Ce este achiziția de date?

Metode de achizitie a datelor

Metoda de detectare a tensiunii unei singure celule

Modulul de achiziție a tensiunii celulei bateriei este o componentă crucială a sistemului de gestionare a bateriei de alimentare. Performanța și acuratețea acestuia determină acuratețea judecății sistemului asupra informațiilor despre starea bateriei și afectează în continuare implementarea eficientă a strategiilor de control ulterioare. Metodele utilizate în mod obișnuit pentru detectarea tensiunii celulei includ metoda rețelei de relee, metoda sursei de curent constant, metoda de achiziție a amplificatorului operațional izolat, metoda de achiziție a circuitului de conversie tensiune/frecvență și metoda de achiziție a circuitului amplificatorului optocupler liniar.

1. Metoda matricei releu

Figura 8-6 prezintă schema bloc a unui circuit de achiziție a tensiunii bateriei pe baza metodei matricei de relee. Este alcătuit dintr-un senzor de tensiune la borne, o matrice de relee, un cip convertor A{-D (analog-la{-digital), un optocupler și un multiplexor. Pentru a măsura tensiunea la borne a n baterii conectate în serie, n+1 fire trebuie conectate la fiecare nod din pachetul de baterii. La măsurarea tensiunii la borna a bateriei mi-, microcontrolerul trimite un semnal de control corespunzător, care selectează releul corespunzător prin multiplexor, optocupler și circuitul de comandă al releului, conectând firele mi{-} și m+1- la cipul convertor A-D. De obicei, rezistența dispozitivelor de comutare este relativ mică, iar eroarea cauzată de rezistența dispozitivelor de comutare este aproape neglijabilă după combinarea cu un circuit divizor de tensiune. În plus, întreaga structură a circuitului este simplă; numai rezistențele divizorului de tensiune, cipul convertorului AD și precizia de referință a tensiunii afectează acuratețea rezultatului final. Erorile rezistențelor și ale cipului pot fi de obicei foarte mici. Prin urmare, metoda matricei de relee este cea mai potrivită pentru aplicațiile care necesită măsurători mari ale tensiunii individuale ale bateriei și precizie ridicată.

2. Metoda sursei de curent constant

Principiul de bază al achiziției paralele a tensiunii bateriei folosind un circuit sursă de curent constant este de a converti tensiunea la borna bateriei într-un semnal de curent care se schimbă liniar fără a utiliza un rezistor de conversie. Acest lucru îmbunătățește capacitatea anti-interferențe a sistemului. Într-un pachet de baterii cu o singură treaptă, deoarece tensiunea la borna bateriei este relativ scăzută, în general între 2V și 5V, tensiunea este relativ stabilă în timpul descărcării, îmbunătățind astfel capacitatea anti--interferență a sistemului. Prin urmare, un singur-amplificator operațional este adesea ales în procesul de proiectare pentru a realiza acest lucru. Datorită diferențelor de proiectare și aplicare a circuitelor, circuitele sursei de curent constant pot lua multe forme diferite.

Circuitul prezentat în Figura 8-7 este un astfel de exemplu; este un circuit sursă de curent constant compus dintr-un amplificator operațional-selectat în serie și un tranzistor cu efect de câmp de poartă-izolată.

