Датчик на батарее: принцип работы накладного датчика отопления в квартире

Обзор IBS
IBS — это комплексная измерительная система для управления свинцово-кислотными батареями.Эти компоненты измеряют ток заряда или разряда, протекающий через батарею, напряжение на клеммах батареи, а также температуру батареи посредством теплопроводности между стойкой батареи и самим блоком IBS. Все три измерения выполняются почти одновременно, чтобы обеспечить точные измерения даже во время быстро меняющихся условий. IBS может использовать протокол связи LIN для отправки результатов этих измерений в электронный блок управления (ЭБУ) транспортного средства или другую систему управления.LIN — это надежный протокол с высокой шумоустойчивостью для автомобильной среды. Шина LIN уже доступна в большинстве новых серийных моделей или может быть легко разработана с помощью простых микроконтроллеров при использовании IBS в других автомобильных или неавтомобильных приложениях.

IBS должны быть сконструированы для работы в полном диапазоне автомобильных условий эксплуатации. Например, диапазон температур от –40 ° C до 115 ° C позволит устройству выжить в условиях, которые могут повредить даже новейшие, самые современные свинцово-кислотные батареи.Кроме того, диапазон высокого напряжения позволяет устройству продолжать извлекать данные как при перезарядке, так и при недостаточном заряде батареи. Устройство должно иметь возможность контролировать полный диапазон тока на обоих концах крайних значений напряжения и температуры с минимальной потерей точности.

Точность IBS
В основе IBS лежит шунт, специально разработанный для измерения токов аккумуляторной батареи. Прецизионная внутренняя электроника IBS должна быть достаточно прочной, чтобы работать в условиях под капотом современных транспортных средств и сохранять точность при измерении падения напряжения на шунте.IBS и встроенная электроника должны обрабатывать все автомобильные пусковые токи 12 В, ограничивая погрешность максимум 0,5 процента (смещение ± 30 мА) во всем диапазоне измерения и температуры батареи.

Дополнительным преимуществом IBS, помимо возможности измерения тока, является то, что датчик температуры аккумуляторной батареи и датчик напряжения находятся в одном устройстве. Так, например, предположим, что измерение напряжения IBS обеспечивает точность ± 50 мВ в диапазоне от 4 В до 18 В во всем диапазоне температур батареи, в то время как датчик температуры батареи имеет максимальную погрешность в 3 °. C на внешних краях всего диапазона.Верхний температурный диапазон для свинцово-кислотных аккумуляторов обычно составляет 60 ° C, а практический нижний предел составляет не менее 0 ° C для движущегося транспортного средства. В пределах этих практических диапазонов температурная погрешность нашего примера IBS не превышает 1 ° C (более подробная информация представлена ​​на рисунке 2). Этого достаточно для установки предупреждений об отключении и определения предельных значений тока для батареи во всех рабочих условиях. Наличие всех этих датчиков в одном устройстве устраняет необходимость в дополнительных датчиках или других дорогостоящих системах для получения этой информации.Все три измеренных значения возвращаются в одном пакете данных по шине LIN, гарантируя, что IBS обеспечивает точные, коррелированные и точные измерения всех параметров батареи в реальном времени.

Автомобильные приложения
Современные автомобильные электрические нагрузки
В современных автомобилях очень важны сведения о состоянии и заряде аккумулятора. Такие инновации, как стоп-старт, электропривод и преобразование прежних гидравлических систем в электрические, увеличивают нагрузку на электрическую аккумуляторную систему автомобиля, на которую автомобилисты уже рассчитывают для своей безопасности и безопасности окружающих. .IBS позволяет транспортному средству расставлять приоритеты для всех этих электрических нагрузок по шкале от «связанных с комфортом» до «критических с точки зрения безопасности». Затем автомобиль может отключить эти системы в логическом порядке, чтобы предупредить водителей о надвигающейся проблеме с аккумулятором, сохраняя при этом их безопасность.

