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

作者：是德科技產(chǎn)品營(yíng)銷工程師Brian Whitaker

電池使用壽命對(duì)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(gòu)買與否的關(guān)鍵考慮因素。然而在實(shí)際情況中，通過(guò)計(jì)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(duì)設(shè)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(yùn)行時(shí)間（小時(shí)）。然而，在現(xiàn)實(shí)世界中，這種計(jì)算方法則過(guò)于簡(jiǎn)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(huì)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(shí)長(zhǎng)。充分了解電池如何響應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景以及設(shè)備的典型使用模式對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(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(dǎo)致計(jì)算得出的電池運(yùn)行時(shí)間比實(shí)際使用時(shí)間更長(zhǎng)，這些因素包括：
· 電池模型/配置文件不可用
· 沒(méi)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(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確
· 沒(méi)有考慮到電壓下降的問(wèn)題，例如當(dāng)電壓達(dá)到設(shè)定的截止電壓值時(shí)，設(shè)備就會(huì)關(guān)閉。
電池模擬和分析軟件是一種用于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電池使用壽命的解決方案。此外，模擬軟件可以通過(guò)對(duì)電流消耗的分析提供洞見(jiàn)，以改進(jìn)設(shè)備的設(shè)計(jì)，從而延長(zhǎng)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(xiàn)這些目標(biāo)，主要包括以下議題：
1. 通過(guò)對(duì)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(cè)試時(shí)間，提高安全性，并獲得能夠延長(zhǎng)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(xiàn)整個(gè)過(guò)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(cè)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(duì)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，電池可以儲(chǔ)存和提供的電量。電池的開(kāi)路電壓（VOC）和內(nèi)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(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(jí)電池測(cè)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(dòng)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(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(cè)試時(shí)間，提高安全性，獲得洞見(jiàn)并延長(zhǎng)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(cè)試？
· 創(chuàng)造一個(gè)更加安全的測(cè)試環(huán)境。在利用模擬器時(shí)，無(wú)需對(duì)電池進(jìn)行充電和放電。反復(fù)對(duì)電池進(jìn)行充電和放電會(huì)帶來(lái)危險(xiǎn)。
· 獲取可復(fù)驗(yàn)的結(jié)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(hào)的電池之間，性能也會(huì)有差異。
· 縮短測(cè)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(duì)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(guò)使用電池建模軟件進(jìn)行測(cè)量來(lái)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(lái)說(shuō)，如果電池供應(yīng)商在被測(cè)設(shè)備消耗動(dòng)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(méi)有幫助。圖4顯示的是，將一臺(tái)設(shè)備的電流消耗曲線加載到一個(gè)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(jí)電池測(cè)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(shè)備連接到模擬器上，開(kāi)始模擬電池。電池模擬器持續(xù)測(cè)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(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(shí)，測(cè)試就會(huì)結(jié)束。

圖5：使用BV9210B/11B PathWave BenchVue高級(jí)電池測(cè)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(shè)備的操作情況。圖6顯示的是對(duì)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(cè)量結(jié)果可以改變物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的電池續(xù)航時(shí)間。

圖6：使用BV9210B/11B PathWave BenchVue高級(jí)電池測(cè)試和模擬軟件對(duì)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(guò)程，并實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)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(chǔ)存和提供的電量。電池測(cè)試和模擬軟件能夠追蹤電池的充放電過(guò)程，并實(shí)現(xiàn)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(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?yàn)楫?dāng)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(cè)試和模擬軟件可以用來(lái)創(chuàng)建一個(gè)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(duì)電池進(jìn)行放電，并且其電流消耗曲線與實(shí)際使用過(guò)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(gè)過(guò)程、執(zhí)行電池放電測(cè)試是非常困難的，除非該設(shè)備能夠在整個(gè)放電測(cè)試過(guò)程中保持運(yùn)行。

圖7：利用BV9210B/11B PathWave BenchVue高級(jí)電池測(cè)試和模擬軟件跟蹤電池充電情況，并實(shí)現(xiàn)過(guò)程的可視化

執(zhí)行電池循環(huán)充放電測(cè)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(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(cè)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?jǐn)?shù)據(jù)記錄功能。此外，當(dāng)電池測(cè)試和模擬軟件解決方案能夠?yàn)殡姵貏?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(jié)合起來(lái)，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(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?yàn)樗鼈兛梢詫?shí)現(xiàn)，例如通過(guò)多達(dá)一千次的循環(huán)操作，確定電池在序列測(cè)試模式下的老化效應(yīng)和可靠性。

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

總結(jié)

電流消耗和電池放電測(cè)試帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)。手動(dòng)給電池充電和放電的過(guò)程非常耗費(fèi)時(shí)間。但是由于電池特性不同，在不同的充電水平下對(duì)設(shè)備執(zhí)行測(cè)試是非常關(guān)鍵的。此外，在比較測(cè)試結(jié)果時(shí)，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(lái)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(tái)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(gè)已知的良好參考，能夠提高用戶對(duì)測(cè)試結(jié)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(píng)估設(shè)計(jì)或軟件變化對(duì)電池使用壽命的影響。這樣不僅能夠改進(jìn)設(shè)計(jì)，還能夠延長(zhǎng)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(zhí)行電池放電測(cè)試、模擬設(shè)備電流消耗來(lái)準(zhǔn)確估計(jì)電池的使用壽命。這種方法比采用恒定電流對(duì)電池進(jìn)行放電更準(zhǔn)確。而且，過(guò)程的自動(dòng)化比手動(dòng)操作設(shè)備對(duì)電池進(jìn)行放電更直接、有效。