基于FPGA的蓄电池内阻在线检测系统
第一部分：课题背景描述[*] 课题来源：
蓄电池广泛应用于工业生产、交通、通信等行业，一般用作后备电源在主电源发生故障或其它设备发生故障时应急使用，如果此时蓄电池失效或者容量不足就会造成重大事故和经济损失，后果不堪设想。对蓄电池运行参数进行在线检测，发现问题及时更换电池，将能确保整个供电系统连续正常工作。目前，国际上认为内阻是决定蓄电池性能好坏的标志；无论是蓄电池即将失效、容量不足或充放电不当，都能从蓄电池内阻值中反应出来。所以，对蓄电池内阻的研究将是电力部门最热门的研究方向之一。
[*] 需求分析：
目前，阀控式密封铅酸(VRLA)蓄电池市场占有率是80-90%，生产厂商标定该种电池有10-15年的浮充寿命，但由于浮充电压、环境温度、正极板栅的腐蚀、失水、热失控等等因素的影响，通常使用寿命只有是5-8年。经调查发现，现有的企业用户对蓄电池维护甚少，很少有专门负责和维护蓄电池设备的部门；为了确保整个供电系统能够无故障运行，用户通常在蓄电池使用3-5年就大批量地更换蓄电池组，实验证明，在这些成批被更换掉的蓄电池中只有为数较少的电池产生了失效或容量不足，造成了系统亏电，而绝大部分蓄电池只达到使用寿命的一半时间，这将是很大的资源浪费。因而，如果能在机房里事先检测到蓄电池的运行状态，判断出性能好坏，及时发现问题及时更换蓄电池，这不但能预防断电事故的发生、增强整个供电系统的健壮性，而且还能给企业节省一大笔费用。
[*] 国内外研究现状：
对蓄电池的研究主要集中在国外的蓄电池生产企业，以美国Alber 公司和日本HIOKI公司为主流生产企业其技术含量已经达到国际顶尖水平；国内厂家的研究主要集中在对直流放电法的研究，但该方法采用大电流放电的方式，安全性较差，对蓄电池的损伤较大；交流注入法是国际上研究最多的一种测量蓄电池内阻的方法，该方法能精确测量蓄电池内阻，操作简单，对电池无损伤，能够在线检测蓄电池运行状态。
第二部分：功能描述
[*] 功能特点：
本设计方案采用是交流注入法，就是用激励信号加到电池两端，检测电池的响应电压值、电流值及两者的相位差，由阻抗公式R=U/I*cosθ计算出内阻值。其主要的检测对象是9V-12V、10Ah-70Ah的阀控式密封铅酸蓄电池，检测系统是检测蓄电池在线状态下的内阻值、蓄电池当前电压值、充电电流值以及机房的环境温度。具体如下：
[*] 检测蓄电池内阻值：分别检测出蓄电池在三种状态下的内阻值：在线放电状态、在线浮充状态、离线状态, 测量范围在1mΩ-500 mΩ。
[*] 检测蓄电池当前电压值:实时检测蓄电池于在线放电状态、在线浮充状态、离线状态下的当前电压值，测量范围是1V-45V。
[*] 检测蓄电池充电电流值：分别检测蓄电池的在线充电状态和浮充状态下的电流值。
[*] 检测环境温度值：检测蓄电池在机房工作的环境温度。
[*]
[*] 技术指标：
在实现主要功能的情况下，各技术指标达到如下要求：
[*] 实时显示三种检测状态下的内阻值，误差<5 mΩ。
[*] 实时显示三种检测状态下的电压值，误差<0.1V。
[*] 实时显示在线充电和浮充状态下的电流值，电流精度值达到毫安级。
实时显示环境温度值，误差。
第三部分：可行性分析
[*] 设计思路：
电池的性能直接影响整个供电系统，而蓄电池内阻决定了电池性能的好坏，所以，对蓄电池工作状态在线检测将是必要的措施。
蓄电池内阻在线检测系统能精确检测电池的运行状态参数和工作环境，然后把这些数据通过下位机的控制系统发送给PC 监控系统，实行了智能化控制和管理，既保证了供电系统的可靠性又节省了一大笔费用。
[*] 应用的技术分析：
蓄电池内部结构特性的研究对本设计方案有着重要的促进作用，其中阻抗分析是电化学研究中的常用方法，也是电池性能研究和产品设计的必要手段。图1是典型的铅酸电池阻抗图，可见其包括以下几部分：
[*] 100Hz后体现的电感部分；
[*] 高频电阻RHF，即超过100Hz 后的实部；
[*] 在0.1Hz 和100Hz之间的第一个小容性环(半径R1)；
[*] 低于0.1Hz 后的第二个大容性环(半径R2)。
图1 蓄电池阻抗谱图
关于蓄电池阻抗谱图，一般的解释为：
[*] 超过100Hz 部分呈现的感性是电池内部几何结构和连接部件的影响；
