摘 要：鋰電池荷電狀態(tài)（SOC）是反映鋰電池狀態(tài)的直觀參數(shù)，同時鋰電池健康狀態(tài)（SOH）是評定鋰電池性能的重要指標，因此對電動汽車鋰電池的SOC和SOH的估算尤為重要。設(shè)計了一款低成本、低功耗的鋰電池SOC和SOH聯(lián)合在線監(jiān)測器。以成本低且功耗低的STC89C52系列單片機作為主控制器，通過ACS712模塊對單節(jié)鋰電池進行電流在線監(jiān)測，同時采用分壓法采集其電壓；運用開路法和內(nèi)阻法分別對鋰電池SOC和SOH進行在線估算，并將鋰電池參數(shù)進行OLED線下顯示；結(jié)合ESP8266 WiFi無線通信模塊，將鋰電池主要參數(shù)信息遠程傳輸?shù)绞謾CAPP進行便攜式監(jiān)測。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，體積小，成本低，運用間歇式的數(shù)據(jù)采集與顯示，降低了系統(tǒng)功耗，且手機APP的遠程顯示使得該系統(tǒng)監(jiān)測變得非常方便，為鋰電池的應(yīng)用和推廣提供了一定的技術(shù)參考價值。

關(guān)鍵詞：鋰電池；SOC；SOH；ESP8266 WiFi；手機APP；聯(lián)合在線監(jiān)測

中圖分類號：TP368.1；TM912 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）04-00-04

0 引 言

隨著時代的高速發(fā)展，人類的生活質(zhì)量不斷提高，但環(huán)境污染問題日益嚴重。在汽車領(lǐng)域，傳統(tǒng)動力汽車銷量迅速提高，使得環(huán)境污染問題愈演愈烈，因此以電池作為動力源的電動汽車逐漸成為社會研究的新熱點。在電動汽車鋰電池的使用過程中，鋰電池SOC（State of Charge）是反映鋰電池狀態(tài)的直觀參數(shù)。充放電倍率、溫度、自放電及極板活性物質(zhì)老化等因素會影響電池的剩余電量，并且SOC與某些參量之間呈非線性關(guān)系，因此很難測得準確的剩余電量值[1-2]。

同時鋰電池SOH（State of Health）是評定鋰電池性能的重要指標，因此精確預(yù)測鋰電池SOH對電池的合理利用具有重要的指導(dǎo)意義，其中對鋰電池SOH的預(yù)測包括基于經(jīng)驗和基于性能的方法[3-4]。由此可知，對于電動汽車鋰電池的SOC和SOH的估算尤為重要，使得電動汽車能更有效地實時預(yù)測電池循環(huán)壽命和實時SOC。本設(shè)計以單片機為主控芯片，通過對鋰電池電流、電壓等數(shù)據(jù)的信息采集，結(jié)合C語言程序設(shè)計，對鋰電池所測數(shù)據(jù)進行分析與處理，從而完成對鋰電池SOC和SOH的估算及電池相關(guān)參數(shù)的直觀顯示。

1 系統(tǒng)總體方案

由于鋰電池的SOC和SOH并不能直接進行測量，所以本設(shè)計主要通過對單節(jié)鋰電池的實時電壓和電流等相關(guān)參數(shù)進行監(jiān)測，動態(tài)估算鋰電池的SOC和SOH。本設(shè)計使用單片機作為主控芯片，使用電流傳感器實現(xiàn)電流數(shù)據(jù)的采集，使用A/D芯片完成A/D轉(zhuǎn)換，再結(jié)合其他相關(guān)參數(shù)，使用Keil μVision5軟件，利用C語言編程，完成對鋰電池的SOC和SOH估計。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）主控制器。美國Microchip公司設(shè)計出品的PIC單片機，雖然可實現(xiàn)單周期指令，運行速度較快，但該系列單片機的特殊功能寄存器分散在不同的4個地址空間，導(dǎo)致編程較麻煩[5]，故采用低功耗、低成本、CMOS工藝制造的STC89C52系列單片機。該控制器具有8 KB系統(tǒng)可編程的FLASH存儲器，片內(nèi)集成度高，引腳功能復(fù)用較多，控制功能強[6]。

（2）電壓/電流監(jiān)測模塊。選用ACS712電流傳感器，其芯片基于霍爾效應(yīng)，由一個精確的低偏置線性霍爾傳感器電路和靠近芯片表面的銅箔組成?；魻栐鶕?jù)電流流過銅箔時產(chǎn)生的磁場感應(yīng)出線性的電壓信號[7]。電流傳感器的應(yīng)用為工業(yè)領(lǐng)域、商業(yè)領(lǐng)域和通信系統(tǒng)中的交流或直流電流傳感提供了經(jīng)濟的解決方案。此外，該器件為單電源+5 V供電，具備66～185 mV/A的輸出靈敏度，其輸出電壓與交流或直流電流相關(guān)，具有極穩(wěn)定的輸出偏置電壓[8]。將感應(yīng)出的線性電壓信號進行優(yōu)化便可輸出相應(yīng)的模擬信號，從而實現(xiàn)本設(shè)計的電壓/電流采集功能。

