物聯網設備正在悄然改變很多行業，因為它們可以實現實時數據收集、分析和自動化。因此，智慧農業、智慧城市、智慧家居等領域的相關設備備受青睞。但是物聯網系統的總擁有成本（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，后續的維護和電池更換成本（主要由電池壽命決定）可能會急劇上升。


電池壽命在物聯網系統中的關鍵作用

電池壽命作為物聯網隱性成本中的重中之重，必須得到優先考慮。電池壽命未達預期不僅可能引發運營中斷，還可能帶來環境與社會責任方面的風險。

運營中斷

許多物聯網設備部署在偏遠或難以觸及的區域。如果設備因電池壽命不足而頻繁需要維護，其TCO將因電池更換、人工干預以及潛在的停機損失而顯著增加。譬如，在醫療監控或工業監控等關鍵場景中，電池故障引起的停機可能導致嚴重的運營和經濟損失，從而影響生產效率、安全性和客戶滿意度。隨著資產追蹤在物聯網應用中的普及，這一市場價值已達數十億美元，因此控制電池更換和維護成本尤為重要。

企業的環境責任

如今，企業越來越需要為其環境足跡負責。不當的物聯網設備（特別是電池）管理可能損害企業聲譽。以國內共享單車中的GPS追蹤器為例，其內置電池若長期無人維護和更換，無疑加劇了城市環境問題。自2024年7月18日起，歐盟委員會開始實施新法規，作為歐盟綠色協議的一部分，此舉旨在提高區域內產品的能源效率、降低能源消耗和碳排放，同時鼓勵制造商推出更具可持續性和成本效益的產品。

低溫環境下，電池壽命縮短的幅度

前述內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，溫度無疑是一個關鍵外部變量。通常，高溫條件下雖然電池內阻降低并能釋放更多能量，但同時也會加速自放電和鈍化過程，從而嚴重損害可用容量；而在低溫環境中，電池的自放電較低，但由于離子移動減緩和內阻增大，電壓下降更明顯，同樣會對可用容量產生不利影響。

此外，電池性能與內部化學反應密切相關，而這些反應對溫度變化極為敏感，從而直接影響電池的容量、壽命以及設備內部組件的功耗。

在數據手冊中，電池壽命通常以室溫下的理想狀態為標準，而現實中，物聯網設備和嵌入式系統往往工作在溫差較大的環境中。例如，垃圾處理領域的物聯網解決方案可能面臨溫度劇烈波動或長時間處于極端高低溫條件，這就為設備設計和電池選擇提出了更高要求。

電池壽命優化策略

在產品開發階段，如果忽視電池壽命會浪費大量時間和資源。因此，從一開始就應從硬件設計、軟件開發以及電池選擇等多個角度統籌考慮電池壽命問題。

電源管理：通過高效的軟件設計大幅降低功耗，如采用低功耗模式、優化通信協議以及減少數據傳輸，都能有效延長電池使用時間。同時，固件升級為更節能的版本也能帶來積極效果。

數據處理：減少數據傳輸頻率，盡可能在本地處理數據而非依賴云端，均可降低能耗。優化后的節能軟件還可以延長設備的維護間隔，從而降低總體擁有成本。

節能組件：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重要，尤其在設備大部分時間處于待機狀態時，這類組件的低能耗特性顯得尤為重要。

電池技術：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、更換頻率以及風險成本后，鋰電池在低溫場景下往往是更優的選擇。

注意事項： 即便是鋰電池，同樣會受到低溫環境的影響。例如，一款190mAh LiPo電池的工作溫度范圍為-20°C至+60°C，但數據手冊中可能缺乏在此范圍內詳細的性能指標。若沒有精確的預測，溫度的微小波動就可能導致電池容量急劇下降。因此，在設備設計時需全面評估不同工作狀態下（待機、睡眠、活躍）的功耗，并結合設備在存儲、運輸及實際應用中所遭遇的極端溫度進行匹配。

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

案例分享

本文分享在測試鋰電池MicroE時，數據表顯示零度以下使用完全沒有問題。但事實并非如此。

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行性能分析。實際測試場景為利用WiFi通信的智能建筑物聯網解決方案。圖1、圖2和圖3展示了各溫度下電池內阻與開路電壓的測量和分析結果，直觀揭示了溫度對物聯網電池性能以及壽命的影響。


在圖1中，當溫度降至-10°C時，電池內部電阻顯著增大，導致大部分傳感器無法正常工作，甚至無法啟動，更遑論數據傳輸。即使傳感器能夠啟動，較高的內部電阻也會使電池電壓下降。為了彌補電壓下降，設備不得不通過增大電流來維持無線通信供電，這進一步加劇了電壓跌落，直至低于MCU的截止電壓，最終引發設備重啟。在本次測試中，全新190mAh LiPo電池安裝于WIFI開發板（Particle Argon）上，在-10°C時竟無法成功連接WiFi，這與電池數據手冊中所標稱的“寬廣性能范圍”形成鮮明對比。

結論：認識溫度對物聯網電池壽命的深遠影響

本文論述了電池壽命對企業運營的重要性，并強調了溫度作為影響電池壽命的主導因素。為更準確地預測電池壽命，開發人員需要全面了解并測量設備在不同工作狀態（待機、睡眠、活動等）下的能耗，同時結合設備在存儲、運輸或實際使用過程中所面臨的極端溫度進行綜合評估。切勿僅依賴電池數據手冊，務必在高溫或低溫等極端條件下進行充分測試。畢竟，即使是某知名品牌的鋰電池，以其在廣泛溫度范圍內的出色表現而著稱，也不一定始終如預期般工作。

如您希望了解Otii產品如何更好地滿足團隊需求，或者需要定制解決方案以實現最佳效能，歡迎與Qoitech技術專家預約Otii產品演示，或直接聯系我們：sales@qoitech.com。