第1章 绪论
1.1 课题研究背景
随着科技信息化普及，社会的进步，人类生活逐步实现智能化、信息化、自动化，大幅度改善生活质量和工作效率。与此同时，能源问题逐渐成为科学研究领域及社会发展中的重要问题，传统能源如石油、煤炭、木材的逐渐枯竭，已不能满足社会发展及人类生活的现实需求。新型能源的开发已进入刻不容缓的阶段，并成为能源领域的核心问题，如太阳能、化学能、风能、核能、潮汐能等。新型能源具有清洁性、持续性、可再生性等优势，如今已进入大规模使用阶段，应用于民用、军事诸多领域，例如水电站、太阳能发电机组、风能发电站、核能发电站，但是新型能源也表现了许多自身缺陷，其中以不稳定性，较难以储存尤为突出，所以新型能源储能技术[1]也是如今炙手可热的研究课题。新型能源储能技术随着近年来的广泛研究开发，已取得了长足的进步，并广泛应用于各个领域，例如太阳能储能电池、铅酸蓄电池、核动力船舶等，但是新型能源储能技术的应用，其本身就具有不稳定性，带来诸多安全隐患，近年来对储能设备所引发的事故的报道也屡见不鲜[2]，所以对新型能源储能设备的检测技术也逐步走入相关领域研究人员的视野，同时成为新型能源储能领域及检测技术领域的重点问题。目前为止，使用最为广泛的储能设备当属充电电池，其应用于人们生活的方方面面，具体应用实例不胜枚举，例如车载电池、手机电池、电子设施内部供电电池等等，可见其安全性尤为重要。充电电池[3-6]自身是一种可循环使用的储能设备，为诸多电子设施提供能源，保证设备本身正常工作，随着科学技术的发展及应用，充电电池的使用价值尤为突出，但是其本身作为易燃易爆品，所以其自身安全性尤为重要，随着充电电池引发的事故频频发生，所以对充电电池的质量检测工作及相关技术的研究已成为相关技术领域的热点问题。近年来电池检测技术领域内的专家学者提出了较多检测方法，本课题是在此基础上对其进行总结优化，并综合通信技术，完成充电电池在线测试仪的开发及实现工作。
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1.2 国内外研究现状
随着电子技术的高速发展，储能电池检测技术的研究逐步深入，众多专家学者提出了较多的实现方案及思路，同时也有部分检测设备进入市场。现行储能电池检测设备主要针对电池的电压、内阻、温度进行测量，其中电压、温度部分较为成熟，但内阻测量精度方面表现欠佳。在针对铅酸蓄电池检测[7]方面，若实行高精度测量，主要方法是将蓄电池进行拆卸，检测电池内液密度，这种方式对电池本身伤害较大，且易形成化学污染，同时针对大量电池时，工作量较大，并不提倡。如今的领域内热点问题是如何针对大量电池完成高精度检测工作。储能电池检测技术在国外发展相对早一些，理论比较成熟，同时制定了相关管理规范及检测装置投入应用，美国的 BMS(蓄电池检测系统)，已经大范围使用诸多领域，如医疗器械、发电站、通讯机构、车辆管理等等；Alber 公司研制的储能电池检测仪、内阻测试仪、容量监控装置等，其已可达到较高精度完成储能电池内阻、电压、温度检测，但是其使用大规模直流充电法，自身安全性不高；瑞典的 Lem 公司推出的便携式内阻测试仪，利用交流注入的方式对储能电池的内阻参数进行检测，由于抗干扰性不佳，其精度不高；日本的 NGK 公司在化学储能领域也处于领先地位，在全球已成立百余座钠硫电池储能站，同时配备检测装置。
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第2章 充电电池的特性
2.1 充电电池的起源与发展
铅酸蓄电池(Valve Regulated Lead Acid，VRLA)属于化学储能电池，其利用电能与化学能转换完成电力储存工作。在其应用发展史上已有数次改进，现行铅酸蓄电池技术已经相当成熟。铅酸蓄电池在 20 世纪七十年代之后都得到长足的发展，但是没有形成统一的规则对其进行区分，大致从其使用方式上[19]，包括以下几种：1．启动用；2．动力用；3．固定型；其具有的主要特性为：密封性：由于电池内部使用酸液作为电解液，所以在进行外壳设计是采用封闭式设计；气体释放设计：由于其工作原理采用化学能和电能之间相互转换的方式，所以在工作过程中进行化学反应产生气体，故进行该设计；降消耗设计：在其工作过程中，使用内部循环反应的设计方式，故其参与的化学反应成分得到充分利用；使用时间长：由于化学材料合成技术的发展，同样应用于电池的生产过程中，其构成的材料更为耐用；根据其具备的特性，可认为该产品质量稳定，安全耐用。
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2.2 充电电池的工作原理
