Que é a adquisición de datos?

Métodos de adquisición de datos

Método de detección de voltaxe dunha célula

O módulo de adquisición de voltaxe da batería é un compoñente crucial do sistema de xestión da batería de enerxía. O seu rendemento e precisión determinan a precisión do xuízo do sistema sobre a información do estado da batería e afectan aínda máis a implementación eficaz das estratexias de control posteriores. Os métodos comúnmente utilizados para detectar a tensión da célula inclúen o método de matriz de relés, o método de fonte de corrente constante, o método de adquisición de amplificador operacional illado, o método de adquisición de circuíto de conversión de tensión/frecuencia e o método de adquisición de circuíto de amplificador de optoacoplador lineal.

1. Método de matriz de relés

A figura 8-6 mostra o diagrama de bloques dun circuíto de adquisición de voltaxe da batería baseado no método de matriz de relés. Consta dun sensor de tensión de terminal, unha matriz de relés, un chip convertidor A-D (analóxico-a-dixital), un optoacoplador e un multiplexor. Para medir a tensión dos terminales de n baterías conectadas en serie, hai que conectar n+1 fíos a cada nodo da batería. Ao medir a tensión dos terminales da m-ª batería, o microcontrolador envía un sinal de control correspondente, que selecciona o relé apropiado a través do multiplexor, o optoacoplador e o circuíto de accionamento do relé, conectando os fíos m-ésimo e m+1-ésimo ao chip convertidor A-D. Normalmente, a resistencia dos dispositivos de conmutación é relativamente pequena e o erro causado pola resistencia dos dispositivos de conmutación é case insignificante despois de combinarse cun circuíto divisor de tensión. Ademais, toda a estrutura do circuíto é sinxela; só as resistencias divisoras de tensión, o chip convertidor AD e a precisión de referencia de tensión afectan á precisión do resultado final. Os erros das resistencias e do chip normalmente poden ser moi pequenos. Polo tanto, o método de matriz de relés é o máis adecuado para aplicacións que requiren medicións individuais de alta tensión da batería e alta precisión.

2. Método da fonte de corrente constante

O principio básico da adquisición de voltaxe da batería en paralelo usando un circuíto fonte de corrente constante é converter a tensión do terminal da batería nun sinal de corrente que cambia linealmente sen utilizar unha resistencia de conversión. Isto mellora a capacidade anti-interferencias do sistema. Nunha batería dun só-etapa, debido a que a tensión no terminal da batería é relativamente baixa, xeralmente entre 2 V e 5 V, a tensión é relativamente estable durante a descarga, mellorando así a capacidade anti-interferencias do sistema. Polo tanto, adoita escoller un amplificador operacional dun só-canle no proceso de deseño para conseguilo. Debido ás diferenzas no deseño e aplicación dos circuítos, os circuítos de fonte de corrente constante poden adoptar moitas formas diferentes.

O circuíto mostrado na Figura 8-7 é un destes exemplos; é un circuíto fonte de corrente constante composto por un amplificador operacional seleccionado en serie-e un transistor de efecto de campo de porta-illado.

Como se pode ver na estrutura do amplificador operacional, este circuíto é un circuíto amplificador acoplado directo de varias etapas-con alta ganancia de bucle aberto-e retroalimentación negativa profunda. A súa etapa de entrada usa un circuíto amplificador diferencial e está integrada no mesmo chip de silicio, o que resulta nunha excelente compatibilidade de rendemento entre ambos, e a etapa intermedia ten unha alta capacidade de amplificación. Baseándose no principio dos circuítos diferenciais, este circuíto ten unha forte capacidade de rexeitamento de sinal de modo común-. Polo tanto, cando se utiliza un amplificador operacional para medir a tensión das células individuais nunha batería, a alta capacidade de rexeitamento e amplificación do modo común-mellorará a precisión da medición. Un transistor de efecto de -porta{10}} illado (IGFET) é un dispositivo semicondutor que utiliza o efecto de campo eléctrico do circuíto de entrada para controlar a corrente do circuíto de saída. Cando opera na rexión de resistencia variable, a corrente de drenaxe de saída I está relacionada linealmente coa tensión de fonte de drenaxe-de entrada Us. Ademais, a impedancia da fonte-porta do transistor é moi alta, o que dá como resultado unha corrente de fuga moi pequena, mentres que a resistencia-fonte de drenaxe-é moi pequena, o que provoca unha caída de tensión-de estado moi baixa. A Figura 8-7 usa un transistor de efecto de campo-de mellora da canle P--modo de mellora da canle-transistor de efecto (FET) e un díodo Zener está conectado para manter unha tensión de fonte-constante Ucs. O amplificador operacional funciona na rexión lineal. Se se selecciona un FET de baixa -resistencia, a caída de tensión no estado de activación é insignificante. Polo tanto,

