使用Arduino的电池容量测试仪

电池容量的真实测量对于许多情况都是必不可少的。容量测量设备也可以解决发现假电池的问题。如今，假冒的锂电池和镍氢电池随处可见，无法满足其宣传的容量。有时很难区分真假电池。这个问题存在于备用电池市场，例如手机电池。此外，在许多情况下，必须确定二手电池（例如笔记本电脑电池）的容量。在本文中，我们将学习使用著名的 Arduino-Nano 板构建电池容量测量电路。我为浸入式组件设计了 PCB 板。因此，即使是初学者也可以焊接和使用该设备。

特征：

识别假锂离子/锂聚合物/镍镉/镍氢电池

可调恒流负载（也可由用户修改）

能够测量几乎任何类型电池的容量（低于 5V）

易于焊接、构建和使用，即使对于初学者也是如此（所有组件均为 Dip）

LCD 用户界面

规格：

板电源：7V 至 9V（最大值）

电池输入：0-5V（max） – 无反极性

恒流负载：37mA 至 540mA（max） – 16 步 – 可由用户修改

电路分析

图 1 显示了该装置的示意图。电路的核心是一块 Arduino-Nano 板。

图1：电池容量测量装置示意图

IC1 是一个 LM358 ［1］ 芯片，包含两个运算放大器。R5 和 C7 构成一个低通滤波器，将 PWM 脉冲转换为直流电压。PWM 的频率约为 500Hz。我使用了 Silent SDS1104X-E 示波器来检查 PWM 和滤波器的行为。我将 CH1 连接到 PWM 输出 （Arduino-D10），将 CH2 连接到滤波器的输出（图 2）。您甚至可以通过波特图“在实践中”检查滤波器的频率响应及其截止频率，这是 SDS1104X-E 的一个很好的引入功能。

图2：PWM信号（CH1：2V/div）和经过R5-C7 RC滤波器后的结果（CH2：50mV/div）

R5 是一个 1MΩ 电阻器，它极大地限制了电流，但是，滤波器的输出通过电压跟随器配置中的运算放大器（IC1 的第二个运算放大器）。IC1、R7和Q2的第一个运放构成恒流负载电路。至此，我们已经搭建了一个PWM可控的恒流负载。

2*16 LCD用作用户界面，使控制/调整变得容易。R4 电位器设置 LCD 对比度。R6 限制背光电流。P2 是一个 2 针 Molex 连接器，用于连接 5V 蜂鸣器。R1 和 R2 是轻触开关的上拉电阻。C3 和 C4 用于消除按钮的抖动。C1 和 C1 用于对电路电源电压进行滤波。C5 和 C6 用于滤除恒流负载电路噪声，以免降低 ADC 转换性能。R7 充当 Q2 MOSFET 的负载。

什么是恒流直流负载？

恒流负载是一种始终吸收恒定电流的电路，即使施加的输入电压发生变化也是如此。例如，如果我们将恒流负载连接到电源并将电流设置为 250mA，即使输入电压为 5V 或 12V 或其他任何值，电流消耗也不会改变。恒流负载电路的这一特性使我们能够构建电池容量测量装置。如果我们使用一个简单的电阻作为负载来测量电池容量，随着电池电压的降低，电流也会降低，这使得计算变得复杂和不准确。

PCB板

图 3 显示了电路的设计 PCB 布局。板的两侧用于安装组件。

当我打算设计原理图/PCB 时，我总是使用 SamacSys 组件库，因为这些库遵循工业 IPC 标准并且都是免费的。我将这些库用于 IC1 ［2］、Q2 ［3］，甚至我还可以找到 Arduino-Nano （AR1） ［4］ 库，它节省了很多设计时间。我使用 Altium Designer CAD 软件，所以我使用 Altium 插件来安装组件库 ［5］。图 4 显示了选定的组件。

图3：电池容量测量电路PCB板

当我打算设计原理图/PCB 时，我总是使用 SamacSys 组件库，因为这些库遵循工业 IPC 标准并且都是免费的。我将这些库用于 IC1 ［2］、Q2 ［3］，甚至我还可以找到 Arduino-Nano （AR1） ［4］ 库，它节省了很多设计时间。我使用 Altium Designer CAD 软件，所以我使用 Altium 插件来安装组件库 ［5］。图 4 显示了选定的组件。

