Auswahl der richtigen Batterie für Ihre nächste Wireless-Anwendung

Die richtige Batterie zu finden, um die richtige Laufzeit für Ihr Wireless-Gerät zu erreichen, ist kein einfaches Unterfangen. Dieser Artikel geht keineswegs erschöpfend auf jedes Detail aller Schritte ein, aber er wird einen Überblick über das gesamte Thema liefern, sodass Sie ihn als Orientierungshilfe für Ihren Auswahlprozess verwenden können.

Zuerst müssen Sie die Leistungsanforderungen des Geräts und die gewünschte Laufzeit berücksichtigen. Indem Sie den durchschnittlichen Strom, den Sie von der Batterie erwarten, nehmen und ihn mit der Anzahl der Stunden der gewünschten Laufzeit multiplizieren, können Sie die Kapazität der Batterie berechnen, die Sie benötigen. Beachten Sie, dass dies nur eine grobe Schätzung ist. Die tatsächlichen Leistungsbedingungen, wie etwa Betriebstemperatur, Spitzenstrom und Arbeitszyklus (Verhältnis von Spitzenstrom zu Ruhestrom), wirken sich darauf aus, wie viel Gesamtenergie (d. h. Kapazität) die Batterie an das Gerät abgibt, und damit auf die Laufzeit. Das heißt, selbst wenn ein stark variierender dynamischer Strom durch einen einzelnen durchschnittlichen Strom dargestellt werden kann, wird die Kapazität, welche die Batterie als Reaktion auf einen stark variierenden dynamischen Strom bereitstellt, nicht die gleiche Kapazität sein, welche die Batterie als Reaktion auf einen konstanten Strom bereitstellt, der gleich dem mathematischen Durchschnitt des dynamischen Stroms ist.

Wenn Ihr Gerät zum Beispiel einen durchschnittlichen Strom von 180 mA benötigt und Sie möchten, dass es 10 Stunden lang läuft, benötigen Sie eine Batterie mit 1800 mAH (Milliampere-Stunde). Wenn Ihr Gerät für 10 % der Betriebszeit Spitzenströme von 1,7 A und für die restlichen 90 % der Zeit 10 mA verbraucht, beträgt dies im Durchschnitt 180 mA, jedoch kommen Sie möglicherweise nicht auf die gleichen 10 Stunden Laufzeit einer 1800 mAH-Batterie (abhängig von der Batteriechemie und dem Tastverhältnis-Timing bei der Entladung).

Der nächste Schritt ist die Auswahl einer Wunschbatterie basierend auf dem Herstellerdatenblatt für die Batterie.

Dann müssten Sie bewerten, wie gut eine Batterie in Bezug auf ihr Datenblatt funktioniert. Abhängig von der Batterie und den Qualitätskontrollprozessen des Herstellers stellen Sie möglicherweise fest, dass es innerhalb und zwischen den Batteriechargen Abweichungen gibt. Der Hersteller gibt diese Leistungsspanne vielleicht nicht an, sodass Sie möglicherweise eine Standard-Suite von Tests einrichten müssen, um das Datenblatt der Batterie für eine Batterien-Stichprobe zu überprüfen. Anhand dieser statistischen Daten können Sie den Variationsbereich ermitteln. Sie sollten von den analysierten Stichproben eine Batterie basierend auf der Worst-Case-Kapazität auswählen. Jede Batterie, die Sie mit mehr als Worst-Case-Kapazität erhalten, bedeutet einfach zusätzliche Laufzeit für Ihr Gerät.

Zusätzlich zum chargenübergreifenden Testen sollten Sie wahrscheinlich bei verschiedenen Bedingungen (Entladungsraten, Wiederaufladungsraten und Temperaturen) testen, um Profile dazu zu erstellen, wie die Batterie unter verschiedenen Betriebsbedingungen reagiert.

Es ist relativ einfach, Messtechnik zu finden, um eine Standard-Suite von Tests an einer Batterie zu implementieren. Spezielle Batterietestsysteme bieten eine schlüsselfertige Software, mit der Sie typische Tests zur Messung der Batterieleistung und -kapazität einrichten können. (Siehe Abbildung 1.) Die Testdaten werden in einer Datenbank gespeichert, mit der Sie die Statistiken erstellen können, die erforderlich sind, um Variationen innerhalb und zwischen den Stichproben zu untersuchen. Diese Tests ergeben Ihre eigene verifizierte Version der Herstellerspezifikationen.

