霍彥明 谷自航 陳 彪 王元瑞 李 爭

（河北科技大學電氣工程學院 石家莊 050018）

引言

隨著人們對于信息、娛樂等需求的不斷提升和手機、平板等移動終端產(chǎn)品的普及，人們對于電量的需求隨之提高。電子產(chǎn)品的“電池短板”問題變成了困擾全民的問題，而移動電源就是為了解決這一問題而衍生出來的產(chǎn)物，本系統(tǒng)把人們?nèi)粘４罅渴褂玫囊苿与娫醋鳛榍腥朦c，希望借助移動電源各方面參數(shù)的檢測，得出一個規(guī)范化的健康評估指數(shù)[1]，來作為用戶二次利用或者是給廠家進行回收的憑證，從而減少環(huán)境的污染和資源的浪費。另外本項目立足于當今物聯(lián)網(wǎng)的大背景下，結(jié)合目前的OneNET技術(shù)（由中國移動打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平臺），實現(xiàn)設(shè)備接入與設(shè)備連接，快速完成產(chǎn)品開發(fā)部署[5]，把數(shù)據(jù)上傳到云端，生成二維碼供用戶和廠家直觀看到電池的性能指標，從而進行對電池價值的判斷。

1 系統(tǒng)框架

1.1 系統(tǒng)功能

此系統(tǒng)的功能是顯示移動電源當前的健康指數(shù)、電量、峰值電壓、溫度、充放電次數(shù)、健康指數(shù)變化趨勢等。這涉及以下功能的實現(xiàn)：檢測模塊對移動電源的數(shù)據(jù)讀??；單片機模塊對檢測模塊數(shù)據(jù)的接收與處理；單片機模塊與無線通信模塊之間的通信與數(shù)據(jù)傳輸；網(wǎng)頁顯示移動電源各項數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)模塊

此系統(tǒng)是為移動電源回收提供重要指標的檢測和顯示系統(tǒng)，由移動電源、檢測模塊、單片機控制模塊、無線通信模塊、網(wǎng)頁顯示模塊等組成，如圖1所示。

移動電源與電路模塊:主要連接系統(tǒng)的控制器與各個硬件外設(shè)，負責供電；

檢測模塊：用于檢測移動電源充放電過程中電流電壓的變化情況；

單片機控制模塊:用于處理接收的數(shù)據(jù)，并負責與檢測模塊和無線通信模塊進行串口通信；

無線通信模塊：此模塊采用BC26模塊，負責接收單片機串口發(fā)送的各項數(shù)據(jù)，并將各項數(shù)據(jù)以無線通信的方式上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺；

網(wǎng)頁顯示模塊：負責對物聯(lián)網(wǎng)平臺接收到的各項數(shù)據(jù)以網(wǎng)頁直觀的顯示出來。

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)檢測部分設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

首先檢測模塊采用的是IM1253B 單相交直流電能計量模塊和單片機的AD轉(zhuǎn)換電路，通過檢測模塊對移動電源充放電過程進行實時檢測，IM1253B模塊檢測到的數(shù)據(jù)通過串口通信由單片機接收，模塊和單片機之間使用CRC校驗對接受的數(shù)據(jù)進行校驗，然后單片機進行數(shù)據(jù)讀取，讀取的數(shù)據(jù)通過公式計算和電源健康指數(shù)算法等處理得到移動電源當前的電壓、電流、峰值電壓、溫度、充放電次數(shù)、移動電源的健康指數(shù)等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)以串口通信的方式發(fā)送到BC26模塊。

2.2 數(shù)據(jù)檢測和處理方法

電流和溫度檢測方法：采用IM1253B 單相交直流電能計量模塊，該模塊在電流和溫度上具有精度高和量程大的優(yōu)點，可以很好的應(yīng)用在本系統(tǒng)的參數(shù)測量上。

電壓檢測方法：電壓檢測通過電阻的比例分壓實現(xiàn)，所用的移動電源在充放電過程中的最大電壓為5 V，而STM32單片機AD轉(zhuǎn)換電路的測量范圍為0～3.3 V，因此需要對被測電壓進行電阻上的分壓，系統(tǒng)采用兩個100 kΩ的電阻進行分壓，在減小分流的同時采集到的電壓值。

電量檢測方法：采用電壓測量法，由于電池電量和電壓存在函數(shù)關(guān)系，因此可以根據(jù)這一函數(shù)關(guān)系和此時的電壓值來得出此時的電量值，根據(jù)這一原理可以得出電壓-電量函數(shù)關(guān)系曲線，而對應(yīng)于電池的各個時刻或是不同材料的電池，由于電池自身內(nèi)阻和總?cè)萘康淖兓?，會?dǎo)致得出的函數(shù)關(guān)系并不唯一，因此在測量容量前需要進行放電過程來得到準確的電壓-電量函數(shù)特性曲線[2，3]，從而快速得到電量。

充放電次數(shù)計算方法：根據(jù)電池的額定容量和電量值的變動，由變動值除以額定容量可得到電量變動的百分比，由此進行累加可以分別得出充放電次數(shù)。

