电量进行计量并收取费用，这种方式与预付费方式较为相似。其缺点主要在于，电动汽车充电时间较长，电动汽车充电桩通常采用220V电压供电，充电时间一般在4～6个小时，电池充满后可行驶100～200km。这样颇为耗时，且必须在电池充电结束后方能通过计费系统结算。而为了缩短充电时间，有充电站利用大电流进行快速充电，虽然能够在短时间内对电池进行充电，但是150～600A的大电流可能会造成电网不稳定，且过分密集的集中充电可能导致充电站瞬时负荷过大。而如何研制高效快捷的充电设备及配套装置，当前仍处于理论或试验阶段。另一方面，若汽车在行驶过程中发生故障或电池损坏，则电能需重新装载和计量，对购电用户方而言势必造成损失及不便。因此，如何解决或改良上文提及的现有技术中存在的缺陷即成为本发明的主要目标。

控制器局域网络(CAN)是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN具有多种优越特性，主要体现在：低成本，极高总线利用率，远数据传输距离(10km)，高速数据传输效率(1Mbit/s)，可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文，可靠的错误处理和检错机制，发送的信息遭到破坏以后，可自动重发，节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能，报文不含源地址和目标地址，仅用标识符来指示功能信息和优先级信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种电动汽车用电计量系统及计量方法以及用于该系统的计量方法，克服了现有技术中直流电表准确计量结构复杂的问题，而且能即时精确计费。

为了达到所述效果，本发明一种电动汽车用电计量系统，包括电表本体、所述电表本体上设置的若干个输入端口和输出端口，以及车载智能终端，所述电表本体内包括电源模块、采集模块、数据处理模块和通讯处理模块，所述输入端口连接到安装在电表本体内的采集模块，所述采集模块连接至数据处理模块，所述数据处理模块包计量单元，连接在计量单元上的主处理器，以及连接在所述主处理器上的存储器，其中主处理器中设置有轮循处理单元和掉电处理单元，并连接至少一个输出端口，主处理器还连接至所述通信处理模块，所述电源模块通过连接若干个隔离变换器而为所述数据处理模块和通讯处理模块提供电力支持。

优选的，计量单元和电源模块之间还设有低压差线性稳压电路。低压差线性稳压电路起到一个保护作用。

优选的，所述通讯处理模块为CAN隔离收发模块，所述CAN隔离收发模块连接到至少一个CAN总线接口。

优选的，所述电表本体上还设有数据显示单元。这样的结构即使不连接其他设备，或者在数据通讯出现故障的情况下，也能准确读出当前汽车电量和所消费的金额，用于紧急情况。

优选的，所述通讯模块为所述电表本体上还设有调试接口。调试接口用于软件开发人员在编制软件时通过膝上型电脑或PC机、J-LINK仿真器连接电能表，便于对整表运行情况进行仿真调试，提高开发效率和软件质量，并随时能够对本发明的电动汽车用电计量系统进行软件更新。

进一步的，本发明还涉及一种用于所述电动汽车用电计量系统的计量方法，包括下列步骤：

①当电动汽车电池更换安装完成后，即开始进行电池电量计量处理，数据处理模块进行上电初始化操作；

②主处理器判断电源是否稳定，若电源不稳定，则返回至步骤①，通过轮循处理单元继续检测上电情况，直至电源稳定，若在一用户预设次数内未实现上电初始化，则主处理器通过所述通讯处理模块发送错误报文至所述车载智能终端；

③若电源稳定，则所述数据处理模块进行表计初始化操作，并将上一次电池电量及费用信息储存至所述存储器中；

④采集模块采集电信号，计量单元将采集模块所采集到的电信号进行运算处理，并将运算得出的电动汽车用电数据发送至所述主处理器；

⑤所述主处理器与通讯处理模块进行通讯连接，并通过轮循处理单元对步骤①至④进行预设轮循操作，并将一预设周期内的电动汽车用电量信息及计算得出的对应费用信息通过通讯处理模块发送至所述车载智能终端，同时将所述预设周期内的信息储存至存储器中。

