اکتساب داده چیست؟

روش های جمع آوری داده ها

روش تشخیص ولتاژ تک سلولی

ماژول اکتساب ولتاژ سلول باتری یک جزء حیاتی از سیستم مدیریت باتری قدرت است. عملکرد و دقت آن، دقت قضاوت سیستم از اطلاعات وضعیت باتری را تعیین می‌کند و بر اجرای مؤثر استراتژی‌های کنترل بعدی تأثیر می‌گذارد. روش های رایج برای تشخیص ولتاژ سلولی شامل روش آرایه رله، روش منبع جریان ثابت، روش اکتساب تقویت کننده عملیاتی ایزوله، روش اکتساب مدار تبدیل ولتاژ/فرکانس، و روش جذب مدار تقویت کننده اپتوکوپلر خطی است.

1. روش آرایه رله

شکل 8 -6 بلوک دیاگرام مدار اکتساب ولتاژ باتری را بر اساس روش آرایه رله نشان می دهد. این شامل یک سنسور ولتاژ پایانه، یک آرایه رله، یک تراشه مبدل A-به-D (آنالوگ به-دیجیتال)، یک اپتوکوپلر و یک مالتی پلکسر است. برای اندازه گیری ولتاژ ترمینال n باتری متصل به صورت سری، n+1 سیم باید به هر گره در بسته باتری متصل شود. هنگام اندازه‌گیری ولتاژ ترمینال m-مین باتری، میکروکنترلر سیگنال کنترلی مربوطه را ارسال می‌کند که رله مناسب را از طریق مالتی پلکسر، کوپلر اپتوکوپلر و مدار درایو رله انتخاب می‌کند و سیم‌های m{11} و m{10}} را به تراشه مبدل A{14}D متصل می‌کند. معمولاً مقاومت دستگاه های سوئیچینگ نسبتاً کم است و خطای ناشی از مقاومت دستگاه های سوئیچینگ پس از ترکیب با مدار تقسیم کننده ولتاژ تقریباً ناچیز است. علاوه بر این، کل ساختار مدار ساده است. فقط مقاومت های تقسیم کننده ولتاژ، تراشه مبدل AD و دقت مرجع ولتاژ بر دقت نتیجه نهایی تأثیر می گذارد. خطاهای مقاومت ها و تراشه معمولاً می تواند بسیار کوچک باشد. بنابراین، روش آرایه رله برای کاربردهایی که نیاز به اندازه‌گیری ولتاژ بالای باتری و دقت بالا دارند، مناسب‌تر است.

2. روش منبع جریان ثابت

اصل اساسی کسب ولتاژ باتری موازی با استفاده از مدار منبع جریان ثابت، تبدیل ولتاژ پایانه باتری به سیگنال جریان خطی در حال تغییر بدون استفاده از مقاومت تبدیل است. این قابلیت ضد تداخل-سیستم را بهبود می بخشد. در بسته باتری تک مرحله ای، به دلیل اینکه ولتاژ پایانه باتری نسبتاً پایین است، معمولاً بین 2 ولت و 5 ولت، ولتاژ در هنگام تخلیه نسبتاً پایدار است، بنابراین قابلیت ضد تداخل سیستم بهبود می یابد. بنابراین، برای دستیابی به این هدف، اغلب در فرآیند طراحی، یک تقویت‌کننده عملیاتی تک کاناله انتخاب می‌شود. به دلیل تفاوت در طراحی و کاربرد مدار، مدارهای منبع جریان ثابت می توانند اشکال مختلفی داشته باشند.

مدار نشان داده شده در شکل 8-7 یکی از این نمونه هاست. این یک مدار منبع جریان ثابت است که از یک تقویت‌کننده عملیاتی سری-و یک ترانزیستور اثر میدانی گیت عایق- تشکیل شده است.

