基于安時積分法的安卓手機電池壽命監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

嚴(yán)畢鑫 李葉龍

摘要：以谷歌公司推出的Android集成工具Android Studio為軟件開發(fā)平臺，以安卓系統(tǒng)手機為監(jiān)測對象，進行基于安時積分法的手機電池壽命檢測系統(tǒng)設(shè)計。首選通過Android API獲取實時電流、電流維持時間、電池電壓、電池溫度、電池額定容量等底層參數(shù)，之后以安時積分法為核心算法獲取手機電池健康值（SOH），進而實現(xiàn)對安卓手機電池壽命監(jiān)測與評估。在紅米K20PRO（Android 10） 和 Essential Phone （Android 10）兩臺手機上進行測試。測試結(jié)果表明，依據(jù)本設(shè)計所開發(fā)的app可對安卓系統(tǒng)手機電池壽命進行有效監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：Android;電池壽命;安時積分法;智能手機

中圖分類號：TP311 ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）31-0036-03

現(xiàn)今智能手機已是人們生活中不可或缺的設(shè)備。鋰離子電池作為手機核心部件之一，普通用戶無法實時了解其健康狀況，并普遍將手機電池的不耐用等同于手機的不耐用。手機電池的老化是一個較為漫長且不可逆的衰減過程，在較短時間內(nèi)這個過程直觀上較難察覺。在手機的使用過程中提前獲知電池信息和壽命周期，這對保障手機的正常使用和預(yù)防安全事故有著重要意義。

影響手機電池壽命的因素較多，如環(huán)境溫度、放電深度、過充過放、電池內(nèi)部通過持續(xù)電流過大等。如何獲取手機壽命健康狀態(tài)是一個較為復(fù)雜的過程，也是至今為止仍有待進一步研究的領(lǐng)域。本文主要基于安時積分法獲取手機電池（鋰電池）健康值，即首先通過安卓API接口獲取實時電流、維持電流時間、電池電壓及電池溫度等底層參數(shù)，之后基于安時積分法估算出手機電池的健康值，進而實現(xiàn)對手機電池壽命的監(jiān)測與評估。由此普通用戶通過簡單的App的安裝與運行即能達到實時了解自己手機電池的使用壽命及健康狀況的目的。

1 鋰電池的工作原理及性能參數(shù)

1.1鋰電池的工作原理

鋰電池的種類較多，按鋰離子形態(tài)可分為鋰金屬電池與鋰離子電池。按電解液中電極材料的不同，可分為鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳酸鋰和鎳鈷鋁酸鋰等。本文以磷酸鐵鋰電池（目前被廣泛應(yīng)用于電動車上）為例說明其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及充放電原理。

如圖1所示，鋰電池主要由有正負極（正極材料為LiFePO4，負極材料為石墨，通常正極材料抹在鋁箔上，負極材料涂抹在銅箔上），電解質(zhì)和隔膜組成。電解質(zhì)為轉(zhuǎn)移鋰離子的媒介，隔膜將正負極分開，只允許鋰離子通過。鋰電池工作時分為兩種狀態(tài)：充電狀態(tài)與放電狀態(tài)。

（1）充電過程

鋰電池充電時，在外部的充電壓作用下，鋰離子從正極材料中被電離出來，并在電壓差的作用下經(jīng)過隔膜通道轉(zhuǎn)移到負極，鋰電池的負極通常采用石墨作為材料，轉(zhuǎn)移到負極的鋰離子會嵌入到碳的多微孔結(jié)構(gòu)中，這一過程稱為嵌入，相應(yīng)的電子則從外部電路回到負極，碳內(nèi)部被嵌入的鋰離子數(shù)目越多，鋰電池的充電電能容量越高。其充電的化學(xué)反應(yīng)式如式（1）所。

