電池壽命和低功耗一直是現(xiàn)代電池供電電子設備所關注的問題。在設計過程開始時估計它們可能會非常具有挑戰(zhàn)性。實際上，電池壽命和功耗幾乎取決于設備的所有特性：其硬件，電池，固件，用例及其環(huán)境。假如這些系統(tǒng)方面的每一個都可以或多或少地被準確地評估，那么在相同的設計空間中考慮它們是一項復雜的任務。

可以爭論的是，只要可以分別評估它們就不那么重要。

這是一個錯誤和危險的假設。

所有這些方面都是相互依存的。常規(guī)方法包括：

使用電子表格和數(shù)據(jù)表和/或建立分析模型

開發(fā)部分原型來測試和評估大多數(shù)這些方面。

兩種方法都有其缺點。分析方法無法說明設備的動態(tài)行為。這會導致誤導性結果和性能不佳的設備（假如完全執(zhí)行）。部分原型制作方法不完整；這意味著要花費大量時間來制造/開發(fā)原型，并且工程師要進行大量工作來衡量和出現(xiàn)可能會引起誤解的結果（即，因為它是局部的而不是完整的）。

更不用說電池壽命長達數(shù)年的設備了，幾乎無法進行測量。

在本文中，我將介紹如何解決這個估算問題，并創(chuàng)建一個仿真工具和一個模型庫，以幫助數(shù)百名工程師探索幾種可能的體系結構并更好地設計其設備。

模型

圖1：建模抽象

要建模的第一個對象是硬件（即組裝并嵌入到設備中的電子組件）。有幾種建模語言和框架可以對電子組件進行建模（參見圖1）。它們每個都有自己的特點和局限性。在Wisebatt，我們選擇根據(jù)組件的內部行為對其建模。功耗是在非常低的級別（即接近Spice模型）建模的，而組件的所有功能都是在非常高的級別建模的。組件的輸入?yún)?shù)是使用其數(shù)據(jù)表含義的。我們考慮了它們的每個功耗模式，相關的功耗以及每個內部狀態(tài)機。這種方法可用于模擬，數(shù)字和混合信號組件。

要考慮的第二個對象是電池。無論是一次（不可充電）還是二次（可充電），它都是一種復雜的化學電源，其特性會根據(jù)多個參數(shù)而變化。在我們的上下文中，最重要的事實是：1）不能完全使用其標稱容量；2）其電源電壓不是穩(wěn)定的也不是線性的[1-3]。有幾種建模電池的方法。我們選擇使用混合方法對它們建模，該方法考慮了內部電阻變化，電源電壓降和實際非線性電容隨放電一起降低的情況。這樣，我們可以模擬電池供電電壓超過設備截止電壓的時刻：這正是準確估算電池壽命所必需的。

圖2：SigfoxSensit硬件的示意圖視圖

最后要考慮的“對象”是固件。每個組件都有一個功能模型。該功能模型嵌入了一個指令集，該指令集代表該組件可以實現(xiàn)的目標（例如，進入低功耗模式，傳輸信號等）。我們開發(fā)了一種通用的指令集模擬器，稱為UISS，它使我們的用戶能夠以簡單的方式描述其設備固件和行為。具有UISS的另一個優(yōu)點是可以非常容易地交換計算元素（例如微控制器）。

模擬

除了建模之外，運行一致的模擬也是一個挑戰(zhàn)。一旦用戶組裝了組件和電池模型（參見圖2），并在固件模型中含義了設備的行為，仿真就必須始終如一地運行。我們的仿真內核使用從快速事件驅動（FED）方法派生的離散事件機制。關于上述方法，每個模擬事件（即每條指令）將在給按時間進行處理（即由UISS執(zhí)行），并且總時間將在每次處理事件后進行匯總。

默認情況下，不應在FED中的兩個事件之間發(fā)生任何事情。我們添加了一種自適應（SA）機制，該機制根據(jù)電池和組件模型的非線性程度在兩個已注冊事件之間插入許多事件。由于組件和電池的電氣參數(shù)將更頻繁地更新，因此可以供應更準確的結果。相比之下，離散方法更可能引起計算錯誤。

然后，當達到第一個截止電壓（即截止電壓的最大值）時，仿真將停止。系統(tǒng)在仿真中花費的時間是其電池壽命。

結果及其準確性

在模擬結束時，所有單個組件日志均可用。這些日志包括電源電壓（參見圖3）和電流消耗（參見圖4），以及在其工作模式下已經(jīng)消耗了多少能量（參見圖5）。這些日志可用于通過非常快速地發(fā)現(xiàn)并優(yōu)化耗電的組件/功能來優(yōu)化功耗。每次仿真要花費幾分鐘，從而大大減少了評估架構或優(yōu)化所需的時間。

圖3：電源電壓曲線示例

圖4：電流繪制曲線示例

仿真結果在200多個設備上得到了驗證。實驗包括對環(huán)境設備的環(huán)境控制測試和環(huán)境溫度測試，這些設備使用了一次和二次電池以及不同的硬件和固件，對電池壽命從幾天到幾年不等。總體而言，電池電源電壓估算的平均誤差為6.17％。有關電池壽命準確性，我們觀察到了實際電池壽命的88.44％至103.25％之間的結果，平均誤差約為-6.93％。

圖5：消耗明細以及時間與能量的比較示例

“電源分析”功能供應了所供應的仿真工具，其功耗和電池壽命分析。此外，我們現(xiàn)在供應補充信息，這些信息關于設計或優(yōu)化低功耗設備至關重要。目標是：自動化大多數(shù)低附加值和費時的任務（例如，物料清單估算，組件的電氣和功能兼容性，組件的配置和供應限制）。