همانطور که از ساختار تقویت کننده عملیاتی مشاهده می شود، این مدار یک مدار تقویت کننده چند مرحله ای مستقیم-با حلقه باز-بالا و بازخورد منفی عمیق است. مرحله ورودی آن از یک مدار تقویت کننده دیفرانسیل استفاده می کند و روی همان تراشه سیلیکونی یکپارچه شده است و در نتیجه عملکرد عالی بین این دو تطابق دارد و مرحله میانی دارای قابلیت تقویت بالایی است. بر اساس اصل مدارهای دیفرانسیل، این مدار دارای قابلیت رد کردن سیگنال حالت مشترک قوی است. بنابراین، هنگام استفاده از تقویت‌کننده عملیاتی برای اندازه‌گیری ولتاژ سلول‌های مجزا در بسته باتری، قابلیت رد کردن و تقویت حالت رایج{7}}دقت اندازه‌گیری را بهبود می‌بخشد. ترانزیستور اثر میدان گیت عایق{{10} (IGFET) یک دستگاه نیمه هادی است که از اثر میدان الکتریکی مدار ورودی برای کنترل جریان مدار خروجی استفاده می کند. هنگامی که در ناحیه مقاومت متغیر کار می کند، جریان تخلیه خروجی I به طور خطی با ولتاژ منبع تخلیه- ورودی Us مرتبط است. علاوه بر این، امپدانس منبع گیت{14}}ترانزیستور بسیار زیاد است و در نتیجه جریان نشتی بسیار کمی ایجاد می‌شود، در حالی که مقاومت منبع تخلیه{16}}خیلی کوچک است و در نتیجه افت ولتاژ بسیار پایین-حالت می‌شود. شکل 8{20}}7 از یک -فیلد بهبود کانال-ترانزیستور اثر-P (FET) استفاده می‌کند، و یک دیود زنر برای حفظ یک گیت-ولتاژ منبع Ucs ثابت وصل شده است. تقویت کننده عملیاتی در ناحیه خطی کار می کند. اگر یک FET با مقاومت روشن کم انتخاب شود، افت ولتاژ در حالت ناچیز است. بنابراین،

قابل دستیابی

در معادلات بالا، تفاوت بین u1 و u2 ولتاژ پایانه باتری و U1 ولتاژ خروجی مدار تقویت کننده عملیاتی معکوس است. به راحتی می توان دید که دیود زنر متصل به خروجی تقویت کننده عملیاتی بازخورد را ارائه می دهد و مدار را در حالت متعادل نگه می دارد. V₀ ↑→ |Uz| ↓→ IL ↓→ |VR| ↓→ VI ↑→ |V₀| ↓. جایی که V₀ ولتاژ خروجی تقویت کننده عملیاتی است. VR ولتاژ مقاومت R1 است. و VI ولتاژ دیفرانسیل ورودی تقویت کننده عملیاتی است، یعنی VI=U1 - U2. هنگامی که مدار در تعادل است، مدار VI=0. منبع جریان ثابت ساختار ساده، قابلیت رد حالت رایج{9}}قوی، دقت اکتساب بالا و عملی بودن خوب دارد.

3. تقویت کننده عملیاتی جداسازی

تقویت کننده عملیات ایزوله یک قطعه الکترونیکی است که قادر به جداسازی الکتریکی سیگنال های آنالوگ است. به طور گسترده ای به عنوان جدا کننده در کنترل فرآیندهای صنعتی و به عنوان رسانه ایزوله در دستگاه های مختلف منبع تغذیه استفاده می شود. به طور کلی از دو بخش تشکیل شده است: یک بخش ورودی و یک بخش خروجی. اینها به طور جداگانه تغذیه می شوند و توسط کوپلینگ مغناطیسی جفت می شوند. سیگنال توسط بخش ورودی مدوله می شود، از لایه ایزوله عبور می کند و سپس توسط بخش خروجی دمودوله شده و بازیابی می شود. تقویت کننده های عملیاتی ایزوله برای مدارهای اکتساب ولتاژ سلول باتری ایده آل هستند. آنها سیگنال ولتاژ ترمینال باتری ورودی را از مدار جدا می کنند، بنابراین از تداخل خارجی جلوگیری می کنند و دقت و قابلیت اطمینان سیستم را بهبود می بخشند. یک مثال کاربردی معمولی در زیر ارائه شده است.

