本文帶你理解電池的容量以及教會你如何計算使用電池的產(chǎn)品的工作時長

前言

在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，在保證產(chǎn)品性能的前提下，產(chǎn)品的功耗是做得越來越低，針對物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的低功耗無線芯片的功耗也是越來越低。

作為研發(fā)人員，除了能夠設(shè)計出滿足需求的產(chǎn)品，還得要會計算自己的產(chǎn)品能工作多長時間，本文我們就來說明一下如何計算低功耗產(chǎn)品的工作時長。

我是矜辰所致，全網(wǎng)同名，盡量用心寫好每一系列文章，不浮夸，不將就，認(rèn)真對待學(xué)知識的我們，矜辰所致，金石為開！

一、電池容量基礎(chǔ)

在計算電池使用時長之前，我們必須得明白電池容量的含義。本文不深挖，只是把我們需要理解的部分解釋清楚。

1.1 電池容量單位

電池的容量 表示在一定條件下電池放出的電量，我們現(xiàn)在看幾組電池的參數(shù)圖片：

電池容量的表示形式為 毫安時（mAh）和 安時(Ah)。

電池電量的表示形式為 瓦時(Wh) ，它是電池容量 (Ah) 和電池電壓 (V) 的乘積。

這里只需要記住 有2個單位：

毫安時（mAh） 和 瓦時(Wh)。

毫安時（mAh） 和 安時 (Ah) 在我看來是一樣的，因為一個是 mA 一個是 A ，1A = 1000mA， 都是電流單位，就像 cm 和 m 一樣都是長度單位 。

幾個單位間的換算：

1 Ah = 1000 mAh 

Wh（瓦時） = V（電壓） x Ah = V（電壓）x 1000 mAh

對于我們物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品常用的 電池來說，更多的表示單位就是 毫安時 （mAh），我們也需要理解 這個單位來計算我們產(chǎn)品的使用時長 。

1.2 理解電池容量

那我們?nèi)绾稳ダ斫膺@個 毫安時 （mAh）？

比如一個 1000 mAh 的電池：

表示該電池在放電電流為 1000mA 情況下能維持1小時完全放電；

或者是放電電流 100 mA 的情況下位置 10小時的完全放電；

常見幾點疑問

** 疑問1： 這里可能有些人會有個疑問，電壓呢？ 電壓不考慮嗎？ **

這里我們必須要知道，電池都會有一個指標(biāo)就是供電電壓值。

比如一個電池指標(biāo)為 3.6V 1000mAh ，那么就表示：

他可以在提供 3.6V 的電壓輸出的情況下，放電電流 100mA 的情況下工作 10個 小時。

** 疑問2： 這個電池用了一段時間電壓不是會下降嗎？那么這個時候電量算法是不是就變了？ **

對于我們以前的認(rèn)知而言，就是電池用久了，就是快沒電了，電壓會下降，那么這個時候是不是就算不了了？

我是矜辰所致，全網(wǎng)同名，手動防止抄襲 = = ！

這里你首先得知道這里是電池 沒電了！ 沒電是什么情況，電壓確實會下降，但是這個時候電池已經(jīng)可以直接換了，過了可以計算的時候了。 因為，電池的指標(biāo)寫的 3.6V 1000mAh， 那么理論上來說，電池就能夠保證在你放掉自己標(biāo)定電量的時間內(nèi)，電壓保持在 3.6V。 什么意思呢，就是放電電流 100mA ，工作到10個小時的時候， 電池可以保證電壓穩(wěn)定在 3.6V 。 過了 10 個小時，對于電池而言，他已經(jīng)把電用光了，你電壓下降或者出現(xiàn)別的什么情況，都已經(jīng)是情理之中，他已經(jīng)是沒用了的。

我也記得以前小時候電池沒電了，給他壓扁，好像還能擠出一點電來用用，這個…… = =！

對于這一點，有位粉絲朋友給了我一個很好的說明，這里放出來給大家參考：

放電過程中電壓會下降，但是最多降到標(biāo)稱電壓位置，就會停止輸出，類似電池標(biāo)稱電壓3.6，滿電電壓4.2，放電過程中會隨著電量的減小而電壓下降，降到大約標(biāo)稱電壓左右時，有個參數(shù)叫放電截止電壓的參數(shù)附近，會停止放電。也就是傳統(tǒng)意義的電用沒了。

1.3 一個好的比喻

我們再來加深一下對電池容量的理解，文章開頭就說了：電池的容量表示在一定條件下電池放出的電量。

把電池比作裝水的容器！

我們可以把電池容量看成一個裝水水桶， 里面的裝水多少已經(jīng)固定了，如果你用小管子放水，放完需要時間長，對應(yīng)放電電流小，使用時間長， 如果你用大管子放水，放完需要時間短，對應(yīng)放電電流大，使用時間短。

當(dāng)然你也可以大管子放一會，小的放一會，甚至是不放，這樣看來完全是一個道理。

使用這個比喻，是否就能加能理解電池的容量了 (*￣︶￣) ！

1.4 電池的衰減與自放電？

這里要說明一下，本文基本上不考慮電池的衰減與自放電

雖然電池確實是有自放電，而且如果是充電電池用久了確實會有衰減，但是考慮這些不僅白白增加了計算難度，甚至在某些情況下讓我們無法進行理論計算。

而且，現(xiàn)在有些物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品專用的電池，自放電已經(jīng)做到了很好的地步了，就拿博主自己使用的 鋰亞電池來說：

