Šta je prikupljanje podataka?

Metode akvizicije podataka

Metoda detekcije napona jedne ćelije

Modul za prikupljanje napona baterije je ključna komponenta sistema upravljanja baterijom. Njegove performanse i tačnost određuju tačnost sistemske procene informacija o statusu baterije i dalje utiču na efektivnu implementaciju naknadnih strategija kontrole. Uobičajene metode za detekciju napona ćelije uključuju metodu relejnog niza, metodu izvora konstantne struje, metodu akvizicije izolovanog operativnog pojačala, metodu akvizicije kola za konverziju napona/frekvencije i metodu akvizicije kola linearnog optokaplera.

1. Metoda polja releja

Slika 8-6 prikazuje blok dijagram kruga za akviziciju napona baterije zasnovanog na metodi niza releja. Sastoji se od senzora napona terminala, niza releja, A-D (analognog-na-digitalnog) čipa pretvarača, optokaplera i multipleksora. Za mjerenje napona terminala n baterija povezanih u seriju, n+1 žica treba biti spojeno na svaki čvor u baterijskom paketu. Prilikom mjerenja napona na terminalu m{9}} baterije, mikrokontroler šalje odgovarajući kontrolni signal, koji bira odgovarajući relej preko multipleksera, optokaplera i pogonskog kola releja, povezujući m{11}} i m{10}} žicu na A- D konvertorski čip. Tipično, otpor sklopnih uređaja je relativno mali, a greška uzrokovana otporom sklopnih uređaja je gotovo zanemariva nakon kombiniranja s krugom djelitelja napona. Nadalje, cijela struktura kola je jednostavna; samo otpornici za djelitelj napona, AD konvertorski čip i tačnost referentnog napona utiču na tačnost konačnog rezultata. Greške otpornika i čipa obično se mogu učiniti vrlo malim. Stoga je metoda niza releja najprikladnija za aplikacije koje zahtijevaju visoka individualna mjerenja napona baterije i visoku preciznost.

2. Metoda izvora konstantne struje

Osnovni princip paralelne akvizicije napona baterije pomoću izvora konstantne struje je pretvaranje napona terminala akumulatora u linearno promjenjivi strujni signal bez korištenja otpornika za konverziju. Ovo poboljšava sposobnost sistema protiv -smetnji. U jednostepenom baterijskom paketu, budući da je napon terminala baterije relativno nizak, uglavnom između 2V i 5V, napon je relativno stabilan tokom pražnjenja, čime se poboljšava sposobnost sistema protiv -smetanja. Zbog toga se u procesu projektovanja često bira jednokanalno operacijsko pojačalo da bi se to postiglo. Zbog razlika u dizajnu kola i primjeni, krugovi izvora konstantne struje mogu imati mnogo različitih oblika.

Kolo prikazano na slici 8-7 je jedan takav primjer; to je kolo izvora konstantne struje sastavljeno od serijskog-selektiranog operativnog pojačivača i izolovanog-tranzistora sa efektom polja gejta.

Kao što se može vidjeti iz strukture operativnog pojačala, ovo kolo je više-stepeno direktno-spregnuto pojačalo sa velikim pojačanjem otvorene-petlje i dubokom negativnom povratnom spregom. Njegov ulazni stepen koristi diferencijalno pojačalo i integrisan je na istom silikonskom čipu, što rezultira odličnim usklađivanjem performansi između ova dva, a međustepeni ima visoku sposobnost pojačanja. Zasnovano na principu diferencijalnih kola, ovo kolo ima snažnu sposobnost odbijanja signala zajedničkog{5}}moda. Stoga, kada koristite operativno pojačalo za mjerenje napona pojedinačnih ćelija u baterijskom paketu, visoko odbijanje zajedničkog-moda i sposobnost pojačanja poboljšat će preciznost mjerenja. Izolovani-tranzistor sa efektom polja{10}}gejta (IGFET) je poluprovodnički uređaj koji koristi efekat električnog polja ulaznog kola za kontrolu struje izlaznog kola. Kada radi u području promjenjivog otpora, izlazna struja drena I je linearno povezana sa naponom izvora Us. Nadalje, impedansa izvora{14}}gejta tranzistora je veoma visoka, što rezultira vrlo malom strujom curenja, dok je otpor{15}}izvora na{16}}odvodu veoma mali, što rezultira veoma malim padom napona u{17}} stanju. Slika 8-7 koristi P-poboljšanje kanala-način rada-efektnog tranzistora (FET), a Zener dioda je povezana da održava konstantan napon izvora-izvora Ucs. Operativno pojačalo radi u linearnom području. Ako je odabran FET sa niskim otporom{27}}, pad napona u uključenom stanju je zanemarljiv. stoga,