شکل 8.8 کاربرد یک تقویت کننده عملیاتی ایزوله را در سیستم مدیریت باتری 600 ولت نشان می دهد. بسته باتری حاوی 50 باتری سرب{4}}اسید افقی با ولتاژ نامی 12 ولت است و ولتاژ پایانه آنها یک به یک توسط مدار تقویت کننده عملیاتی ایزوله به دست می آید. ISO 122 یک تقویت کننده جداسازی است که با فناوری مدولاسیون و دمدولاسیون بسته بندی شده توسط Black & Decker (BBB) ​​در ایالات متحده طراحی شده است که از فناوری کوپلینگ خازن دقیق و آرایش پین دوگانه (DIP) استفاده می کند. بخش‌های ورودی و خروجی ISO 122 در مدار نمونه‌برداری قرار دارند که توسط دو خازن 1pF همسان جدا شده‌اند که لایه ایزوله را تشکیل می‌دهند. ولتاژ جداسازی نامی بیشتر از 1500 ولت (AC 60 هرتز پیوسته)، با امپدانس جداسازی بالا و دقت بهره بالا و خطی بودن، در نتیجه نیازهای کاربردی کاربردی را برآورده می کند. همانطور که در شکل 8.8 نشان داده شده است، توان ورودی ISO 122 از بسته باتری اتوماتیک گرفته شده و سیگنال خروجی که رابطه خطی با آن دارد، مالتی پلکس شده، سپس به طور خودکار توسط دو مقاومت دقیق که توسط میکروکنترلر کنترل می شود، قبل از ارسال به ورودی تقسیم می شود. برق خروجی توسط ماژول منبع تغذیه روی برد مدار تامین می شود و ولتاژ ترمینال باتری ایزوله می شود. لازم به ذکر است که در مدار اکتساب ولتاژ ترمینال باتری 50 یک اینورتر بعد از مدار تقویت کننده عملیاتی ایزوله اضافه می شود تا سیگنال خروجی را از منفی به مثبت تغییر دهد. همچنین باید به این نکته اشاره کرد که اگرچه مدار اکتساب تقویت کننده عملیاتی ایزوله عملکرد عالی دارد، اما هزینه بالای آن کاربرد گسترده آن را محدود کرده است.

4. روش اکتساب مدار تبدیل ولتاژ/فرکانس

هنگام استفاده از مدار تبدیل ولتاژ/فرکانس (V/F) برای بدست آوردن ولتاژ سلول باتری، مبدل V/F بسیار مهم است. این مؤلفه ای است که سیگنال های ولتاژ را به سیگنال های فرکانس تبدیل می کند و دقت، خطی بودن و ورودی یکپارچه عالی را ارائه می دهد.

شکل 8-9 شماتیک مدار مبدل V/F LM331 مورد استفاده برای تبدیل V/F با دقت بالا-را نشان می‌دهد. LM331 یک تراشه V/F یکپارچه-با کارایی بالا است که توسط میکروکنترلر FS ساخته شده است. این یک مدار مرجع جدید باندگپ جبران‌شده با دما را به کار می‌گیرد که دقت بسیار بالایی را در کل محدوده دمای عملیاتی و در ولتاژهای منبع تغذیه تا 4.0 ولت ارائه می‌کند.

در این روش اکتساب، سیگنال ولتاژ مستقیماً به سیگنال فرکانس تبدیل می‌شود که می‌تواند توسط درگاه شمارنده میکروکنترلر بدون نیاز به تبدیل A{0}} پردازش شود. علاوه بر این، برای تکمیل مدار تبدیل V/F در سیستم اکتساب ولتاژ سلول باتری، مدارهای انتخاب متناظر و مدارهای تقویت کننده عملیاتی نیز باید برای دستیابی به عملکرد اکتساب چند کاناله طراحی شوند. این روش شامل اجزای کمتری است، اما نوسانگر ولتاژ-کنترل شده حاوی خازن‌ها است و خطای نسبی خازن‌ها عموماً زیاد است و خازن‌های بزرگ‌تر خطاهای نسبی حتی بزرگ‌تری را نشان می‌دهند.

5. روش اکتساب مدار تقویت کننده اپتوکوپلر خطی

مدار اکتساب ولتاژ سلول باتری مبتنی بر یک اپتوکوپلر خطی بین انتهای دریافت سیگنال و انتهای پردازش ایزوله می شود و در نتیجه پایداری مدار و قابلیت ضد تداخل- را بهبود می بخشد. شکل 8{14}}10 اپتوکوپلر خطی TIL300 را نشان می‌دهد که از یک فتودیود بازخورد جدا شده با نور LED مادون قرمز و یک دیود نوری خروجی تشکیل شده است. فناوری فرآیند ویژه برای جبران غیرخطی بودن ویژگی‌های زمان و دمای LED استفاده می‌شود و سیگنال خروجی را به صورت خطی با شار نوری سروو ساطع شده توسط LED متناسب می‌کند. TIL300 دارای پیک ایزولاسیون 3500 ولت، پهنای باند بیشتر از 200 کیلوهرتز، برای تقویت ایزوله سیگنال های DC و AC مناسب است و دارای پایداری بهره خروجی ± 0.05% در درجه است. همانطور که از نمودار مشاهده می شود، مقدار ولتاژ یک سلول باتری (تفاوت بین U1 و U2) توسط تقویت کننده عملیاتی A به سیگنال جریان Ip تبدیل می شود و از طریق اپتوکوپلر خطی TIL300 جریان می یابد. پس از ایزوله{18}opto، یک Ip2 فعلی را که به صورت خطی با Ip1 مرتبط است، خروجی می‌دهد. سپس این جریان توسط تقویت کننده عملیاتی A2 برای تبدیل A{23}}D و اکتساب داده به مقدار ولتاژ تبدیل می شود. شایان ذکر است که دو سر اپتوکوپلر خطی به منابع تغذیه مستقل متفاوتی نیاز دارند که در نمودار I{20}}V و ± 12 ولت نشان داده شده است. این نشان می دهد که مدار تقویت کننده اپتوکوپلر خطی نه تنها دارای قابلیت ایزولاسیون و ضد تداخل قوی است، بلکه خطی بودن سیگنال آنالوگ را در طول انتقال نیز حفظ می کند. بنابراین، می توان آن را همراه با آرایه های رله یا مدارهای دروازه ای در سیستم های اکتساب چند کاناله استفاده کرد. با این حال، مدار آن نسبتاً پیچیده است و عوامل زیادی می توانند بر دقت آن تأثیر بگذارند.

