【新要聞】模擬軟件是提升物聯(lián)網(wǎng)電池性能的關(guān)鍵“抓手”

電池使用壽命是影響物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的關(guān)鍵因素

【資料圖】

作者：是德科技產(chǎn)品營銷工程師Brian Whitaker

電池使用壽命對物聯(lián)網(wǎng)（IoT）基礎(chǔ)設(shè)施的成本和可靠性有很大影響。消費(fèi)電子設(shè)備的電池使用壽命更是影響消費(fèi)者購買與否的關(guān)鍵考慮因素。然而在實(shí)際情況中，通過計算得出的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池使用壽命往往是不準(zhǔn)確的，這對設(shè)備制造商來說是一個非常重要的問題。

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(yùn)行時間（小時）。然而，在現(xiàn)實(shí)世界中，這種計算方法則過于簡單了。

事實(shí)上，由于設(shè)備使用不同的電源模式，包括運(yùn)行模式、睡眠模式和休眠模式等，因此根據(jù)上面的公式可能會得出不準(zhǔn)確的結(jié)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(yùn)行時長。充分了解電池如何響應(yīng)不同的應(yīng)用場景以及設(shè)備的典型使用模式對準(zhǔn)確預(yù)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，隨著堿性電池放電電流的增大，放電容量也發(fā)生了相當(dāng)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，溫度也會影響電池的使用壽命，這是另一個需要考量的關(guān)鍵因素。圖2中的曲線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導(dǎo)致計算得出的電池運(yùn)行時間比實(shí)際使用時間更長，這些因素包括：

電池模型/配置文件不可用

沒有嚴(yán)格按照準(zhǔn)確的設(shè)備操作要求生成電池配置文件

電流消耗的測量結(jié)果不準(zhǔn)確

沒有考慮到電壓下降的問題，例如當(dāng)電壓達(dá)到設(shè)定的截止電壓值時，設(shè)備就會關(guān)閉。

電池模擬和分析軟件是一種用于準(zhǔn)確預(yù)測電池使用壽命的解決方案。此外，模擬軟件可以通過對電流消耗的分析提供洞見，以改進(jìn)設(shè)備的設(shè)計，從而延長電池的使用時間。

本文探討了如何使用模擬軟件來實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，主要包括以下議題：

1. 通過對電池的充放電進(jìn)行分析，創(chuàng)建獨(dú)特的電池模型。

2. 模擬充電狀態(tài)，以減少測試時間，提高安全性，并獲得能夠延長電池使用壽命的深刻洞見。

3.追蹤電池的充電和放電過程，并實(shí)現(xiàn)整個過程的可視化，以確定電池容量。

4. 執(zhí)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。

分析電池以創(chuàng)建獨(dú)特的電池模型

出于一些原因，對電池進(jìn)行分析和定性是很重要的。同時也有必要了解在經(jīng)過一段時間的放電之后，電池可以儲存和提供的電量。電池的開路電壓（VOC）和內(nèi)阻（IR）在放電過程中會產(chǎn)生變化。將這些變量繪制出來是非常關(guān)鍵的，這樣電池配置文件就能準(zhǔn)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(rèn)電池在特定放電條件和操作模式下的性能表現(xiàn)也非常重要。影響電池性能的參數(shù)包括：溫度，負(fù)載電流曲線（恒定/動態(tài)），恒流、恒功率和恒電阻等不同的操作模式。

這些參數(shù)會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)以減少測試時間，提高安全性，獲得洞見并延長電池使用壽命。

為什么使用電池模擬器而不是電池進(jìn)行設(shè)備測試？

創(chuàng)造一個更加安全的測試環(huán)境。在利用模擬器時，無需對電池進(jìn)行充電和放電。反復(fù)對電池進(jìn)行充電和放電會帶來危險。

