标签: 电池评估

如果要分析手机、无线传感器、无线穿戴设备、无线抄表等的耗电特性，首先就需要精确捕获这些设备在不同工作状态下的电流波形。但这从来就不是一件容易的事情。一种验证电池工作时间最为简单的做法，就是将移动设备视为一个黑盒子 ， 直接测量其电池的工作时间， 或测量较长时间内的电流消耗 ， 然后根据标称的电池毫安时容量推测出工作时间。大多数认证测试只是验证电池运行时间。但这种测试非常粗略，如果换了一块电池，或者这重复测量一次，结果就可能大相径庭。重复性非常差。   然而 ，为了 优化电池工作时间，通常需要设计团队使用几种不同的测试方法进行深入分析， 这远远超出了仅仅对电池工作时间的验证。您不仅需要对元器件、部件、子电路和电池等进行单独的表征，而且还需要进行综合测试。详细地表征设备耗电特性可以更深入地分析器件的工作情况，以便您根据情况做出权衡，并优化电池运行时间。   无线设备的电流工作特性是高宽动态变化，占空比很小。因此，在测量过程中，不仅需要高于100 KSa /s 或更高速率的采样，还需要高于18bit的分辨率，对电池电流消耗波形进行数字化，以深入的分析提高充足的信息 ， 优化电池运行时间。   您可以采用多种方法来获得精确的波形 ， 其中某些方法具有一定的局限 ： l   利用电流探头和示波器可对高速波形进行数字化。然而 ，示波器 有限的动态范围、低精度和高噪声会严重限制这种方案的可行性。 l   相比于 电流探头和示波器 ， 高采样率数采系统和精确的分流器能够提供更佳的精度和更宽的范围。但您必须使用低阻值的分流器，以确保电流峰值时，分流器电阻造成的压降保持最小，以便不影响移动设备正常工作。然而，低阻值分流器较小的分流器压降，会严重限制电流测量动态范围和精度。 l   某些专用的直流电源分析仪结合了高速数字化仪和高动态范围的电流测量系统 ，无需使用 外部分流器和电流探头 ， 可以精确地表征移动设备的电流消耗 ， 而不会出现压降问题。   例如 ， 图 1 显示使用 Agilent N6781A SMU 电源模块 14585A 耗电分析 软件测得的手机在呼叫过程中的电流消耗。 N6781A 是一款专用的电池仿真器直流源模块 ， 可为移动设备供电，并同时以超过 195 KSa/s 的高采样速率和高达28bit的分辨率，对手机工作电流进行从纳安级到安培极的无缝隙测量。凭借高动态测量范围和高速数字化能力，该电源模块可以快速、深入地进行分析，以优化电池运行时间。 通过对智能手机进行深入分析 ， 可得出 ：   •             待机状态消耗电流值 •             待机状态持续时间 •             待机状态下，激活持续时间和电流值 •             发射状态消耗电流和 RF 功放附加效率（ PAE ） •             发射状态电流持续时间 以及其它更多的耗电参数   借助适当的测量功能 ， 电流消耗成为了获取详细信息以优化移动无线器件电池运行时间的窗口。   观看本应用提示的视频，请访问： http://v.youku.com/v_show/id_XMzU0NTkyOTY4.html?f=17996506

电池的容量是确定智能手机和其它移动设备续航时间的关键指标。但设计人员在为产品选用电池的时候， 只根电池据制造商的技术资料确定产品的续航时间 ， 而不具体验证用在该产品上的真实电池的容量和额定能量 ，得到的 结果一定不精确。电池的标称容量通常以理想条件为基础，代表可从电池获得的最大电量。但事实是， 在应用中进行验证时 ， 实际容量最终都小于标称容量 电池容量是电池规定拥有的以安时 （ Ah ） 或毫安时 （ mAh ） 表示的电容量。这与电池的额定能量不同，额定能量的单位是瓦特小时（ Wh ）。通过将电池容量（ Ah ）乘以标称的额定电压（ V ），您可以确定额定能量。对于移动设备的运行时间来说，电池的实际能量比电池的容量更重要，因此对这个两个值进行验证是非常重要的.温度和电池寿命也会影响从电池获得电量 ， 因此， 要确定移动设备的运行时间 ， 您还需要考虑这些因素。   验证电池的标称容量和额定能量需要在精密的控制条件下，精确地记录电压和电流。 