După cum se poate vedea din structura amplificatorului operațional, acest circuit este un circuit amplificator cuplat direct-cu mai multe trepte, cu un câștig ridicat în buclă deschisă-și feedback negativ profund. Etapa sa de intrare folosește un circuit amplificator diferențial și este integrată pe același cip de siliciu, rezultând o potrivire excelentă a performanței între cele două, iar treapta intermediară are o capacitate mare de amplificare. Bazat pe principiul circuitelor diferențiale, acest circuit are o capacitate puternică de respingere a semnalului în mod comun-. Prin urmare, atunci când utilizați un amplificator operațional pentru a măsura tensiunea celulelor individuale dintr-un pachet de baterii, capacitatea ridicată de respingere și amplificare în modul comun-va îmbunătăți acuratețea măsurării. Un tranzistor cu efect de -portă-izolată (IGFET) este un dispozitiv semiconductor care utilizează efectul câmpului electric al circuitului de intrare pentru a controla curentul circuitului de ieșire. Când funcționează în regiunea de rezistență variabilă, curentul de scurgere de ieșire I este liniar legat de tensiunea de scurgere de intrare-sursei Us. În plus, impedanța-sursei de poartă a tranzistorului este foarte mare, ceea ce duce la un curent de scurgere foarte mic, în timp ce rezistența-sursei de scurgere-este foarte mică, rezultând o cădere de tensiune-foarte scăzută. Figura 8-7 folosește un tranzistor cu efect de câmp{{23}mod P{-de îmbunătățire a canalului-mod (FET) și o diodă Zener este conectată pentru a menține o tensiune constantă de poartă-sursă Ucs. Amplificatorul operațional funcționează în regiunea liniară. Dacă este selectat un FET cu -rezistență scăzută, căderea de tensiune în starea de pornire este neglijabilă. Prin urmare,

realizabil

În ecuațiile de mai sus, diferența dintre u₁ și u₂ este tensiunea la borna bateriei, iar U₁ este tensiunea de ieșire a circuitului amplificator operațional inversor. Este ușor de observat că dioda Zener conectată la ieșirea amplificatorului operațional oferă feedback, menținând circuitul într-o stare echilibrată. V₀ ↑→ |Uz| ↓→ IL ↓→ |VR| ↓→ VI ↑→ |V₀| ↓. Unde V₀ este tensiunea de ieșire a amplificatorului operațional; VR este tensiunea la rezistorul R₁; şi VI este tensiunea diferenţială de intrare a amplificatorului operaţional, adică VI=U₁ - U₂. Când circuitul este în echilibru, VI=0. Circuitul sursă de curent constant are o structură simplă, o capacitate puternică de respingere în mod comun-, precizie ridicată de achiziție și o bună practică.

3. Amplificator operațional de izolare

Un amplificator operațional de izolare este o componentă electronică capabilă să izoleze electric semnalele analogice. Este utilizat pe scară largă ca izolatori în controlul proceselor industriale și ca mediu de izolare în diferite dispozitive de alimentare. În general, constă din două părți: o secțiune de intrare și o secțiune de ieșire. Acestea sunt alimentate separat și cuplate prin cuplare magnetică. Semnalul este modulat de secțiunea de intrare, trece prin stratul de izolare și apoi este demodulat și restaurat de secțiunea de ieșire. Amplificatoarele operaționale de izolare sunt ideale pentru circuitele de achiziție a tensiunii celulelor bateriei. Acestea izolează semnalul de tensiune la borna bateriei de intrare din circuit, evitând astfel interferența externă și îmbunătățind acuratețea și fiabilitatea achiziției sistemului. Un exemplu tipic de aplicație este oferit mai jos.

