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,。

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