alcanzable

Nas ecuacións anteriores, a diferenza entre u₁ e u₂ é a tensión no terminal da batería e U₁ é a tensión de saída do circuíto do amplificador operacional inversor. É fácil ver que o díodo Zener conectado á saída do amplificador operacional proporciona retroalimentación, mantendo o circuíto nun estado equilibrado. V₀ ↑→ |Uz| ↓→ IL ↓→ |VR| ↓→ VI ↑→ |V₀| ↓. Onde V₀ é a tensión de saída do amplificador operacional; VR é a tensión a través da resistencia R₁; e VI é a tensión diferencial de entrada do amplificador operacional, é dicir, VI=U₁ - U₂. Cando o circuíto está en equilibrio, VI=0. O circuíto fonte de corrente constante ten unha estrutura sinxela, unha forte capacidade de rexeitamento en modo común-, unha alta precisión de adquisición e unha boa funcionalidade.

3. Amplificador operacional de illamento

Un amplificador operacional de illamento é un compoñente electrónico capaz de illar eléctricamente sinais analóxicos. É amplamente utilizado como illantes no control de procesos industriais e como medios de illamento en varios dispositivos de alimentación. Xeralmente consta de dúas partes: unha sección de entrada e unha sección de saída. Estes son alimentados por separado e acoplados por acoplamento magnético. O sinal é modulado pola sección de entrada, pasa pola capa de illamento e despois é demodulado e restaurado pola sección de saída. Os amplificadores operacionais de illamento son ideais para os circuítos de adquisición de voltaxe das células de batería. Illan o sinal de tensión do terminal da batería de entrada do circuíto, evitando así interferencias externas e mellorando a precisión e fiabilidade da adquisición do sistema. A continuación ofrécese un exemplo de aplicación típico.

A figura 8.8 mostra a aplicación dun amplificador operacional de illamento nun sistema de xestión de batería de 600 V. O paquete de baterías contén 50 baterías horizontais de chumbo-ácido cunha tensión nominal de 12 V, e as súas tensións terminais son adquiridas unha por unha polo circuíto amplificador operacional de illamento. O ISO 122 é un amplificador de illamento deseñado con tecnoloxía de modulación e demodulación empaquetada por Black & Decker (BBB) ​​nos Estados Unidos, que emprega tecnoloxía de acoplamento de capacitores de precisión e unha disposición de pins dual-in-in line (DIP) convencional. As seccións de entrada e saída da ISO 122 están situadas no circuíto de mostraxe, separadas por dous capacitores de 1pF coincidentes que forman unha capa de illamento. A tensión de illamento nominal é superior a 1500 V (AC 60 Hz continuo), cunha alta impedancia de illamento e unha alta precisión de ganancia e linealidade, cumprindo así os requisitos prácticos de aplicación. Como se mostra na Figura 8.8, a potencia de entrada de ISO 122 extrae do paquete de batería automático e o sinal de saída, que ten unha relación lineal con el, é multiplexado, despois divídese automaticamente por dúas resistencias de precisión controladas polo microcontrolador antes de enviarse á entrada. A potencia de saída é subministrada polo módulo de fonte de alimentación da placa de circuíto e a tensión do terminal da batería está illada. Nótese que no circuíto de adquisición de tensión terminal da batería 50, engádese un inversor despois do circuíto amplificador operacional illado para cambiar o sinal de saída de negativo a positivo. Tamén hai que sinalar que aínda que o circuíto de adquisición do amplificador operacional illado ten un excelente rendemento, o seu alto custo limitou a súa aplicación xeneralizada.

4. Método de adquisición do circuíto de conversión de voltaxe/frecuencia

Cando se usa un circuíto de conversión de voltaxe/frecuencia (V/F) para adquirir a tensión da pila da batería, o conversor V/F é fundamental. É o compoñente que converte os sinais de tensión en sinais de frecuencia, ofrecendo unha excelente precisión, linealidade e entrada integral.

A figura 8-9 mostra o esquema do circuíto do conversor V/F LM331 usado para a conversión V/F de alta-precisión. O LM331 é un chip V/F integrado-de alto rendemento fabricado por FS Microcontroller. Emprega un novo circuíto de referencia de intervalo de banda compensado por temperatura, que proporciona unha precisión extremadamente alta en todo o intervalo de temperatura de funcionamento e con tensións de alimentación tan baixas como 4,0 V.

