電池壽命和低功耗是現(xiàn)代電池供電電子產(chǎn)品的持續(xù)關(guān)注點(diǎn)。在設(shè)計(jì)過程開始時(shí)估計(jì)它們可能非常具有挑戰(zhàn)性。事實(shí)上，電池壽命和功耗幾乎取決于所有設(shè)備特性：它的硬件、電池、固件、用例和它的環(huán)境。如果這些系統(tǒng)方面中的每一個(gè)都可以或多或少地準(zhǔn)確地進(jìn)行評估，那么在同一設(shè)計(jì)空間中考慮它們是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。
人們可以爭辯說，只要它們可以分開評估，它就沒有那么重要。
這是一個(gè)錯(cuò)誤且危險(xiǎn)的假設(shè)。
所有這些方面都是相互依存的。常規(guī)方法包括：
使用電子表格和數(shù)據(jù)表建立分析模型和/或
開發(fā)部分原型來測試和評估這些方面的大部分。
這兩種方法都有其缺點(diǎn)。分析方法不考慮設(shè)備的動(dòng)態(tài)行為。這會導(dǎo)致誤導(dǎo)性的結(jié)果和性能不佳的設(shè)備（如果有的話）。部分原型方法是不完整的；這意味著需要時(shí)間來制造/開發(fā)原型，并且工程師需要進(jìn)行大量工作來測量和生成也可能具有誤導(dǎo)性的結(jié)果（即，因?yàn)樗遣糠值亩皇峭暾模?/p>
更不用說數(shù)年長電池壽命設(shè)備的情況，其中測量幾乎是不可能的。
在本文中，我將介紹我們?nèi)绾谓鉀Q這個(gè)估計(jì)問題，并創(chuàng)建一個(gè)仿真工具和一個(gè)模型庫，幫助數(shù)百名工程師探索幾種可能的架構(gòu)并更好地設(shè)計(jì)他們的設(shè)備。
模型
圖 1：建模抽象
要建模的第一個(gè)對象是硬件（即組裝和嵌入設(shè)備中的電子元件）。有多種建模語言和框架允許對電子元件進(jìn)行建模（參見圖 1）。他們每個(gè)人都有自己的特點(diǎn)和局限性。在 Wisebatt，我們選擇根據(jù)組件的內(nèi)部行為對組件進(jìn)行建模。功耗建模在非常低的級別（即接近 Spice 模型），組件的所有功能都在非常高的級別建模。組件的輸入參數(shù)是使用其數(shù)據(jù)表定義的。我們考慮了它們的每種功耗模式和相關(guān)消耗以及它們的每個(gè)內(nèi)部狀態(tài)機(jī)。這種方法可用于模擬、數(shù)字和混合信號組件。?
第二個(gè)要考慮的對象是電池。無論是初級（不可充電）還是次級（可充電），它都是一種復(fù)雜的化學(xué)電源，其特性會根據(jù)幾個(gè)參數(shù)而變化。在我們的上下文中，最重要的事實(shí)是 1) 它們的標(biāo)稱容量不是完全可用的，2) 它們的電源電壓既不穩(wěn)定也不線性 。有多種建模電池的方法。我們選擇使用混合方法對它們進(jìn)行建模，該方法考慮了內(nèi)部電阻變化、電源電壓下降和實(shí)際非線性容量隨放電的下降。通過這樣做，我們可以模擬電池供電電壓超過設(shè)備截止電壓的時(shí)刻：這正是準(zhǔn)確估計(jì)電池壽命所必需的。
圖 2：Sigfox Sens'it 硬件的示意圖
最后一個(gè)要考慮的“對象”是固件。每個(gè)組件都有一個(gè)功能模型。該功能模型嵌入了一個(gè)指令集，表示組件可以實(shí)現(xiàn)什么（例如，進(jìn)入低功耗模式、傳輸信號等）。我們開發(fā)了一個(gè)名為 UISS 的通用指令集模擬器，它允許我們的用戶以簡單的方式描述他們的設(shè)備固件和行為。擁有 UIS 的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算元件（例如，微控制器）可以非常容易地交換。
模擬
除了建模之外，運(yùn)行一致的仿真也是一個(gè)挑戰(zhàn)。一旦用戶組裝了組件和電池模型（參見圖 2）并在固件建模中定義了設(shè)備的行為，就必須始終如一地運(yùn)行仿真。我們的模擬內(nèi)核使用源自快速事件驅(qū)動(dòng) (FED) 方法的離散事件機(jī)制。對于上述方法，每個(gè)模擬的事件（即，每條指令）將在給定時(shí)間被處理（即由 UIS 執(zhí)行），并且總時(shí)間將在每個(gè)處理的事件之后進(jìn)行。
默認(rèn)情況下，美聯(lián)儲的兩個(gè)事件之間不應(yīng)該發(fā)生任何事情。我們添加了一種自適應(yīng) (SA) 機(jī)制，該機(jī)制根據(jù)電池和組件模型的非線性程度在兩個(gè)注冊事件之間插入多個(gè)事件。這允許更準(zhǔn)確的結(jié)果，因?yàn)榻M件和電池的電氣參數(shù)將更頻繁地更新。相比之下，離散方法更容易引起計(jì)算錯(cuò)誤。
當(dāng)達(dá)到第一截止電壓（即，截止電壓的最大值）時(shí)，模擬然后停止。系統(tǒng)在模擬中花費(fèi)的時(shí)間是它的電池壽命。
結(jié)果及其準(zhǔn)確性
在模擬結(jié)束時(shí)，所有單獨(dú)的組件日志都可用。這些日志包括電源電壓（參見圖 3）和電流消耗（參見圖 4）以及它在其操作模式下消耗了多少能量（參見圖 5）。這些日志可用于通過非常快速地發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化耗電組件/功能來優(yōu)化功耗。每次模擬都需要幾分鐘，這大大減少了評估架構(gòu)或優(yōu)化所需的時(shí)間。
圖 3：電源電壓曲線示例
圖 4：電流繪制曲線示例
仿真結(jié)果已在 200 多個(gè)設(shè)備上得到驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)包括對電池壽命從幾天到幾年不等的不同設(shè)備的環(huán)境控制和環(huán)境溫度測試，使用一次電池和二次電池，以及不同的硬件和固件。總體而言，電池供電電壓估計(jì)的平均誤差為 6.17%。關(guān)于電池壽命的準(zhǔn)確性，我們觀察到的結(jié)果介于實(shí)際電池壽命的 88.44% 和 103.25% 之間，平均誤差約為 -6.93%。
圖 5：消耗明細(xì)和時(shí)間與能源對比示例
所提供的仿真工具、其功耗和電池壽命分析可在“電源分析”功能中找到。此外，我們現(xiàn)在提供對設(shè)計(jì)或優(yōu)化低功耗設(shè)備必不可少的補(bǔ)充信息。目標(biāo)：自動(dòng)化大部分低附加值和耗時(shí)的任務(wù)（即物料清單估算、組件的電氣和功能兼容性、組件的配置和供應(yīng)限制）。
審核編輯：劉清