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電池使用壽命是影響物聯(lián)網(wǎng)設備的關(guān)鍵因素 作者：是德科技產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師Brian Whitaker 
電池使用壽命對物聯(lián)網(wǎng)（IoT）基礎設施的成本和可靠性有很大影響。消費電子設備的電池使用壽命更是影響消費者購買(mǎi)與否的關(guān)鍵考慮因素。然而在實(shí)際情況中，通過(guò)計算得出的物聯(lián)網(wǎng)設備的電池使用壽命往往是不準確的，這對設備制造商來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。 衡量電池使用壽命的方法之一是用電池容量（以安培小時(shí)為單位）除以平均電流消耗（以安培為單位），從而得出電池的運行時(shí)間（小時(shí)）。然而，在現實(shí)世界中，這種計算方法則過(guò)于簡(jiǎn)單了。 事實(shí)上，由于設備使用不同的電源模式，包括運行模式、睡眠模式和休眠模式等，因此根據上面的公式可能會(huì )得出不準確的結果。此外，恒定功率和恒定電阻等操作模式將以不同方式從電池中獲取電流，并改變電池的運行時(shí)長(cháng)。充分了解電池如何響應不同的應用場(chǎng)景以及設備的典型使用模式對準確預測電池的使用壽命至關(guān)重要。 除了電流消耗不同之外，電池容量也是可以改變的，具體取決于平均放電電流和使用模式。在圖1中可以看到，隨著(zhù)堿性電池放電電流的增大，放電容量也發(fā)生了相當大的變化。
圖1：1,100 mAh的堿性電池，截止電壓為0.9 V - 放電容量的變化 此外，溫度也會(huì )影響電池的使用壽命，這是另一個(gè)需要考量的關(guān)鍵因素。圖2中的曲線(xiàn)顯示出了溫度究竟如何影響電池容量。
圖2：1,000 mAh的鋰離子電池，截止電壓為3 V - 溫度變化 還有一些其他因素也可能會(huì )導致計算得出的電池運行時(shí)間比實(shí)際使用時(shí)間更長(cháng)，這些因素包括： • 電池模型/配置文件不可用 • 沒(méi)有嚴格按照準確的設備操作要求生成電池配置文件 • 電流消耗的測量結果不準確 • 沒(méi)有考慮到電壓下降的問(wèn)題，例如當電壓達到設定的截止電壓值時(shí)，設備就會(huì )關(guān)閉。 電池模擬和分析軟件是一種用于準確預測電池使用壽命的解決方案。此外，模擬軟件可以通過(guò)對電流消耗的分析提供洞見(jiàn)，以改進(jìn)設備的設計，從而延長(cháng)電池的使用時(shí)間。 本文探討了如何使用模擬軟件來(lái)實(shí)現這些目標，主要包括以下議題： 1. 通過(guò)對電池的充放電進(jìn)行分析，創(chuàng )建獨特的電池模型。 2. 模擬充電狀態(tài)，以減少測試時(shí)間，提高安全性，并獲得能夠延長(cháng)電池使用壽命的深刻洞見(jiàn)。 3. 追蹤電池的充電和放電過(guò)程，并實(shí)現整個(gè)過(guò)程的可視化，以確定電池容量。 4. 執行電池循環(huán)充放電測試，以確定電池容量和電池使用壽命的衰減情況。
出于一些原因，對電池進(jìn)行分析和定性是很重要的。同時(shí)也有必要了解在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的放電之后，電池可以?xún)Υ婧吞峁┑碾娏�。電池的開(kāi)路電壓（VOC）和內阻（IR）在放電過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生變化。將這些變量繪制出來(lái)是非常關(guān)鍵的，這樣電池配置文件就能準確地反映電池的實(shí)際性能。圖3就是此種圖表的典型示例。
圖3：利用是德科技 BV9210B/11B PathWave BenchVue高級電池測試和模擬軟件創(chuàng )建的電池配置文件 另外，確認電池在特定放電條件和操作模式下的性能表現也非常重要。影響電池性能的參數包括：溫度，負載電流曲線(xiàn)（恒定/動(dòng)態(tài)），恒流、恒功率和恒電阻等不同的操作模式。 這些參數會(huì )影響電池的使用壽命。因此，創(chuàng )建不同的電池配置文件以匹配特定的放電條件是至關(guān)重要的。 模擬充電狀態(tài)以減少測試時(shí)間，提高安全性，獲得洞見(jiàn)并延長(cháng)電池使用壽命。 為什么使用電池模擬器而不是電池進(jìn)行設備測試？ • 創(chuàng )造一個(gè)更加安全的測試環(huán)境。在利用模擬器時(shí)，無(wú)需對電池進(jìn)行充電和放電。反復對電池進(jìn)行充電和放電會(huì )帶來(lái)危險。 • 獲取可復驗的結果。模擬電池的特性與物理電池相比沒(méi)有差異，而物理電池的特性在充電/放電之后會(huì )有波動(dòng)。即使是同一型號的電池之間，性能也會(huì )有差異。 • 縮短測試時(shí)間。即時(shí)模擬任何充電狀態(tài)（SoC），而不是手動(dòng)將電池消耗到所需的電量水平。 電池模擬器的工作分為多個(gè)步驟。第一步是加載電池配置文件。對應曲線(xiàn)上的數據展示出了電池電壓和內阻與SoC的關(guān)系，如圖3所示。 工程師可以通過(guò)使用電池建模軟件進(jìn)行測量來(lái)創(chuàng )建電池配置文件， 也可以從電池供應商處接收配置文件。 利用建模軟件創(chuàng )建的配置文件能夠反映出特定設備的電流消耗，這比電池供應商提供的通用配置文件更加準確。舉例來(lái)說(shuō)，如果電池供應商在被測設備消耗動(dòng)態(tài)電流的情況下，根據恒定電流創(chuàng )建配置文件，那么這份通用配置文件就沒(méi)有幫助。圖4顯示的是，將一臺設備的電流消耗曲線(xiàn)加載到一個(gè)電池分析器中。該軟件可以不斷地重復這一波形，直到電池完全耗盡。
