Co to jest pozyskiwanie danych?

Metody pozyskiwania danych

Metoda wykrywania napięcia pojedynczej celi

Moduł pomiaru napięcia ogniw akumulatorowych jest kluczowym elementem systemu zarządzania energią akumulatorów. Jego wydajność i dokładność decydują o dokładności oceny przez system informacji o stanie baterii, a ponadto wpływają na skuteczną realizację kolejnych strategii kontroli. Powszechnie stosowane metody wykrywania napięcia ogniwa obejmują metodę układu przekaźników, metodę źródła prądu stałego, metodę pozyskiwania izolowanego wzmacniacza operacyjnego, metodę pozyskiwania obwodu konwersji napięcie/częstotliwość oraz metodę pozyskiwania obwodu wzmacniacza liniowego transoptora.

1. Metoda układu przekaźników

Rysunek 8-6 przedstawia schemat blokowy obwodu pomiaru napięcia akumulatora w oparciu o metodę układu przekaźników. Składa się z czujnika napięcia na zaciskach, układu przekaźników, układu przetwornika A-D (analogowego-na-cyfrowy), transoptora i multipleksera. Aby zmierzyć napięcie na zaciskach n akumulatorów połączonych szeregowo, do każdego węzła pakietu akumulatorów należy podłączyć n+1 przewodów. Podczas pomiaru napięcia na zaciskach m--tej baterii mikrokontroler wysyła odpowiedni sygnał sterujący, który wybiera odpowiedni przekaźnik poprzez multiplekser, transoptor i obwód sterujący przekaźnika, łącząc m--ty i m+1--ty przewód z układem przetwornika A-D. Zwykle rezystancja urządzeń przełączających jest stosunkowo niewielka, a błąd spowodowany rezystancją urządzeń przełączających jest prawie pomijalny po połączeniu z obwodem dzielnika napięcia. Co więcej, cała struktura obwodu jest prosta; tylko rezystory dzielnika napięcia, układ konwertera AD i dokładność odniesienia napięcia wpływają na dokładność wyniku końcowego. Błędy rezystorów i chipa mogą być zwykle bardzo małe. Dlatego metoda układu przekaźników jest najbardziej odpowiednia do zastosowań wymagających wysokich indywidualnych pomiarów napięcia akumulatora i dużej dokładności.

2. Metoda źródła prądu stałego

Podstawową zasadą równoległego pomiaru napięcia akumulatora za pomocą obwodu źródła prądu stałego jest przekształcenie napięcia na zaciskach akumulatora na liniowo zmienny sygnał prądowy bez użycia rezystora przetwarzającego. Poprawia to zdolność systemu do zwalczania-zakłóceń. W jednostopniowym zestawie akumulatorów, ponieważ napięcie na zaciskach akumulatora jest stosunkowo niskie, zazwyczaj od 2 V do 5 V, napięcie jest względnie stabilne podczas rozładowywania, co poprawia zdolność systemu do zwalczania-zakłóceń. Dlatego też w procesie projektowania często wybiera się jednokanałowy-wzmacniacz operacyjny, aby to osiągnąć. Ze względu na różnice w konstrukcji obwodów i zastosowaniu obwody źródła prądu stałego mogą przybierać różne formy.

Obwód pokazany na rysunku 8-7 jest jednym z takich przykładów; jest to obwód źródła prądu stałego składający się z szeregowego-wzmacniacza operacyjnego i tranzystora polowego z izolowaną-bramką.