Технология «стоп-старт»
Технология «стоп-старт» уже много лет применяется на гибридных транспортных средствах, и теперь она начинает применяться как отдельная система на автомобилях с обычным двигателем внутреннего сгорания (ДВС).Однако одна значительная проблема, которую все еще необходимо решить с помощью технологии стоп-старт, — это система батарей на 12 В. Просто дополнительного количества перезапусков во время обычной поездки по городу будет достаточно, чтобы разрядить и, возможно, разрушить обычную свинцово-кислотную батарею, поэтому в большинстве автомобилей с функцией остановки и запуска используются аккумуляторы со стекловолокном (AGM). Хотя аккумуляторы AGM повышают способность автомобиля использовать технологию «стоп-старт», все еще существуют проблемы с системами, которые должны продолжать работать после выключения автомобиля, включая ЭБУ, систему контроля безопасности, освещение, навигацию, климат-контроль и системы общего комфорта.Все эти системы сильно разряжают аккумуляторную батарею автомобиля, что может привести к ее разрушению, если за ними не следить. Современные модели «стоп-старт» решают эту проблему либо путем отключения систем комфорта, когда автомобиль остановлен, либо путем регулярного перезапуска двигателя, чтобы аккумулятор оставался заряженным на протяжении всей остановки. Правильный датчик управления батареей может лучше гарантировать, что батарея работает только на безопасном уровне. Это еще больше увеличит экономию топлива, заставив автомобиль перезапускаться тогда и только тогда, когда это абсолютно необходимо во время остановки.Это может даже позволить системам комфорта автомобиля периодически включаться и выключаться по мере необходимости без перезапуска двигателя, когда состояние аккумулятора находится в известной безопасной рабочей зоне, что дает водителю более комфортную работу в автомобиле.

Гибридные автомобили
Существуют две основные категории гибридных автомобилей: серийные гибриды и параллельные гибриды [4]. В серийном гибриде ДВС фактически не продвигает автомобиль вперед; вместо этого он используется для питания электрогенератора и зарядки любых бортовых аккумуляторов.В параллельном гибриде и электродвигатель, и ДВС подключены к трансмиссии. Это позволяет обоим устройствам одновременно запитывать двигатель, когда есть высокий спрос, или только электродвигатель, когда спрос низкий. Этот режим позволяет ДВС использовать электродвигатель в качестве генератора и при необходимости заряжать аккумуляторы гибридов. Обе конструкции могут иметь включенный высоковольтный аккумулятор для хранения энергии для электродвигателя электропривода. Чтобы получить максимальную эффективность от каждой конструкции, за этой задней батареей необходимо внимательно следить с помощью точной системы управления батареями.

Электромобили
Электромобили основаны на полностью электрической приводной системе, в которой вообще нет ДВС. В полностью электрических транспортных средствах (FEV) батареи на самом легковом или грузовом автомобиле обеспечивают единственную мощность, получаемую электродвигателем с электроприводом и всеми стандартными электрическими системами. Хорошая система управления аккумуляторной батареей важнее для этого типа автомобиля, чем для любого другого. Если энергия в батареях разряжена, резервной копии нет. Батареи в FEV обычно располагаются в виде ячеек, соединенных последовательно или параллельно, для получения необходимого выходного напряжения.Каждый из этих стеков должен содержать свою собственную систему управления батареями, чтобы гарантировать, что отказ одного отдельного элемента не приведет к выходу из строя всей системы батарей.

Другие сенсорные технологии
Датчик Холла с разомкнутым контуром
Надежность — одна из проблем, которая делает многие другие технологии мониторинга нежелательными в автомобильных приложениях. Из-за стоимости, размера и диапазона измерений датчик Холла с разомкнутым контуром действительно является единственной сопоставимой технологией мониторинга батареи.Этот датчик использует эффект Холла, когда вокруг токоведущего провода формируется магнитное поле для измерения тока, протекающего по этому проводу. Трансформатор тока не будет работать с автомобильной электрической системой постоянного тока, а датчик Холла с замкнутым контуром будет слишком дорогим и большим при измеряемых значениях тока [1]. Самая большая особенность датчика Холла с разомкнутым контуром состоит в том, что, поскольку он фактически не находится на пути тока, во время измерения тока нет потерь мощности; однако это происходит за счет точности и надежности [1].