[*] 欧姆电阻RHF包含连接件电阻、隔膜电阻、电解液电阻和电极与硫酸铅晶体结合面电阻；
[*] 小容性环与电极的孔率有关；
[*] 大容性环依赖于电极反应，其速率受Pb2+离子传质速度限制。
通过以上的分析，可知内阻是蓄电池的重要参数之一，为此设计内阻检测系统将是可行的。
本次设计团队是一支优秀的研究生团队，其中指导老师早年获得上海同济大学博士学位，具有多年的项目开发经验；第一作者来自通信与信息系统专业，曾多次参加电子设计大赛，并在化学专业获学士学位，对电化学很了解，具有很强地电路设计能力。第二作者早年电子信息专业本科毕业，有着四年的项目开发经验，现就读于信号与信息处理专业，在电路检测、信号处理方面有着丰富的开发经验；第三作者同样来自通信与信息系统专业，有着扎实的电子理论基础以及动手能力。所以，本团队兼有该方案各方面人才，不仅具有电子设计方面的专业知识，而且在生化方面也有很深的理论基础，不管在理论分析和实际操作方面都是很出色。
[*] 技术方案比较：
蓄电池内阻在线检测方案大体上可分为直流放电法和交流注入法，直流放电法是在电池组两端接入放电负载，测量电压的变化（U1-U2）和电流值（I）计算电池的内阻
蓄电池从浮充状态切换到放电状态，典型的电压跌落过程如图2所示。即停止充电后，电池回落到某平衡电位，接入放电负载后，电压发生阶跃变化。这样，内阻的计算不能使用浮充电压和放电工作电压的差值来计算，使用开路平衡电位与放电工作电压的差值时也不够稳定。因此，在放电过程改变电流可以克服平衡电位不稳定的因素。采用式（2），根据在不同电流（I1、I2）下的电压变化（U1-U2）来计算内阻值。
图2 蓄电池放电电压曲线
由于内阻值很小，在一定电流下的电压变化幅值相对较小，给准确测量带来困难，由于放电过程电压的变化，需要选择稳定区域计算电压变化幅值。实际测量中，直流方法所得数据的重复性较差、准确度很难达到10%以上。放电时电流达到几十安培，操作的安全性较差，发热量大，减少电池寿命。
交流注入法相对直流放电法要简单。若受控电压激励信号V(t)=Vmaxcos(ωt), 产生的电流响应为i(t)=Imax(ωt+θ)，则蓄电池的阻抗为
其中，分别为电压和电流的有效值，为电压与电流的相位角。具体框图如图3所示：
[*] 设计重点难点：
蓄电池的内阻是很小的值，在毫欧级别上，要想精确检测内阻值要求系统必须良好的弱信号检测能力，在本方案中要能精确检测蓄电池端电压。
在线检测是蓄电池工作或者充电时段检测蓄电池的运行性能，其主要参数是内阻值、电压值和电流值，而蓄电池平时都是接到UPS与市电相连的，这将对蓄电池产生一定量的高频干扰，所以，要求本检测系统必须有高频滤波能力和电路的强抗干扰能力。
相位检测也是难点之一，端电压检测模块检测到蓄电池交流电压信号，由于电磁干扰的影响，原有的正弦电压信号将发生扭曲，甚至变形，所以给相位检测带来困难；在本方案中我们引用了新的相位检测方法，把激励信号与检测到的信号作乘法运算，然后通过低通滤波器滤掉和频分量，保留直流分量。由于有些干扰信号与激励频率相近的信号干扰，在乘法运算中将产生接近于零频的干扰，所以对低通滤波器的设计要求很高，只能保留直流分量的存在。
第四部分：项目总体设计
[*] 总体描述与系统框架：
总的系统流程图如图3，其中激励信号是交流低频小信号，该信号加载到蓄电池两端，然后通过电压、电流及相位检测电路检测出各参数，采样后的数据送到微处理器计算和分析内阻参数。
图3交流注入法流程图
整个系统可分为七大模块：信号产生模块，端电压检测模块，电流检测模块，电压与电流相位检测模块，环境温度检测模块，FPGA模块，单片机控制模块，PC机界面。具体如图4所示：
图4 系统框图
[*] 各子模块的实现方法：
信号产生模块：根据交流注入法的思想，蓄电池两端必须引入交流信号，交流信号的频率大小由蓄电池的特性所决定，经研究，蓄电池在低频段内阻有较好的线性特性；本方案中信号采用的是正弦信号，信号频率是f=20Hz，信号电压峰-峰值设定为up-p=5V。
由于蓄电池的内阻是毫欧级，交流信号发生器产生的信号电流值无法满足电路检测的要求，在电路后端需要对其信号进行功率放大，放大后的电流值峰-峰值设定为ip-p=800mA。模块如图5所示：
图5 信号产生模块