圖4：將設備的電流消耗波形導入Keysight BV9210B/11B PathWave BenchVue高級電池測試和模擬軟件 下一個(gè)模擬步驟是選擇起始SoC和截止電壓。將設備連接到模擬器上，開(kāi)始模擬電池。電池模擬器持續測量電流、充電或放電，并動(dòng)態(tài)地估算模擬的SoC值。模擬器根據SoC值不斷改變其輸出（電壓和電阻），以符合加載的電池配置文件要求。如果模擬器正在放電，當模擬器達到設定的截止電壓值時(shí)，測試就會(huì )結束。
圖5：使用BV9210B/11B PathWave BenchVue高級電池測試和模擬軟件進(jìn)行電池模擬 通過(guò)迅速模擬不同SoC狀態(tài)下的電池，可以迅速而深入地了解設備的操作情況。圖6顯示的是對設備電流消耗狀況的分析和洞察。利用這一分析得出的測量結果可以改變物聯(lián)網(wǎng)設備的設計，從而實(shí)現更長(cháng)的電池續航時(shí)間。
圖6：使用BV9210B/11B PathWave BenchVue高級電池測試和模擬軟件對脈搏血氧儀醫療物聯(lián)網(wǎng)設備的電流消耗情況進(jìn)行分析 追蹤電池的充放電過(guò)程，并實(shí)現整個(gè)過(guò)程的可視化，以確定電池容量 就物聯(lián)網(wǎng)設備而言，有必要充分了解其電池可以?xún)Υ婧吞峁┑碾娏�。電池測試和模擬軟件能夠追蹤電池的充放電過(guò)程，并實(shí)現整個(gè)過(guò)程的可視化，以確定電池容量。 軟件必須同時(shí)支持在恒定電流（CC）模式和恒定電壓（CV）模式下為電池充電。在CC模式下為電池充電，當電池達到滿(mǎn)電狀態(tài)后，軟件需要從CC模式切換到CC加CV的組合模式。這種組合是非常有必要的，因為當電池接近峰值電壓或峰值容量時(shí)，不能以相同的速度為電池充電。 在電池放電時(shí)，軟件可以支持恒流、恒電阻和恒功率三種模式的能力也很重要。測試和模擬軟件可以用來(lái)創(chuàng )建一個(gè)直接從設備上生成的電流消耗曲線(xiàn)。這種能力讓用戶(hù)能夠輕而易舉地對電池進(jìn)行放電，并且其電流消耗曲線(xiàn)與實(shí)際使用過(guò)程中的電流消耗曲線(xiàn)高度一致。而直接使用實(shí)際的終端設備模擬這個(gè)過(guò)程、執行電池放電測試是非常困難的，除非該設備能夠在整個(gè)放電測試過(guò)程中保持運行。
圖7：利用BV9210B/11B PathWave BenchVue高級電池測試和模擬軟件跟蹤電池充電情況，并實(shí)現過(guò)程的可視化 執行電池循環(huán)充放電測試，以確定電池容量和電池使用壽命的衰減情況 電池的性能在持續的充電和放電過(guò)程中會(huì )明顯下降。這就是為什么模擬電池的循環(huán)充放電是至關(guān)重要的。電池測試和模擬軟件是一款簡(jiǎn)單易用的解決方案，但是該軟件需要支持數據記錄功能。此外，當電池測試和模擬軟件解決方案能夠為電池創(chuàng )建不同的充電和放電配置文件的時(shí)候才真正具有價(jià)值。 這樣才有可能將不同的充電和放電序列結合起來(lái)，模擬復雜的充放電循環(huán)曲線(xiàn)。然后，工程師就可以確認電池的性能是如何隨著(zhù)時(shí)間的遷移而降低的。模擬軟件解決方案是這方面的理想選擇，因為它們可以實(shí)現，例如通過(guò)多達一千次的循環(huán)操作，確定電池在序列測試模式下的老化效應和可靠性。
圖8：利用BV9210B/11B PathWave BenchVue高級電池測試和模擬軟件執行電池循環(huán)充放電測試 總結 電流消耗和電池放電測試帶來(lái)了許多挑戰。手動(dòng)給電池充電和放電的過(guò)程非常耗費時(shí)間。但是由于電池特性不同，在不同的充電水平下對設備執行測試是非常關(guān)鍵的。此外，在比較測試結果時(shí)，電池參數和充電水平必須是相同的。直接利用物理電池來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)非常具有挑戰性。此外，人們很難確定一臺設備在充電一次之后能夠持續使用多久，而且設備上顯示的電池使用壽命往往與實(shí)際狀況不符。 使用模擬電池可以克服這些困難。首先，電池模型是一個(gè)已知的良好參考，能夠提高用戶(hù)對測試結果的信任。另外，工程師可以通過(guò)即時(shí)切換電池的充電狀態(tài)，快速評估設計或軟件變化對電池使用壽命的影響。這樣不僅能夠改進(jìn)設計，還能夠延長(cháng)電池使用壽命，并減小產(chǎn)品尺寸。 此外，軟件解決方案能夠自動(dòng)執行電池放電測試、模擬設備電流消耗來(lái)準確估計電池的使用壽命。這種方法比采用恒定電流對電池進(jìn)行放電更準確。而且，過(guò)程的自動(dòng)化比手動(dòng)操作設備對電池進(jìn)行放電更直接、有效。 |