Jak widać ze struktury wzmacniacza operacyjnego, obwód ten jest wielostopniowym-bezpośrednim-obwodem wzmacniacza o dużym wzmocnieniu-pętli otwartej i głębokim ujemnym sprzężeniu zwrotnym. Jego stopień wejściowy wykorzystuje obwód wzmacniacza różnicowego i jest zintegrowany na tym samym chipie krzemowym, co zapewnia doskonałe dopasowanie wydajności między obydwoma, a stopień pośredni ma wysoką zdolność wzmocnienia. Opierając się na zasadzie obwodów różnicowych, obwód ten ma silną zdolność odrzucania sygnału w trybie wspólnym. Dlatego też w przypadku stosowania wzmacniacza operacyjnego do pomiaru napięcia poszczególnych ogniw w zestawie akumulatorów wysoka zdolność tłumienia i wzmacniania-trybu wspólnego poprawi dokładność pomiaru. Izolowany tranzystor polowy-bramkowy-(IGFET) to urządzenie półprzewodnikowe, które wykorzystuje efekt pola elektrycznego obwodu wejściowego do sterowania prądem obwodu wyjściowego. Gdy działa w obszarze zmiennej rezystancji, wyjściowy prąd drenu I jest liniowo powiązany z wejściowym napięciem drenu-Us. Co więcej, impedancja źródła bramki tranzystora jest bardzo wysoka, co powoduje bardzo mały prąd upływowy, podczas gdy rezystancja źródła- drenu jest bardzo mała, co powoduje bardzo niski spadek napięcia w stanie-włączenia. Na rysunku 8-7 wykorzystano tranzystor polowy{{23} z efektem-kanału P-w trybie wzmocnienia-, a dioda Zenera jest podłączona w celu utrzymania stałego napięcia-źródła bramki Ucs. Wzmacniacz operacyjny działa w obszarze liniowym. Jeśli zostanie wybrany tranzystor FET o niskiej-rezystencji, spadek napięcia w stanie włączenia jest pomijalny. Dlatego,

osiągalny

W powyższych równaniach różnica między u₁ i u₂ to napięcie na zaciskach akumulatora, a U₁ to napięcie wyjściowe obwodu odwracającego wzmacniacza operacyjnego. Łatwo zauważyć, że dioda Zenera podłączona do wyjścia wzmacniacza operacyjnego zapewnia sprzężenie zwrotne, utrzymując obwód w stanie zrównoważonym. V₀ ↑ → |Uz| ↓ → IL ↓ → |VR| ↓ → VI ↑ → |V₀| ↓. Gdzie V₀ jest napięciem wyjściowym wzmacniacza operacyjnego; VR to napięcie na rezystorze R₁; a VI to wejściowe napięcie różnicowe wzmacniacza operacyjnego, tj. VI=U₁ - U₂. Gdy obwód jest w równowadze, VI=0. Obwód źródła prądu stałego ma prostą strukturę, dużą zdolność tłumienia sygnału wspólnego-, wysoką dokładność akwizycji i dobrą praktyczność.

3. Izolacyjny wzmacniacz operacyjny

Izolacyjny wzmacniacz operacyjny to element elektroniczny zdolny do elektrycznej separacji sygnałów analogowych. Jest szeroko stosowany jako izolatory w sterowaniu procesami przemysłowymi oraz jako media izolacyjne w różnych urządzeniach zasilających. Zwykle składa się z dwóch części: sekcji wejściowej i sekcji wyjściowej. Są one zasilane oddzielnie i łączone za pomocą sprzęgła magnetycznego. Sygnał jest modulowany przez sekcję wejściową, przechodzi przez warstwę izolacyjną, a następnie jest demodulowany i odtwarzany przez sekcję wyjściową. Izolacyjne wzmacniacze operacyjne idealnie nadają się do obwodów gromadzenia napięcia ogniw akumulatorowych. Izolują wejściowy sygnał napięcia na zaciskach akumulatora od obwodu, unikając w ten sposób zakłóceń zewnętrznych i poprawiając dokładność i niezawodność akwizycji systemu. Poniżej przedstawiono typowy przykład zastosowania.

