基于FPGA的蓄電池內(nèi)阻在線檢測(cè)系統(tǒng)
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本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201612/326182.htm蓄電池廣泛應(yīng)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(shè)備發(fā)生故障時(shí)應(yīng)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(jì)損失,后果不堪設(shè)想。對(duì)蓄電池運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行在線檢測(cè),發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)更換電池,將能確保整個(gè)供電系統(tǒng)連續(xù)正常工作。目前,國(guó)際上認(rèn)為內(nèi)阻是決定蓄電池性能好壞的標(biāo)志;無論是蓄電池即將失效、容量不足或充放電不當(dāng),都能從蓄電池內(nèi)阻值中反應(yīng)出來。所以,對(duì)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(chǎng)占有率是80-90%,生產(chǎn)廠商標(biāo)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(duì)蓄電池維護(hù)甚少,很少有專門負(fù)責(zé)和維護(hù)蓄電池設(shè)備的部門;為了確保整個(gè)供電系統(tǒng)能夠無故障運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(dá)到使用壽命的一半時(shí)間,這將是很大的資源浪費(fèi)。因而,如果能在機(jī)房里事先檢測(cè)到蓄電池的運(yùn)行狀態(tài),判斷出性能好壞,及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)更換蓄電池,這不但能預(yù)防斷電事故的發(fā)生、增強(qiáng)整個(gè)供電系統(tǒng)的健壯性,而且還能給企業(yè)節(jié)省一大筆費(fèi)用。
國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀:
對(duì)蓄電池的研究主要集中在國(guó)外的蓄電池生產(chǎn)企業(yè),以美國(guó)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(dá)到國(guó)際頂尖水平;國(guó)內(nèi)廠家的研究主要集中在對(duì)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(duì)蓄電池的損傷較大;交流注入法是國(guó)際上研究最多的一種測(cè)量蓄電池內(nèi)阻的方法,該方法能精確測(cè)量蓄電池內(nèi)阻,操作簡(jiǎn)單,對(duì)電池?zé)o損傷,能夠在線檢測(cè)蓄電池運(yùn)行狀態(tài)。
第二部分:功能描述
功能特點(diǎn):
本設(shè)計(jì)方案采用是交流注入法,就是用激勵(lì)信號(hào)加到電池兩端,檢測(cè)電池的響應(yīng)電壓值、電流值及兩者的相位差,由阻抗公式R=U/I*cosθ計(jì)算出內(nèi)阻值。其主要的檢測(cè)對(duì)象是9V-12V、10Ah-70Ah的閥控式密封鉛酸蓄電池,檢測(cè)系統(tǒng)是檢測(cè)蓄電池在線狀態(tài)下的內(nèi)阻值、蓄電池當(dāng)前電壓值、充電電流值以及機(jī)房的環(huán)境溫度。具體如下:
檢測(cè)蓄電池內(nèi)阻值:分別檢測(cè)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(cè)量范圍在1mΩ-500 mΩ。
檢測(cè)蓄電池當(dāng)前電壓值:實(shí)時(shí)檢測(cè)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(dāng)前電壓值,測(cè)量范圍是1V-45V。
檢測(cè)蓄電池充電電流值:分別檢測(cè)蓄電池的在線充電狀態(tài)和浮充狀態(tài)下的電流值。
檢測(cè)環(huán)境溫度值:檢測(cè)蓄電池在機(jī)房工作的環(huán)境溫度。
技術(shù)指標(biāo):
在實(shí)現(xiàn)主要功能的情況下,各技術(shù)指標(biāo)達(dá)到如下要求:
實(shí)時(shí)顯示三種檢測(cè)狀態(tài)下的內(nèi)阻值,誤差<5 mΩ。
實(shí)時(shí)顯示三種檢測(cè)狀態(tài)下的電壓值,誤差<0.1V。
實(shí)時(shí)顯示在線充電和浮充狀態(tài)下的電流值,電流精度值達(dá)到毫安級(jí)。
實(shí)時(shí)顯示環(huán)境溫度值,誤差。
第三部分:可行性分析
設(shè)計(jì)思路:
電池的性能直接影響整個(gè)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(duì)蓄電池工作狀態(tài)在線檢測(cè)將是必要的措施。
蓄電池內(nèi)阻在線檢測(cè)系統(tǒng)能精確檢測(cè)電池的運(yùn)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(jī)的控制系統(tǒng)發(fā)送給PC 監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)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(fèi)用。
應(yīng)用的技術(shù)分析:
蓄電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性的研究對(duì)本設(shè)計(jì)方案有著重要的促進(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(shè)計(jì)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(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100Hz 部分呈現(xiàn)的感性是電池內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)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(jié)合面電阻;