优选的，当所述步骤①至⑤中出现电池掉电情况时，则返回至步骤所述主处理器的掉电处理单元进行掉电数据处理，并将掉电信息发送至车载智能终端，并返回至步骤①，若电池未掉电，则返回至步骤④，通过轮循处理单元控制所述数据处理模块进行数据计量处理轮循操作。

优选的，主处理器处理后的数据通过输出端口输出到数据显示单元进行实时显示，并通过通讯处理模块显示给车载智能终端，或通过所述车载智能终端经由车载无线网络传输至远程抄表终端。

优选的，存储器中存储至少一个预设周期的充电总电能和各费率电能，存储至少最近10次的充电总电能和各费率电能，并且记录费率编辑、时间设置、掉电事件。

由于采用了所述的电动汽车用电计量系统以及用于该系统的计量方法，本发明结构简单，且能结合在电动车本身的智能系统中，并且通过用于该系统的计量方法，精确计算出实际使用电量。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明一种直流电表结构示意图。

图2为本发明一种直流电表的模块结构示意图。

图3为本发明一种直流电表功能计量方法流程结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明一种电动汽车用电计量系统，包括电表本体1、所述电表本体1上设置的若干个输入端口和输出端口，以及车载智能终端9，所述电表本体1内包括电源模块2、采集模块3、数据处理模块4和通讯处理模块5，所述输入端口连接到安装在电表本体1内的采集模块3，所述采集模块3连接至数据处理模块4，所述数据处理模块4包计量单元41，连接在计量单元41上的主处理器42，以及连接在所述主处理器42上的存储器43，其中主处理器42中设置有轮循处理单元44和掉电处理单元45，并连接至少一个输出端口，主处理器42还连接至所述通信处理模块5，所述电源模块2通过连接若干个隔离变换器6而为所述数据处理模块4和通讯处理模块5提供电力支持。计量单元41和电源模块2之间还设有低压差线性稳压电路。

其中，掉电处理模块45将通过主处理器42自带的AD对直流表电源实时检测，如有检测到掉电，则做掉电处理。

所述通讯处理模块5为CAN隔离收发模块，所述CAN隔离收发模块连接到至少一个CAN总线接口。CAN(Controller Area Network)即控制器局域网络。是应用在现场、在微机化测量设备之间实现双向串行多节点数字通讯系统，是一种开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。CAN-BUS即CAN总线技术，全称为“控制器局域网总线技术Controller AreaNetwork-BUS”。CAN总线的通讯介质可采用双绞线，同轴电缆和光导纤维。通讯距离与波持率有关，最大通讯距离可达10km，最大通讯波持率可达1Mdps。CAN总线仲裁采用11位标识和非破坏性位仲裁总线结构机制，可以确定数据块的优先级，保证在网络节点冲突时最高优先级节点不需要冲突等待。CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。通讯处理模块5是由设置于主处理器42内的一CAN控制器和一外置CAN收发器组成的CAN隔离收发模块，完成直流表的通讯功能。该数据处理模块4通过通讯处理模块5，与车载智能终端9之间实现报文处理。

为了更直观表现通讯处理模块5工作状况，下表列举出通讯操作的报文ID地址以及对应的输入IN和输出OUT。

代码	报文ID	IN	OUT
				M1	0x180028E7	车载智能终端	数据处理模块
M2	0x1800E728	数据处理模块	车载智能终端

M3	0x1802E728	数据处理模块	车载智能终端
				M4	0x180228E7	车载智能终端	数据处理模块
M5	0x180428E7	车载智能终端	数据处理模块

