CN208207171U - 一种电池容量测试仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电池容量测试仪，包括主控单元、充电管理单元、放电及容量测试单元，以及人机交互界面；主控单元的充电管理控制端与充电管理单元充电信号输入端相连，充电管理单元充电信号输出端与锂电池充电控制端相连，充电管理单元控制外部电源为锂电池充电；放电及容量测试单元与主控单元双向连接，放电及容量测试单元的容量测试输入端与锂电池的电流输出端相连；人机交互界面与主控单元双向连接，通过人机交互界面，使用者实现与主控单元的通信及信息交互。本实用新型提高电池电压电流的测量的精度，电流恒流效果优良，能精确测量锂电池的实际容量。测试数据精确，运行稳定。

Description

一种电池容量测试仪

技术领域

本实用新型涉及电池容量测试技术领域，特别是涉及一种电池容量测试仪。

背景技术

在科技的高速发展下，生活水平逐步提高。与此同时，工厂的建立、小汽车的普及等等，却带来了石油资源面临枯竭的局面，地球生态环境日益恶化。进而促进了环保能源—电能的快速发展。由于市场的迫切需要，锂电池应运而生。锂电池具有比能量高、寿命长、安全操作、性能高的优点。广泛应用于各种场合：手机、移动电源、笔记本电脑、以及现如今以特斯拉为代表的电动汽车都有锂电池的身影。根据日本矢野经济研究所的研究数据，2012年，全球锂离子电池市场为1.17万亿日元。即使是现在刚量产的石墨烯电池，也是基于锂电池的基础。锂电池广泛地运用在航空航天、交通运输、电力、通信等设备中，已经成为这些设备中的关键部件之一。

因此锂电池在各行各业的重要性不言而喻。然而随着锂电池市场的扩大，各种锂电池的质量也是参差不齐。淘宝上不合格的锂电池、二手翻新的锂电池更是泛滥，对用户的使用安全造成极大威胁。新闻上频繁报道不合格移动电源或锂电池引发事故的典型案例。关于锂电池的发热、自燃、爆炸事件时有发生，这给用户带来了“锂电恐惧”心理。

电池容量是评价其性能的重要技术指标之一，用于表征其实际荷电状态。锂电池的容量的检测直接影响到整个供电系统的可靠性。

在锂电池的广泛应用趋势下，锂电池各方面的参数也成了国内外专家研究的对象，其中也不乏有容量检测这一部分的研究内容。通过查询大量的资料，纵观国内外对于电池容量检测方面的技术，可以总结如下：

从测试方式上可以分为：在线式容量检测、离线式容量检测。电池脱离其工作环境进行容量检测称为离线式检测，在实际运行中检测称为在线式检测。

在线检测又可以分为：电池建模法、内阻测试法、开路电压法、神经网络法、以及扩展的卡尔曼滤波算法。

离线式检测主要是核对放电法。

在线式容量检测方法可以在不脱离电池原来的工作环境，进行容量检测，适用于基站，航空，军事等领域。其中电池建模法是利用其特征放电曲线与剩余容量的关系、开路电压与剩余容量的关系来建立模型。相关理论研究与实验发现，蓄电池开路电压与容量之间存在线性关系，开路电压法正是利用了这一原理。结合相关的算法，进而实现容量的估算，测试时不影响电池工作，测试方便，但是准确度较低。神经网络法需要大量的数据进行训练。训练使用的样本数据将直接影响容量测试的精度。内阻测试法：利用内阻和电池容量的关系，建立数学模型，进而得知电池的容量。

以上的几种方法，对于同一类型的电池可行性比较高。但是对于参数各异的电池，由于电池的参数差异，特性不同，导致模型不同，不能批量检测，因此不适合于各种各样的18650锂电池以及移动电源的容量测试。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种电池容量测试仪。

为实现本实用新型的上述目的，本实用新型公开了一种电池容量测试仪，其包括主控单元和放电及容量测试单元，所述放电及容量测试单元与主控单元双向连接，所述放电及容量测试单元的容量测试输入端与电池的电流输出端相连，通过放电及容量测试单元实现电池的放电并实现电池放电时容量的测试并传输给主控单元。