Figura 8.8 prezintă aplicarea unui amplificator operațional de izolare într-un sistem de gestionare a bateriei de 600 V. Pachetul de baterii conține 50 de baterii orizontale cu plumb-acid cu o tensiune nominală de 12 V, iar tensiunile la terminale ale acestora sunt preluate unul câte unul de circuitul amplificatorului operațional de izolare. ISO 122 este un amplificator de izolare proiectat cu tehnologia de modulare și demodulare ambalată de Black & Decker (BBB) ​​​​în Statele Unite, care utilizează tehnologia de cuplare a condensatorului de precizie și un aranjament convențional de pini dual-în linie (DIP). Secțiunile de intrare și de ieșire ale ISO 122 sunt situate în circuitul de eșantionare, separate de doi condensatori de 1pF potriviți care formează un strat de izolare. Tensiunea nominală de izolare este mai mare de 1500V (AC 60Hz continuu), cu impedanță de izolare ridicată și precizie și liniaritate ridicate a câștigului, îndeplinind astfel cerințele practice de aplicare. După cum se arată în Figura 8.8, puterea de intrare a ISO 122 este extrasă din acumulatorul automat, iar semnalul de ieșire, care are o relație liniară cu acesta, este multiplexat, apoi împărțit automat la două rezistențe de precizie controlate de microcontroler înainte de a fi trimis la intrare. Puterea de ieșire este furnizată de modulul de alimentare de pe placa de circuite, iar tensiunea la borna bateriei este izolată. Trebuie remarcat faptul că în circuitul de achiziție a tensiunii terminale al bateriei a 50-a, se adaugă un invertor după circuitul amplificator operațional izolat pentru a schimba semnalul de ieșire de la negativ la pozitiv. De asemenea, trebuie subliniat faptul că, deși circuitul de achiziție a amplificatorului operațional izolat are performanțe excelente, costul său ridicat a limitat aplicarea sa pe scară largă.

4. Metoda de achiziție a circuitului de conversie a tensiunii/frecvenței

Când utilizați un circuit de conversie tensiune/frecvență (V/F) pentru a obține tensiunea celulei bateriei, convertorul V/F este crucial. Este componenta care convertește semnalele de tensiune în semnale de frecvență, oferind o precizie excelentă, liniaritate și intrare integrală.

Figura 8-9 prezintă schema circuitului convertorului V/F LM331 utilizat pentru conversia V/F de înaltă-precizie. LM331 este un cip V/F integrat-de înaltă performanță, produs de FS Microcontroller. Utilizează un nou circuit de referință cu bandgap compensat cu temperatură, oferind o precizie extrem de ridicată pe întregul interval de temperatură de funcționare și la tensiuni de alimentare de până la 4,0 V.

În această metodă de achiziție, semnalul de tensiune este convertit direct într-un semnal de frecvență, care poate fi apoi procesat de portul de contor al microcontrolerului fără a fi nevoie de conversie A-D. În plus, pentru a completa circuitul de conversie V/F din sistemul de achiziție a tensiunii celulei bateriei, circuitele de selecție corespunzătoare și circuitele amplificatoare operaționale trebuie, de asemenea, proiectate pentru a obține funcționalitatea de achiziție pe mai multe-canal. Această metodă implică mai puține componente, dar oscilatorul controlat de tensiune-conține condensatori, iar eroarea relativă a condensatoarelor este în general mare, condensatoarele mai mari prezentând erori relative și mai mari.

5. Metoda de achiziție a circuitului amplificatorului optocupler liniar

Circuitul de achiziție a tensiunii celulei bateriei bazat pe un optocupler liniar realizează izolarea între capătul de achiziție a semnalului și capătul de procesare, îmbunătățind astfel stabilitatea circuitului și capacitatea anti-interferențe. Figura 8-10 prezintă optocuplerul liniar TIL300, care constă dintr-o fotodiodă cu feedback izolată, bifurcată de iluminare cu LED-uri în infraroșu și o fotodiodă de ieșire. Tehnologia specială de proces este utilizată pentru a compensa neliniaritatea caracteristicilor de timp și temperatură LED, făcând semnalul de ieșire liniar proporțional cu fluxul luminos servo emis de LED. TIL300 are o izolare de vârf de 3500 V, o lățime de bandă mai mare de 200 kHz, este potrivit pentru amplificarea izolată a semnalelor DC și AC și are o stabilitate a câștigului de ieșire de ±0,05%/grad. După cum se poate observa din diagramă, valoarea tensiunii unei singure celule de baterie (diferența dintre U1 și U2) este convertită într-un semnal de curent Ip de către amplificatorul operațional A și curge prin optocuplatorul liniar TIL300. După opto-izolare, emite un curent Ip2 care este legat liniar de Ip1. Acest curent este apoi convertit înapoi într-o valoare de tensiune de către amplificatorul operațional A2 pentru conversia A-D și achiziția de date. Este de remarcat faptul că cele două capete ale optocuplerului liniar necesită diferite surse de alimentare independente, etichetate I+12V și ±12V în diagramă. Acest lucru demonstrează că circuitul amplificator optocupler liniar nu numai că are capacități puternice de izolare și anti-interferențe, dar menține și o bună liniaritate a semnalului analogic în timpul transmisiei. Prin urmare, poate fi utilizat împreună cu rețele de relee sau circuite de poartă în sistemele de achiziție cu mai multe canale. Cu toate acestea, circuitele sale sunt relativ complexe și mulți factori îi pot afecta precizia.

