基于安时积分法的安卓手机电池寿命监测系统设计

严毕鑫 李叶龙

摘要：以谷歌公司推出的Android集成工具Android Studio为软件开发平台，以安卓系统手机为监测对象，进行基于安时积分法的手机电池寿命检测系统设计。首选通过Android API获取实时电流、电流维持时间、电池电压、电池温度、电池额定容量等底层参数，之后以安时积分法为核心算法获取手机电池健康值（SOH），进而实现对安卓手机电池寿命监测与评估。在红米K20PRO（Android 10） 和 Essential Phone （Android 10）两台手机上进行测试。测试结果表明，依据本设计所开发的app可对安卓系统手机电池寿命进行有效监测。

关键词：Android;电池寿命;安时积分法;智能手机

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）31-0036-03

现今智能手机已是人们生活中不可或缺的设备。锂离子电池作为手机核心部件之一，普通用户无法实时了解其健康状况，并普遍将手机电池的不耐用等同于手机的不耐用。手机电池的老化是一个较为漫长且不可逆的衰减过程，在较短时间内这个过程直观上较难察觉。在手机的使用过程中提前获知电池信息和寿命周期，这对保障手机的正常使用和预防安全事故有着重要意义。

影响手机电池寿命的因素较多，如环境温度、放电深度、过充过放、电池内部通过持续电流过大等。如何获取手机寿命健康状态是一个较为复杂的过程，也是至今为止仍有待进一步研究的领域。本文主要基于安时积分法获取手机电池（锂电池）健康值，即首先通过安卓API接口获取实时电流、维持电流时间、电池电压及电池温度等底层参数，之后基于安时积分法估算出手机电池的健康值，进而实现对手机电池寿命的监测与评估。由此普通用户通过简单的App的安装与运行即能达到实时了解自己手机电池的使用寿命及健康状况的目的。

1 锂电池的工作原理及性能参数

1.1锂电池的工作原理

锂电池的种类较多，按锂离子形态可分为锂金属电池与锂离子电池。按电解液中电极材料的不同，可分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂和镍钴铝酸锂等。本文以磷酸铁锂电池（目前被广泛应用于电动车上）为例说明其内部结构及充放电原理。

如图1所示，锂电池主要由有正负极（正极材料为LiFePO4，负极材料为石墨，通常正极材料抹在铝箔上，负极材料涂抹在铜箔上），电解质和隔膜组成。电解质为转移锂离子的媒介，隔膜将正负极分开，只允许锂离子通过。锂电池工作时分为两种状态：充电状态与放电状态。

（1）充电过程

锂电池充电时，在外部的充电压作用下，锂离子从正极材料中被电离出来，并在电压差的作用下经过隔膜通道转移到负极，锂电池的负极通常采用石墨作为材料，转移到负极的锂离子会嵌入到碳的多微孔结构中，这一过程称为嵌入，相应的电子则从外部电路回到负极，碳内部被嵌入的锂离子数目越多，锂电池的充电电能容量越高。其充电的化学反应式如式（1）所。

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

式中：y为电离出的锂离子（电子）个数。

（2）放电过程

在电池放电过程中，锂离子则从嵌入的碳层微结构中脱离出来，这一过程称为脱嵌，进入到电解质中的锂离子经过隔膜通道向正极移动，相应的电子则从外部电路達到正极，电子的移动形成电流，并产生电动势，回到正极的锂离子数越多，锂电池的放电电能越高。其放电的化学反应式如式（2）所示。

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

因此，可以将锂电池的工作原理归纳为，正负极间的锂离子移动行为，形成锂离子的嵌入与脱嵌现象，并伴随电子的移动，形成电流进而实现充电与放电，即通过锂离子的嵌入与脱嵌行为实现电能与化学能的转换。

1.2锂电池的主要性能参数

锂电池的充放电性能与其电池本身的性能参数指标密不可分。其主要性能参数如下：

（1）电池容量

电池容量的定义：在工作状态下电池所能产生和容纳电量的多少。理论容量是指理论上电池完全充电状态下释放所有的容量，也是电池容量的理论极限值。额定容量是指电池在生产制造中，生产商在电池额定工作条件下设定的电池容量值。实际容量是指电池在实际的工作中，电池由完全充满的状态下所能释放的容量。

（2）电池电压

主要指电池接入外电路能够产生的电压。

（3）电池内阻

电池在工作时，电流通过电池内部时受到的阻力，会在一定程度上使电池的电压减小。

（4）电池荷电状态

电池荷电状态SOC（State of Charge），也叫剩余电量。表示电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余可放电电量与其完全充电状态的电量的比值。