本实用新型的电池容量测试仪通过放电及容量测试单元完成电压电流信号采样，并通过运算放大器芯片控制MOS工作在可变电阻区，电流采样电阻的信号反馈至运放和电压电流采集电路输出的电压比较，实现电流负反馈控制，进而实现锂电池的恒流放电，提高测量的精度。电流恒流效果优良，能精确测量锂电池的实际容量。测试数据精确，运行稳定。

根据本实用新型的一种优选实施方式，还包括充电管理单元以及人机交互界面；

所述主控单元的充电管理控制端与充电管理单元充电信号输入端相连，所述充电管理单元充电信号输出端与电池充电控制端相连，所述充电管理单元控制外部电源为电池充电；所述人机交互界面与主控单元双向连接，通过人机交互界面，使用者实现与主控单元的通信及信息交互。

通过设置充电管理单元和人机交互界面，更便于实现电池的充放电和使用者的信息获取。

根据本实用新型的一种优选实施方式，所述放电及容量测试单元包括D/A 转换电路、恒流放点电路和电池电压电流采集单元，所述D/A转换电路的控制端与主控单元的电池容量测试端相连，所述D/A转换电路的输出端与恒流放电电路的放点信号输入端相连，所述恒流放电电路的放电输入端与锂电池的电流输出端相连，所述恒流放电电路的信号采集端与电池电压电流采集单元的信号输入端相连，所述电池电压电流采集单元的信号输出端与主控单元的反馈信号输入端相连。

本实用新型通过放电及容量测试单元完成电压电流信号采样，并通过运算放大器芯片控制MOS工作在可变电阻区，电流采样电阻的信号反馈至运放和电压电流采集电路输出的电压比较，实现电流负反馈控制，进而实现锂电池的恒流放电，提高测量的精度。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：本实用新型能够在火灾发生时，快速的配合无人飞机撤离火灾现场，降低人员损伤。

附图说明

图1是本实用新型一种优选实施方式中电池容量测试仪的系统框图；

图2是本实用新型一种优选实施方式中电池容量测试仪的硬件电路整体框架；

图3是本实用新型一种优选实施方式中电池容量测试仪的电源电路原理图；

图4是本实用新型一种优选实施方式中电池容量测试仪的USB转串口电路；

图5是本实用新型一种优选实施方式中电池容量测试仪的STM32复位电路；

图6是本实用新型一种优选实施方式中电池容量测试仪的AD采集模块电路

图7是本实用新型一种优选实施方式中电池容量测试仪的DA模块电路；

图8是本实用新型一种优选实施方式中电池容量测试仪的恒流放电电路；

图9是本实用新型一种优选实施方式中电池容量测试仪的按键输入模块；

图10是本实用新型一种优选实施方式中电池容量测试仪的温控风扇电路；

图11是本实用新型一种优选实施方式中电池容量测试仪的充电管理电路；

图12是本实用新型一种优选实施方式中电池容量测试仪的充电曲线；

图13是本实用新型一种优选实施方式中电池容量测试仪的蜂鸣器电路；

图14是本实用新型一种优选实施方式中电池容量测试仪的继电器电路原理图；

图15是本实用新型一种优选实施方式中电池容量测试仪的主程序框图；

图16是本实用新型一种优选实施方式中电池容量测试仪的按键程序框图；

图17是本实用新型一种优选实施方式中电池容量测试仪的ADS1115时序图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实用新型提供了一种电池容量测试仪,如图1所示，其包括主控单元、充电管理单元、放电及容量测试单元，以及人机交互界面。主控单元的充电管理控制端与充电管理单元充电信号输入端相连，充电管理单元充电信号输出端与锂电池充电控制端相连，充电管理单元控制外部电源为锂电池充电。放电及容量测试单元与主控单元双向连接，放电及容量测试单元的容量测试输入端与锂电池的电流输出端相连，通过放电及容量测试单元实现电池的放电并实现锂电池放电时容量的测试并传输给主控单元，可以通过主控单元对测试结果进行接收并存储。人机交互界面与主控单元双向连接，通过人机交互界面，使用者实现与主控单元的通信及信息交互。