ostvarivo

U gornjim jednačinama, razlika između u₁ i u₂ je napon terminala baterije, a U₁ je izlazni napon invertirajućeg kruga operacionog pojačala. Lako je vidjeti da Zener dioda spojena na izlaz operacionog pojačala daje povratnu informaciju, održavajući krug u balansiranom stanju. V₀ ↑→ |Uz| ↓→ IL ↓→ |VR| ↓→ VI ↑→ |V₀| ↓. gdje je V₀ izlazni napon operacionog pojačala; VR je napon na otporniku R₁; i VI je ulazni diferencijalni napon operativnog pojačala, tj. VI=U₁ - U₂. Kada je kolo u ravnoteži, VI=0. Kolo izvora konstantne struje ima jednostavnu strukturu, snažnu sposobnost odbijanja zajedničkog-moda, visoku tačnost akvizicije i dobru praktičnost.

3. Izolaciono operacijsko pojačalo

Izolaciono operaciono pojačalo je elektronska komponenta sposobna za električni izolaciju analognih signala. Široko se koristi kao izolatori u upravljanju industrijskim procesima i kao izolacijski medij u različitim uređajima za napajanje. Uglavnom se sastoji od dva dijela: ulaznog i izlaznog dijela. Oni se napajaju odvojeno i spajaju magnetnom spojnicom. Signal se modulira ulaznom sekcijom, prolazi kroz izolacijski sloj, a zatim se demodulira i vraća u izlaznu sekciju. Izolirajuća operaciona pojačala su idealna za sklopove za prikupljanje napona na baterijskim ćelijama. Oni izoluju signal napona ulaznog terminala baterije iz kola, čime se izbegavaju spoljne smetnje i poboljšavaju tačnost i pouzdanost sistema. Tipičan primjer primjene dat je u nastavku.

Slika 8.8 prikazuje primenu izolacionog operativnog pojačala u sistemu upravljanja baterijama od 600 V. Baterija sadrži 50 horizontalnih olovnih{4}}kiselinskih baterija nazivnog napona od 12V, a naponi na njihovim terminalima se dobijaju jedan po jedan pomoću izolacionog kruga operativnog pojačala. ISO 122 je izolaciono pojačalo dizajnirano sa modulacionom i demodulacionom tehnologijom koju je pakovao Black & Decker (BBB) ​​u Sjedinjenim Državama, koristeći tehnologiju precizne kondenzatorske sprege i konvencionalni dual{8}}u-linijski (DIP) raspored pinova. Ulazni i izlazni dio ISO 122 nalaze se u krugu uzorkovanja, odvojeni sa dva usklađena kondenzatora od 1pF koji formiraju izolacijski sloj. Nazivni izolacioni napon je veći od 1500V (AC 60Hz kontinuirano), sa visokom impedancijom izolacije i visokom preciznošću i linearnošću pojačanja, čime se ispunjavaju zahtjevi praktičnih aplikacija. Kao što je prikazano na slici 8.8, ulazna snaga ISO 122 se crpi iz automatskog paketa baterija, a izlazni signal, koji ima linearnu vezu s njim, se multipleksira, zatim automatski dijeli sa dva precizna otpornika koja kontrolira mikrokontroler prije nego što se pošalje na ulaz. Izlaznu snagu napaja modul napajanja na ploči, a napon terminala baterije je izoliran. Treba napomenuti da je u krugu za akviziciju napona terminala 50. baterije, nakon izolovanog kruga operativnog pojačala dodan inverter za promjenu izlaznog signala iz negativnog u pozitivan. Takođe treba istaći da iako izolovani akvizicioni krug sa operativnim pojačalom ima odlične performanse, njegova visoka cena je ograničila njegovu široku primenu.

4. Metoda akvizicije kruga konverzije napona/frekvencije

Kada se koristi sklop za konverziju napon/frekvencija (V/F) za dobivanje napona baterije, V/F pretvarač je ključan. To je komponenta koja pretvara naponske signale u signale frekvencije, nudeći odličnu tačnost, linearnost i integralni ulaz.

Slika 8-9 prikazuje shemu kola LM331 V/F pretvarača koji se koristi za visoko{5}}preciznu V/F konverziju. LM331 je integrisani V/F čip visokih{7}}performansi koji proizvodi FS Microcontroller. Koristi novo temperaturno kompenzirano referentno kolo pojasnog razmaka, pružajući izuzetno visoku preciznost u cijelom rasponu radnih temperatura i na naponima napajanja od čak 4,0 V.

