充電電池容量自動測試儀設計與實現

　　隨著電子產品小型便攜化發展趨勢，充電電池應用越來越廣泛了。市面上電池種類繁多，良莠不齊。現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家的產品採用了實事求是的態度。曾經見過一種標註容量8000mAH的手機電池，實際容量僅能達到標註容量的一兩成而已，以目前的技術，以手機電池的體積要達到如此容量尚無可能，只怕將來也未必能夠實現。隨著小電子產品越來越多，每個人對於電池的需求將越來越多，手邊也會積累大量的充電電池。一塊高質量的電池使用時效可以達到4、5年以上，劣質電池就很差了，而且容易損壞。鑑於這個現狀，個人使用也有必要建立一個完整的評估體系，作為長期選購、使用的指導參考。

　　電池容量是衡量電池質量的重要指標。充電電池的容量測試有很多的方法。可以依據電池的放電曲線，進行短時間放電，從而粗略得出電池容量。這種方法最大的優點是快速，但是充電電池的放電曲線並不具有普遍性，很多劣質電池放電初期電壓也很平穩，一旦進入中後期，電壓下降非常迅速，所以採用這種方法得出的結論將非常不準確的。最可靠最準確無誤的還是以標準電流放電，全程測量實際放電時間的方式。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。蓄電池的容量標註都是有統一標準的。目前使用最多的是10小時率放電容量與20小時率放電容量兩種。10小時率放電容量就是電池以恆定電流放電，至電量耗盡放電時間能夠維持10個小時左右，這個電流就被稱作10小時率電流（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。電池過度放電，會導致電池容量減少，無法恢復，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，這個可以查閱相關資料。過度放電與過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）。實時放電的測量方法最大的缺點就是費時費力，因為耗時久這樣測量精度也很容易受到各種外部因素的影響。測量過程中如果用10小時率電流持續放電時間至少都要在5個小時以上，作這樣長時間的測試更需要足夠的耐心與精力以及充裕的時間。科技的發展是非常迅速，今天單片機已經非常普及了。通過單片機程序控制對放電時間，深度進行自動化控制，就很容易精準測出電池的實際容量，實現整個過程的自動控制。模擬實際放電測量容量的方法雖然對能源有一點浪費，但是對於1A、2A以下的小容量充電電池還是完全可行的，對大容量電池進行抽樣檢查也是很有必要。

　　下面介紹的電池容量測試儀採用89S51作為控制晶片，圖1就是硬體的電路原理圖。

　　

　　圖1 硬體的電路原理圖

　　這個電池容量測試儀由放電電路、單片機控制計時兩個完全獨立部分組合而成。單片機部分製作費時費力，而且市面上單片機已很普及，沒必要親手製作，隨便找一片51單片機實驗板就可以了。放電電路則是比較簡單的，僅由四五隻元件構成。單片機部分主要負責對放電時間計時，最終得到一組可靠的數據，用於電池性能的考量。

　　這种放電電路的實質就是一模擬可控矽。當我們將待測電池接入電路相應位置時，點按啟動鍵，如果電池尚有餘量，則電池兩端放電電壓將維持在設定值以上，三極體VT1就會瞬間飽和，電池通過電阻R2進行放電。這種電路有可靠精確陡峭的開關特性，VT1絕對工作於飽和截止兩種狀態之下。通過可調電阻對開關電路臨界值（即充電電池放電終止電壓）進行調節設定，便可適應於各種不同類型充電電池的全程保護放電。由於個人的應用不需要非常精準的測試結果，所以實際測試中電池模擬放電原則上還是以快些為好，只需要得到一個大致的電池容量。為了較快完成電池測試過程，這裡的電路設計採用兩小時率電流進行放電。通過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的，以此作為衡量電池優劣的標準，就已經足夠了。這裡以1000mAH、1.2V規格鎳氫電池測試為例，放電電流500mA就需要採用2Ω的放電電阻，電池終止放電電壓應控制在1V以上。放電終止電壓通過可調電阻R1來調節設定。普通可調電阻精度較差，且容易產生漂移，會導致設定好的終止電壓隨時間推移以及使用環境變化產生較大的波動。為了保證放電終止電壓的精準且易於設定，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範圍一般在50T，所以每圈的調節範圍為2%，每轉動一度，阻值變化大約0.005%，所以很容易調節獲得一個精確、穩定的阻值。

