電池壽命和低功耗是現代電池供電電子產品的持續關注點。在設計過程開始時估計它們可能非常具有挑戰性。事實上，電池壽命和功耗幾乎取決于所有設備特性：它的硬件、電池、固件、用例和它的環境。如果這些系統方面中的每一個都可以或多或少地準確地進行評估，那么在同一設計空間中考慮它們是一項復雜的任務。

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。

這是一個錯誤且危險的假設。

所有這些方面都是相互依存的。常規方法包括：

使用電子表格和數據表建立分析模型和/或

開發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。分析方法不考慮設備的動態行為。這會導致誤導性的結果和性能不佳的設備（如果有的話）。部分原型方法是不完整的；這意味著需要時間來制造/開發原型，并且工程師需要進行大量工作來測量和生成也可能具有誤導性的結果（即，因為它是部分的而不是完整的）。

更不用說數年長電池壽命設備的情況，其中測量幾乎是不可能的。

在本文中，我將介紹我們如何解決這個估計問題，并創建一個仿真工具和一個模型庫，幫助數百名工程師探索幾種可能的架構并更好地設計他們的設備。

模型

圖 1：建模抽象

要建模的第一個對象是硬件（即組裝和嵌入設備中的電子元件）。有多種建模語言和框架允許對電子元件進行建模（參見圖 1）。他們每個人都有自己的特點和局限性。在 Wisebatt，我們選擇根據組件的內部行為對組件進行建模。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。組件的輸入參數是使用其數據表定義的。我們考慮了它們的每種功耗模式和相關消耗以及它們的每個內部狀態機。這種方法可用于模擬、數字和混合信號組件。?

第二個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），它都是一種復雜的化學電源，其特性會根據幾個參數而變化。在我們的上下文中，最重要的事實是 1) 它們的標稱容量不是完全可用的，2) 它們的電源電壓既不穩定也不線性 。有多種建模電池的方法。我們選擇使用混合方法對它們進行建模，該方法考慮了內部電阻變化、電源電壓下降和實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備截止電壓的時刻：這正是準確估計電池壽命所必需的。

圖 2：Sigfox Sens'it 硬件的示意圖

最后一個要考慮的“對象”是固件。每個組件都有一個功能模型。該功能模型嵌入了一個指令集，表示組件可以實現什么（例如，進入低功耗模式、傳輸信號等）。我們開發了一個名為 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備固件和行為。擁有 UIS 的另一個優點是計算元件（例如，微控制器）可以非常容易地交換。

模擬

除了建模之外，運行一致的仿真也是一個挑戰。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備的行為，就必須始終如一地運行仿真。我們的模擬內核使用源自快速事件驅動 (FED) 方法的離散事件機制。對于上述方法，每個模擬的事件（即，每條指令）將在給定時間被處理（即由 UIS 執行），并且總時間將在每個處理的事件之后進行。

默認情況下，美聯儲的兩個事件之間不應該發生任何事情。我們添加了一種自適應 (SA) 機制，該機制根據電池和組件模型的非線性程度在兩個注冊事件之間插入多個事件。這允許更準確的結果，因為組件和電池的電氣參數將更頻繁地更新。相比之下，離散方法更容易引起計算錯誤。

當達到第一截止電壓（即，截止電壓的最大值）時，模擬然后停止。系統在模擬中花費的時間是它的電池壽命。

結果及其準確性

在模擬結束時，所有單獨的組件日志都可用。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?？焖俚匕l現和優化耗電組件/功能來優化功耗。每次模擬都需要幾分鐘，這大大減少了評估架構或優化所需的時間。

圖 3：電源電壓曲線示例




圖 4：電流繪制曲線示例

仿真結果已在 200 多個設備上得到驗證。實驗包括對電池壽命從幾天到幾年不等的不同設備的環境控制和環境溫度測試，使用一次電池和二次電池，以及不同的硬件和固件?？傮w而言，電池供電電壓估計的平均誤差為 6.17%。關于電池壽命的準確性，我們觀察到的結果介于實際電池壽命的 88.44% 和 103.25% 之間，平均誤差約為 -6.93%。

圖 5：消耗明細和時間與能源對比示例

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，我們現在提供對設計或優化低功耗設備必不可少的補充信息。目標：自動化大部分低附加值和耗時的任務（即物料清單估算、組件的電氣和功能兼容性、組件的配置和供應限制）。

審核編輯：劉清