Rysunek 8.8 przedstawia zastosowanie izolowanego wzmacniacza operacyjnego w systemie zarządzania akumulatorami mocy 600 V. Zestaw akumulatorów zawiera 50 poziomych akumulatorów kwasowo-ołowiowych o napięciu znamionowym 12 V, a ich napięcia na zaciskach są rejestrowane jeden po drugim przez obwód izolującego wzmacniacza operacyjnego. ISO 122 to wzmacniacz separacyjny zaprojektowany z wykorzystaniem technologii modulacji i demodulacji opracowanej przez firmę Black & Decker (BBB) ​​w Stanach Zjednoczonych, wykorzystujący technologię precyzyjnego sprzęgania kondensatorów i konwencjonalny układ pinów typu dual-in-line (DIP). Sekcje wejściowa i wyjściowa ISO 122 znajdują się w obwodzie próbkującym, oddzielone dwoma dopasowanymi kondensatorami 1 pF tworzącymi warstwę izolacyjną. Znamionowe napięcie izolacji jest większe niż 1500 V (AC 60 Hz ciągłe), przy wysokiej impedancji izolacji oraz wysokiej dokładności wzmocnienia i liniowości, spełniając w ten sposób wymagania praktycznych zastosowań. Jak pokazano na rysunku 8.8, moc wejściowa ISO 122 jest pobierana z automatycznego pakietu akumulatorów, a sygnał wyjściowy, który ma z nim związek liniowy, jest multipleksowany, a następnie automatycznie dzielony przez dwa precyzyjne rezystory sterowane przez mikrokontroler przed przesłaniem na wejście. Moc wyjściowa jest dostarczana przez moduł zasilacza na płytce drukowanej, a napięcie na zaciskach akumulatora jest izolowane. Należy zauważyć, że w obwodzie pobierania napięcia końcowego 50. akumulatora po izolowanym obwodzie wzmacniacza operacyjnego dodawany jest falownik w celu zmiany sygnału wyjściowego z ujemnego na dodatni. Należy również zauważyć, że chociaż izolowany obwód akwizycji wzmacniacza operacyjnego ma doskonałą wydajność, jego wysoki koszt ogranicza jego powszechne zastosowanie.

4. Metoda akwizycji obwodu konwersji napięcia/częstotliwości

W przypadku stosowania obwodu konwersji napięcie/częstotliwość (V/F) do pomiaru napięcia ogniwa akumulatora, przetwornik V/F ma kluczowe znaczenie. Jest to komponent przekształcający sygnały napięciowe na sygnały częstotliwościowe, oferujący doskonałą dokładność, liniowość i integralność sygnału wejściowego.

Rysunek 8-9 przedstawia schemat obwodu konwertera V/F LM331 wykorzystywanego do-precyzyjnej konwersji V/F. LM331 to-zintegrowany układ V/F o wysokiej wydajności, wyprodukowany przez firmę FS Microcontroller. Wykorzystuje nowy obwód odniesienia pasma wzbronionego z kompensacją temperatury, zapewniający niezwykle wysoką dokładność w całym zakresie temperatur roboczych i przy napięciach zasilania tak niskich jak 4,0 V.

W tej metodzie akwizycji sygnał napięciowy jest bezpośrednio przekształcany na sygnał częstotliwościowy, który może być następnie przetwarzany przez port licznika mikrokontrolera bez konieczności konwersji A-D. Co więcej, aby uzupełnić obwód konwersji V/F w systemie akwizycji napięcia ogniwa akumulatora, należy zaprojektować odpowiednie obwody wyboru i obwody wzmacniacza operacyjnego, aby uzyskać funkcjonalność akwizycji wielokanałowej-. Ta metoda obejmuje mniej elementów, ale oscylator sterowany napięciem-zawiera kondensatory, a błąd względny kondensatorów jest zazwyczaj duży, przy czym większe kondensatory wykazują jeszcze większe błędy względne.

5. Metoda akwizycji obwodu wzmacniacza liniowego z transoptorem

Obwód pozyskiwania napięcia ogniwa akumulatora oparty na liniowym transoptorze zapewnia izolację między końcem odbierania sygnału a końcem przetwarzania, poprawiając w ten sposób stabilność obwodu i zdolność zwalczania-zakłóceń. Rysunek 8-10 przedstawia transoptor liniowy TIL300, który składa się z izolowanej fotodiody ze sprzężeniem zwrotnym, rozdzielonej oświetleniem LED w podczerwieni i fotodiody wyjściowej. Specjalna technologia procesowa kompensuje nieliniowość charakterystyki czasowej i temperaturowej diody LED, dzięki czemu sygnał wyjściowy jest liniowo proporcjonalny do strumienia świetlnego serwa emitowanego przez diodę LED. TIL300 ma izolację szczytową 3500 V, szerokość pasma większą niż 200 kHz, nadaje się do izolowanego wzmacniania sygnałów DC i AC oraz ma stabilność wzmocnienia wyjściowego ± 0,05%/stopień. Jak widać na wykresie, wartość napięcia pojedynczego ogniwa akumulatora (różnica między U1 i U2) jest przetwarzana przez wzmacniacz operacyjny A na sygnał prądowy Ip i przepływa przez transoptor liniowy TIL300. Po optoizolacji-na wyjściu wyprowadzany jest prąd Ip2, który jest liniowo powiązany z Ip1. Prąd ten jest następnie przekształcany z powrotem na wartość napięcia przez wzmacniacz operacyjny A2 w celu konwersji A-D i gromadzenia danych. Warto zauważyć, że dwa końce transoptora liniowego wymagają różnych niezależnych zasilaczy, oznaczonych na schemacie I+12V i ±12V. Pokazuje to, że liniowy obwód wzmacniacza transoptorowego nie tylko zapewnia silną izolację i zdolność zwalczania-zakłóceń, ale także utrzymuje dobrą liniowość sygnału analogowego podczas transmisji. Dlatego można go stosować w połączeniu z układami przekaźników lub obwodami bramkującymi w wielokanałowych systemach akwizycji. Jednak jego obwody są stosunkowo złożone i wiele czynników może mieć wpływ na jego dokładność.