在本实施方式中，如图2所示，放电及容量测试单元包括D/A转换电路、恒流放电电路和电池电压电流采集单元，D/A转换电路的控制端与主控单元的电池容量测试端相连，D/A转换电路的输出端与恒流放电电路的放点信号输入端相连，所述恒流放电电路的放电输入端与锂电池的电流输出端相连，所述恒流放电电路的信号采集端与电池电压电流采集单元的信号输入端相连，电池电压电流采集单元的信号输出端与主控单元的反馈信号输入端相连。

在本实施方式中，还包括辅助电源，如图3所示，辅助电源采用30W的工频电源变压器将AC220V降压到AC2*15V，经过全波整流得到直流电压，并联上大容量的铝电解电容和小容量的瓷片电容，分别滤掉低频纹波和高频纹波，得到更加纯净稳定的直流电压。相比开关电源供电，具有纹波小，稳定性好的优势。本实用新型辅助电源采用的线性稳压电源，其热功耗等于三端稳压器输入与输出电压差的绝对值乘上电流(P＝U*I)，为了降低稳压芯片的发热量，提高辅助电源的效率，5V电压选择从12V电压的基础上降压得到，可以使7805、7905的功耗更低，发热量更低。也提高了系统的稳定性和可靠性。同时，每一个电压输出端口接有LED做指示灯。由于78、79系列的三端稳压器芯片都是线性串联稳压机制的，因此发热量比较大，需要考虑其功耗，根据其功耗大小，对三端稳压器加了小型散热片，以确保稳压芯片的散热和稳定运行。

本实用新型还包括按键输入电路，充电管理电路，温控风扇电路，蜂鸣器电路，继电器电路。辅助电源部分为其他模块供电，保障系统的电源供应。D/A 转换部分受单片机的控制，进而程控恒流放电电路电流的大小。锂电池作为被测试物，在测试之前会通过A/D采集测量其电压大小，电量不足则先充满电，这一工作需要锂电池充电管理电路来完成锂电池充电的控制管理。A/D转换电路除了时刻检测电池的电压外，还要测量放电电流的大小，其中电流信号转电压信号由康铜丝和运放放电电路组成。进而完成电流的测量。

主控单元采用STM32单片机，STM32单片机的内核电压为3.3V，因此需要对USB输入端口的5V电压进行降压处理，核心板采用AMS1117这颗低压差线性稳压器芯片来实现5V转3.3V，保证STM32的稳定运行。为了利用STM32单片机的串口进行串口通信，传输给上位机绘制放电曲线，该系统应用了核心板上的 USB转串口电路，其中USB转串口电路如图4所示。

STM32单片机的复位电路如图5所示。STM32单片机的复位功能分配在第25 号脚NRST脚上，低电平有效。STM32单片机需要在复位的时间段内完成初始化操作，在此期间NRST必须保持低电平。复位电路需要维持这一时间段内NRST 引脚为低电平。该系统的核心板的复位电路利用电容电压不会突变的特性，对 STM32单片机进行复位。3.3V电压上电后，由于电容的特性，NRST引脚处于低电平，芯片复位，随即电源通过R1向C1充电，直至电容电压上升为高电平，芯片开始正常工作。电容充电的这一段时间恰好留给STM32芯片实现初始化操作。其中R1和C1的取值应参考RC充电电路的特性设计取值，以达到需要的复位时间，具体可采用本领域通用的设计方法。

ADC采用芯片ADS1115，具有一个输入多路复用器(MUX)，可提供2个差分输入或4个单端输入。采用2.0V至5.5V的单电源工作。最大输入电压4.096V。采用IIC接口通信，最大采样速率860bps。由于本实用新型只需要测量锂电池的电压和放电电流，因此配置其输入端口为差分方式。避免共模干扰的影响，提高采样的精度。其具体的电路图如图6所示。数据通过IIC接口传输。ADS1115 有连续触发模式、单触发模式，这两种工作状态。单触发模式下，转换完一个之后将自动断电，利用这一特性来降低芯片的运行功耗。ADS1115工作温度范围宽，能适应各种恶劣的工作环境温度，可达－40℃—+125℃。

