ما هو الحصول على البيانات؟

طرق الحصول على البيانات

تعد وحدة اكتساب جهد خلية البطارية عنصرًا حاسمًا في نظام إدارة بطارية الطاقة. ويحدد أدائها ودقتها دقة حكم النظام على معلومات حالة البطارية، ويؤثران بشكل أكبر على التنفيذ الفعال لاستراتيجيات التحكم اللاحقة. تشمل الطرق الشائعة الاستخدام للكشف عن جهد الخلية طريقة صفيف التتابع، وطريقة مصدر التيار الثابت، وطريقة اكتساب مضخم التشغيل المعزول، وطريقة اكتساب دائرة تحويل الجهد/التردد، وطريقة اكتساب دائرة مكبر الصوت البصري الخطي.

يوضح الشكل 8-6 الرسم التخطيطي لدائرة اكتساب جهد البطارية بناءً على طريقة صفيف التتابع. وهو يتألف من مستشعر جهد طرفي، ومصفوفة ترحيل، وشريحة محول A-D (تناظرية- إلى - رقمية)، ومقرنة ضوئية، ومُضاعِف إرسال. لقياس الجهد الطرفي للبطاريات n المتصلة على التوالي، يجب توصيل أسلاك n+1 بكل عقدة في حزمة البطارية. عند قياس الجهد الطرفي للبطارية m-، يرسل المتحكم الدقيق إشارة تحكم مقابلة، والتي تحدد المرحل المناسب من خلال دائرة محرك معدد الإرسال والمقرنة الضوئية والمرحل، وتوصيل الأسلاك m-th وm+1-th إلى شريحة المحول A-D. عادةً ما تكون مقاومة أجهزة التبديل صغيرة نسبيًا، ويكون الخطأ الناتج عن مقاومة أجهزة التبديل ضئيلًا تقريبًا بعد دمجها مع دائرة مقسم الجهد. علاوة على ذلك، فإن بنية الدائرة بأكملها بسيطة؛ فقط مقاومات مقسم الجهد ورقاقة محول AD والدقة المرجعية للجهد تؤثر على دقة النتيجة النهائية. يمكن عادة أن تكون أخطاء المقاومات والرقاقة صغيرة جدًا. ولذلك، فإن طريقة صفيف التتابع هي الأكثر ملاءمة للتطبيقات التي تتطلب قياسات جهد فردية عالية للبطارية ودقة عالية.

Schematic Diagram of Battery Voltage Acquisition Circuit Based on Capacitor Array

المبدأ الأساسي لاكتساب جهد البطارية المتوازي باستخدام دائرة مصدر تيار ثابت هو تحويل جهد طرف البطارية إلى إشارة تيار متغيرة خطيًا دون استخدام مقاوم تحويل. يؤدي هذا إلى تحسين قدرة النظام على مقاومة-التداخل. في حزمة بطارية -مرحلة واحدة، نظرًا لأن الجهد الطرفي للبطارية منخفض نسبيًا، بشكل عام بين 2 فولت و5 فولت، يكون الجهد مستقرًا نسبيًا أثناء التفريغ، وبالتالي تحسين قدرة النظام على مقاومة -التداخل. ولذلك، غالبًا ما يتم اختيار مضخم تشغيلي لقناة واحدة-في عملية التصميم لتحقيق ذلك. بسبب الاختلافات في تصميم الدوائر وتطبيقها، يمكن أن تتخذ دوائر مصدر التيار الثابت العديد من الأشكال المختلفة.

الدائرة الموضحة في الشكل 8-7 هي أحد الأمثلة على ذلك؛ إنها دائرة مصدر تيار ثابت مكونة من سلسلة -مضخم تشغيلي محدد وترانزستور بوابة تأثير المجال المعزول-.

Figure 8-7 Subtraction constant current source circuit composed of an operational amplifier and an insulated-gate field-effect transistor.

