基于库仑计法的锂电池电量检测

张永凯 赵建平 陶明超 王 成 王晓冬

(1.曲阜师范大学物理工程学院,山东 曲阜 273165；2.北京农业信息技术研究中心,北京 100097； 3.农业部农业信息技术重点实验室,北京 100097)

基于库仑计法的锂电池电量检测

张永凯1,2赵建平1陶明超1,2王 成2,3王晓冬2,3

(1.曲阜师范大学物理工程学院,山东 曲阜 273165；2.北京农业信息技术研究中心,北京 100097； 3.农业部农业信息技术重点实验室,北京 100097)

为了提高电池电量的估算精度，提出一种基于库仑计法的锂电池电量信息实时检测方法，给出锂电池电量检测的硬件组成与软件流程。对设计方案进行测试与对比，发现该方法实现了锂电池电量、电压和电流的指示，提高了电量估算精度。

电量检测 锂电池 库仑计法 估算精度

随着低压、低功耗集成电路的发展，对于电池容量和性能的要求越来越高。目前，锂电池具有能量密度大、使用寿命长、自放电少及污染小等优点，广泛应用于笔记本(PC机)、远程监控手机及数码相机等便携式电子产品中[1]。但锂电池也存在不足之处，如过压充电、欠压放电都会造成电池的永久损坏[2]。锂电池的电量检测与保护是保证电子设备可靠运行的重点，因此电池电量管理变得极为重要。

在电池电量检测方面，常用的预估方法是工作电压法和开路电压法。工作电压法通过实时测量电池工作电压来估算电池剩余电量的范围，但工作的电池容量会受到电池温度、放电率及自放电率等多种因素的影响[3]，所以，通过测量工作电压对电池容量进行准确估计是很困难的；开路电压法与剩余电量存在固定而准确的关系，但是准确的电压测量需要电池断开一个小时以上，使其内部处于稳定状态，而电池实际使用过程无法满足此需求[4]。为了提高电量估算精度，笔者采用库仑计法进行锂电池电量检测，并分别给出其硬件和软件部分。

1.1 库仑计法原理

库仑计法是通过计算流入、流出电池的电荷来估算电池电量的。该方法需要一个高精度、毫欧级、低温漂电阻作为电流传感器，串联在电池主通路上[5]，设定一个周期时间T，取某一时刻的电流作为这个周期T的平均电流，然后对其进行积分，计算此段时间流过电阻的电荷量，并对电荷量累加或累减，最后得到当前电池容量。

库仑计法能够比较容易地计算出剩余电量，但是电池不工作时存在自放电现象，且总电量会随着温度而改变，同时电池会发生老化。考虑到上述问题，为了达到满意的电池电量检测精度，需要选择合适的库仑计芯片和控制芯片对其进行管理。

1.2整体方案

本设计采用STM32F103C8T6芯片作为主控制器，选用库仑计芯片DS2784估算电池电量。整体方案由电量信息采集部分、主控芯片和电量显示3部分构成，STM32F103C8T6读取库仑计芯片DS2784采集的电量信息(即电流传感器计算的流入、流出电量)，然后在LCD上显示。

1.3库仑计芯片与检测电路

库仑计芯片DS2784是一款精密的电压、温度、电流测量芯片，芯片内置温度传感器，能够根据库仑计原理、放电速率、温度和电池特性综合估算锂电池剩余容量。该芯片具有学习功能，能够按照学习的最大容量自动调整锂电池容量，改变电池老化系数。通过相关寄存器的配置可实现电池自放电电流的估算和锂电池保护。

锂电池通过压降模块HT7533实现3.3V稳压输出，给库仑计芯片提供稳定的工作电压。VIN引脚用于电池电压检测，通过此管脚可实时检测电池当前电压。SNS引脚是检测电阻连接端，与电池地VSS通过一个电阻串联，用于电流检测，由于检测电阻阻值太大会增加功耗，影响测量准确度，所以选用一个10mΩ的检测电阻。DQ引脚是芯片的数据通信端，负责与微控制器通信，是漏极开路，为了驱动高电平输出，必须加上拉电阻。PLS管脚用于检测电池是否短路、充放电过流。总体检测电路如图1所示。

图1 检测电路

1.4控制电路与显示电路

STM32F103C8T6工作频率高达72MHz，64K的FLASH和20K的SRAM，具有体积小、功耗低、接口丰富及功能强大等优点。STM32F103C8T6外围电路如图2所示，PB0～PB2引脚外接LCD控制端，PB3～PB10是LCD的数据总线。库仑计芯片DS2784采用1-Wire通信方式，1-Wire总线采用单根信号线，既传输时钟又传输数据，且数据传输是双向的[6]，因此将STM32F103C8T6的PB11引脚接库仑计芯片的DQ引脚，1-Wire协议需要严格的时序，考虑到使用环境的复杂性，应把通信总线设计的尽量短，以增强系统的稳定性。

图2 STM32F103C8T6外围电路

使用GM1117-3.3模块(图3)实现3.3V的稳压输出，用于给STM32F103C8T6和LCD供电。

图3 GM1117-3.3模块

LCD选用128×128的点阵液晶屏，具有使用方便、显示清晰的特点，因LCD仅用于显示功能，只需单向数据传输，其电路设计如图4所示。

图4 LCD显示电路

2 软件部分

2.1锂电池特性参数配置

库仑计芯片估算电量时用到的参数包括实时测量值和锂电池的特性参数。库仑计芯片周期性检测电池的电压、电流和温度，并把检测结果保存到EEPROM寄存器中。为了提高电池估算的准确度，需要对锂电池特性参数进行配置。库仑计芯片根据所需参数进行计算，最后把电量信息存储在寄存器中，如图5所示。

