基于庫侖計法的鋰電池電量檢測

張永凱 趙建平 陶明超 王 成 王曉冬

(1.曲阜師范大學物理工程學院,山東 曲阜 273165；2.北京農業信息技術研究中心,北京 100097； 3.農業部農業信息技術重點實驗室,北京 100097)

基于庫侖計法的鋰電池電量檢測

張永凱1,2趙建平1陶明超1,2王 成2,3王曉冬2,3

(1.曲阜師范大學物理工程學院,山東 曲阜 273165；2.北京農業信息技術研究中心,北京 100097； 3.農業部農業信息技術重點實驗室,北京 100097)

為了提高電池電量的估算精度，提出一種基于庫侖計法的鋰電池電量信息實時檢測方法，給出鋰電池電量檢測的硬件組成與軟件流程。對設計方案進行測試與對比，發現該方法實現了鋰電池電量、電壓和電流的指示，提高了電量估算精度。

電量檢測 鋰電池 庫侖計法 估算精度

隨著低壓、低功耗集成電路的發展，對于電池容量和性能的要求越來越高。目前，鋰電池具有能量密度大、使用壽命長、自放電少及污染小等優點，廣泛應用于筆記本(PC機)、遠程監控手機及數碼相機等便攜式電子產品中[1]。但鋰電池也存在不足之處，如過壓充電、欠壓放電都會造成電池的永久損壞[2]。鋰電池的電量檢測與保護是保證電子設備可靠運行的重點，因此電池電量管理變得極為重要。

在電池電量檢測方面，常用的預估方法是工作電壓法和開路電壓法。工作電壓法通過實時測量電池工作電壓來估算電池剩余電量的范圍，但工作的電池容量會受到電池溫度、放電率及自放電率等多種因素的影響[3]，所以，通過測量工作電壓對電池容量進行準確估計是很困難的；開路電壓法與剩余電量存在固定而準確的關系，但是準確的電壓測量需要電池斷開一個小時以上，使其內部處于穩定狀態，而電池實際使用過程無法滿足此需求[4]。為了提高電量估算精度，筆者采用庫侖計法進行鋰電池電量檢測，并分別給出其硬件和軟件部分。

1.1 庫侖計法原理

庫侖計法是通過計算流入、流出電池的電荷來估算電池電量的。該方法需要一個高精度、毫歐級、低溫漂電阻作為電流傳感器，串聯在電池主通路上[5]，設定一個周期時間T，取某一時刻的電流作為這個周期T的平均電流，然后對其進行積分，計算此段時間流過電阻的電荷量，并對電荷量累加或累減，最后得到當前電池容量。

庫侖計法能夠比較容易地計算出剩余電量，但是電池不工作時存在自放電現象，且總電量會隨著溫度而改變，同時電池會發生老化。考慮到上述問題，為了達到滿意的電池電量檢測精度，需要選擇合適的庫侖計芯片和控制芯片對其進行管理。

1.2整體方案

本設計采用STM32F103C8T6芯片作為主控制器，選用庫侖計芯片DS2784估算電池電量。整體方案由電量信息采集部分、主控芯片和電量顯示3部分構成，STM32F103C8T6讀取庫侖計芯片DS2784采集的電量信息(即電流傳感器計算的流入、流出電量)，然后在LCD上顯示。

1.3庫侖計芯片與檢測電路

庫侖計芯片DS2784是一款精密的電壓、溫度、電流測量芯片，芯片內置溫度傳感器，能夠根據庫侖計原理、放電速率、溫度和電池特性綜合估算鋰電池剩余容量。該芯片具有學習功能，能夠按照學習的最大容量自動調整鋰電池容量，改變電池老化系數。通過相關寄存器的配置可實現電池自放電電流的估算和鋰電池保護。

鋰電池通過壓降模塊HT7533實現3.3V穩壓輸出，給庫侖計芯片提供穩定的工作電壓。VIN引腳用于電池電壓檢測，通過此管腳可實時檢測電池當前電壓。SNS引腳是檢測電阻連接端，與電池地VSS通過一個電阻串聯，用于電流檢測，由于檢測電阻阻值太大會增加功耗，影響測量準確度，所以選用一個10mΩ的檢測電阻。DQ引腳是芯片的數據通信端，負責與微控制器通信，是漏極開路，為了驅動高電平輸出，必須加上拉電阻。PLS管腳用于檢測電池是否短路、充放電過流。總體檢測電路如圖1所示。

