充电电池容量自动测试仪

皂皂 密旦囱勋 藏 随着电子产品小型便携化发展趋势，充电电池应用越来 越广泛了。市面上电池种类繁多，良莠不齐。现在的电池容量 虚标是非常普遍的事情，只有很少一部分正规厂家的产品采用 了实事求是的态度。曾经见过一种标注容量8000mAH的手机电 池，实际容量仅能达到标注容量的一两成而已，以目前的技 术，以手机电池的体积要达到如此容量尚无可能，只怕将来也 未必能够实现。随着小电子产品越来越多，每个人对于电池的 需求将越来越多，手边也会积累大量的充电电池。一块高质量 的电池使用时效可以达N4、5年以上，劣质电池就很差了，而 且容易损坏。鉴于这个现状，个人使用也有必要建立一个完整 的评估体系，作为长期选购、使用的指导参考。 电池容量是衡量电池质量的重要指标。充电电池的容量 测试有很多的方法。可以依据电池的放电曲线，进行短时间放 电，从而粗略得出电池容量。这种方法最大的优点是快速，但 是充电电池的放电曲线并不具有普遍性，很多劣质电池放电初 期电压也很平稳，一旦进入中后期，电压下降非常迅速，所以 采用这种方法得出的结论将非常不准确的。最可靠最准确无误 的还是以标准电流放电，全程测量实际放电时间的方式。不同 的放电电流，充电电池最终能够释放出的电量是不同的，有一 定的差距。蓄电池的容量标注都是有统一标准的。目前使用最 多的是10小时率放电容量与20J]＼时率放电容量两种。lO／J＼时率 放电容量就是电池以恒定电流放电，至电量耗尽放电时间能够 维持10个小时左右，这个电流就被称作1O小时率电流 (衡量电 量用尽的标准，不能以电池放电端电压降低到零为准。电池过 度放电，会导致电池容量减少，无法恢复，乃至提早损坏、完 全失效。所以每种电池放电终止电压都有严格的规定，这个可 以查阅相关资料。过度放电与过度充电是造成充电电池不能达 到使用年限、提前报废的主要原因 )。实时放电的测量方法最 38 I 2011．1O ● ● 黪 作者 ／邹士洪 大的缺点就是费时费力，因为耗时久这样测量精度也很容易受到 各种外部因素的影响。测量过程中如果用1O小时率电流持续放 电时间至少都要在5个小时以上，作这样长时间的测试更需要足 够的耐心与精力以及充裕的时间。科技的发展是非常迅速，今天 单片机已经非常普及了。通过单片机程序控制对放电时间，深度 进行自动化控制，就很容易精准测出电池的实际容量，实现整个 过程的自动控制。模拟实际放电测量容量的方法虽然对能源有一 点浪费，但是对于1A、2A以下的小容量充电电池还是完全可行 的，对大容量电池进行抽样检查也是很有必要。 下面介绍的电池容量测试仪采用89S51作为控制芯片，图1 就是硬件的电路原理图。 这个电池容量测试仪由放电电路、单片机控制计时两个完 全独立部分组合而成。单片机部分制作费时费力，而且市面上 单片机已很普及，没必要亲手制作，随便找一片5l单片机实 验板就可以了。放电电路则是比较简单的，仅由四五只元件构 成。单片机部分主要负责对放电时间计时，最终得到一组可靠 的数据，用于电池性能的考量。 这种放电电路的实质就是一模拟可控硅。当我们将待测电 池接入电路相应位置时，点按启动键，如果电池尚有余量，则 电池两端放电电压将维持在设定值以上，三极管＼厂rl就会瞬间饱 和，电池通过电阻R2进行放电。这种电路有可靠精确陡峭的开 关特性，VT1绝对工作于饱和截止两种状态之下。通过可调电 阻对开关电路临界值 (即充电电池放电终止电压 )进行调节设 定，便可适应于各种不同类型充电电池的全程保护放电。由于 个人的应用不需要非常精准白勺测试结果，所以实际测试中电池 模拟放电原则上还是以快些为好，只需要得到一个大致的电池 容量。为了较快完成电池测试过程，这里的电路设计采用两小 时率电流进行放电。通过对各种电池测量结果的横向比较，容 万方数据 电源开关 VOC VCC P1 ．0 — 了 二 P1．1 P0．0 ． l 二 P1．2 P0．