電池容量的真實測量對于許多情況都是必不可少的。容量測量設備也可以解決發現假電池的問題。如今，假冒的鋰電池和鎳氫電池隨處可見，無法滿足其宣傳的容量。有時很難區分真假電池。這個問題存在于備用電池市場，例如手機電池。此外，在許多情況下，必須確定二手電池（例如筆記本電腦電池）的容量。在本文中，我們將學習使用著名的 Arduino-Nano 板構建電池容量測量電路。我為浸入式組件設計了 PCB 板。因此，即使是初學者也可以焊接和使用該設備。

特征：

識別假鋰離子/鋰聚合物/鎳鎘/鎳氫電池

可調恒流負載（也可由用戶修改）

能夠測量幾乎任何類型電池的容量（低于 5V）

易于焊接、構建和使用，即使對于初學者也是如此（所有組件均為 Dip）

LCD 用戶界面

規格：

板電源：7V 至 9V（最大值）

電池輸入：0-5V（max） – 無反極性

恒流負載：37mA 至 540mA（max） – 16 步 – 可由用戶修改

電路分析

圖 1 顯示了該裝置的示意圖。電路的核心是一塊 Arduino-Nano 板。

圖1：電池容量測量裝置示意圖

IC1 是一個 LM358 ［1］ 芯片，包含兩個運算放大器。R5 和 C7 構成一個低通濾波器，將 PWM 脈沖轉換為直流電壓。PWM 的頻率約為 500Hz。我使用了 Silent SDS1104X-E 示波器來檢查 PWM 和濾波器的行為。我將 CH1 連接到 PWM 輸出 （Arduino-D10），將 CH2 連接到濾波器的輸出（圖 2）。您甚至可以通過波特圖“在實踐中”檢查濾波器的頻率響應及其截止頻率，這是 SDS1104X-E 的一個很好的引入功能。

圖2：PWM信號（CH1：2V/div）和經過R5-C7 RC濾波器后的結果（CH2：50mV/div）

R5 是一個 1MΩ 電阻器，它極大地限制了電流，但是，濾波器的輸出通過電壓跟隨器配置中的運算放大器（IC1 的第二個運算放大器）。IC1、R7和Q2的第一個運放構成恒流負載電路。至此，我們已經搭建了一個PWM可控的恒流負載。

2*16 LCD用作用戶界面，使控制/調整變得容易。R4 電位器設置 LCD 對比度。R6 限制背光電流。P2 是一個 2 針 Molex 連接器，用于連接 5V 蜂鳴器。R1 和 R2 是輕觸開關的上拉電阻。C3 和 C4 用于消除按鈕的抖動。C1 和 C1 用于對電路電源電壓進行濾波。C5 和 C6 用于濾除恒流負載電路噪聲，以免降低 ADC 轉換性能。R7 充當 Q2 MOSFET 的負載。

什么是恒流直流負載？

恒流負載是一種始終吸收恒定電流的電路，即使施加的輸入電壓發生變化也是如此。例如，如果我們將恒流負載連接到電源并將電流設置為 250mA，即使輸入電壓為 5V 或 12V 或其他任何值，電流消耗也不會改變。恒流負載電路的這一特性使我們能夠構建電池容量測量裝置。如果我們使用一個簡單的電阻作為負載來測量電池容量，隨著電池電壓的降低，電流也會降低，這使得計算變得復雜和不準確。

PCB板

圖 3 顯示了電路的設計 PCB 布局。板的兩側用于安裝組件。

當我打算設計原理圖/PCB 時，我總是使用 SamacSys 組件庫，因為這些庫遵循工業 IPC 標準并且都是免費的。我將這些庫用于 IC1 ［2］、Q2 ［3］，甚至我還可以找到 Arduino-Nano （AR1） ［4］ 庫，它節省了很多設計時間。我使用 Altium Designer CAD 軟件，所以我使用 Altium 插件來安裝組件庫 ［5］。圖 4 顯示了選定的組件。

圖3：電池容量測量電路PCB板

當我打算設計原理圖/PCB 時，我總是使用 SamacSys 組件庫，因為這些庫遵循工業 IPC 標準并且都是免費的。我將這些庫用于 IC1 ［2］、Q2 ［3］，甚至我還可以找到 Arduino-Nano （AR1） ［4］ 庫，它節省了很多設計時間。我使用 Altium Designer CAD 軟件，所以我使用 Altium 插件來安裝組件庫 ［5］。圖 4 顯示了選定的組件。

