4. 续航估算模型

续航估算不是把电池容量除以一个“典型电流”那么简单。对 Nordic nRF 系列设备而言，真正决定续航的是平均电流，而平均电流由工作状态、占空比、DC-DC 效率、休眠漏电、电池自放电共同决定。本节建立一个可手算、可复核的续航估算模型，并用一组教学示例参数走完从原始参数到理论续航的完整计算过程。

一、模型的基本结构

续航估算的核心公式只有一条：

理论续航(h) = 可用电池容量(mAh) / 系统平均电流(mA)

难点全部集中在两个量上：可用电池容量和系统平均电流。前者要扣除自放电、温度降额、DC-DC 最低工作电压导致的不可用容量；后者要把广播、连接、休眠、外设、传感器、DC-DC 损耗全部折算成时间加权平均。

因此模型可以拆成三条支路：容量支路、电流支路、效率支路。容量支路回答“电池实际能给出多少 mAh”，电流支路回答“设备平均消耗多少 mA”，效率支路回答“DC-DC 把电池能量转换成系统可用能量时损失了多少”。三者相乘相除，才得到最终续航。

二、容量支路：从标称容量到可用容量

电池标称容量是在标准放电条件下测得的，实际可用容量要打折扣。以一颗 CR2032 纽扣电池为例，标称容量约 220 mAh，但这是以极低放电电流、20 ℃、截止电压 2.0 V 为条件。若设备截止电压设在 2.4 V，可用容量可能只剩 160～180 mAh。

自放电是长周期设备的主要损失项。CR2032 在室温下自放电率约每年 1%～3%，若设备设计续航为 5 年，自放电累计损失可达 5%～15%。锂聚合物电池自放电率约每月 2%～3%，但通常设备续航以天或周计，自放电占比小。因此自放电是否纳入模型，取决于目标续航时间尺度：续航以年计必须纳入，以天计可忽略。

温度降额同样不可忽略。低温下电池内阻上升、可用容量下降，-20 ℃ 时 CR2032 可用容量可能只有室温的 50%～70%。若产品有户外或冷链场景，应在容量支路中显式加入温度降额系数。

三、电流支路：占空比与平均电流

平均电流是续航估算中最容易算错的部分。正确做法是按状态分时加权：

I_avg = (I_active × t_active + I_sleep × t_sleep + I_other × t_other) / T_period

以 nRF52832 广播应用为例，教学示例参数如下：广播间隔 1 s，每次广播事件射频开启约 1.2 ms，峰值电流约 5.3 mA（0 dBm，DC-DC 开启）；广播间隙系统休眠，休眠电流约 2.0 µA；外部传感器每 10 s 唤醒一次，工作 5 ms，平均电流 1.5 mA。

先算广播支路：每 1 s 内射频占空比 = 1.2 ms / 1000 ms = 0.12%，贡献平均电流 = 5.3 mA × 0.0012 = 6.36 µA。再算传感器支路：每 10 s 工作 5 ms，占空比 = 0.05%，贡献平均电流 = 1.5 mA × 0.0005 = 0.75 µA。休眠支路贡献 2.0 µA。合计 I_avg ≈ 6.36 + 0.75 + 2.0 = 9.11 µA。

这个结果说明：在低占空比场景下，休眠电流和传感器电流可能比射频电流更主导平均电流。很多工程师只盯着射频峰值电流，却忽略了休眠漏电和传感器唤醒，导致实测续航远低于估算。

四、效率支路：DC-DC 与 LDO 的差别

nRF52/nRF53 系列内置 DC-DC 转换器，开启后可将电池能量更高效地转换为系统电压。以 nRF52832 为例，DC-DC 开启时射频峰值电流约 5.3 mA，LDO 模式下约 7.5 mA，效率提升约 30%。在平均电流层面，DC-DC 开启可把 I_avg 从约 12 µA 降到约 9 µA，续航提升约 30%。

但 DC-DC 并非无条件开启。它需要外部电感电容，且在高阻态或极低负载时可能引入额外静态电流。实际工程中应通过 NRF_POWER->DCDCEN 寄存器或 SoftDevice 配置开启，并在实测中对比开启前后的平均电流。若设备大部分时间处于休眠，DC-DC 的静态功耗可能抵消部分收益，需要实测确认。

电池截止电压也属于效率支路。若系统最低工作电压为 2.4 V，而电池放电曲线在 2.4 V 以下仍有剩余容量，这部分容量无法被利用。估算时应以“电池电压降至系统截止电压”为终点，而不是以电池完全放空为终点。

五、完整算例：从参数到理论续航

继续使用上面的教学示例参数，并补充容量支路：CR2032 标称 220 mAh，截止电压 2.4 V 下可用容量按 170 mAh 计，5 年自放电损失按 10% 计，温度降额按 0.9 计。则：

C_use = 170 mAh × (1 − 0.10) × 0.9 ≈ 137.7 mAh
I_avg ≈ 9.11 µA = 0.00911 mA
T = 137.7 mAh / 0.00911 mA ≈ 15115 h ≈ 1.73 年

这个结果与“220 mAh / 9 µA ≈ 2.8 年”的粗略估算相差约 38%。差距来自自放电、温度降额和截止电压。若目标续航为 2 年，当前设计不达标，需要优化：把广播间隔从 1 s 放宽到 2 s，射频贡献减半；或把传感器唤醒周期从 10 s 放宽到 30 s；或更换更大容量电池。

六、估算结果的使用与验证

理论续航算出后，应与实测对照。实测方法是用 Nordic Power Profiler Kit II 或 Otii 记录设备在真实工作循环下的电流波形，积分得到平均电流，再与估算值比较。若实测平均电流高于估算值 20% 以上，通常说明存在未计入的漏电、外设静态电流或 DC-DC 配置未生效。

建议把估算模型整理成一张可复算的参数表，每次修改广播间隔、传感器周期、DC-DC 状态后重新计算，形成“参数—平均电流—续航”的快速反馈。这样在项目早期就能判断方案是否可行，而不是等到样机实测才发现续航不达标。

把这张表作为估算模板，每次设计变更后更新对应行，重新计算 I_avg 和 T，就能在几分钟内判断续航是否仍然满足目标。续航工程的核心不是一次算准，而是建立可重复、可追溯、可快速迭代的估算习惯。