Što je prikupljanje podataka?

Metode prikupljanja podataka

Metoda detekcije napona jedne ćelije

Modul za prikupljanje napona baterijskih ćelija ključna je komponenta sustava upravljanja baterijom. Njegova izvedba i točnost određuju točnost prosudbe sustava o informacijama o statusu baterije i dalje utječu na učinkovitu provedbu naknadnih kontrolnih strategija. Uobičajeno korištene metode za otkrivanje napona ćelije uključuju metodu niza releja, metodu izvora konstantne struje, metodu prikupljanja izoliranog operacijskog pojačala, metodu prikupljanja kruga pretvorbe napona/frekvencije i metodu prikupljanja kruga pojačala s linearnim optičkim sprežnikom.

1. Metoda niza releja

Slika 8-6 prikazuje blok dijagram kruga za prikupljanje napona baterije koji se temelji na metodi niza releja. Sastoji se od senzora napona na terminalu, niza releja, A-D (analogno-u-digitalnog) pretvaračkog čipa, optokaplera i multipleksera. Za mjerenje napona terminala n baterija povezanih u seriju, n+1 žica treba biti spojeno na svaki čvor u baterijskom paketu. Prilikom mjerenja napona terminala m--te baterije, mikrokontroler šalje odgovarajući upravljački signal, koji odabire odgovarajući relej kroz multiplekser, optokapler i pogonski krug releja, povezujući m--tu i m+1--tu žicu s čipom A-D pretvarača. Tipično, otpor sklopnih uređaja je relativno mali, a pogreška uzrokovana otporom sklopnih uređaja gotovo je zanemariva nakon kombiniranja s krugom razdjelnika napona. Nadalje, cjelokupna struktura kruga je jednostavna; samo otpornici razdjelnika napona, čip AD pretvarača i točnost referentnog napona utječu na točnost konačnog rezultata. Pogreške otpornika i čipa obično se mogu učiniti vrlo malima. Stoga je metoda niza releja najprikladnija za primjene koje zahtijevaju visoka mjerenja napona pojedinačne baterije i visoku točnost.

2. Metoda izvora konstantne struje

Osnovno načelo paralelnog prikupljanja napona akumulatora korištenjem strujnog kruga izvora konstantne struje je pretvaranje napona terminala akumulatora u linearno promjenjiv strujni signal bez upotrebe pretvorničkog otpornika. Ovo poboljšava sposobnost sustava protiv-smetnji. U jedno-stupanjskom paketu baterija, budući da je napon terminala baterije relativno nizak, općenito između 2 V i 5 V, napon je relativno stabilan tijekom pražnjenja, čime se poboljšava sposobnost sustava protiv-smetnji. Stoga se jedno-kanalno operacijsko pojačalo često bira u procesu projektiranja kako bi se to postiglo. Zbog razlika u dizajnu krugova i primjeni, krugovi izvora konstantne struje mogu imati mnogo različitih oblika.

Krug prikazan na slici 8-7 je jedan takav primjer; to je krug izvora konstantne struje sastavljen od niza-odabranog operacijskog pojačala i izoliranog-tranzistora s efektom polja.

Kao što se može vidjeti iz strukture operacijskog pojačala, ovaj je sklop više{0}}stupnjevit izravno-spregnuti krug pojačala s visokim pojačanjem otvorene{2}}petlje i dubokom negativnom povratnom spregom. Njegov ulazni stupanj koristi krug diferencijalnog pojačala i integriran je na istom silikonskom čipu, što rezultira izvrsnim usklađivanjem performansi između dva, a srednji stupanj ima visoku sposobnost pojačanja. Utemeljen na principu diferencijalnih krugova, ovaj sklop ima snažnu mogućnost odbijanja signala zajedničkog-moda. Stoga, kada se koristi operacijsko pojačalo za mjerenje napona pojedinačnih ćelija u baterijskom paketu, visoka mogućnost odbijanja i pojačanja zajedničkog-moda poboljšat će točnost mjerenja. Tranzistor s-poljskim{10}}učinkom izoliranog vrata (IGFET) je poluvodički uređaj koji koristi učinak električnog polja ulaznog kruga za kontrolu struje izlaznog kruga. Kada radi u području promjenjivog otpora, izlazna odvodna struja I linearno je povezana s ulaznim odvodnim-naponom izvora Us. Nadalje, impedancija-izvora tranzistora je vrlo visoka, što rezultira vrlo malom strujom curenja, dok je otpor-izvora na-odvodu vrlo mali, što rezultira vrlo niskim padom napona u-stanju. Slika 8-7 koristi P-kanalni-tranzistor s efektom-polja-učinka (FET), a Zener dioda je spojena za održavanje konstantnog izlaznog-napona izvora Ucs. Operacijsko pojačalo radi u linearnom području. Ako je odabran FET s niskim-otporom, pad napona u uključenom stanju je zanemariv. Stoga,

