Wat is data-acquisitie?

Methoden voor gegevensverzameling

Detectiemethode voor eencellige spanning

De batterijcelspanningsverwervingsmodule is een cruciaal onderdeel van het batterijbeheersysteem. De prestaties en nauwkeurigheid ervan bepalen de nauwkeurigheid van het oordeel van het systeem over informatie over de batterijstatus, en beïnvloeden verder de effectieve implementatie van daaropvolgende regelstrategieën. Veelgebruikte methoden voor het detecteren van celspanning zijn onder meer de relaisarraymethode, de constante stroombronmethode, de acquisitiemethode voor geïsoleerde operationele versterkers, de acquisitiemethode voor spannings-/frequentieconversiecircuits en de acquisitiemethode voor lineaire optocouplerversterkercircuits.

1. Relay Array-methode

Figuur 8-6 toont het blokschema van een accuspanningsacquisitiecircuit gebaseerd op de relaisarraymethode. Het bestaat uit een terminalspanningssensor, een relaisarray, een A-D (analoog-naar-digitaal) converterchip, een optocoupler en een multiplexer. Om de klemspanning van n in serie geschakelde batterijen te meten, moeten n+1 draden op elk knooppunt in het batterijpakket worden aangesloten. Bij het meten van de klemspanning van de m-e batterij verzendt de microcontroller een corresponderend stuursignaal, dat het juiste relais selecteert via de multiplexer, optocoupler en relaisaandrijfcircuit, waarbij de m-e en m+1-e draden worden aangesloten op de A-D-converterchip. Typisch is de weerstand van de schakelapparaten relatief klein, en de fout veroorzaakt door de weerstand van de schakelapparaten is vrijwel te verwaarlozen na combinatie met een spanningsdelercircuit. Bovendien is de hele circuitstructuur eenvoudig; alleen de spanningsdelerweerstanden, de AD-converterchip en de nauwkeurigheid van de spanningsreferentie beïnvloeden de nauwkeurigheid van het eindresultaat. De fouten van de weerstanden en de chip kunnen doorgaans zeer klein worden gemaakt. Daarom is de relaisarraymethode het meest geschikt voor toepassingen die hoge individuele batterijspanningsmetingen en hoge nauwkeurigheid vereisen.

2. Methode met constante stroombron

Het basisprincipe van parallelle accuspanningsverwerving met behulp van een constante stroombroncircuit is het omzetten van de accuklemspanning in een lineair veranderend stroomsignaal zonder gebruik te maken van een conversieweerstand. Dit verbetert de anti-interferentiemogelijkheden van het systeem. Omdat de spanning op de accuklemmen relatief laag is, meestal tussen 2 V en 5 V, is de spanning in een een-trapsaccupakket relatief stabiel tijdens het ontladen, waardoor de anti-interferentiemogelijkheden van het systeem worden verbeterd. Daarom wordt in het ontwerpproces vaak gekozen voor een enkel-kanaals operationele versterker om dit te bereiken. Vanwege verschillen in circuitontwerp en toepassing kunnen constante stroombroncircuits veel verschillende vormen aannemen.

Het circuit getoond in Figuur 8-7 is zo'n voorbeeld; het is een broncircuit met constante stroom, bestaande uit een in serie geselecteerde operationele versterker en een veldeffecttransistor met geïsoleerde poort.