该系统电压范围为0-12V，电流范围为0-2.5A，综合考虑测量的精度、稳定性，采用电阻分压的方式采集电压信号。由于ADS1115最大输入电压为4.096V，为了保证ADS1115芯片的安全，务必确保其输入端口的电压不能超过4.096V。本次设计采用100k的上臂电阻，47k的下臂电阻，下臂电阻两端并联一个10nF 的小容量瓷片电容，起到滤波的作用，保证反馈信号的稳定性。

结合该系统中的参数可以计算得到，采样电压最高为3.837V<4.096V，并留有一定的余量，充分保证了ADC芯片的安全。同时，考虑到采样电阻的功耗和精度，选用1/4W的1‰精度的金属膜电阻。

ADS1115的输入阻抗较高(6MΩ)，其中一路差分输入通道直接连接在下臂电阻的两端来采集电压的大小。

恒流放电电路中利用串联在放电回路中的20mΩ采样电阻上的压降，反馈给运放实现恒流控制，因此我同样利用这个电流采样电阻来实现电流的测量。选用INA128仪用差分放大器芯片，该芯片具有非常低的偏置电压(50uV)和极低的温度偏移(0.5uV/℃)，且外接元件少；采用差分的结构，非常适合这种微弱信号的放大，INA128的放大倍数由外部的反馈电阻决定：该系统设计的最大放电电流是2.5A，电流采样电阻选用的20mΩ的5W康铜丝。因此计算得，Pmax ＝0.125W<<5W，避免了电流采样电阻因为热功耗带来的温度变化大，引起电阻阻值温漂，不利于系统的稳定控制。由于康铜丝具有温度特性好，温漂系数低的优点，因此广泛用于电流测量电路中，该设计中选用康铜丝测量电流效果十分好。UR电流采样最大为0.05V＝50mV；考虑到ADS1115芯片输入端最大电压为 4.096V，结合电阻的阻值规格书，最终选用680Ω反馈电阻，计算得G≈75，电流采样电压最大为3.75V<4.096V，保证了ADS1115芯片的稳定工作。

在电流采样电阻的两端并联有1nF的瓷片电容，可以滤掉高频干扰，使采样到的电压更稳定，利于系统的恒流控制效果与系统的稳定性保证。

DAC采用芯片TLV5616。采用串行接口、SPI通信实现MCU和DAC的数据通信。TLV5616的内部原理框图如图7所示，其输出端口采用2倍增益的轨对轨缓冲器，其缓冲器为AB类输出级，增强了输出能力和输出稳定性。其输出电压为基准电压的2倍。由于供电电压为+5V，因此外部基准电压源采用TI公司低压差的REF3020，其基准电压值为2.048V，结合上面的12位DAC芯片，刚好可以实现1单位DA值对应1mV。REF3020采用SOT23-3的小巧封装，却可以提供高达25mA的驱动电流，供电电压最高7V，温漂系数只有50ppm/℃，其输出电压噪声理论只有42uV。在电压基准的输入与输出引脚附近放置4.7uF陶瓷电容并联100nF陶瓷电容滤波、提高了电压基准的稳定性，进而使得DAC输出更平稳。两个器件的完美配合，使得D/A模块电路的性能得到极致发挥。

如图8所示，恒流放电电路包括运算放大器U1，运算放大器U1的正向输入端与第一电阻R1的一端相连，第一电阻R1的另一端连接D/A转换电路的输出端，第一电阻R1与地之间连接第四电阻R4，第四电阻R4并联有第三电容C3；运算放大器U1的输出端通过第五电阻R5连接MOS管Q1的栅极，控制MOS管Q1 的栅极电压，使MOS管Q1工作在可变电阻区，实现线性恒流控制；MOS管Q1的漏极连接电池的正极，MOS管Q1的源极通过并联的第十三电阻R13和第十电容 C10连接电池的负极，电池的正极和电池的负极之间还串接有第七电阻R7、第十电阻R10，第十电阻R10并联有第八电容C8，第七电阻R7、第十电阻R10之间为第一A/D模块采样端，运算放大器U1的反向输入端与MOS管Q1的源极之间连接有第九电阻R9，运算放大器U1采集电流采样电阻R9上的电压信号和DA 传过来的电压信号，形成反馈控制。