Abbildung 1. Liste der typischen Batterietests, die von schlüsselfertigen Batterietestsystemen durchgeführt werden.

Am wichtigsten ist, wie die Batterie unter den realen Bedingungen arbeitet, denen sie ausgesetzt sein wird, wenn sie im Endgerät verwendet wird, während sie im realen Anwendungsfall des Benutzers betrieben wird. Natürlich kann es mehrere Anwendungsfälle für das Wireless-Gerät geben. Wenn das Gerät beispielsweise ein Smartphone ist, variiert der tatsächliche Anwendungsfall je nach Benutzer, sodass es dem Geräteentwickler obliegt, einen oder mehrere geeignete Anwendungsfälle zu erstellen. Jeder Fall würde eine Sequenz von Sprechen, Texten, Zugreifen auf Webseiten, Streamen von Videos, Spielen und Anhören von Musik umfassen. Die Zeit, die für jede Aufgabe aufgewendet wird, variiert zwischen den Anwendungsfällen, was zu einigen Anwendungsfällen führt, die eine hohe aktuelle Nachfrage haben, und zu einigen, die weniger gefragt sind.

Diese Art des Testens, um zu sehen, wie das Gerät wirklich die Batterie erschöpft, wird als Batterie-Entladungstest bezeichnet. Was die Implementierung betrifft, ist dies der schwierigste Test. Um einen Batterie-Entladungstest unter realen Bedingungen durchzuführen, haben Sie zwei Möglichkeiten.

1. Sie können die Batterie in der realen Betriebsumgebung testen, während sie das drahtlose Gerät mit Strom versorgt. Bei diesem Test wird das Wireless-Gerät im gewünschten Anwendungsfall betrieben und die Batterie wird beginnend mit einer vollständig geladenen Batterie entladen. Während des Tests messen und protokollieren Sie kontinuierlich den Stromfluss zwischen der Batterie und dem Wireless-Gerät und messen und protokollieren kontinuierlich die Spannung über die Batterie hinweg. Mit diesen beiden Messsignalformen können Sie den realen dynamischen Strom sehen, der von der Batterie fließt, und Sie können die resultierende Batteriespannung sehen, wie sie während des Betriebs des Wireless-Geräts entladen wird. Dies gibt Ihnen die realistischste Einschätzung der Batterie-Laufzeit.
2. Ähnlich wie bei Option 1, außer dass Sie in diesem Fall die Batterie mit einer Simulation des Wireless-Geräts testen können, um die Batterie zu entladen. Das Wireless-Gerät wird durch eine elektronische Last simuliert, die kontinuierlich neu programmiert wird, um die gleiche dynamische Signalform zu zeichnen, die das Wireless-Gerät während des spezifischen Anwendungsfalls zeichnen würde, den Sie testen möchten. Obwohl dies nur eine Simulation ist und möglicherweise keine realistischste Bewertung der Laufzeit liefert, bietet Ihnen diese Methode die größte Flexibilität, da die Simulation leicht umprogrammiert werden kann, um verschiedene Anwendungsfälle zu simulieren.

Siehe Abbildung 2 für ein Beispiel eines Instruments, das eine der oben genannten Batterieentladungstestoptionen durchführen kann.

Abbildung 2. Der DC-Leistungsanalysator der Baureihe N6705C von Keysight, der mit einem N6781A-Analysatormodul für die Batterieentladung von Keysight und einer erweiterten PathWave BenchVue-Software BV9201B zur Leistungskontrolle und -analyse ausgestattet ist, bietet eine komplette Instrumentierungslösung für die Durchführung von Batterieentladungstests.

Zusammenfassend besteht die Batterieauswahl darin, die richtige Batterie zu finden, ihre Spezifikationen zu überprüfen, um die Unterschiede innerhalb und zwischen Chargen und zwischen Herstellern zu verstehen, und schließlich ihre tatsächliche Laufzeit unter realen Bedingungen zu messen.

Um mehr über die DC-Leistungsanalysatoren der Baureihe N6705C von Keysight und den Analysator für die Batterieentladung der Baureihe N6781A zu erfahren, klicken Sie hier.

Diesen Artikel im PDF-Format herunterladen.