小容性環(huán)與電極的孔率有關(guān);
大容性環(huán)依賴于電極反應(yīng),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(shè)計(jì)內(nèi)阻檢測(cè)系統(tǒng)將是可行的。
本次設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)是一支優(yōu)秀的研究生團(tuán)隊(duì),其中指導(dǎo)老師早年獲得上海同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位,具有多年的項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn);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(shè)計(jì)大賽,并在化學(xué)專業(yè)獲學(xué)士學(xué)位,對(duì)電化學(xué)很了解,具有很強(qiáng)地電路設(shè)計(jì)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(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn),現(xiàn)就讀于信號(hào)與信息處理專業(yè),在電路檢測(cè)、信號(hào)處理方面有著豐富的開發(fā)經(jīng)驗(yàn);第三作者同樣來自通信與信息系統(tǒng)專業(yè),有著扎實(shí)的電子理論基礎(chǔ)以及動(dòng)手能力。所以,本團(tuán)隊(duì)兼有該方案各方面人才,不僅具有電子設(shè)計(jì)方面的專業(yè)知識(shí),而且在生化方面也有很深的理論基礎(chǔ),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(nèi)阻在線檢測(cè)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(fù)載,測(cè)量電壓的變化(U1-U2)和電流值(I)計(jì)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(fù)載后,電壓發(fā)生階躍變化。這樣,內(nèi)阻的計(jì)算不能使用浮充電壓和放電工作電壓的差值來計(jì)算,使用開路平衡電位與放電工作電壓的差值時(shí)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(jì)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(duì)較小,給準(zhǔn)確測(cè)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(jì)算電壓變化幅值。實(shí)際測(cè)量中,直流方法所得數(shù)據(jù)的重復(fù)性較差、準(zhǔn)確度很難達(dá)到10%以上。放電時(shí)電流達(dá)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(duì)直流放電法要簡(jiǎn)單。若受控電壓激勵(lì)信號(hào)V(t)=Vmaxcos(ωt), 產(chǎn)生的電流響應(yīng)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(shè)計(jì)重點(diǎn)難點(diǎn):
蓄電池的內(nèi)阻是很小的值,在毫歐級(jí)別上,要想精確檢測(cè)內(nèi)阻值要求系統(tǒng)必須良好的弱信號(hào)檢測(cè)能力,在本方案中要能精確檢測(cè)蓄電池端電壓。
在線檢測(cè)是蓄電池工作或者充電時(shí)段檢測(cè)蓄電池的運(yùn)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(shí)都是接到UPS與市電相連的,這將對(duì)蓄電池產(chǎn)生一定量的高頻干擾,所以,要求本檢測(cè)系統(tǒng)必須有高頻濾波能力和電路的強(qiáng)抗干擾能力。
相位檢測(cè)也是難點(diǎn)之一,端電壓檢測(cè)模塊檢測(cè)到蓄電池交流電壓信號(hào),由于電磁干擾的影響,原有的正弦電壓信號(hào)將發(fā)生扭曲,甚至變形,所以給相位檢測(cè)帶來困難;在本方案中我們引用了新的相位檢測(cè)方法,把激勵(lì)信號(hào)與檢測(cè)到的信號(hào)作乘法運(yùn)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(hào)與激勵(lì)頻率相近的信號(hào)干擾,在乘法運(yùn)算中將產(chǎn)生接近于零頻的干擾,所以對(duì)低通濾波器的設(shè)計(jì)要求很高,只能保留直流分量的存在。
第四部分:項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)
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(lì)信號(hào)是交流低頻小信號(hào),該信號(hào)加載到蓄電池兩端,然后通過電壓、電流及相位檢測(cè)電路檢測(cè)出各參數(shù),采樣后的數(shù)據(jù)送到微處理器計(jì)算和分析內(nèi)阻參數(shù)。
整個(gè)系統(tǒng)可分為七大模塊:信號(hào)產(chǎn)生模塊,端電壓檢測(cè)模塊,電流檢測(cè)模塊,電壓與電流相位檢測(cè)模塊,環(huán)境溫度檢測(cè)模塊,FPGA模塊,單片機(jī)控制模塊,PC機(jī)界面。具體如圖4所示:
各子模塊的實(shí)現(xiàn)方法:
信號(hào)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(hào),交流信號(hào)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(hào)采用的是正弦信號(hào),信號(hào)頻率是f=20Hz,信號(hào)電壓峰-峰值設(shè)定為up-p=5V。