Metody pomiaru temperatury

Temperatura pracy akumulatora nie tylko wpływa na jego wydajność, ale także bezpośrednio wiąże się z bezpieczeństwem pojazdów elektrycznych. Dlatego kluczowa jest dokładna akwizycja parametrów temperatury. Uzyskanie temperatury nie jest trudne; kluczem jest dobór odpowiedniego czujnika temperatury. Obecnie dostępnych jest wiele czujników temperatury, takich jak termistory, termopary, tranzystory termistorowe i zintegrowane czujniki temperatury.

1. Metoda pozyskiwania termistora

Zasada metody pozyskiwania termistora opiera się na charakterystyce, że rezystancja termistora zmienia się wraz z temperaturą. Stały rezystor jest połączony szeregowo z termistorem, tworząc dzielnik napięcia, przekształcając w ten sposób poziom temperatury na sygnał napięciowy. Sygnał ten jest następnie przekształcany na cyfrową informację o temperaturze poprzez konwersję analogową-na-cyfrową. Termistory są niedrogie, ale mają słabą liniowość i generalnie charakteryzują się stosunkowo dużymi błędami produkcyjnymi.

2. Metoda akwizycji termopary

Zasada działania termopary polega na tym, że korpus bimetaliczny generuje różne potencjały termoelektryczne w różnych temperaturach. Pozyskując tę ​​wartość potencjału termoelektrycznego, wartość temperatury można uzyskać, przeglądając tabelę. Ponieważ wartość potencjału termoelektrycznego zależy tylko od materiału, dokładność termopar jest bardzo wysoka. Ponieważ jednak potencjały termoelektryczne są sygnałami na poziomie miliwoltów-, wymagane jest wzmocnienie, co komplikuje obwody zewnętrzne. Ogólnie rzecz biorąc, metale mają wysokie temperatury topnienia, dlatego do pomiarów-wysokich temperatur zwykle używa się termopar.

3. Metoda akwizycji zintegrowanego czujnika temperatury

Ponieważ pomiar temperatury staje się coraz bardziej powszechny w życiu codziennym i produkcji, producenci półprzewodników wprowadzili wiele zintegrowanych czujników temperatury. Chociaż wiele z tych czujników opiera się na termistorach, są one kalibrowane podczas produkcji, co zapewnia dokładność porównywalną z termoparami. Co więcej, mogą bezpośrednio wyprowadzać wartości cyfrowe, dzięki czemu dobrze-nadają się do stosowania w systemach cyfrowych.

Aktualne metody pozyskiwania

Typowe metody wykrywania prądu obejmują boczniki, transformatory, czujniki prądu z efektem Halla i czujniki światłowodowe.

Charakterystykę każdej metody przedstawiono w tabeli 8-1.

Wśród tych czynników wysoki koszt czujników światłowodowych ogranicza ich zastosowanie w dziedzinie sterowania; boczniki są tanie-i mają dobre pasmo przenoszenia, ale są kłopotliwe w użyciu, ponieważ muszą być podłączone do pętli prądowej; przekładniki prądowe można stosować wyłącznie do pomiarów prądu przemiennego; i czujniki prądu z elementem Halla zapewniają dobrą wydajność i są łatwe w użyciu. Obecnie boczniki i czujniki prądu z elementem Halla są najczęściej stosowane w pozyskiwaniu prądu i monitorowaniu systemów zarządzania energią akumulatorów pojazdów elektrycznych.

