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

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

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.

• systemy wbudowane
• IoT
• elektronika analogowa