物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正在悄然改變很多行業(yè)，因?yàn)樗鼈兛梢詫?shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集、分析和自動(dòng)化。因此，智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市、智慧家居等領(lǐng)域的相關(guān)設(shè)備備受青睞。但是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的總擁有成本（TCO）往往被低估。雖然硬件、軟件和部署等前期成本較為直觀，但如果不重視電池壽命問題，后續(xù)的維護(hù)和電池更換成本（主要由電池壽命決定）可能會(huì)急劇上升。


電池壽命在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用

電池壽命作為物聯(lián)網(wǎng)隱性成本中的重中之重，必須得到優(yōu)先考慮。電池壽命未達(dá)預(yù)期不僅可能引發(fā)運(yùn)營中斷，還可能帶來環(huán)境與社會(huì)責(zé)任方面的風(fēng)險(xiǎn)。

運(yùn)營中斷

許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備部署在偏遠(yuǎn)或難以觸及的區(qū)域。如果設(shè)備因電池壽命不足而頻繁需要維護(hù)，其TCO將因電池更換、人工干預(yù)以及潛在的停機(jī)損失而顯著增加。譬如，在醫(yī)療監(jiān)控或工業(yè)監(jiān)控等關(guān)鍵場景中，電池故障引起的停機(jī)可能導(dǎo)致嚴(yán)重的運(yùn)營和經(jīng)濟(jì)損失，從而影響生產(chǎn)效率、安全性和客戶滿意度。隨著資產(chǎn)追蹤在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的普及，這一市場價(jià)值已達(dá)數(shù)十億美元，因此控制電池更換和維護(hù)成本尤為重要。

企業(yè)的環(huán)境責(zé)任

如今，企業(yè)越來越需要為其環(huán)境足跡負(fù)責(zé)。不當(dāng)?shù)奈锫?lián)網(wǎng)設(shè)備（特別是電池）管理可能損害企業(yè)聲譽(yù)。以國內(nèi)共享單車中的GPS追蹤器為例，其內(nèi)置電池若長期無人維護(hù)和更換，無疑加劇了城市環(huán)境問題。自2024年7月18日起，歐盟委員會(huì)開始實(shí)施新法規(guī)，作為歐盟綠色協(xié)議的一部分，此舉旨在提高區(qū)域內(nèi)產(chǎn)品的能源效率、降低能源消耗和碳排放，同時(shí)鼓勵(lì)制造商推出更具可持續(xù)性和成本效益的產(chǎn)品。

低溫環(huán)境下，電池壽命縮短的幅度

前述內(nèi)容充分說明了電池壽命的重要性。在眾多影響電池壽命的因素中，溫度無疑是一個(gè)關(guān)鍵外部變量。通常，高溫條件下雖然電池內(nèi)阻降低并能釋放更多能量，但同時(shí)也會(huì)加速自放電和鈍化過程，從而嚴(yán)重?fù)p害可用容量；而在低溫環(huán)境中，電池的自放電較低，但由于離子移動(dòng)減緩和內(nèi)阻增大，電壓下降更明顯，同樣會(huì)對可用容量產(chǎn)生不利影響。

此外，電池性能與內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)密切相關(guān)，而這些反應(yīng)對溫度變化極為敏感，從而直接影響電池的容量、壽命以及設(shè)備內(nèi)部組件的功耗。

在數(shù)據(jù)手冊中，電池壽命通常以室溫下的理想狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)，而現(xiàn)實(shí)中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)往往工作在溫差較大的環(huán)境中。例如，垃圾處理領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)解決方案可能面臨溫度劇烈波動(dòng)或長時(shí)間處于極端高低溫條件，這就為設(shè)備設(shè)計(jì)和電池選擇提出了更高要求。

電池壽命優(yōu)化策略

在產(chǎn)品開發(fā)階段，如果忽視電池壽命會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間和資源。因此，從一開始就應(yīng)從硬件設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)以及電池選擇等多個(gè)角度統(tǒng)籌考慮電池壽命問題。

電源管理：通過高效的軟件設(shè)計(jì)大幅降低功耗，如采用低功耗模式、優(yōu)化通信協(xié)議以及減少數(shù)據(jù)傳輸，都能有效延長電池使用時(shí)間。同時(shí)，固件升級(jí)為更節(jié)能的版本也能帶來積極效果。

數(shù)據(jù)處理：減少數(shù)據(jù)傳輸頻率，盡可能在本地處理數(shù)據(jù)而非依賴云端，均可降低能耗。優(yōu)化后的節(jié)能軟件還可以延長設(shè)備的維護(hù)間隔，從而降低總體擁有成本。

