影響物聯網(IoT)設備的關鍵因素－電池使用壽命，4種提升電池性能方法！

電池性能測試：如何評估和優化電池效能? 電池使用壽命對物聯網（IoT）基礎設施的成本和可靠性有很大影響，消費電子設備的電池使用壽命更是影響消費者購買與否的關鍵考慮因素。然而在實際情況中，通過計算得出的電池效能、電池壽命往往是不準確的，因此，電池壽命測試、電池效能評估與分析對設備製造商來說至關重要，更需一台電池模擬器！

本文包含以下部分，可點選快速連結（附E36731A電池模擬實際測試影片影片）

◆ 分析電池以創建獨特的電池模型－強大的電池模擬器
◆ 模擬充電狀態以減少測試時間，提高安全性，獲得洞見並延長電池使用壽命
◆ 追蹤電池的充放電過程，並實現整個過程的視覺化，以確定電池容量
◆ 執行電池迴圈充放電測試，以確定電池容量和電池使用壽命的衰減情況
◆ 使用Keysight E36731A 電池模擬器和分析儀實現具絕佳電池續航力的設計
◆ 實際解析影片：同時具備電池模擬、耗電分析、電子負載及電源供應器功能的Keysight E36731A電池模擬器和分析儀

 

是德科技 E36731A 電池模擬器配備 BV9211B PathWave BenchVue 進階電池模擬軟體，可為您提供最佳 的測試環境，以便毫不費力地執行電池測試和電池模擬。 您可對電池執行充電、放電、自動建立電池在各 種測試條件下的特性檔，以便模擬待測裝置（DUT）的各種充電狀態（SoC）。 此外，您還可透過簡單易 用的電池循環器，全面監測電池的老化率和穩定度。 Keysight E36731A 和 BV9211B 組成了一套完整的電 池模擬解決方案，讓您能利用輕巧的桌上型儀器，執行全方位的測試、模擬和自動化作業。

衡量電池使用壽命的方法之一是用電池容量（以安培小時為單位）除以平均電流消耗（以安培為單位），從而得出電池的執行時間（小時）。然而，在現實世界中，這種計算方法則過於簡單了。

事實上，由於設備使用不同的電源模式，包括運行模式、睡眠模式和休眠模式等，因此根據上面的公式可能會得出不準確的結果。此外，恒定功率和恒定電阻等操作模式將以不同方式從電池中獲取電流，並改變電池的運行時長。充分瞭解電池如何回應不同的應用場景以及設備的典型使用模式對準確預測電池的使用壽命至關重要。
 
除了電流消耗不同之外，電池容量也是可以改變的，具體取決於平均放電電流和使用模式。在圖1中可以看到，隨著鹼性電池放電電流的增大，放電容量也發生了相當大的變化。

 
此外，溫度也會影響電池的使用壽命，這是另一個需要考量的關鍵因素。圖2中的曲線顯示出了溫度究竟如何影響電池容量。
 

 
還有一些其他因素也可能會導致計算得出的電池執行時間比實際使用時間更長，這些因素包括：
 
· 電池模型或設定檔不可用
· 沒有嚴格按照準確的設備操作要求生成電池設定檔
· 電流消耗的測量結果不準確
· 沒有考慮到電壓下降的問題，例如當電壓達到設定的截止電壓值時，設備就會關閉。

Keysight E36731A電池模擬器和分析儀搭配 BV9211B進階電池模擬軟體是一種用於準確預測電池使用壽命的解決方案。此外，還可以對電池進行多達 1,000 次的循環操作，以便確認電池的老化效應，以及在經過排序之測試條件下的可靠性。如此一來，即可快速最佳化電池供電裝置，以延長電池續航力。

本文探討了如何使用類比軟體來實現這些目標，主要包括以下議題：

 

分析電池以創建獨特的電池模型

出於一些原因，對電池進行分析和定性是很重要的。同時也有必要瞭解在經過一段時間的放電之後，電池可以儲存和提供的電量。電池的開路電壓（VOC）和內阻（RI）在放電過程中會產生變化。將這些變數繪製出來是非常關鍵的，這樣電池設定檔就能準確地反映電池的實際性能。圖3就是此種圖表的典型示例。

 
另外，確認電池在特定放電條件和操作模式下的性能表現也不可忽略。影響電池性能的參數包括：  
這些參數會影響電池的使用壽命。因此，創建不同的電池設定檔以匹配特定的放電條件是至關重要的。

模擬充電狀態以減少測試時間，提高安全性，獲得洞見並延長電池使用壽命

為什麼要用電池模擬器而不是直接用電池進行設備測試？ 在利用模擬器時，無需對電池進行充電和放電。反覆對電池進行充電和放電會帶來危險。 模擬電池的特性與物理電池相比沒有差異，而物理電池的特性在充電/放電之後會有波動。即使是同一型號的電池之間性能也會有差異。 即時模擬任何充電狀態（SoC），而不是手動將電池消耗到所需的電量水準。
 
