用簡單的測試方法檢查電池容量

大多數(shù)手持設(shè)備使用堿性或可充電電池，因此測量電池容量是此類設(shè)計的關(guān)鍵特征。但是，在大多數(shù)情況下，對于預(yù)算緊張的項目而言，使用電池電量監(jiān)控IC可能是一種奢望。這是一個更簡單，更便宜的選擇。

如今，即使是最便宜的微控制器也經(jīng)常包括內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）模塊，并且由于其（相對）較低的分辨率和較高的噪聲水平，一直沒有使用該模塊。但是，那些未使用的內(nèi)部ADC通道之一足以執(zhí)行測試以確定電池是否仍然可用。

用于檢測電池狀態(tài)的方法稱為電化學(xué)動態(tài)響應(yīng)（EDR）（參考文獻(xiàn)1），并由Cadex Electronics的美國專利號7,622,929授予專利。

EDR通過施加負(fù)載脈沖并評估電池對攻擊和恢復(fù)的響應(yīng)時間，將負(fù)載下的電池狀況與存儲的與電池性能相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行比較。如圖1所示，好的電池具有很強(qiáng)的恢復(fù)特性，而接近耗盡的電池則具有較高的放電斜率和較差的恢復(fù)能力。耗盡電池的響應(yīng)存在這些差異的原因有很多，例如內(nèi)部電阻增加。

圖1比較了各種充電狀態(tài)下電池對臨時負(fù)載脈沖的響應(yīng)，表明了它們在EDR方面的差異。

使用EDR理論，對電池電壓進(jìn)行采樣以在特定時間（例如發(fā)生最大功耗時）找到最小電池電量，即可獲得有關(guān)電池運(yùn)行狀況的信息。系統(tǒng)的初始開啟時間（也稱為“打招呼”）是衡量電池健康狀況的特別好機(jī)會。在系統(tǒng)完全激活之前，電池電量似乎處于安全操作水平，但是，如果電池快要用盡，則當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到滿負(fù)荷時，電池電量可能會立即降至安全水平以下。該設(shè)備將在不執(zhí)行EDR測試的情況下以正常模式啟動，但在第一個重載時將無法控制地關(guān)閉（即，電壓下降到如圖1所示的關(guān)鍵電池電量水平）。

EDR測試實現(xiàn)的簡化硬件版本如圖2所示。選擇負(fù)載電阻來代表整個系統(tǒng)負(fù)載，因此其電阻值可能會因系統(tǒng)而異。生成此處顯示的數(shù)據(jù)的系統(tǒng)需要一個10Ω的值。電阻R1和R2用作電池電壓（Vcc）測量的分壓器，而升壓電路可確保ADC的基準(zhǔn)保持恒定，即使在測試期間電池電壓下降時也是如此。電阻R3是開關(guān)晶體管的下拉電阻。

圖2此簡化的示意圖顯示了EDR測試實現(xiàn)的總體設(shè)計。

測試系統(tǒng)在設(shè)定的時間段（約200毫秒（msec））內(nèi)對電池電壓進(jìn)行采樣。在固件控制下，MOSFET僅在測量周期的一半時間內(nèi)導(dǎo)通，然后關(guān)閉。這樣，系統(tǒng)就可以在滿載情況下測量電壓，并在最小負(fù)載時測量電池的恢復(fù)響應(yīng)。（可以在固件中更改時間段，但是我發(fā)現(xiàn)200毫秒足以充分評估電池容量。）測量完成后，可以通過UART鏈接讀出結(jié)果。

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在為演示EDR而構(gòu)建的示例系統(tǒng)中，我使用了兩節(jié)AA堿性電池，Vcc的最大值為3.2V。升壓電壓Vdd設(shè)置為恒定的3.6V。系統(tǒng)通常消耗55毫安（mA），但在滿載時消耗127 mA。使用“好”電池（圖3a）和“壞”電池（即耗盡的電池（圖3b））對系統(tǒng)進(jìn)行測試時得到的示波器軌跡表明，欠載電壓差異可能有多大。

圖3電池電壓的負(fù)載測試顯示，充滿電的電池（a）和幾乎耗盡的電池（b）的響應(yīng)之間存在顯著差異。

我在某些項目中使用的示例設(shè)計基于STM32F303微控制器，其固件使用KEIL IDE用C編寫。可以在此GitHub頁面上找到固件。

測試代碼的流程圖出現(xiàn)在圖4中。UART收到“ S”字符后，將執(zhí)行測試。ADC采樣頻率設(shè)置為250赫茲，并且如前所述，測試周期約為200毫秒。

圖4EDR測試代碼打開負(fù)載，采樣時間為測試時間的一半，然后關(guān)閉負(fù)載并完成采樣周期。

此代碼僅進(jìn)行測試并收集數(shù)據(jù)。處理數(shù)據(jù)有很多選擇。在最簡單的情況下，您可以查看數(shù)據(jù)的最小值，并將其與系統(tǒng)的安全工作電壓水平（也稱為臨界水平）進(jìn)行比較。如果在測試期間電池電壓接近臨界水平，則可以警告系統(tǒng)用戶該更換電池了。

可以編寫更全面的算法來精確確定電池運(yùn)行狀況，例如顯示電池電量指示器。為了更新并在顯示器或電池指示器上向用戶顯示適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)，應(yīng)過濾所獲取的數(shù)據(jù)。負(fù)載變化使原始數(shù)據(jù)在沒有適當(dāng)過濾的情況下完全無用。緩慢的無限脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器將使信號正常平滑。

總之，借助微控制器的非?；镜腁DC，借助EDR方法，可以廉價地檢測電池狀態(tài)。初始加電期間的電池讀數(shù)約為200毫秒，足以對幾乎所有系統(tǒng)實施基本的電池運(yùn)行狀況測試。