基于庫侖計(jì)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(xué)物理工程學(xué)院,山東 曲阜 273165；2.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心,北京 100097； 3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100097)

基于庫侖計(jì)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(xué)物理工程學(xué)院,山東 曲阜 273165；2.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心,北京 100097； 3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jì)法的鋰電池電量信息實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)方案進(jìn)行測試與對比，發(fā)現(xiàn)該方法實(shí)現(xiàn)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(jì)法 估算精度

隨著低壓、低功耗集成電路的發(fā)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(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于筆記本(PC機(jī))、遠(yuǎn)程監(jiān)控手機(jī)及數(shù)碼相機(jī)等便攜式電子產(chǎn)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(hù)是保證電子設(shè)備可靠運(yùn)行的重點(diǎn)，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(yù)估方法是工作電壓法和開路電壓法。工作電壓法通過實(shí)時(shí)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(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)是很困難的；開路電壓法與剩余電量存在固定而準(zhǔn)確的關(guān)系，但是準(zhǔn)確的電壓測量需要電池?cái)嚅_一個(gè)小時(shí)以上，使其內(nèi)部處于穩(wěn)定狀態(tài)，而電池實(shí)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(jì)法進(jìn)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(jì)法原理

庫侖計(jì)法是通過計(jì)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(gè)高精度、毫歐級、低溫漂電阻作為電流傳感器，串聯(lián)在電池主通路上[5]，設(shè)定一個(gè)周期時(shí)間T，取某一時(shí)刻的電流作為這個(gè)周期T的平均電流，然后對其進(jìn)行積分，計(jì)算此段時(shí)間流過電阻的電荷量，并對電荷量累加或累減，最后得到當(dāng)前電池容量。

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

1.2整體方案

本設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6芯片作為主控制器，選用庫侖計(jì)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(gòu)成，STM32F103C8T6讀取庫侖計(jì)芯片DS2784采集的電量信息(即電流傳感器計(jì)算的流入、流出電量)，然后在LCD上顯示。

1.3庫侖計(jì)芯片與檢測電路

庫侖計(jì)芯片DS2784是一款精密的電壓、溫度、電流測量芯片，芯片內(nèi)置溫度傳感器，能夠根據(jù)庫侖計(jì)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(xué)習(xí)功能，能夠按照學(xué)習(xí)的最大容量自動調(diào)整鋰電池容量，改變電池老化系數(shù)。通過相關(guān)寄存器的配置可實(shí)現(xiàn)電池自放電電流的估算和鋰電池保護(hù)。

鋰電池通過壓降模塊HT7533實(shí)現(xiàn)3.3V穩(wěn)壓輸出，給庫侖計(jì)芯片提供穩(wěn)定的工作電壓。VIN引腳用于電池電壓檢測，通過此管腳可實(shí)時(shí)檢測電池當(dāng)前電壓。SNS引腳是檢測電阻連接端，與電池地VSS通過一個(gè)電阻串聯(lián)，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(zhǔn)確度，所以選用一個(gè)10mΩ的檢測電阻。DQ引腳是芯片的數(shù)據(jù)通信端，負(fù)責(zé)與微控制器通信，是漏極開路，為了驅(qū)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?？傮w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(dá)72MHz，64K的FLASH和20K的SRAM，具有體積小、功耗低、接口豐富及功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。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(shù)據(jù)總線。庫侖計(jì)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(shí)鐘又傳輸數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的[6]，因此將STM32F103C8T6的PB11引腳接庫侖計(jì)芯片的DQ引腳，1-Wire協(xié)議需要嚴(yán)格的時(shí)序，考慮到使用環(huán)境的復(fù)雜性，應(yīng)把通信總線設(shè)計(jì)的盡量短，以增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖2 STM32F103C8T6外圍電路

使用GM1117-3.3模塊(圖3)實(shí)現(xiàn)3.3V的穩(wěn)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(diǎn)陣液晶屏，具有使用方便、顯示清晰的特點(diǎn)，因LCD僅用于顯示功能，只需單向數(shù)據(jù)傳輸，其電路設(shè)計(jì)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(shù)配置

庫侖計(jì)芯片估算電量時(shí)用到的參數(shù)包括實(shí)時(shí)測量值和鋰電池的特性參數(shù)。庫侖計(jì)芯片周期性檢測電池的電壓、電流和溫度，并把檢測結(jié)果保存到EEPROM寄存器中。為了提高電池估算的準(zhǔn)確度，需要對鋰電池特性參數(shù)進(jìn)行配置。庫侖計(jì)芯片根據(jù)所需參數(shù)進(jìn)行計(jì)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(jì)頂層算法框圖

