Jak dobrać właściwą baterię do urządzenia bezprzewodowego?

Znalezienie baterii, która zapewni odpowiedni czas pracy urządzenia bezprzewodowego nie jest proste. W poniższym artykule znajdziesz jasne wskazówki, dzięki którym wybór najlepszego akumulatora do Twojego projektu będzie znacznie łatwiejszy.

Kluczowe wnioski

Dobór pojemności rozpoczyna się od pomnożenia średniego prądu przez liczbę godzin, ale rzeczywisty czas pracy zmienia się wraz z temperaturą, prądem szczytowym i cyklem.
Obciążenia dynamiczne ≠ stała średnia wartość: profil pulsacyjny nie pasuje do czasu pracy na stałym prądzie o tej samej średniej.
Sprawdź informacje w arkuszu danych: przetestuj wiele partii i warunków; wybierz opcję, aby uzyskać pojemność dla scenariusza najgorszego przypadku.
Testy sprawdzające (w urządzeniu lub z symulowanym obciążeniem) dają najbardziej realistyczne wartości czasu pracy.

Po pierwsze, należy wziąć pod uwagę zapotrzebowanie urządzenia na energię i wymagany czas pracy. Biorąc pod uwagę średnie natężenie prądu pobieranego z baterii i mnożąc je przez liczbę godzin wymaganego czasu pracy, można obliczyć wymaganą pojemność baterii. Należy pamiętać, że jest to tylko przybliżona wartość szacunkowa. Na całkowitą ilość energii (tj. pojemność) dostarczaną przez baterię do urządzenia, a tym samym na czas pracy, wpływają rzeczywiste warunki eksploatacji, takie jak temperatura robocza, prąd szczytowy i cykl pracy (stosunek prądu szczytowego do prądu spoczynkowego). Innymi słowy, nawet jeśli bardzo zmienny prąd dynamiczny może być reprezentowany przez pojedynczy prąd średni, pojemność dostarczana przez baterię w odpowiedzi na bardzo zmienny prąd dynamiczny nie będzie taka sama jak pojemność dostarczana w odpowiedzi na stały prąd równy średniej matematycznej prądu dynamicznego.

Na przykład, jeśli Twoje urządzenie wymaga średniego prądu 180 mA a ma działać przez 10 godzin, potrzebna będzie bateria o pojemności 1800 mAh (miliamperogodzin). Jeśli urządzenie pobiera prąd o natężeniu szczytowym 1,7 A przez 10% czasu pracy i 10 mA przez pozostałe 90% czasu, podczas gdy średnio jest to 180 mA, może nie być możliwe osiągnięcie tego samego 10-godzinnego czasu pracy z baterii 1800 mAh (w zależności od chemii baterii i cyklu rozładowania).

Wybór odpowiedniej baterii

Kolejnym krokiem jest wybranie odpowiedniej baterii na podstawie karty katalogowej producenta.

Następnie należy ocenić, jak dobrze bateria działa w stosunku do specyfikacji technicznej. W zależności od baterii i procesów kontroli jakości producenta może się okazać, że istnieją niespójności pomiędzy partiami baterii oraz w ramach tych samych partii. Producent może nie podawać tego rozrzutu w parametrach, co może zmusić użytkownika do skonfigurowania standardowego zestawu testów, aby zweryfikować dane ze specyfikacji baterii dla wybranej próbki. Na podstawie tych danych statystycznych można określić zakres zmienności. Należy wybrać baterię na podstawie najgorszej pojemności odkrytej spośród analizowanych próbek. Każda bateria o pojemności większej niż najgorszy wykryty przypadek będzie oznaczać dodatkowy czas pracy urządzenia.

Testowanie w różnych warunkach

Oprócz testowania poszczególnych partii, często warto przeprowadzić testy w różnych warunkach (szybkość rozładowania, szybkość ładowania i temperatura), aby stworzyć profile reakcji baterii w różnych warunkach pracy.

Uwagi projektowe

Opisz cykl pracy: zarejestruj prądy szczytowe/spoczynkowe i czasy trwania; użyj tego profilu do wymiarowania i odtwarzania testów.
Testowanie w skrajnych temperaturach: sprawdź wydajność i napięcia w niskich i wysokich temperaturach roboczych.
Charakterystyka zmienności: przeprowadź próbkowanie różnych partii/producentów; projektuj pod kątem najgorszej pojemności.
Utrzymywanie spójności procedur: zachowuj protokół ładowania, czas odpoczynku, napięcie odcięcia i rytm pomiaru.

Korzystanie z systemów testowania baterii

Stosunkowo łatwo jest znaleźć sprzęt testowy do przeprowadzenia standardowego zestawu testów baterii. Specjalistyczne systemy testowania baterii zapewniają gotowe oprogramowanie, które umożliwia skonfigurowanie typowych testów do pomiaru wydajności i pojemności. (Patrz ilustracja 1) Dane testowe są przechowywane w bazie danych, która umożliwia generowanie statystyk potrzebnych do zbadania zmienności w obrębie próbek i między nimi. Testy te pozwalają na uzyskanie własnej zweryfikowanej wersji specyfikacji producenta.

Typowe wyniki testu baterii

Rysunek 1. Lista typowych testów baterii wykonywanych przez gotowe systemy testowania.