Metody wykrywania dymu

Podczas eksploatacji pojazdu, ze względu na złożone warunki drogowe i nieodłączne problemy związane z produkcją akumulatorów, mogą wystąpić ekstremalne sytuacje awaryjne, takie jak dym lub pożar, spowodowane przegrzaniem, kompresją lub kolizjami. Jeżeli zdarzenia te nie zostaną wykryte i nie zostaną szybko skutecznie wyeliminowane, nieuchronnie będą się nasilać, zagrażając otaczającym akumulatorom, pojazdowi i personelowi w przestrzeni ładunkowej, poważnie wpływając na bezpieczeństwo eksploatacji pojazdu. Aby zapobiec takim zdarzeniom, w ostatnich latach do systemów zarządzania akumulatorami wprowadzono monitorowanie dymu, które cieszy się coraz większym zainteresowaniem.

Czujniki dymu są różnorodne i można je podzielić na trzy główne typy w oparciu o zasady ich wykrywania: ① Czujniki dymu wykorzystujące właściwości fizykochemiczne, takie jak półprzewodnikowe czujniki dymu i kontaktowe czujniki dymu ze spalaniem; ② Czujniki dymu wykorzystujące właściwości fizyczne, takie jak czujniki dymu o przewodności cieplnej, czujniki dymu z zakłóceniami optycznymi i czujniki podczerwieni; ③ Czujniki dymu wykorzystujące właściwości elektrochemiczne, takie jak czujniki dymu typu prądowego- i czujniki gazu typu-elektromotorycznego. Ponieważ czujniki dymu są różnorodne, półprzewodnikowe czujniki dymu nie są w stanie wykryć wszystkich gazów. Dlatego wybierany jest konkretny typ do wykrywania jednego lub dwóch określonych rodzajów dymu. Na przykład tlenkowe półprzewodnikowe czujniki dymu stosowane są głównie do wykrywania dymu węglowodorowego, w tym O₂, H₂S, CO, H₂, O₃H₂O, Cl₂, OH, CO₂ itp. Ze względu na ograniczenia elektrod czujniki te służą przede wszystkim do wykrywania dymu nieorganicznego, takiego jak O₂, CO₂, H₂, Cl₂, SO₂ itp.

W przypadku stosowania czujników dymu w akumulatorach zasilających wybór czujnika wymaga zrozumienia składu dymu powstającego w wyniku spalania akumulatora. Generalnie podczas spalania akumulatorów powstają duże ilości CO i CO2, dlatego należy wybierać czujniki wrażliwe na te dwa gazy. Strukturę czujnika należy dostosować do warunków wibracji-długoterminowego użytkowania pojazdu, aby zapobiec fałszywemu uruchomieniu spowodowanemu pyłem drogowym i wibracjami.

Czujnik dymu w systemie zarządzania akumulatorem należy zamontować na konsoli kierowcy. Po otrzymaniu sygnału alarmowego powinien szybko włączyć dźwiękowy i wizualny alarm oraz zlokalizować usterkę, zapewniając kierowcy możliwość szybkiego wykrycia i odebrania sygnału alarmowego.

Na przykład system sygnalizacji dymu stosowany w olimpijskim autobusie elektrycznym, opracowany głównie przez Pekiński Instytut Technologiczny, wykorzystuje system akumulatorów zasilany baterią alkaliczną lub węglową-cynkową 9 V, zapewniającą normalne działanie przez 24 godziny. Sygnał alarmowy zasilany jest z akumulatora pojazdu 24V, który zasilany jest oddzielnie, co zapewnia niezależność systemu alarmowego. Alarmy rozproszone wykrywają stężenie dymu za pomocą wewnętrznych czujników dymu. Gdy stężenie dymu spadnie poniżej limitu, wewnętrzny sterownik alarmu ustawia wyjście przekaźnika w obwód otwarty; gdy stężenie dymu przekroczy limit, sterownik wewnętrzny ustawia wyjście przekaźnika na zwarcie, szybko doprowadzając zasilanie +24V do panelu wyświetlacza, tworząc obwód alarmowy z zasilaniem -24 V na panelu wyświetlacza, emitując dźwiękowy i wizualny sygnał alarmowy. Strukturę systemu pokazano na rysunku 8-11.