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充電電池電量計的工作原理分析

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電池電量計對流入/流出電池的總電流持續進行積分,並將積分得到的凈電荷數作為剩餘容量。
簡化的電池電量計如下所示。其中,rsns為mΩ級檢流電阻,rl為負載電阻。電池通過開關、rsns對rl放電時的電流io在rsns兩端產生的壓降為vs(t)=io(t)×rsns。電量計持續檢測rsns兩端的壓差vs,並將其通過adc轉換為n位的數字量current(簡稱cr),之後以時基確定的速率進行累加,m位累加結果accumulated_current(簡稱acr)的單位為vh(伏時)。對量化後的vs進行累加相當於對其進行積分,結果為。
電池電量。
因此,將acr值除以檢流電阻rsns的阻值即得到以ah(安時)為單位的電池容量。adc轉換結果和累加後的結果都帶有符號位,按照圖1中的連接方式,充電時cr為正,acr遞增;放電時cr為負,acr遞減。外部微控制器可以讀取cr和acr值,經過換算得到真實的充放電電流和電量值。
實際的電量計還包括一些控制和接口邏輯,通常還能檢測電池電壓和溫度等參數。一些智能電量計可以自動完成電池自放電的修正,還可保存電池特性曲線,允許用戶定製電池電量計算法。
檢測普通鋅錳乾電池的電量是否充足,通常有兩種方法。第一種方法是通過測量電池瞬時短路電流來估算電池的內阻,進而判斷電池電量是否充足;第二種方法是用電流表串聯一隻阻值適當的電阻,通過測量電池的放電電流計算出電池內阻,從而判斷電池電量是否充足。
第一種方法的最大優點是簡便,用萬用表的大電流檔就可直接判斷出乾電池的電量,缺點是測試電流很大,遠遠超過乾電池允許放電電流的極限值,在一定程度上影響乾電池使用壽命。第二種方法的優點是測試電流小,安全性好,一般不會對乾電池的使用壽命產生不良影響,缺點是較為麻煩。
筆者用mf47型萬用表對一節新2號乾電池和一節舊2號乾電池分別用上述兩種方法進行測試對比。假設ro是乾電池內阻,ro是電流表內阻,用第二種測試方法時,rf是附加的串聯電阻,阻值3Ω,功率2w
實測結果如下。新2號電池e=1.58v(用2.5v直流電壓檔測量),電壓表內阻為50kΩ,遠大於ro,故可近似認為1.58v是電池的電動勢,或稱開路電壓。用第一種方法時,萬用表置5a直流電流檔,電錶內阻ro=0.06Ω,測得電流為3.3a。所以ro+ro=1.58v÷3.3a≈0.48Ω,ro=0.48-0.06=0.42Ω。用第二種方法時,測得電流為0.395a,rf+ro+ro=1.58v÷0.395a=4Ω,電流500ma檔內阻為0.6Ω,所以ro=4-3-0.6=0.4Ω。
舊2號電池用第一種方法測量時,先測得開路電壓e=1.2v,電錶內阻ro=6Ω,讀數為6.5ma,萬用表置50ma直流電流檔,ro+ro=1.2v÷0.0065a≈184.6Ω,ro=184.6-6=178.6Ω。用第二種方法,測得電流為6.3ma,ro+ro+rf=1.2v÷0.0063a=190.5Ω,ro=190.5-6-3=181.5Ω。
顯然兩種測試方法的結果基本一致。最終計算結果的微小差別是由於讀數誤差、電阻rf的誤差以及接觸電阻等多方面因素造成的,這種微小誤差不致影響對電池電量的判斷。如果被測電池的容量小、電壓高(例如15v、9v疊層電池),則應將rf的阻值適應增大。
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