圖1 檢測電路

1.4控制電路與顯示電路

STM32F103C8T6工作頻率高達72MHz，64K的FLASH和20K的SRAM，具有體積小、功耗低、接口豐富及功能強大等優點。STM32F103C8T6外圍電路如圖2所示，PB0～PB2引腳外接LCD控制端，PB3～PB10是LCD的數據總線。庫侖計芯片DS2784采用1-Wire通信方式，1-Wire總線采用單根信號線，既傳輸時鐘又傳輸數據，且數據傳輸是雙向的[6]，因此將STM32F103C8T6的PB11引腳接庫侖計芯片的DQ引腳，1-Wire協議需要嚴格的時序，考慮到使用環境的復雜性，應把通信總線設計的盡量短，以增強系統的穩定性。

圖2 STM32F103C8T6外圍電路

使用GM1117-3.3模塊(圖3)實現3.3V的穩壓輸出，用于給STM32F103C8T6和LCD供電。

圖3 GM1117-3.3模塊

LCD選用128×128的點陣液晶屏，具有使用方便、顯示清晰的特點，因LCD僅用于顯示功能，只需單向數據傳輸，其電路設計如圖4所示。

圖4 LCD顯示電路

2 軟件部分

2.1鋰電池特性參數配置

庫侖計芯片估算電量時用到的參數包括實時測量值和鋰電池的特性參數。庫侖計芯片周期性檢測電池的電壓、電流和溫度，并把檢測結果保存到EEPROM寄存器中。為了提高電池估算的準確度，需要對鋰電池特性參數進行配置。庫侖計芯片根據所需參數進行計算，最后把電量信息存儲在寄存器中，如圖5所示。

圖5 庫侖計頂層算法框圖

老化容量參數存放電池額定容量，用來估算正常使用時電池容量減少的情況，主要由老化系數調整補償。老化系數是通過放電次數的老化估算和學習功能修改的，當電池實際容量大于設置容量時，芯片會學習較大容量，修改老化系數。學習功能是將鋰電池從空電量充到滿電量，中間不能間斷，可實現一個周期的學習，并按照學習到的電池容量調整老化系數，老化系數設定初值應小于電池實際容量，本設計中設定老化系數為95%。充電電壓和最小充電電流參數用來檢測鋰電池的完全充滿狀態，以防止電池過沖電；為了保證可靠的充電終止檢測，充電電壓設定值應略小于滿電量時最大的4.20V，一般設定為4.18V；最小充電電流應略大于充電周期結束時的充電電流，根據實際測試設定為60mA。空電壓、空電流用于檢測電池電量空時的放電門限，分別設為3.3V、240mA。由于電池存在自放電，所以需要配置偏置電流，用于估算不流過檢測電阻的電流，根據芯片推薦值設為0.312 5mA。

2.2建立電池容量與溫度關系

當溫度升高時電池內阻較小，放電過程中其端電壓比低溫下的端電壓更高，因此在一定溫度范圍內，電池容量隨溫度升高而上升[7]。在估算剩余電量時，為了提高估算精度，需考慮鋰電池在不同溫度下的特性。

筆者參考DS2784芯片手冊所提供的電池容量與溫度的比例關系，建立滿電量、空電量與溫度的關系表，用于估算不同溫度下的滿電量和空電量。在 0～40℃之間每隔10℃建立滿電量與空電量點，并以40℃時的電量為滿電量基準，將不同溫度下的滿電量和空電量換算成相應的百分比，結果見表1。計算出每兩個溫度點之間電量的斜率，并把該斜率存儲到芯片的EEPROM中，芯片便會根據當前溫度所對應的斜率求出當前電池容量。

表1 電量與溫度關系

2.3庫侖計芯片通信協議

STM32F103C8T6訪問DS2784的流程是：1-Wire初始化，通信準備就緒；網絡地址命令讀取，主機根據地址選擇要通信的芯片；功能命令設置，根據指令選擇數據讀取、寫入。