كما يتبين من هيكل مكبر الصوت التشغيلي، فإن هذه الدائرة عبارة عن دائرة مكبر صوت مقترن متعدد-مباشر-مباشر مع كسب حلقة -مفتوح عالي وردود فعل سلبية عميقة. تستخدم مرحلة الإدخال دائرة مضخم تفاضلي ومدمجة على نفس شريحة السيليكون، مما يؤدي إلى مطابقة أداء ممتازة بين الاثنين، وتتمتع المرحلة المتوسطة بقدرة تضخيم عالية. استنادًا إلى مبدأ الدوائر التفاضلية، تتمتع هذه الدائرة بقدرة قوية على رفض إشارة الوضع المشترك-. لذلك، عند استخدام مضخم تشغيلي لقياس جهد الخلايا الفردية في حزمة البطارية، فإن قدرة الرفض والتضخيم العالية للوضع الشائع- ستؤدي إلى تحسين دقة القياس. ترانزستور تأثير-مجال البوابة- المعزول (IGFET) هو جهاز شبه موصل يستخدم تأثير المجال الكهربائي لدائرة الإدخال للتحكم في تيار دائرة الخرج. عندما يعمل في منطقة المقاومة المتغيرة، فإن تيار استنزاف الخرج I يرتبط خطيًا بجهد مصدر استنزاف المدخلات - Us. علاوة على ذلك، فإن مقاومة مصدر البوابة-للترانزستور عالية جدًا، مما يؤدي إلى تسرب تيار صغير جدًا، بينما يكون مصدر التصريف-على المقاومة-صغيرًا جدًا، مما يؤدي إلى انخفاض شديد في-حالة انخفاض الجهد. يستخدم الشكل 8-7 مجال وضع تحسين القناة P-P-ترانزستور التأثير (FET)، ويتم توصيل صمام ثنائي زينر للحفاظ على بوابة ثابتة-جهد مصدر Ucs. يعمل مكبر الصوت التشغيلي في المنطقة الخطية. إذا تم تحديد مقاومة منخفضة -FET، فإن انخفاض الجهد في الحالة يكون ضئيلًا. لذلك،

2. Constant Current Source Method

يمكن تحقيقه

2. Constant Current Source Method

في المعادلات المذكورة أعلاه، الفرق بين u₁ وu₂ هو الجهد الطرفي للبطارية، وU₁ هو جهد الخرج لدائرة مضخم التشغيل المقلوب. من السهل أن نرى أن صمام زينر الثنائي المتصل بمخرج مضخم التشغيل يوفر ردود فعل، مما يحافظ على توازن الدائرة. V₀ ↑→ |Uz| ↓→ إيل ↓→ |VR| ↓→ VI ↑→ |V₀| ↓. حيث V₀ هو جهد الخرج لمضخم التشغيل؛ VR هو الجهد عبر المقاوم R₁؛ وVI هو الجهد التفاضلي لدخل مكبر الصوت التشغيلي، أي VI=U₁ - U₂. عندما تكون الدائرة في حالة توازن، VI=0. تتمتع دائرة مصدر التيار الثابت ببنية بسيطة وقدرة قوية على رفض الوضع المشترك- ودقة اكتساب عالية وعملية جيدة.

مضخم التشغيل المعزول هو مكون إلكتروني قادر على عزل الإشارات التناظرية كهربائيًا. يتم استخدامه على نطاق واسع كعوازل في التحكم في العمليات الصناعية وكوسائط عزل في أجهزة إمداد الطاقة المختلفة. ويتكون بشكل عام من جزأين: قسم الإدخال وقسم الإخراج. يتم تشغيلها بشكل منفصل ومقترنة بالاقتران المغناطيسي. يتم تعديل الإشارة بواسطة قسم الإدخال، وتمر عبر طبقة العزل، ثم يتم إزالة تشكيلها واستعادتها بواسطة قسم الإخراج. تعتبر مكبرات الصوت التشغيلية المعزولة مثالية لدوائر اكتساب جهد خلية البطارية. إنها تعزل إشارة جهد طرف البطارية المدخلة عن الدائرة، وبالتالي تجنب التداخل الخارجي وتحسين دقة وموثوقية الحصول على النظام. ويرد أدناه مثال تطبيق نموذجي.