Проблемы, связанные с шунтирующим датчиком
Учитывая, что IBS действительно использует резистивный шунт в своей сердцевине для измерения тока, существуют потери, связанные с его включением в цепь. Однако за счет включения шунтов с чрезвычайно низкими значениями сопротивления этими потерями можно пренебречь в большей части диапазона тока. Например, шунт 100 мкОм вызывает потерю только 1 Вт при токе 100 А. Это потеря мощности 0,083 процента, если у вас есть 100 А, полученное от батареи 12 В. При значениях тока, наблюдаемых в реальных испытаниях, потери на шунте составляют 900 мкВт при стандартном рабочем токе 3 А и 12.25 Вт при кратковременном максимальном скачке пускового тока 350 А. При реальных испытаниях 35-дюймовый положительный аккумуляторный кабель 4 AWG имел сопротивление 788 мкОм [2]. Это означает, что потеря мощности только в плюсовом кабеле аккумулятора почти в восемь раз больше, чем в IBS. Использование такого маломощного шунта должно позволить устройству IBS работать в диапазоне тока ± 600 А непрерывно и ± 2000 А в импульсных приложениях, не превышающих 900 Дж.

Поскольку датчик Холла напрямую не подключен к токоведущему проводу, внешние силы могут вызвать значительную ошибку в измерениях магнитного поля [1].Одно только магнитное поле земли может вызвать ошибку 0,4 А, не говоря уже о полях, создаваемых другими катушками, проводниками и электрическими двигателями / генераторами внутри транспортного средства [1]. Наличие в цепи означает, что IBS допускает гораздо меньше ошибок из-за внешних помех по сравнению с датчиком на эффекте Холла. Максимальная ошибка измерения тока при любых условиях внутри автомобиля для блока IBS должна составлять 0,5% плюс смещение (30 мА), что является той же ошибкой, которую можно наблюдать из-за магнитного поля земли в датчике эффекта Холла, просто изменив направление. при токе 80 А [1].

Устройства на эффекте Холла без обратной связи имеют связанный с ними естественный сдвиг, который присутствует даже при нулевом токе [1]. На это смещение сильно влияет температура; даже у хороших датчиков стандартное смещение составляет до 0,5 процента. Дополнительный датчик температуры необходим, чтобы попытаться учесть изменение смещения [1]. Последним недостатком датчика Холла является то, что он может потребовать внутрисхемной калибровки из-за того, что выходной сигнал очень сильно зависит от положения датчика. Все измерения тока IBS сосредоточены на 0 А без учета естественного смещения, кроме шума.Резистивные шунты могут иметь температурный коэффициент сопротивления (TCR), который может вызывать ошибки в показаниях в широком диапазоне температур, на который рассчитан IBS. Благодаря технологиям обработки и использованию датчика температуры, уже установленного на борту, этот коэффициент можно вычислить, и он окажет лишь минимальное влияние на измерения устройства, никогда не превышая номинальной точности. Все эти и другие расчеты предварительно загружены в блок IBS, поэтому это действительно устройство plug-and-play, не требующее вторичной или внутрисистемной калибровки.

Наблюдения в реальном мире
Тестирование вождения в реальных условиях города было выполнено с использованием IBS, который был прикреплен к отрицательному полюсу аккумуляторной батареи, как в любом автомобильном приложении следить за батареей. Таким же образом были проведены два отдельных экзамена по вождению. Маршрут проходил вокруг городских кварталов в Колумбусе, штат Небраска. Этот маршрут был выбран, чтобы приблизиться к стандартной утренней поездке на работу, не прерывая движение транспорта и не прерывая тест другими водителями.Первым из двух тестов был имитационный тест «стоп-старт». Это было смоделировано при полной остановке транспортного средства в заранее определенных местах (шесть остановок в тесте 12 городских кварталов) и отключении транспортного средства сразу после прекращения движения вперед. Остановка была рассчитана по времени, и после 15-секундного интервала остановки двигатель был включен, и движение вперед было возобновлено. Второй тест был сделан, чтобы максимально точно имитировать первый, за одним исключением: автомобиль никогда не выключали. Продолжительность остановки была сохранена на том же уровне 15 секунд.Маршрут, максимальная скорость и ускорение отслеживались, чтобы максимально точно отразить результаты первого теста. Сравнение результатов этих тестов показывает, насколько больше нагрузка на аккумуляторную систему стоп-старт приходится по сравнению со стандартной автомобильной системой в большинстве современных легковых и грузовых автомобилей. Результаты теста «стоп-старт» также показывают эффективность IBS как автомобильной сенсорной системы в настоящей автомобильной среде.