该系统的恒流放电电路中，采用运算放大器控制MOS管的栅极电压，使MOS 管工作在可变电阻区，进而实现线性恒流控制。该运放选用OP07低噪声精密运算放大器，具有非常低的输入失调电压(在这之前用过LM358运放做控制，但是由于失调电压太大，导致小电流下不可以精确控制电流)。同时温漂也很低，这些优良的参数更能保障恒流放电电路的稳定运行效果。

恒流放电电路利用运放的特性，采集电流采样电阻上的电压信号和DA传过来的电压信号，形成硬件反馈控制。由于器件的性能优良，经实际测试，仅仅硬件闭环控制，精度已经足够高，可以达到10mA的电流精度。

由于DAC芯片TLV5616输出电压范围为0-4.096V，因此DAC输出电压需要衰减到合适的范围，该系统采用电阻串联分压方式。由前面的计算可知UR电流采样最大为50mV，通过电阻连接至运放的反相输入端，结合运放的工作原理可知，同相输入端的最大电压也为50mV。其中下臂电阻并联一个100nF的电容，配合上臂电阻组成RC滤波电路，起到滤波的作用，进而提高恒流的稳定性。运放的正负电源引脚附近就近放置100nF的瓷片电容来退耦滤波，增强电路的抗干扰能力和稳定性。MOS管的栅极G端通过一个10kΩ电阻连接至GND，可以消除栅极G端的电荷，保证了栅极在没有输入的情况下，可靠的拉低栅极电平，避免误导通的情况发生。

电池接线端口采用了四线制。可以避免导线上的电压降带来的测量误差。由于导线有一定的电阻，因此当电流流过导线时就会产生电压降。为了避免导线压降带来的误差，通过查阅文献资料学习，采用四线制的测试方法。即电压测试导线直接接到电池的两端，这样测试到的电压为电池的真实电压，不受导线通过电流时产生电压降的影响。使得测试更科学，结果更有说服力。

如图8所示，恒流放电电路还包括在第九电阻R9与地之间连接的第十三电阻R13，第十三电阻R13与第十电容C10并联，MOS管Q1的栅极通过第六电阻 R6接地。恒流放电电路还包括放大模块，所述放大模块的电压输入端正极连接第九电阻R9和第十三电阻R13的公共端，所述放大模块的电压输入端负极连接电池负极，放大模块的电压输出端通过滤波电路后输出第二A/D模块采样信号 (电流采样信号)。

在本实施方式中，充电管理单元包括充电控制电路，充电控制电路包括光耦隔离器，光耦隔离器的输入端连接主控单元的充电使能端，光耦隔离器的输出端通过电阻连接三极管的基极，三极管的发射极接地，三极管的集电极与二极管的正极连接，二极管的负极连接电源，二极管与继电器的输入回路并联，继电器的输出回路与电池的充电控制端相连。

该系统还包括上位机，电池电压电流采集单元采集电池电压、电流信号并传输给主控单元，所述主控单元得到放电数据并通过人机界面显示，所述上位机进行放电曲线进行绘制。该系统还包括将主控单元、充电管理单元和放电及容量测试单元包覆的壳体，人机交互界面安装在壳体上。

在本实施方式中，按键输入模块用于设定放电电流值和放电截止电压值，以及放电的启停控制。其电路原理图如图9所示，根据原理图设计可知，按键低电平触发，并串联有470Ω的限流电阻以保护单片机IO口。其中S1为参数选择键，可以切换所设定的功能，即在放电电流设置和截止电压之间循环选择。 S2为输出使能键，只有按此键，恒流放电电路才会启动并计算电池容量，且串口电路才会发送电池电压的数据出去。S3为参数值加键，S4为参数值减键，分别控制放电电流值以100mA为单位加减，截止电压以50mV为单位加减。根据实际使用情况调整优化，放电电流初始值设为1000mA，放电截止电压初始值设为 2700mV。由于按键开关闭合和断开的瞬间有相应的机械抖动，因此会出现电平抖动的现象，容易引起单片机的误识别。为了避免这种情况发生，要采用去抖措施，按键去抖方式分为两种，分别是硬件去抖和软件去抖，硬件去抖需要额外添加元器件，增加了成本，软件去抖相对灵活，因此该系统的按键去抖采用软件去抖方式处理。