（5）电池寿命

电池寿命指的是锂离子电池随着使用时间不断增加，工作效率在不断减少，经过多次充电环节后，电池剩余容量达到规定的失效阈值时，可以判定为电池失效。

2主要设备及软件

以谷歌公司推出的Android集成工具Android Studio为软件开发平台，进行软件开发。

本设计以安卓手机为监测对象，在红米K20PRO（安卓10平台）和Essential Phone （安卓10平台）两台手机上进行测试。

3 手机电池监测系统设计

3.1评估参数

研究表明，表征手机电池健康度的参数主要包括基础（底层）参数和主体参数（见表1）。基础参数主要为电池电压、电池温度、实时电流、电流持续时间、电池额定容量等。主体参数主要为电池荷电状态（SOC）和电池容量（SOH）。电池电压和电池温度主要判断手机是否处于一个正常的工作状态，实时电流和电流持续时间用来计算SOC和实际容量，额定容量用来与实际容量进行比较计算SOH。

本设计采用SOH、SOC、电池电压和电池温度四个参数来综合评估手机电池的状态。

3.2参数获取方法

（1）基本参数

上述基础参数主要通过访问Android.Manager类（API）进行获取。

（2）电池SOC

目前安时分法是最常用的SOC估计方法，如式（3）所示。

[SOC=SOC0-1CN0tηidt]                  （3）

式中：[SOC0]为充放电起始状值，Ah;CN电池额定容量，Ah;i为充放电时电流，A;η为充放电效率。

（3）电池SOH

SOH（State of Health）：蓄电池容量、健康度、性能状态，即电池满充容量相对额定容量的百分比，新出厂电池为100%，完全报废为0%。 由于锂电池的特性，在经过多次的充放电环节后，电池容量必然会一定程度的下降。根据电池的SOH，可以判断电池寿命周期处于哪个阶段，从而判断电池是否需要更换。正常的工作条件下SOH的表达式如式（4）所示。

[SOH=CMCN]                                     （4）

式中：CM为电池实际容量，Ah;CN为电池额定容量，Ah。

实际容量是指电池在实际的工作中，电池由完全充满的状态下所能释放的容量。其中实际容量计算为电流与时间的积分（即安时积分）如式（5）所示。

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

式中：CM为电池实际容量，Ah;i（t）为电池某一瞬时池放电电流，A;t1为电池放电至截止电压所需时，s。

3.3 电池健康值获取算法

SOH具体获取算法如图2所示，具体实现过程如下：

在手机电量为0%时开始计算毫安时，至电量为100%时结束运算，这个0%到100%的过程中，充入手机毫安时的值（实际毫安时变化量）就是这个手机当前的实际容量（估计容量），之后将这个实际容量除以额定容量，即可得到手机电池当前的健康值。一次的计算结果会存在一定的偶然性，为此算法中多次执行这个过程，最终健康值取多次计算的平均值。

在上述基础上进一步优化，即不需要每次从0%充到100%，而是只取一小段來进行计算，如例如只充到10%所需要的毫安时，那么这个10%就是这个电池当前实际容量的10%，即可计算出实际容量，即对这个过程进行多次计算取其平均值作为健康值。

上述针对充电过程的算法设计同样适用放电过程（手机使用时），但研究表明，手机处于充电的状态时，它的实际电流变化趋于稳定，这个时段的数据用于计算对于结果较为精确，而手机待机或使用中时，它的实际电流呈现离散化，数据的离散性会一定程度上影响计算结果。为此，推荐充电时进行手机电池健康情况监测。

3.4程序设计流程

采用JAVA语言进行程序设计，具体设计方法、工具及细节如图3所示。通过Android Studio 开发平台进行软件开发并调试，最终打包成安卓软件，软件名为Battery Guru。这个软件的主要功能是通过后台运行来实时监测手机电池寿命。软件运行状态如图4所示。

参考文献：

[1] 付媛.锂电池化成监控管理系统设计与配组算法研究[D].武汉：武汉理工大学，2017.

[2] 樊栋栋.锂离子电池的安全标准和评估方法[D].北京：清华大学，2013.

[3] 吴兰花.锂电池管理系统SOC状态估计的研究[D].福州：福州大学，2017.

[4] 惠惠.支持快充协议的充电接口芯片XD9523的研究与设计[D].西安：西安电子科技大学，2017.

[5] 邹峰.锂离子电池健康状态评估及剩余使用寿命预测技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2016.

【通联编辑：唐一东】

收稿日期：2021-06-25

基金项目：广东省教育厅特色创新项目（2020KTSCXO72）;烹饪科学四川省高等学校重点实验室开放项目（PRKX2020Z27）;川菜发展研究中心项目（CC19Z27）;岭南师范学院博士人才专项项目（ZL1910）;湛江市科技局非资助项目（2019B01154）

作者简介：严毕鑫（1997—），男，本科生，机械制造及其自动化专业;通信作者：李叶龙（1978—），男，博士，讲师，从事机电一体化技术研究。