从物理测量到软件仿真，延长电池续航问题

电子发烧友网报道（文/李诚）随着电池技术的发展，电池的应用正向各个领域快速渗透，说到应用电池的产品，很多人都会存在续航焦虑的问题，尤其是日常使用较为频繁或功耗较大的设备。影响电池应用设备续航的因素不仅仅只是电池材料、电池能量密度，用电设备的应用场景和电路、元器件的设计对电池的续航能力也有很大的影响。因此，产品的电路设计环节与调试环节极其重要。
 
在产品设计、调试过程中，开发工程师往往会做一些电路有效性、功耗、电压与电流的监测分析等工作，在这一环节中对检测设备的精准度要求极为严格，使用存在误差的检测设备，可能会因为一些细小的参数变化无法侦测，导致终端产品存在功耗过大和潜在的安全隐患问题。
 
在电路检测过程中的主要会面临，电流变化过快，电信号无法及时捕捉。被测设备应用场景的多样性，需要长时间对设备进行测量才能保证设备的合理与安全性。处于待机或休眠状态的设备，电流往往会低至mA级甚至μA级，同时，在工作状态下，设备的电流也会由毫安级瞬间提升至数十A甚至上百A，在这些应用中，对测量设备的测量精度和采样频率都有着严格的要求。
 
11月7日，电子发烧友网举办了“2021电机控制先进技术研讨会”，是德科技的高级应用工程师陈时柱在研讨会中围绕着《延长电池供电的BLDC续航能力的深层考》的主题进行了分享，还展示了一系列可应用于测试、测量、模拟的软硬件产品。
 

 

图源：电子发烧友网摄

 
是德科技在测量领域有着80年的技术积累，测量技术也得到了不断地突破，据介绍，是德科技的测量设备具有高采样率、高分辨率的特点，能够快速捕捉瞬态的电压、电流，电流采样精度达到了μA级。同时，是德科技的测量设备能够对被测设备进行长时间的测量和记录，通过软件算法的配合，可对记录下的海量数据进行优化处理，并进行数据分析，这些测量精度与采样频率都是传统测量设备无法做到的。
 
在研讨会上，是德科技介绍了N6705C直流电源分析仪和BV9200B电源控制软件。N6705C分析仪内部集成了数字万用表、示波器、波形发生器以及数据记录仪，在接口方面，N6705C提供了4个插槽，同时可为4台待测设备进行测量，进而提高了电压、电流测量的效率。其中，数字万用表的电压测量精度为0.025%/50 µV，电流测量精度为0.025%/8 nA。示波器可对电压电流数据进行数字化处理，采样精度高达200KSa/s，能够精确捕获快速变化的电压、电流数据信息。波形发生器最高支持带宽为100 kHz，功率为500W波形输出，多用于模拟设备的波动测试。N6705C还具备了数据记录仪功能，可通过修改参数，配置20 µs到60 s的数据采集间隔并记录下每一节点采集到的数据。
 
BV9200B电源分析软件，这款软件可与4台测量设备相连，并实现实时控制。BV9200B可完成长/短时间波形分析、64KSa波形编辑以及统计分析等功能。这软件对瞬态电流、电压采样精度与N6705C一致。在长时间波形分析模式下，采样的分辨率达28bit，可进行长达1000小时的电路状态测量，并将采集到的数据保存于电脑中。在波形编辑模式下，可直接导入内置的标准波形、公式等，简化的软件使用的难度。为方便使用者对软件进行二次开发，这款软件还计入了API函数调用功能。
 
是德科技在本次研讨会的主要内容是围绕着电池续航能力与用电设备的功耗展开的。据是德科技介绍通过上文提到的N6705C直流电源分析仪和BV9200B电源分析软件，可直接通过仿真实现终端产品所需的功能，进而降低产品设计的缺陷和开发阶段的成本投入，提高产品开发效率。
 

 

图源：是德科技

 
在研讨会上是德科技分享了，用于无人机电池飞行续航时间和容量仿真的案例，用N6705C作为负载、BV9200B软件仿真，通过软件的监测能够实时地记录无人机由起飞到降落的全过程，能够让工程师更直观地看到设备运行电流、电压的变化，加速工程师对无人机在工作工程中功耗与性能异常的部分进行精准优化，进而提升电池的续航能力。
 

图源：是德科技

 
同时，还可以对电池的工作状态进行模拟，对电池的续航时间以及电池容量进行验证，通过电池模拟器直接调用任意规格的电池模型，通过配置参数调节电池内阻的大小、端电压、电池起点等。通过仿真直观地看出电流、电压的无缝变化，方便工程师及时发现电池电流、电压变化的异常，能够及时针对异常做出优化，提高电池性能。
 
结语
 
通过测量设备的测量与仿真软件对用电设备和电池工作状态的模拟，通过检测与仿真数据能够快速地发现功耗异常的节点，提高了工程师对产品优化的针对性，对延长电池供电设备的续航能力有很大的帮助。