充電電池容量自動(dòng)測試儀設計與實(shí)現

　　隨著(zhù)電子產(chǎn)品小型便攜化發(fā)展趨勢，充電電池應用越來(lái)越廣泛了。市面上電池種類(lèi)繁多，良莠不齊?，F在的電池容量虛標是非常普遍的事情，只有很少一部分正規廠(chǎng)家的產(chǎn)品采用了實(shí)事求是的態(tài)度。曾經(jīng)見(jiàn)過(guò)一種標注容量8000mAH的手機電池，實(shí)際容量僅能達到標注容量的一兩成而已，以目前的技術(shù)，以手機電池的體積要達到如此容量尚無(wú)可能，只怕將來(lái)也未必能夠實(shí)現。隨著(zhù)小電子產(chǎn)品越來(lái)越多，每個(gè)人對于電池的需求將越來(lái)越多，手邊也會(huì )積累大量的充電電池。一塊高質(zhì)量的電池使用時(shí)效可以達到4、5年以上，劣質(zhì)電池就很差了，而且容易損壞。鑒于這個(gè)現狀，個(gè)人使用也有必要建立一個(gè)完整的評估體系，作為長(cháng)期選購、使用的指導參考。

　　電池容量是衡量電池質(zhì)量的重要指標。充電電池的容量測試有很多的方法?？梢砸罁姵氐姆烹娗€(xiàn)，進(jìn)行短時(shí)間放電，從而粗略得出電池容量。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是快速，但是充電電池的放電曲線(xiàn)并不具有普遍性，很多劣質(zhì)電池放電初期電壓也很平穩，一旦進(jìn)入中后期，電壓下降非常迅速，所以采用這種方法得出的結論將非常不準確的。最可靠最準確無(wú)誤的還是以標準電流放電，全程測量實(shí)際放電時(shí)間的方式。不同的放電電流，充電電池最終能夠釋放出的電量是不同的，有一定的差距。蓄電池的容量標注都是有統一標準的。目前使用最多的是10小時(shí)率放電容量與20小時(shí)率放電容量?jì)煞N。10小時(shí)率放電容量就是電池以恒定電流放電，至電量耗盡放電時(shí)間能夠維持10個(gè)小時(shí)左右，這個(gè)電流就被稱(chēng)作10小時(shí)率電流（衡量電量用盡的標準，不能以電池放電端電壓降低到零為準。電池過(guò)度放電，會(huì )導致電池容量減少，無(wú)法恢復，乃至提早損壞、完全失效。所以每種電池放電終止電壓都有嚴格的規定，這個(gè)可以查閱相關(guān)資料。過(guò)度放電與過(guò)度充電是造成充電電池不能達到使用年限、提前報廢的主要原因）。實(shí)時(shí)放電的測量方法最大的缺點(diǎn)就是費時(shí)費力，因為耗時(shí)久這樣測量精度也很容易受到各種外部因素的影響。測量過(guò)程中如果用10小時(shí)率電流持續放電時(shí)間至少都要在5個(gè)小時(shí)以上，作這樣長(cháng)時(shí)間的測試更需要足夠的耐心與精力以及充裕的時(shí)間?？萍嫉陌l(fā)展是非常迅速，今天單片機已經(jīng)非常普及了。通過(guò)單片機程序控制對放電時(shí)間，深度進(jìn)行自動(dòng)化控制，就很容易精準測出電池的實(shí)際容量，實(shí)現整個(gè)過(guò)程的自動(dòng)控制。模擬實(shí)際放電測量容量的方法雖然對能源有一點(diǎn)浪費，但是對于1A、2A以下的小容量充電電池還是完全可行的，對大容量電池進(jìn)行抽樣檢查也是很有必要。

　　下面介紹的電池容量測試儀采用89S51作為控制芯片，圖1就是硬件的電路原理圖。

　　圖1 硬件的電路原理圖

　　這個(gè)電池容量測試儀由放電電路、單片機控制計時(shí)兩個(gè)完全獨立部分組合而成。單片機部分制作費時(shí)費力，而且市面上單片機已很普及，沒(méi)必要親手制作，隨便找一片51單片機實(shí)驗板就可以了。放電電路則是比較簡(jiǎn)單的，僅由四五只元件構成。單片機部分主要負責對放電時(shí)間計時(shí)，最終得到一組可靠的數據，用于電池性能的考量。

　　這種放電電路的實(shí)質(zhì)就是一模擬可控硅。當我們將待測電池接入電路相應位置時(shí)，點(diǎn)按啟動(dòng)鍵，如果電池尚有余量，則電池兩端放電電壓將維持在設定值以上，三極管VT1就會(huì )瞬間飽和，電池通過(guò)電阻R2進(jìn)行放電。這種電路有可靠精確陡峭的開(kāi)關(guān)特性，VT1絕對工作于飽和截止兩種狀態(tài)之下。通過(guò)可調電阻對開(kāi)關(guān)電路臨界值（即充電電池放電終止電壓）進(jìn)行調節設定，便可適應于各種不同類(lèi)型充電電池的全程保護放電。由于個(gè)人的應用不需要非常精準的測試結果，所以實(shí)際測試中電池模擬放電原則上還是以快些為好，只需要得到一個(gè)大致的電池容量。為了較快完成電池測試過(guò)程，這里的電路設計采用兩小時(shí)率電流進(jìn)行放電。通過(guò)對各種電池測量結果的橫向比較，容量的差異還是顯而易見(jiàn)的，以此作為衡量電池優(yōu)劣的標準，就已經(jīng)足夠了。這里以1000mAH、1.2V規格鎳氫電池測試為例，放電電流500mA就需要采用2Ω的放電電阻，電池終止放電電壓應控制在1V以上。放電終止電壓通過(guò)可調電阻R1來(lái)調節設定。普通可調電阻精度較差，且容易產(chǎn)生漂移，會(huì )導致設定好的終止電壓隨時(shí)間推移以及使用環(huán)境變化產(chǎn)生較大的波動(dòng)。為了保證放電終止電壓的精準且易于設定，R1可以使用3296系列精密可調電位器。3296多圈可調精密電位器的可調范圍一般在50T，所以每圈的調節范圍為2%，每轉動(dòng)一度，阻值變化大約0.005%，所以很容易調節獲得一個(gè)精確、穩定的阻值。