如上表所示，报文M1指示数据处理模块4主动向车载智能终端9上报电能耗用信息；

报文M2指示用户需要实时知道当前用电情况时，该车载智能终端9可主动询问数据处理模块4处理得出的电能耗用信息；

当需要更换电池时，车载智能终端9向数据处理系统发送冻结报文M3，数据处理系统4保存当前数据信息，并储存至存储器43；

报文M4指示数据处理模块4反馈该车载智能终端9冻结是否成功，若不成功，则通过轮循处理单元44进行处理；

报文M5指示当本发明的用电计量系统出现故障时，该数据处理模块4向车载智能终端发送故障代码。

通讯模块5为CAN控制器和外置收发器组成的CAN-BUS隔离收发模块，满足了AC2000V的隔离要求，完成了直流表的通讯功能。

所述电表本体1上还设有数据显示单元7，能直接看到相关信息，所述电表本体1上还设有若干个调试接口8。调试接口8用于调试和系统更新。

为了确保产品的使用质量，本发明硬件结构由三部分组成：采集模块3、数据处理模块4和通讯处理模块5。

其中：

为采集模块3配备高精度直流计量芯片，具有精度高，带宽大等特点，3000：1的动态比满足系统的采集精度需求。

数据处理模块4中的主处理器42选用32位ARM处理器，具有运算速度快，低功耗等特点，保证了采集动力电池电量信息以及CAN通讯的实时性。

在实际使用中由于现场情况较理论复杂，各节点之间存在很高的共模电压，虽然CAN接口采用的是差分传输方式，具有一定的抗共模干扰的能力，但当共模电压超过CAN驱动器的极限接收电压时，CAN驱动器就无法正常工作了，严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备，因此，为了适应强干扰环境或是高的性能要求，必须对CAN总线各通信节点实行电气隔离。因此通讯处理模块5为兼容CAN2.0A/B协议的CAN模块，同时添加了若干个隔离变换器6，满足AC2000V的隔离要求。模块通讯波特率在60kbps～1Mbps。

如图3所示，本发明还包括一种电动汽车用电计量系统的计量方法，包括下列步骤：

①当电动汽车电池更换安装完成后，即开始进行电池电量计量处理，数据处理模块4进行上电初始化操作；

②主处理器42判断电源是否稳定，若电源不稳定，则返回至步骤①，通过轮循处理单元44继续检测上电情况，直至电源稳定，若在一用户预设次数内未实现上电初始化，则主处理器42通过所述通讯处理模块5发送错误报文至所述车载智能终端9；

③若电源稳定，则所述数据处理模块4进行表计初始化操作，并将上一次电池电量及费用信息储存至所述存储器43中，

④采集模块3采集电信号，计量单元41将采集模块3所采集到的电信号进行运算处理，并将运算得出的电动汽车用电数据发送至所述主处理器42，

⑤所述主处理器42与通讯处理模块5进行通讯连接，并通过轮循处理单元44对步骤①至④进行预设轮循操作，并将一预设周期内的电动汽车用电量信息及计算得出的对应费用信息通过通讯处理模块5发送至所述车载智能终端9，同时将所述预设周期内的信息储存至存储器43中。

其中，当所述步骤①至⑤中出现电池掉电情况时，则返回至步骤所述主处理器42的掉电处理单元45进行掉电数据处理，并将掉电信息发送至车载智能终端9，并返回至步骤①，若电池未掉电，则返回至步骤④，通过轮循处理单元44控制所述数据处理模块4进行数据计量处理轮循操作。

整个处理过程中，主处理器42通过外部总线向CAN控制器的发送寄存器写入发送数据，或读取CAN控制器的接收寄存器，来控制CAN收发器完成数据的收发功能。CAN控制器按照CAN总线的时序接收和发送数据。

CAN收发器能够将来自CAN控制器的逻辑电平CANTX，CANRX转换为CAN总线所需的差分信号CANH，CANL进行传输。

CAN收发器的接收功能一直有效，使得CAN控制器便能够一直监视CAN总线上的数据，其发送数据的同时亦能够接收CAN总线上的数据，若接收到的数据与其发送的数据不一致，CAN控制器便判断是否发生了发送冲突，若判定出现发送冲突，CAN控制器便退出发送状态，并转入接收状态，等待总线空闲时再重新发送数据。

主处理器42处理后的数据通过输出端口输出到数据显示单元7进行实时显示，并通过通讯处理模块5显示给车载智能终端9，或通过所述车载智能终端9经由车载无线网络传输至远程抄表终端。

存储器43中存储至少一个预设周期的充电总电能和各费率电能，存储至少最近10次的充电总电能和各费率电能，并且记录费率编辑、时间设置、掉电事件。通过这样的结构，本发明能直接计算充电时总电能以及各个时段中电能消耗或一次使用所消耗的费用。而且通常在存储器43中存储至少1个月或1个抄表周期的充电总电能和各费率电能，存储至少最近10次的充电总电能和各费率电能.而且对于费率编辑、时间设置、掉电等事件均有记录。同时还能防止未授权的操作。

