基于FPGA的蓄電池內阻在線(xiàn)檢測系統

課題來(lái)源：

蓄電池廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)、交通、通信等行業(yè)，一般用作后備電源在主電源發(fā)生故障或其它設備發(fā)生故障時(shí)應急使用，如果此時(shí)蓄電池失效或者容量不足就會(huì )造成重大事故和經(jīng)濟損失，后果不堪設想。對蓄電池運行參數進(jìn)行在線(xiàn)檢測，發(fā)現問(wèn)題及時(shí)更換電池，將能確保整個(gè)供電系統連續正常工作。目前，國際上認為內阻是決定蓄電池性能好壞的標志;無(wú)論是蓄電池即將失效、容量不足或充放電不當，都能從蓄電池內阻值中反應出來(lái)。所以，對蓄電池內阻的研究將是電力部門(mén)最熱門(mén)的研究方向之一。

需求分析：

目前，閥控式密封鉛酸(VRLA)蓄電池市場(chǎng)占有率是80-90%，生產(chǎn)廠(chǎng)商標定該種電池有10-15年的浮充壽命，但由于浮充電壓、環(huán)境溫度、正極板柵的腐蝕、失水、熱失控等等因素的影響，通常使用壽命只有是5-8年。經(jīng)調查發(fā)現，現有的企業(yè)用戶(hù)對蓄電池維護甚少，很少有專(zhuān)門(mén)負責和維護蓄電池設備的部門(mén);為了確保整個(gè)供電系統能夠無(wú)故障運行，用戶(hù)通常在蓄電池使用3-5年就大批量地更換蓄電池組，實(shí)驗證明，在這些成批被更換掉的蓄電池中只有為數較少的電池產(chǎn)生了失效或容量不足，造成了系統虧電，而絕大部分蓄電池只達到使用壽命的一半時(shí)間，這將是很大的資源浪費。因而，如果能在機房里事先檢測到蓄電池的運行狀態(tài)，判斷出性能好壞，及時(shí)發(fā)現問(wèn)題及時(shí)更換蓄電池，這不但能預防斷電事故的發(fā)生、增強整個(gè)供電系統的健壯性，而且還能給企業(yè)節省一大筆費用。

國內外研究現狀：

對蓄電池的研究主要集中在國外的蓄電池生產(chǎn)企業(yè)，以美國Alber 公司和日本HIOKI公司為主流生產(chǎn)企業(yè)其技術(shù)含量已經(jīng)達到國際頂尖水平;國內廠(chǎng)家的研究主要集中在對直流放電法的研究，但該方法采用大電流放電的方式，安全性較差，對蓄電池的損傷較大;交流注入法是國際上研究最多的一種測量蓄電池內阻的方法，該方法能精確測量蓄電池內阻，操作簡(jiǎn)單，對電池無(wú)損傷，能夠在線(xiàn)檢測蓄電池運行狀態(tài)。

第二部分：功能描述

功能特點(diǎn)：

本設計方案采用是交流注入法，就是用激勵信號加到電池兩端，檢測電池的響應電壓值、電流值及兩者的相位差，由阻抗公式R=U/I*cosθ計算出內阻值。其主要的檢測對象是9V-12V、10Ah-70Ah的閥控式密封鉛酸蓄電池，檢測系統是檢測蓄電池在線(xiàn)狀態(tài)下的內阻值、蓄電池當前電壓值、充電電流值以及機房的環(huán)境溫度。具體如下：

檢測蓄電池內阻值：分別檢測出蓄電池在三種狀態(tài)下的內阻值：在線(xiàn)放電狀態(tài)、在線(xiàn)浮充狀態(tài)、離線(xiàn)狀態(tài), 測量范圍在1mΩ-500 mΩ。

檢測蓄電池當前電壓值:實(shí)時(shí)檢測蓄電池于在線(xiàn)放電狀態(tài)、在線(xiàn)浮充狀態(tài)、離線(xiàn)狀態(tài)下的當前電壓值，測量范圍是1V-45V。