1 PI_3 Pm2 I上+C3 一 PI．4 P0．3 ，‘j)T 三 P1．5 P0．4 P1．6 PO．5 P1．7 PO．6 R VPD PO．7 ，0k 一 P3．0／RXD EA／Vpp P3．1厂I如 AU 限OG P3．2，Ⅱ D PSEN P3．3／D TI P2．7 P3．4，IU P2．6 P3．5／Tl P2．5 P3．6，WR P2．4 11 ；92MHz P3．7，RD P2．3 XIAL2 P2．2 嘲 ⅪALl P2．1 Vss P2．O 量的差异还是显而易见的，以此作为衡量电池优劣的标准，就 已经足够了。这里以IO00mAH、1．2V规格镍氢电池测试为例，放 电电流500mA．~需要采用2Q的放电电阻，电池终止放电电压应 控制在1V以上。放电终止电压通过可调电阻R1来调节设定。普 通可调电阻精度较差，且容易产生漂移，会导致设定好的终止 电压随时问推移以及使用环境变化产生较大的波动。为了保证 放电终止电压的精准且易于设定，R1可以使用3296系列精密可 调电位器。3296多圈可调精密电位器的可调范围一般在50T，所 以每圈的调节范围为2茗，每转动一度，阻值变化大约0．005％．所 以很容易调节获得一个精确、稳定的阻值。 终止电压的设定必须在实际放电过程中进行，负载电阻 R2阻值变动，已经设定的终止电压也会随之改变，需要重新设 置。具体的调试方法就不再详述了，参考一下相关资料。 这个放电电路不需要单独的工作电源，而且与电池种类没 有相关性，完全可以适应镉镍、镍氢、锂电池、铅酸电池各种 类型蓄电池的保护性放电，只是需要根据电池类型以及容量大 小重新设置电路的终止电压及放电电流。如果电池容量相对较 高，那么三极管＼厂r1、VT2的耗散功率也要相应加大一些，同时 不要忘了加大负载电阻R2的功率。 图2是放电电路的印刷电路图，元件数量少，很容易制作。 各种电池两小时率电流放电能够维持的放电时间一般都是 在1．5／J',时以下的。这里单片机计时系统使用秒计时，4位LED数 码管显示。最大计时时间9999秒，大约2．7／J＼时。 LED1 峨 岫 岫 A ■■ 单只LED数码管内部都是由8只发光管组合而成，分别作为 8的7段字型部分，以及一位小数点。这里使用的是共阳极数码 管，内部8只发光管的阳极是并连共同引出的，作为使能控制。 在实际电路中，L1就是第一只数码管的共阳极端。单片机的输 出、输入接口数量都很有限，所以4位LED数码管驱动都是使用 动态显示的方式。4只独立数码管LED的内部a、b、C、d、e、f、 g、dp这8段发光管相对应的阴极都是并连的。统一由单片机PO 口8位输出进行驱动。数码管要显示出数码还必须在共阳极端同 时施加正电压才行。所以要让4位中某一数码管进行显示，只要 在POD输出字型码的同时。给这位数码管共阳极端加上正电压 就行了，当然与此同时其他三位数码管的共阳极端要保持低电 压，才不致显示出现混乱。数码管共阳极端驱动电流较大，所 以采用了三极管进行控制。以第一只数码管为例，在P0端口输 出字型码的同时，P37输出低电平，三极管T4导通，则共阳极端 L1就得到高电平了。数字就会显示在第一只数码管上了。 程序设计是以单片机P37口作为计时控制端子，P37口输入 低电平，计时程序启动，4R数码管显示时间。放电电路中按 下启动按键，放电过程触发，VT1导通，电池端电压降落到放 电电阻R2两端，A端对地为高电平，通过电阻R4迫使三极管＼厂r3 导通，P37El电平就被拉低了，单片机计时程序启动。电池电压 降到终止电压以后，放电电路自动关闭，A端电压消失，v_r3恢 复截止状态，计时程序停止，数码管维持显示当前持续时间。 如要进入下次测试，首先按动单片机复位键，当前计时清零， 万方数据 万方数据 HANDS oN PR0JECTS 荐应用电路中并不包括遮光罩，但是即使从一个外行的眼光来 推断，这个遮光罩还是有的好。