Результаты обоих тестов по вождению в реальных условиях показаны на рисунках 3 и 4.Этот простой тест демонстрирует необходимость в надежной и точной системе контроля заряда батареи. Каждый тест длился чуть более шести минут и имел шесть 15-секундных остановок. Повторные запуски в тесте «стоп-старт», связанные с этими шестью остановками, потребляли на 1,528 кулонов заряда больше, чем при обычном тесте на вождение. Тест «стоп-старт» даже закончился чистым снижением заряда аккумулятора (135 кулонов) по сравнению с началом теста. На рис. 4 есть начальный запуск нормального теста на вождение, но после последующей потери заряда к аккумулятору прилагается чистый заряд, который учитывает неэффективность аккумулятора.

Тест представлял собой короткое приближение к утренней поездке на работу в Колумбус, штат Небраска, где пробки не являются большой проблемой, а тестовая батарея была совершенно новой. Если бы это была машина, выезжающая из Лос-Анджелеса или Мюнхена в час пик, количество остановок по сравнению со временем, проведенным за рулем, могло бы быть намного хуже. Если транспортное средство, содержащее более слабую батарею, находилось в описанном выше случае остановки и запуска в течение более длительного периода времени, легко представить себе случай, когда заряд аккумулятора может быть снижен до точки, при которой он не сможет запустить автомобиль после одного из эти остановки.Если бы автомобиль или грузовик был оборудован IBS, система управления двигателем могла бы точно контролировать аккумулятор и определять его способность перезапускать автомобиль.

IBS — это комплексное решение проблемы разрядки аккумуляторов. Устройство имеет возможность точно измерять все необходимые параметры батареи для точного прогноза ее состояния. Эти измерения показаны на Рисунке 5, который был получен в конце теста стоп-старт, наблюдаемого на Рисунке 3.На графике показаны необработанные данные, отправленные из IBS, которые будут получены центральным контроллером и использованы для получения информации о состоянии батареи.

Другие приложения
Устройства IBS идеально подходят для любого автомобильного применения, но также превосходят во многих других. Большинство источников бесперебойного питания (ИБП) содержат свинцово-кислотную батарею для резервного питания, и за этими батареями нужно следить так же, как за батареей в автомобиле. Знание состояния работоспособности резервной батареи не только гарантирует, что батарея будет работать при необходимости, но также позволяет увеличить общий срок службы батареи для значительной экономии средств.Тележки для гольфа, вилочные электропогрузчики и средства передвижения для личного передвижения содержат электродвигатели, работающие от свинцово-кислотных аккумуляторов. Знание степени заряда этих батарей позволяет системе управления предупреждать пользователя о необходимости подзарядки. Блок IBS также позволит системе ограничивать потребление тока (то есть ограничивая максимальную скорость на тележке для гольфа), чтобы еще больше продлить оставшийся срок службы батареи и позволить пользователю путешествовать на большее расстояние обратно в зону подзарядки.

IBS также необходимы в системах безопасности, таких как аварийное освещение и медицинские кровати.Аварийное освещение — это резервный источник света с батарейным питанием. Мониторинг батареи позволит установщикам точно знать, когда они больше не могут включать свет в течение необходимого периода времени, обеспечивая экономию затрат по сравнению с заменой батарей в системе по расписанию. IBS также обеспечит обнаружение разряженной батареи и ее замену раньше, чем запланировано, что обеспечит правильную работу освещения во время чрезвычайной ситуации. Каждая медицинская койка оснащена системой резервного питания от свинцово-кислотных аккумуляторов, которая гарантирует, что жизненно важные системы пациента продолжат работать даже в случае отказа питания и / или резервного генератора.Если одна из этих батарей находится в низком состоянии при возникновении чрезвычайной ситуации, это может стоить пациенту жизни. IBS может лучше контролировать состояние батареи, чем обычные сенсорные системы.