Neste método de adquisición, o sinal de tensión convértese directamente nun sinal de frecuencia, que despois pode ser procesado polo porto de contador do microcontrolador sen necesidade de conversión A-D. Ademais, para complementar o circuíto de conversión V/F no sistema de adquisición de voltaxe da pila da batería, os circuítos de selección correspondentes e os circuítos amplificadores operacionais tamén deben deseñarse para conseguir a funcionalidade de adquisición de varias canles. Este método implica menos compoñentes, pero o oscilador controlado por voltaxe-contén capacitores e o erro relativo dos capacitores é xeralmente grande, e os condensadores máis grandes presentan erros relativos aínda maiores.

5. Método de adquisición do circuíto amplificador optoacoplador lineal

O circuíto de adquisición de voltaxe da pila de batería baseado nun optoacoplador lineal logra o illamento entre o extremo de adquisición de sinal e o extremo de procesamento, mellorando así a estabilidade do circuíto e a capacidade anti-interferencias. A figura 8-10 mostra o optoacoplador lineal TIL300, que consiste nun fotodíodo de retroalimentación illado bifurcado mediante iluminación LED infravermella e un fotodíodo de saída. A tecnoloxía de proceso especial úsase para compensar a non linealidade das características de tempo e temperatura do LED, facendo que o sinal de saída sexa linealmente proporcional ao fluxo luminoso servo emitido polo LED. O TIL300 ten un pico de illamento de 3500 V, un ancho de banda superior a 200 kHz, é axeitado para amplificación illada de sinais de CC e CA e ten unha estabilidade de ganancia de saída de ± 0,05%/grao. Como se pode ver no diagrama, o valor de tensión dunha soa célula de batería (a diferenza entre U1 e U2) convértese nun sinal de corrente Ip polo amplificador operacional A e flúe a través do optoacoplador lineal TIL300. Despois do opto-illamento, emite unha corrente Ip2 que está linealmente relacionada con Ip1. A continuación, esta corrente convértese de novo nun valor de voltaxe polo amplificador operacional A2 para a conversión A-D e adquisición de datos. Paga a pena notar que os dous extremos do optoacoplador lineal requiren fontes de alimentación independentes diferentes, etiquetadas I+12V e ±12V no diagrama. Isto demostra que o circuíto amplificador do optoacoplador lineal non só ten unha forte capacidade de illamento e anti-interferencia, senón que tamén mantén unha boa linealidade do sinal analóxico durante a transmisión. Polo tanto, pódese usar en conxunto con matrices de relés ou circuítos de porta en sistemas de adquisición multicanle. Non obstante, o seu circuíto é relativamente complexo e moitos factores poden afectar á súa precisión.

Métodos de adquisición de temperatura

A temperatura de funcionamento da batería non só afecta o rendemento da batería senón que tamén se relaciona directamente coa seguridade dos vehículos eléctricos. Polo tanto, a adquisición precisa dos parámetros de temperatura é fundamental. Adquirir temperatura non é difícil; a clave é seleccionar un sensor de temperatura axeitado. Actualmente, hai moitos sensores de temperatura dispoñibles, como termistores, termopares, transistores de termistores e sensores de temperatura integrados.

1. Método de adquisición de termistores

O principio do método de adquisición de termistores baséase na característica de que a resistencia dun termistor cambia coa temperatura. Unha resistencia fixa está conectada en serie co termistor para formar un divisor de tensión, convertendo así o nivel de temperatura nun sinal de tensión. A continuación, este sinal convértese en información dixital de temperatura mediante conversión analóxica-a-dixital. Os termistores son baratos pero teñen unha linealidade pobre e xeralmente teñen erros de fabricación relativamente grandes.

2. Método de adquisición de termopares

O principio de funcionamento dun termopar é que un corpo bimetálico xera diferentes potenciais termoeléctricos a diferentes temperaturas. Adquirindo este valor de potencial termoeléctrico, pódese obter o valor da temperatura consultando unha táboa. Dado que o valor do potencial termoeléctrico depende só do material, a precisión dos termopares é moi alta. Non obstante, dado que os potenciais termoeléctricos son sinais de nivel de milivoltios-, é necesaria a amplificación, polo que os circuítos externos son complexos. Xeralmente, os metais teñen altos puntos de fusión, polo que os termopares adoitan usarse para medicións de alta-temperatura.

3. Método de adquisición de sensor de temperatura integrado

A medida que a medición da temperatura se fai cada vez máis común na vida diaria e na produción, os fabricantes de semicondutores introduciron moitos sensores de temperatura integrados. Aínda que moitos destes sensores están baseados en termistores, son calibrados durante a fabricación, obtendo unha precisión comparable ás termopares. Ademais, poden emitir directamente valores dixitais, o que os fai-adecuados para o seu uso en sistemas dixitais.