前文仅为本发明的较佳实施方式，并非将本发明限制于此实施例中，而所有在本发明的技术基础上所作出的多种修改、变化及替代物皆应涵盖于本发明的精神范畴与保护范围内。应当了解的是，在本文中，对装置和组件、模块的数量限定仅为举例，并非限定。本发明的欲求保护范围在权利要求中将完全得以体现。

Claims (4)

1.一种电动汽车用电计量系统的计量方法，所述电动汽车用电计量系统包括了电表本体（1）、所述电表本体（1）上设置的若干个输入端口和输出端口，以及车载智能终端（9），所述电表本体（1）内包括电源模块（2）、采集模块（3）、数据处理模块（4）和通讯处理模块（5），所述输入端口连接到安装在电表本体（1）内的采集模块（3），所述采集模块（3）连接至数据处理模块（4），所述数据处理模块（4）包括计量单元（41），连接在计量单元（41）上的主处理器（42），以及连接在所述主处理器（42）上的存储器（43），其中主处理器（42）中设置有轮循处理单元（44）和掉电处理单元（45），并连接至少一个输出端口，主处理器（42）还连接至所述通讯处理模块（5），所述电源模块（2）通过连接若干个隔离变换器（6）而为所述数据处理模块（4）和通讯处理模块（5）提供电力支持，其中 

在计量单元（41）和电源模块（2）之间还设有低压差线性稳压电路； 

所述通讯处理模块（5）为CAN隔离收发模块，所述CAN隔离收发模块连接到至少一个CAN总线接口； 

所述电表本体（1）上还设有数据显示单元（7）； 

所述电表本体（1）上还设有若干个调试接口（8）， 

其特征在于包括下列步骤： 

①当电动汽车电池更换安装完成后，即开始进行电池电量计量处理，数据处理模块（4）进行上电初始化操作； 

②主处理器（42）判断电源是否稳定，若电源不稳定，则返回至步骤①，通过轮循处理单元（44）继续检测上电情况，直至电源稳定，若在一用户预设次数内未实现上电初始化，则主处理器（42）通过所述通讯处理模块（5）发送错误报文至所述车载智能终端（9）； 

③若电源稳定，则所述数据处理模块（4）进行表计初始化操作，并将上一次电池电量及费用信息储存至所述存储器（43）中； 

④采集模块（3）采集电信号，计量单元（41）将采集模块（3）所采集到的电信号进行运算处理，并将运算得出的电动汽车用电数据发送至所述主处理器（42）； 

⑤所述主处理器（42）与通讯处理模块（5）进行通讯连接，并通过轮循处理单元（44）对步骤①至④进行预设轮循操作，并将一预设周期内的电动汽车用电量信息及计算得出的对应费用信息通过通讯处理模块（5）发送至所述车载智能终端（9），同时将所述预设周期内的信息储存至存储器（43）中。 

2.如权利要求1所述的电动汽车用电计量系统的计量方法，其特征在于：当所述步骤①至⑤中出现电池掉电情况时，则所述主处理器（42）的掉电处理单元（45）进行掉电数据处理，并将掉电信息发送至车载智能终端（9），并返回至步骤①，若电池未掉电，则返回至步骤④，通过轮循处理单元（44）控制所述数据处理模块（4）进行数据计量处理轮循操作。 

3.如权利要求1或2所述的电动汽车用电计量系统的计量方法，其特征在于：主处理器（42）处理后的数据通过输出端口输出到数据显示单元（7）进行实时显示，并通过通讯处理模块（5）显示给车载智能终端（9），或通过所述车载智能终端（9）经由车载无线网络传输至远程抄表终端。 

4.如权利要求1或2所述的电动汽车用电计量系统的计量方法，其特征在于：存储器（43）中存储至少一个预设周期的充电总电能和各费率电能，存储至少最近10次的充电总电能和各费率电能，并且记录费率编辑、时间设置、掉电事件。 

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