Wykres wygenerowany na podstawie danych testowych baterii	Objaśnienie wykresu
Napięcie w funkcji stanu naładowania	Jest to zazwyczaj grupa krzywych, z których każda jest generowana przy różnych szybkościach rozładowania przy stałej temperaturze -LUB- przy określonej temperaturze przy stałej szybkości rozładowania
Pojemność w funkcji temperatury	Jest to grupa krzywych dla różnych temperatur i stałej prędkości rozładowania
Pojemność w funkcji szybkości rozładowania	Jest to grupa krzywych dla różnych prędkości rozładowania i stałej temperatury
Pojemność w funkcji liczby cykli ładowania-rozładowania	Inne określenie to wykres żywotności. Jest to krzywa generowana przy danej szybkości ładowania, szybkości rozładowania i temperaturze
Rezystancja wewnętrzna w funkcji liczby cykli ładowania/rozładowania	Jest to krzywa generowana dla danej szybkości ładowania, rozładowania i temperatury
Rezystancja wewnętrzna w funkcji stanu naładowania	Jest to krzywa generowana w danej temperaturze

Typowe wyniki testów baterii wykorzystywane do wyboru i walidacji (napięcie-stan naładowania, pojemność w zależności od temperatury/szybkości, żywotność, rezystancja wewnętrzna).

Gdzie to podejście jest najbardziej pomocne

Urządzenia do noszenia i wspomagające słyszenie — duże obciążenia od podzespołów radiowych/CPU i małe ogniwa.
Śledzenie zasobów / LPWAN — długi czas pracy bez obciążenia, wysokie szczytowe prądy TX.
Inteligentne mierniki i czujniki przemysłowe — skrajne temperatury, wymagana wieloletnia trwałość.

Porównaj testery baterii

Najważniejsze jest to, jak bateria będzie działać w rzeczywistych warunkach, w których będzie stosowana w urządzeniu końcowym, zgodnie z rzeczywistym sposobem użytkowania przez użytkownika. Oczywiście urządzenia bezprzewodowe mogą być wykorzystywane na wiele sposobów. Na przykład, jeśli urządzeniem jest smartfon, rzeczywisty scenariusz użytkowania będzie się różnił w zależności od użytkownika, więc to projektant urządzenia musi stworzyć jeden lub więcej odpowiednich scenariuszy użytkowania. Każdy przypadek obejmowałby sekwencję mówienia, wysyłania wiadomości tekstowych, uzyskiwania dostępu do stron internetowych, przesyłania strumieniowego wideo, grania w gry, i słuchania muzyki. Ilość czasu spędzonego na każdym zadaniu będzie się różnić w zależności od przypadku użycia, co oznacza, że niektóre przypadki użycia będą miały wysokie zapotrzebowanie na prąd, a inne będą mniej wymagające.

Ten rodzaj testowania, który sprawdza, jak urządzenie naprawdę rozładowuje baterię, jest znany jako test rozładowania baterii. Jest to najtrudniejszy test do wykonania. Aby przeprowadzić test rozładowania baterii w rzeczywistych warunkach, dostępne są dwie opcje.

Testowanie rozładowania baterii

Opcja 1: Testowanie w rzeczywistym środowisku pracy
Baterię można przetestować w rzeczywistym środowisku pracy, gdy zasila ona urządzenie bezprzewodowe. W tym teście urządzenie bezprzewodowe jest używane w żądanym scenariuszu, a bateria jest rozładowywana od stanu pełnego naładowania. Podczas testu należy stale mierzyć i rejestrować przepływ prądu między baterią a urządzeniem bezprzewodowym oraz stale mierzyć i rejestrować napięcie na baterii. Dzięki tym dwóm przebiegom pomiarowym można zobaczyć rzeczywisty prąd dynamiczny płynący z baterii oraz wynikowe napięcie baterii w miarę jej rozładowywania się podczas pracy urządzenia bezprzewodowego. Pozwoli to na najbardziej realistyczną ocenę czasu pracy baterii.

Opcja 2: Używanie obciążenia symulowanego
Test wygląda podobnie jak w opcji 1, z tą różnicą, że w tym przypadku można przetestować baterię za pomocą symulacji urządzenia bezprzewodowego, które ją rozładowuje. Urządzenie bezprzewodowe jest symulowane przez obciążenie elektroniczne, które jest stale przeprogramowywane. Ma to na celu uzyskanie takiego samego dynamicznego przebiegu, jaki wytworzyłoby urządzenie bezprzewodowe podczas konkretnego scenariusza użytkowania, który ma być przetestowany. Mimo że jest to tylko symulacja i może nie zapewniać najbardziej realistycznej oceny czasu działania, metoda ta zapewnia największą elastyczność, ponieważ symulację można łatwo przeprogramować w celu przetestowania różnych scenariuszy użytkowania.

Na rysunku 2 przedstawiono przykład urządzenia, które pozwala wykonać jedną z powyższych odmian testu rozładowania baterii.

Rysunek 2. Analizator zasilania Keysight N6705C DC, wyposażony w moduł analizatora rozładowania baterii Keysight N6781A i oprogramowanie BV9201B PathWave BenchVue do zaawansowanej kontroli i analizy zasilania, stanowi kompletne rozwiązanie oprzyrządowania do testów rozładowania baterii.

Konfiguracja Keysight N6705C do testów rozładowania baterii.

Zintegrowana platforma (z N6781A i oprogramowaniem PathWave) do testów rozładowania baterii i profilowania zasilania.

Podsumowując, wybór baterii polega na znalezieniu odpowiedniego modelu, zweryfikowaniu jego specyfikacji w celu zrozumienia zmienności w obrębie partii, między partiami oraz między producentami, a na koniec zmierzeniu rzeczywistego czasu pracy w warunkach realnych zastosowań.

Aby dowiedzieć się więcej o analizatorach zasilania DC Keysight N6705C i analizatorach rozładowania baterii N6781A, kliknij tutaj