　　終止電壓的設定必須在實(shí)際放電過(guò)程中進(jìn)行，負載電阻R2阻值變動(dòng)，已經(jīng)設定的終止電壓也會(huì )隨之改變，需要重新設置。具體的調試方法就不再詳述了，參考一下相關(guān)資料。

　　這個(gè)放電電路不需要單獨的工作電源，而且與電池種類(lèi)沒(méi)有相關(guān)性，完全可以適應鎘鎳、鎳氫、鋰電池、鉛酸電池各種類(lèi)型蓄電池的保護性放電，只是需要根據電池類(lèi)型以及容量大小重新設置電路的終止電壓及放電電流。如果電池容量相對較高，那么三極管VT1、VT2的耗散功率也要相應加大一些，同時(shí)不要忘了加大負載電阻R2的功率。

　　圖2是放電電路的印刷電路圖，元件數量少，很容易制作。

　　圖2 印刷電路圖

　　各種電池兩小時(shí)率電流放電能夠維持的放電時(shí)間一般都是在1.5小時(shí)以下的。這里單片機計時(shí)系統使用秒計時(shí)，4位LED數碼管顯示。最大計時(shí)時(shí)間9999秒，大約2.7小時(shí)。

　　圖1單只LED數碼管內部都是由8只發(fā)光管組合而成，分別作為8的7段字型部分，以及一位小數點(diǎn)。這里使用的是共陽(yáng)極數碼管，內部8只發(fā)光管的陽(yáng)極是并連共同引出的，作為使能控制。

　　在實(shí)際電路中，L1就是第一只數碼管的共陽(yáng)極端。單片機的輸出、輸入接口數量都很有限，所以4位LED數碼管驅動(dòng)都是使用動(dòng)態(tài)顯示的方式。4只獨立數碼管LED的內部a、b、c、d、e、f、g、dp這8段發(fā)光管相對應的陰極都是并連的。統一由單片機P0口8位輸出進(jìn)行驅動(dòng)。數碼管要顯示出數碼還必須在共陽(yáng)極端同時(shí)施加正電壓才行。所以要讓4位中某一數碼管進(jìn)行顯示，只要在P0口輸出字型碼的同時(shí)，給這位數碼管共陽(yáng)極端加上正電壓就行了，當然與此同時(shí)其他三位數碼管的共陽(yáng)極端要保持低電壓，才不致顯示出現混亂。數碼管共陽(yáng)極端驅動(dòng)電流較大，所以采用了三極管進(jìn)行控制。以第一只數碼管為例，在P0端口輸出字型碼的同時(shí)，P37輸出低電平，三極管T4導通，則共陽(yáng)極端L1就得到高電平了，數字就會(huì )顯示在第一只數碼管上了。

　　程序設計是以單片機P37口作為計時(shí)控制端子，P37口輸入低電平，計時(shí)程序啟動(dòng)，4只數碼管顯示時(shí)間。放電電路中按下啟動(dòng)按鍵，放電過(guò)程觸發(fā)，VT1導通，電池端電壓降落到放電電阻R2兩端，A端對地為高電平，通過(guò)電阻R4迫使三極管VT3導通，P37口電平就被拉低了，單片機計時(shí)程序啟動(dòng)。電池電壓降到終止電壓以后，放電電路自動(dòng)關(guān)閉，A端電壓消失，VT3恢復截止狀態(tài)，計時(shí)程序停止，數碼管維持顯示當前持續時(shí)間。

　　如要進(jìn)入下次測試，首先按動(dòng)單片機復位鍵，當前計時(shí)清零，等待下一次測試開(kāi)始。

　　程序設計比較簡(jiǎn)單。它的大致流程如下：初始化，P3端口置位，設立常量a為時(shí)間計數器，依次對a的十進(jìn)制數值各位進(jìn)行提取，順序輸送到P0端口，P2端口中的P24、P25、P26、P27各位是依次作為四位數碼管的使能控制端，通過(guò)P2端口的配合，就可以完成對各位數碼管的驅動(dòng)，時(shí)間的動(dòng)態(tài)顯示。程序進(jìn)行中要不斷地檢測P3端口數值以決定計時(shí)狀態(tài)：如果電池處于放電過(guò)程之中，三極管VT3導通，將迫使P37端口電壓降到零，P3端口值就是127，單片機程序檢測到這一結果，時(shí)間常量a將自動(dòng)加1，指示期間放電時(shí)間已經(jīng)延續1秒種了。這1秒鐘的時(shí)間精確計算是比較麻煩的。計時(shí)程序是一個(gè)循環(huán)結構，每一周期耗用時(shí)間都是一致的。所以在使用kei