يوضح الشكل 8.8 تطبيق مضخم تشغيلي معزول في نظام إدارة بطارية طاقة 600 فولت. تحتوي مجموعة البطارية على 50 بطارية حمضية أفقية- بجهد مقدر يبلغ 12 فولت، ويتم الحصول على جهودها الطرفية واحدة تلو الأخرى بواسطة دائرة مضخم التشغيل المعزول. ISO 122 عبارة عن مضخم عزل تم تصميمه باستخدام تقنية التعديل وإزالة التشكيل التي تم حزمها بواسطة Black & Decker (BBB) في الولايات المتحدة، باستخدام تقنية اقتران المكثفات الدقيقة وترتيب الدبوس التقليدي المزدوج -في-الخط (DIP). توجد أقسام الإدخال والإخراج الخاصة بمعيار ISO 122 في دائرة أخذ العينات، مفصولة بمكثفين متطابقين 1pF يشكلان طبقة عزل. جهد العزل المقدر أكبر من 1500 فولت (AC 60 هرتز مستمر)، مع مقاومة عزل عالية ودقة كسب عالية وخطية، وبالتالي تلبية متطلبات التطبيق العملي. كما هو موضح في الشكل 8.8، يتم سحب طاقة الإدخال ISO 122 من حزمة البطارية الأوتوماتيكية، ويتم مضاعفة إرسال إشارة الخرج، التي لها علاقة خطية معها، ثم يتم تقسيمها تلقائيًا بواسطة مقاومتين دقيقتين يتحكم فيهما المتحكم الدقيق قبل إرسالها إلى الإدخال. يتم توفير الطاقة الناتجة عن طريق وحدة إمداد الطاقة الموجودة على لوحة الدائرة، ويتم عزل جهد طرف البطارية. تجدر الإشارة إلى أنه في دائرة اكتساب الجهد الطرفي للبطارية الخمسين، يتم إضافة عاكس بعد دائرة مضخم التشغيل المعزول لتغيير إشارة الخرج من السالب إلى الموجب. تجدر الإشارة أيضًا إلى أنه على الرغم من أن دائرة اقتناء مكبر الصوت التشغيلي المعزول تتمتع بأداء ممتاز، إلا أن تكلفتها العالية قد حدت من تطبيقها على نطاق واسع.

عند استخدام دائرة تحويل الجهد/التردد (V/F) للحصول على جهد خلية البطارية، يعد محول V/F أمرًا بالغ الأهمية. إنه المكون الذي يحول إشارات الجهد إلى إشارات تردد، مما يوفر دقة ممتازة وخطية وإدخال متكامل.

Figure 8-8 Application of an isolation operational amplifier in a 600V power battery pack management system

يوضح الشكل 8-9 مخطط الدائرة لمحول LM331 V/F المستخدم لتحويل V/F عالي الدقة-. إن LM331 عبارة عن شريحة V/F مدمجة عالية الأداء- تم تصنيعها بواسطة وحدة التحكم الدقيقة FS. إنها تستخدم دائرة مرجعية جديدة لفجوة النطاق المعوضة لدرجة الحرارة، مما يوفر دقة عالية للغاية عبر نطاق درجة حرارة التشغيل بالكامل وفي جهد كهربائي منخفض يصل إلى 4.0 فولت.

Figure 8-9 Circuit schematic of LM331 V/F converter used for high-precision V/F conversion

في طريقة الاكتساب هذه، يتم تحويل إشارة الجهد مباشرة إلى إشارة تردد، والتي يمكن بعد ذلك معالجتها بواسطة منفذ عداد وحدة التحكم الدقيقة دون الحاجة إلى تحويل A-D. علاوة على ذلك، لاستكمال دائرة تحويل V/F في نظام اكتساب جهد خلية البطارية، يجب أيضًا تصميم دوائر الاختيار المقابلة ودوائر مضخم التشغيل لتحقيق وظيفة اكتساب القنوات المتعددة-. تتضمن هذه الطريقة مكونات أقل، لكن المذبذب الذي يتم التحكم فيه بالجهد -يحتوي على مكثفات، ويكون الخطأ النسبي للمكثفات كبيرًا بشكل عام، حيث تظهر المكثفات الأكبر أخطاء نسبية أكبر.

