本文帶你理解電池的容量以及教會你如何計算使用電池的產品的工作時長

前言

在物聯網領域，在保證產品性能的前提下，產品的功耗是做得越來越低，針對物聯網領域的低功耗無線芯片的功耗也是越來越低。

作為研發人員，除了能夠設計出滿足需求的產品，還得要會計算自己的產品能工作多長時間，本文我們就來說明一下如何計算低功耗產品的工作時長。

我是矜辰所致，全網同名，盡量用心寫好每一系列文章，不浮夸，不將就，認真對待學知識的我們，矜辰所致，金石為開！

一、電池容量基礎

在計算電池使用時長之前，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，我們現在看幾組電池的參數圖片：

電池容量的表示形式為 毫安時（mAh）和 安時(Ah)。

電池電量的表示形式為 瓦時(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個單位：

毫安時（mAh） 和 瓦時(Wh)。

毫安時（mAh） 和 安時 (Ah) 在我看來是一樣的，因為一個是 mA 一個是 A ，1A = 1000mA， 都是電流單位，就像 cm 和 m 一樣都是長度單位 。

幾個單位間的換算：

1 Ah = 1000 mAh 

Wh（瓦時） = V（電壓） x Ah = V（電壓）x 1000 mAh

對于我們物聯網產品常用的 電池來說，更多的表示單位就是 毫安時 （mAh），我們也需要理解 這個單位來計算我們產品的使用時長 。

1.2 理解電池容量

那我們如何去理解這個 毫安時 （mAh）？

比如一個 1000 mAh 的電池：

表示該電池在放電電流為 1000mA 情況下能維持1小時完全放電；

或者是放電電流 100 mA 的情況下位置 10小時的完全放電；

常見幾點疑問

** 疑問1： 這里可能有些人會有個疑問，電壓呢？ 電壓不考慮嗎？ **

這里我們必須要知道，電池都會有一個指標就是供電電壓值。

比如一個電池指標為 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 小時。

** 疑問2： 這個電池用了一段時間電壓不是會下降嗎？那么這個時候電量算法是不是就變了？ **

對于我們以前的認知而言，就是電池用久了，就是快沒電了，電壓會下降，那么這個時候是不是就算不了了？

我是矜辰所致，全網同名，手動防止抄襲 = = ！

這里你首先得知道這里是電池 沒電了！ 沒電是什么情況，電壓確實會下降，但是這個時候電池已經可以直接換了，過了可以計算的時候了。 因為，電池的指標寫的 3.6V 1000mAh， 那么理論上來說，電池就能夠保證在你放掉自己標定電量的時間內，電壓保持在 3.6V。 什么意思呢，就是放電電流 100mA ，工作到10個小時的時候， 電池可以保證電壓穩定在 3.6V 。 過了 10 個小時，對于電池而言，他已經把電用光了，你電壓下降或者出現別的什么情況，都已經是情理之中，他已經是沒用了的。

我也記得以前小時候電池沒電了，給他壓扁，好像還能擠出一點電來用用，這個…… = =！

對于這一點，有位粉絲朋友給了我一個很好的說明，這里放出來給大家參考：

放電過程中電壓會下降，但是最多降到標稱電壓位置，就會停止輸出，類似電池標稱電壓3.6，滿電電壓4.2，放電過程中會隨著電量的減小而電壓下降，降到大約標稱電壓左右時，有個參數叫放電截止電壓的參數附近，會停止放電。也就是傳統意義的電用沒了。

1.3 一個好的比喻

我們再來加深一下對電池容量的理解，文章開頭就說了：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裝水水桶， 里面的裝水多少已經固定了，如果你用小管子放水，放完需要時間長，對應放電電流小，使用時間長， 如果你用大管子放水，放完需要時間短，對應放電電流大，使用時間短。

當然你也可以大管子放一會，小的放一會，甚至是不放，這樣看來完全是一個道理。

使用這個比喻，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

雖然電池確實是有自放電，而且如果是充電電池用久了確實會有衰減，但是考慮這些不僅白白增加了計算難度，甚至在某些情況下讓我們無法進行理論計算。

而且，現在有些物聯網產品專用的電池，自放電已經做到了很好的地步了，就拿博主自己使用的 鋰亞電池來說：

而對于充電的鋰電池，確實長期充放電對電池容量的影響不容忽視，確實會衰減，這個時候我們也只能初略的估計計算，因為衰減的百分比也不是一個確定的數字。

不僅是電池本身，對于低功耗的電池產品而言，我一般都會并聯一個大容量鉭電容用來穩壓（如果沒有大容量鉭電容，無線芯片在發送無線報文的一瞬間因為電流忽然增大很多，會導致整體電壓不穩，可能會使得芯片復位或者其他問題），電容本身也會存在自放電，所以嚴謹的說起來，這些都是影響電池電量的因數。

