Qu’est-ce que l’acquisition de données ?

Méthodes d'acquisition de données

Méthode de détection de tension à cellule unique

Le module d'acquisition de la tension des cellules de la batterie est un composant crucial du système de gestion de la batterie de puissance. Ses performances et sa précision déterminent l'exactitude du jugement du système sur les informations sur l'état de la batterie et affectent en outre la mise en œuvre efficace des stratégies de contrôle ultérieures. Les méthodes couramment utilisées pour détecter la tension des cellules comprennent la méthode de réseau de relais, la méthode de source de courant constant, la méthode d'acquisition d'amplificateur opérationnel isolé, la méthode d'acquisition de circuit de conversion tension/fréquence et la méthode d'acquisition de circuit d'amplificateur optocoupleur linéaire.

1. Méthode de réseau de relais

La figure 8-6 montre le schéma fonctionnel d'un circuit d'acquisition de tension de batterie basé sur la méthode du réseau de relais. Il se compose d'un capteur de tension aux bornes, d'un réseau de relais, d'une puce de conversion A-D (analogique-vers-numérique), d'un optocoupleur et d'un multiplexeur. Pour mesurer la tension aux bornes de n batteries connectées en série, n+1 fils doivent être connectés à chaque nœud de la batterie. Lors de la mesure de la tension aux bornes de la m-ème batterie, le microcontrôleur envoie un signal de commande correspondant, qui sélectionne le relais approprié via le multiplexeur, l'optocoupleur et le circuit de commande de relais, connectant les m-ème et m+1-ème fils à la puce du convertisseur A-D. Généralement, la résistance des dispositifs de commutation est relativement faible et l'erreur provoquée par la résistance des dispositifs de commutation est presque négligeable après combinaison avec un circuit diviseur de tension. De plus, la structure entière du circuit est simple ; seules les résistances du diviseur de tension, la puce du convertisseur AD et la précision de la référence de tension affectent la précision du résultat final. Les erreurs des résistances et de la puce peuvent généralement être très faibles. Par conséquent, la méthode du réseau de relais est la plus adaptée aux applications nécessitant des mesures de tension de batterie individuelles élevées et une grande précision.

2. Méthode de source de courant constant

Le principe de base de l'acquisition parallèle de la tension de la batterie à l'aide d'un circuit source de courant constant est de convertir la tension aux bornes de la batterie en un signal de courant à variation linéaire sans utiliser de résistance de conversion. Cela améliore la capacité anti-interférence du système. Dans une batterie à un seul étage-, étant donné que la tension aux bornes de la batterie est relativement faible, généralement entre 2 V et 5 V, la tension est relativement stable pendant la décharge, améliorant ainsi la capacité anti-anti-interférence du système. Par conséquent, un amplificateur opérationnel à canal unique-est souvent choisi dans le processus de conception pour y parvenir. En raison des différences dans la conception et l’application des circuits, les circuits à source de courant constant peuvent prendre de nombreuses formes différentes.

Le circuit illustré à la figure 8-7 en est un exemple ; il s'agit d'un circuit source de courant constant composé d'un amplificateur opérationnel à sélection série-et d'un transistor à effet de champ à grille isolée-.

Comme le montre la structure de l'amplificateur opérationnel, ce circuit est un circuit amplificateur à couplage direct à plusieurs-étages-avec un gain en boucle ouverte-élevé et une rétroaction négative profonde. Son étage d'entrée utilise un circuit amplificateur différentiel et est intégré sur la même puce de silicium, ce qui entraîne une excellente correspondance des performances entre les deux, et l'étage intermédiaire a une capacité d'amplification élevée. Basé sur le principe des circuits différentiels, ce circuit possède une forte capacité de rejet de signal en mode commun-. Par conséquent, lorsque vous utilisez un amplificateur opérationnel pour mesurer la tension de cellules individuelles dans une batterie, la capacité élevée de réjection et d'amplification du mode commun - améliorera la précision de la mesure. Un transistor à effet de champ de grille isolé (IGFET) (IGFET) est un dispositif semi-conducteur qui utilise l'effet de champ électrique du circuit d'entrée pour contrôler le courant du circuit de sortie. Lorsqu'il fonctionne dans la région de résistance variable, le courant de drain de sortie I est linéairement lié à la tension de source de drain d'entrée - Us. De plus, l'impédance grille-source du transistor est très élevée, ce qui entraîne un très faible courant de fuite, tandis que la résistance drain-source sur-est très faible, ce qui entraîne une très faible chute de tension à l'état passant.-. La figure 8-7 utilise un transistor à effet de champ (FET) en mode d'amélioration de canal P-à amélioration de canal--et une diode Zener est connectée pour maintenir une tension de source Ucs de grille-constante. L'amplificateur opérationnel fonctionne dans la région linéaire. Si un FET à faible résistance à l'état passant est sélectionné, la chute de tension à l'état passant est négligeable. Donc,