温控风扇电路如图10所示。关于温控风扇电路有很多种，大概分为三类：一类是以温度传感器(如LM35、DS18B20)采集温度值，直接将环境温度转化为数字信号。经单片机处理其数字信号，并通过单片机输出 PWM信号的方式来控制风扇的转速。二类是NTC电阻做温度传感器，控制三极管或者MOS的导通程度，间接控制了风扇端的电压大小，从而控制风扇转速。三类是NTC电阻作为温度传感器，通过其电阻值大小的变化来控制555定时器芯片的PWM输出占空比，从而控制风扇转速，达到温控风扇的效果。

本设计采用了NE555作为主芯片。555芯片可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。该系统中选用555芯片构成多谐振荡器，采用其典型的占空比可调的方波发生器电路。由于电路中二极管D1、D2的单向导电特性，使电容器C2的充放电回路分开。该系统选用50kΩ的NTC电阻作为温度传感器，将NTC电阻贴在MOS的散热片上，即可感知散热片的温度。温度变化，NTC电阻的阻值相应变化。分析公式可知，占空比增大，三极管Q1的导通时间变多，风扇转速提高，气流速度增大，散热片散热效果提升，温度降低。

充电管理电路的电路原理图如图11所示，VCC为电源输入端口，最大电压不超过8V，BAT端口接锂电池。本设计中RPROG为R3＝1.2kΩ，其最大充电电流为1A。充电电流大小可编程，由电阻R3决定。其典型充电电压电流曲线如图 12所示。充电过程中红色LED(D1)点亮；充电结束后，绿色LED(D2)点亮。

蜂鸣器提醒电路如图13所示。该系统中的提醒电路采用有源蜂鸣器。当S1、 S2按键按下时发出蜂鸣声做提示音。电路设计中采用一个NPN三极管，搭成共射极输出形式。当端口PG13收到高电平信号时，9014三极管导通，蜂鸣器得电鸣叫。由于三极管的放大作用，因此很小的基极电流就可以驱动蜂鸣器发声。该设计中由单片机的I/O口来驱动三极管即可达到要求。

继电器模块控制充电电路，实现充电控制。其电路原理图如图14所示。采用光耦隔离驱动信号，可以保护单片机的I/O口。三极管搭成共射极放大电路驱动继电器，通过接收STM32单片机的控制电平，即可实现充电开关控制。继电器线圈部分相当于电感，由于电感的“续流”特征，当三极管Q1截止的那一刻，继电器线圈中的电流不能立即“断流”。因此在继电器的线圈部分反相并联了二极管，起到续流的作用，避免继电器线圈电流突变产生电火花和打火现象，保证继电器的寿命。提高系统的可靠性和使用寿命。

本实用新型电池容量测试仪的测试方法的主程序框图如图15所示，首先进行初始化，放电及容量测试单元检测电池电量是否充满，如果没有充满，则充电至满电，如果充满则进行放电参数设置并通信至上位机，放电及容量测试单元使电池放电，并检测电压是否达到阈值电压，当达到设定阈值电压时候，结束放电，否则继续放电。

由于按键的机械结构特征，闭合和断开的瞬间会有机械抖动，因此电平也处于不稳定状态，容易引起单片机的误识别。为了避免误识别情况的发生，需要去抖处理，如前面论证，本设计选用软件去抖的方式。其程序框图如图16所示。去抖思路是当检测到低电平时，等待10ms再一次判断，如果仍是低电平，则认为按键按下了。其基本原理就是避开机械抖动期间引起的不稳定电平抖动，避免检测到抖动期间的电平变化，从而避免误识别情况的发生。