تحقق دائرة الحصول على جهد خلية البطارية المستندة إلى optocoupler الخطي العزل بين طرف الحصول على الإشارة ونهاية المعالجة، وبالتالي تحسين استقرار الدائرة والقدرة على مكافحة -التداخل. يوضح الشكل 8-10 وحدة optocoupler الخطية TIL300، والتي تتكون من صمام ثنائي ضوئي معزول للتغذية المرتدة متشعب بواسطة إضاءة LED بالأشعة تحت الحمراء وصمام ثنائي ضوئي للإخراج. يتم استخدام تقنية المعالجة الخاصة للتعويض عن عدم خطية خصائص وقت ودرجة الحرارة LED، مما يجعل إشارة الخرج متناسبة خطيًا مع التدفق الضوئي المؤازر المنبعث من LED. يتمتع TIL300 بعزلة قصوى تبلغ 3500 فولت، وعرض نطاق أكبر من 200 كيلو هرتز، وهو مناسب للتضخيم المعزول لإشارات التيار المستمر والتيار المتردد، وله ثبات في الحصول على الإخراج بنسبة ± 0.05%/درجة. كما يتبين من الرسم البياني، يتم تحويل قيمة الجهد لخلية بطارية واحدة (الفرق بين U1 وU2) إلى إشارة Ip الحالية بواسطة مضخم التشغيل A وتتدفق عبر optocoupler الخطي TIL300. بعد عزل opto-، يتم إخراج Ip2 الحالي المرتبط خطيًا بـ Ip1. يتم بعد ذلك تحويل هذا التيار مرة أخرى إلى قيمة الجهد بواسطة مضخم التشغيل A2 لتحويل A-D والحصول على البيانات. تجدر الإشارة إلى أن طرفي optocoupler الخطي يتطلبان مصادر طاقة مستقلة مختلفة، تسمى I+12V و±12V في الرسم التخطيطي. يوضح هذا أن دائرة مكبر الصوت optocoupler الخطية لا تتمتع فقط بقدرات عزل قوية ومقاومة للتداخل- ولكنها تحافظ أيضًا على خطية جيدة للإشارة التناظرية أثناء الإرسال. لذلك، يمكن استخدامه مع صفائف التتابع أو دوائر البوابات في أنظمة الاستحواذ متعددة القنوات. ومع ذلك، فإن دوائرها معقدة نسبيًا، ويمكن أن تؤثر العديد من العوامل على دقتها.

Figure 8-10 Schematic diagram of battery cell voltage acquisition circuit based on linear optocoupler TIL300

لا تؤثر درجة حرارة تشغيل البطارية على أداء البطارية فحسب، بل ترتبط أيضًا بشكل مباشر بسلامة المركبات الكهربائية. ولذلك، الحصول على معلمة درجة الحرارة دقيقة أمر بالغ الأهمية. الحصول على درجة الحرارة ليس بالأمر الصعب؛ المفتاح هو اختيار مستشعر درجة الحرارة المناسب. حاليًا، تتوفر العديد من أجهزة استشعار درجة الحرارة، مثل الثرمستورات، والمزدوجات الحرارية، والترانزستورات الثرمستور، وأجهزة استشعار درجة الحرارة المتكاملة.

يعتمد مبدأ طريقة الحصول على الثرمستور على خاصية تغير مقاومة الثرمستور مع درجة الحرارة. يتم توصيل مقاومة ثابتة على التوالي مع الثرمستور لتشكيل مقسم جهد، وبالتالي تحويل مستوى درجة الحرارة إلى إشارة جهد. يتم بعد ذلك تحويل هذه الإشارة إلى معلومات درجة الحرارة الرقمية من خلال التحويل التناظري -إلى-الرقمي. الثرمستورات غير مكلفة ولكنها ذات خطية ضعيفة ولها عمومًا أخطاء تصنيع كبيرة نسبيًا.