对于充电电池来说， 在 充电和放电条件下 ， 极小的差异都可导致电池电容和能量出现巨大差异。因此，精确地复制和控制所有条件以获得良好的测量结果非常重要。一个关键条件是放电速率，通常表述为一定 AH 额定容量比例（简称为 C 率）下的恒定电流放电。例如，一个制造商可能会规定 0.3 的放电 C 率，因为高放电率可使电池提供的容量和能量降低。 从理论上讲 ， 0.3 的 C 率将使电池在 3.33 小时内完全放电。对于 2Ah 电池， 0.3 的 C 率将是 0.6 A 的恒定电流放电。还有一点值得注意的是，测得的额定能量可能因标称的额定电压的不同而不同，因为实际的电池放电电压特性可能使结果略有不同。确定电池的容量和额定能量时，精密地控制测试条件，同时精确地记录电池的电流和电压可确保精确、一致的结果。 验证电池容量和额定能量的实例 我们使用图 1 中描述的设置以固定的 C 率使手机的充电锂电池放电。 Agilent N6781A SUM 电 源模块提供完整的 2 象限功能，使其非常适合作为精密的高性能电子负载和直流源使用。使用 Agilent 14585A 软件快速设置和显示 0.3A 的恒定电流放电和 3.0V 的截止电压及长期数据记录，以验证电容和额定能量   图 2 显示电池容量和额定能量的验证结果。将测量标尺置于数据记录的起始和截止电压点上，显示出电池提供 879 mAh 和 3.32 Wh 。这两个值居然比于电池技术资料给出的 1Ah 和 3.6 Wh 额定值小15%！下一步是确定哪些因素导致了以上差异，然后评定是否可从电池中提取额外的容量。如图所示，最好不要假设电池的额定容量和能量将是您所要获得的容量和能量，将其作为确定手机和移动设备运行时间的一部分进行验证十分重要。   观看本应用提示的视频，请访问： http://v.youku.com/v_show/id_XMzY4NTg5MTE2.html?f=17996506

当您验证无线产品的电池续航时间时，需要根据实际用户的使用特征，仿真用户使用移动设备的实际习惯和环境， 进行精确的表征和测试。在这篇文章中，我将以智能手机测试为例，介绍具体的手段和过程。   简单 的通话时间和待机时间，实际上已无法表征电池的使用时间。目前的智能移动设备提供了丰富多彩的创新数据应用程序。这些应用程序许多是同时运行的。但这一切可能会导致电池运行时间不断缩短。   用户的实际使用特征、习惯和环境，反映了移动设备的实际使用情况，通过它可以更好地确定和验证电池的运行时间。移动通信运行商和工业标准一致性测试正在向此方向前进。   采用实际的用户使用特征验证电池使用时间，将会确保您的设备按照预期进行工作。表 1 显示了某些实际用户使用特征的实例。     表 1. 实际的用户使用特征实例   注：同时活动，不是所有用户使用特征都具有相同的事件顺序   在实际条件下验证电池使用时间，需要对用户活动和网络条件进行实际仿真。   电池耗电不是各个活动所用电流的加权和。用户活动和网络条件有同时发生的，也有先后发生的。当您验证电池使用时间时，为了获得真实的结果，测试系统需要以可比较的方式仿真这些用户活动和网络条件。它需要记录这些活动和条件，以及在适当时间段内的电池电流消耗，用于解释统计上的波动。它需要实现足够的自动化测试环境，使测试尽量变得“完整”，以便随时随地按照例行程序快速执行，实现出色的可重复性。同时，它应具有高度的灵活性，使您可以轻松地对测试程序进行修改，适应新的设计方案的测试，以及升级后的测试要求。        创建这样的测试系统需要大量的设备、软件、开发工作和文档。通过结合使用 Agilent N5972A 交互式功能测试（ IFT ）软件和 8960 或 E6621A 无线通信测试仪，以及 14585A 控制分析软件和 N6781A SMU 电源模块， 或 14565B 器件表征软件和 66319D 直流电源，可以显著地简化这一任务。图 1 显示了一个典型装置。您可以使用 N5972A 软件轻松地进行设置，并同时和按顺序运行多个活动和条件，仿真实际的用户使用特征和环境   N5792A 可 对 14565B 或 14585A 软件及各自的直流电源进行设置，以记录您的被测件电池耗电和活动以及网络条件。