其中，Part1部分是产生正弦交流信号部分，Part2是功率放大电路。功率放大的信号经过隔直电容接入到蓄电池的两端。
端电压检测模块：由于蓄电池的内阻总是存在的，加载在两端的的交流信号将产生压差，端电压信号由隔直电容接入到检测电路。检测电路由差分放大电路和高频滤波电路构成。由于蓄电池两端的电压值是微伏级，为此，电路需要高放大倍数、有强抗干扰能力、低温漂的放大器件，本方案中选择AD620仪表放大器。如图6所示：
图6 端电压检测模块
本方案设计是在蓄电池充电或浮充的状态下在线检测内阻的，通常蓄电池是用UPS充电，而UPS与市电连接，所以，在线状态下的蓄电池会有很强的高频干扰。信号放大后需进行高频滤波，滤掉高次谐波，保留原有的低频部分。滤波后的电压信号将是本系统所需要的蓄电池端电压信号。
在端电压检测模块和信号模块产生模块中，考虑到导线的电阻对检测精度的影响，本方案中采用了四线法接入到蓄电池两端(如图4)，交流信号注入采用等长双导线，端电压检测采用另外一对等长双导线。
电流检测模块：为了能检测到通过蓄电池的交流电流信号的大小，在交流信号的注入端串联一只标准电阻，标准电阻电压与电流同相，检测标准电阻端电压就可以算出流过该电阻电流，由于采用了四线法，流过标准电阻的电流等同于蓄电池电流。本方案中采用标注电阻值是1欧姆2瓦。为了能达到系统所需要的电压值范围，需对电阻的端电压信号进行适当地放大。具体如图7所示：
图7 电流检测模块
电压与电流相位检测模块：分析蓄电池的内阻模型得知，蓄电池内部存在一定感性或容性值，在不同的频率条件下表现出不同特性，电压与电流产生相位差。具体如图8所示：
图8 相位检测
其中，u1(t)表示蓄电池端电压的信号，u2(t)表示信号源注入电压信号，u(t)表示u1(t)与u2(t)乘积信号。
蓄电池端电压的信号u1(t)=A *cos(ωt+θ)，其中ω 表示注入交流信号的频率，θ表示蓄电池的端电压偏移的相位，A表示信号幅值；信号源注入电压信号u2(t)=B*cos(ωt)，其中ω表示注入交流信号的频率，B表示注入电压信号幅值。所以两信号乘积后等于
其中，K表示乘法器的系数。
u(t)信号由低通滤波器滤掉低频部分，最后得到系统所需要的相位差的余弦值。
环境温度检测模块：蓄电池工作的环境温度对蓄电池性能产生重要的影响，机房的温度过高直接影响蓄电池的寿命，所以实时检测蓄电池温度，保持机房恒温非常必要。具体电路实现如图9所示：
图9 温度检测模块
传感器部分采用了桥式测量法，精确测量温度变化，传感器信号然后经过差分放大送到系统主控制芯片。
FPGA模块：蓄电池端电压u1(t)和蓄电池电流i(t)(1欧姆标准电阻的电压值等于蓄电池电流值)，分别由模拟开关控制输入到有效值变换器，两路交流电压信号和电流信号经过有效值变换器得到直流信号，然后由AD变换成数字信号送到FPGA模块进行信号处理；同时，由相位检测电路检测出的蓄电池端电压与电流的相位差，经过直流放大和AD转换后送到FPGA模块。最终，FPGA模块得到蓄电池的端电压信号，电流信号及相位差。所以蓄电池的内阻值可以有如下的公式计算出：
其中，U,I是电压和电流的有效值，θ是两者的相位差。
利用FPGA模块高效计算能力可以实时计算蓄电池内阻值，随后，把该阻值送到单片机进行处理。具体电路如图10所示：
图10FPGA模块
单片机控制模块：该模块主要有单片机、键盘、液晶显示和PC 通信组成。单片机主要控制系统中的各开关量，接收温度传感信号，响应按键信号，输出显示信号，以及与PC机通信。具体描述如下：
[*] 开关量的控制：交流信号接入开关分量，蓄电池端电压接入系统开关分量，模拟开关选择开关分量。
[*] 人机接口：置入单片机的按键信号分别是系统复位，模式选择(数字显示模式，曲线显示模式)，与PC机通信。其中LCD液晶显示的是内阻值，当前蓄电池电压值，充电电流值，环境温度。
[*] 微处理器：进行数据处理，分析与计算各数据，重要数据输送到Flash保存，异常情况报警，以及与控制各模块。
PC机界面：读取微处理器的数据，在图像界面下对各参数分析，图形和数字显示，判断蓄电池当前的运行状态，发现异常问题时报警。
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