Zoals je kunt zien aan de structuur van de operationele versterker, is dit circuit een meer-traps direct-gekoppeld versterkercircuit met een hoge open-lusversterking en diepe negatieve feedback. De ingangstrap maakt gebruik van een differentieel versterkercircuit en is geïntegreerd op dezelfde siliciumchip, wat resulteert in een uitstekende prestatiematch tussen de twee, en de tussentrap heeft een hoog versterkingsvermogen. Gebaseerd op het principe van differentiële circuits, beschikt dit circuit over een sterk signaalonderdrukkingsvermogen in de common-modus. Wanneer een operationele versterker wordt gebruikt om de spanning van individuele cellen in een batterijpakket te meten, zal het hoge common-mode-onderdrukkings- en versterkingsvermogen de meetnauwkeurigheid verbeteren. Een geïsoleerde-poortveld-effecttransistor (IGFET) is een halfgeleiderapparaat dat het elektrische veldeffect van het ingangscircuit gebruikt om de stroom van het uitgangscircuit te regelen. Wanneer het in het gebied met variabele weerstand werkt, is de uitgangsafvoerstroom I lineair gerelateerd aan de ingangsafvoer-bronspanning Us. Bovendien is de gate-source-impedantie van de transistor erg hoog, wat resulteert in een zeer kleine lekstroom, terwijl de drain-source on-weerstand erg klein is, wat resulteert in een zeer lage on-staatsspanningsval. Figuur 8-7 gebruikt een P-kanaalverbetering-modusveld-effecttransistor (FET), en een zenerdiode is aangesloten om een ​​constante poort-bronspanning Ucs te handhaven. De operationele versterker werkt in het lineaire gebied. Als een FET met lage aan-weerstand wordt geselecteerd, is de spanningsval in de aan-toestand verwaarloosbaar. Daarom,

haalbaar

In de bovenstaande vergelijkingen is het verschil tussen u1 en u2 de accuklemspanning, en U1 de uitgangsspanning van het inverterende operationele versterkercircuit. Het is gemakkelijk te zien dat de zenerdiode die op de uitgang van de operationele versterker is aangesloten, feedback geeft, waardoor het circuit in gebalanceerde toestand blijft. V₀ ↑→ |Uz| ↓→ IL ↓→ |VR| ↓→ VI ↑→ |V₀| ↓. Waarbij V₀ de uitgangsspanning van de operationele versterker is; VR is de spanning over weerstand R1; en VI is de differentiële ingangsspanning van de operationele versterker, dwz VI=U₁ - U₂. Wanneer het circuit in evenwicht is, VI=0. Het constante stroombroncircuit heeft een eenvoudige structuur, een sterk common-mode-afwijzingsvermogen, hoge acquisitienauwkeurigheid en goede bruikbaarheid.

3. Isolatie operationele versterker

Een isolatie-operationele versterker is een elektronische component die analoge signalen elektrisch kan isoleren. Het wordt veel gebruikt als isolatoren bij industriële procescontrole en als isolatiemedia in verschillende voedingsapparaten. Het bestaat doorgaans uit twee delen: een invoergedeelte en een uitvoergedeelte. Deze worden afzonderlijk van stroom voorzien en gekoppeld door middel van een magnetische koppeling. Het signaal wordt gemoduleerd door de ingangssectie, gaat door de isolatielaag en wordt vervolgens gedemoduleerd en hersteld door de uitgangssectie. Isolatie-operationele versterkers zijn ideaal voor circuits voor het verkrijgen van batterijcelspanning. Ze isoleren het ingangsspanningssignaal van de accu van het circuit, waardoor externe interferentie wordt vermeden en de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de systeemacquisitie worden verbeterd. Hieronder vindt u een typisch toepassingsvoorbeeld.

Figuur 8.8 toont de toepassing van een operationele isolatieversterker in een batterijbeheersysteem met een vermogen van 600 V. Het accupakket bevat 50 horizontale lood-zuuraccu's met een nominale spanning van 12 V, en hun klemspanningen worden één voor één verkregen door het isolatie-operationele versterkercircuit. De ISO 122 is een isolatieversterker ontworpen met modulatie- en demodulatietechnologie van Black & Decker (BBB) ​​in de Verenigde Staten, waarbij gebruik wordt gemaakt van precisiecondensatorkoppelingstechnologie en een conventionele dubbele-in-line (DIP) pinopstelling. De ingangs- en uitgangssecties van ISO 122 bevinden zich in het bemonsteringscircuit, gescheiden door twee op elkaar afgestemde 1pF-condensatoren die een isolatielaag vormen. De nominale isolatiespanning is groter dan 1500 V (AC 60 Hz continu), met een hoge isolatie-impedantie en een hoge versterkingsnauwkeurigheid en lineariteit, waardoor wordt voldaan aan de praktische toepassingsvereisten. Zoals weergegeven in figuur 8.8 wordt het ingangsvermogen van ISO 122 onttrokken aan het automatische batterijpakket, en wordt het uitgangssignaal, dat er een lineair verband mee heeft, gemultiplext en vervolgens automatisch gedeeld door twee precisieweerstanden die worden bestuurd door de microcontroller voordat het naar de ingang wordt gestuurd. Het uitgangsvermogen wordt geleverd door de voedingsmodule op de printplaat en de spanning op de accuklemmen is geïsoleerd. Opgemerkt moet worden dat in het eindspanningsacquisitiecircuit van de 50e batterij een inverter wordt toegevoegd na het geïsoleerde operationele versterkercircuit om het uitgangssignaal van negatief naar positief te veranderen. Er moet ook op worden gewezen dat, hoewel de geïsoleerde operationele versterker-acquisitieschakeling uitstekende prestaties levert, de hoge kosten ervan de wijdverbreide toepassing ervan hebben beperkt.