　　終止電壓的設定必須在實際放電過程中進行，負載電阻R2阻值變動，已經設定的終止電壓也會隨之改變，需要重新設置。具體的調試方法就不再詳述了，參考一下相關資料。

　　這個放電電路不需要單獨的工作電源，而且與電池種類沒有相關性，完全可以適應鎘鎳、鎳氫、鋰電池、鉛酸電池各種類型蓄電池的保護性放電，只是需要根據電池類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，那麼三極體VT1、VT2的耗散功率也要相應加大一些，同時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，很容易製作。

　　

　　圖2 印刷電路圖

　　各種電池兩小時率電流放電能夠維持的放電時間一般都是在1.5小時以下的。這裡單片機計時系統使用秒計時，4位LED數碼管顯示。最大計時時間9999秒，大約2.7小時。

　　圖1單只LED數碼管內部都是由8隻發光管組合而成，分別作為8的7段字型部分，以及一位小數點。這裡使用的是共陽極數碼管，內部8隻發光管的陽極是並連共同引出的，作為使能控制。

　　在實際電路中，L1就是第一隻數碼管的共陽極端。單片機的輸出、輸入接口數量都很有限，所以4位LED數碼管驅動都是使用動態顯示的方式。4隻獨立數碼管LED的內部a、b、c、d、e、f、g、dp這8段發光管相對應的陰極都是並連的。統一由單片機P0口8位輸出進行驅動。數碼管要顯示出數碼還必須在共陽極端同時施加正電壓才行。所以要讓4位中某一數碼管進行顯示，只要在P0口輸出字型碼的同時，給這位數碼管共陽極端加上正電壓就行了，當然與此同時其他三位數碼管的共陽極端要保持低電壓，才不致顯示出現混亂。數碼管共陽極端驅動電流較大，所以採用了三極體進行控制。以第一隻數碼管為例，在P0埠輸出字型碼的同時，P37輸出低電平，三極體T4導通，則共陽極端L1就得到高電平了，數字就會顯示在第一隻數碼管上了。

　　程序設計是以單片機P37口作為計時控制端子，P37口輸入低電平，計時程序啟動，4隻數碼管顯示時間。放電電路中按下啟動按鍵，放電過程觸發，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，通過電阻R4迫使三極體VT3導通，P37口電平就被拉低了，單片機計時程序啟動。電池電壓降到終止電壓以後，放電電路自動關閉，A端電壓消失，VT3恢復截止狀態，計時程序停止，數碼管維持顯示當前持續時間。

　　如要進入下次測試，首先按動單片機復位鍵，當前計時清零，等待下一次測試開始。

　　程序設計比較簡單。它的大致流程如下：初始化，P3埠置位，設立常量a為時間計數器，依次對a的十進位數值各位進行提取，順序輸送到P0埠，P2埠中的P24、P25、P26、P27各位是依次作為四位數碼管的使能控制端，通過P2埠的配合，就可以完成對各位數碼管的驅動，時間的動態顯示。程序進行中要不斷地檢測P3埠數值以決定計時狀態：如果電池處於放電過程之中，三極體VT3導通，將迫使P37埠電壓降到零，P3埠值就是127，單片機程序檢測到這一結果，時間常量a將自動加1，指示期間放電時間已經延續1秒種了。這1秒鐘的時間精確計算是比較麻煩的。計時程序是一個循環結構，每一周期耗用時間都是一致的。所以在使用kei