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(tái)，以安卓系統(tǒng)手機(jī)為監(jiān)測對(duì)象，進(jìn)行基于安時(shí)積分法的手機(jī)電池壽命檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首選通過Android API獲取實(shí)時(shí)電流、電流維持時(shí)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(shí)積分法為核心算法獲取手機(jī)電池健康值（SOH），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)安卓手機(jī)電池壽命監(jiān)測與評(píng)估。在紅米K20PRO（Android 10） 和 Essential Phone （Android 10）兩臺(tái)手機(jī)上進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明，依據(jù)本設(shè)計(jì)所開發(fā)的app可對(duì)安卓系統(tǒng)手機(jī)電池壽命進(jìn)行有效監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：Android;電池壽命;安時(shí)積分法;智能手機(jī)

中圖分類號(hào)：TP311 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）31-0036-03

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

影響手機(jī)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(jī)壽命健康狀態(tài)是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，也是至今為止仍有待進(jìn)一步研究的領(lǐng)域。本文主要基于安時(shí)積分法獲取手機(jī)電池（鋰電池）健康值，即首先通過安卓API接口獲取實(shí)時(shí)電流、維持電流時(shí)間、電池電壓及電池溫度等底層參數(shù)，之后基于安時(shí)積分法估算出手機(jī)電池的健康值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)電池壽命的監(jiān)測與評(píng)估。由此普通用戶通過簡單的App的安裝與運(yùn)行即能達(dá)到實(shí)時(shí)了解自己手機(jī)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(dòng)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(fù)極（正極材料為LiFePO4，負(fù)極材料為石墨，通常正極材料抹在鋁箔上，負(fù)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(fù)極分開，只允許鋰離子通過。鋰電池工作時(shí)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(shí)，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(fù)極，鋰電池的負(fù)極通常采用石墨作為材料，轉(zhuǎn)移到負(fù)極的鋰離子會(huì)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(fù)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(gè)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(jìn)入到電解質(zhì)中的鋰離子經(jīng)過隔膜通道向正極移動(dòng)，相應(yīng)的電子則從外部電路達(dá)到正極，電子的移動(dòng)形成電流，并產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，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(fù)極間的鋰離子移動(dòng)行為，形成鋰離子的嵌入與脫嵌現(xiàn)象，并伴隨電子的移動(dòng)，形成電流進(jìn)而實(shí)現(xiàn)充電與放電，即通過鋰離子的嵌入與脫嵌行為實(shí)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(shí)際容量是指電池在實(shí)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(shí)，電流通過電池內(nèi)部時(shí)受到的阻力，會(huì)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(shí)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(shí)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(dá)到規(guī)定的失效閾值時(shí)，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(tái)，進(jìn)行軟件開發(fā)。

本設(shè)計(jì)以安卓手機(jī)為監(jiān)測對(duì)象，在紅米K20PRO（安卓10平臺(tái)）和Essential Phone （安卓10平臺(tái)）兩臺(tái)手機(jī)上進(jìn)行測試。

3 手機(jī)電池監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1評(píng)估參數(shù)

研究表明，表征手機(jī)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）?；A(chǔ)參數(shù)主要為電池電壓、電池溫度、實(shí)時(shí)電流、電流持續(xù)時(shí)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(jī)是否處于一個(gè)正常的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)電流和電流持續(xù)時(shí)間用來計(jì)算SOC和實(shí)際容量，額定容量用來與實(shí)際容量進(jìn)行比較計(jì)算SOH。

本設(shè)計(jì)采用SOH、SOC、電池電壓和電池溫度四個(gè)參數(shù)來綜合評(píng)估手機(jī)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(jìn)行獲取。

（2）電池SOC

目前安時(shí)分法是最常用的SOC估計(jì)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(shí)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(duì)額定容量的百分比，新出廠電池為100%，完全報(bào)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(huì)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(gè)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(dá)式如式（4）所示。

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

式中：CM為電池實(shí)際容量，Ah;CN為電池額定容量，Ah。

實(shí)際容量是指電池在實(shí)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(shí)際容量計(jì)算為電流與時(shí)間的積分（即安時(shí)積分）如式（5）所示。

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

式中：CM為電池實(shí)際容量，Ah;i（t）為電池某一瞬時(shí)池放電電流，A;t1為電池放電至截止電壓所需時(shí)，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(shí)現(xiàn)過程如下：

在手機(jī)電量為0%時(shí)開始計(jì)算毫安時(shí)，至電量為100%時(shí)結(jié)束運(yùn)算，這個(gè)0%到100%的過程中，充入手機(jī)毫安時(shí)的值（實(shí)際毫安時(shí)變化量）就是這個(gè)手機(jī)當(dāng)前的實(shí)際容量（估計(jì)容量），之后將這個(gè)實(shí)際容量除以額定容量，即可得到手機(jī)電池當(dāng)前的健康值。一次的計(jì)算結(jié)果會(huì)存在一定的偶然性，為此算法中多次執(zhí)行這個(gè)過程，最終健康值取多次計(jì)算的平均值。

在上述基礎(chǔ)上進(jìn)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(jìn)行計(jì)算，如例如只充到10%所需要的毫安時(shí)，那么這個(gè)10%就是這個(gè)電池當(dāng)前實(shí)際容量的10%，即可計(jì)算出實(shí)際容量，即對(duì)這個(gè)過程進(jìn)行多次計(jì)算取其平均值作為健康值。

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

3.4程序設(shè)計(jì)流程

采用JAVA語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)方法、工具及細(xì)節(jié)如圖3所示。通過Android Studio 開發(fā)平臺(tái)進(jìn)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(gè)軟件的主要功能是通過后臺(tái)運(yùn)行來實(shí)時(shí)監(jiān)測手機(jī)電池壽命。軟件運(yùn)行狀態(tài)如圖4所示。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】

收稿日期：2021-06-25

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

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