由于蓄電池的內(nèi)阻是毫歐級(jí),交流信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)電流值無法滿足電路檢測(cè)的要求,在電路后端需要對(duì)其信號(hào)進(jìn)行功率放大,放大后的電流值峰-峰值設(shè)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(hào)部分,Part2是功率放大電路。功率放大的信號(hào)經(jīng)過隔直電容接入到蓄電池的兩端。
端電壓檢測(cè)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(hào)將產(chǎn)生壓差,端電壓信號(hào)由隔直電容接入到檢測(cè)電路。檢測(cè)電路由差分放大電路和高頻濾波電路構(gòu)成。由于蓄電池兩端的電壓值是微伏級(jí),為此,電路需要高放大倍數(shù)、有強(qiáng)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(shè)計(jì)是在蓄電池充電或浮充的狀態(tài)下在線檢測(cè)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(huì)有很強(qiáng)的高頻干擾。信號(hào)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(hào)將是本系統(tǒng)所需要的蓄電池端電壓信號(hào)。
在端電壓檢測(cè)模塊和信號(hào)模塊產(chǎn)生模塊中,考慮到導(dǎo)線的電阻對(duì)檢測(cè)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(hào)注入采用等長(zhǎng)雙導(dǎo)線,端電壓檢測(cè)采用另外一對(duì)等長(zhǎng)雙導(dǎo)線。
電流檢測(cè)模塊:為了能檢測(cè)到通過蓄電池的交流電流信號(hào)的大小,在交流信號(hào)的注入端串聯(lián)一只標(biāo)準(zhǔn)電阻,標(biāo)準(zhǔn)電阻電壓與電流同相,檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)電阻的電流等同于蓄電池電流。本方案中采用標(biāo)注電阻值是1歐姆2瓦。為了能達(dá)到系統(tǒng)所需要的電壓值范圍,需對(duì)電阻的端電壓信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)胤糯?。具體如圖7所示:
電壓與電流相位檢測(cè)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(hào),u2(t)表示信號(hào)源注入電壓信號(hào),u(t)表示u1(t)與u2(t)乘積信號(hào)。
蓄電池端電壓的信號(hào)u1(t)=A *cos(ωt+θ),其中ω 表示注入交流信號(hào)的頻率,θ表示蓄電池的端電壓偏移的相位,A表示信號(hào)幅值;信號(hào)源注入電壓信號(hào)u2(t)=B*cos(ωt),其中ω表示注入交流信號(hào)的頻率,B表示注入電壓信號(hào)幅值。所以兩信號(hào)乘積后等于
其中,K表示乘法器的系數(shù)。
u(t)信號(hào)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(cè)模塊:蓄電池工作的環(huán)境溫度對(duì)蓄電池性能產(chǎn)生重要的影響,機(jī)房的溫度過高直接影響蓄電池的壽命,所以實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池溫度,保持機(jī)房恒溫非常必要。具體電路實(shí)現(xiàn)如圖9所示:
傳感器部分采用了橋式測(cè)量法,精確測(cè)量溫度變化,傳感器信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)電阻的電壓值等于蓄電池電流值),分別由模擬開關(guān)控制輸入到有效值變換器,兩路交流電壓信號(hào)和電流信號(hào)經(jīng)過有效值變換器得到直流信號(hào),然后由AD變換成數(shù)字信號(hào)送到FPGA模塊進(jìn)行信號(hào)處理;同時(shí),由相位檢測(cè)電路檢測(cè)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(hào),電流信號(hào)及相位差。所以蓄電池的內(nèi)阻值可以有如下的公式計(jì)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(jì)算能力可以實(shí)時(shí)計(jì)算蓄電池內(nèi)阻值,隨后,把該阻值送到單片機(jī)進(jìn)行處理。具體電路如圖10所示:
單片機(jī)控制模塊:該模塊主要有單片機(jī)、鍵盤、液晶顯示和PC 通信組成。單片機(jī)主要控制系統(tǒng)中的各開關(guān)量,接收溫度傳感信號(hào),響應(yīng)按鍵信號(hào),輸出顯示信號(hào),以及與PC機(jī)通信。具體描述如下:
開關(guān)量的控制:交流信號(hào)接入開關(guān)分量,蓄電池端電壓接入系統(tǒng)開關(guān)分量,模擬開關(guān)選擇開關(guān)分量。
人機(jī)接口:置入單片機(jī)的按鍵信號(hào)分別是系統(tǒng)復(fù)位,模式選擇(數(shù)字顯示模式,曲線顯示模式),與PC機(jī)通信。其中LCD液晶顯示的是內(nèi)阻值,當(dāng)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(shù)據(jù)處理,分析與計(jì)算各數(shù)據(jù),重要數(shù)據(jù)輸送到Flash保存,異常情況報(bào)警,以及與控制各模塊。
PC機(jī)界面:讀取微處理器的數(shù)據(jù),在圖像界面下對(duì)各參數(shù)分析,圖形和數(shù)字顯示,判斷蓄電池當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài),發(fā)現(xiàn)異常問題時(shí)報(bào)警。
評(píng)論