铅酸蓄电池在设计时，根据铅酸蓄电池的工作原理充分考虑到其消耗问题，为延长其工作寿命[20]，所以在材料选择时，主要考虑其抗氧化性，同时提供良好的化学反应场所。当铅酸蓄电池进行放电时，氢氧离子易发生化学反应生成氢气和氧气，进而造成电解液中的氢氧离子丢失，进而造成电池储能能力的下降，所以对其进行离子补充，以保持性能稳定[25-27]。由于储能电池技术的发展，现行使用的铅酸蓄电池则不需要对其进行定期维护，而是在铅酸蓄电池内部形成氧循环，从而大幅度减少氢氧离子的流失。从图中可以看出，当进行放电反应时，是硫酸铅与水发生反应，生成氧化铅，该反应过程主要发生在正极板上，从而产生氧气，此时氧气通过隔板 AGM材料上的过孔，进入负极，在负极上与铅发生反应生成二价的氧化铅，再与硫酸反应生成水，经过此循环过程，并不损失氧离子，同时在化学反应过程中，所处的反应条件电位，达不到产生氢气的条件，所以在负极上并没有氢气产生，进而保留了氢离子。综上所述，在所有反应的过程中，形成了良好的氧循环，进而保存了氢氧离子，所以无需进行维护。
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第 3 章 充电电池检测方法.........11
3.1 充电电池检测内阻参数的研究....... 11
3.2 电池检测方法的对比......... 12
3.3 充电电池检测方法分析及仿真....... 15
3.4 本章小结........ 24
第 4 章 充电电池在线检测仪的设计.......25
4.1 充电电池在线检测仪的总体方案设计......... 25
4.2 充电电池在线检测仪的硬件设计.......... 26
4.3 充电电池在线检测仪的软件设计.......... 39
4.3.1 检测终端程序设计...... 39
4.3.2 上位机程序设计.......... 45
4.4 本章小结........ 50
第 5 章 充电电池在线检测仪的性能测试......51
5.1 检测终端性能测试...... 51
5.2 测量与数据分析.......... 52
5.3 本章小结........ 57
第5章 充电电池在线检测仪的性能测试
5.1 检测终端性能测试
针对检测终端进行性能测试，主要测试其灵敏度，所以根据铅酸蓄电池内阻的取值范围，采用电阻进行代替，可有效反应该检测终端的性能。在本测试环节，使用 1 .5mΩ和 20 mΩ电阻进行测试实验，对检测终端进行性能测试时，使用串口进行通信，显示测试结果，同时使用示波器观察期采样波形，如图 5-1、5-3 所示，根据图中采样波型可得，当电阻增大时，波形幅值也随之增大。将恒流源输出正弦电流调制为不同频率，对样品二进行测试实验，进而确定恒流源输出频率。该实验对三块相同的样品二铅酸蓄电池检测实验。该样品的基本参数为，额定电压：12.52V、额定内阻4.5 m Ω。在500Hz~1500Hz范围内，每 100Hz 分别对三块蓄电池进行内阻检测一次，针对 3 块铅酸蓄电池进行不同频率交流注入测量，当频率为 800Hz~1500Hz 时，测量内阻稳定于 4.5 m Ω左右，其误差不超过 ± 1%，符合本蓄电池检测终端的测量精度需求；当小于该频率时，测量值随着频率的降低，变化趋势逐渐增大，误差超过10 %，所以经实验证明 1kHz 左右恒流源交流注入的频率比较适合该系统进行内阻检测，即完成频率校对测试。3．实验三 对 10 块样品二铅酸蓄电池进行测试实验，使用恒流源频率为1KHz，每块电池测量 10 次。将每一块电池的测量值取平均值，进而对其进行数据分析。对测量值进行数学处理后，对其进行记录。
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结论
随着近年来电子技术的大幅发展，大范围应用于人们的生活之中，伴随着电子设备便携式的发展，储能用充电电池应用也越来越广泛，遍及各个领域，如通信、医疗等，但是在以充电电池作为供电设备为人们生活服务带来便利的同时，也带来了隐患。近年来，充电电池引发的事故屡见不鲜。所以对充电电池管理、检测已成为现今的热门领域，其可有效保证充电电池的安全性、稳定性。本课题根据铅酸蓄电的工作原理，总结现有的蓄电池内阻检测方法，提出了“四端子测量法”，在该原理的基础上完成充电电池在线测试仪的设计与实现。最后通过实际工作测试，证明该设备可有效完成铅酸蓄电池的内阻和电压测量工作，本文主要工作如下：
1．总结分析铅酸蓄电池的工作原理，进而确定测量参数、检测原理，并利用仿真软件进行可行性分析；
2．完成检测终端电路设计方案包括恒流源模块、信号处理模块、参数存储器和串行接口模块、供电模块、按键显示模块、通信模块、主芯片是以 ARMCotex-M3 为核心的 STM32F103 的外围电路设计；
3．信号处理模块部分完成功率放大电路、采样放大电路、带通滤波电路、电压检测电路设计，并利用 Proteus 完成实验，同时使用示波器对硬件电路波形进行观察；
4．完成充电电池在线测试仪硬件终端的相关程序编写及调试；
5．上位机程序的设计与调试包括图形交互式操作软件程序设计、数据库程序设计，可实现远程数据交换、数据存储、数据查询等功能。
6．设计使用以太网接口和无线网，由于无线网部分使用成品模块，所以只进行简单介绍。具体介绍以 STM32F103 和 DM9000A 芯片完成的以太网模块搭建过程。
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参考文献（略）