Что такое сбор данных?

Методы сбора данных

Метод определения напряжения одной ячейки

Модуль сбора данных о напряжении аккумуляторных элементов является важнейшим компонентом системы управления аккумуляторной батареей. Его производительность и точность определяют точность оценки системой информации о состоянии батареи и в дальнейшем влияют на эффективную реализацию последующих стратегий управления. Обычно используемые методы определения напряжения ячейки включают метод релейной матрицы, метод источника постоянного тока, метод сбора данных с изолированным операционным усилителем, метод сбора данных схемы преобразования напряжения/частоты и метод сбора схемы усилителя с линейной оптопарой.

1. Метод релейной решетки

На рисунке 8-6 показана блок-схема схемы измерения напряжения батареи, основанной на методе релейной матрицы. Он состоит из датчика напряжения на клеммах, релейной матрицы, аналого-цифрового преобразователя (аналоговый-в-цифровой), оптопары и мультиплексора. Для измерения напряжения на клеммах n батарей, соединенных последовательно, к каждому узлу аккумуляторной батареи необходимо подключить n+1 проводов. При измерении напряжения на выводах m--й батареи микроконтроллер подает соответствующий управляющий сигнал, который выбирает соответствующее реле через мультиплексор, оптопару и схему управления реле, подключая m--й и m+1--й провода к микросхеме аналого-цифрового преобразователя. Обычно сопротивление переключающих устройств относительно невелико, и погрешность, вызванная сопротивлением переключающих устройств, после объединения со схемой делителя напряжения практически незначительна. Более того, вся структура схемы проста; на точность конечного результата влияют только резисторы делителя напряжения, микросхема АЦП и точность опорного напряжения. Погрешности резисторов и микросхемы обычно можно сделать очень небольшими. Таким образом, метод релейной матрицы наиболее подходит для приложений, требующих высокого напряжения отдельных батарей и высокой точности.

2. Метод источника постоянного тока.

Основной принцип параллельного измерения напряжения батареи с использованием схемы источника постоянного тока заключается в преобразовании напряжения на клеммах батареи в линейно изменяющийся сигнал тока без использования преобразовательного резистора. Это повышает защищенность системы от-помех. В одноступенчатом аккумуляторном блоке-поскольку напряжение на клеммах аккумулятора относительно низкое, обычно от 2 В до 5 В, напряжение относительно стабильно во время разряда, что повышает защищенность системы от-помех. Поэтому для достижения этой цели в процессе проектирования часто выбирается одноканальный-операционный усилитель. Из-за различий в конструкции и применении схемы источников постоянного тока могут принимать самые разные формы.

Схема, показанная на рис. 8-7, является одним из таких примеров; это схема источника постоянного тока, состоящая из последовательного-операционного усилителя и полевого транзистора с изолированным-затвором.

Как видно из структуры операционного усилителя, эта схема представляет собой многокаскадный усилитель-с прямой-связью с высоким коэффициентом усиления в разомкнутом-контуре и глубокой отрицательной обратной связью. Его входной каскад использует схему дифференциального усилителя и встроен в один и тот же кремниевый чип, что обеспечивает превосходное согласование характеристик между ними, а промежуточный каскад имеет высокую способность усиления. Основанная на принципе дифференциальных схем, эта схема обладает мощной способностью подавления синфазного сигнала. Таким образом, при использовании операционного усилителя для измерения напряжения отдельных элементов аккумуляторной батареи высокая способность подавления и усиления синфазного сигнала повысит точность измерений. Транзистор с изолированным -полевым-эффектом (IGFET) – это полупроводниковое устройство, которое использует эффект электрического поля входной цепи для управления током выходной цепи. Когда он работает в области переменного сопротивления, выходной ток стока I линейно связан с входным напряжением истока стока Us. Более того, импеданс затвора-исток транзистора очень высок, что приводит к очень малому току утечки, в то время как сопротивление стока-исток-в открытом состоянии очень мало, что приводит к очень низкому падению напряжения в-включенном состоянии. На рис. 8-7 используется P-полевой транзистор-режима расширения-эффекта (FET), а стабилитрон подключен для поддержания постоянного напряжения затвора-истока Ucs. Операционный усилитель работает в линейной области. Если выбран полевой транзистор с низким сопротивлением -в открытом состоянии, падение напряжения во включенном состоянии незначительно. Поэтому,