réalisable

Dans les équations ci-dessus, la différence entre u₁ et u₂ est la tension aux bornes de la batterie et U₁ est la tension de sortie du circuit amplificateur opérationnel inverseur. Il est facile de voir que la diode Zener connectée à la sortie de l'amplificateur opérationnel fournit une rétroaction, maintenant le circuit dans un état équilibré. V₀ ↑→ |Uz| ↓→ IL ↓→ |VR| ↓→ VI ↑→ |V₀| ↓. Où V₀ est la tension de sortie de l'amplificateur opérationnel ; VR est la tension aux bornes de la résistance R₁ ; et VI est la tension différentielle d'entrée de l'amplificateur opérationnel, c'est-à-dire VI=U₁ - U₂. Lorsque le circuit est en équilibre, VI=0. Le circuit source de courant constant a une structure simple, une forte capacité de réjection en mode commun -, une précision d'acquisition élevée et une bonne praticité.

3. Amplificateur opérationnel d'isolation

Un amplificateur opérationnel d'isolation est un composant électronique capable d'isoler électriquement les signaux analogiques. Il est largement utilisé comme isolateur dans le contrôle des processus industriels et comme support d'isolation dans divers dispositifs d'alimentation électrique. Il se compose généralement de deux parties : une section d’entrée et une section de sortie. Ceux-ci sont alimentés séparément et couplés par couplage magnétique. Le signal est modulé par la section d'entrée, traverse la couche d'isolation, puis est démodulé et restitué par la section de sortie. Les amplificateurs opérationnels d'isolation sont idéaux pour les circuits d'acquisition de tension des cellules de batterie. Ils isolent le signal de tension aux bornes de la batterie d'entrée du circuit, évitant ainsi les interférences externes et améliorant la précision et la fiabilité de l'acquisition du système. Un exemple d’application typique est fourni ci-dessous.

La figure 8.8 montre l'application d'un amplificateur opérationnel d'isolation dans un système de gestion de batterie de puissance 600 V. Le bloc de batteries contient 50 batteries au plomb horizontales-avec une tension nominale de 12 V, et leurs tensions aux bornes sont acquises une par une par le circuit amplificateur opérationnel d'isolation. L'ISO 122 est un amplificateur d'isolation conçu avec la technologie de modulation et de démodulation emballée par Black & Decker (BBB) ​​​​​​aux États-Unis, utilisant une technologie de couplage de condensateur de précision et une disposition conventionnelle de broches double-en-ligne (DIP). Les sections d'entrée et de sortie de la norme ISO 122 sont situées dans le circuit d'échantillonnage, séparées par deux condensateurs 1pF adaptés formant une couche d'isolation. La tension d'isolation nominale est supérieure à 1 500 V (AC 60 Hz continu), avec une impédance d'isolation élevée et une précision et une linéarité de gain élevées, répondant ainsi aux exigences pratiques des applications. Comme le montre la figure 8.8, la puissance d'entrée de l'ISO 122 est extraite de la batterie automatique et le signal de sortie, qui a une relation linéaire avec elle, est multiplexé, puis automatiquement divisé par deux résistances de précision contrôlées par le microcontrôleur avant d'être envoyé à l'entrée. La puissance de sortie est fournie par le module d'alimentation sur le circuit imprimé et la tension aux bornes de la batterie est isolée. Il convient de noter que dans le circuit d'acquisition de tension aux bornes de la 50ème batterie, un onduleur est ajouté après le circuit amplificateur opérationnel isolé pour faire passer le signal de sortie du négatif au positif. Il convient également de souligner que, bien que le circuit d'acquisition à amplificateur opérationnel isolé présente d'excellentes performances, son coût élevé a limité son application généralisée.

4. Méthode d'acquisition du circuit de conversion tension/fréquence

Lorsque vous utilisez un circuit de conversion tension/fréquence (V/F) pour acquérir la tension des cellules de la batterie, le convertisseur V/F est crucial. C'est le composant qui convertit les signaux de tension en signaux de fréquence, offrant une excellente précision, linéarité et entrée intégrale.

La figure 8-9 montre le schéma de circuit du convertisseur V/F LM331 utilisé pour la conversion V/F de haute-précision. Le LM331 est une puce V/F intégrée hautes-performances fabriquée par FS Microcontroller. Il utilise un nouveau circuit de référence à bande interdite compensé en température, offrant une précision extrêmement élevée sur toute la plage de températures de fonctionnement et à des tensions d'alimentation aussi basses que 4,0 V.

