Однако вопрос всегда остается тем же: как долго прослужит батарея? Для потребителя замена батарей — это хлопотное дело, а для крупномасштабных интегрированных систем управления энергопотреблением — дорогостоящий процесс. Поэтому продление срока службы батарей имеет решающее значение за счет создания динамических профилей энергопотребления и использования этих данных для выбора соответствующих химических методов и прогнозирования срока службы батарей.
В этой статье мы рассмотрим доступные методы и инструменты для точного прогнозирования срока службы батарей в интегрированной системе управления энергопотреблением.
Время автономной работы
стало неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Никому не нравится беспокоиться о зарядке устройств в течение всего дня, будь то электромобиль или скутер, или о том, хватит ли заряда умных часов или фитнес-трекера на тренировку в спортзале. То же самое относится и к устройствам с батарейным питанием, используемым в коммерческих или промышленных условиях, таким как датчики IoT. Крайне неприятно, когда у вашего фитнес-трекера садится батарея посреди тренировки, но в случае с промышленным датчиком последствия могут включать простои производства и значительные финансовые потери. Можно с уверенностью сказать, что время автономной работы напрямую влияет на успех продукта и репутацию бренда.
Становится все более очевидным, что ключ к успеху заключается в проектировании интегрированных систем с одной фундаментальной целью: снижение энергопотребления. Необходимые знания для внедрения аппаратных и программных методов, минимизирующих потребление энергии, имеют важное значение. С другой стороны, увеличение времени автономной работы также важно с точки зрения устойчивого развития, поскольку многие компании осознают влияние этого фактора на свой корпоративный профиль экологической устойчивости. В докладе говорится, что к 2025 году во всем мире будет ежедневно выбрасываться до 78 миллионов батареек, что является наглядным примером стоящей перед нами проблемы.
Цель: Снижение энергопотребления.
Для достижения приоритетной цели снижения энергопотребления разработчикам встроенных систем необходимо рассматривать свои приложения целостно. Вероятно, не существует быстрых и простых решений для снижения энергопотребления и увеличения срока службы батареи; как правило, это достигается итеративными шагами, каждый из которых представляет собой небольшое улучшение. Ниже приведены некоторые ключевые идеи, которые следует учитывать разработчикам встроенных систем.
• Определение энергопотребления. Какие функции схемы потребляют энергию и как они синхронизируются с другими компонентами? Это первые вопросы, которые мы должны задать, поскольку они имеют фундаментальное значение, если мы хотим поставить перед собой приоритетную цель снижения энергопотребления. Основной микроконтроллер оказывает значительное влияние на профиль энергопотребления устройства и обычно отвечает за управление питанием периферийных устройств; поэтому стоит задаться вопросом, какие режимы ожидания есть у микроконтроллера и как их можно использовать. Не следует забывать, что существует очень тонкий баланс между режимами глубокого сна и быстродействием приложения. В потребительском секторе устройство выходит из режима «глубокого сна», когда, например, пользователь касается экрана фитнес-трекера, и требуется несколько секунд, чтобы отобразить меню параметров или статус выполняемой активности.
• Управление жизненным циклом приложения. Как часто приложение должно снимать показания или запускать действие? Для умного термостата измерения температуры каждые тридцать секунд может быть достаточно. Более сложные датчики могут потребовать более быстрого режима работы. Частота активации устройства значительно влияет на профиль энергопотребления, поскольку уровни тока в таких ситуациях намного выше. Другой способ снизить потребление — отключить датчики и периферийные функции, пока микроконтроллер обрабатывает данные.
• Планирование задач для предотвращения скачков тока. Используя информацию, собранную в предыдущих двух пунктах, мы можем изменить планирование задач программного и аппаратного обеспечения, чтобы избежать скачков тока. Эти скачки негативно влияют не только на среднее потребление, но и на производительность батареи: высокие токи могут ускорить снижение уровня заряда батареи, тем самым сокращая срок ее службы.
• Выбор источника питания. Замена неперезаряжаемой батареи обходится дорого, что ограничивает ее полезность во многих областях применения. В большинстве случаев используются перезаряжаемые батареи, которые заряжаются на месте. Для этого процесса все большую популярность приобретают методы сбора энергии из таких источников, как солнечная энергия, энергия ветра, вибрация или радиочастотное излучение. Кроме того, в некоторых случаях, когда средний ток относительно низок, замена батареи на суперконденсатор или ультраконденсатор является жизнеспособным методом.
• Выбор правильной батареи. Помимо учета уже упомянутых элементов интегрированной разработки, важно также проанализировать характеристики самой батареи, поскольку существует множество различных типов, и задействованные химические процессы могут различаться. Наиболее важные параметры следует изучить в техническом описании, поскольку крайне важно определить, подходит ли идеальный профиль разряда батареи для рабочего цикла и характеристик энергопотребления приложения. Однако найти идеальную батарею для конкретного приложения непросто: встроенные системы имеют динамический профиль энергопотребления, а не статическую кривую разряда; поэтому нам, скорее всего, потребуется собрать больше информации.
Измерение потребляемого тока, пожалуй, является наиболее важным фактором при создании профиля энергопотребления для встроенной системы. Цифровые мультиметры удобны для тестирования и измерений, но обычно требуется более динамичный отклик, более широкий диапазон измерений и более высокая точность разрешения. Например, потребляемый ток беспроводного IoT-датчика с батарейным питанием может варьироваться от микроампера в режиме ожидания до многих миллиампер в рабочем режиме — динамический диапазон составляет 50:1. Эта динамическая характеристика требует использования специализированного измерительного оборудования, такого как линейка Qoitech Otii, которую мы обсудим ниже.