U ovoj metodi akvizicije, naponski signal se direktno pretvara u frekvencijski signal, koji se zatim može obraditi od strane brojača mikrokontrolera bez potrebe za A-D konverzijom. Nadalje, kako bi se nadopunilo V/F kolo za konverziju u sistemu akvizicije napona baterijske ćelije, odgovarajući krugovi za odabir i kola operacionih pojačala također moraju biti dizajnirani za postizanje više-kanalne funkcionalnosti akvizicije. Ova metoda uključuje manje komponenti, ali naponski-kontrolirani oscilator sadrži kondenzatore, a relativna greška kondenzatora je općenito velika, s većim kondenzatorima koji pokazuju još veće relativne greške.

5. Metoda akvizicije kola linearnog optokaplerskog pojačala

Kolo za prikupljanje napona baterije bazirano na linearnom optokapleru postiže izolaciju između kraja za akviziciju signala i kraja obrade, čime se poboljšava stabilnost kola i sposobnost protiv -smetanja. Slika 8-10 prikazuje linearni optokapler TIL300, koji se sastoji od izolovane povratne fotodiode razdvojene infracrvenim LED osvjetljenjem i izlazne fotodiode. Posebna procesna tehnologija se koristi za kompenzaciju nelinearnosti LED vremenskih i temperaturnih karakteristika, čineći izlazni signal linearno proporcionalnim servo svjetlosnom fluksu koji emituje LED. TIL300 ima vršnu izolaciju od 3500V, propusni opseg veći od 200kHz, pogodan je za izolovano pojačanje DC i AC signala i ima stabilnost izlaznog pojačanja od ±0,05%/stepen. Kao što se može vidjeti iz dijagrama, vrijednost napona jedne ćelije baterije (razlika između U1 i U2) se pretvara u strujni signal Ip pomoću operativnog pojačala A i teče kroz linearni optospojnik TIL300. Nakon opto{18}izolacije, izlazi trenutni Ip2 koji je linearno povezan sa Ip1. Ova struja se zatim konvertuje nazad u vrijednost napona pomoću operativnog pojačala A2 za A-D konverziju i prikupljanje podataka. Vrijedi napomenuti da dva kraja linearnog optokaplera zahtijevaju različita nezavisna napajanja, označena sa I+12V i ±12V na dijagramu. Ovo pokazuje da kolo pojačala linearnog optokaplera ne samo da ima jaku izolaciju i sposobnost protiv-smetanja, već i održava dobru linearnost analognog signala tokom prijenosa. Stoga se može koristiti u kombinaciji sa relejnim nizovima ili gejting krugovima u višekanalnim akvizicionim sistemima. Međutim, njegovo kolo je relativno složeno i mnogi faktori mogu utjecati na njegovu točnost.

Metode mjerenja temperature

Radna temperatura baterije ne utiče samo na performanse baterije, već je direktno povezana i sa sigurnošću električnih vozila. Stoga je precizno određivanje temperaturnih parametara ključno. Sticanje temperature nije teško; ključ je odabir odgovarajućeg temperaturnog senzora. Trenutno su dostupni mnogi temperaturni senzori, kao što su termistori, termoparovi, termistorski tranzistori i integrirani senzori temperature.

1. Metoda akvizicije termistora

Princip metode akvizicije termistora temelji se na karakteristici da se otpor termistora mijenja s temperaturom. Fiksni otpornik je povezan serijski sa termistorom kako bi formirao djelitelj napona, pretvarajući tako nivo temperature u naponski signal. Ovaj signal se zatim pretvara u digitalne informacije o temperaturi putem analogne-u-digitalne konverzije. Termistori su jeftini, ali imaju slabu linearnost i općenito imaju relativno velike greške u proizvodnji.

2. Metoda akvizicije termoelementa

Princip rada termoelementa je da bimetalno tijelo stvara različite termoelektrične potencijale na različitim temperaturama. Pribavljanjem ove vrijednosti termoelektričnog potencijala, vrijednost temperature može se dobiti traženjem tabele. Budući da vrijednost termoelektričnog potencijala ovisi samo o materijalu, tačnost termoparova je vrlo visoka. Međutim, budući da su termoelektrični potencijali signali milivoltnog-nivoa, potrebno je pojačanje, čineći vanjsko kolo složenim. Generalno, metali imaju visoke tačke topljenja, tako da se termoparovi obično koriste za mjerenja visokih{5}temperatura.

3. Metoda prikupljanja integriranog temperaturnog senzora

Kako mjerenje temperature postaje sve uobičajenije u svakodnevnom životu i proizvodnji, proizvođači poluvodiča uveli su mnoge integrirane senzore temperature. Iako su mnogi od ovih senzora zasnovani na termistorima, oni se kalibriraju tokom proizvodnje, što rezultira preciznošću koja je uporediva sa termoparovima. Štaviše, oni mogu direktno emitovati digitalne vrijednosti, što ih čini dobro-pogodnim za upotrebu u digitalnim sistemima.

