Batterier lyver

Batterilevetid i praksis

Databladet er et nødvendigt udgangspunkt i batteridrevet design, men sjældent et retvisende billede af den endelige batterilevetid. Komponentdata er typisk målt under kontrollerede forhold: ved en fast spænding, en given temperatur og i en isoleret konfiguration. 

Det færdige produkt opfører sig anderledes. Her spiller temperatur, peak-strømme, regulatorer, sleep-strategi og systemarkitektur sammen på måder, der ofte forkorter levetiden markant.

Der er sjældent én enkelt forklaring på, at batterilevetiden skuffer. I praksis går de samme årsager igen i mange designs. Her er fem steder, hvor beregningen typisk skrider mellem datablad og virkelighed.

1. Databladet viser ikke det fulde system

En klassisk målesituation er en MCU, der i databladet angives til få mikroampere i deep sleep. På det færdige print måles hvilestrømmen imidlertid væsentligt højere. 

Årsagen er ofte summen af regulatorens quiescent current, pull-ups, sensorer i standby, lækstrømme og kredsløb, der aldrig helt slukkes.

Det betyder, at man ikke bør validere low-power design på komponentniveau alene. Det relevante tal er strømforbruget for hele systemet målt på det færdige board.

2. Sleep current er ikke hele sandheden

Et andet typisk problem opstår, når et design ser godt ud i hvile, men alligevel får for kort batterilevetid i drift. Her viser målinger ofte, at systemet vågner oftere end forventet eller forbliver aktivt for længe efter hver wakeup.

Det kunne fx være en sensorenhed, der formelt set sover det meste af tiden, men som vækkes af polling, støj på inputlinjer eller unødvendige housekeeping-rutiner. I sådanne tilfælde er det ikke sleep current, men aktivitetens hyppighed og varighed, der vælter energibudgettet.

3. Peak-strømme ændrer regnestykket

Gennemsnitsstrøm er nyttig, men kan være misvisende. To designs kan have samme gennemsnitsforbrug og alligevel forskellig praktisk batterilevetid. Det ses især i trådløse produkter.

Forestil dig en batteridrevet IoT-enhed, hvor radioen kun sender i korte bursts. På papiret ser det billigt ud energimæssigt. Men praksis kan sendetoppe, reconnects og retransmissioner gøre radioen til den største energipost. 

Hvis batteriet samtidig har høj indre modstand eller arbejder ved lav temperatur, kan spændingen dykke under belastning og give tidlig shutdown, selv om der stadig er restkapacitet i cellen.

4. Temperatur flytter mere, end mange forventer

Temperaturtest afslører ofte, hvor optimistiske laboratorieberegningerne har været:

Ved lave temperaturer stiger batteriets indre modstand, og den tilgængelige kapacitet falder. Det ses typisk som spændingsfald under belastning og kortere reel driftstid. 

Ved høje temperaturer kan ydelsen kortvarigt virke bedre, men batteriet ældes hurtigere.

Temperatur påvirker desuden resten af systemet. Lækstrømme, oscillatorer og sensorers opførsel ændrer sig også. Derfor bør batterilevetid valideres ved realistiske temperaturer og ikke kun ved stuetemperatur.

5. Batterivalg og belastningsprofil skal hænge sammen

Mange batteriproblemer skyldes, at batteriet vælges ud fra kapacitet alene. I praksis er belastningsprofilen mindst lige så vigtig. Et batteri, der fungerer godt ved lav og jævn belastning, er ikke nødvendigvis velegnet til et design med høje strømspidser.

En nyttig test er derfor at måle både hvilestrøm, aktive perioder og peak-belastninger som tidsforløb. Først dér bliver det tydeligt, om batteri, regulator og eventuel bufferkapacitet passer til applikationen.

Det, der virker i praksis

Skal batterilevetid vurderes realistisk, kræver det systemmålinger frem for antagelser. Det gælder især disse punkter:

• mål strømforbrug på det færdige print, ikke kun i databladet
• mål strøm som profil over tid, ikke kun som gennemsnit
• test ved både kulde og varme
• mål wakeups, retries og tid i aktiv tilstand
• verificér at periferi faktisk slukker som antaget

Batterier lyver ikke. Men databladet fortæller kun en del af sandheden. Resten findes først, når designet bliver målt under realistiske forhold.