Systemy wbudowane i IoT

Budżet energii urządzenia bateryjnego: jak policzyć, ile naprawdę wytrzyma bateria

Producent obiecuje 10 lat pracy na baterii, a urządzenie wyłącza się po pół roku. Pokazujemy, jak policzyć budżet energii i gdzie zwykle ucieka prąd.

Bateria pastylkowa na małej płytce z mikrokontrolerem w ciepłym świetle
Ilustracja poglądowa wygenerowana cyfrowo.

Czas pracy na baterii to często najważniejszy parametr urządzenia terenowego. Wymiana baterii w setkach czujników rozproszonych po dużym obszarze kosztuje więcej niż same czujniki. Tymczasem obietnice w stylu „10 lat na jednej baterii” rzadko wytrzymują zderzenie z rzeczywistością. Zwykle nie dlatego, że ktoś skłamał, lecz dlatego, że budżet energii policzono zbyt optymistycznie.

Średni prąd to suma faz

Urządzenie bateryjne większość czasu śpi, a co jakiś czas budzi się, mierzy, przetwarza i wysyła dane. Średni prąd oblicza się jako średnią prądów poszczególnych faz ważoną czasem ich trwania:

Iśr = Σ (Ii · ti) / T

FazaPrądCzas w cyklu 15 minŁadunek
Uśpienie3 µA≈ 899 s≈ 2,7 mC
Pomiar (czujnik + ADC)1,5 mA0,2 s0,3 mC
Przetwarzanie4 mA0,05 s0,2 mC
Transmisja radiowa40 mA0,5 s20 mC

W tym przykładzie (wartości ilustracyjne) średni prąd wynosi około 26 µA, a za ponad 80% zużycia odpowiada radio. Bateria 1000 mAh teoretycznie wystarczy na ponad 4 lata. Teoretycznie, bo do tego wyniku trzeba jeszcze doliczyć kilka zjawisk.

Gdzie ucieka energia

  • Samorozładowanie baterii i spadek pojemności w niskiej temperaturze. Zimą ogniwo litowe oddaje wyraźnie mniej energii niż w temperaturze pokojowej.
  • Impulsy prądowe: ogniwa o dużej rezystancji wewnętrznej, np. pastylkowe CR2032, źle znoszą impulsy rzędu dziesiątek miliamperów. Napięcie spada, a urządzenie się resetuje, choć bateria jest „pełna”. Pomaga kondensator buforowy.
  • Prądy upływu w dzielnikach napięcia, rezystorach podciągających i układach, które „nie powinny” pobierać prądu. Kilka mikroamperów w kilku miejscach potrafi podwoić prąd uśpienia.
  • Stabilizator o zbyt dużym prądzie spoczynkowym albo przetwornica pracująca nieefektywnie przy małym obciążeniu.
  • Powtórzenia transmisji przy słabym zasięgu: każda nieudana transmisja to kolejny impuls prądu radia, a seria powtórzeń w sieci komórkowej potrafi zużyć tyle energii co wiele godzin uśpienia.
  • Czujniki z długim czasem stabilizacji, które trzeba zasilać dłużej, niż wynika z noty katalogowej.

Jak mierzyć pobór prądu

Zwykły multimetr nie nadaje się do pomiaru prądu, który w ciągu milisekund zmienia się od mikroamperów do dziesiątek miliamperów. Stosuje się analizatory poboru prądu o dużej dynamice, rezystor bocznikowy z oscyloskopem albo specjalizowane przyrządy do profilowania energii. Kluczowe jest zmierzenie rzeczywistego profilu na prototypie w docelowej konfiguracji, a nie sumowanie liczb z not katalogowych.

Dobre praktyki

  • Odłączaj zasilanie czujników i dzielników kluczem tranzystorowym na czas uśpienia.
  • Grupuj dane i wysyłaj je rzadziej, ale w większych paczkach. Pomiar może być częstszy niż transmisja.
  • Wybierz łączność dopasowaną do ilości danych (porównanie znajdziesz we wpisie o łączności IoT).
  • Monitoruj napięcie baterii pod obciążeniem i wysyłaj je razem z danymi. Dzięki temu wymianę można planować, zanim urządzenie zamilknie.
  • Licz budżet z zapasem (np. 20–30%) na starzenie się ogniwa, temperaturę i nieprzewidziane powtórzenia transmisji.

Zasada: zmierzony profil prądu prototypu jest wart więcej niż najstaranniejszy arkusz kalkulacyjny. Często okazuje się, że najwięcej energii ucieka tam, gdzie nikt jej nie szukał.

Źródła

  1. Horowitz P., Hill W. (2015). The Art of Electronics, wyd. 3, rozdz. o projektowaniu układów małej mocy. Cambridge University Press.
  2. Reddy T. B. (red.) (2011). Linden’s Handbook of Batteries, wyd. 4. McGraw-Hill.
  3. Noty katalogowe producentów ogniw pastylkowych CR2032 (charakterystyki rozładowania impulsowego i wpływ temperatury).

Pracujesz nad podobnym zagadnieniem? Porozmawiajmy o metodzie pomiaru, elektronice albo prototypie. Pierwsza konsultacja jest bezpłatna.

Umów konsultację