ADS1115采用的是IIC时序，和STM32芯片通信，采用STM32的IO口模拟 IIC时序。整体程序步骤可以总结为：ADS1115的寄存器配置与IIC的初始化工作、IIC写数据以及IIC读取数据、采样数据的处理等三个部分。由于ADS1115 转换速度一般，因此在配置完成之后，应等待约1ms之后再读取结果寄存器的值，不然会读取到一些错误数据。读取到的数据可以都采用滤波算法处理，进而得到更精确的数据，本实用新型中采用嵌套式滤波法，即先得到一组数据的中位数，然后求30组中位数的平均值，这样就可以避免外界干扰引起的波动，以及一些偶然因素引起的数据波动，导致测试到的数据不准确，跳动的情况发生。使用此滤波方法处理，电压测量精度可以达到±5mV。如图17所示为ADS1115 的时序图。

电流的测试数据如表1所示。通过表1里的数据可知：该系统的电流测量误差不超过1mA，设定偏差不超过2mA。远超过之前设计需求的参数10mA。恒流效果十分优秀。

表1.电流测量数据

电压测量在该系统中用来测量电池的电压，判断是否达到截止电压以及判断是否满电量。通过硬件电路的优化，软件的滤波算法处理，该系统的电压测量精度优良。测量偏差控制在4mV以内。其数据如表2所示。

表2.电压测量数据

序号	实测电压(mV)	显示电压(mV)	测量偏差(mV)	测量偏差率
					1	2402	2403	1	0.042％
2	2531	2534	3	0.119％
					3	2700	2702	2	0.074％
4	3185	3187	2	0.063％
					5	3346	3349	3	0.090％
6	3971	3973	2	0.050％
					7	4408	4411	3	0.068％
8	5120	5121	1	0.020％
					9	5925	5927	2	0.034％
10	6679	6680	1	0.015％
					11	8226	8230	4	0.049％
12	10763	10764	1	0.009％
					13	11989	11988	-1	-0.008％

搭建完该系统之后，分别取了5种18650锂电池进行容量测试实验。按照 QB/T2502-2000《锂离子蓄电池总规范》。根据锂电池测试标准可知：在0.5C的放电电流下，放电的截止电压为2.8V。最终的测试数据如表3所示。

表3.锂电池容量测试数据

以上的5节样品18650锂电池分别是：

(1)三星18650电池，标称容量为2600mAh；

(2)和(4)：松下NCR18650A电池，标称容量3100mAh；

(3)：三洋浅蓝头18650电池，标称容量2600mAh；

(5)：不知名的淘宝18650电池，标称容量1800mAh。

由于被测试的18650锂电池新旧程度不一，2号电池为新电池，1号和4号电池使用时间为几个月，3号电池使用一年左右。5号电池为淘宝杂牌电池，使用时间1个月。结合表格，不难看出，随着电池的老化，电池的内阻会增加，容量会衰减，对于内阻比较大的电池，不适合大电流放电。1-5号电池的容量比如表5.5所示。通过数据分析可以得出，1号、2号、4号电池性能较好，实际容量接近标称容量，这两颗电池也正是这5颗电池里面较新的3颗。3号电池由于使用时间较长，容量有所下降，5号电池的实际测试容量明显偏低，不适合继续使用，容量明显不符合标准。而且电池较新，找同样一类型的电池再次测试，同样出现实际容量和标称容量差异很大，很明显，此类电池存在容量虚标的现象。

表4.被测锂电池容量比数据

测试项目	1	2	3	4	5
						标称容量(mAh)	2600	3100	2600	3100	1800
测试容量(mAh)	2450	3080	2254	3020	1310
						容量比	94.23％	99.35％	86.69％	97.42％	72.78％

通过此次实际测量实验，测量了5个样品电池的实际容量，通过数据分析，不难发现，锂电池的性能存在很大差异，质量也参差不齐。给生产生活带来安全隐患。特别是性能指标不合格的电池，比如内阻大的电池，在大电流放电的情况下，由于内阻很大，外部负载RL消耗的功率和内阻消耗的功率比等于其阻值之比。随着电池内阻的增大，其自身消耗的能量占比也增大，降低了能量的有效利用率。