图 4：从 SamacSys Altium 插件安装的组件

PCB 板比 2*16 LCD 略大，以适应三个触觉按钮。图 5、6 和 7 显示了电路板的 3D 视图。

图 5：组装好的 PCB 板的 3D 视图（顶部）

图 6：组装好的 PCB 板的 3D 视图（侧面）

　　图7：组装的PCB板的三维视图（底部）

　　组装和测试

　　我用一块半自制的PCB板构建了一个快速原型并测试了电路。图8显示了电路板的图片。你不需要跟着我，只要把PCB订给专业的PCB制造公司，然后制造设备就行了。您应该为R4使用立式电位计类型，它允许您从板的侧面调整LCD对比度。

　　在焊接组件并准备好测试条件后，我们准备测试电路。别忘了在MOSFET上安装一个大散热器（Q2）

      我选择R7作为3欧姆电阻。这允许我们产生高达750mA的恒定电流，但在代码中，我将最大电流设置为500mA左右，这足以满足我们的目的。降低电阻值（例如1.5欧姆）可以产生更高的电流，但是，您必须使用更强大的电阻并修改Arduino代码。图9显示了电路板及其外部接线。

　　图9：电池容量测量装置的接线

　　为电源输入准备7V到9V左右的电压。我使用了Arduino板的调节器来制作+5V轨道。因此，切勿向电源输入施加高于9V的电压，否则可能会损坏调节器芯片。

电路板将通电，您应该在 LCD 上看到一个文本。如果您使用蓝色背光 2*16 LCD，电路将消耗大约 75mA。

大约 3 秒后，文本将被清除，在下一个屏幕中，您可以通过上/下按钮调整恒流值。

在将电池连接到设备并测量其容量之前，您可以使用电源检查电路。为此，您应该将 P3 连接器连接到电源。

重要提示：切勿向电池输入施加任何高于 5V 或反极性的电压，否则您将永久损坏 Arduino 的数字转换器引脚。

设置您想要的电流限制（例如 100mA）并使用您的电源电压（保持在 5V 以下）。正如您在任何输入电压下看到的那样，电流保持不变。这正是我们想要的！（图 12）。

图 12：即使在电压变化之前电流也保持恒定（用 4.3V 和 2.4V 输入测试）

第三个按钮是复位。这意味着它只是重新启动电路板。当您计划重新启动程序以测试不同的黄油时，它很有用。

无论如何，现在您确信您的设备可以完美运行。您可以断开电源并将电池连接到电池输入并设置所需的电流限制。

为了开始我自己的测试，我选择了一个全新的 8，800mA 额定锂离子电池。这看起来是一个惊人的速度，不是吗？！但我无法以某种方式相信这一点：-），所以让我们测试一下。

在将锂电池连接到板子之前，我们必须对其进行充电，所以请准备一个固定的4.20V（500mA CC限制或更低）的电源（例如，使用上一篇文章中的可变开关电源）并充电电池直到电流达到低水平。不要用大电流给未知电池充电，因为我们不确定它的真实容量！高充电电流可能会导致电池爆炸！当心。结果，我遵循了这个程序，我们的 8，800mA 电池已准备好进行容量测量。

我使用电池座将电池连接到电路板。确保使用引入低电阻的粗而短的电线，因为电线中的功耗会导致电压下降和不准确。

让我们将电流设置为 500mA 并长按“UP”按钮。然后您应该会听到一声哔声，程序开始（图 14）。我已将截止电压（低电池阈值）设置为 3.2V。如果您愿意，可以在代码中修改此阈值。

图 14：电池容量计算程序

基本上，我们应该计算电池在其电压达到低电平阈值之前的“寿命”。图 15 显示了设备从电池 （3.2V） 断开直流负载并进行计算的时间。该设备还会发出两声长哔声以指示程序结束。正如您在 LCD 屏幕上看到的，真正的电池容量为 1，190mAh，与声称的容量相去甚远！您可以按照相同的程序测试任何电池（低于 5V）。

图 15：8.800mA 额定锂离子电池的真实计算容量

图 16 显示了该电路的材料清单。

图 16：物料清单

审核编辑：郭婷