4. Acquisitiemethode voor spannings-/frequentieconversiecircuit

Wanneer u een spanning/frequentie (V/F)-conversiecircuit gebruikt om de spanning van de batterijcel te verkrijgen, is de V/F-converter van cruciaal belang. Het is de component die spanningssignalen omzet in frequentiesignalen en een uitstekende nauwkeurigheid, lineariteit en integrale invoer biedt.

Figuur 8-9 toont het schakelschema van de LM331 V/F-omzetter die wordt gebruikt voor uiterst nauwkeurige V/F-conversie. De LM331 is een geïntegreerde V/F-chip met hoge-prestaties, vervaardigd door FS Microcontroller. Het maakt gebruik van een nieuw temperatuurgecompenseerd bandgap-referentiecircuit, dat een extreem hoge nauwkeurigheid biedt over het gehele bedrijfstemperatuurbereik en bij voedingsspanningen zo laag als 4,0 V.

Bij deze acquisitiemethode wordt het spanningssignaal rechtstreeks omgezet in een frequentiesignaal, dat vervolgens kan worden verwerkt door de tegenpoort van de microcontroller zonder dat A-D-conversie nodig is. Bovendien moeten, als aanvulling op het V/F-conversiecircuit in het batterijcelspanningsacquisitiesysteem, ook overeenkomstige selectiecircuits en operationele versterkercircuits worden ontworpen om meer-kanaals acquisitiefunctionaliteit te bereiken. Bij deze methode zijn minder componenten betrokken, maar de spanningsgestuurde oscillator bevat condensatoren, en de relatieve fout van condensatoren is over het algemeen groot, waarbij grotere condensatoren nog grotere relatieve fouten vertonen.

5. Acquisitiemethode voor lineaire optocoupler-versterkercircuits

Het batterijcelspanningsverwervingscircuit, gebaseerd op een lineaire optocoupler, zorgt voor isolatie tussen het signaalverwervingseinde en het verwerkingseinde, waardoor de stabiliteit en het anti{0}}interferentievermogen van het circuit worden verbeterd. Figuur 8-10 toont de TIL300 lineaire optocoupler, die bestaat uit een fotodiode met geïsoleerde feedback, gesplitst door infrarood LED-verlichting en een uitgangsfotodiode. Speciale procestechnologie wordt gebruikt om de niet-lineariteit van de LED-tijd- en temperatuurkarakteristieken te compenseren, waardoor het uitgangssignaal lineair evenredig wordt met de servolichtstroom die door de LED wordt uitgezonden. De TIL300 heeft een piekisolatie van 3500 V, een bandbreedte groter dan 200 kHz, is geschikt voor geïsoleerde versterking van DC- en AC-signalen en heeft een uitgangsversterkingsstabiliteit van ±0,05%/graad. Zoals uit het diagram blijkt, wordt de spanningswaarde van een enkele batterijcel (het verschil tussen U1 en U2) door operationele versterker A omgezet in een stroomsignaal Ip en stroomt door de lineaire optocoupler TIL300. Na opto-isolatie voert het een huidige Ip2 uit die lineair gerelateerd is aan Ip1. Deze stroom wordt vervolgens door de operationele versterker A2 weer omgezet in een spanningswaarde voor A-D-conversie en data-acquisitie. Het is vermeldenswaard dat de twee uiteinden van de lineaire optocoupler verschillende onafhankelijke voedingen nodig hebben, aangeduid met I+12V en ±12V in het diagram. Dit toont aan dat het lineaire optocoupler-versterkercircuit niet alleen sterke isolatie- en anti-interferentiemogelijkheden heeft, maar ook een goede lineariteit van het analoge signaal handhaaft tijdens transmissie. Daarom kan het worden gebruikt in combinatie met relaisarrays of poortcircuits in meerkanaals acquisitiesystemen. De circuits zijn echter relatief complex en veel factoren kunnen de nauwkeurigheid ervan beïnvloeden.