需要说明的是，本实用新型中不同图中的元器件是独立编号。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种电池容量测试仪，其特征在于，包括主控单元和放电及容量测试单元，所述放电及容量测试单元与主控单元双向连接，所述放电及容量测试单元的容量测试输入端与电池的电流输出端相连，通过放电及容量测试单元实现电池的放电同时实现电池放电时容量的测试并传输给主控单元。

2.根据权利要求1所述的电池容量测试仪，其特征在于，还包括充电管理单元以及人机交互界面；

所述主控单元的充电管理控制端与充电管理单元充电信号输入端相连，所述充电管理单元充电信号输出端与锂电池充电控制端相连，所述充电管理单元控制外部电源为电池充电；

所述人机交互界面与主控单元双向连接，通过人机交互界面，使用者实现与主控单元的通信及信息交互。

3.根据权利要求1所述的电池容量测试仪，其特征在于，所述放电及容量测试单元包括D/A转换电路、恒流放点电路和电池电压电流采集单元，所述D/A转换电路的控制端与主控单元的电池容量测试端相连，所述D/A转换电路的输出端与恒流放电电路的放点信号输入端相连，所述恒流放电电路的放电输入端与锂电池的电流输出端相连，所述恒流放电电路的信号采集端与电池电压电流采集单元的信号输入端相连，所述电池电压电流采集单元的信号输出端与主控单元的反馈信号输入端相连。

4.根据权利要求3所述的电池容量测试仪，其特征在于，所述恒流放电电路包括运算放大器U1，所述运算放大器U1的正向输入端与第一电阻R1的一端相连，第一电阻R1的另一端连接D/A转换电路的输出端，第一电阻R1与地之间连接第四电阻R4，第四电阻R4并联有第三电容C3；运算放大器U1的输出端通过第五电阻R5连接MOS管Q1的栅极，控制MOS管Q1的栅极电压，使MOS管Q1工作在可变电阻区，实现线性恒流控制；MOS管Q1的漏极连接电池的正极，MOS管Q1的源极通过并联的第十三电阻R13和第十电容C10连接电池的负极，电池的正极和电池的负极之间还串接有第七电阻R7、第十电阻R10，第十电阻R10并联有第八电容C8，第七电阻R7、第十电阻R10之间为第一A/D模块采样端，运算放大器U1的反向输入端与MOS管Q1的源极之间连接有第九电阻R9，运算放大器U1采集电流采样电阻R9上的电压信号和DA传过来的电压信号，形成反馈控制。

5.根据权利要求3所述的电池容量测试仪，其特征在于，所述恒流放电电路还包括在第九电阻R9与地之间连接的第十三电阻R13，第十三电阻R13与第十电容C10并联，MOS管Q1的栅极通过第六电阻R6接地。

6.根据权利要求3所述的电池容量测试仪，其特征在于，所述恒流放电电路还包括放大模块，所述放大模块的电压输入端正极连接第九电阻R9和第十三电阻R13的公共端，所述放大模块的电压输入端负极连接电池负极，放大模块的电压输出端通过滤波电路后输出第二A/D模块采样信号。

7.根据权利要求2所述的电池容量测试仪，其特征在于，所述充电管理单元包括充电控制电路，所述充电控制电路包括光耦隔离器，所述光耦隔离器的输入端连接主控单元的充电使能端，所述光耦隔离器的输出端通过电阻连接三极管的基极，所述三极管的发射极接地，所述三极管的集电极与二极管的正极连接，所述二极管的负极连接电源，所述二极管与继电器的输入回路并联，所述继电器的输出回路与电池的充电控制端相连。

8.根据权利要求3所述的电池容量测试仪，其特征在于，还包括上位机，所述电池电压电流采集单元采集电池电压、电流信号并传输给主控单元，所述主控单元得到放电数据并通过人机界面显示，所述上位机进行放电曲线进行绘制。

9.根据权利要求2所述的电池容量测试仪，其特征在于，还包括将主控单元、充电管理单元和放电及容量测试单元包覆的壳体，所述人机交互界面安装在所述壳体上。