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。在設計過程開始時對它們進行估計可能非常具有挑戰性。事實上，電池壽命和功耗幾乎取決于設備的所有特性：硬件、電池、固件、用例和環境。如果這些系統方面的每一個都可以相對準確地自行評估，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，只要它們可以單獨評估，它就不是那么重要。

這是一個錯誤和危險的假設。

所有這些方面都是相互依賴的。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。

兩種方法都有其缺點。分析方法不考慮設備的動態行為。這會導致誤導性結果和性能不佳的設備(如果有的話)。部分原型制作方法是不完整的;它意味著制造/開發原型的時間以及工程師測量和產生可能誤導的結果的大量工作(即，因為它是部分的而不是完整的)。

更不用說電池壽命為幾年的設備幾乎不可能進行測量的情況。

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

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圖 1：建模抽象

要建模的第一個對象是硬件(即組裝并嵌入設備中的電子元件)。有幾種建模語言和框架可以對電子元件進行建模(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其進行建模。功耗建模在非常低的級別(即，接近 SPICE 模型)，并且組件的所有功能都建模在非常高的級別。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電源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：

它們的標稱容量不能完全訪問;和

它們的電源電壓不是穩定的，也不是線性的。1-3

有幾種方法可以對電池進行建模。我們選擇使用一種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的非線性容量隨著放電而下降。通過這樣做，我們可以模擬電池電源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。

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圖 2：Sigfox Sens'it 硬件的示意圖

最后要考慮的“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，該指令集表示組件可以實現的功能(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 UISS 的另一個優點是計算元件(例如，微控制器)可以很容易地交換。

模擬

除了建模之外，運行一致的模擬也是一個挑戰。一旦用戶組裝了組件和電池模型(圖 2)，并且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。我們的仿真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，FED 中的兩個事件之間不應發生任何事情。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。

然后，當達到第一個截止電壓(即，截止電壓的最大值)時，模擬停止。系統在模擬中花費的時間就是它的電池壽命。

結果及其準確性

在模擬結束時，所有單個組件的日志都可用。這些日志包括電源電壓(圖 3)和電流消耗(圖 4)，以及在其工作模式下消耗了多少能量(圖 5)。這些日志可用于通過非常快速地發現和優化耗電組件/功能來優化功耗。每次模擬需要幾分鐘，這大大減少了評估架構或優化所需的時間。

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圖 3：電源電壓曲線示例

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圖 4：電流消耗曲線示例

仿真結果在 200 多臺設備上得到驗證。實驗包括對不同設備的環境控制和環境溫度測試，這些設備的電池壽命從幾天到幾年不等，同時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，電池供電電壓估算的平均誤差為 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%。

　　審核編輯：湯梓紅