当使用 N5972A 的交互模式时，您可以自动生成程序代码， 并将其拖放到脚本编辑器中。代码随后可以进一步进行优化，帮助您快速开发自动测试。   典型的、以用户使用特征为基础进行的实际一致性测试的测试结果。   长期电池电流消耗测试是使用图 1 中的测试平台，针对表 1 中所列出的青少年、中年妇女、 PC 数据用户使用手机的特征进行设置和执行的。电池电流消耗还可用于确定和比较通话时间和待机时间。不同用户使用特征的电池使用时间有着相当大的差异，而仅依靠通话和待机模式下电池电流消耗测试结果，要想准确计算电池使用时间是不可能的   表 2 ：电池电流消耗 您的智能电话设备除了通话和待机模式之外，还具有许多创新的应用功能。因此，电池使用时间不断变短。为了确保电池使用时间不会成为用户抱怨的重点，您应根据用户在实际条件下使用设备的特征进行测试。   观看该应用提示的视频演示，请访问：   http://v.youku.com/v_show/id_XNDY4NDUxMTky.html?f=17996506   embed align="middle" allowfullscreen="true" allowscriptaccess="always" height="400" mode="transparent" quality="high" src="http://player.youku.com/player.php/Type/Folder/Fid/17996506/Ob/1/sid/XNDY4NDUxMTky/v.swf" type="application/x-shockwave-flash" width="480"/embed          

  为手机、无线穿戴设备、心脏起搏器、无线传感器等电池供电的设备选择合适的电池，是一项既重要但又极具挑战的工作。这不仅需要考虑产品期望的运行时间和对电源的需求，选择和评估市场上可能合适的电池，最重要的是要根据无线终端设备在可能的实际工作环境中，确定电池的运行状态，在一个模拟真实工作状态的环境中， 对备选电池的性能开展精确的评估。 做为手机或 iPad 的使用者，我们都会非常关注电池的续航时间。很多厂家也往往会在广告中炫耀有多长的待机时间等等。但就像中国的物价上涨指数一样，用户的使用感受往往离公布的数据相去甚远。事实上，电池的理化特性和不同的设计，造成了放电特性的差别。 而且，无线通信终端特殊的耗电特性， 特别是在工作过程中电流呈现出的不同占空比、大变化幅度的特性，要为它们寻找合适的电池，以确保设计要求的运行时间绝非是简单的课题。本文旨在关注这个过程， 希望能为工程师提供有益的借鉴。   第一步：考虑终端设备期望的运行时间和对电源的需求。 一个最常用，但又不太靠谱的办法是把预计的平均电流乘以期望的运行小时数，以计算出需要的电池容量。之所以说这个办法不太靠谱，是因为在实际使用条件下，如工作温度 、 峰值电流、峰值电流占空比（峰值电流与静态电流之比）等，都会影响电池的总能量（即容量），并进而影响设备的运行时间。也就是说，用简单的动态电流的数学平均值电流代表大变化范围的动态电流，其结果是用恒定电流的电池容量， 来替代电流大范围动态变化下的电池容量，这将会带来很大的误差和不确定度。 根据电池的特性，电池在放电的同时，也在进行电荷恢复。低电流长时间的工作周期是最有利于电荷的恢复，而持续高电流、高占空比、大电流的脉冲放电， 可能会打破这种平衡，从而降低了电池的容量。因此， 同一个电池来说，动态电流的电池容量和恒定电流的电池容量两者并不相同。对于无线终端的设计者，就要充分考虑到其终端的耗电特性， 应该是 把短持续的高电流脉冲和低静态电流长时间周期更好地搭配   例如，如果您的设备需要 180mA 的平均电流，并且想要它运行 10 小时，您将需要一个 1800mAh （毫安小时）的电池。但如果您的设备在 10 ％的运行时间中要拖拽 1.7A 的峰值电流，而在其余 90 ％的时间内只需要 10mA 的恒定电流，此时其数学平均值虽然仍为 180mA ，但此时 1800mAh 的电池有可能达不到 10 小时运行时间（取决于电池的化学过程和放电占空比时间）。                 