而對于充電的鋰電池，確實長期充放電對電池容量的影響不容忽視，確實會衰減，這個時候我們也只能初略的估計計算，因為衰減的百分比也不是一個確定的數(shù)字。

不僅是電池本身，對于低功耗的電池產(chǎn)品而言，我一般都會并聯(lián)一個大容量鉭電容用來穩(wěn)壓（如果沒有大容量鉭電容，無線芯片在發(fā)送無線報文的一瞬間因為電流忽然增大很多，會導(dǎo)致整體電壓不穩(wěn)，可能會使得芯片復(fù)位或者其他問題），電容本身也會存在自放電，所以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f起來，這些都是影響電池電量的因數(shù)。

對于本文后面的計算，我們暫時不考慮衰減與自放電。

二、計算電池使用時長

鋪墊了那么多，才到我們關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，上面的說明是用一個固定的放電電流來說明電池的電量的，對于我們的低功耗產(chǎn)品而言，不可能始終保持在同樣的電流狀態(tài)，休眠時電流低，喚醒時電流高，本小結(jié)就來說明一下物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品上如何計算電池的使用壽命。

經(jīng)過前文我們說過， 電池 我們就比作轉(zhuǎn)滿的一桶水，我們不管用粗管子（大電流）還是細(xì)管子（小電流）放水（電），我們最終就是計算需要多久放完。

在我們的物聯(lián)網(wǎng)低功耗產(chǎn)品中，大多數(shù)情況下，休眠喚醒是有周期規(guī)律的，即便沒有周期規(guī)律，比如類似于一些 被動的人感，門磁等設(shè)備，我們可以后臺統(tǒng)計每天的平均值也能估算出一天休眠喚醒的次數(shù)。

電池使用時長的大體思路為：以一定時間為單位，進行平均電流的計算，從而得到使用時長，關(guān)鍵在于求出平均電流。

2.1 示例1（周期喚醒傳感器）

我們示例1 ，先來計算一個周期喚醒的傳感器使用時長：

條件如下：

周期上報傳感器

電池電量：3600mAh

休眠電流：300uA

喚醒工作電流： 10mA

喚醒工作時間： 1S

喚醒周期： 1min

這里說明一下 1min 這個周期，我們這里以 59S 的休眠時間 與 1S的喚醒時間 為說明

由上面的條件，因為一個完整的周期為 60S ，我們?nèi)绻愠鲆粋€完整周期的平均電流，我們可以近似的認(rèn)為傳感器所有的時間都是以這個平均電流在工作的，那就直接可以算出使用的時間。

平均電流 ：

平均電流 （（59 X 0.3）mA + （1 X 10）mA ）/ 60 ≈ 0.46 mA

電池大概使用時長：

時長 3600 / 0.46 h = 7826 h

2.2 示例2（被動喚醒傳感器）

條件如下：

人體紅外傳感器

電池電量：1200mAh

休眠電流：20uA

喚醒工作電流： 10mA

喚醒工作時間： 0.5S

人體紅外傳感器的報文周期是不固定的，理論情況，如果一直有人，會每10S 發(fā)送一次有人，如果沒人，2 h 發(fā)送一次心率報文

那么這種不固定的我們計算時間，我們可以自己定義一個極限的理論場景，然后得到一個時間。

比如上面的傳感器，我們可以假設(shè)： 白天一直有人 12 小時， 夜間一直沒人，12 小時

那么白天的 12h 就是 10s 發(fā)送一次，10s 一個周期，可以求出白天 12 h 的平均電流。

夜間的 12h 就是 2h 發(fā)送一次， 2h 一個周期，求出夜間 12 h 的平局電流。

最后求出一天 24 h 的平均電流，求出使用天數(shù)。

夜間平均電流：

夜間平均電流 （（14399 X 20）uA + （1 X 10000）uA ）/ 14400 ≈ 20 uA

上面的 14400 是怎么來的？

因為傳感器喚醒時間為 0.5s ，那么2個小時是多少個 0.5 s ？

2個小時 = 2 x 60 x 60 = 7200 s = 14400 個 0.5s

白天平均電流：

白天平均電流 （（19 X 20）uA + （1 X 10000）uA ）/ 20 = 519 uA

上面的20 ，是因為傳感器 10s 一次周期，10s 一次周期就是 20個 0.5s ，就是19個正常的休眠時間，1個喚醒時間。

結(jié)合夜間電流和白天電流，計算一天平均電流：

(（519uA X 12） + （20uA X 12） ) / 24 = 269.5uA = 0.2695mA

電池大概使用時長：

電池大概能夠使用時長 1200 / 0.2695 h > 4452 h > 185天

但是因為我們算的極限情況，白天不可能正真的一直有人，傳感器發(fā)送報文的功耗為此傳感器的大頭，所以可以得出傳感器實際使用時間會比這個時間長很多。

如果確實需要后續(xù)計算，可以在后臺統(tǒng)計一定時間的傳感器白天報文數(shù)量后做進一步的精確計算。

供電電壓變換的說明

有時候為了測量產(chǎn)品的功耗我們可能會使用直流電源給產(chǎn)品供電方便測量，可能會和最終使用電池的場合下的供電電壓不一樣，這里就得需要算出產(chǎn)品功耗，轉(zhuǎn)換一下不同電壓下的電流。

供電電壓大，板子肯定工作電流會?。娫凑w入口），供電電壓小，工作電流大 (電源整體入口)，但是一塊板子的功率可以認(rèn)為是一樣的，最后計算的時候要記得把電流換算成使用電池供電的產(chǎn)品電流。

結(jié)語

本文帶大家理解了一下電池容量，同時給出了電池使用時長的理論計算方法。

當(dāng)然在實際使用的時候，電池的使用時長要考慮多方面的因數(shù)，需要考慮到自己產(chǎn)品的應(yīng)用場合，以及選擇的電池性能等多方面的因數(shù)。

如果大家有好的意見，歡迎評論區(qū)留言，好了，本文就到這里，謝謝大家！