图5 库仑计顶层算法框图

老化容量参数存放电池额定容量，用来估算正常使用时电池容量减少的情况，主要由老化系数调整补偿。老化系数是通过放电次数的老化估算和学习功能修改的，当电池实际容量大于设置容量时，芯片会学习较大容量，修改老化系数。学习功能是将锂电池从空电量充到满电量，中间不能间断，可实现一个周期的学习，并按照学习到的电池容量调整老化系数，老化系数设定初值应小于电池实际容量，本设计中设定老化系数为95%。充电电压和最小充电电流参数用来检测锂电池的完全充满状态，以防止电池过冲电；为了保证可靠的充电终止检测，充电电压设定值应略小于满电量时最大的4.20V，一般设定为4.18V；最小充电电流应略大于充电周期结束时的充电电流，根据实际测试设定为60mA。空电压、空电流用于检测电池电量空时的放电门限，分别设为3.3V、240mA。由于电池存在自放电，所以需要配置偏置电流，用于估算不流过检测电阻的电流，根据芯片推荐值设为0.312 5mA。

2.2建立电池容量与温度关系

当温度升高时电池内阻较小，放电过程中其端电压比低温下的端电压更高，因此在一定温度范围内，电池容量随温度升高而上升[7]。在估算剩余电量时，为了提高估算精度，需考虑锂电池在不同温度下的特性。

笔者参考DS2784芯片手册所提供的电池容量与温度的比例关系，建立满电量、空电量与温度的关系表，用于估算不同温度下的满电量和空电量。在 0～40℃之间每隔10℃建立满电量与空电量点，并以40℃时的电量为满电量基准，将不同温度下的满电量和空电量换算成相应的百分比，结果见表1。计算出每两个温度点之间电量的斜率，并把该斜率存储到芯片的EEPROM中，芯片便会根据当前温度所对应的斜率求出当前电池容量。

表1 电量与温度关系

2.3库仑计芯片通信协议

STM32F103C8T6访问DS2784的流程是：1-Wire初始化，通信准备就绪；网络地址命令读取，主机根据地址选择要通信的芯片；功能命令设置，根据指令选择数据读取、写入。

1-Wrie总线的基本时序操作是写时序和读数据[8]。每一次写时序的间隔至少要60μs以上，并且每两个独立时序之间至少要有1μs的时间恢复。每次写时序都需要主机先将总线拉低，写1时低电平时间应小于15μs，高电平至少45μs；写0时低电平至少持续60μs。

主机发出读数据命令后，DS2784才向主机发送数据。主机拉低总线15μs后立刻释放总线，并延迟15μs后读取总线状态。DS2784发送0时，总线被拉低，发送1时总线为高电平。

2.4程序流程

DS2784以3.5s的间隔处理测量结果和电池特性参数，并把结果存储在剩余相对有效电量寄存器中，通过直接读取寄存器得到电池电量。具体流程如图6所示。

图6 程序流程

3 电量检测

选用一块3.7V、容量为850mAh的手机锂电池进行放电测试。采用笔者提出的方法观察当前电量，每当电量变化5%时检测一次工作电压和所对应的开路电压，然后绘制出电压与电量关系曲线，并与标准的开路电压电量关系曲线作对比，如图7所示，曲线A为锂电池标准的开路电压与电量关系，曲线B为笔者方法所测的开路电压与电量关系，曲线C为工作电压法所测的开路电压与电量关系。

图7 开路电压与电量关系曲线

与曲线C相比，曲线B更加接近锂电池标准的开路电压电量关系(曲线A)，说明利用笔者提出的方法进行电量检测，其准确度得到了提高。

4 结束语

笔者考虑到温度、老化容量及自放电率等因素对锂电池电量的影响，并结合锂电池温度与容量关系和电池特性，设计了一种基于库仑计法的锂电池电量检测方法。该方法硬件设计简单、功耗低。与工作电压法相比，笔者所提方法的电量检测准确度较高。

[1] 范腾飞,陈奕梅.基于2～4串锂电池组的库仑计法电量计设计[J].电子科技,2013,26(2):7～10.

[2] 刘霞,邹彦艳,金梅,等.锂电池电量的动态预测[J].大庆石油学院学报,2004,28(2):81～83.

[3] 陈方国,赵志伟.高精度估算SOC的锂电池管理系统研制[J].科技风,2012,(17):43～44.

[4] 杜涛,李爱魁,马军,等.动力电池SOC预估方法研究进展[J].电源技术,2015,39(4):844～845.

[5] 周华,王毅鹏.锂离子电池剩余电量检测方法[J].产业与科技论坛,2012,11(23):63.

[6] 朱萍,付江明.结合电量计的1-Wire总线的应用[J].科技信息,2009,(19):70～71.

[7] 李哲.纯电动汽车磷酸铁锂电池性能研究[D].北京:清华大学,2011.

[8] 李冰,郝培,邵立平.基于1-wire总线的多主从嵌入处理器通信[J].仪表技术,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基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项基金资助项目(2011YQ080052)；北京市农林科学院青年科研基金资助项目(QNII201533)