[LiFePO4-yLi+-ye-→（1-y）LiFePO4+yFePO4] ? ? ?（1）

式中：y為電離出的鋰離子（電子）個數(shù)。

（2）放電過程

在電池放電過程中，鋰離子則從嵌入的碳層微結(jié)構(gòu)中脫離出來，這一過程稱為脫嵌，進入到電解質(zhì)中的鋰離子經(jīng)過隔膜通道向正極移動，相應(yīng)的電子則從外部電路達到正極，電子的移動形成電流，并產(chǎn)生電動勢，回到正極的鋰離子數(shù)越多，鋰電池的放電電能越高。其放電的化學(xué)反應(yīng)式如式（2）所示。

[（1-y）LiFePO4+yFePO4+yLi++ye-→LiFePO4] ? ? （2）

因此，可以將鋰電池的工作原理歸納為，正負極間的鋰離子移動行為，形成鋰離子的嵌入與脫嵌現(xiàn)象，并伴隨電子的移動，形成電流進而實現(xiàn)充電與放電，即通過鋰離子的嵌入與脫嵌行為實現(xiàn)電能與化學(xué)能的轉(zhuǎn)換。

1.2鋰電池的主要性能參數(shù)

鋰電池的充放電性能與其電池本身的性能參數(shù)指標(biāo)密不可分。其主要性能參數(shù)如下：

（1）電池容量

電池容量的定義：在工作狀態(tài)下電池所能產(chǎn)生和容納電量的多少。理論容量是指理論上電池完全充電狀態(tài)下釋放所有的容量，也是電池容量的理論極限值。額定容量是指電池在生產(chǎn)制造中，生產(chǎn)商在電池額定工作條件下設(shè)定的電池容量值。實際容量是指電池在實際的工作中，電池由完全充滿的狀態(tài)下所能釋放的容量。

（2）電池電壓

主要指電池接入外電路能夠產(chǎn)生的電壓。

（3）電池內(nèi)阻

電池在工作時，電流通過電池內(nèi)部時受到的阻力，會在一定程度上使電池的電壓減小。

（4）電池荷電狀態(tài)

電池荷電狀態(tài)SOC（State of Charge），也叫剩余電量。表示電池使用一段時間或長期擱置不用后的剩余可放電電量與其完全充電狀態(tài)的電量的比值。

（5）電池壽命

電池壽命指的是鋰離子電池隨著使用時間不斷增加，工作效率在不斷減少，經(jīng)過多次充電環(huán)節(jié)后，電池剩余容量達到規(guī)定的失效閾值時，可以判定為電池失效。

2主要設(shè)備及軟件

以谷歌公司推出的Android集成工具Android Studio為軟件開發(fā)平臺，進行軟件開發(fā)。

本設(shè)計以安卓手機為監(jiān)測對象，在紅米K20PRO（安卓10平臺）和Essential Phone （安卓10平臺）兩臺手機上進行測試。

3 手機電池監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

3.1評估參數(shù)

研究表明，表征手機電池健康度的參數(shù)主要包括基礎(chǔ)（底層）參數(shù)和主體參數(shù)（見表1）。基礎(chǔ)參數(shù)主要為電池電壓、電池溫度、實時電流、電流持續(xù)時間、電池額定容量等。主體參數(shù)主要為電池荷電狀態(tài)（SOC）和電池容量（SOH）。電池電壓和電池溫度主要判斷手機是否處于一個正常的工作狀態(tài)，實時電流和電流持續(xù)時間用來計算SOC和實際容量，額定容量用來與實際容量進行比較計算SOH。

本設(shè)計采用SOH、SOC、電池電壓和電池溫度四個參數(shù)來綜合評估手機電池的狀態(tài)。

3.2參數(shù)獲取方法

（1）基本參數(shù)

上述基礎(chǔ)參數(shù)主要通過訪問Android.Manager類（API）進行獲取。

（2）電池SOC

目前安時分法是最常用的SOC估計方法，如式（3）所示。

[SOC=SOC0-1CN0tηidt] ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：[SOC0]為充放電起始狀值，Ah;CN電池額定容量，Ah;i為充放電時電流，A;η為充放電效率。

