本文帶你理解電池的容量以及教會(huì)你如何計(jì)算使用電池的產(chǎn)品的工作時(shí)長(zhǎng)

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(lái)越低，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的低功耗無(wú)線芯片的功耗也是越來(lái)越低。

作為研發(fā)人員，除了能夠設(shè)計(jì)出滿足需求的產(chǎn)品，還得要會(huì)計(jì)算自己的產(chǎn)品能工作多長(zhǎng)時(shí)間，本文我們就來(lái)說(shuō)明一下如何計(jì)算低功耗產(chǎn)品的工作時(shí)長(zhǎng)。

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

一、電池容量基礎(chǔ)

在計(jì)算電池使用時(shí)長(zhǎng)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(shí)（mAh）和 安時(shí)(Ah)。

電池電量的表示形式為 瓦時(shí)(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(gè)單位：

毫安時(shí)（mAh） 和 瓦時(shí)(Wh)。

毫安時(shí)（mAh） 和 安時(shí) (Ah) 在我看來(lái)是一樣的，因?yàn)橐粋€(gè)是 mA 一個(gè)是 A ，1A = 1000mA， 都是電流單位，就像 cm 和 m 一樣都是長(zhǎng)度單位 。

幾個(gè)單位間的換算：

1 Ah = 1000 mAh 

Wh（瓦時(shí)） = V（電壓） x Ah = V（電壓）x 1000 mAh

對(duì)于我們物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品常用的 電池來(lái)說(shuō)，更多的表示單位就是 毫安時(shí) （mAh），我們也需要理解 這個(gè)單位來(lái)計(jì)算我們產(chǎn)品的使用時(shí)長(zhǎng) 。

1.2 理解電池容量

那我們?nèi)绾稳ダ斫膺@個(gè) 毫安時(shí) （mAh）？

比如一個(gè) 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(shí)完全放電；

或者是放電電流 100 mA 的情況下位置 10小時(shí)的完全放電；

常見(jiàn)幾點(diǎn)疑問(wèn)

** 疑問(wèn)1： 這里可能有些人會(huì)有個(gè)疑問(wèn)，電壓呢？ 電壓不考慮嗎？ **

這里我們必須要知道，電池都會(huì)有一個(gè)指標(biāo)就是供電電壓值。

比如一個(gè)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(gè) 小時(shí)。

** 疑問(wèn)2： 這個(gè)電池用了一段時(shí)間電壓不是會(huì)下降嗎？那么這個(gè)時(shí)候電量算法是不是就變了？ **

對(duì)于我們以前的認(rèn)知而言，就是電池用久了，就是快沒(méi)電了，電壓會(huì)下降，那么這個(gè)時(shí)候是不是就算不了了？

我是矜辰所致，全網(wǎng)同名，手動(dòng)防止抄襲 = = ！

這里你首先得知道這里是電池 沒(méi)電了！ 沒(méi)電是什么情況，電壓確實(shí)會(huì)下降，但是這個(gè)時(shí)候電池已經(jīng)可以直接換了，過(guò)了可以計(jì)算的時(shí)候了。 因?yàn)?，電池的指?biāo)寫(xiě)的 3.6V 1000mAh， 那么理論上來(lái)說(shuō)，電池就能夠保證在你放掉自己標(biāo)定電量的時(shí)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(gè)小時(shí)的時(shí)候， 電池可以保證電壓穩(wěn)定在 3.6V 。 過(guò)了 10 個(gè)小時(shí)，對(duì)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(méi)用了的。

我也記得以前小時(shí)候電池沒(méi)電了，給他壓扁，好像還能擠出一點(diǎn)電來(lái)用用，這個(gè)…… = =！

對(duì)于這一點(diǎn)，有位粉絲朋友給了我一個(gè)很好的說(shuō)明，這里放出來(lái)給大家參考：

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

1.3 一個(gè)好的比喻

我們?cè)賮?lái)加深一下對(duì)電池容量的理解，文章開(kāi)頭就說(shuō)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(gè)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(shí)間長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)放電電流小，使用時(shí)間長(zhǎng)， 如果你用大管子放水，放完需要時(shí)間短，對(duì)應(yīng)放電電流大，使用時(shí)間短。

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

使用這個(gè)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(shuō)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(shí)是有自放電，而且如果是充電電池用久了確實(shí)會(huì)有衰減，但是考慮這些不僅白白增加了計(jì)算難度，甚至在某些情況下讓我們無(wú)法進(jìn)行理論計(jì)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(lái)說(shuō)：

而對(duì)于充電的鋰電池，確實(shí)長(zhǎng)期充放電對(duì)電池容量的影響不容忽視，確實(shí)會(huì)衰減，這個(gè)時(shí)候我們也只能初略的估計(jì)計(jì)算，因?yàn)樗p的百分比也不是一個(gè)確定的數(shù)字。