Dans cette méthode d'acquisition, le signal de tension est directement converti en un signal de fréquence, qui peut ensuite être traité par le port compteur du microcontrôleur sans avoir besoin d'une conversion A-D. De plus, pour compléter le circuit de conversion V/F dans le système d'acquisition de tension des éléments de batterie, les circuits de sélection correspondants et les circuits amplificateurs opérationnels doivent également être conçus pour obtenir une fonctionnalité d'acquisition multi-canaux. Cette méthode implique moins de composants, mais l'oscillateur contrôlé en tension-contient des condensateurs et l'erreur relative des condensateurs est généralement grande, les condensateurs plus gros présentant des erreurs relatives encore plus grandes.

5. Méthode d’acquisition de circuit d’amplificateur optocoupleur linéaire

Le circuit d'acquisition de tension de cellule de batterie basé sur un optocoupleur linéaire réalise une isolation entre l'extrémité d'acquisition du signal et l'extrémité de traitement, améliorant ainsi la stabilité du circuit et sa capacité anti-interférence. La figure 8-10 montre l'optocoupleur linéaire TIL300, qui se compose d'une photodiode de rétroaction isolée bifurquée par un éclairage LED infrarouge et d'une photodiode de sortie. Une technologie de processus spéciale est utilisée pour compenser la non-linéarité des caractéristiques de temps et de température de la LED, rendant le signal de sortie linéairement proportionnel au flux lumineux asservi émis par la LED. Le TIL300 a une isolation maximale de 3 500 V, une bande passante supérieure à 200 kHz, convient à l'amplification isolée des signaux DC et AC et a une stabilité de gain de sortie de ± 0,05 %/degré. Comme le montre le diagramme, la valeur de tension d'une seule cellule de batterie (la différence entre U1 et U2) est convertie en un signal de courant Ip par l'amplificateur opérationnel A et circule à travers l'optocoupleur linéaire TIL300. Après opto-isolation, il génère un courant Ip2 qui est linéairement lié à Ip1. Ce courant est ensuite reconverti en valeur de tension par l'amplificateur opérationnel A2 pour la conversion A-D et l'acquisition de données. Il convient de noter que les deux extrémités de l'optocoupleur linéaire nécessitent des alimentations indépendantes différentes, étiquetées I+12V et ±12V dans le diagramme. Cela démontre que le circuit amplificateur optocoupleur linéaire possède non seulement de fortes capacités d'isolation et d'anti-interférence -, mais maintient également une bonne linéarité du signal analogique pendant la transmission. Par conséquent, il peut être utilisé conjointement avec des réseaux de relais ou des circuits de déclenchement dans les systèmes d'acquisition multicanaux. Cependant, ses circuits sont relativement complexes et de nombreux facteurs peuvent affecter sa précision.

Méthodes d'acquisition de température

La température de fonctionnement de la batterie affecte non seulement ses performances, mais est également directement liée à la sécurité des véhicules électriques. Par conséquent, une acquisition précise des paramètres de température est cruciale. L'acquisition de la température n'est pas difficile ; la clé est de sélectionner un capteur de température approprié. Actuellement, de nombreux capteurs de température sont disponibles, tels que des thermistances, des thermocouples, des transistors à thermistance et des capteurs de température intégrés.

1. Méthode d'acquisition de thermistance

Le principe de la méthode d'acquisition par thermistance est basé sur la caractéristique selon laquelle la résistance d'une thermistance change avec la température. Une résistance fixe est connectée en série avec la thermistance pour former un diviseur de tension, convertissant ainsi le niveau de température en signal de tension. Ce signal est ensuite converti en informations numériques sur la température via une conversion analogique-vers-numérique. Les thermistances sont peu coûteuses mais ont une mauvaise linéarité et présentent généralement des erreurs de fabrication relativement importantes.

2. Méthode d’acquisition de thermocouples

Le principe de fonctionnement d'un thermocouple est qu'un corps bimétallique génère différents potentiels thermoélectriques à différentes températures. En acquérant cette valeur de potentiel thermoélectrique, la valeur de température peut être obtenue en consultant un tableau. Puisque la valeur du potentiel thermoélectrique dépend uniquement du matériau, la précision des thermocouples est très élevée. Cependant, étant donné que les potentiels thermoélectriques sont des signaux de niveau millivolt-, une amplification est nécessaire, ce qui rend les circuits externes complexes. En règle générale, les métaux ont des points de fusion élevés, c'est pourquoi les thermocouples sont généralement utilisés pour les mesures à haute -température.

3. Méthode d'acquisition du capteur de température intégré

Alors que la mesure de la température devient de plus en plus courante dans la vie quotidienne et dans la production, les fabricants de semi-conducteurs ont introduit de nombreux capteurs de température intégrés. Bien que bon nombre de ces capteurs soient basés sur des thermistances, ils sont calibrés lors de la fabrication, ce qui donne une précision comparable à celle des thermocouples. De plus, ils peuvent générer directement des valeurs numériques, ce qui les rend bien adaptés à une utilisation dans les systèmes numériques.