достижимый

В приведенных выше уравнениях разница между u₁ и u₂ представляет собой напряжение на клеммах батареи, а U₁ — выходное напряжение схемы инвертирующего операционного усилителя. Нетрудно заметить, что стабилитрон, подключенный к выходу операционного усилителя, обеспечивает обратную связь, поддерживая схему в сбалансированном состоянии. В₀ ↑→ |Уз| ↓→ IL ↓→ |VR| ↓→ VI ↑→ |V₀| ↓. Где V₀ — выходное напряжение операционного усилителя; VR – напряжение на резисторе R₁; и VI - входное дифференциальное напряжение операционного усилителя, т. е. VI=U₁ - U₂. Когда схема находится в равновесии, VI=0. Схема источника постоянного тока имеет простую структуру, высокую способность подавления синфазного сигнала, высокую точность сбора данных и хорошую практичность.

3. Изолирующий операционный усилитель.

Изолирующий операционный усилитель — это электронный компонент, способный электрически изолировать аналоговые сигналы. Он широко используется в качестве изоляторов при управлении промышленными процессами и в качестве изолирующей среды в различных устройствах электропитания. Обычно он состоит из двух частей: входной и выходной. Они питаются отдельно и соединяются магнитной муфтой. Сигнал модулируется входной секцией, проходит через слой изоляции, а затем демодулируется и восстанавливается выходной секцией. Изолирующие операционные усилители идеально подходят для схем измерения напряжения аккумуляторных элементов. Они изолируют сигнал напряжения на клеммах входной батареи от цепи, тем самым избегая внешних помех и повышая точность и надежность сбора данных системы. Типичный пример применения приведен ниже.

На рисунке 8.8 показано применение изолирующего операционного усилителя в системе управления аккумуляторной батареей напряжением 600 В. Аккумуляторный блок содержит 50 горизонтальных свинцово-кислотных-аккумуляторов с номинальным напряжением 12 В, напряжение на их клеммах поочередно считывается с помощью схемы изолирующего операционного усилителя. ISO 122 — это развязывающий усилитель, разработанный с использованием технологии модуляции и демодуляции, разработанной компанией Black & Decker (BBB) ​​в США, с использованием технологии прецизионной конденсаторной связи и обычного расположения выводов с двумя входами-в-линейным (DIP). Входная и выходная секции ISO 122 расположены в схеме выборки и разделены двумя согласованными конденсаторами емкостью 1 пФ, образующими изолирующий слой. Номинальное напряжение изоляции превышает 1500 В (непрерывный ток переменного тока, 60 Гц), имеет высокий импеданс изоляции, высокую точность и линейность усиления, что соответствует практическим требованиям применения. Как показано на рисунке 8.8, входная мощность ISO 122 берется из автоматического аккумуляторного блока, а выходной сигнал, имеющий с ним линейную зависимость, мультиплексируется, а затем автоматически делится на два прецизионных резистора, управляемых микроконтроллером, перед отправкой на вход. Выходная мощность подается модулем питания на печатной плате, а напряжение на клеммах аккумулятора изолировано. Следует отметить, что в схеме получения напряжения на клеммах 50-й батареи после схемы изолированного операционного усилителя добавлен инвертор для изменения выходного сигнала с отрицательного на положительный. Следует также отметить, что, хотя схема сбора данных на изолированном операционном усилителе имеет превосходные характеристики, ее высокая стоимость ограничивает ее широкое применение.

4. Метод сбора данных схемы преобразования напряжения/частоты

При использовании схемы преобразования напряжения/частоты (V/F) для получения напряжения аккумуляторной батареи преобразователь V/F имеет решающее значение. Это компонент, который преобразует сигналы напряжения в сигналы частоты, обеспечивая превосходную точность, линейность и интегральный входной сигнал.

На рисунке 8-9 показана принципиальная схема преобразователя напряжения/частоты LM331, используемого для высокоточного-преобразования напряжения/частоты. LM331 — это высокопроизводительный-интегрированный чип V/F производства компании FS Microcontroller. В нем используется новая опорная схема с температурной компенсацией запрещенной зоны, обеспечивающая чрезвычайно высокую точность во всем диапазоне рабочих температур и при напряжении питания всего 4,0 В.

