基于FPGA的蓄電池內(nèi)阻在線檢測系統(tǒng)

課題來源：

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)生故障時應急使用，如果此時蓄電池失效或者容量不足就會造成重大事故和經(jīng)濟損失，后果不堪設想。對蓄電池運行參數(shù)進行在線檢測，發(fā)現(xiàn)問題及時更換電池，將能確保整個供電系統(tǒng)連續(xù)正常工作。目前，國際上認為內(nèi)阻是決定蓄電池性能好壞的標志;無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(nèi)阻值中反應出來。所以，對蓄電池內(nèi)阻的研究將是電力部門最熱門的研究方向之一。

需求分析：

目前，閥控式密封鉛酸(VRLA)蓄電池市場占有率是80-90%，生產(chǎn)廠商標定該種電池有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(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的企業(yè)用戶對蓄電池維護甚少，很少有專門負責和維護蓄電池設備的部門;為了確保整個供電系統(tǒng)能夠無故障運行，用戶通常在蓄電池使用3-5年就大批量地更換蓄電池組，實驗證明，在這些成批被更換掉的蓄電池中只有為數(shù)較少的電池產(chǎn)生了失效或容量不足，造成了系統(tǒng)虧電，而絕大部分蓄電池只達到使用壽命的一半時間，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，及時發(fā)現(xiàn)問題及時更換蓄電池，這不但能預防斷電事故的發(fā)生、增強整個供電系統(tǒng)的健壯性，而且還能給企業(yè)節(jié)省一大筆費用。

國內(nèi)外研究現(xiàn)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)其技術含量已經(jīng)達到國際頂尖水平;國內(nèi)廠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(nèi)阻的方法，該方法能精確測量蓄電池內(nèi)阻，操作簡單，對電池無損傷，能夠在線檢測蓄電池運行狀態(tài)。

第二部分：功能描述

功能特點：

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

檢測蓄電池當前電壓值:實時檢測蓄電池于在線放電狀態(tài)、在線浮充狀態(tài)、離線狀態(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。

技術指標：

在實現(xiàn)主要功能的情況下，各技術指標達到如下要求：

實時顯示三種檢測狀態(tài)下的內(nèi)阻值，誤差<5 mΩ。

實時顯示三種檢測狀態(tài)下的電壓值，誤差<0.1V。

實時顯示在線充電和浮充狀態(tài)下的電流值，電流精度值達到毫安級。

實時顯示環(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供電系統(tǒng)，而蓄電池內(nèi)阻決定了電池性能的好壞，所以，對蓄電池工作狀態(tài)在線檢測將是必要的措施。

蓄電池內(nèi)阻在線檢測系統(tǒng)能精確檢測電池的運行狀態(tài)參數(shù)和工作環(huán)境，然后把這些數(shù)據(jù)通過下位機的控制系統(tǒng)發(fā)送給PC 監(jiān)控系統(tǒng)，實行了智能化控制和管理，既保證了供電系統(tǒng)的可靠性又節(jié)省了一大筆費用。

應用的技術分析：

蓄電池內(nèi)部結構特性的研究對本設計方案有著重要的促進作用，其中阻抗分析是電化學研究中的常用方法，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，可見其包括以下幾部分：

100Hz后體現(xiàn)的電感部分;

高頻電阻RHF，即超過100Hz 后的實部;

在0.1Hz 和100Hz之間的第一個小容性環(huán)(半徑R1);

低于0.1Hz 后的第二個大容性環(huán)(半徑R2)。

關于蓄電池阻抗譜圖，一般的解釋為：

超過100Hz 部分呈現(xiàn)的感性是電池內(nèi)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;

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

通過以上的分析，可知內(nèi)阻是蓄電池的重要參數(shù)之一，為此設計內(nèi)阻檢測系統(tǒng)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博士學位，具有多年的項目開發(fā)經(jīng)驗;第一作者來自通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，曾多次參加電子設計大賽，并在化學專業(yè)獲學士學位，對電化學很了解，具有很強地電路設計能力。第二作者早年電子信息專業(yè)本科畢業(yè)，有著四年的項目開發(fā)經(jīng)驗，現(xiàn)就讀于信號與信息處理專業(yè)，在電路檢測、信號處理方面有著豐富的開發(fā)經(jīng)驗;第三作者同樣來自通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，有著扎實的電子理論基礎以及動手能力。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際操作方面都是很出色。