節(jié)能組件：在硬件方面，選擇低功耗元件（如處理器、傳感器和通信模塊）對于延長電池壽命至關(guān)重要，尤其在設(shè)備大部分時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，這類組件的低能耗特性顯得尤為重要。

電池技術(shù)：電池的選擇對壽命和可靠性有重大影響。例如，相較于鎳鎘電池，鋰離子電池不僅具有更高的能量密度，還能提供更長的使用壽命。雖然鋰電池初期投入較高，但綜合考慮維護(hù)、更換頻率以及風(fēng)險(xiǎn)成本后，鋰電池在低溫場景下往往是更優(yōu)的選擇。

注意事項(xiàng)： 即便是鋰電池，同樣會(huì)受到低溫環(huán)境的影響。例如，一款190mAh LiPo電池的工作溫度范圍為-20°C至+60°C，但數(shù)據(jù)手冊中可能缺乏在此范圍內(nèi)詳細(xì)的性能指標(biāo)。若沒有精確的預(yù)測，溫度的微小波動(dòng)就可能導(dǎo)致電池容量急劇下降。因此，在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)需全面評估不同工作狀態(tài)下（待機(jī)、睡眠、活躍）的功耗，并結(jié)合設(shè)備在存儲(chǔ)、運(yùn)輸及實(shí)際應(yīng)用中所遭遇的極端溫度進(jìn)行匹配。

另外，即便是能量密度最高的電池，其實(shí)際可用容量也難以達(dá)到100%。只有當(dāng)電池與應(yīng)用的功耗特性高度匹配時(shí)，才能盡量接近這一極限。我們的實(shí)驗(yàn)室測試顯示，由于使用效率不足，通常有30-50%的電池容量未能被實(shí)際利用。

案例分享

本文分享在測試鋰電池MicroE時(shí)，數(shù)據(jù)表顯示零度以下使用完全沒有問題。但事實(shí)并非如此。

硬件選擇：Otii Ace Pro儀器
軟件選擇：Otii電池工具箱
測試過程：

我們借助Otii Ace Pro和Otii Battery Toolbox在-10°C、+20°C和+50°C三種溫度下對該電池進(jìn)行性能分析。實(shí)際測試場景為利用WiFi通信的智能建筑物聯(lián)網(wǎng)解決方案。圖1、圖2和圖3展示了各溫度下電池內(nèi)阻與開路電壓的測量和分析結(jié)果，直觀揭示了溫度對物聯(lián)網(wǎng)電池性能以及壽命的影響。


在圖1中，當(dāng)溫度降至-10°C時(shí)，電池內(nèi)部電阻顯著增大，導(dǎo)致大部分傳感器無法正常工作，甚至無法啟動(dòng)，更遑論數(shù)據(jù)傳輸。即使傳感器能夠啟動(dòng)，較高的內(nèi)部電阻也會(huì)使電池電壓下降。為了彌補(bǔ)電壓下降，設(shè)備不得不通過增大電流來維持無線通信供電，這進(jìn)一步加劇了電壓跌落，直至低于MCU的截止電壓，最終引發(fā)設(shè)備重啟。在本次測試中，全新190mAh LiPo電池安裝于WIFI開發(fā)板（Particle Argon）上，在-10°C時(shí)竟無法成功連接WiFi，這與電池?cái)?shù)據(jù)手冊中所標(biāo)稱的“寬廣性能范圍”形成鮮明對比。

結(jié)論：認(rèn)識(shí)溫度對物聯(lián)網(wǎng)電池壽命的深遠(yuǎn)影響

本文論述了電池壽命對企業(yè)運(yùn)營的重要性，并強(qiáng)調(diào)了溫度作為影響電池壽命的主導(dǎo)因素。為更準(zhǔn)確地預(yù)測電池壽命，開發(fā)人員需要全面了解并測量設(shè)備在不同工作狀態(tài)（待機(jī)、睡眠、活動(dòng)等）下的能耗，同時(shí)結(jié)合設(shè)備在存儲(chǔ)、運(yùn)輸或?qū)嶋H使用過程中所面臨的極端溫度進(jìn)行綜合評估。切勿僅依賴電池?cái)?shù)據(jù)手冊，務(wù)必在高溫或低溫等極端條件下進(jìn)行充分測試。畢竟，即使是某知名品牌的鋰電池，以其在廣泛溫度范圍內(nèi)的出色表現(xiàn)而著稱，也不一定始終如預(yù)期般工作。

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