一款精確測定手機電池容量的恒流放電器
2024-06-08 15:04:37
供稿：網(wǎng)友
前段時間發(fā)貼提交了野狼的西門子手機鋰電池測試報告，其原始動機是看過※Battery※ 的貼子后對Siemens手機的內(nèi)置電池保護電路不放心才去做的。貼子發(fā)表后經(jīng)與※gumphe※討論，發(fā)現(xiàn)完全可以做一款恒流放電器來精確測定電池的容量(主要針對各種手機的3.7Vor 7.2V鋰離子電池)。制作和實驗很快就完成了，遲遲未發(fā)貼本文的原因在于我想得到更多的實驗數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)分析做得更完美，同時也將實物照片提供出來。
有關(guān)電池、充電器、充電方法一直就是壇子里永遠討論不完的話題，就我來說一般自已能證明的結(jié)論是不會輕易相信別人觀點的（不過如果別人有確鑿的實驗數(shù)據(jù)我也會暫時以它的為準的）。在壇子里回答網(wǎng)友問題時老鳥一般都有簡單的辦法:將頻率高的問題答案 ^C +^V一貼就完事了。這些答案原本可能針對某一具體的問題是正確的，然而轉(zhuǎn)貼的太多了有可能就張冠李戴了。一些網(wǎng)友不能完全看明白我的實驗，直接要我給出結(jié)論，另一些網(wǎng)友也在引用我的數(shù)據(jù)和結(jié)論。我覺得是蠻舒服的，這說明我的努力回報給了Younet，當(dāng)然這個努力只是我平常的愛好而已，即使沒有Younet我照樣會做的，只是由于Younet 因此有了和諸多玩家共享的場所。雖然我的制作和實驗對電子愛好者來說甚至都太簡易，但對很多的網(wǎng)友卻是隔行如隔山，因此，策略上我將分析結(jié)論放在文章結(jié)尾處，看不懂的網(wǎng)友可直接記結(jié)論好了(當(dāng)然也是針對具體的問題)，水平提高以后可通讀全文以充分掌握方法和論據(jù)。
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制作時所使用的元器件和材料 (成本5元左右)：
1、LM317T可調(diào)三端穩(wěn)壓IC一個
2、1Ω/0.5W 電阻2個，精度為1%的1Ω/0.5W電阻一個
3、成品鋁散熱板一塊: 30×32×15 mm（沒有嚴格要求,方便為本，差不多就行）
4、28×80 mm 實驗用賦銅板一塊
5、兩個插集成塊插座,導(dǎo)線兩根。
電路圖：這個電路圖十分簡單，原理上說只是一個三端穩(wěn)壓IC，一個電阻。一說就明白了（在手機畫報中有實物圖貼出）
A：LM317正面看過去從左向右數(shù)1腳:調(diào)整端，2腳：輸出端3腳:輸入端。
B：三個1Ω電阻串聯(lián)為一個電阻接在317的1腳和2腳。
C：317的3腳用一根導(dǎo)線接在一個插座上(放電時接電池的+正極)
D：317的1腳接一根導(dǎo)線到另一個插座上(放電時接電池的-負極)
材料、工具齊全時10分鐘就可將電路焊接完畢，根本無需任何調(diào)試。
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原理簡介：
LM317的2腳和1腳之輸出有一個1.23~1.25V超級穩(wěn)定電壓，在此二腳間接入一個3Ω的電阻就可輸出超級恒定電流約1.25/3=417mA左右。選擇放電電流在420mA右左的原因是：此電流值已超過siemens 6618 滿負載工作的時的最大平均電流(約300mA)，且電路中的元件的發(fā)熱量也不太大(用數(shù)字溫度計全程監(jiān)控，散熱片上的溫度小于50℃)，有利于電路穩(wěn)定工作，測量的時間也不算太長。盡量選用穩(wěn)壓值較底的317芯片，如我的放電器選用的是穩(wěn)壓值為1.235V的，這樣輸入端鋰電的電壓只要高于3.15V即可得到420mA恒流放電（實測）。選用三個電阻串聯(lián)成一個電阻的目的其一是將電阻上的功耗分散開，降低發(fā)熱提高穩(wěn)定性，其二是在那個精度為1%的電阻上真接測量電壓即可測出恒定的放電電流值，而無需將萬用表串入到電路中測量電流，這樣就得到了更高的放電電流測量準確度。如我實測該電阻上的壓降為420mV，則電流為420mV/1Ω=420mA。317上的的最大功耗約在1.25W（用3.7V鋰電池放電時），所以要加上散熱片。