檢測蓄電池充電電流值：分別檢測蓄電池的在線(xiàn)充電狀態(tài)和浮充狀態(tài)下的電流值。

檢測環(huán)境溫度值：檢測蓄電池在機房工作的環(huán)境溫度。

技術(shù)指標：

在實(shí)現主要功能的情況下，各技術(shù)指標達到如下要求：

實(shí)時(shí)顯示三種檢測狀態(tài)下的內阻值，誤差<5 mΩ。

實(shí)時(shí)顯示三種檢測狀態(tài)下的電壓值，誤差<0.1V。

實(shí)時(shí)顯示在線(xiàn)充電和浮充狀態(tài)下的電流值，電流精度值達到毫安級。

實(shí)時(shí)顯示環(huán)境溫度值，誤差。

第三部分：可行性分析

設計思路：

電池的性能直接影響整個(gè)供電系統，而蓄電池內阻決定了電池性能的好壞，所以，對蓄電池工作狀態(tài)在線(xiàn)檢測將是必要的措施。

蓄電池內阻在線(xiàn)檢測系統能精確檢測電池的運行狀態(tài)參數和工作環(huán)境，然后把這些數據通過(guò)下位機的控制系統發(fā)送給PC 監控系統，實(shí)行了智能化控制和管理，既保證了供電系統的可靠性又節省了一大筆費用。

應用的技術(shù)分析：

蓄電池內部結構特性的研究對本設計方案有著(zhù)重要的促進(jìn)作用，其中阻抗分析是電化學(xué)研究中的常用方法，也是電池性能研究和產(chǎn)品設計的必要手段。圖1是典型的鉛酸電池阻抗圖，可見(jiàn)其包括以下幾部分：

100Hz后體現的電感部分;

高頻電阻RHF，即超過(guò)100Hz 后的實(shí)部;

在0.1Hz 和100Hz之間的第一個(gè)小容性環(huán)(半徑R1);

低于0.1Hz 后的第二個(gè)大容性環(huán)(半徑R2)。

關(guān)于蓄電池阻抗譜圖，一般的解釋為：

超過(guò)100Hz 部分呈現的感性是電池內部幾何結構和連接部件的影響;

歐姆電阻RHF包含連接件電阻、隔膜電阻、電解液電阻和電極與硫酸鉛晶體結合面電阻;

小容性環(huán)與電極的孔率有關(guān);

大容性環(huán)依賴(lài)于電極反應，其速率受Pb2+離子傳質(zhì)速度限制。

通過(guò)以上的分析，可知內阻是蓄電池的重要參數之一，為此設計內阻檢測系統將是可行的。

本次設計團隊是一支優(yōu)秀的研究生團隊，其中指導老師早年獲得上海同濟大學(xué)博士學(xué)位，具有多年的項目開(kāi)發(fā)經(jīng)驗;第一作者來(lái)自通信與信息系統專(zhuān)業(yè)，曾多次參加電子設計大賽，并在化學(xué)專(zhuān)業(yè)獲學(xué)士學(xué)位，對電化學(xué)很了解，具有很強地電路設計能力。第二作者早年電子信息專(zhuān)業(yè)本科畢業(yè)，有著(zhù)四年的項目開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，現就讀于信號與信息處理專(zhuān)業(yè)，在電路檢測、信號處理方面有著(zhù)豐富的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗;第三作者同樣來(lái)自通信與信息系統專(zhuān)業(yè)，有著(zhù)扎實(shí)的電子理論基礎以及動(dòng)手能力。所以，本團隊兼有該方案各方面人才，不僅具有電子設計方面的專(zhuān)業(yè)知識，而且在生化方面也有很深的理論基礎，不管在理論分析和實(shí)際操作方面都是很出色。

技術(shù)方案比較：

蓄電池內阻在線(xiàn)檢測方案大體上可分為直流放電法和交流注入法，直流放電法是在電池組兩端接入放電負載，測量電壓的變化(U1-U2)和電流值(I)計算電池的內阻

蓄電池從浮充狀態(tài)切換到放電狀態(tài)，典型的電壓跌落過(guò)程如圖2所示。即停止充電后，電池回落到某平衡電位，接入放電負載后，電壓發(fā)生階躍變化。這樣，內阻的計算不能使用浮充電壓和放電工作電壓的差值來(lái)計算，使用開(kāi)路平衡電位與放電工作電壓的差值時(shí)也不夠穩定。因此，在放電過(guò)程改變電流可以克服平衡電位不穩定的因素。采用式(2)，根據在不同電流(I1、I2)下的電壓變化(U1-U2)來(lái)計算內阻值。