В этом методе сбора данных сигнал напряжения напрямую преобразуется в сигнал частоты, который затем может быть обработан портом счетчика микроконтроллера без необходимости аналого-цифрового преобразования. Кроме того, в дополнение к схеме преобразования V/F в системе сбора данных о напряжении аккумуляторных элементов также необходимо спроектировать соответствующие схемы выбора и схемы операционного усилителя для обеспечения многоканальной функции сбора данных. В этом методе используется меньше компонентов, но генератор, управляемый напряжением-, содержит конденсаторы, и относительная погрешность конденсаторов обычно велика, причем конденсаторы большего размера демонстрируют еще большие относительные погрешности.

5. Метод получения схемы усилителя с линейной оптопарой

Схема измерения напряжения аккумуляторного элемента на основе линейной оптопары обеспечивает изоляцию между стороной сбора сигнала и стороной обработки, тем самым улучшая стабильность схемы и защиту от-помех. На рис. 8-10 показан линейный оптрон TIL300, который состоит из изолированного фотодиода обратной связи, разделенного инфракрасным светодиодным освещением, и выходного фотодиода. Специальная технология используется для компенсации нелинейности временных и температурных характеристик светодиода, благодаря чему выходной сигнал становится линейно пропорциональным следящему световому потоку, излучаемому светодиодом. TIL300 имеет пиковую изоляцию 3500 В, полосу пропускания более 200 кГц, подходит для изолированного усиления сигналов постоянного и переменного тока и имеет стабильность выходного усиления ±0,05%/градус. Как видно из диаграммы, значение напряжения одного элемента аккумулятора (разница между U1 и U2) преобразуется в сигнал тока Ip операционным усилителем А и проходит через линейный оптрон TIL300. После опто-изоляции он выводит ток Ip2, который линейно связан с Ip1. Затем этот ток преобразуется обратно в значение напряжения с помощью операционного усилителя A2 для аналого-цифрового преобразования и сбора данных. Стоит отметить, что для двух концов линейной оптопары требуются разные независимые источники питания, обозначенные на схеме I+12V и ±12V. Это демонстрирует, что схема усилителя с линейной оптопарой не только обладает надежной изоляцией и защитой от помех, но также поддерживает хорошую линейность аналогового сигнала во время передачи. Поэтому его можно использовать в сочетании с релейными матрицами или стробирующими схемами в многоканальных системах сбора данных. Однако его схема относительно сложна, и на его точность могут повлиять многие факторы.

Методы измерения температуры

Рабочая температура аккумулятора не только влияет на его производительность, но и напрямую связана с безопасностью электромобилей. Поэтому точное получение температурных параметров имеет решающее значение. Измерить температуру несложно; Ключевым моментом является выбор подходящего датчика температуры. В настоящее время доступно множество датчиков температуры, таких как термисторы, термопары, термисторные транзисторы и встроенные датчики температуры.

1. Метод получения термистора

Принцип метода измерения термистора основан на том факте, что сопротивление термистора изменяется с температурой. Постоянный резистор включен последовательно с термистором, образуя делитель напряжения, преобразуя таким образом уровень температуры в сигнал напряжения. Затем этот сигнал преобразуется в цифровую информацию о температуре посредством аналого--в-цифрового преобразования. Термисторы недороги, но имеют плохую линейность и, как правило, имеют относительно большие производственные погрешности.

2. Метод получения термопары

Принцип работы термопары заключается в том, что биметаллическое тело генерирует разные термоэлектрические потенциалы при разных температурах. Зная это значение термоэлектрического потенциала, можно получить значение температуры, просмотрев таблицу. Поскольку величина термоэлектрического потенциала зависит только от материала, точность термопар очень высока. Однако, поскольку термоэлектрические потенциалы представляют собой сигналы уровня милливольт-, требуется усиление, что усложняет внешнюю схему. Обычно металлы имеют высокие температуры плавления, поэтому для измерения высоких-температур обычно используются термопары.

3. Метод получения встроенного датчика температуры.

Поскольку измерение температуры становится все более распространенным в повседневной жизни и производстве, производители полупроводников внедрили множество встроенных датчиков температуры. Хотя многие из этих датчиков основаны на термисторах, они калибруются во время производства, что обеспечивает точность, сравнимую с точностью термопар. Кроме того, они могут напрямую выводить цифровые значения, что делает их хорошо-подходящими для использования в цифровых системах.