（3）無線收發(fā)模塊。ESP8266 WiFi模塊為一款由上海樂鑫信息科技出品的可以作為微控制器使用的成本極低且具有完整傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的控制芯片[9]。此芯片可支持3種工作模式，其中Station+AP模式可實現(xiàn)熱點和終端的自由切換，操作簡單便捷。

（4）顯示模塊。本設(shè)計所選用的是0.96英寸的4引腳I2C串行傳輸藍色有機發(fā)光二極管（OLED）顯示屏，其分辨率為128×64。OLED具備發(fā)光條件，不同于LCD12864需要背光源，因此降低了系統(tǒng)功耗。

2 主要硬件電路設(shè)計

2.1 電壓/電流采集電路

本文設(shè)計的電壓/電流采集電路如圖2所示。電壓采集使用串聯(lián)分壓電路。串聯(lián)電路中R2、R3電阻兩端的電壓相等且均小于電源電壓，同時R2、R3電阻分壓之和等于總電壓，這樣采集的信號處于所選用A/D芯片的采集電壓范圍，從而完成對模擬信號的采集。再由主控STC89C52單片機完成精度轉(zhuǎn)換。電流采集使用ACS712電流傳感器。當“FZ”端口加入負載后，與“DC”端口的鋰電池形成回路，正極接入“IP+”，負極接入“IP-”，從而完成電流信號的采集。之后將采集的電流信號由OUT引腳傳送給A/D模塊，完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。最后由主控單片機STC89C52完成精度計算。

2.2 A/D采樣電路

本設(shè)計所選用的是PCF8591 A/D轉(zhuǎn)換芯片。該芯片具有8位A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，1路D/A模擬輸出。A/D采樣電路如圖3所示，其中“V_BAT”為輸入的電壓模擬信號，接至PCF8591的AIN0引腳，“A_BAT”為電流傳感器輸出的電流模擬信號，接至PCF8591的AIN1A引腳。2路模擬信號的輸入共同構(gòu)成本設(shè)計模擬信號的采集電路。串行數(shù)據(jù)線（SDA）引腳連接至單片機P2.0引腳，串行時鐘線（SCL）引腳連接至單片機P2.1引腳與單片機構(gòu)建I2C總線通信電路。當模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后由I2C總線發(fā)送數(shù)據(jù)，從而完成轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送。

2.3 顯示模塊電路

OLED I2C顯示電路中，SDA引腳直接接至單片機的P1.1 I/O口，SCL引腳直接接至單片機的P1.2 I/O口，VCC引腳接電源模塊，GND引腳接地。顯示模塊的硬件電路簡單，通過軟件程序來模擬I2C總線，從而實現(xiàn)和單片機的信息通信。其中，I2C為串行傳輸總線。作為一種半雙工的同步串行通信總線，其由主器件啟動，產(chǎn)生時鐘信號，具有接線少、控制方式簡單、器件封裝體積小、通信速率較高等優(yōu)點[10]。

3 軟件設(shè)計

本設(shè)計在單片機采集當前電流和電壓的信號數(shù)值后便以此為基本依據(jù)展開對鋰電池SOC與SOH的一系列估算。其中SOC的估算采用電壓與鋰電池SOC的對應(yīng)關(guān)系，在3.4～4.15 V最佳區(qū)間進行擬合。當鋰電池電壓小于3.4 V時視容量為0，當鋰電池電壓值大于4.15 V時默認為滿容量狀態(tài)。而SOH則通過其與內(nèi)阻值之間的估算公式進行估算，但當內(nèi)阻值大于1 Ω時默認電池SOH為0。系統(tǒng)總體流程如圖4所示。

3.1 SOC估算

鋰電池SOC估算方法有安時法、開路電壓法及基于電路模型的卡爾曼濾波算法等?？紤]到系統(tǒng)的實用性，且鋰電池SOC與開路電壓之間呈線性關(guān)系，本設(shè)計采用開路法估算SOC。

為了研究鋰離子動力電池的OCV特性，需要測試電池在不同SOC時的OCV。本設(shè)計對電池進行放電測試，將放電電流大小設(shè)置為1 A。電池從滿電狀態(tài)開始放電，每放電

0.1 SOC便停止放電并將電池靜置1 h，而電池充分靜置后的電壓即為電池在當前SOC下的OCV。重復(fù)之前的步驟直至電池的SOC降為0時結(jié)束實驗，每放電0.1 SOC便測量并記錄電池的OCV。此恒流放電實驗涵蓋了鋰電池整體SOC的變化過程。利用實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)擬合可以得到電池OCV隨SOC的變化曲線，如圖5所示。結(jié)合鋰電池放電特性，本次實驗的電壓范圍為3.4～4.15 V，進行近似擬合后，完成本設(shè)計對18650鋰電池SOC的估算。

