榜首部分：课题布景描绘
课题来历：
蓄电池广泛运用于工业出产、交通、通讯等职业，一般用作后备电源在主电源发生毛病或其它设备发生毛病时应急运用，假如此刻蓄电池失效或许容量缺乏就会形成重大事端和经济损失，后果不堪设想。对蓄电池运转参数进行在线检测，发现问题及时替换电池，将能确保整个供电体系接连正常作业。现在，世界上以为内阻是决议蓄电池功用好坏的标志;无论是蓄电池行将失效、容量缺乏或充放电不妥，都能从蓄电池内阻值中反响出来。所以，对蓄电池内阻的研讨将是电力部分最抢手的研讨方向之一。
需求剖析：
现在，阀控式密封铅酸(VRLA)蓄电池市场占有率是80-90%，出产厂商标定该种电池有10-15年的浮充寿数，但因为浮充电压、环境温度、正极板栅的腐蚀、失水、热失控等等要素的影响，一般运用寿数只要是5-8年。经查询发现，现有的企业用户对蓄电池保护甚少，很少有专门担任和保护蓄电池设备的部分;为了确保整个供电体系能够无毛病运转，用户一般在蓄电池运用3-5年就大批量地替换蓄电池组，试验证明，在这些成批被替换掉的蓄电池中只要为数较少的电池发生了失效或容量缺乏，形成了体系亏电，而绝大部分蓄电池只到达运用寿数的一半时刻，这将是很大的资源糟蹋。因而，假如能在机房里事前检测到蓄电池的运转状况，判别出功用好坏，及时发现问题及时替换蓄电池，这不但能防备断电事端的发生、增强整个供电体系的健壮性，并且还能给企业节约一大笔费用。
国内外研讨现状：
对蓄电池的研讨首要会集在国外的蓄电池出产企业，以美国Alber 公司和日本HIOKI公司为干流出产企业其技能含量现已到达世界顶尖水平;国内厂家的研讨首要会集在对直流放电法的研讨，但该办法选用大电流放电的办法，安全性较差，对蓄电池的损害较大;沟通注入法是世界上研讨最多的一种丈量蓄电池内阻的办法，该办法能准确丈量蓄电池内阻，操作简略，对电池无损害，能够在线检测蓄电池运转状况。
第二部分：功用描绘
功用特色：
本规划计划选用是沟通注入法，便是用鼓励信号加到电池两头，检测电池的呼应电压值、电流值及两者的相位差，由阻抗公式R=U/I*cosθ核算出内阻值。其首要的检测对象是9V-12V、10Ah-70Ah的阀控式密封铅酸蓄电池，检测体系是检测蓄电池在线状况下的内阻值、蓄电池当时电压值、充电电流值以及机房的环境温度。详细如下：
检测蓄电池内阻值：别离检测出蓄电池在三种状况下的内阻值：在线放电状况、在线浮充状况、离线状况, 丈量规模在1mΩ-500 mΩ。
检测蓄电池当时电压值:实时检测蓄电池于在线放电状况、在线浮充状况、离线状况下的当时电压值，丈量规模是1V-45V。
检测蓄电池充电电流值：别离检测蓄电池的在线充电状况和浮充状况下的电流值。
检测环境温度值：检测蓄电池在机房作业的环境温度。
技能指标：
在完成首要功用的情况下，各技能指标到达如下要求：
实时显现三种检测状况下的内阻值，差错<5 mΩ。
实时显现三种检测状况下的电压值，差错<0.1V。
实时显现在线充电和浮充状况下的电流值，电流精度值到达毫安级。
实时显现环境温度值，差错
。
第三部分：可行性剖析
规划思路：
电池的功用直接影响整个供电体系，而蓄电池内阻决议了电池功用的好坏，所以，对蓄电池作业状况在线检测将是必要的办法。
蓄电池内阻在线检测体系能准确检测电池的运转状况参数和作业环境，然后把这些数据通过下位机的操控体系发送给PC 监控体系，实行了智能化操控和办理，既确保了供电体系的可靠性又节约了一大笔费用。
运用的技能剖析：
蓄电池内部结构特性的研讨对本规划计划有着重要的促进作用，其间阻抗剖析是电化学研讨中的常用办法，也是电池功用研讨和产品规划的必要手法。图1是典型的铅酸电池阻抗图，可见其包括以下几部分：
100Hz后表现的电感部分;
高频电阻RHF，即超越100Hz 后的实部;
在0.1Hz 和100Hz之间的榜首个小容性环(半径R1);
低于0.1Hz 后的第二个大容性环(半径R2)。
关于蓄电池阻抗谱图，一般的解释为：
超越100Hz 部分出现的理性是电池内部几许结构和衔接部件的影响;
欧姆电阻RHF包括衔接件电阻、隔阂电阻、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响，其速率受Pb2+离子传质速度限制。
