如何准确模拟功耗和电池寿命

电池寿命和低功耗一直是现代电池供电电子设备所关注的问题。在设计过程开始时估计它们可能会非常具有挑战性。实际上，电池寿命和功耗几乎取决于设备的所有特性：其硬件，电池，固件，用例及其环境。假如这些系统方面的每一个都可以或多或少地被准确地评估，那么在相同的设计空间中考虑它们是一项复杂的任务。

可以争论的是，只要可以分别评估它们就不那么重要。

这是一个错误和危险的假设。

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和/或建立分析模型

开发部分原型来测试和评估大多数这些方面。

两种方法都有其缺点。分析方法无法说明设备的动态行为。这会导致误导性结果和性能不佳的设备（假如完全执行）。部分原型制作方法不完整；这意味着要花费大量时间来制造/开发原型，并且工程师要进行大量工作来衡量和出现可能会引起误解的结果（即，因为它是局部的而不是完整的）。

更不用说电池寿命长达数年的设备了，几乎无法进行测量。

在本文中，我将介绍如何解决这个估算问题，并创建一个仿真工具和一个模型库，以帮助数百名工程师探索几种可能的体系结构并更好地设计其设备。

模型

图1：建模抽象

要建模的第一个对象是硬件（即组装并嵌入到设备中的电子组件）。有几种建模语言和框架可以对电子组件进行建模（参见图1）。它们每个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其建模。功耗是在非常低的级别（即接近Spice模型）建模的，而组件的所有功能都是在非常高的级别建模的。组件的输入参数是使用其数据表含义的。我们考虑了它们的每个功耗模式，相关的功耗以及每个内部状态机。这种方法可用于模拟，数字和混合信号组件。

要考虑的第二个对象是电池。无论是一次（不可充电）还是二次（可充电），它都是一种复杂的化学电源，其特性会根据多个参数而变化。在我们的上下文中，最重要的事实是：1）不能完全使用其标称容量；2）其电源电压不是稳定的也不是线性的[1-3]。有几种建模电池的方法。我们选择使用混合方法对它们建模，该方法考虑了内部电阻变化，电源电压降和实际非线性电容随放电一起降低的情况。这样，我们可以模拟电池供电电压超过设备截止电压的时刻：这正是准确估算电池寿命所必需的。

图2：SigfoxSensit硬件的示意图视图

最后要考虑的“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，该指令集代表该组件可以实现的目标（例如，进入低功耗模式，传输信号等）。我们开发了一种通用的指令集模拟器，称为UISS，它使我们的用户能够以简单的方式描述其设备固件和行为。具有UISS的另一个优点是可以非常容易地交换计算元素（例如微控制器）。

模拟

除了建模之外，运行一致的模拟也是一个挑战。一旦用户组装了组件和电池模型（参见图2），并在固件模型中含义了设备的行为，仿真就必须始终如一地运行。我们的仿真内核使用从快速事件驱动（FED）方法派生的离散事件机制。关于上述方法，每个模拟事件（即每条指令）将在给按时间进行处理（即由UISS执行），并且总时间将在每次处理事件后进行汇总。

默认情况下，不应在FED中的两个事件之间发生任何事情。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已注册事件之间插入许多事件。由于组件和电池的电气参数将更频繁地更新，因此可以供应更准确的结果。相比之下，离散方法更可能引起计算错误。

然后，当达到第一个截止电压（即截止电压的最大值）时，仿真将停止。系统在仿真中花费的时间是其电池寿命。

结果及其准确性

在模拟结束时，所有单个组件日志均可用。这些日志包括电源电压（参见图3）和电流消耗（参见图4），以及在其工作模式下已经消耗了多少能量（参见图5）。这些日志可用于通过非常快速地发现并优化耗电的组件/功能来优化功耗。每次仿真要花费几分钟，从而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

仿真结果在200多个设备上得到了验证。实验包括对环境设备的环境控制测试和环境温度测试，这些设备使用了一次和二次电池以及不同的硬件和固件，对电池寿命从几天到几年不等。总体而言，电池电源电压估算的平均误差为6.17％。有关电池寿命准确性，我们观察到了实际电池寿命的88.44％至103.25％之间的结果，平均误差约为-6.93％。

图5：消耗明细以及时间与能量的比较示例

“电源分析”功能供应了所供应的仿真工具，其功耗和电池寿命分析。此外，我们现在供应补充信息，这些信息关于设计或优化低功耗设备至关重要。目标是：自动化大多数低附加值和费时的任务（例如，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）。