安时积分法（Coulomb Counting）的C语言实现示例

安时积分法（Coulomb Counting）的C语言实现示例，包含代码解析及关键注意事项：

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1. 算法原理

安时积分法公式：

• ( SOC_0 ): 初始荷电状态（%）
• ( Q_{\text{nom}} ): 标称容量（Ah）
• ( I(\tau) ): 实时电流（A，充电为正，放电为负）
• ( \eta ): 库仑效率（通常取0.95~1.0）

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2. C语言实现代码

#include <stdint.h>

// 电池参数配置
#define Q_NOMINAL_AH      5.0f    // 标称容量5Ah
#define TIME_INTERVAL_MS  1000    // 采样间隔1秒（单位毫秒）
#define COULOMB_EFF       0.98f   // 库仑效率

// SOC状态变量
typedef struct {
    float soc;          // 当前SOC（百分比）
    float capacity_ah;  // 标称容量（Ah）
    uint32_t last_time; // 上次更新时间戳（ms）
} CoulombCounter;

// 初始化函数
void CoulombCounter_Init(CoulombCounter *cc, float initial_soc) {
    cc->soc = initial_soc;
    cc->capacity_ah = Q_NOMINAL_AH;
    cc->last_time = 0;
}

// 更新SOC（需周期性调用，例如每秒一次）
void CoulombCounter_Update(CoulombCounter *cc, float current_a, uint32_t current_time_ms) {
    // 计算时间差（转换为小时）
    float delta_time_h = (current_time_ms - cc->last_time) / 3600000.0f;
    
    // 计算电荷变化量（考虑库仑效率）
    float delta_soc = (current_a * delta_time_h) / cc->capacity_ah * 100.0f;
    if (current_a > 0) { // 充电时考虑效率损失
        delta_soc *= COULOMB_EFF;
    }
    
    // 更新SOC并限制范围
    cc->soc += delta_soc;
    if (cc->soc > 100.0f) {
        cc->soc = 100.0f;
    } else if (cc->soc < 0.0f) {
        cc->soc = 0.0f;
    }
    
    // 更新时间戳
    cc->last_time = current_time_ms;
}

// 示例用法
int main() {
    CoulombCounter cc;
    CoulombCounter_Init(&cc, 100.0f); // 初始SOC=100%

    // 模拟电流采样（单位：A）
    float current_samples[] = { -1.0f, -1.0f, -1.0f }; // 持续1A放电
    uint32_t timestamps[] = { 0, 1000, 2000 };         // 时间戳（ms）

    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        CoulombCounter_Update(&cc, current_samples[i], timestamps[i]);
        printf("SOC: %.2f%%\n", cc.soc);
    }
    return 0;
}

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3. 代码解析

关键模块

1. 结构体定义

   • CoulombCounter 封装SOC计算所需的状态变量，确保线程安全。

2. 初始化函数

   • CoulombCounter_Init() 设置初始SOC和电池参数。

3. 核心更新函数

   • CoulombCounter_Update() 根据电流和时间差计算SOC变化量，并更新状态。

计算细节

• 时间单位转换：毫秒→小时（delta_time_h）。
• 库仑效率处理：仅在充电时考虑效率损失（放电效率通常接近100%）。
• 范围限制：SOC强制限制在0%~100%。

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4. 优化与注意事项

硬件适配优化

1. 定点数运算
   若MCU无浮点单元，改用Q格式定点数（如Q15）：

   typedef int32_t q15_t; // Q15格式（16位整数+15位小数）
   #define Q15_SHIFT 15
   q15_t soc_q15 = (q15_t)(initial_soc * (1 << Q15_SHIFT)); // 初始化
   

2. 低功耗设计

   • 在休眠期间暂停积分，唤醒后补偿时间差。

误差控制

1. 电流采样校准

   • 使用高精度ADC（至少12位），定期校准零点偏移。

2. 累积误差处理

   • 定期通过开路电压法（OCV）校准SOC（例如每24小时一次）。

3. 温度补偿

   • 动态调整容量 ( Q_{\text{nom}} ) 和内阻（需温度传感器支持）：

     void UpdateCapacityWithTemperature(CoulombCounter *cc, float temp_c) {
         cc->capacity_ah = Q_NOMINAL_AH * (1.0f - 0.005f * (25.0f - temp_c)); // 示例线性模型
     }
     

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5. 测试用例

// 测试持续放电场景
void test_discharge() {
    CoulombCounter cc;
    CoulombCounter_Init(&cc, 100.0f);

    uint32_t time = 0;
    for (int i = 0; i < 3600; i++) { // 模拟1小时放电
        CoulombCounter_Update(&cc, -5.0f, time); // 5A放电
        time += 1000;
    }
    printf("Final SOC: %.2f%%\n", cc.soc); // 理论值：100% - (5A*1h)/5Ah*100% = 0%
}

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总结

此代码实现了安时积分法的核心逻辑，适用于嵌入式BMS系统。实际应用中需结合：

1. 高精度电流采样（如INA219传感器）。
2. 定期校准（OCV或满充校正）。
3. 温度/老化补偿（提升长期精度）。
4. 异常处理（如电流突变检测、传感器失效冗余）。