如何准确模拟功耗和电池寿命

电池寿命和低功耗是现代电池供电电子产品的持续关注点。在设计过程开始时估计它们可能非常具有挑战性。事实上，电池寿命和功耗几乎取决于所有设备特性：它的硬件、电池、固件、用例和它的环境。如果这些系统方面中的每一个都可以或多或少地准确地进行评估，那么在同一设计空间中考虑它们是一项复杂的任务。

人们可以争辩说，只要它们可以分开评估，它就没有那么重要。

这是一个错误且危险的假设。

所有这些方面都是相互依存的。常规方法包括：

使用电子表格和数据表建立分析模型和/或

开发部分原型来测试和评估这些方面的大部分。

这两种方法都有其缺点。分析方法不考虑设备的动态行为。这会导致误导性的结果和性能不佳的设备（如果有的话）。部分原型方法是不完整的；这意味着需要时间来制造/开发原型，并且工程师需要进行大量工作来测量和生成也可能具有误导性的结果（即，因为它是部分的而不是完整的）。

更不用说数年长电池寿命设备的情况，其中测量几乎是不可能的。

在本文中，我将介绍我们如何解决这个估计问题，并创建一个仿真工具和一个模型库，帮助数百名工程师探索几种可能的架构并更好地设计他们的设备。

模型

图 1：建模抽象

要建模的第一个对象是硬件（即组装和嵌入设备中的电子元件）。有多种建模语言和框架允许对电子元件进行建模（参见图 1）。他们每个人都有自己的特点和局限性。在 Wisebatt，我们选择根据组件的内部行为对组件进行建模。功耗建模在非常低的级别（即接近 Spice 模型），组件的所有功能都在非常高的级别建模。组件的输入参数是使用其数据表定义的。我们考虑了它们的每种功耗模式和相关消耗以及它们的每个内部状态机。这种方法可用于模拟、数字和混合信号组件。 

第二个要考虑的对象是电池。无论是初级（不可充电）还是次级（可充电），它都是一种复杂的化学电源，其特性会根据几个参数而变化。在我们的上下文中，最重要的事实是 1) 它们的标称容量不是完全可用的，2) 它们的电源电压既不稳定也不线性 。有多种建模电池的方法。我们选择使用混合方法对它们进行建模，该方法考虑了内部电阻变化、电源电压下降和实际非线性容量随放电的下降。通过这样做，我们可以模拟电池供电电压超过设备截止电压的时刻：这正是准确估计电池寿命所必需的。

图 2：Sigfox Sens'it 硬件的示意图

最后一个要考虑的“对象”是固件。每个组件都有一个功能模型。该功能模型嵌入了一个指令集，表示组件可以实现什么（例如，进入低功耗模式、传输信号等）。我们开发了一个名为 UISS 的通用指令集模拟器，它允许我们的用户以简单的方式描述他们的设备固件和行为。拥有 UIS 的另一个优点是计算元件（例如，微控制器）可以非常容易地交换。

模拟

除了建模之外，运行一致的仿真也是一个挑战。一旦用户组装了组件和电池模型（参见图 2）并在固件建模中定义了设备的行为，就必须始终如一地运行仿真。我们的模拟内核使用源自快速事件驱动 (FED) 方法的离散事件机制。对于上述方法，每个模拟的事件（即，每条指令）将在给定时间被处理（即由 UIS 执行），并且总时间将在每个处理的事件之后进行。

默认情况下，美联储的两个事件之间不应该发生任何事情。我们添加了一种自适应 (SA) 机制，该机制根据电池和组件模型的非线性程度在两个注册事件之间插入多个事件。这允许更准确的结果，因为组件和电池的电气参数将更频繁地更新。相比之下，离散方法更容易引起计算错误。

当达到第一截止电压（即，截止电压的最大值）时，模拟然后停止。系统在模拟中花费的时间是它的电池寿命。

结果及其准确性

在模拟结束时，所有单独的组件日志都可用。这些日志包括电源电压（参见图 3）和电流消耗（参见图 4）以及它在其操作模式下消耗了多少能量（参见图 5）。这些日志可用于通过非常快速地发现和优化耗电组件/功能来优化功耗。每次模拟都需要几分钟，这大大减少了评估架构或优化所需的时间。

图 3：电源电压曲线示例




图 4：电流绘制曲线示例

仿真结果已在 200 多个设备上得到验证。实验包括对电池寿命从几天到几年不等的不同设备的环境控制和环境温度测试，使用一次电池和二次电池，以及不同的硬件和固件。总体而言，电池供电电压估计的平均误差为 6.17%。关于电池寿命的准确性，我们观察到的结果介于实际电池寿命的 88.44% 和 103.25% 之间，平均误差约为 -6.93%。

图 5：消耗明细和时间与能源对比示例

所提供的仿真工具、其功耗和电池寿命分析可在“电源分析”功能中找到。此外，我们现在提供对设计或优化低功耗设备必不可少的补充信息。目标：自动化大部分低附加值和耗时的任务（即物料清单估算、组件的电气和功能兼容性、组件的配置和供应限制）。

审核编辑：刘清