1-Wrie總線的基本時序操作是寫時序和讀數據[8]。每一次寫時序的間隔至少要60μs以上，并且每兩個獨立時序之間至少要有1μs的時間恢復。每次寫時序都需要主機先將總線拉低，寫1時低電平時間應小于15μs，高電平至少45μs；寫0時低電平至少持續60μs。

主機發出讀數據命令后，DS2784才向主機發送數據。主機拉低總線15μs后立刻釋放總線，并延遲15μs后讀取總線狀態。DS2784發送0時，總線被拉低，發送1時總線為高電平。

2.4程序流程

DS2784以3.5s的間隔處理測量結果和電池特性參數，并把結果存儲在剩余相對有效電量寄存器中，通過直接讀取寄存器得到電池電量。具體流程如圖6所示。

圖6 程序流程

3 電量檢測

選用一塊3.7V、容量為850mAh的手機鋰電池進行放電測試。采用筆者提出的方法觀察當前電量，每當電量變化5%時檢測一次工作電壓和所對應的開路電壓，然后繪制出電壓與電量關系曲線，并與標準的開路電壓電量關系曲線作對比，如圖7所示，曲線A為鋰電池標準的開路電壓與電量關系，曲線B為筆者方法所測的開路電壓與電量關系，曲線C為工作電壓法所測的開路電壓與電量關系。

圖7 開路電壓與電量關系曲線

與曲線C相比，曲線B更加接近鋰電池標準的開路電壓電量關系(曲線A)，說明利用筆者提出的方法進行電量檢測，其準確度得到了提高。

4 結束語

筆者考慮到溫度、老化容量及自放電率等因素對鋰電池電量的影響，并結合鋰電池溫度與容量關系和電池特性，設計了一種基于庫侖計法的鋰電池電量檢測方法。該方法硬件設計簡單、功耗低。與工作電壓法相比，筆者所提方法的電量檢測準確度較高。

[1] 范騰飛,陳奕梅.基于2～4串鋰電池組的庫侖計法電量計設計[J].電子科技,2013,26(2):7～10.

[2] 劉霞,鄒彥艷,金梅,等.鋰電池電量的動態預測[J].大慶石油學院學報,2004,28(2):81～83.

[3] 陳方國,趙志偉.高精度估算SOC的鋰電池管理系統研制[J].科技風,2012,(17):43～44.

[4] 杜濤,李愛魁,馬軍,等.動力電池SOC預估方法研究進展[J].電源技術,2015,39(4):844～845.

[5] 周華,王毅鵬.鋰離子電池剩余電量檢測方法[J].產業與科技論壇,2012,11(23):63.

[6] 朱萍,付江明.結合電量計的1-Wire總線的應用[J].科技信息,2009,(19):70～71.

[7] 李哲.純電動汽車磷酸鐵鋰電池性能研究[D].北京:清華大學,2011.

[8] 李冰,郝培,邵立平.基于1-wire總線的多主從嵌入處理器通信[J].儀表技術,2012,(10):7～10.

LithiumBatteryDetectionBasedonCoulometer

ZHANG Yong-kai1,2, ZHAO Jian-ping1, TAO Ming-chao1,2, WANG Cheng2,3, WANG Xiao-dong2,3

(1.CollegeofPhysicsandEngineering,QufuNormalUniversity,Qufu273165,China；2.BeijingResearchCenterforInformationTechnologyinAgriculture,Beijing100097,China;3.KeyLaboratoryofAgri-informatics,MinistryofAgriculture,Beijing100097,China)

In order to improve estimation precision of the battery capacity, the coulometer-based method for lithium battery detection was proposed and both hardware and software concerning the lithium battery detection were presented, measuring and comparing the design scheme shows that this method can realize the indication of battery capacity, voltage and current, including the improvement on the accuracy of battery estimation.

battery detection, lithium battery, coulometer, estimation accuracy

TH862+.7

B

1000-3932(2016)02-0191-04

2015-06-29基金項目：國家重大科學儀器設備開發專項基金資助項目(2011YQ080052)；北京市農林科學院青年科研基金資助項目(QNII201533)