Как создавать профили тока в интегрированных системах:
Устройства для профилирования энергии Qoitech Otii Arc Pro и Otii Ace Pro специально разработаны для измерения энергопотребления в интегрированных системах с батарейным питанием и используют программное обеспечение Otii Pro для анализа энергии. Qoitech Otii Arc Pro (рис. 1) включает в себя профилировщик энергии, блок измерения мощности, анализатор постоянного тока и источник питания. Полный аппаратно-программный пакет позволяет измерять, анализировать и записывать уровни тока в реальном времени с точностью до 5 нА при частоте дискретизации 4 кс/с.
Рис. 1: Qoitech Otii Arc Pro, компактное и портативное устройство (Источник: Qoitech)
Источник питания Otii Arc Pro генерирует напряжение от 0,5 до 5 В постоянного тока с максимальным током 5 А, при этом в процессе измерения не добавляется дополнительное напряжение к нагрузке. Устройство интегрируется в измеряемую систему с помощью интерфейса UART Otii или контактов GPIO. Отладочные сообщения, отправляемые разработчиком с тестируемого устройства, синхронизируются с измерениями тока в реальном времени и отображаются на экране отладки (Рисунок 2). Этот метод позволяет инженерам точно отображать анализ потребления в точках обрыва и мониторинга.
Рисунок 2: В программном обеспечении Otii Pro отладочные сообщения UART с тестируемого устройства отображаются рядом с измерениями тока в реальном времени (источник: Qoitech)
Прибор Qoitech Otii Ace Pro обладает схожими характеристиками с Arc Pro, но его выходное напряжение достигает 25 В постоянного тока с шагом 1 мВ; кроме того, диапазон измерения тока составляет от наноампер до 5 А. Разрешение измерения составляет менее 0,4 нА, а частота дискретизации может быть установлена до 50 кс/с.
Характеристика и оценка батареи:
Мы уже обсуждали важность понимания характеристик разряда батареи и убедились, что это непростая задача в динамической интегрированной системе. Дополнительным дополнением к программному обеспечению Qoitech Otii является Otii Battery Toolbox.
Интегрированные системы становятся все более сложными, а коммерческие и экологические требования, связанные с продлением срока службы батарей, продолжают расти; поэтому необходим более научный подход к выбору батарей. Вместо того чтобы просто начинать с заданной емкости батареи и делить ее на среднее потребление для оценки срока службы, такие инструменты, как Otii Battery Toolbox, предлагают более объективную стратегию. Toolbox предоставляет три функции, позволяющие анализировать срок службы батареи на основе профиля разряда. Стандартное программное обеспечение Otii предлагает базовый инструмент оценки батареи, но Toolbox добавляет больше функций.
По мере разряда батареи выходное напряжение снижается. Точная степень снижения зависит от химических процессов и должна быть указана в техническом описании производителя. Интегрированная система будет продолжать работать до тех пор, пока не достигнет точки, где падение напряжения начнет влиять на ее функционирование.
Первый шаг в определении срока службы батареи с помощью Otii Battery Toolbox — это анализ производительности устройства в различных диапазонах напряжения батареи, от самого высокого до самого низкого напряжения, при котором устройство может работать без ошибок. Чем точнее измерения, тем точнее результаты. Программное обеспечение Toolbox может снижать выходное напряжение Otii, например, с шагом в 100 мВ между двумя пределами напряжения батареи. Первоначальный выбор батареи определит выбранный диапазон напряжения, но его можно изменить после получения результатов. Например, литий-полимерная батарея имеет выходное напряжение 4,2 В постоянного тока при полной зарядке и может падать до 3,0 В постоянного тока; ее не следует использовать за пределами этого предела.
На рисунке 3 показан профиль Otii Battery Toolbox устройства, работающего с различными напряжениями питания, от 3,7 до 4,5 В постоянного тока, с шагом 200/300 мВ. В правом верхнем углу изображения отображается минимальное, максимальное и среднее потребление тока для каждого диапазона напряжения.
Параметры профилирования батареи расположены в нижней центральной части экрана, где можно ввести два значения тока разряда и длительности: высокое для активного режима и низкое для неактивного режима. Также можно настроить напряжение остановки или количество итераций. Кроме того, можно ввести данные для первой тестируемой батареи.
Рисунок 3: Первые шаги в профилировщике батарей Otii Battery Toolbox; можно наблюдать динамические характеристики тока, потребляемого тестируемым устройством при четырех различных напряжениях питания (источник: Qoitech).
На следующем этапе профилирования тестируемое устройство извлекается из блока Otii, и подключается первая выбранная батарея. Программное обеспечение циклически переключается между высокими и низкими значениями во время теста, пока напряжение батареи не достигнет порогового напряжения или предела повторения. Затем профиль батареи сохраняется, чтобы Otii мог его эмулировать. Таким образом, выходные данные Otii имитируют внутреннее сопротивление и выходное напряжение профилируемой батареи, что облегчает дальнейшее тестирование. Благодаря этому методу выбор батареи становится конкретным процессом, а не серией предположений и догадок, обеспечивая гораздо более реалистичное и репрезентативное представление о том, как батарея будет работать на самом деле. Подробное руководство по процессу профилирования батареи можно найти по ссылке : https://www.youtube.com/watch?v=qF_Ylxxo0Wk.
Профилирование батареи в реальных условиях:
устройства с батарейным питанием становятся все более распространенными, поэтому продление срока службы батареи имеет решающее значение для любой встроенной системы. В этой короткой статье мы рассмотрели, почему необходимо уделять приоритетное внимание снижению энергопотребления, какие существуют проблемы при выборе батареи по техническим характеристикам и как мы можем преодолеть их с помощью Qoitech Otii Battery Toolbox.
Автор: Марк Патрик, Mouser Electronics