由于內阻值很小，在一定電流下的電壓變化幅值相對較小，給準確測量帶來(lái)困難，由于放電過(guò)程電壓的變化，需要選擇穩定區域計算電壓變化幅值。實(shí)際測量中，直流方法所得數據的重復性較差、準確度很難達到10%以上。放電時(shí)電流達到幾十安培，操作的安全性較差，發(fā)熱量大，減少電池壽命。

交流注入法相對直流放電法要簡(jiǎn)單。若受控電壓激勵信號V(t)=Vmaxcos(ωt), 產(chǎn)生的電流響應為i(t)=Imax(ωt+θ)，則蓄電池的阻抗為

其中，分別為電壓和電流的有效值，為電壓與電流的相位角。具體框圖如圖3所示：

設計重點(diǎn)難點(diǎn)：

蓄電池的內阻是很小的值，在毫歐級別上，要想精確檢測內阻值要求系統必須良好的弱信號檢測能力，在本方案中要能精確檢測蓄電池端電壓。

在線(xiàn)檢測是蓄電池工作或者充電時(shí)段檢測蓄電池的運行性能，其主要參數是內阻值、電壓值和電流值，而蓄電池平時(shí)都是接到UPS與市電相連的，這將對蓄電池產(chǎn)生一定量的高頻干擾，所以，要求本檢測系統必須有高頻濾波能力和電路的強抗干擾能力。

相位檢測也是難點(diǎn)之一，端電壓檢測模塊檢測到蓄電池交流電壓信號，由于電磁干擾的影響，原有的正弦電壓信號將發(fā)生扭曲，甚至變形，所以給相位檢測帶來(lái)困難;在本方案中我們引用了新的相位檢測方法，把激勵信號與檢測到的信號作乘法運算，然后通過(guò)低通濾波器濾掉和頻分量，保留直流分量。由于有些干擾信號與激勵頻率相近的信號干擾，在乘法運算中將產(chǎn)生接近于零頻的干擾，所以對低通濾波器的設計要求很高，只能保留直流分量的存在。

第四部分：項目總體設計

總體描述與系統框架：

總的系統流程圖如圖3，其中激勵信號是交流低頻小信號，該信號加載到蓄電池兩端，然后通過(guò)電壓、電流及相位檢測電路檢測出各參數，采樣后的數據送到微處理器計算和分析內阻參數。

整個(gè)系統可分為七大模塊：信號產(chǎn)生模塊，端電壓檢測模塊，電流檢測模塊，電壓與電流相位檢測模塊，環(huán)境溫度檢測模塊，FPGA模塊，單片機控制模塊，PC機界面。具體如圖4所示：

各子模塊的實(shí)現方法：

信號產(chǎn)生模塊：根據交流注入法的思想，蓄電池兩端必須引入交流信號，交流信號的頻率大小由蓄電池的特性所決定，經(jīng)研究，蓄電池在低頻段內阻有較好的線(xiàn)性特性;本方案中信號采用的是正弦信號，信號頻率是f=20Hz，信號電壓峰-峰值設定為up-p=5V。

由于蓄電池的內阻是毫歐級，交流信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號電流值無(wú)法滿(mǎn)足電路檢測的要求，在電路后端需要對其信號進(jìn)行功率放大，放大后的電流值峰-峰值設定為ip-p=800mA。模塊如圖5所示：

其中，Part1部分是產(chǎn)生正弦交流信號部分，Part2是功率放大電路。功率放大的信號經(jīng)過(guò)隔直電容接入到蓄電池的兩端。

端電壓檢測模塊：由于蓄電池的內阻總是存在的，加載在兩端的的交流信號將產(chǎn)生壓差，端電壓信號由隔直電容接入到檢測電路。檢測電路由差分放大電路和高頻濾波電路構成。由于蓄電池兩端的電壓值是微伏級，為此，電路需要高放大倍數、有強抗干擾能力、低溫漂的放大器件，本方案中選擇AD620儀表放大器。如圖6所示：

本方案設計是在蓄電池充電或浮充的狀態(tài)下在線(xiàn)檢測內阻的，通常蓄電池是用UPS充電，而UPS與市電連接，所以，在線(xiàn)狀態(tài)下的蓄電池會(huì )有很強的高頻干擾。信號放大后需進(jìn)行高頻濾波，濾掉高次諧波，保留原有的低頻部分。濾波后的電壓信號將是本系統所需要的蓄電池端電壓信號。