ostvariv

U gornjim jednadžbama, razlika između u₁ i u₂ je napon priključka baterije, a U₁ je izlazni napon kruga invertirajućeg operacijskog pojačala. Lako je vidjeti da Zener dioda spojena na izlaz operacijskog pojačala daje povratnu vezu, održavajući krug u uravnoteženom stanju. V₀ ↑→ |Uz| ↓→ IL ↓→ |VR| ↓→ VI ↑→ |V₀| ↓. Gdje je V₀ izlazni napon operacijskog pojačala; VR je napon na otporniku R1; a VI je ulazni diferencijalni napon operacijskog pojačala, tj. VI=U₁ - U₂. Kada je krug u ravnoteži, VI=0. Krug izvora konstantne struje ima jednostavnu strukturu, snažnu sposobnost odbijanja zajedničkog-moda, visoku točnost prikupljanja podataka i dobru praktičnost.

3. Izolacijsko operacijsko pojačalo

Izolacijsko operacijsko pojačalo je elektronička komponenta sposobna za električnu izolaciju analognih signala. Naširoko se koristi kao izolatori u upravljanju industrijskim procesima i kao izolacijski medij u raznim uređajima za napajanje. Obično se sastoji od dva dijela: ulaznog dijela i izlaznog dijela. Oni se napajaju odvojeno i spojeni magnetskom spojkom. Signal modulira ulazna sekcija, prolazi kroz izolacijski sloj, a zatim se demodulira i vraća u izlaznu sekciju. Izolacijska operacijska pojačala idealna su za krugove za prikupljanje napona baterijskih ćelija. Oni izoliraju signal napona priključka ulazne baterije iz strujnog kruga, čime se izbjegavaju vanjske smetnje i poboljšava točnost i pouzdanost prikupljanja podataka. Dolje je prikazan tipičan primjer primjene.

Slika 8.8 prikazuje primjenu izolacijskog operacijskog pojačala u sustavu upravljanja baterijom od 600 V. Paket baterija sadrži 50 vodoravnih olovnih-kiselinskih baterija s nazivnim naponom od 12 V, a njihove terminalne napone dobiva jedan po jedan krug izolacijskog operacijskog pojačala. ISO 122 je izolacijsko pojačalo dizajnirano s tehnologijom modulacije i demodulacije koju je izradio Black & Decker (BBB) ​​​​u Sjedinjenim Državama, koristeći preciznu tehnologiju spajanja kondenzatora i konvencionalni dvo-in-linijski (DIP) raspored pinova. Ulazni i izlazni dijelovi ISO 122 nalaze se u krugu uzorkovanja, odvojeni s dva usklađena kondenzatora od 1pF koji tvore izolacijski sloj. Nazivni izolacijski napon veći je od 1500 V (AC 60 Hz kontinuirano), s visokom izolacijskom impedancijom i visokom preciznošću pojačanja i linearnošću, čime se ispunjavaju zahtjevi praktične primjene. Kao što je prikazano na slici 8.8, ulazna snaga ISO 122 crpi se iz automatskog paketa baterija, a izlazni signal, koji ima linearan odnos s njim, se multipleksira, zatim automatski dijeli s dva precizna otpornika kojima upravlja mikrokontroler prije nego što se pošalje na ulaz. Izlaznu snagu daje modul napajanja na tiskanoj ploči, a napon priključka baterije je izoliran. Treba napomenuti da je u krugu za prikupljanje napona terminala 50. baterije, pretvarač dodan nakon kruga izoliranog operacijskog pojačala za promjenu izlaznog signala iz negativnog u pozitivan. Također treba istaknuti da iako sklop za akviziciju izoliranog operacijskog pojačala ima izvrsne performanse, njegova visoka cijena ograničila je njegovu široku primjenu.

4. Metoda prikupljanja kruga pretvorbe napona/frekvencije

Kada koristite krug pretvorbe napona/frekvencije (V/F) za dobivanje napona baterije, V/F pretvarač je ključan. To je komponenta koja pretvara naponske signale u frekvencijske signale, nudeći izvrsnu točnost, linearnost i integralni ulaz.

Slika 8-9 prikazuje shemu strujnog kruga LM331 V/F pretvarača koji se koristi za visoko-preciznu V/F pretvorbu. LM331 je integrirani V/F čip visokih performansi kojeg proizvodi FS Microcontroller. Koristi novi temperaturno kompenzirani referentni krug pojasnog razmaka, pružajući izuzetno visoku točnost u cijelom rasponu radnih temperatura i pri naponu napajanja od samo 4,0 V.