電池模擬器的工作分為多個步驟。第一步是載入電池設定檔。對應曲線上的資料展示出了電池電壓和內阻與SoC的關係，如圖3所示。 工程師可以通過使用E36731A電池模擬器和分析儀搭配 BV9211B進階電池模擬軟體進行測量來創建電池設定檔，也可以從電池供應商處接收設定檔。
 
利用電池模擬軟體創建的設定檔能夠反應出特定設備的電流消耗，這會比電池供應商提供的通用設定檔更加準確。舉例來說，如果電池供應商在待測物消耗動態電流的情況下，根據恆定電流創建設定檔，那這份通用設定檔就沒有幫助。圖4是將一台設備的電流消耗曲線載入到一個E36731A電池模擬器和分析儀中。然而電池模擬軟體可以不斷重複這一波形，直到電池完全耗盡。

 
下一個模擬步驟是選擇起始SoC和截止電壓。將設備連接到E36731A電池模擬器上，開始模擬電池。電池模擬器持續測量電流、充電或放電，並動態的估算類比的SoC值。模擬器根據SoC值不斷改變其輸出（電壓和電阻），以符合載入的電池設定檔要求。如果模擬器正在放電，當模擬器達到設定的截止電壓值時，測試就會結束。

 
通過迅速模擬不同SoC狀態下的電池，可以迅速而深入的瞭解設備的操作情況。圖6顯示的是對設備電流消耗狀況的分析和洞察。利用這一分析得出的測量結果可以改變物聯網設備的設計，從而實現更長的電池續航時間。

圖6：使用BV9210B/11B PathWave BenchVue進階電池模擬軟體對脈搏血氧儀醫療物聯網設備的電流消耗情況進行分析
 

追蹤電池的充放電過程，並實現整個過程的視覺化，以確定電池容量

就物聯網(IoT)設備而言，有必要充分瞭解其電池可以儲存和提供的電量。Keysight E36731A 搭配 Keysight BV9211B Pathwave BenchVue 進階電池模擬軟體能夠追蹤電池的充放電過程，並實現整個過程的視覺化，以確定電池容量。

軟體必須同時支援在恆定電流（CC）模式和恆定電壓（CV）模式下為電池充電。在CC模式下為電池充電，當電池達到滿電狀態後，軟體需要從CC模式切換到CC加CV的組合模式。這種組合是非常有必要的，因為當電池接近峰值電壓或峰值容量時，不能以相同的速度為電池充電。
 
在電池放電時，軟體可以支援恆流、恆電阻和恆功率三種模式的能力也很重要。Keysight E36731A 搭配 Keysight BV9211B Pathwave BenchVue可以創建一個直接從設備上生成的電流消耗曲線。這種功能讓使用者能夠輕而易舉地對電池進行放電，並且其電流消耗曲線與實際使用過程中的電流消耗曲線高度一致。若直接使用實際的終端設備模擬這個過程、執行電池放電測試是非常困難的，除非該設備能夠在整個放電測試過程中保持運行。

執行電池迴圈充放電測試，以確定電池容量和電池使用壽命的衰減情況

電池的性能在持續的充電和放電過程中會明顯下降，這就是為什麼需要模擬電池的迴圈充放電。Keysight電池模擬器和分析儀是一套簡單易用的解決方案，但是該軟體需要支援資料記錄功能。此外，當電池測試和類比軟體解決方案能夠為電池創建不同的充電和放電設定檔的時候才真正具有價值。

這樣才有可能將不同的充電和放電序列結合起來，模擬複雜的充放電迴圈曲線。然後，工程師就可以確認電池的性能是如何隨著時間的遷移而降低的。Keysight電池模擬器和分析儀解決方案是這方面的理想選擇，可以實現例如通過多達一千次的迴圈操作，確定電池在序列測試模式下的老化效應和可靠性。

使用Keysight E36731A 電池模擬器和分析儀實現具絕佳電池續航力的設計

新款E36731A是經濟型的電池模擬器和分析儀，結合電源、負載功能於一體，功率200W的寬範圍電壓和電流輸出、前面板電壓和電流即時波形和脈衝波形（*負載模式）顯示等高階功能。在BV9211B進階電池模擬軟體的控制下，支援四種操作模式，即電池模型提取、電池模擬、充放電測試和迴圈充放電測試，幫助工程師進行電池的快速選型、壽命測試和產品續航（剩餘電量）等測試。
 

關鍵性能指標	E36731A+BV9210B
功率、電壓、電流	200W，30V，20A
電壓精度	0.03%+4.2mV
電流測量精度（20A量程）	0.05%+250uA
電流測量精度（2A量程）	0.05%+300uA
電流測量精度（100mA量程）	0.035%+10uA
內阻範圍	-50 mOhm至1000 Ohm
電池模型提取	支援
電池模擬器	支援
電池迴圈充、放電	支援
資料記錄儀	支援

 

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