技術方案比較：

蓄電池內(nèi)阻在線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(nèi)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(nèi)阻的計算不能使用浮充電壓和放電工作電壓的差值來計算，使用開路平衡電位與放電工作電壓的差值時也不夠穩(wěn)定。因此，在放電過程改變電流可以克服平衡電位不穩(wěn)定的因素。采用式(2)，根據(jù)在不同電流(I1、I2)下的電壓變化(U1-U2)來計算內(nèi)阻值。

由于內(nèi)阻值很小，在一定電流下的電壓變化幅值相對較小，給準確測量帶來困難，由于放電過程電壓的變化，需要選擇穩(wěn)定區(qū)域計算電壓變化幅值。實際測量中，直流方法所得數(shù)據(jù)的重復性較差、準確度很難達到10%以上。放電時電流達到幾十安培，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：

設計重點難點：

蓄電池的內(nèi)阻是很小的值，在毫歐級別上，要想精確檢測內(nèi)阻值要求系統(tǒng)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。

在線檢測是蓄電池工作或者充電時段檢測蓄電池的運行性能，其主要參數(shù)是內(nèi)阻值、電壓值和電流值，而蓄電池平時都是接到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(tǒng)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(tǒng)框架：

總的系統(tǒng)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，然后通過電壓、電流及相位檢測電路檢測出各參數(shù)，采樣后的數(shù)據(jù)送到微處理器計算和分析內(nèi)阻參數(shù)。

整個系統(tǒng)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：

各子模塊的實現(xiàn)方法：

信號產(chǎn)生模塊：根據(jù)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(nèi)阻有較好的線性特性;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(nèi)阻是毫歐級，交流信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號電流值無法滿足電路檢測的要求，在電路后端需要對其信號進行功率放大，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(nèi)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(shù)、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)下在線檢測內(nèi)阻的，通常蓄電池是用UPS充電，而UPS與市電連接，所以，在線狀態(tài)下的蓄電池會有很強的高頻干擾。信號放大后需進行高頻濾波，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(tǒng)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，考慮到導線的電阻對檢測精度的影響，本方案中采用了四線法接入到蓄電池兩端(如圖4)，交流信號注入采用等長雙導線，端電壓檢測采用另外一對等長雙導線。

電流檢測模塊：為了能檢測到通過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該電阻電流，由于采用了四線法，流過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(tǒng)所需要的電壓值范圍，需對電阻的端電壓信號進行適當?shù)胤糯?。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(nèi)阻模型得知，蓄電池內(nèi)部存在一定感性或容性值，在不同的頻率條件下表現(xiàn)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。所以兩信號乘積后等于

其中，K表示乘法器的系數(shù)。

u(t)信號由低通濾波器濾掉低頻部分，最后得到系統(tǒng)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，機房的溫度過高直接影響蓄電池的壽命，所以實時檢測蓄電池溫度，保持機房恒溫非常必要。具體電路實現(xiàn)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)過差分放大送到系統(tǒng)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)，分別由模擬開關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)過有效值變換器得到直流信號，然后由AD變換成數(shù)字信號送到FPGA模塊進行信號處理;同時，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)過直流放大和AD轉(zhuǎn)換后送到FPGA模塊。最終，F(xiàn)PGA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(nèi)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時計算蓄電池內(nèi)阻值，隨后，把該阻值送到單片機進行處理。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、液晶顯示和PC 通信組成。單片機主要控制系統(tǒng)中的各開關量，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：

開關量的控制：交流信號接入開關分量，蓄電池端電壓接入系統(tǒng)開關分量，模擬開關選擇開關分量。

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

微處理器：進行數(shù)據(jù)處理，分析與計算各數(shù)據(jù)，重要數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，在圖像界面下對各參數(shù)分析，圖形和數(shù)字顯示，判斷蓄電池當前的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常問題時報警。