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放電測量過程：
放電前先將電池充飽(對西門子6618旅充，充到工程模式中的PPV=000)，放電時將數(shù)字萬用表打到20V檔，將兩+、-線夾夾在電池引線的兩側(cè)。將電池的引線插入到放電器板上的+、-插孔中。然后開始監(jiān)測放電過程中電池兩端的電壓，一分鐘做一次電壓記錄。西門子的850mA鋰電池在充飽后空載電壓在4.10V~4.15V，用420mA恒流放電開始時的端電壓在4.08V左右,針對手機而言放電到3.0V時即可認為放電過程結(jié)束。
制作電池的放電平臺曲線：
將所測的數(shù)據(jù)錄入到Excel電子表格中，便可容易的制作出電池的放電平臺。在曲線中能直觀的看出電池容量在放電末端的拐點時刻，并計算時此時的電池容量。放電曲線的X坐標(biāo)軸為放電時間，單位為分鐘，Y軸為放恒流放電時的電池端電壓，單位為V。以420mA恒流放電為例，則1分鐘的放電容量為420mAh/60分=7mAh/分。
截止發(fā)貼時我一共測量了5款手機電池的放電曲線，介紹如下：
放電曲線圖見：http://www.younet.com/board/picture/view.php?id=39331
放電器實物、接線方法圖見：http://www.younet.com/board/picture/view.php?id=39368
第③條曲線，是一款標(biāo)簽為1600mAh的Motorola 820E機的7.2V鋰電，內(nèi)部由兩節(jié)鋰電池串聯(lián)組成，并有完善的過充、過放保護電路。原先曾拆開過，并做過過充、過放實驗。電池類型、使用時間2~3年。從放電曲線上看好像與其它幾個鋰離子電池有明顯的區(qū)別，即放電平臺很平滑，沒有明顯的拐點出現(xiàn)，在放電到約5.01V時內(nèi)部保護電路動作并關(guān)斷放電回路，放電停止。
第①條曲線為Siemens 6618 的原配850mAh鋰離子電池。使用時間一個多月，24小時開機，待機約3天。根據(jù)外部實驗判定電池內(nèi)部并未有內(nèi)置的過充、過放保護電路。曾用自已的恒流充電器最高充至4.35V未見保護電路動作，放電最低至1.8V未見保護電路動作（放電實驗見我在寶典里的另一篇貼子：http://www.younet.com/board/bible/files/4353/247882.shtml）。
第④條曲線，其實就是第③條曲線電壓值除2轉(zhuǎn)換為單節(jié)鋰電池后的數(shù)據(jù)，目的是方便和其它四款電池曲線做比較。
第⑤條曲線，Utstarcom 的400mAh鋰離子電池，使用時間1年整，24小時開機，待機時間約一周，內(nèi)置過充、過放保護電路，放電到約2.28V時自動關(guān)斷。（此款電池已隨機丟失）。
第②條曲線，Utstarcom 的550mAh鋰離子電池，使用時間為約3年半，24小時開機，服役正常時待機時間約一周，目前性能已經(jīng)明顯下降，剛退役。內(nèi)置過充、過放保護電路，放電到約2.39V時自動關(guān)斷。
第⑥條曲線，Siemens 6686i 原配的650mAh 鋰離子電池，使用時間2周，性能完好，估計也沒有內(nèi)置的過充、過放保護電路，所以在放電到2.7V時（一些資料給出的容量耗盡時的最低電壓值）就人工終止放電了
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放電曲線的數(shù)據(jù)分析