3.2 SOH估算

對18650鋰電池SOH的估計采用壓降法，即先估算鋰電池的內(nèi)阻，進而再借助內(nèi)阻對鋰電池SOH進行計算，從而獲得鋰電池的SOH估計值。本設(shè)計選用全新的18650鋰電池。經(jīng)過測量，其內(nèi)阻約為0.3 Ω，通常情況下，當18650鋰電池的內(nèi)阻大于1 Ω后鋰電池的SOH可視為0。鋰電池SOH的計算見式（1）：

（1）

式中：RE為18650鋰電池SOH為0時的內(nèi)阻值；R為所測鋰電池當前的內(nèi)阻值；RN為全新出廠狀態(tài)下18650鋰電池的內(nèi)阻值。通常情況下，18650鋰電池的內(nèi)阻值非常小，但由于在本設(shè)計環(huán)境下，存在如電池盒金屬觸片的阻值、整體PCB焊接電路的阻值、功率電阻發(fā)熱等客觀條件，所以本設(shè)計的內(nèi)阻測量值整體偏大，但為了最大化減小誤差，較為準確地測量數(shù)據(jù)，本設(shè)計的所有測量操作不改變整體測量環(huán)境。

4 硬件測試

根據(jù)硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計，搭建硬件測試平臺，如圖6所示。

首先，在鋰電池、負載端口將鋰電池和負載同時接入電路，觀察ESP8266模塊工作指示燈，若正常便可打開手機搜索附近名為“ESP8266”的熱點進行連接（程序已設(shè)置為默認無密碼連接），當WiFi熱點連接成功后便打開手機TCP軟件選擇客戶端并輸入程序所設(shè)置的服務(wù)器地址和服務(wù)器端口號，將服務(wù)器地址和端口號分別設(shè)置為192.168.4.1和8080。然后打開開關(guān)，使系統(tǒng)開始工作，實時采集鋰電池電壓和電流，對其SOC和SOH進行實時估算，并完成線下和線上顯示。最后，記錄不同狀態(tài)時鋰電池SOC和SOH的估算情況，見表1。測試結(jié)果表明，鋰電池SOC隨著工作電壓的減小而逐漸減小，而隨著鋰電池使用時長、內(nèi)阻的逐漸增大，其SOH也逐步減小，與鋰電池實際使用情況相符合。

5 結(jié) 語

本設(shè)計以低成本、低功耗的STC89C52系列單片機為主控制器，通過電壓/電流監(jiān)測模塊對鋰電池電壓/電流參數(shù)進行實時在線監(jiān)測，運用開路電壓法和內(nèi)阻法對鋰電池SOC和SOH參數(shù)進行在線估算，實現(xiàn)OLED的線下實時顯示；結(jié)合當代人們對產(chǎn)品提出的便攜需求，運用ESP8266 WiFi無線通信模塊，實現(xiàn)手機APP便攜式在線遠程監(jiān)測；通過測試平臺的搭建與調(diào)試，對鋰電池工作狀態(tài)下的SOC與SOH進行測試。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，樣品體積較小，通過間歇式數(shù)據(jù)采集與顯示，降低了系統(tǒng)功耗，手機APP的遠程顯示使得該系統(tǒng)監(jiān)測變得非常方便，為鋰電池的發(fā)展提供了一定的技術(shù)參考價值。

參考文獻

[1]盧帥.電動自行車的鋰電池剩余電量估算研究[D].杭州：中國計量大學，2017.

[2]劉凱文，劉聰聰，李珺凱，等.基于GA-ELM模型的鋰電池SOH預(yù)測[J].無線電通信技術(shù)，2019，45（3）：248-252.

[3]解清波.汽車鋰離子動力電池健康狀態(tài)估計方法研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學，2021.

[4]吳隆峰.車載蓄電池的SOC與SOH在線估計系統(tǒng)設(shè)計[D].深圳：深圳大學，2019.

[5]任偉.嵌入式PIC單片機主從分布式實訓(xùn)裝置[J].工業(yè)技術(shù)與職業(yè)教育，2022，20（4）：5-10.

[6]孔德力.基于STC52單片機GSM短信上報GPS經(jīng)緯度信息的設(shè)計[J].南方農(nóng)機，2019，50（24）：130-131.

[7]馬強.分布式電機安全運行在線監(jiān)測裝置的研究與開發(fā)[D].廊坊：華北科技學院，2021.

[8]何小英.基于ACS712的電流實時監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].電子世界，2018（1）：115-116.

[9]李佳旺.基于ESP8266無線WiFi模塊的交互裝置作品的設(shè)計與實現(xiàn)[D].武漢：武漢音樂學院，2020.

[10]陳佳偉. OLED顯示設(shè)備驅(qū)動研究和應(yīng)用[D].武漢：華中科技大學，2019.