روش های جذب دما

دمای کارکرد باتری نه تنها بر عملکرد باتری تأثیر می‌گذارد، بلکه مستقیماً با ایمنی خودروهای الکتریکی نیز ارتباط دارد. بنابراین، بدست آوردن دقیق پارامتر دما بسیار مهم است. به دست آوردن دما دشوار نیست. کلید انتخاب یک سنسور دمای مناسب است. در حال حاضر بسیاری از سنسورهای دما مانند ترمیستورها، ترموکوپل ها، ترانزیستورهای ترمیستور و سنسورهای دمایی یکپارچه در دسترس هستند.

1. روش اکتساب ترمیستور

اصل روش اکتساب ترمیستور مبتنی بر این ویژگی است که مقاومت ترمیستور با دما تغییر می کند. یک مقاومت ثابت به صورت سری به ترمیستور متصل می شود تا یک تقسیم کننده ولتاژ ایجاد کند، بنابراین سطح دما را به یک سیگنال ولتاژ تبدیل می کند. سپس این سیگنال از طریق تبدیل آنالوگ-به دیجیتال به اطلاعات دمای دیجیتال تبدیل می‌شود. ترمیستورها ارزان هستند اما خطی ضعیفی دارند و عموماً خطاهای تولیدی نسبتاً زیادی دارند.

2. روش جذب ترموکوپل

اصل کار ترموکوپل این است که یک بدنه دو فلزی پتانسیل های ترموالکتریک متفاوتی را در دماهای مختلف تولید می کند. با به دست آوردن این مقدار پتانسیل ترموالکتریک، مقدار دما را می توان با جستجوی جدول به دست آورد. از آنجایی که مقدار پتانسیل ترموالکتریک فقط به ماده بستگی دارد، دقت ترموکوپل ها بسیار بالا است. با این حال، از آنجایی که پتانسیل های ترموالکتریک سیگنال های سطح{3} میلی ولت هستند، تقویت لازم است و مدار خارجی را پیچیده می کند. به طور کلی، فلزات دارای نقطه ذوب بالایی هستند، بنابراین معمولاً از ترموکوپل ها برای اندازه گیری دمای{5} بالا استفاده می شود.

3. روش جمع آوری سنسور دما

از آنجایی که اندازه گیری دما در زندگی روزمره و تولید به طور فزاینده ای رایج می شود، تولیدکنندگان نیمه هادی ها سنسورهای دمایی یکپارچه زیادی را معرفی کرده اند. در حالی که بسیاری از این سنسورها بر پایه ترمیستورها ساخته شده اند، اما در حین ساخت کالیبره می شوند و در نتیجه دقتی قابل مقایسه با ترموکوپل ها دارند. علاوه بر این، آنها می‌توانند مستقیماً مقادیر دیجیتالی را تولید کنند و آنها را برای استفاده در سیستم‌های دیجیتال مناسب-می‌کند.

روش های کسب فعلی

روش های رایج تشخیص جریان شامل شنت، ترانسفورماتور، سنسور جریان اثر هال و سنسورهای فیبر نوری است.

ویژگی های هر روش در جدول 8-1 نشان داده شده است.

در میان این عوامل، هزینه بالای سنسورهای فیبر نوری کاربرد آنها را در زمینه کنترل محدود می کند. شنت ها کم-هزینه هستند و پاسخ فرکانسی خوبی دارند، اما استفاده از آنها دشوار است زیرا باید به یک حلقه جاری متصل شوند. ترانسفورماتورهای جریان را فقط می توان برای اندازه گیری AC استفاده کرد. و سنسورهای جریان المان هال عملکرد خوبی را ارائه می دهند و استفاده از آنها آسان است. در حال حاضر، شنت‌ها و حسگرهای جریان عنصر هال بیشتر در جمع‌آوری و نظارت بر سیستم‌های مدیریت باتری برق خودروهای الکتریکی استفاده می‌شوند.