Metode de achizitie a temperaturii

Temperatura de funcționare a bateriei nu afectează doar performanța bateriei, ci are legătură directă cu siguranța vehiculelor electrice. Prin urmare, achiziția precisă a parametrilor de temperatură este crucială. Dobândirea temperaturii nu este dificilă; cheia este selectarea unui senzor de temperatură adecvat. În prezent, sunt disponibili mulți senzori de temperatură, cum ar fi termistori, termocupluri, tranzistori cu termistori și senzori de temperatură integrați.

1. Metoda de achiziție a termistorului

Principiul metodei de achiziție a termistorului se bazează pe caracteristica că rezistența unui termistor se modifică cu temperatura. Un rezistor fix este conectat în serie cu termistorul pentru a forma un divizor de tensiune, transformând astfel nivelul de temperatură într-un semnal de tensiune. Acest semnal este apoi convertit în informații digitale de temperatură prin conversie analog-în-digitală. Termistorii sunt ieftini, dar au o liniaritate slabă și, în general, au erori de fabricație relativ mari.

2. Metoda de achiziție a termocuplului

Principiul de funcționare al unui termocuplu este că un corp bimetalic generează potențiale termoelectrice diferite la temperaturi diferite. Prin dobândirea acestei valori de potențial termoelectric, valoarea temperaturii poate fi obținută prin căutarea unui tabel. Deoarece valoarea potențialului termoelectric depinde numai de material, precizia termocuplurilor este foarte mare. Cu toate acestea, deoarece potențialele termoelectrice sunt semnale de nivel milivolt-, este necesară amplificarea, ceea ce face circuitele externe complexe. În general, metalele au puncte de topire ridicate, astfel încât termocuplurile sunt utilizate în mod obișnuit pentru măsurători de temperatură-înaltă.

3. Metoda de achiziție a senzorului de temperatură integrat

Pe măsură ce măsurarea temperaturii devine din ce în ce mai comună în viața de zi cu zi și în producție, producătorii de semiconductori au introdus mulți senzori de temperatură integrați. Deși mulți dintre acești senzori se bazează pe termistori, aceștia sunt calibrați în timpul producției, rezultând o precizie comparabilă cu termocuplurile. În plus, pot scoate direct valori digitale, făcându-le bine-potrivite pentru utilizarea în sistemele digitale.

Metode curente de achiziție

Metodele comune de detectare a curentului includ șunturi, transformatoare, senzori de curent cu efect Hall și senzori cu fibră optică.

Caracteristicile fiecărei metode sunt prezentate în Tabelul 8-1.

Printre acești factori, costul ridicat al senzorilor cu fibră optică limitează aplicarea acestora în domeniul controlului; shunturile au un cost redus-și au un răspuns în frecvență bun, dar sunt greoaie de utilizat, deoarece trebuie conectate la o buclă de curent; transformatoarele de curent pot fi utilizate numai pentru măsurători AC; și senzorii de curent cu element Hall oferă performanțe bune și sunt ușor de utilizat. În prezent, șunturile și senzorii de curent cu element Hall sunt cel mai frecvent utilizați în achiziția curentă și monitorizarea sistemelor de gestionare a bateriilor de alimentare a vehiculelor electrice.