健康指數(shù)的計算方法：采用容量SOH[2，3]來進行計算，即下式：

圖1 e+充電電源監(jiān)控與價值評估系統(tǒng)整體框圖

式中：

SOH—電池的健康指數(shù)；

Q當前—電池當前所測得的總?cè)萘浚?/p>

Q額定—電池額定容量。

當SOH小于等于80 %[1，3，4]時，可以判定電池已經(jīng)報廢，即為健康指數(shù)的零值，當SOH等于100 %時，可以判定電池還未老化，即為健康指數(shù)的滿值，由此進行平均劃分來作為健康指數(shù)。當前容量通過一次完整的放電（充電），利用電流對時間的積分[3]來獲得，積分式如下：

式中：

Q—電池當前的總?cè)萘浚?/p>

T— 一次完整的放電（充電）所需要的時間；

I—在完整放電（充電）過程中的電流平均值；

i(t)—放電（充電）過程中時間t時的電流值。

2.3 單片機程序執(zhí)行流程（圖2）

內(nèi)部執(zhí)行的大致流程如下：系統(tǒng)進行初始化之后等待檢測模塊傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在進行CRC校驗無誤后，在默認模式下會對接收到的數(shù)據(jù)通過公式計算，算出移動電源當前的容量、峰值電壓、溫度、充放電次數(shù)、移動電源的健康指數(shù)等數(shù)據(jù)，用戶也可以通過按鍵來調(diào)到放電校準模式，設(shè)置放電截止電壓，通過對電流的積分得到電量，從而得到電壓和電量的對應(yīng)關(guān)系，并且建立電壓電量的函數(shù)曲線，此后通過串口通信將數(shù)據(jù)傳輸給BC26模塊，最后進行數(shù)據(jù)和函數(shù)存儲。

3 系統(tǒng)OneNET部分設(shè)計

3.1 執(zhí)行流程（圖3）

內(nèi)部程序執(zhí)行的大致流程如下：等待單片機的數(shù)據(jù)傳送，接收到數(shù)據(jù)后傳給用戶端和管理端：用戶端把數(shù)據(jù)以圖標展示，生成一個二維碼，用戶通過掃描二維碼得到這些數(shù)據(jù)圖標；管理端對數(shù)據(jù)進行存儲同時建立數(shù)據(jù)庫，同時有一個提醒機制，當充電寶健康指數(shù)低于設(shè)定值會進行提醒。

3.2 用戶端網(wǎng)頁界面

圖2 單片機程序執(zhí)行流程圖

圖3 應(yīng)用端流程圖

用戶端網(wǎng)頁界面給出了電池的電源容量，峰值電壓，剩余充電次數(shù)等基本參數(shù)，并由這些基本參數(shù)計算得出了電源健康指數(shù)來使用戶確定自己的電池健康狀態(tài)。另外本界面還給出了電池的異常警告記錄，溫度監(jiān)控曲線，健康指數(shù)趨勢圖，最近的電池回收站地圖等可供用戶參考的界面。如圖4所示。

圖4 用戶端界面

4 系統(tǒng)測試

4.1 系統(tǒng)功能測試

考慮到利用系統(tǒng)擬合函數(shù)計算所得的數(shù)據(jù)會與實際值有一定誤差，進行電量精確度測試，本次測試取同一電池的一次充電過程的隨機4組數(shù)據(jù)來進行擬合函數(shù)的精確度測試，程序根據(jù)函數(shù)關(guān)系和電壓得到的此時的電量與實際值進行誤差分析來反映精確度。容量測試結(jié)果見表1。

從表1幾組數(shù)據(jù)得到測試平均誤差為44.5 mAh，可知該函數(shù)計算所得數(shù)據(jù)可以滿足用戶對于充放電次數(shù)的精確度要求。

4.2 系統(tǒng)驗證性測試

為驗證系統(tǒng)在實際條件下的使用效果，結(jié)合實際生活中慢充和快充對于充電寶電源的實際影響[6]，利用此系統(tǒng)對于兩個同一類型的充電寶（原容量為10 000 mAh，不支持快充）分別在慢充和快充的條件下進行容量測試，隨機取出4組數(shù)據(jù)，得到表2。

表1 容量測試結(jié)果

表2 系統(tǒng)驗證測試結(jié)果

由表2知，慢充對于快充而言，電池的容量變化較少，可知電池的使用壽命也較長，由此對應(yīng)于慢充方式比快充方式更保護電池的實際情況，可進一步證明本系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)具有采集電壓、電流、電能、溫度等數(shù)據(jù)的功能，進而檢測得到移動電源當前的容量、峰值電壓、溫度、充放電次數(shù)等數(shù)據(jù)，最終這些數(shù)據(jù)通過電源健康指數(shù)算法得到移動電源當前的健康指數(shù)。配合充電寶梯次利用標準不健全的問題[7，8]，系統(tǒng)網(wǎng)頁頁面最終顯示情況可以作為移動電源回收利用的一個重要指標。

本研究通過采集移動電源充放電過程中的電壓、電流、功率等參數(shù)，通過電源健康指數(shù)算法得到移動電源當前的健康指數(shù)，給出詳細的實現(xiàn)方法。但是移動電源可回收的參數(shù)標準不僅限于此[8，10]，對此仍有很大的探討空間。