مبدأ عمل المزدوجة الحرارية هو أن الجسم ثنائي المعدن يولد إمكانات كهروحرارية مختلفة عند درجات حرارة مختلفة. من خلال الحصول على هذه القيمة المحتملة الحرارية، يمكن الحصول على قيمة درجة الحرارة من خلال البحث عن الجدول. نظرًا لأن قيمة الجهد الحراري تعتمد فقط على المادة، فإن دقة المزدوجات الحرارية تكون عالية جدًا. ومع ذلك، نظرًا لأن الجهد الكهربي الحراري عبارة عن إشارات على مستوى الميليفولت-، فإن التضخيم مطلوب، مما يجعل الدوائر الخارجية معقدة. بشكل عام، تتمتع المعادن بنقاط انصهار عالية، لذلك تُستخدم المزدوجات الحرارية عادةً لقياسات درجات الحرارة العالية-.

نظرًا لأن قياس درجة الحرارة أصبح شائعًا بشكل متزايد في الحياة اليومية والإنتاج، فقد أدخلت الشركات المصنعة لأشباه الموصلات العديد من أجهزة استشعار درجة الحرارة المتكاملة. في حين أن العديد من هذه المستشعرات تعتمد على الثرمستورات، إلا أنه تتم معايرتها أثناء التصنيع، مما يؤدي إلى دقة مماثلة للمزدوجات الحرارية. علاوة على ذلك، يمكنها إخراج القيم الرقمية مباشرةً، مما يجعلها-مناسبة تمامًا للاستخدام في الأنظمة الرقمية.

تشمل طرق الكشف الحالية الشائعة التحويلات والمحولات وأجهزة استشعار تيار تأثير هول وأجهزة استشعار الألياف الضوئية.

وتظهر خصائص كل طريقة في الجدول 8-1.

غرض	ناور	محول	مستشعر تيار عنصر القاعة	مستشعر الألياف البصرية
فقدان الإدراج	نعم	لا	لا	لا
نموذج الترتيب	تحتاج إلى إدراجها في الدائرة الرئيسية	فتحة مفتوحة، وصول سلكي	فتحة مفتوحة، وصول سلكي	-
كائن القياس	تيار مستمر، تيار متردد، نبض	تكييف	تيار مستمر، تيار متردد، نبض	العاصمة، التيار المتردد
العزل الكهربائي	لا العزلة	معزول	معزول	معزول
سهولة الاستخدام	تضخيم الإشارة الصغيرة، تحتاج إلى معالجة العزل	سهل الاستخدام نسبيًا	سهل الاستخدام	-
سيناريو التطبيق	تيار صغير، قياس التحكم	قياس التيار المتردد ومراقبة شبكة الكهرباء	قياس التحكم	يُستخدم بشكل شائع في أنظمة الطاقة- ذات الجهد العالي
سعر	منخفضة نسبيا	قليل	عالية نسبيا	عالي
مستوى التعميم	شعبية	شعبية	شعبية نسبيا	غير مشهورة

ومن بين هذه العوامل، فإن التكلفة العالية لأجهزة استشعار الألياف الضوئية تحد من تطبيقها في مجال التحكم؛ تعتبر التحويلات منخفضة التكلفة-وتتمتع باستجابة ترددية جيدة، ولكنها مرهقة في الاستخدام حيث يجب أن تكون متصلة بالحلقة الحالية؛ لا يمكن استخدام محولات التيار إلا لقياسات التيار المتردد؛ وتوفر أجهزة الاستشعار الحالية لعنصر Hall أداءً جيدًا وسهلة الاستخدام. في الوقت الحالي، تُستخدم أجهزة الاستشعار الحالية للتحويلات وعنصر Hall بشكل شائع في الاستحواذ الحالي ومراقبة أنظمة إدارة بطاريات طاقة المركبات الكهربائية.

أثناء تشغيل السيارة، وبسبب ظروف الطريق المعقدة والمشكلات الكامنة في تصنيع البطاريات، قد تحدث حالات طوارئ شديدة مثل الدخان أو الحريق بسبب ارتفاع درجة الحرارة أو الضغط أو الاصطدامات. إذا لم يتم الكشف عن هذه الحوادث ومعالجتها بشكل فعال على الفور، فسوف تتصاعد حتماً، مما يهدد البطاريات المحيطة والمركبة والأفراد الموجودين في مقصورة الشحن، مما يؤثر بشدة على السلامة التشغيلية للمركبة. ولمنع مثل هذه الحوادث، تم إدخال مراقبة الدخان في أنظمة إدارة البطاريات في السنوات الأخيرة وهي تحظى باهتمام متزايد.