U ovoj metodi akvizicije, naponski signal se izravno pretvara u frekvencijski signal, koji zatim može obraditi priključak brojača mikrokontrolera bez potrebe za A-D pretvorbom. Nadalje, kako bi se nadopunio krug V/F pretvorbe u sustavu prikupljanja napona baterijskih ćelija, odgovarajući krugovi odabira i krugovi operacijskog pojačala također moraju biti dizajnirani za postizanje više-funkcionalnosti prikupljanja kanala. Ova metoda uključuje manje komponenti, ali napon-kontrolirani oscilator sadrži kondenzatore, a relativna pogreška kondenzatora općenito je velika, pri čemu veći kondenzatori pokazuju još veće relativne pogreške.

5. Metoda prikupljanja kruga pojačala s linearnim optocouplerom

Krug za prikupljanje napona baterijskih ćelija temeljen na linearnom optokapleru postiže izolaciju između kraja za prikupljanje signala i kraja za obradu, čime se poboljšava stabilnost kruga i sposobnost zaštite od -smetnji. Slika 8-10 prikazuje linearni optokapler TIL300 koji se sastoji od izolirane povratne fotodiode račvane infracrvenim LED osvjetljenjem i izlazne fotodiode. Posebna procesna tehnologija koristi se za kompenzaciju nelinearnosti LED vremenskih i temperaturnih karakteristika, čineći izlazni signal linearno proporcionalnim servo svjetlosnom toku koji emitira LED. TIL300 ima vršnu izolaciju od 3500 V, propusnost veću od 200 kHz, prikladan je za izolirano pojačanje DC i AC signala i ima stabilnost izlaznog pojačanja od ±0,05%/ stupanj. Kao što se može vidjeti iz dijagrama, vrijednost napona jedne ćelije baterije (razlika između U1 i U2) pretvara se u strujni signal Ip pomoću operacijskog pojačala A i teče kroz linearni optokapler TIL300. Nakon opto{18}}izolacije, daje struju Ip2 koja je linearno povezana s Ip1. Ova struja se zatim pretvara natrag u vrijednost napona pomoću operacijskog pojačala A2 za A-D pretvorbu i prikupljanje podataka. Vrijedno je napomenuti da dva kraja linearnog optokaplera zahtijevaju različita neovisna napajanja, označena kao I+12V i ±12V na dijagramu. Ovo pokazuje da krug pojačala linearnog optičkog sprežnika ne samo da ima snažnu izolaciju i anti-smetnje, već također održava dobru linearnost analognog signala tijekom prijenosa. Stoga se može koristiti u kombinaciji s relejnim nizovima ili sklopovima usmjernika u višekanalnim sustavima za prikupljanje podataka. Međutim, njegov sklop je relativno složen i mnogi čimbenici mogu utjecati na njegovu točnost.

Metode mjerenja temperature

Radna temperatura baterije ne samo da utječe na performanse baterije, već je također izravno povezana sa sigurnošću električnih vozila. Stoga je precizno prikupljanje temperaturnih parametara ključno. Stjecanje temperature nije teško; ključ je odabir odgovarajućeg senzora temperature. Trenutno su dostupni mnogi temperaturni senzori, kao što su termistori, termoparovi, termistorski tranzistori i integrirani temperaturni senzori.

1. Metoda prikupljanja termistora

Načelo termistorske metode prikupljanja temelji se na karakteristici da se otpor termistora mijenja s temperaturom. Fiksni otpornik spojen je u seriju s termistorom kako bi se formirao razdjelnik napona, čime se razina temperature pretvara u naponski signal. Taj se signal zatim pretvara u digitalnu informaciju o temperaturi putem analogne-u-digitalne pretvorbe. Termistori su jeftini, ali imaju lošu linearnost i općenito imaju relativno velike greške u proizvodnji.

2. Metoda prikupljanja termopara

Princip rada termoelementa je da bimetalno tijelo stvara različite termoelektrične potencijale na različitim temperaturama. Stjecanjem ove vrijednosti termoelektričnog potencijala, vrijednost temperature može se dobiti pregledom tablice. Budući da vrijednost termoelektričnog potencijala ovisi samo o materijalu, točnost termoparova je vrlo visoka. Međutim, budući da su termoelektrični potencijali signali na milivoltnoj-razini, potrebno je pojačanje, što vanjski sklop čini složenim. Općenito, metali imaju visoka tališta, pa se termoparovi obično koriste za mjerenja visokih-temperatura.

3. Metoda prikupljanja integriranog senzora temperature

Kako mjerenje temperature postaje sve češće u svakodnevnom životu i proizvodnji, proizvođači poluvodiča predstavili su mnoge integrirane temperaturne senzore. Iako se mnogi od ovih senzora temelje na termistorima, oni se kalibriraju tijekom proizvodnje, što rezultira preciznošću usporedivom s termoparovima. Nadalje, mogu izravno ispisivati ​​digitalne vrijednosti, što ih čini-prikladnima za upotrebu u digitalnim sustavima.