獲取可復(fù)驗的結(jié)果。模擬電池的特性與物理電池相比沒有差異，而物理電池的特性在充電/放電之后會有波動。即使是同一型號的電池之間，性能也會有差異。

縮短測試時間。即時模擬任何充電狀態(tài)（SoC），而不是手動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步驟。第一步是加載電池配置文件。對應(yīng)曲線上的數(shù)據(jù)展示出了電池電壓和內(nèi)阻與SoC的關(guān)系，如圖3所示。 工程師可以通過使用電池建模軟件進(jìn)行測量來創(chuàng)建電池配置文件， 也可以從電池供應(yīng)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(shè)備的電流消耗，這比電池供應(yīng)商提供的通用配置文件更加準(zhǔn)確。舉例來說，如果電池供應(yīng)商在被測設(shè)備消耗動態(tài)電流的情況下，根據(jù)恒定電流創(chuàng)建配置文件，那么這份通用配置文件就沒有幫助。圖4顯示的是，將一臺設(shè)備的電流消耗曲線加載到一個電池分析器中。該軟件可以不斷地重復(fù)這一波形，直到電池完全耗盡。

圖4：將設(shè)備的電流消耗波形導(dǎo)入Keysight BV9210B/11B PathWave BenchVue高級電池測試和模擬軟件

下一個模擬步驟是選擇起始SoC和截止電壓。將設(shè)備連接到模擬器上，開始模擬電池。電池模擬器持續(xù)測量電流、充電或放電，并動態(tài)地估算模擬的SoC值。模擬器根據(jù)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(dāng)模擬器達(dá)到設(shè)定的截止電壓值時，測試就會結(jié)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(shè)備的操作情況。圖6顯示的是對設(shè)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(jié)果可以改變物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的設(shè)計，從而實(shí)現(xiàn)更長的電池續(xù)航時間。

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(yī)療物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電流消耗情況進(jìn)行分析

追蹤電池的充放電過程，并實(shí)現(xiàn)整個過程的可視化，以確定電池容量

就物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備而言，有必要充分了解其電池可以儲存和提供的電量。電池測試和模擬軟件能夠追蹤電池的充放電過程，并實(shí)現(xiàn)整個過程的可視化，以確定電池容量。

軟件必須同時支持在恒定電流（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(dāng)電池達(dá)到滿電狀態(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(dāng)電池接近峰值電壓或峰值容量時，不能以相同的速度為電池充電。

在電池放電時，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創(chuàng)建一個直接從設(shè)備上生成的電流消耗曲線。這種能力讓用戶能夠輕而易舉地對電池進(jìn)行放電，并且其電流消耗曲線與實(shí)際使用過程中的電流消耗曲線高度一致。而直接使用實(shí)際的終端設(shè)備模擬這個過程、執(zhí)行電池放電測試是非常困難的，除非該設(shè)備能夠在整個放電測試過程中保持運(yùn)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(xiàn)過程的可視化

執(zhí)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(xù)的充電和放電過程中會明顯下降。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單易用的解決方案，但是該軟件需要支持?jǐn)?shù)據(jù)記錄功能。此外，當(dāng)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候才真正具有價值。

這樣才有可能將不同的充電和放電序列結(jié)合起來，模擬復(fù)雜的充放電循環(huán)曲線。然后，工程師就可以確認(rèn)電池的性能是如何隨著時間的遷移而降低的。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(xiàn)，例如通過多達(dá)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(yīng)和可靠性。

圖8：利用BV9210B/11B PathWave BenchVue高級電池測試和模擬軟件執(zhí)行電池循環(huán)充放電測試

總結(jié)

電流消耗和電池放電測試帶來了許多挑戰(zhàn)。手動給電池充電和放電的過程非常耗費(fèi)時間。但是由于電池特性不同，在不同的充電水平下對設(shè)備執(zhí)行測試是非常關(guān)鍵的。此外，在比較測試結(jié)果時，電池參數(shù)和充電水平必須是相同的。直接利用物理電池來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)非常具有挑戰(zhàn)性。此外，人們很難確定一臺設(shè)備在充電一次之后能夠持續(xù)使用多久，而且設(shè)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，電池模型是一個已知的良好參考，能夠提高用戶對測試結(jié)果的信任。另外，工程師可以通過即時切換電池的充電狀態(tài)，快速評估設(shè)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(shè)計，還能夠延長電池使用壽命，并減小產(chǎn)品尺寸。

此外，軟件解決方案能夠自動執(zhí)行電池放電測試、模擬設(shè)備電流消耗來準(zhǔn)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(zhǔn)確。而且，過程的自動化比手動操作設(shè)備對電池進(jìn)行放電更直接、有效。

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