通过以上的剖析，可知内阻是蓄电池的重要参数之一，为此规划内阻检测体系将是可行的。
本次规划团队是一支优异的研讨生团队，其间指导老师早年取得上海同济大学博士学位，具有多年的项目开发经历;榜首作者来自通讯与信息体系专业，曾多次参与电子规划大赛，并在化学专业获学士学位，对电化学很了解，具有很强地电路规划才能。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历，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厚的开发经历;第三作者相同来自通讯与信息体系专业，有着厚实的电子理论基础以及着手才能。所以，本团队兼有该计划各方面人才，不只具有电子规划方面的专业知识，并且在生化方面也有很深的理论基础，不论在理论剖析和实践操作方面都是很超卓。
技能计划比较：
蓄电池内阻在线检测计划大体上可分为直流放电法和沟通注入法，直流放电法是在电池组两头接入放电负载，丈量电压的改动(U1-U2)和电流值(I)核算电池的内阻
蓄电池从浮充状况切换到放电状况，典型的电压下跌进程如图2所示。即中止充电后，电池回落到某平衡电位，接入放电负载后，电压发生阶跃改动。这样，内阻的核算不能运用浮充电压和放电作业电压的差值来核算，运用开路平衡电位与放电作业电压的差值时也不行安稳。因而，在放电进程改动电流能够战胜平衡电位不安稳的要素。选用式(2)，依据在不同电流(I1、I2)下的电压改动(U1-U2)来核算内阻值。
因为内阻值很小，在必定电流下的电压改动幅值相对较小，给准确丈量带来困难，因为放电进程电压的改动，需求挑选安稳区域核算电压改动幅值。实践丈量中，直流办法所得数据的重复性较差、准确度很难到达10%以上。放电时电流到达几十安培，操作的安全性较差，发热量大，削减电池寿数。
沟通注入法相对直流放电法要简略。若受控电压鼓励信号V(t)=Vmaxcos(ωt), 发生的电流呼应为i(t)=Imax(ωt+θ)，则蓄电池的阻抗为
其间，
别离为电压和电流的有效值，
为电压与电流的相位角。详细框图如图3所示：
规划重点难点：
蓄电池的内阻是很小的值，在毫欧级别上，要想准确检测内阻值要求体系有必要杰出的弱信号检测才能，在本计划中要能准确检测蓄电池端电压。
在线检测是蓄电池作业或许充电时段检测蓄电池的运转功用，其首要参数是内阻值、电压值和电流值，而蓄电池平常都是接到UPS与市电相连的，这将对蓄电池发生必定量的高频搅扰，所以，要求本检测体系有必要有高频滤波才能和电路的强抗搅扰才能。
相位检测也是难点之一，端电压检测模块检测到蓄电池沟通电压信号，因为电磁搅扰的影响，原有的正弦电压信号将发生歪曲，乃至变形，所以给相位检测带来困难;在本计划中咱们引用了新的相位检测办法，把鼓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重量，保存直流重量。因为有些搅扰信号与鼓励频率附近的信号搅扰，在乘法运算中将发生接近于零频的搅扰，所以对低通滤波器的规划要求很高，只能保存直流重量的存在。
第四部分：项目整体规划
整体描绘与体系结构：
总的体系流程图如图3，其间鼓励信号是沟通低频小信号，该信号加载到蓄电池两头，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核算和剖析内阻参数。
整个体系可分为七大模块：信号发生模块，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，单片机操控模块，PC机界面。详细如图4所示：
各子模块的完成办法：
信号发生模块：依据沟通注入法的思维，蓄电池两头有必要引进沟通讯号，沟通讯号的频率巨细由蓄电池的特性所决议，经研讨，蓄电池在低频段内阻有较好的线性特性;本计划中信号选用的是正弦信号，信号频率是f=20Hz，信号电压峰-峰值设定为up-p=5V。
因为蓄电池的内阻是毫欧级，沟通讯号发生器发生的信号电流值无法满意电路检测的要求，在电路后端需求对其信号进行功率扩大，扩大后的电流值峰-峰值设定为ip-p=800mA。模块如图5所示：