图 1 常见的手机耗电电流波形   第二步：根据电池制造商给出的技术指标确定候选电池。这就是工程师或项目经理根据电池供应商提供的不同型号电池指标，确定几个候选方案。 第三步：根据技术指标评估电池性能。 由于电池制造商的质量控制过程所限，可能会发现同一批次内或不同批次间的电池性能并不完全一致。制造商可以不规定这种性能的差距，这就需要建立一套标准测试的测试过程来验证样本电池的技术指标。从而通过统计数据确定其性能变动量的范围。通常会根据所分析样本的最差容量选择电池。只要所采用的电池指标不会比这个最差的样本更糟糕，就基本能保障设备的更长运行时间。 除了跨批次测试外，您可能会希望能通过各种条件下， 如不同的放电率、充电率和温度， 来测试电池，建立电池如何响应不同条件的工作模型。 在市场上能找到实现全套电池标准测试的测试设备。厂家还为这套电池测试系统还提供全功能的软件，从而使工程师能建立起测量电池性能和容量的测试环境。表 1 列出了主要的电池测试指标。测试数据可以保存在数据库中，可根据生成的统计结果了解样本内和样本间的差异。通过这些测试，　就会完成制造商电池技术指标的全面验证。 表 1:   电池测试系统提供的典型电池测试项目一览表 第四步： 了解和评估无线通信终端在实际使用过程中，电池的性能。 这是最重要的一步，也是最具有挑战的。这一步，能真正了解电池在实际使用环境中的性能，验证它是否能确保无线通信终端的时间运行时间达到设计要求。最大的挑战来自无线设备本身多样而复杂的各种使用情况。例如智能手机，实际使用情况将随用户而异，由此设备设计师要建立一个或多个相应的使用案例。每一案例将包括语音通话、短信、上网、视频通话、流媒体视频、玩游戏、听音乐、 GPS 等等。在每项任务上花费的时间量因使用案例而异，有些使用情况要求高电流，而另一些则要求不高。 测试电池在无线设备如何耗尽的测试称为电池电量测试。这也是最难实现的测试。为进行实际使用环境中的电池电量测试，有两种可选方案。 1.   第一方案是电池提供 无线设备供电，同时检测实际工作环境中电池。在这项测试中，无线设备在要求的使用条件下工作，电池从充满电开始。在测试过程中，您连续测量和记录电池和无线设备间的电流及电池电压。有了这两个测量曲线，就可以看到在无线设备运行期间，从电池流出的真实动态电流，以及下降中的电池电压。从而对电池运行时间作出最切合实际的评估。在这个过程中，需要的设备包括手机综合测试仪，具高速、高分辨率、长期记录、零内阻的大动态电流测量仪表，如安捷伦 N6705B 直流源分析仪，配合 N6781A SMU 电源和测量模块， 还可能需要 GPS 信号源等。其优点是误差小。但测试成本比较高，在测试的过程中，必须使用手机、综测仪等设备持续不停地工作。 图 2 使用综测仪及手机对电池进行测试框图   1.   第二个方法是利用一个灵活的高速、高性能电子负载模拟无线设备耗电特性。其具体做法如下： 第一步：将手机按照设定的使用案例循环工作一次或若干次，记录下手机的电流耗尽曲线。 第二步：将手机的电流耗尽曲线输入电子负载。电子负载就可以按照该曲线电池电流，模拟手机的真实工作状态 第三步：将被测电池接在电子负载上，使其循环工作，同时监测电池的电压和电流。 这种方法能容易地通过重新编程， 模拟更多不同的使用案例，具有了最高的灵活性，而且成本也不高。虽然不能像第一种方法给出运行时间最真实的评估， 但会非常接近。 总之，电池的选择包括寻找合适的电池，通过验证技术指标了解同一批次、不同批次，以及不同制造商的指标差异，最后在模拟的真实使用的环境中测量实际运行时间。测试过程中需要的测试设备，除了无线终测仪、射频信号源、 LCR 表以外，一个重要的设备就是安捷伦的 N6705B 直流源分析仪。 N6705B 同时具备了高性能电源和电子负载、高速和高分辨数字表示波器、长时间数据记录、大功率任意波形发生器等功能，配合相关的软件，成为电池动态性能评估和无线通信终端耗电特性测试的重要工具和手段。   图 3 Agilent N6705B 和 14585A 分析软件。     了解更多信息，可观看优酷上的视频 http://www.youku.com/playlist_show/id_17066502.html