不僅是電池本身，對(duì)于低功耗的電池產(chǎn)品而言，我一般都會(huì)并聯(lián)一個(gè)大容量鉭電容用來(lái)穩(wěn)壓（如果沒(méi)有大容量鉭電容，無(wú)線芯片在發(fā)送無(wú)線報(bào)文的一瞬間因?yàn)殡娏骱鋈辉龃蠛芏?，?huì)導(dǎo)致整體電壓不穩(wěn)，可能會(huì)使得芯片復(fù)位或者其他問(wèn)題），電容本身也會(huì)存在自放電，所以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f(shuō)起來(lái)，這些都是影響電池電量的因數(shù)。

對(duì)于本文后面的計(jì)算，我們暫時(shí)不考慮衰減與自放電。

二、計(jì)算電池使用時(shí)長(zhǎng)

鋪墊了那么多，才到我們關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，上面的說(shuō)明是用一個(gè)固定的放電電流來(lái)說(shuō)明電池的電量的，對(duì)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(shí)電流低，喚醒時(shí)電流高，本小結(jié)就來(lái)說(shuō)明一下物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品上如何計(jì)算電池的使用壽命。

經(jīng)過(guò)前文我們說(shuō)過(guò)， 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(jì)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(méi)有周期規(guī)律，比如類似于一些 被動(dòng)的人感，門磁等設(shè)備，我們可以后臺(tái)統(tǒng)計(jì)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(shí)長(zhǎng)的大體思路為：以一定時(shí)間為單位，進(jìn)行平均電流的計(jì)算，從而得到使用時(shí)長(zhǎng)，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(lái)計(jì)算一個(gè)周期喚醒的傳感器使用時(shí)長(zhǎng)：

條件如下：

周期上報(bào)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(shí)間： 1S

喚醒周期： 1min

這里說(shuō)明一下 1min 這個(gè)周期，我們這里以 59S 的休眠時(shí)間 與 1S的喚醒時(shí)間 為說(shuō)明

由上面的條件，因?yàn)橐粋€(gè)完整的周期為 60S ，我們?nèi)绻愠鲆粋€(gè)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(shí)間都是以這個(gè)平均電流在工作的，那就直接可以算出使用的時(shí)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(shí)長(zhǎng)：

時(shí)長(zhǎng) 3600 / 0.46 h = 7826 h

2.2 示例2（被動(dòng)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(shí)間： 0.5S

人體紅外傳感器的報(bào)文周期是不固定的，理論情況，如果一直有人，會(huì)每10S 發(fā)送一次有人，如果沒(méi)人，2 h 發(fā)送一次心率報(bào)文

那么這種不固定的我們計(jì)算時(shí)間，我們可以自己定義一個(gè)極限的理論場(chǎng)景，然后得到一個(gè)時(shí)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(shí)， 夜間一直沒(méi)人，12 小時(shí)

那么白天的 12h 就是 10s 發(fā)送一次，10s 一個(gè)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(gè)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(lái)的？

因?yàn)閭鞲衅鲉拘褧r(shí)間為 0.5s ，那么2個(gè)小時(shí)是多少個(gè) 0.5 s ？

2個(gè)小時(shí) = 2 x 60 x 60 = 7200 s = 14400 個(gè) 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?yàn)閭鞲衅?10s 一次周期，10s 一次周期就是 20個(gè) 0.5s ，就是19個(gè)正常的休眠時(shí)間，1個(gè)喚醒時(shí)間。

結(jié)合夜間電流和白天電流，計(jì)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(shí)長(zhǎng)：

電池大概能夠使用時(shí)長(zhǎng) 1200 / 0.2695 h > 4452 h > 185天

但是因?yàn)槲覀兯愕臉O限情況，白天不可能正真的一直有人，傳感器發(fā)送報(bào)文的功耗為此傳感器的大頭，所以可以得出傳感器實(shí)際使用時(shí)間會(huì)比這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)很多。

如果確實(shí)需要后續(xù)計(jì)算，可以在后臺(tái)統(tǒng)計(jì)一定時(shí)間的傳感器白天報(bào)文數(shù)量后做進(jìn)一步的精確計(jì)算。

供電電壓變換的說(shuō)明

有時(shí)候?yàn)榱藴y(cè)量產(chǎn)品的功耗我們可能會(huì)使用直流電源給產(chǎn)品供電方便測(cè)量，可能會(huì)和最終使用電池的場(chǎng)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(huì)小（電源整體入口），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(jì)算的時(shí)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(yǔ)

本文帶大家理解了一下電池容量，同時(shí)給出了電池使用時(shí)長(zhǎng)的理論計(jì)算方法。

當(dāng)然在實(shí)際使用的時(shí)候，電池的使用時(shí)長(zhǎng)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(chǎng)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(jiàn)，歡迎評(píng)論區(qū)留言，好了，本文就到這里，謝謝大家！