老化容量參數(shù)存放電池額定容量，用來估算正常使用時(shí)電池容量減少的情況，主要由老化系數(shù)調(diào)整補(bǔ)償。老化系數(shù)是通過放電次數(shù)的老化估算和學(xué)習(xí)功能修改的，當(dāng)電池實(shí)際容量大于設(shè)置容量時(shí)，芯片會學(xué)習(xí)較大容量，修改老化系數(shù)。學(xué)習(xí)功能是將鋰電池從空電量充到滿電量，中間不能間斷，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期的學(xué)習(xí)，并按照學(xué)習(xí)到的電池容量調(diào)整老化系數(shù)，老化系數(shù)設(shè)定初值應(yīng)小于電池實(shí)際容量，本設(shè)計(jì)中設(shè)定老化系數(shù)為95%。充電電壓和最小充電電流參數(shù)用來檢測鋰電池的完全充滿狀態(tài)，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(shè)定值應(yīng)略小于滿電量時(shí)最大的4.20V，一般設(shè)定為4.18V；最小充電電流應(yīng)略大于充電周期結(jié)束時(shí)的充電電流，根據(jù)實(shí)際測試設(shè)定為60mA。空電壓、空電流用于檢測電池電量空時(shí)的放電門限，分別設(shè)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(jù)芯片推薦值設(shè)為0.312 5mA。

2.2建立電池容量與溫度關(guān)系

當(dāng)溫度升高時(shí)電池內(nèi)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(nèi)，電池容量隨溫度升高而上升[7]。在估算剩余電量時(shí)，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(guān)系，建立滿電量、空電量與溫度的關(guān)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(diǎn)，并以40℃時(shí)的電量為滿電量基準(zhǔn)，將不同溫度下的滿電量和空電量換算成相應(yīng)的百分比，結(jié)果見表1。計(jì)算出每兩個(gè)溫度點(diǎn)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(jù)當(dāng)前溫度所對應(yīng)的斜率求出當(dāng)前電池容量。

表1 電量與溫度關(guān)系

2.3庫侖計(jì)芯片通信協(xié)議

STM32F103C8T6訪問DS2784的流程是：1-Wire初始化，通信準(zhǔn)備就緒；網(wǎng)絡(luò)地址命令讀取，主機(jī)根據(jù)地址選擇要通信的芯片；功能命令設(shè)置，根據(jù)指令選擇數(shù)據(jù)讀取、寫入。

1-Wrie總線的基本時(shí)序操作是寫時(shí)序和讀數(shù)據(jù)[8]。每一次寫時(shí)序的間隔至少要60μs以上，并且每兩個(gè)獨(dú)立時(shí)序之間至少要有1μs的時(shí)間恢復(fù)。每次寫時(shí)序都需要主機(jī)先將總線拉低，寫1時(shí)低電平時(shí)間應(yīng)小于15μs，高電平至少45μs；寫0時(shí)低電平至少持續(xù)60μs。

主機(jī)發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，DS2784才向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。主機(jī)拉低總線15μs后立刻釋放總線，并延遲15μs后讀取總線狀態(tài)。DS2784發(fā)送0時(shí)，總線被拉低，發(fā)送1時(shí)總線為高電平。

2.4程序流程

DS2784以3.5s的間隔處理測量結(jié)果和電池特性參數(shù)，并把結(jié)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(jī)鋰電池進(jìn)行放電測試。采用筆者提出的方法觀察當(dāng)前電量，每當(dāng)電量變化5%時(shí)檢測一次工作電壓和所對應(yīng)的開路電壓，然后繪制出電壓與電量關(guān)系曲線，并與標(biāo)準(zhǔn)的開路電壓電量關(guān)系曲線作對比，如圖7所示，曲線A為鋰電池標(biāo)準(zhǔn)的開路電壓與電量關(guān)系，曲線B為筆者方法所測的開路電壓與電量關(guān)系，曲線C為工作電壓法所測的開路電壓與電量關(guān)系。

圖7 開路電壓與電量關(guān)系曲線

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

4 結(jié)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(jié)合鋰電池溫度與容量關(guān)系和電池特性，設(shè)計(jì)了一種基于庫侖計(jì)法的鋰電池電量檢測方法。該方法硬件設(shè)計(jì)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(zhǔn)確度較高。

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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(xiàng)目：國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2011YQ080052)；北京市農(nóng)林科學(xué)院青年科研基金資助項(xiàng)目(QNII201533)