Méthodes d'acquisition actuelles

Les méthodes courantes de détection de courant incluent les shunts, les transformateurs, les capteurs de courant à effet Hall et les capteurs à fibre optique.

Les caractéristiques de chaque méthode sont présentées dans le tableau 8-1.

Parmi ces facteurs, le coût élevé des capteurs à fibre optique limite leur application dans le domaine du contrôle ; les shunts sont peu coûteux-et ont une bonne réponse en fréquence, mais sont difficiles à utiliser car ils doivent être connectés à une boucle de courant ; les transformateurs de courant ne peuvent être utilisés que pour les mesures AC ; et les capteurs de courant à élément Hall offrent de bonnes performances et sont faciles à utiliser. Actuellement, les shunts et les capteurs de courant à élément Hall sont les plus couramment utilisés dans l’acquisition et la surveillance du courant des systèmes de gestion des batteries des véhicules électriques.

Méthodes de détection de fumée

Pendant le fonctionnement du véhicule, en raison des conditions routières complexes et des problèmes inhérents à la fabrication des batteries, des situations d'urgence extrêmes telles que de la fumée ou un incendie peuvent survenir en raison d'une surchauffe, d'une compression ou de collisions. Si ces incidents ne sont pas détectés et traités efficacement rapidement, ils vont inévitablement s'aggraver, menaçant les batteries environnantes, le véhicule et le personnel dans le compartiment à bagages, affectant ainsi gravement la sécurité opérationnelle du véhicule. Pour éviter de tels incidents, la surveillance de la fumée a été introduite dans les systèmes de gestion des batteries ces dernières années et fait l'objet d'une attention croissante.

Les capteurs de fumée sont divers et peuvent être classés en trois types principaux en fonction de leurs principes de détection : ① Les capteurs de fumée utilisant des propriétés physicochimiques, tels que les capteurs de fumée à semi-conducteurs et les capteurs de fumée à combustion par contact ; ② Capteurs de fumée utilisant des propriétés physiques, telles que des capteurs de fumée à conductivité thermique, des capteurs de fumée à interférence optique et des capteurs infrarouges ; ③ Capteurs de fumée utilisant des propriétés électrochimiques, tels que les capteurs de fumée de type courant-et les capteurs de gaz de type force électromotrice-. Les capteurs de fumée étant divers, les capteurs de fumée à semi-conducteurs ne peuvent pas détecter tous les gaz. Par conséquent, un type spécifique est choisi pour détecter un ou deux types spécifiques de fumée. Par exemple, les capteurs de fumée à semi-conducteurs à oxyde sont principalement utilisés pour détecter la fumée d'hydrocarbures, notamment O₂, H₂S, CO, H₂, O₃H₂O, Cl₂, OH, CO₂, etc. En raison des limitations des électrodes, ces capteurs sont principalement utilisés pour détecter la fumée inorganique, telle que O₂, CO₂, H₂, Cl₂, SO₂, etc.

Lorsque des capteurs de fumée sont utilisés dans des batteries électriques, la sélection des capteurs nécessite de comprendre la composition de la fumée produite par la combustion de la batterie. Généralement, la combustion des batteries produit de grandes quantités de CO et de CO2, il convient donc de sélectionner des capteurs sensibles à ces deux gaz. La structure du capteur doit être adaptée aux conditions de vibration d'une utilisation à long terme du véhicule pour éviter tout faux déclenchement dû à la poussière et aux vibrations de la route.

Le dispositif avertisseur de fumée du système de gestion de la batterie d'alimentation doit être installé sur la console du conducteur. Dès réception d'un signal d'alarme, il doit rapidement émettre une alarme sonore et visuelle et localiser le défaut, garantissant ainsi que le conducteur puisse détecter et recevoir rapidement le signal d'alarme.

Par exemple, le système de détection de fumée utilisé dans le bus électrique olympique, principalement développé par l'Institut de technologie de Pékin, utilise un système de batterie alimenté par une pile alcaline de 9 V ou une pile carbone-zinc, garantissant un fonctionnement normal 24 heures sur 24. Le signal d'alarme est alimenté par la batterie 24 V du véhicule, fournie séparément pour garantir l'indépendance du système d'alarme. Les alarmes distribuées détectent la concentration de fumée grâce à des capteurs de fumée internes. Lorsque la concentration de fumée est inférieure à la limite, le contrôleur interne de l'alarme règle la sortie relais en circuit ouvert ; lorsque la concentration de fumée dépasse la limite, le contrôleur interne règle la sortie relais sur court-circuit, attirant rapidement l'alimentation +24 V vers le panneau d'affichage pour former un circuit d'alarme avec l'alimentation -24 V sur le panneau d'affichage, émettant un signal d'alarme sonore et visuel. La structure du système est illustrée à la Figure 8-11.