روش های تشخیص دود

در حین کار خودرو، به دلیل شرایط پیچیده جاده و مشکلات ذاتی تولید باتری، ممکن است به دلیل گرمای بیش از حد، فشرده سازی یا برخورد، شرایط اضطراری شدید مانند دود یا آتش سوزی رخ دهد. اگر این حوادث به سرعت شناسایی و به طور مؤثر مورد توجه قرار نگیرند، ناگزیر تشدید خواهند شد و باتری‌های اطراف، خودرو و پرسنل محفظه بار را تهدید می‌کنند و به شدت بر ایمنی عملیاتی خودرو تأثیر می‌گذارند. برای جلوگیری از چنین حوادثی، نظارت بر دود در سال‌های اخیر به سیستم‌های مدیریت باتری وارد شده است و توجه روزافزونی را به خود جلب کرده است.

حسگرهای دود متنوع هستند و می‌توان آنها را بر اساس اصول تشخیص به سه نوع اصلی طبقه‌بندی کرد: ① حسگرهای دود با استفاده از ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی، مانند سنسورهای دود نیمه‌رسانا و حسگرهای دود احتراق تماسی. ② حسگرهای دود با استفاده از ویژگی‌های فیزیکی، مانند سنسورهای دود هدایت حرارتی، سنسورهای دود تداخل نوری و سنسورهای مادون قرمز. ③ حسگرهای دود با استفاده از خواص الکتروشیمیایی، مانند حسگرهای گاز نوع-نوع سنسور دود و نیروی الکتروموتور{1}}. از آنجایی که حسگرهای دود متنوع هستند، حسگرهای دود نیمه هادی نمی توانند همه گازها را تشخیص دهند. بنابراین، یک نوع خاص برای تشخیص یک یا دو نوع خاص دود انتخاب می شود. به عنوان مثال، سنسورهای دود نیمه هادی اکسید عمدتاً برای تشخیص دود هیدروکربن استفاده می شود، از جمله O2، H2S، CO، H2، O3H2O، Cl2، OH، CO2، و غیره. SO2 و غیره

هنگامی که از حسگرهای دود در باتری های برق استفاده می شود، انتخاب حسگر مستلزم درک ترکیب دود تولید شده توسط احتراق باتری است. به طور کلی، احتراق باتری مقادیر زیادی CO و CO2 تولید می کند، بنابراین سنسورهای حساس به این دو گاز باید انتخاب شوند. ساختار سنسور باید با شرایط ارتعاش استفاده طولانی مدت از وسیله نقلیه سازگار شود تا از تحریک نادرست ناشی از گرد و غبار و لرزش جاده جلوگیری شود.

دستگاه هشدار دود در سیستم مدیریت باتری برق باید بر روی کنسول راننده نصب شود. به محض دریافت سیگنال آلارم، باید به سرعت یک زنگ هشدار صوتی و تصویری و محل خطا صادر کند، تا اطمینان حاصل شود که راننده می تواند به سرعت سیگنال هشدار را شناسایی و دریافت کند.

به عنوان مثال، سیستم هشدار دود مورد استفاده در اتوبوس برقی المپیک، که عمدتاً توسط موسسه فناوری پکن توسعه داده شده است، از یک سیستم باتری استفاده می‌کند که توسط یک باتری 9 ولتی قلیایی یا کربنی-روی تغذیه می‌شود و عملکرد عادی 24 ساعته را تضمین می‌کند. سیگنال هشدار توسط منبع تغذیه باتری 24 ولت خودرو تامین می شود که برای اطمینان از استقلال سیستم دزدگیر به طور جداگانه عرضه می شود. آلارم های توزیع شده غلظت دود را از طریق سنسورهای دود داخلی تشخیص می دهند. هنگامی که غلظت دود کمتر از حد مجاز است، کنترل کننده داخلی آلارم خروجی رله را روی مدار باز تنظیم می کند. هنگامی که غلظت دود از حد مجاز فراتر رفت، کنترل‌کننده داخلی خروجی رله را روی اتصال کوتاه تنظیم می‌کند و به سرعت منبع تغذیه +24V را به صفحه نمایش می‌کشد تا یک مدار هشدار با منبع تغذیه -24 ولت روی صفحه نمایش ایجاد کند و یک سیگنال هشدار صوتی و تصویری منتشر می‌کند. ساختار سیستم در شکل 8-11 نشان داده شده است.