Metode de detectare a fumului

În timpul funcționării vehiculului, din cauza condițiilor complexe ale drumului și a problemelor inerente de fabricație a bateriei, pot apărea situații de urgență extreme, cum ar fi fumul sau incendiul, din cauza supraîncălzirii, compresiei sau coliziunilor. Dacă aceste incidente nu sunt detectate și soluționate cu promptitudine, ele vor escalada în mod inevitabil, amenințând bateriile din jur, vehiculul și personalul din compartimentul de marfă, impactând grav siguranța operațională a vehiculului. Pentru a preveni astfel de incidente, monitorizarea fumului a fost introdusă în sistemele de management al bateriilor în ultimii ani și primește o atenție din ce în ce mai mare.

Senzorii de fum sunt diverși și pot fi clasificați în trei tipuri principale pe baza principiilor lor de detectare: ① Senzori de fum care utilizează proprietăți fizico-chimice, cum ar fi senzori de fum cu semiconductor și senzori de fum cu combustie de contact; ② Senzori de fum care utilizează proprietăți fizice, cum ar fi senzori de fum cu conductivitate termică, senzori de fum cu interferență optică și senzori cu infraroșu; ③ Senzori de fum care utilizează proprietăți electrochimice, cum ar fi senzori de fum de tip curent-și senzori de gaz de tip forță electromotoare-. Deoarece senzorii de fum sunt diverși, senzorii de fum cu semiconductor nu pot detecta toate gazele. Prin urmare, un anumit tip este ales pentru a detecta unul sau două tipuri specifice de fum. De exemplu, senzorii de fum cu semiconductori de oxid sunt utilizați în principal pentru a detecta fumul de hidrocarburi, inclusiv O₂, H₂S, CO, H₂, O₃H₂O, Cl₂, OH, CO₂ etc. Datorită limitărilor electrozilor, acești senzori sunt utilizați în principal pentru a detecta fumul anorganic, H₂, CO₂₂, H₂₂₂ CI₂, SO₂ etc.

Atunci când senzorii de fum sunt utilizați în bateriile de putere, selectarea senzorului necesită înțelegerea compoziției fumului produs de arderea bateriei. În general, arderea bateriei produce cantități mari de CO și CO2, prin urmare trebuie selectați senzori sensibili la aceste două gaze. Structura senzorului trebuie adaptată la condițiile de vibrație ale utilizării pe termen lung a vehiculului-pentru a preveni declanșarea falsă din cauza prafului și vibrațiilor de pe drum.

Dispozitivul de alarmă de fum din sistemul de gestionare a bateriei de alimentare trebuie instalat pe consola șoferului. La primirea unui semnal de alarmă, acesta ar trebui să emită rapid o alarmă sonoră și vizuală și locația defecțiunii, asigurându-se că șoferul poate detecta și recepționa prompt semnalul de alarmă.

De exemplu, sistemul de alarmă de fum folosit în autobuzul electric olimpic, dezvoltat în principal de Institutul de Tehnologie din Beijing, folosește un sistem de baterii alimentat de o baterie alcalină de 9V sau cu carbon-zinc, asigurând funcționarea normală 24 de ore. Semnalul de alarmă este alimentat de la sursa de alimentare de 24 V a bateriei vehiculului, care este furnizată separat pentru a asigura independența sistemului de alarmă. Alarmele distribuite detectează concentrația de fum prin intermediul senzorilor interni de fum. Când concentrația de fum este sub limită, controlerul intern al alarmei setează ieșirea releului în circuit deschis; când concentrația de fum depășește limita, controlerul intern setează ieșirea releului în scurtcircuit, atragând rapid sursa de alimentare +24V către panoul de afișare pentru a forma un circuit de alarmă cu sursa de alimentare -24V de pe panoul de afișare, emițând un semnal de alarmă sonor și vizual. Structura sistemului este prezentată în Figura 8-11.