利用模擬軟體提升物聯網電池關鍵效能

2023/10/9

電池使用壽命是影響物聯網(IoT) 設備的關鍵因素。

強化電池壽命,可顯著提高物聯網(IoT)基礎設施的可靠性並降低成本。消費性電子裝置使用者在選購產品時,會將電池壽命視為一項重要考量。但讓製造商感到頭痛的是,目前技術所計算得出的 IoT 裝置電池壽命通常並不準確。電池模擬和分析軟體是準確預測電池壽命的解決方案。模擬軟體還可深入分析電流消耗,以便改變裝置設計,進而延長電池運作時間。

電池模擬和分析軟體是準確預測電池壽命的解決方案。模擬軟體還可深入分析電流消耗,以便改變裝置設計,進而延長電池運作時間。

量測電池壽命的常用方法是將電池容量(以每小時安培數,即 Ah為單位),除以平均消耗電流(以安培,即A為單位),進而得出以小時為單位的時間數。然而在現實世界中,這種計算方式顯然過於簡化。

事實上,裝置會以使用中、睡眠和休眠等不同的電源模式交替運作,導致公式求得的結果極不準確。此外,定功率(Constant power)和定電阻(Constant resistance)等操作模式,會以不同方式從電池汲取電流,電池運作時間也會因而改變。因此,必須充分了解電池在不同情境下的響應方式,以及裝置的典型使用模式,以準確預測電池壽命。

除了電流消耗量不同外,電池容量也會隨著平均放電電流和使用模式而變化。圖 1 顯示,鹼性電池的放電容量,會因放電電流而有相當大的差異。此外,另一個重要考量是溫度也會影響電池壽命。圖 2 顯示溫度對電池容量曲線的影響。





以下因素可能導致公式計算的電池續航時間,比實際使用情況更長。包含無法取得電池模型/特性資料、電池特性資料並非在準確的裝置運作條件下產生、電流消耗量測結果不準確。以及未考慮壓降,例如裝置在電壓達到截止範圍而自動關機的狀況。

電池模擬和分析軟體是準確預測電池壽命的解決方案。模擬軟體還可深入分析電流消耗,以便改變裝置設計,進而延長電池運作時間。

本文將透過以下主題,討論如何使用模擬軟體來達成這些目標。一是透過充電/放電來分析電池,以建立獨特的電池模型。其次,模擬充電狀態以縮短測試時間、提高安全性,並深入分析以延長電池壽命。第三是視覺追蹤電池的充電和放電情況,以確定電池容量。第四,對電池進行循環充放電,以確定容量衰退和電池壽命下降的情況。

分析電池特性以建立獨特的電池模型
考量眾多原因,電池特性分析非常重要。此外,還需了解電池放電量隨時間變化時,電池可儲存和供應能量的電量。在電池放電時,開路電壓(VOC)和內電阻(IR)會持續變化,將其繪製成圖表即可讓電池特性資料準確反映電池的實際效能。圖 3 為典型的圖表範例。

此外,確認電池在特定放電條件和操作模式下的效能也很重要。影響電池特性的參數包括:溫度、負載電流分布(恆定/動態)、不同的操作模式,包括定電流、功率和電阻。這些參數會影響電池壽命,因此須針對特定的放電條件建立不同的電池特性資料。

模擬充電狀態以延長電池壽命
使用電池模擬器代替真實電池進行裝置測試,有三個原因。
   •   確保更安全的測試環境:反覆充電和放電後,電池會變得非常危險。使用模擬器則無需對電池進行充電和放電,提高安全程度。
   •   獲得可重複的結果:模擬電池的特性與實體電池無異,反倒是後者的特性在充電/放電後會產生波動。再者,即便是同一型號的電池,其特性也有所不同。
   •   縮短測試設置時間:相較於手動將電池電量消耗至所需位準,電池模擬器可協助即時模擬任何充電狀態(SoC)。
電池模擬器透過下列多個步驟運作。第一步是載入電池特性資料,此特性資料提供電池電壓和內電阻與 SoC 關係的資料,如圖 3 所示。電池特性資料可透過電池建模軟體的量測資料,或使用電池供應商提供的資料來建立。