أجهزة استشعار الدخان متنوعة ويمكن تصنيفها إلى ثلاثة أنواع رئيسية بناءً على مبادئ الكشف الخاصة بها: ① أجهزة استشعار الدخان التي تستخدم الخصائص الفيزيائية والكيميائية، مثل أجهزة استشعار الدخان شبه الموصلة وأجهزة استشعار دخان الاحتراق بالتلامس؛ ② أجهزة استشعار الدخان التي تستخدم الخصائص الفيزيائية، مثل أجهزة استشعار الدخان ذات التوصيل الحراري، وأجهزة استشعار الدخان ذات التداخل البصري، وأجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء؛ ③ أجهزة استشعار الدخان التي تستخدم الخصائص الكهروكيميائية، مثل أجهزة استشعار الدخان من النوع -التيار وأجهزة استشعار الغاز من النوع -القوة الدافعة الكهربائية. ونظرًا لتنوع أجهزة استشعار الدخان، لا تستطيع أجهزة استشعار الدخان شبه الموصلة اكتشاف جميع الغازات. ولذلك يتم اختيار نوع معين للكشف عن نوع أو نوعين محددين من الدخان. على سبيل المثال، تُستخدم مستشعرات دخان أشباه الموصلات الأكسيدية بشكل أساسي للكشف عن دخان الهيدروكربون، بما في ذلك O₂ وH₂S وCO وH₂ وO₃H₂O وCl₂ وOH وCO₂، وما إلى ذلك. نظرًا لقيود الإلكترود، تُستخدم هذه المستشعرات بشكل أساسي للكشف عن الدخان غير العضوي، مثل O₂، CO₂، H₂، Cl₂، SO₂، إلخ.

عند استخدام أجهزة استشعار الدخان في بطاريات الطاقة، يتطلب اختيار أجهزة الاستشعار فهم تركيبة الدخان الناتج عن احتراق البطارية. بشكل عام، ينتج عن احتراق البطارية كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون، لذلك يجب اختيار أجهزة استشعار حساسة لهذين الغازين. يجب أن يتكيف هيكل المستشعر مع ظروف الاهتزاز الناتجة عن استخدام السيارة على المدى الطويل-لمنع التشغيل الخاطئ بسبب غبار الطريق والاهتزاز.

يجب تثبيت جهاز إنذار الدخان الموجود في نظام إدارة بطارية الطاقة على وحدة تحكم السائق. عند تلقي إشارة إنذار، يجب أن يصدر بسرعة إنذارًا مسموعًا ومرئيًا وموقع الخطأ، مما يضمن أن السائق يمكنه اكتشاف إشارة الإنذار واستقبالها على الفور.

على سبيل المثال، يستخدم نظام إنذار الدخان المستخدم في الحافلة الكهربائية الأولمبية، والذي تم تطويره بشكل أساسي بواسطة معهد بكين للتكنولوجيا، نظام بطارية مدعوم ببطارية قلوية أو كربونية-}زنك 9 فولت، مما يضمن التشغيل العادي على مدار 24 ساعة. يتم تشغيل إشارة الإنذار بواسطة مصدر طاقة بطارية السيارة 24 فولت، والذي يتم توفيره بشكل منفصل لضمان استقلالية نظام الإنذار. تكتشف أجهزة الإنذار الموزعة تركيز الدخان من خلال أجهزة استشعار الدخان الداخلية. عندما يكون تركيز الدخان أقل من الحد المسموح به، تقوم وحدة التحكم الداخلية للإنذار بضبط خرج التتابع على الدائرة المفتوحة؛ عندما يتجاوز تركيز الدخان الحد، تقوم وحدة التحكم الداخلية بضبط خرج التتابع على دائرة قصر، مما يؤدي بسرعة إلى سحب مصدر الطاقة +24V إلى لوحة العرض لتشكيل دائرة إنذار مع مصدر الطاقة -24 فولت على لوحة العرض، مما ينبعث منه إشارة إنذار مسموعة ومرئية. يظهر هيكل النظام في الشكل 8-11.

Figure 8-11 Vehicle Smoke Alarm System Structure