Trenutačne metode stjecanja

Uobičajene metode detekcije struje uključuju šantove, transformatore, senzore struje s Hallovim efektom i senzore od optičkih vlakana.

Karakteristike svake metode prikazane su u tablici 8-1.

Među tim čimbenicima, visoka cijena svjetlovodnih senzora ograničava njihovu primjenu u polju kontrole; shuntovi su jeftini-i imaju dobar frekvencijski odziv, ali su nezgrapni za korištenje jer moraju biti spojeni na strujnu petlju; strujni transformatori mogu se koristiti samo za AC mjerenja; i senzori struje Hall elementa nude dobre performanse i jednostavni su za korištenje. Trenutačno se u akviziciji struje i nadzoru sustava za upravljanje baterijama električnih vozila najčešće koriste shuntovi i senzori struje Hallovog elementa.

Metode detekcije dima

Tijekom rada vozila, zbog složenih uvjeta na cesti i inherentnih problema s proizvodnjom baterija, mogu se pojaviti ekstremni hitni slučajevi poput dima ili požara zbog pregrijavanja, kompresije ili sudara. Ako se ovi incidenti odmah ne otkriju i učinkovito ne riješe, oni će neizbježno eskalirati, prijeteći okolnim akumulatorima, vozilu i osoblju u prtljažniku, ozbiljno utječući na radnu sigurnost vozila. Kako bi se spriječili takvi incidenti, praćenje dima uvedeno je u sustave upravljanja baterijama posljednjih godina i dobiva sve veću pozornost.

Senzori dima su različiti i mogu se kategorizirati u tri glavne vrste na temelju njihovih principa detekcije: ① Senzori dima koji koriste fizikalno-kemijska svojstva, kao što su poluvodički senzori dima i senzori dima kontaktnog izgaranja; ② Senzori dima koji koriste fizička svojstva, kao što su senzori dima toplinske vodljivosti, senzori dima s optičkim smetnjama i infracrveni senzori; ③ Senzori dima koji koriste elektrokemijska svojstva, kao što su strujni-senzori dima i elektromotorna sila-senzori plina. Budući da su senzori za dim različiti, poluvodički senzori za dim ne mogu otkriti sve plinove. Stoga se odabire određena vrsta za otkrivanje jedne ili dvije specifične vrste dima. Na primjer, oksidni poluvodički senzori dima uglavnom se koriste za otkrivanje dima ugljikovodika, uključujući O₂, H₂S, CO, H₂, O₃H₂O, Cl₂, OH, CO₂, itd. Zbog ograničenja elektroda, ovi se senzori prvenstveno koriste za otkrivanje anorganskog dima, kao što su O₂, CO₂, H₂, Cl₂, SO₂, itd.

Kada se senzori dima koriste u električnim baterijama, odabir senzora zahtijeva razumijevanje sastava dima koji nastaje izgaranjem baterije. Općenito, izgaranje baterije proizvodi velike količine CO i CO2, stoga treba odabrati senzore osjetljive na ova dva plina. Struktura senzora mora se prilagoditi uvjetima vibracija dugotrajne-uporabe vozila kako bi se spriječilo lažno okidanje zbog prašine i vibracija na cesti.

Uređaj za javljanje dima u sustavu upravljanja baterijom treba biti instaliran na vozačevoj konzoli. Po primitku signala alarma, trebao bi brzo izdati zvučni i vizualni alarm i locirati kvar, osiguravajući da vozač može odmah otkriti i primiti signal alarma.

Na primjer, sustav alarma za dim koji se koristi u olimpijskom električnom autobusu, prvenstveno razvijen od strane Tehnološkog instituta u Pekingu, koristi baterijski sustav koji napaja 9V alkalna ili karbon-cinkova baterija, osiguravajući 24-satni normalan rad. Signal alarma napaja se iz akumulatorskog napajanja od 24 V vozila, koje se napaja zasebno kako bi se osigurala neovisnost alarmnog sustava. Distribuirani alarmi otkrivaju koncentraciju dima putem unutarnjih senzora dima. Kada je koncentracija dima ispod granice, interni kontroler alarma postavlja izlaz releja na otvoreni krug; kada koncentracija dima prijeđe granicu, interni regulator postavlja izlaz releja na kratki spoj, brzo povlačeći +24V napajanje na ploču zaslona kako bi se formirao alarmni krug s napajanjem od -24 V na ploči zaslona, ​​emitirajući zvučni i vizualni signal alarma. Struktura sustava prikazana je na slici 8-11.