Métodos de adquisición actuais

Os métodos comúns de detección de corrente inclúen derivacións, transformadores, sensores de corrente de efecto Hall e sensores de fibra óptica.

As características de cada método móstranse na táboa 8-1.

Entre estes factores, o elevado custo dos sensores de fibra óptica limita a súa aplicación no campo do control; As derivacións son de baixo-custo e teñen unha boa resposta en frecuencia, pero son complicadas de usar xa que deben estar conectadas a un bucle de corrente; os transformadores de corrente só se poden utilizar para medicións de CA; e os sensores de corrente de elementos Hall ofrecen un bo rendemento e son fáciles de usar. Actualmente, as derivacións e os sensores de corrente de elementos Hall úsanse máis habitualmente na adquisición e monitorización de correntes dos sistemas de xestión de baterías de vehículos eléctricos.

Métodos de detección de fume

Durante o funcionamento do vehículo, debido ás complexas condicións da estrada e problemas inherentes á fabricación da batería, poden producirse emerxencias extremas, como fume ou incendio, debido ao sobreenriquecido, a compresión ou as colisións. Se estes incidentes non se detectan e non se abordan de forma eficaz, inevitablemente aumentarán, ameazando as baterías circundantes, o vehículo e o persoal do compartimento de carga, afectando gravemente á seguridade operativa do vehículo. Para evitar este tipo de incidentes, nos últimos anos introduciuse a vixilancia de fume nos sistemas de xestión de baterías e está a recibir cada vez máis atención.

Os sensores de fume son diversos e pódense clasificar en tres tipos principais en función dos seus principios de detección: ① Sensores de fume que utilizan propiedades fisicoquímicas, como sensores de fume de semicondutores e sensores de fume de combustión de contacto; ② Sensores de fume que utilizan propiedades físicas, como sensores de fume de condutividade térmica, sensores de fume de interferencia óptica e sensores de infravermellos; ③ Sensores de fume que utilizan propiedades electroquímicas, como sensores de fume de tipo{0}}actual e sensores de gas de tipo forza electromotriz-. Debido a que os sensores de fume son diversos, os sensores de fume de semicondutores non poden detectar todos os gases. Polo tanto, escóllese un tipo específico para detectar un ou dous tipos específicos de fume. Por exemplo, os sensores de fume de semicondutores de óxido utilízanse principalmente para detectar fume de hidrocarburos, incluíndo O₂, H₂S, CO, H₂, O₃H₂O, Cl₂, OH, CO₂, etc. Debido ás limitacións dos electrodos, estes sensores utilízanse principalmente para detectar fume inorgánico, como O₂, H₂, CO₂ Cl₂, SO₂, etc.

Cando os sensores de fume se utilizan en baterías de enerxía, a selección do sensor require comprender a composición do fume producido pola combustión da batería. Xeralmente, a combustión da batería produce grandes cantidades de CO e CO2, polo que se deben seleccionar sensores sensibles a estes dous gases. A estrutura do sensor debe adaptarse ás condicións de vibración do uso a longo prazo-de vehículos para evitar que se desencadeen falsos debido ao po e ás vibracións da estrada.

O dispositivo de alarma de fume do sistema de xestión da batería debe estar instalado na consola do condutor. Ao recibir un sinal de alarma, debería emitir rapidamente unha alarma sonora e visual e a localización do fallo, garantindo que o condutor poida detectar e recibir o sinal de alarma rapidamente.

Por exemplo, o sistema de alarma de fume utilizado no autobús eléctrico olímpico, desenvolvido principalmente polo Instituto Tecnolóxico de Pequín, utiliza un sistema de batería alimentado por unha batería alcalina de 9 V ou de carbón-cinc, que garante un funcionamento normal durante 24 horas. O sinal de alarma é alimentado pola fonte de alimentación da batería de 24 V do vehículo, que se subministra por separado para garantir a independencia do sistema de alarma. As alarmas distribuídas detectan a concentración de fume mediante sensores internos de fume. Cando a concentración de fume está por debaixo do límite, o controlador interno da alarma configura a saída do relé en circuíto aberto; cando a concentración de fume supera o límite, o controlador interno configura a saída do relé en curtocircuíto, atraendo rapidamente a fonte de alimentación +24V ao panel de visualización para formar un circuíto de alarma coa fonte de alimentación de -24 V no panel de visualización, emitindo un sinal de alarma audible e visual. A estrutura do sistema móstrase na Figura 8-11.