Текущие методы сбора данных

Общие методы обнаружения тока включают шунты, трансформаторы, датчики тока на эффекте Холла и оптоволоконные датчики.

Характеристики каждого метода показаны в Таблице 8-1.

Среди этих факторов высокая стоимость оптоволоконных датчиков ограничивает их применение в области управления; шунты имеют низкую-стоимость и хорошую частотную характеристику, но их неудобно использовать, поскольку их необходимо подключать к токовой петле; трансформаторы тока можно использовать только для измерений переменного тока; Датчики тока с элементом Холла обеспечивают хорошие характеристики и просты в использовании. В настоящее время шунты и датчики тока на элементе Холла чаще всего используются для сбора и мониторинга тока в системах управления аккумуляторами электромобилей.

Методы обнаружения дыма

Во время эксплуатации автомобиля из-за сложных дорожных условий и проблем, присущих изготовлению аккумуляторной батареи, могут возникнуть чрезвычайные ситуации, такие как задымление или возгорание из-за перегрева, сжатия или столкновения. Если эти инциденты не будут обнаружены и оперативно устранены, они неизбежно будут обостряться, угрожая окружающим аккумуляторам, транспортному средству и персоналу в грузовом отсеке, серьезно влияя на эксплуатационную безопасность транспортного средства. Чтобы предотвратить подобные инциденты, в последние годы в системы управления батареями был внедрен мониторинг дыма, которому уделяется все больше внимания.

Датчики дыма разнообразны и могут быть разделены на три основных типа в зависимости от принципов их обнаружения: ① Датчики дыма, использующие физико-химические свойства, такие как полупроводниковые датчики дыма и контактные датчики дыма сгорания; ② Датчики дыма, использующие физические свойства, такие как датчики дыма по теплопроводности, датчики дыма с оптическими помехами и инфракрасные датчики; ③ Датчики дыма, использующие электрохимические свойства, например датчики дыма токового-типа и датчики газа электродвижущей силы-типа. Поскольку датчики дыма разнообразны, полупроводниковые датчики дыма не могут обнаруживать все газы. Поэтому конкретный тип выбирается для обнаружения одного или двух конкретных типов дыма. Например, оксидно-полупроводниковые датчики дыма в основном используются для обнаружения углеводородного дыма, включая O₂, H₂S, CO, H₂, O₃H₂O, Cl₂, OH, CO₂ и т. д. Из-за ограничений электродов эти датчики в основном используются для обнаружения неорганического дыма, такого как O₂, CO₂, H₂, Cl₂, SO₂ и т. д.

Когда в энергетических батареях используются датчики дыма, выбор датчика требует понимания состава дыма, образующегося при сгорании батареи. Как правило, при сгорании батареи выделяется большое количество CO и CO2, поэтому следует выбирать датчики, чувствительные к этим двум газам. Конструкция датчика должна быть адаптирована к условиям вибрации при длительной-эксплуатации автомобиля, чтобы предотвратить ложное срабатывание из-за дорожной пыли и вибрации.

Устройство пожарной сигнализации в системе управления аккумуляторной батареей должно быть установлено на консоли водителя. При получении сигнала тревоги он должен быстро подать звуковой и визуальный сигнал тревоги и указать место неисправности, гарантируя, что водитель сможет быстро обнаружить и получить сигнал тревоги.

Например, система дымовой сигнализации, используемая в олимпийском электрическом автобусе, в первую очередь разработанная Пекинским технологическим институтом, использует аккумуляторную систему, питаемую от щелочной или угольной-цинковой батареи напряжением 9 В, что обеспечивает нормальную работу в течение 24 часов. Сигнал тревоги питается от аккумулятора автомобиля напряжением 24 В, который подается отдельно, чтобы обеспечить независимость системы сигнализации. Распределенные сигналы тревоги определяют концентрацию дыма с помощью внутренних датчиков дыма. Когда концентрация дыма ниже предельного значения, внутренний контроллер сигнализации переводит выход реле в состояние размыкания; когда концентрация дыма превышает предел, внутренний контроллер устанавливает релейный выход на короткое замыкание, быстро подавая источник питания +24В на панель дисплея, чтобы сформировать цепь сигнализации с источником питания -24В на панели дисплея, издавая звуковой и визуальный сигнал тревоги. Структура системы показана на рисунке 8-11.