Trenutne metode akvizicije

Uobičajene metode detekcije struje uključuju šantove, transformatore, senzore struje sa Holovim efektom i optičke senzore.

Karakteristike svake metode prikazane su u tabeli 8-1.

Među ovim faktorima, visoka cijena optičkih senzora ograničava njihovu primjenu u polju upravljanja; šantovi su niski-i imaju dobar frekvencijski odziv, ali su glomazni za korištenje jer moraju biti povezani na strujnu petlju; strujni transformatori se mogu koristiti samo za mjerenja naizmjenične struje; i senzori struje Hall elementa nude dobre performanse i jednostavni su za korištenje. Trenutno se šantovi i senzori struje Hall elementa najčešće koriste u akviziciji struje i praćenju sistema upravljanja baterijama električnih vozila.

Metode detekcije dima

Tokom rada vozila, zbog složenih uslova na putu i inherentnih problema sa proizvodnjom baterija, može doći do ekstremnih hitnih situacija poput dima ili požara zbog pregrijavanja, kompresije ili sudara. Ako se ovi incidenti ne otkriju i efikasno riješe odmah, oni će neizbježno eskalirati, prijeti okolnim baterijama, vozilu i osoblju u tovarnom prostoru, ozbiljno utječući na sigurnost rada vozila. Kako bi se spriječili takvi incidenti, posljednjih godina u sisteme upravljanja baterijama uveden je nadzor dima i njemu se posvećuje sve veća pažnja.

Senzori dima su raznovrsni i mogu se kategorisati u tri glavna tipa na osnovu njihovih principa detekcije: ① Senzori dima koji koriste fizičko-hemijska svojstva, kao što su poluprovodnički senzori dima i kontaktni senzori dima sagorevanja; ② Senzori dima koji koriste fizička svojstva, kao što su senzori dima toplotne provodljivosti, optički interferentni senzori dima i infracrveni senzori; ③ Senzori dima koji koriste elektrohemijska svojstva, kao što su strujni senzori dima-tipa i plinski senzori tipa elektromotorne sile-. Budući da su senzori dima različiti, poluvodički senzori dima ne mogu otkriti sve plinove. Stoga se odabire određena vrsta za otkrivanje jedne ili dvije specifične vrste dima. Na primjer, oksidni poluvodički senzori dima se uglavnom koriste za detekciju dima ugljikovodika, uključujući O₂, H₂S, CO, H₂, O₃H₂O, Cl₂, OH, CO₂, itd. Zbog ograničenja elektroda, ovi senzori se prvenstveno koriste za detekciju neorganskog dima, kao što je H₂, kao što je H₂ Cl₂, SO₂, itd.

Kada se senzori dima koriste u energetskim baterijama, odabir senzora zahtijeva razumijevanje sastava dima koji nastaje izgaranjem baterija. Općenito, sagorijevanje baterije proizvodi velike količine CO i CO2, stoga treba odabrati senzore osjetljive na ova dva plina. Struktura senzora mora biti prilagođena uslovima vibracije tokom-dugotrajne upotrebe vozila kako bi se spriječilo lažno okidanje zbog prašine i vibracija na cesti.

Alarm za dim u sistemu upravljanja baterijom treba da bude instaliran na vozačevoj konzoli. Po prijemu alarmnog signala, trebao bi brzo izdati zvučni i vizualni alarm i lokaciju kvara, osiguravajući da vozač može odmah otkriti i primiti signal alarma.

Na primjer, sistem za uzbunjivanje dima koji se koristi u olimpijskom električnom autobusu, prvenstveno razvijen od strane Pekinškog instituta za tehnologiju, koristi sistem baterija koji se napaja 9V alkalnom ili karbonskom{1}}cinkom baterijom, osiguravajući 24-satni normalan rad. Alarmni signal se napaja akumulatorskim napajanjem vozila od 24 V, koje se napaja odvojeno kako bi se osigurala neovisnost alarmnog sistema. Distribuirani alarmi detektuju koncentraciju dima preko internih senzora dima. Kada je koncentracija dima ispod granice, interni kontroler alarma postavlja relejni izlaz na otvoreni krug; kada koncentracija dima prijeđe granicu, interni kontroler postavlja izlaz releja na kratki spoj, brzo povlačeći +24V napajanje na displeju kako bi se formirao alarmni krug sa napajanjem -24V na displeju, emitujući zvučni i vizuelni alarmni signal. Struktura sistema je prikazana na slici 8-11.