为了加这个遮光罩，将一个电 阻和一根短路线挪到了印制板的背面，新增加的一个电容 (图 5m的C2)也在背面，是贴片形式的，印制板上原本有这个电容 的位置，但是空缺了。印制板背面的黄色方块是绝缘胶布，是 为了防止短路的，还有一根蓝色的短路线，是后加的，新增加 的晶体管和电阻在电路组件的正面，还包括一根红色的跳线， 具体的改动参见图5。 从图5所示的改动前后的电路原理图不难看出，其实为了 更节能只需要增加一个晶体管39O6和一只电阻而已，成本的差 异显然是很小的，加上空缺省略的一个退耦电容C2和省略的遮 光罩，批量采购的成本会超过O．2元吗 或许是行业竞争的残酷 所致，曾经很知名的罗技，现在也似乎也低下了高贵的头，当 然，也不排除笔者手中的这款鼠标是假冒的。 图5中的CON1在印制板上并无标识，是笔者为了识别方便 增加的，它是鼠标线的接入引线，经实测，G—OV，蓝线：V一 4．73V，白线；D一3．18V，橙色；C—Ov，绿色，这是原配线的颜 色，字母标识也是印制板有的，图4是改装好的，PS／2接口线是 借用上文中的双飞燕的，二者信号线的颜色并不对应相同，所 以在辨别信号线的功能时，不能仅靠颜色，而要对照一下具体 的电路。 萌生改装鼠标接口的想法，除了想了解鼠标电路的 中动， 还有一个实际的目的是，至少是这款USB接口的罗技鼠标，对 DOS程序的支持不好，笔者喜欢自己在DOS模式下修复自己的电 脑程序，但是很多基于纯DOS的程序，像Ghost、DM之类的，这 款USB鼠标均不支持，但是在Windows(×P以上版本验证过 )下 没有问题，不过笔者的USB接口的键盘却没有上述问题。圈 (上接40页 ) 每～周期耗用时间都是一致的。所以在使用ke11软件调试过 程中，通过对时间计数寄存器sec的观察计算，可以得出一次循 环大致需要的时间。以此为据再通过适当改变延时子程序循环次 数将常量a计时周期控制在1秒以下，剩余微小的时间差就可以 通过插补空指令来校正了。计时精度只要控制在千分之一以下就 可以了。在51单片机使用11．0592MHz晶体振荡器的情况下，指令 周期大约1．085微秒，所以将计时精度控制在千分之一以下问题 不大。误差总是会有的，只能通过精确计算来控制了，也可以通 过更换更高频率的晶体振荡器提高单片机时钟频率的方法来进一 步提高计时的精度。如果放电过程中，意外原因或者人为终止放 电过程，P37端口变为高电平，程序循环依旧会进行下去，只是 时间常量a停止自动加一，时间显示维持不变。 编译后，写入单片机内部，做好放电电路部分与51单片机 的连接，便可投入使用。 电池接八后，按动轻触按键 “启动”，就会进入一次容量 测试过程，期间电池取出接入，都不会影响到单片机计时。电 池放电完毕，单片机数码管显示锁定，给出总放电持续时间， 单位为秒。可以自行人工计算放电小时数。当然也是可以自行 对程序进行改进，直接以小时分钟形式进行显示。只要单片机 不断电，数码管将持续显示当前放电时长。如果要进入下次测 量过程，只需要按动单片机复位键，数码管清零，单片机程序 转入起点，你就可以进入新一次的容量测试过程了。 充电电池如果较长时间闲置，它的实际容量将受到影响， 重新启用第一次能够释放的容量远远达不到标注容量，放电电 压也很不平稳。至少耍经过三次以上的充电放电循环，电池完 全激活，容量才能恢复到应有的水平。充分考虑这种因素的影 响，所以容量测试～般采取多次平均的方式，或者循环充放电 三次以后放电持续时间为准，以此衡量电池容量才算是恰当。 圆 万方数据 充电电池容量自动测试仪 作者： 邹士洪 作者单位： 不详 刊名： 电子制作 英文刊名： Practical Electronics 年，卷(期)： 2011(10) 本文读者也读过(10条) 1. 谢龙 烤火炉恒温系统制作[期刊论文]-电子制作2012(2) 2. 臧海波（编译） 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