其间，Part1部分是发生正弦沟通讯号部分，Part2是功率扩大电路。功率扩大的信号通过隔直电容接入到蓄电池的两头。
端电压检测模块：因为蓄电池的内阻总是存在的，加载在两头的的沟通讯号将发生压差，端电压信号由隔直%&&&&&%接入到检测电路。检测电路由差分扩大电路和高频滤波电路构成。因为蓄电池两头的电压值是微伏级，为此，电路需求高扩大倍数、有强抗搅扰才能、低温漂的扩大器材，本计划中挑选AD620外表扩大器。如图6所示：
本计划规划是在蓄电池充电或浮充的状况下在线检测内阻的，一般蓄电池是用UPS充电，而UPS与市电衔接，所以，在线状况下的蓄电池会有很强的高频搅扰。信号扩大后需进行高频滤波，滤掉高次谐波，保存原有的低频部分。滤波后的电压信号将是本体系所需求的蓄电池端电压信号。
在端电压检测模块和信号模块发生模块中，考虑到导线的电阻对检测精度的影响，本计划中选用了四线法接入到蓄电池两头(如图4)，沟通讯号注入选用等长双导线，端电压检测选用别的一对等长双导线。
电流检测模块：为了能检测到通过蓄电池的沟通电流信号的巨细，在沟通讯号的注入端串联一只规范电阻，规范电阻电压与电流同相，检测规范电阻端电压就能够算出流过该电阻电流，因为选用了四线法，流过规范电阻的电流等同于蓄电池电流。本计划中选用标示电阻值是1欧姆2瓦。为了能到达体系所需求的电压值规模，需对电阻的端电压信号进行适当地扩大。详细如图7所示：
电压与电流相位检测模块：剖析蓄电池的内阻模型得知，蓄电池内部存在必定理性或容性值，在不同的频率条件下表现出不同特性，电压与电流发生相位差。详细如图8所示：
其间，u1(t)表明蓄电池端电压的信号，u2(t)表明信号源注入电压信号，u(t)表明u1(t)与u2(t)乘积信号。
蓄电池端电压的信号u1(t)=A *cos(ωt+θ)，其间ω 表明注入沟通讯号的频率，θ表明蓄电池的端电压偏移的相位，A表明信号幅值;信号源注入电压信号u2(t)=B*cos(ωt)，其间ω表明注入沟通讯号的频率，B表明注入电压信号幅值。所以两信号乘积后等于
其间，K表明乘法器的系数。
u(t)信号由低通滤波器滤掉低频部分，终究得到体系所需求的相位差的余弦值
。
环境温度检测模块：蓄电池作业的环境温度对蓄电池功用发生重要的影响，机房的温度过高直接影响蓄电池的寿数，所以实时检测蓄电池温度，坚持机房恒温十分必要。详细电路完成如图9所示：
传感器部分选用了桥式丈量法，准确丈量温度改动，传感器信号然后通过差分扩大送到体系主操控芯片。
FPGA模块：蓄电池端电压u1(t)和蓄电池电流i(t)(1欧姆规范电阻的电压值等于蓄电池电流值)，别离由模仿开关操控输入到有效值改换器，两路沟通电压信号和电流信号通过有效值改换器得到直流信号，然后由AD改换成数字信号送到FPGA模块进行信号处理;一起，由相位检测电路检测出的蓄电池端电压与电流的相位差，通过直流扩大和AD转化后送到FPGA模块。终究，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能够有如下的公式核算出：
其间，U,I是电压和电流的有效值，θ是两者的相位差。
使用FPGA模块高效核算才能能够实时核算蓄电池内阻值，随后，把该阻值送到单片机进行处理。详细电路如图10所示：
单片机操控模块：该模块首要有单片机、键盘、液晶显现和PC 通讯组成。单片机首要操控体系中的各开关量，接纳温度传感信号，呼应按键信号，输出显现信号，以及与PC机通讯。详细描绘如下：
开关量的操控：沟通讯号接入开关重量，蓄电池端电压接入体系开关重量，模仿开关挑选开关重量。
人机接口：置入单片机的按键信号别离是体系复位，形式挑选(数字显现形式，曲线显现形式)，与PC机通讯。其间LCD液晶显现的是内阻值，当时蓄电池电压值，充电电流值，环境温度。
微处理器：进行数据处理，剖析与核算各数据，重要数据输送到Flash保存，异常情况报警，以及与操控各模块。
PC机界面：读取微处理器的数据，在图画界面下对各参数剖析，图形和数字显现，判别蓄电池当时的运转状况，发现异常问题时报警。