Methoden voor temperatuurregistratie

De bedrijfstemperatuur van de batterij heeft niet alleen invloed op de prestaties van de batterij, maar houdt ook rechtstreeks verband met de veiligheid van elektrische voertuigen. Daarom is nauwkeurige acquisitie van temperatuurparameters cruciaal. Het verkrijgen van temperatuur is niet moeilijk; de sleutel is het selecteren van een geschikte temperatuursensor. Momenteel zijn er veel temperatuursensoren beschikbaar, zoals thermistors, thermokoppels, thermistortransistors en geïntegreerde temperatuursensoren.

1. Thermistor-acquisitiemethode

Het principe van de thermistorverwervingsmethode is gebaseerd op het kenmerk dat de weerstand van een thermistor verandert met de temperatuur. Een vaste weerstand is in serie geschakeld met de thermistor om een ​​spanningsdeler te vormen, waardoor het temperatuurniveau wordt omgezet in een spanningssignaal. Dit signaal wordt vervolgens omgezet in digitale temperatuurinformatie via analoge-naar-digitale conversie. Thermistoren zijn goedkoop, maar hebben een slechte lineariteit en hebben over het algemeen relatief grote fabricagefouten.

2. Thermokoppel-acquisitiemethode

Het werkingsprincipe van een thermokoppel is dat een bimetaallichaam bij verschillende temperaturen verschillende thermo-elektrische spanningen genereert. Door deze thermo-elektrische potentiaalwaarde te verkrijgen, kan de temperatuurwaarde worden verkregen door een tabel op te zoeken. Omdat de thermo-elektrische potentiaalwaarde alleen afhankelijk is van het materiaal, is de nauwkeurigheid van thermokoppels zeer hoog. Omdat thermo-elektrische spanningen echter signalen op millivolt-niveau zijn, is versterking vereist, waardoor de externe circuits complex worden. Over het algemeen hebben metalen hoge smeltpunten, dus thermokoppels worden doorgaans gebruikt voor metingen bij hoge- temperaturen.

3. Verwervingsmethode voor geïntegreerde temperatuursensor

Omdat temperatuurmetingen steeds gebruikelijker worden in het dagelijks leven en de productie, hebben halfgeleiderfabrikanten veel geïntegreerde temperatuursensoren geïntroduceerd. Hoewel veel van deze sensoren zijn gebaseerd op thermistoren, worden ze tijdens de productie gekalibreerd, wat resulteert in een nauwkeurigheid die vergelijkbaar is met die van thermokoppels. Bovendien kunnen ze rechtstreeks digitale waarden uitvoeren, waardoor ze zeer-geschikt zijn voor gebruik in digitale systemen.

Huidige acquisitiemethoden

Veel voorkomende stroomdetectiemethoden zijn onder meer shunts, transformatoren, Hall-effectstroomsensoren en glasvezelsensoren.

De kenmerken van elke methode worden weergegeven in Tabel 8-1.

Van deze factoren beperken de hoge kosten van glasvezelsensoren de toepassing ervan op het gebied van besturing; shunts zijn goedkoop- en hebben een goede frequentierespons, maar zijn omslachtig in het gebruik omdat ze moeten worden aangesloten op een stroomlus; stroomtransformatoren kunnen alleen worden gebruikt voor AC-metingen; en Hall-elementstroomsensoren bieden goede prestaties en zijn gemakkelijk te gebruiken. Momenteel worden shunts en Hall-elementstroomsensoren het meest gebruikt bij de huidige acquisitie en monitoring van batterijbeheersystemen voor elektrische voertuigen.