（3）電池SOH

SOH（State of Health）：蓄電池容量、健康度、性能狀態(tài)，即電池滿充容量相對額定容量的百分比，新出廠電池為100%，完全報廢為0%。 由于鋰電池的特性，在經(jīng)過多次的充放電環(huán)節(jié)后，電池容量必然會一定程度的下降。根據(jù)電池的SOH，可以判斷電池壽命周期處于哪個階段，從而判斷電池是否需要更換。正常的工作條件下SOH的表達式如式（4）所示。

[SOH=CMCN] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：CM為電池實際容量，Ah;CN為電池額定容量，Ah。

實際容量是指電池在實際的工作中，電池由完全充滿的狀態(tài)下所能釋放的容量。其中實際容量計算為電流與時間的積分（即安時積分）如式（5）所示。

[CM=0t1i（t）dt] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

式中：CM為電池實際容量，Ah;i（t）為電池某一瞬時池放電電流，A;t1為電池放電至截止電壓所需時，s。

3.3 電池健康值獲取算法

SOH具體獲取算法如圖2所示，具體實現(xiàn)過程如下：

在手機電量為0%時開始計算毫安時，至電量為100%時結(jié)束運算，這個0%到100%的過程中，充入手機毫安時的值（實際毫安時變化量）就是這個手機當(dāng)前的實際容量（估計容量），之后將這個實際容量除以額定容量，即可得到手機電池當(dāng)前的健康值。一次的計算結(jié)果會存在一定的偶然性，為此算法中多次執(zhí)行這個過程，最終健康值取多次計算的平均值。

在上述基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化，即不需要每次從0%充到100%，而是只取一小段來進行計算，如例如只充到10%所需要的毫安時，那么這個10%就是這個電池當(dāng)前實際容量的10%，即可計算出實際容量，即對這個過程進行多次計算取其平均值作為健康值。

上述針對充電過程的算法設(shè)計同樣適用放電過程（手機使用時），但研究表明，手機處于充電的狀態(tài)時，它的實際電流變化趨于穩(wěn)定，這個時段的數(shù)據(jù)用于計算對于結(jié)果較為精確，而手機待機或使用中時，它的實際電流呈現(xiàn)離散化，數(shù)據(jù)的離散性會一定程度上影響計算結(jié)果。為此，推薦充電時進行手機電池健康情況監(jiān)測。

3.4程序設(shè)計流程

采用JAVA語言進行程序設(shè)計，具體設(shè)計方法、工具及細節(jié)如圖3所示。通過Android Studio 開發(fā)平臺進行軟件開發(fā)并調(diào)試，最終打包成安卓軟件，軟件名為Battery Guru。這個軟件的主要功能是通過后臺運行來實時監(jiān)測手機電池壽命。軟件運行狀態(tài)如圖4所示。

參考文獻：

[1] 付媛.鋰電池化成監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計與配組算法研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2017.

[2] 樊棟棟.鋰離子電池的安全標(biāo)準(zhǔn)和評估方法[D].北京：清華大學(xué)，2013.

[3] 吳蘭花.鋰電池管理系統(tǒng)SOC狀態(tài)估計的研究[D].福州：福州大學(xué)，2017.

[4] 惠惠.支持快充協(xié)議的充電接口芯片XD9523的研究與設(shè)計[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2017.

[5] 鄒峰.鋰離子電池健康狀態(tài)評估及剩余使用壽命預(yù)測技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2016.

【通聯(lián)編輯：唐一東】

收稿日期：2021-06-25

基金項目：廣東省教育廳特色創(chuàng)新項目（2020KTSCXO72）;烹飪科學(xué)四川省高等學(xué)校重點實驗室開放項目（PRKX2020Z27）;川菜發(fā)展研究中心項目（CC19Z27）;嶺南師范學(xué)院博士人才專項項目（ZL1910）;湛江市科技局非資助項目（2019B01154）

作者簡介：嚴(yán)畢鑫（1997—），男，本科生，機械制造及其自動化專業(yè);通信作者：李葉龍（1978—），男，博士，講師，從事機電一體化技術(shù)研究。