锁相放大技术在蓄电池内阻检测中的应用

国内外的科研人员通过大量的实验发现，蓄电池的内阻与容量有着密切的关系，根据蓄电池内阻的大小可以电池的性能。用内阻检测法判定蓄电池性能，实现维护密封铅酸蓄电池的在线维护，是目前人参认的蓄电池维护的最佳方案之一。

蓄电池的内阻一般都很小，满容量时，内阻一般为几毫欧，甚至零点几毫欧（一般400Ah的2V蓄电池内阻大约为0.5毫欧左右），因此内阻法在实现时有较大的技术难度。另外，充电机会产生很大的干扰，环境的噪声也是不可忽视的，再加上内阻否则微弱，所以如何有效地抑制干扰也就成了内阻测量的关键技术。

在研究中发现，采用锁相放大技术可以有效地抑制干扰和，并使得内阻的测量变得非常简单且测量速度快、成本低廉。

图1

1 锁相放大的基本原理

锁相放大的基本原理框图如图1所示。

由于被检测的信号很微弱，而噪声和干扰却很强，所以被检测的信号应进行放大和滤波处理，以滤除通带以外的噪声和干扰。参考信号的作用是提供一个与输入信号同频的方波或正弦波。相敏检波的作用是对输入信号和参考信号进行乘法运算，从而得到输入信号与参考信号的和频与差频信号。后续的低通滤波的作用是滤除和频分量，这时的等效噪声带宽很窄，极强地抑制了输入噪声。
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输入信号经过相敏检波和低通滤波后，将交流信号转变为直流信号，直流信号经直流放大器放大后，即可满足系统的增益要求。

2 锁相放大器中的信号相关原理

设X（t）是伴有噪声的周期信号，即：

X（t）=S(t) N（t）=Asin(ωt ψ) N(t)

其中，S（t）为有用信号，其幅值为A，角频率为ω，初相角为ψ，N（t）为随机噪声。

参考正弦信号为：

Y（t）=Bsinω(t τ)

其中，τ是时间位移。则两者的相关函数为：

由于参考信号Y(t)与随机噪声N（t）互不相关，所以Rny(τ)=0，于是就有：

Rxy(τ)=（AB/2）cos(ωτ ψ)

从而得出Rxy(τ)正比于有用信号的幅值。

由以上分析可知，利用参考信号与有用信号具有相关性，而参考信号正噪声相互独立、互不相关的性质，可以使之通过互相关运算削弱噪声的影响。

3 内阻的测量原理

内阻测量是一个比较复杂的过程，目前主要有两种方法，即直流放电法和交流注入法。交流注入法相对直流放电法有很多优点，如体积小、成本低、对电池无损害、可在线测量、可进行频繁的测量等。由于交流法具有种种优点，所以越来越受到业界的推崇。

这里要用了交流注入法进行蓄电池内阻的测量，运用锁相放大技术很好地抑制了充电机的干扰和环境噪声。

交流注入法测量电池内阻的原理框图如图2所示。由于在变电站和通信基站中使用的免维护铅酸蓄电池的内阻都很小，一零点几个毫欧至几个毫欧，所以电池内阻测量导线的阻抗是不可忽略的，应采用四线法进行测量，即将注入电流回路与信号测量回路分开。