為無線水表、智能傳感器等新型NB-IoT設(shè)備
定下一個小目標(biāo) —— 10年不換電池!
實現(xiàn)小目標(biāo)難,準(zhǔn)確的測試和評估更不容易
畢竟誰也不可能花費(fèi)10年的時間
在各種工作場景下進(jìn)行電池續(xù)航時間的測試
電池的續(xù)航時間與多個因素有關(guān),最關(guān)鍵的是產(chǎn)品本身的低功耗特性, 還有電池本身自放電特性。
例如一個 10000mAH 的電池,如果自放電率是50uA,10年就是 10年 X 365天 X 24小時 X 50 uA = 4380 mAH,約 50% 的電能被自身漏掉了,所以有效的電池電量其實只有50%。
關(guān)于自放電的快速、精確測量,利用我們BT2191A或BT2152的自放電測試系統(tǒng),可精確測量自放電電流絕對值(uA),而不是電壓相對變化量的K值。
IoT精密功耗分析,及BT2191A自放電測試系統(tǒng),上幾篇文章已經(jīng)有詳細(xì)介紹過了,這里不再贅述。點(diǎn)擊回顧 >>>(鏈接至原來幾期文章集錦頁,但目前微信后臺功能似乎有點(diǎn)問題,稍后會更新此鏈接)
如何評估電池的續(xù)航時間呢?
簡單粗暴的估算方式,就是用電池標(biāo)稱的電量,除以平均電流。但這個方法其實不太靠譜。
相信很多人有開車的經(jīng)歷,除了土豪,都會關(guān)心汽車的油耗。在99%的情況下,我們的油耗要高于標(biāo)稱理想油耗。這是因為標(biāo)稱油耗有諸多的條件:發(fā)動機(jī)需要預(yù)熱、在80km/H勻速的情況下,不能上坡,長安街式的平整路面,沒有紅綠燈等等、等等。所以,我們正常的油耗高出20-30%是再正常不過的事情。所以,有些廠家有“綜合工況” 或“城市路況”的標(biāo)注油耗參考。
同樣,電池在標(biāo)稱電量的時候,電池廠家往往標(biāo)稱的是“理想電量”。就是用一個固定的放電率,如0.5C,0.2C 等放電來測試電量。 但在智能設(shè)備、特別是NB-IoT 設(shè)備在工作時,脈沖式的耗電方式就像汽車不斷急加速、剎車、上坡、下坡, 無情折磨著你的可憐的小電池。
如何相對準(zhǔn)備地驗證電池在實際工作場景下的工作時間,而且不需要10年的時間?
我們可以仿真一個NB-IoT設(shè)備的實際電流工作場景,之后對電池數(shù)十倍、甚至數(shù)百部的加速測試。
我們來看下面這張圖,典型的NB-IoT設(shè)備的電流特性。假定在每個周期的喚醒的2.67ms 中,峰值電流可能高達(dá)300mA以上,平均電流100mA:
耗電量 = 100mA x 2.67mS = 0.267mAS
在接下來的5秒中的休眠狀態(tài),電流穩(wěn)定在10uA。耗電量 =0.01mA x 5S = 0.05mAS
因此,80% 的電量用在了Active狀態(tài),而且峰值高,時間短、功率大, 對電池性能摧殘嚴(yán)重。 在休眠狀態(tài), 耗電低,電流穩(wěn)定, 時間長,對電池性能影響小。 所以, 我們更關(guān)注一下Active狀態(tài)的功耗。
為了仿真NB-IoT 電流的實際場景,在實現(xiàn)加速測試,我們構(gòu)建了以下環(huán)境:
第一步
利用NB-IoT的基站模擬器,仿真實際工作場景,再利用N6705+N6781A模塊捕獲電流工作狀態(tài),特別是Active狀態(tài)的電流波形。
第二步
利用在N6705配套的14585A軟件,將電流波形鏡像反轉(zhuǎn),變成N6781A模塊的負(fù)載工作時的任意波形,即吸收電流的波形。請注意,N6781A是一個雙象限電源,既可以做電源,又可以做負(fù)載。
▲ 使用電流電平觸發(fā)功能,200KSa/s高速采集輸出電流,在軟件中保存波形
▲ 波形鏡像后,使用Arb功能,將翻轉(zhuǎn)后的電流波形下載到N6705電源中,回放剛才開機(jī)瞬間的電流波形
第三步
把負(fù)載吸收電流的任意波形進(jìn)行優(yōu)化,例如將休眠時間減少到5ms,同時設(shè)置N6781A設(shè)為負(fù)載模式,接上需要驗證的電池。利用N6705仿真真實的負(fù)載,對電池進(jìn)行測試。由于休眠狀態(tài)從5秒降低到 5mS,使整個測試過程加快了1000倍!對于預(yù)測10年工作時間的設(shè)備來說,一周之內(nèi)即可完成評估。
N6705C直流電源分析儀
低功耗和電池分析的神器
利用N6705連續(xù)監(jiān)測電池的端電壓,可以判斷電池壽命是否已經(jīng)接近終結(jié)。但我們認(rèn)為監(jiān)測電池可以輸出的最高峰值電流,可能會更接近與實際值。這是因為在NB-IoT中,電池壽命終結(jié)絕不是因為電量用光了,而是由于由于內(nèi)阻等原因,造成瞬間的峰值電流輸出小于設(shè)備需要的最大電流,從而造成誤碼率上升,甚至可能電源觸發(fā)關(guān)機(jī)電路。
因此,如果發(fā)現(xiàn)峰值電流低于設(shè)備正常工作所需的門限值,就意味著電池壽命接近終結(jié)了。N6781A中還有內(nèi)置的電量計,這樣就可以看到這個測試過程在吸收的總電量值。這實際上也是可以利用的電池的電量。這個值肯定會小于電池的標(biāo)稱電量。
利用以上這種方法,可以相對準(zhǔn)確地評估 NB-IoT 在各種不同工作場景、或是混合的工作場景下電池的工作壽命;如果將電池置于不同的溫度環(huán)境中,可以看到溫度對電池壽命的直接影響;如果再結(jié)合電池的自放電特性,那評估結(jié)果也將更解決實際情況了,從而讓你對真?zhèn)€產(chǎn)品的設(shè)計更有信息!
產(chǎn)品鏈接:N6705C電源分析儀