對于本文后面的計算，我們暫時不考慮衰減與自放電。

二、計算電池使用時長

鋪墊了那么多，才到我們關鍵的環節，上面的說明是用一個固定的放電電流來說明電池的電量的，對于我們的低功耗產品而言，不可能始終保持在同樣的電流狀態，休眠時電流低，喚醒時電流高，本小結就來說明一下物聯網產品上如何計算電池的使用壽命。

經過前文我們說過， 電池 我們就比作轉滿的一桶水，我們不管用粗管子（大電流）還是細管子（小電流）放水（電），我們最終就是計算需要多久放完。

在我們的物聯網低功耗產品中，大多數情況下，休眠喚醒是有周期規律的，即便沒有周期規律，比如類似于一些 被動的人感，門磁等設備，我們可以后臺統計每天的平均值也能估算出一天休眠喚醒的次數。

電池使用時長的大體思路為：以一定時間為單位，進行平均電流的計算，從而得到使用時長，關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 ，先來計算一個周期喚醒的傳感器使用時長：

條件如下：

周期上報傳感器

電池電量：3600mAh

休眠電流：300uA

喚醒工作電流： 10mA

喚醒工作時間： 1S

喚醒周期： 1min

這里說明一下 1min 這個周期，我們這里以 59S 的休眠時間 與 1S的喚醒時間 為說明

由上面的條件，因為一個完整的周期為 60S ，我們如果算出一個完整周期的平均電流，我們可以近似的認為傳感器所有的時間都是以這個平均電流在工作的，那就直接可以算出使用的時間。

平均電流 ：

平均電流 （（59 X 0.3）mA + （1 X 10）mA ）/ 60 ≈ 0.46 mA

電池大概使用時長：

時長 3600 / 0.46 h = 7826 h

2.2 示例2（被動喚醒傳感器）

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

喚醒工作時間： 0.5S

人體紅外傳感器的報文周期是不固定的，理論情況，如果一直有人，會每10S 發送一次有人，如果沒人，2 h 發送一次心率報文

那么這種不固定的我們計算時間，我們可以自己定義一個極限的理論場景，然后得到一個時間。

比如上面的傳感器，我們可以假設： 白天一直有人 12 小時， 夜間一直沒人，12 小時

那么白天的 12h 就是 10s 發送一次，10s 一個周期，可以求出白天 12 h 的平均電流。

夜間的 12h 就是 2h 發送一次， 2h 一個周期，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。

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 是怎么來的？

因為傳感器喚醒時間為 0.5s ，那么2個小時是多少個 0.5 s ？

2個小時 = 2 x 60 x 60 = 7200 s = 14400 個 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 ，是因為傳感器 10s 一次周期，10s 一次周期就是 20個 0.5s ，就是19個正常的休眠時間，1個喚醒時間。

結合夜間電流和白天電流，計算一天平均電流：

(（519uA X 12） + （20uA X 12） ) / 24 = 269.5uA = 0.2695mA

電池大概使用時長：

電池大概能夠使用時長 1200 / 0.2695 h > 4452 h > 185天

但是因為我們算的極限情況，白天不可能正真的一直有人，傳感器發送報文的功耗為此傳感器的大頭，所以可以得出傳感器實際使用時間會比這個時間長很多。

如果確實需要后續計算，可以在后臺統計一定時間的傳感器白天報文數量后做進一步的精確計算。

供電電壓變換的說明

有時候為了測量產品的功耗我們可能會使用直流電源給產品供電方便測量，可能會和最終使用電池的場合下的供電電壓不一樣，這里就得需要算出產品功耗，轉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為是一樣的，最后計算的時候要記得把電流換算成使用電池供電的產品電流。

結語

本文帶大家理解了一下電池容量，同時給出了電池使用時長的理論計算方法。

當然在實際使用的時候，電池的使用時長要考慮多方面的因數，需要考慮到自己產品的應用場合，以及選擇的電池性能等多方面的因數。

如果大家有好的意見，歡迎評論區留言，好了，本文就到這里，謝謝大家！