Применение возобновляемых источников энергии — еще одна область, в которой блоки IBS преуспевают. Первая и наиболее очевидная область — это любое место, где аккумулятор заряжается от возобновляемого источника энергии и используется либо в качестве резервного, либо в качестве полного источника, например, в автономных приложениях и транспортных средствах для отдыха.IBS здесь выполняет примерно ту же функцию, что и в автомобиле или ИБП. Однако в области возобновляемых источников энергии есть еще много приложений. Один из них — в схемах слежения за точкой максимальной мощности (MPPT). Панели солнечных батарей выдают максимальную мощность при различных токах и напряжениях в зависимости от условий, влияющих на панель [3], и IBS может использоваться для контроля выходного тока и напряжения панели. Общая выходная мощность панели или массива может быть увеличена на целых 30 процентов по сравнению с обычными системами путем простого объединения измерений IBS с алгоритмом MPPT и простой схемой преобразователя [3].Этот дополнительный выход перевешивает любые потери, наблюдаемые из-за резистивного чувствительного элемента [3]. Это увеличение также значительно снижает соотношение стоимости и мощности для солнечных систем, поскольку панель является самым дорогим компонентом [3].

Заключение
Способность устройств IBS работать в суровых автомобильных средах делает их более чем пригодными для использования во многих других помещениях и на открытом воздухе. Эта надежность и способность точно измерять все параметры подходят устройствам практически для любого приложения для мониторинга аккумуляторов.Для будущего повышения эффективности транспортных средств потребуются более эффективные схемы управления энергопотреблением во всех автомобилях. При включении в электрическую систему транспортного средства, IBS позволяет дальнейшим и большим технологическим инновациям работать от проверенной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи, а также от новейших технологий аккумуляторов для гибридных автомобилей и электромобилей.

Ссылка
[1] Петтигрю, Уоррен. «Выбор датчика тока для требовательных приложений». Power Electronics Europe, выпуск 2. 2008: 26-28.25 февраля 2014 г.
[2] «Таблица AWG для одножильных и многожильных проводников». Проволока и кабель Кальмона. 26 февраля 2014 г. Web. 26 февраля 2014 г. .
[3] Ломайер, Кристофер. Высокоэффективное отслеживание точки максимальной мощности с использованием квазидвойного повышающего преобразователя постоянного / постоянного тока для фотоэлектрических систем . Магистерская диссертация. Университет Небраски-Линкольн, 2011 г. Линкольн, штат Невада: декабрь 2011 г.

Интеллектуальный электронный датчик батареи | LEM

LEM USA Inc.
11665 West Bradley Road
US
53224 Milwaukee, WI

Тел. : +1800 236 53 66 (бесплатно) или +1414353 07 11
Факс: +1414353 07 33

США — Поддержка
LEM USA Inc.
11665 W. Bradley Road
США
53224 Милуоки

Тел. : +1414353 07 11

LEM Industrial, Central (США)
Алан Гарсия, менеджер по продажам
OH, IN, KY, WV, MI, PA, AR, LA, OK, TX, FL
US
43201 Columbus, OH

Тел.: Тел .: +1 800 236 5366 доб. 200 (бесплатно) или +1414577 4130

LEM Industrial, Восток (США)
Билл Терс, менеджер по продажам
AL, DC, DE, GA, MD, MS, NC, NJ, SC, TN, VA, MA, ME, NH, RI, VT, CT, Eastern Canada
США
08807 Бриджуотер, Нью-Джерси, штат Нью-Джерси

Тел.: +1800 236 5366 доб. 207 (бесплатно) или +1 414-577-4136

LEM Industrial, Средний Запад (США)
Дэвид Хэнли, менеджер по продажам
IL, WI, SD, ND, MN, IA, NE, KS, MO
US
53224 Milwaukee, WI

Тел.: +1800 236 5366 доб. 111 (бесплатно) или +1414577 4126

LEM Industrial, Запад (США)
Стивен Боттари, менеджер по продажам CA, ID, MT, WY, NV, AK, HI, UT, CO, NM, AZ, WA, OR,
30262 Crown Valley Parkway, Unit # B-435
США
92677 Laguna Niguel

Тел.: +1800 236 5366 доб. 206 (бесплатно) или +1414577 4122

Honda | Advance Auto Parts