圖 4：從 SamacSys Altium 插件安裝的組件

PCB 板比 2*16 LCD 略大，以適應三個觸覺按鈕。圖 5、6 和 7 顯示了電路板的 3D 視圖。

圖 5：組裝好的 PCB 板的 3D 視圖（頂部）

圖 6：組裝好的 PCB 板的 3D 視圖（側面）

圖7：組裝的PCB板的三維視圖（底部）

組裝和測試

我用一塊半自制的PCB板構建了一個快速原型并測試了電路。圖8顯示了電路板的圖片。你不需要跟著我，只要把PCB訂給專業的PCB制造公司，然后制造設備就行了。您應該為R4使用立式電位計類型，它允許您從板的側面調整LCD對比度。

在焊接組件并準備好測試條件后，我們準備測試電路。別忘了在MOSFET上安裝一個大散熱器（Q2）

我選擇R7作為3歐姆電阻。這允許我們產生高達750mA的恒定電流，但在代碼中，我將最大電流設置為500mA左右，這足以滿足我們的目的。降低電阻值（例如1.5歐姆）可以產生更高的電流，但是，您必須使用更強大的電阻并修改Arduino代碼。圖9顯示了電路板及其外部接線。

圖9：電池容量測量裝置的接線

為電源輸入準備7V到9V左右的電壓。我使用了Arduino板的調節器來制作+5V軌道。因此，切勿向電源輸入施加高于9V的電壓，否則可能會損壞調節器芯片。

電路板將通電，您應該在 LCD 上看到一個文本。如果您使用藍色背光 2*16 LCD，電路將消耗大約 75mA。

大約 3 秒后，文本將被清除，在下一個屏幕中，您可以通過上/下按鈕調整恒流值。

在將電池連接到設備并測量其容量之前，您可以使用電源檢查電路。為此，您應該將 P3 連接器連接到電源。

重要提示：切勿向電池輸入施加任何高于 5V 或反極性的電壓，否則您將永久損壞 Arduino 的數字轉換器引腳。

設置您想要的電流限制（例如 100mA）并使用您的電源電壓（保持在 5V 以下）。正如您在任何輸入電壓下看到的那樣，電流保持不變。這正是我們想要的！（圖 12）。

圖 12：即使在電壓變化之前電流也保持恒定（用 4.3V 和 2.4V 輸入測試）

第三個按鈕是復位。這意味著它只是重新啟動電路板。當您計劃重新啟動程序以測試不同的黃油時，它很有用。

無論如何，現在您確信您的設備可以完美運行。您可以斷開電源并將電池連接到電池輸入并設置所需的電流限制。

為了開始我自己的測試，我選擇了一個全新的 8，800mA 額定鋰離子電池。這看起來是一個驚人的速度，不是嗎？！但我無法以某種方式相信這一點：-），所以讓我們測試一下。

在將鋰電池連接到板子之前，我們必須對其進行充電，所以請準備一個固定的4.20V（500mA CC限制或更低）的電源（例如，使用上一篇文章中的可變開關電源）并充電電池直到電流達到低水平。不要用大電流給未知電池充電，因為我們不確定它的真實容量！高充電電流可能會導致電池爆炸！當心。結果，我遵循了這個程序，我們的 8，800mA 電池已準備好進行容量測量。

我使用電池座將電池連接到電路板。確保使用引入低電阻的粗而短的電線，因為電線中的功耗會導致電壓下降和不準確。

讓我們將電流設置為 500mA 并長按“UP”按鈕。然后您應該會聽到一聲嗶聲，程序開始（圖 14）。我已將截止電壓（低電池閾值）設置為 3.2V。如果您愿意，可以在代碼中修改此閾值。

圖 14：電池容量計算程序

基本上，我們應該計算電池在其電壓達到低電平閾值之前的“壽命”。圖 15 顯示了設備從電池 （3.2V） 斷開直流負載并進行計算的時間。該設備還會發出兩聲長嗶聲以指示程序結束。正如您在 LCD 屏幕上看到的，真正的電池容量為 1，190mAh，與聲稱的容量相去甚遠！您可以按照相同的程序測試任何電池（低于 5V）。

圖 15：8.800mA 額定鋰離子電池的真實計算容量

圖 16 顯示了該電路的材料清單。

圖 16：物料清單

審核編輯：郭婷