大多數手持設備使用堿性電池或可充電電池供電，因此測量電池容量是這類設計的一個關鍵特征。但是，在大多數情況下，對預算緊張的項目而言，使用電池電量監控IC可能是一種奢望。本文提供了一種更簡單、更便宜的選擇。

如今，即使是最便宜的MCU也常常包括內部模數轉換器（ADC）模塊，但是由于其分辨率（相對）較低，噪聲水平較高，因此這一模塊并非總是得到使用。然而，那些未使用的內部ADC通道之一，足以用于執行測試，從而確定電池是否仍然可用。

本文所述檢測電池健康狀況的方法稱為電化學動態響應（EDR）。該方法已由Cadex Electronics申請專利，美國專利號為7，622，929。

EDR通過施加負載脈沖，評估電池對攻擊和恢復的響應時間，來對電池在負載下的狀況與所存儲的與電池性能相關的參數進行比較。如圖1所示，好的電池具有很強的恢復特性，而幾乎耗盡的電池則具有較大的放電斜率和較差的恢復能力。造成耗盡的電池出現這些差異的原因有多種，例如內部電阻增加。

圖1：對比各種充電狀態下電池對臨時負載脈沖的響應，可以發現它們在EDR方面的差異。

利用EDR理論，對電池電壓進行采樣，找到在特定時間下（例如最大功耗發生時）的最小電池電量，即可獲得有關電池健康狀況的信息。系統的初始開機時間（也稱為“打招呼”時間）是衡量電池健康狀況的一個特別好的時機。在系統完全啟動之前，電池電量似乎處于安全工作水平，但是，如果電池快要用盡了，則當系統達到滿負荷時，電池電量可能會立即降至安全水平以下。該設備會在不執行EDR測試的情況下以正常模式啟動，但是卻會在第一次重載時不受控制地關閉（即電壓下降到如圖1所示的關鍵電池電量水平）。

圖2顯示了實現EDR測試的簡化硬件版本。此處選用負載電阻來代表整個系統負載，因此其值可以根據系統的不同進行改變。系統要生成此處所示的數據，需要一個10Ω的值。電阻R1和R2用作分壓器，實現對電池電壓（Vcc）的測量，而升壓電路則用于確保即使在測試期間電池電壓下降時，ADC的基準也保持恒定。電阻R3是開關晶體管的下拉電阻。

圖2：以上簡化原理圖顯示了EDR測試實現的總體設計。

測試系統在設定的時間段（約200ms）內對電池電壓進行采樣。在固件控制下，MOSFET僅在測量周期的一半時間內導通，然后關閉。這樣，系統就可以測量滿載情況下的電壓，以及最小負載時的電池恢復響應。（可以在固件中更改時間段，但我發現200ms足以充分評估電池容量。）測量完成后，可以通過UART鏈路讀出結果。

在為演示EDR所搭建的示例系統中，我使用了兩節AA堿性電池，因此Vcc的最大值為3.2V。升壓電壓Vdd設置為恒定的3.6V。系統在正常情況下消耗55mA，但在滿載時消耗127mA。使用“好”電池（圖3a）和“壞”電池（即耗盡的電池，圖3b）對系統進行測試時所獲得的示波器跡線，表明了欠載電壓的差異有多大。

圖3：電池電壓的負載測試結果顯示，充滿電的電池（a）和幾乎耗盡的電池（b），它們的響應之間存在顯著差異。

我在某些項目中使用的示例設計基于STM32F303 MCU，其固件使用KEIL IDE用C語言編寫。可以在此GitHub頁面上找到這個固件。

測試代碼的流程圖如圖4所示。一旦UART收到“S”字符，就會執行測試。ADC采樣頻率設置為250Hz，如前所述，測試周期約為200ms。

圖4：EDR測試代碼將負載接通，以一半的測試時間采樣，然后斷開負載，完成采樣周期。

這個代碼僅用于進行測試和收集數據。處理數據有很多方案。在最簡單的情況下，可以查看數據的最小值，然后將其與系統的安全工作電壓水平（也稱為臨界水平）進行比較。如果在測試過程中電池電壓接近臨界水平，則可以警告系統用戶該更換電池了。

可以編寫更全面的算法來精確確定電池健康狀況，例如用作電池電量指示器。然而，為了在顯示器或電池指示器上向用戶更新、顯示適當的數據，還應對所采集的數據進行過濾。若原始數據未經過適當過濾，那么負載變化將導致其完全無用。緩慢的無限脈沖響應（IIR）濾波器可以對信號進行正常平滑。

總之，借助MCU當中非常基本的ADC，采用EDR方法，可以對電池健康狀況實現廉價的檢測。將初始上電期間的讀電池時間設為約200ms，足以對幾乎所有系統實現基本的電池健康狀況測試。
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