Rookdetectiemethoden

Tijdens het gebruik van het voertuig kunnen, als gevolg van complexe wegomstandigheden en inherente productieproblemen met de batterij, extreme noodsituaties zoals rook of brand optreden als gevolg van oververhitting, compressie of botsingen. Als deze incidenten niet onmiddellijk worden opgemerkt en effectief worden aangepakt, zullen ze onvermijdelijk escaleren, waardoor omliggende accu's, het voertuig en het personeel in de bagageruimte in gevaar komen, wat een ernstige impact heeft op de operationele veiligheid van het voertuig. Om dergelijke incidenten te voorkomen, is rookmonitoring de afgelopen jaren geïntroduceerd in batterijbeheersystemen en krijgt deze steeds meer aandacht.

Rooksensoren zijn divers en kunnen worden onderverdeeld in drie hoofdtypen op basis van hun detectieprincipes: ① Rooksensoren die gebruik maken van fysisch-chemische eigenschappen, zoals halfgeleiderrooksensoren en contactverbrandingsrooksensoren; ② Rooksensoren die gebruik maken van fysieke eigenschappen, zoals rooksensoren met thermische geleidbaarheid, rooksensoren met optische interferentie en infraroodsensoren; ③ Rooksensoren die gebruikmaken van elektrochemische eigenschappen, zoals huidige rooksensoren van het -type en gassensoren van het type elektromotorische kracht-. Omdat rooksensoren divers zijn, kunnen halfgeleiderrooksensoren niet alle gassen detecteren. Daarom wordt er gekozen voor een specifiek type om één of twee specifieke soorten rook te detecteren. Oxid-halfgeleiderrooksensoren worden bijvoorbeeld voornamelijk gebruikt om koolwaterstofrook te detecteren, waaronder O₂, H₂S, CO, H₂, O₃H₂O, Cl₂, OH, CO₂, enz. Vanwege elektrodebeperkingen worden deze sensoren voornamelijk gebruikt om anorganische rook te detecteren, zoals O₂, CO₂, H₂, Cl₂, SO₂, enz.

Wanneer rooksensoren worden gebruikt in stroombatterijen, vereist sensorselectie inzicht in de samenstelling van de rook die wordt geproduceerd door de verbranding van batterijen. Over het algemeen produceert de verbranding van batterijen grote hoeveelheden CO en CO2, daarom moeten sensoren worden geselecteerd die gevoelig zijn voor deze twee gassen. De structuur van de sensor moet worden aangepast aan de trillingsomstandigheden bij langdurig -gebruik van voertuigen om valse activeringen als gevolg van wegstof en trillingen te voorkomen.

De rookmelder in het batterijbeheersysteem moet op de bestuurdersconsole worden geïnstalleerd. Bij ontvangst van een alarmsignaal moet het systeem snel een hoorbaar en visueel alarm afgeven en de fout lokaliseren, zodat de bestuurder het alarmsignaal onmiddellijk kan detecteren en ontvangen.

Het rookalarmsysteem dat wordt gebruikt in de Olympische elektrische bus en dat voornamelijk is ontwikkeld door het Beijing Institute of Technology, maakt bijvoorbeeld gebruik van een batterijsysteem dat wordt aangedreven door een 9V-alkaline- of koolstof-zinkbatterij, waardoor een normale werking van het systeem 24 uur per dag wordt gegarandeerd. Het alarmsignaal wordt gevoed door de 24V-batterijvoeding van het voertuig, die apart wordt geleverd om de onafhankelijkheid van het alarmsysteem te garanderen. Gedistribueerde alarmen detecteren rookconcentratie via interne rooksensoren. Wanneer de rookconcentratie onder de limiet komt, stelt de interne controller van het alarm de relaisuitgang in op open circuit; wanneer de rookconcentratie de limiet overschrijdt, stelt de interne controller de relaisuitgang in op kortsluiting, waardoor snel de +24V-voeding naar het displaypaneel wordt getrokken om een ​​alarmcircuit te vormen met de -24V-voeding op het displaypaneel, waarbij een hoorbaar en visueel alarmsignaal wordt afgegeven. De systeemstructuur wordt weergegeven in Figuur 8-11.