使用建模軟體建立特性資料時,它可反映特定裝置的電流消耗情形,一般會比電池供應商提供的通用資料更為準確。舉例來說,如果電池供應商會在待測裝置消耗動態電流時,根據定電流汲取量來建立特性資料,則可忽略通用資料。圖 4 顯示,裝置的電流消耗特性資料被載入電池分析儀後,軟體會重複輸出波形,直到電池電量完全耗盡。



下一個模擬步驟是選擇啟動SoC和截止電壓。將裝置連接到模擬器,然後啟動電池模擬功能。電池模擬器可持續量測電流、充電或放電,進一步動態計算模擬的SoC。模擬器會根據SoC,持續改變其輸出(電壓和電阻),以符合所載入的電池特性資料。如果模擬器正在放電,則測試會在模擬器達到截止電壓時結束(圖5)。



藉由在不同 SoC 上快速模擬電池,可深入了解裝置的特性。圖 6 顯示對裝置電流消耗的深入分析。此分析可利用量測結果來改變 IoT 裝置的設計,以延長電池運作時間。


視覺追蹤電池的充電/放電以確定容量

開發物聯網裝置時,必須了解電池可儲存和輸送的能量。電池測試和模擬軟體可以視覺追蹤電池充電和放電情形,以確定容量。軟體必須同時支援定電流(CC)和定電壓(CV)模式,以便為電池充電。使用 CC 模式充電時,電池將達到滿電量,因此軟體需要從 CC 模式,切換為CC和CV組合模式。這種組合是必要的,因為當電池接近峰值電壓或峰值容量時,便無法以相同的速率進行充電。

電池放電時,軟體支援定電流、定電阻和定功率模式也很重要。使用測試和模擬軟體,直接從裝置生成電流消耗曲線。此項功能使電池能輕鬆放電,該放電曲線與實際電流消耗情形極為相近。除非在整個耗電量測試期間一直保持運作,否則很難使用實際裝置模擬這一點來執行電池耗電測試(圖7)。

https://www.coretechnology.com.tw/files/圖7_電池耗電測試.png

循環充放電以確定容量衰退/電池壽命下降情況

在充電和放電循環中,電池效能可能會大幅下降。因此,模擬電池循環至關重要。電池測試和模擬軟體是解決此問題的簡單方法,但軟體必須具備資料記錄功能。此外,電池測試和模擬軟體解決方案,必須能夠為電池建立不同的充電和放電特性資料。

它可組合不同的充電和放電序列,以模擬複雜的充電和放電循環特性(圖8)。接著,它們可確認電池效能是如何隨著時間而下降。模擬軟體解決方案是執行此任務的理想之選,因為它們可進行多達 1,000 次的循環操作,以確定電池在序列測試條件下的老化效應和可靠性。



電池測試挑戰重重

電流消耗和電池電量下降測試,讓工程師面臨許多挑戰。手動進行電池充放電極為耗時,但每個電池的特性都略有差異,因此必須在各種不同的充電位準下逐一進行測試。然而,電池參數和充電位準必須相同,才能正確地比較測試結果,但測試實體電池時其實很難達成此目標。此外,裝置充電後可持續使用的時間難以預測,因為廠商宣稱的電池壽命,往往跟真實狀況不符。

使用模擬電池可克服上述這些困難。首先,電池模型可提供良好的已知參考,進而提高測試結果的可信度。此外,工程師可即時變更電池的充電狀態,快速評估設計或軟體變更對電池壽命的影響。這些功能有助於增強設計,以實現更長的電池壽命和更小的電池體積。

軟體解決方案還可使用模擬的裝置電流消耗資料,自動執行電池電量耗盡的操作,以便準確估算電池壽命。相較於使用定電流來耗盡電池電量,此方法更為準確。而且這個自動化流程,比手動耗盡電池電量的流程更輕鬆。

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