從放電平臺高低不同的差異來分析，可以看出第①條曲線Siemens的850mAh鋰電放電時的電池端電壓較高，僅次于第⑥條Siemens 650mAh，即可認為這兩款電池的內(nèi)阻是最小的，估計原因之一是其內(nèi)部沒有保護電路，因為內(nèi)部保護電路工作時也是有內(nèi)阻的。內(nèi)阻越小電池的大電流放電特性就越好。從放電曲線來看，Siemens 850mAh電池的放電平臺拐點出現(xiàn)在約3.36V，此時放電時間為113分，已放電池容量=113分×7mAh/分=791mAh。而Siemens 650mAh 電池的放電拐點約在3.4V,則已放電池容量=94分×7mAh/分=658mAh (注：在Excel 中當(dāng)mouse 指在散點圖中的某點時，會有跟隨提示框出現(xiàn)指出該點的X、Y坐標(biāo)值)
第④條曲線是經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的Motorola 單節(jié)鋰電的放電曲線，其放電平曲線低于Siemens 6618/6686i的原配電池。一般的，電池類型相似時，容量越大的電池其內(nèi)阻越小，使用時間加長后其內(nèi)阻會增大，電池容量會降低。以標(biāo)稱容量來看，此款電池的放電平臺應(yīng)高于Siemens的電池。我自己分析的此電池放電平臺低于Siemens電池的原因是：其一，該電池組有內(nèi)置的保護電路而使內(nèi)阻增大。其二，根據(jù)放電截止時的容量(151分×7mAh/分=1057mAh)判定，已經(jīng)離其標(biāo)稱的1600mAh相距甚遠，可以認為這是一款使用時間較長的老電池，因此其內(nèi)阻也是會較大，由此造成了其單節(jié)電池的放電曲線低于Siemens的電池。
第②、⑤條曲線是二個小靈通用的小容量鋰電池，眾所周知小靈通及其基站的功率都小于手機，所以其電路正常工作時的工作電流是小于手機的。在420mA放電時其負荷有點偏大，且其內(nèi)部有過充過放保護電路加大了電池的內(nèi)阻，所以放電曲線平臺要遠遠低于①、④、⑥三條曲線。在此以其自動保護關(guān)斷時的電壓計算其容量（比在拐點處計算略微偏大一點）：400mAh電池的實測容量=58分×7mAh/分=406mAh,550mAh電池的實測容量=43分×7mAh/分=301mAh。可以看出400mAh電池在使用一年后健康狀況仍然良好，而550mAh電池的容量只有其標(biāo)稱值的約55%，且其放電平臺已經(jīng)嚴重偏低了（使用時的癥狀為充電后使用不久就提示電池沒電了，此時其實電量并未用完，但由于電池內(nèi)阻大而使供給手機的端電壓不足，手機電路就會拒絕繼續(xù)工作了），所以該退休只是它唯一的選擇了。在此之前同事一直在為搞不清是電池不行了？還是充電器充電時接觸不好？而苦惱。在我測試出放電曲線后就一目了然的給出了判定：電池該退休了！當(dāng)然充電器接觸不好也是確有其病，這正是病多難倒老醫(yī)生的原因。
綜上，從測試出的曲線計算所得的容量來看，Siemens 650mAh 電池是最令我滿意的，因為計算值和標(biāo)稱值完全吻合。對Siemens 850mAh略有點不滿意，因為容量只有標(biāo)稱的93%，當(dāng)然這款電池出廠時間比較早，是2002年4月的，好像記得※gumphe※ 哪篇文章中說過鋰電一出廠就開始了老化過程，如果這款不是二手電池的話，這也許就是唯一的解釋了。
本恒流放電器的優(yōu)點是廉價、精度高，缺點是得有一只數(shù)字萬用表配合，另外對3.7V的鋰電在電池電壓低于3.15V后放電電流會小于420mA（實測在放電到2.7V時電流仍大于380mA，對7.2V的鋰電則不存在此問題）,不過我在測試時有一個簡單的方法解決這個問題即：用一只4Ah/1.25V的大容量充電電池和手機電池串聯(lián)起來放電(這種舊電池我手邊有很多)，這樣在放電時可保證電池電壓到2V時仍然恒流為420mA。
2003-05-08 17：13