在端電壓檢測模塊和信號模塊產(chǎn)生模塊中，考慮到導線(xiàn)的電阻對檢測精度的影響，本方案中采用了四線(xiàn)法接入到蓄電池兩端(如圖4)，交流信號注入采用等長(cháng)雙導線(xiàn)，端電壓檢測采用另外一對等長(cháng)雙導線(xiàn)。

電流檢測模塊：為了能檢測到通過(guò)蓄電池的交流電流信號的大小，在交流信號的注入端串聯(lián)一只標準電阻，標準電阻電壓與電流同相，檢測標準電阻端電壓就可以算出流過(guò)該電阻電流，由于采用了四線(xiàn)法，流過(guò)標準電阻的電流等同于蓄電池電流。本方案中采用標注電阻值是1歐姆2瓦。為了能達到系統所需要的電壓值范圍，需對電阻的端電壓信號進(jìn)行適當地放大。具體如圖7所示：

電壓與電流相位檢測模塊：分析蓄電池的內阻模型得知，蓄電池內部存在一定感性或容性值，在不同的頻率條件下表現出不同特性，電壓與電流產(chǎn)生相位差。具體如圖8所示：

其中，u1(t)表示蓄電池端電壓的信號，u2(t)表示信號源注入電壓信號，u(t)表示u1(t)與u2(t)乘積信號。

蓄電池端電壓的信號u1(t)=A *cos(ωt+θ)，其中ω 表示注入交流信號的頻率，θ表示蓄電池的端電壓偏移的相位，A表示信號幅值;信號源注入電壓信號u2(t)=B*cos(ωt)，其中ω表示注入交流信號的頻率，B表示注入電壓信號幅值。所以?xún)尚盘柍朔e后等于

其中，K表示乘法器的系數。

u(t)信號由低通濾波器濾掉低頻部分，最后得到系統所需要的相位差的余弦值。

環(huán)境溫度檢測模塊：蓄電池工作的環(huán)境溫度對蓄電池性能產(chǎn)生重要的影響，機房的溫度過(guò)高直接影響蓄電池的壽命，所以實(shí)時(shí)檢測蓄電池溫度，保持機房恒溫非常必要。具體電路實(shí)現如圖9所示：

傳感器部分采用了橋式測量法，精確測量溫度變化，傳感器信號然后經(jīng)過(guò)差分放大送到系統主控制芯片。

FPGA模塊：蓄電池端電壓u1(t)和蓄電池電流i(t)(1歐姆標準電阻的電壓值等于蓄電池電流值)，分別由模擬開(kāi)關(guān)控制輸入到有效值變換器，兩路交流電壓信號和電流信號經(jīng)過(guò)有效值變換器得到直流信號，然后由AD變換成數字信號送到FPGA模塊進(jìn)行信號處理;同時(shí)，由相位檢測電路檢測出的蓄電池端電壓與電流的相位差，經(jīng)過(guò)直流放大和AD轉換后送到FPGA模塊。最終，FPGA模塊得到蓄電池的端電壓信號，電流信號及相位差。所以蓄電池的內阻值可以有如下的公式計算出：

其中，U,I是電壓和電流的有效值，θ是兩者的相位差。

利用FPGA模塊高效計算能力可以實(shí)時(shí)計算蓄電池內阻值，隨后，把該阻值送到單片機進(jìn)行處理。具體電路如圖10所示：

單片機控制模塊：該模塊主要有單片機、鍵盤(pán)、液晶顯示和PC 通信組成。單片機主要控制系統中的各開(kāi)關(guān)量，接收溫度傳感信號，響應按鍵信號，輸出顯示信號，以及與PC機通信。具體描述如下：

開(kāi)關(guān)量的控制：交流信號接入開(kāi)關(guān)分量，蓄電池端電壓接入系統開(kāi)關(guān)分量，模擬開(kāi)關(guān)選擇開(kāi)關(guān)分量。

人機接口：置入單片機的按鍵信號分別是系統復位，模式選擇(數字顯示模式，曲線(xiàn)顯示模式)，與PC機通信。其中LCD液晶顯示的是內阻值，當前蓄電池電壓值，充電電流值，環(huán)境溫度。

微處理器：進(jìn)行數據處理，分析與計算各數據，重要數據輸送到Flash保存，異常情況報警，以及與控制各模塊。

PC機界面：讀取微處理器的數據，在圖像界面下對各參數分析，圖形和數字顯示，判斷蓄電池當前的運行狀態(tài)，發(fā)現異常問(wèn)題時(shí)報警。