物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正以驚人速度變革多個(gè)行業(yè)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、分析與自動(dòng)化，推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市和智慧家居等領(lǐng)域的發(fā)展。然而，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的總體擁有成本（TCO）常被低估。雖然硬件、軟件及部署等前期費(fèi)用較為直觀，但若忽視電池壽命問(wèn)題，后續(xù)的維護(hù)和電池更換成本（主要受電池壽命影響）則可能大幅上升。

電池壽命在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中作用關(guān)鍵

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(yíng)中斷，還可能帶來(lái)環(huán)境與社會(huì)責(zé)任方面的風(fēng)險(xiǎn)。

運(yùn)營(yíng)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(chǎng)景中，電池故障引起的停機(jī)可能導(dǎo)致嚴(yán)重的運(yùn)營(yíng)和經(jīng)濟(jì)損失，從而影響生產(chǎn)效率、安全性和客戶(hù)滿(mǎn)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(chǎng)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(lái)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(guó)內(nèi)共享單車(chē)中的GPS追蹤器為例，其內(nèi)置電池若長(zhǎng)期無(wú)人維護(hù)和更換，無(wú)疑加劇了城市環(huán)境問(wèn)題。自2024年7月18日起，歐盟委員會(huì)開(kāi)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(shuō)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(wú)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(guò)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(duì)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(duì)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(cè)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(zhǎng)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(kāi)發(fā)階段，若忽視電池壽命問(wèn)題，將浪費(fèi)大量時(shí)間和資源。因此，應(yīng)在初期設(shè)計(jì)時(shí)從硬件構(gòu)架、軟件開(kāi)發(fā)及電池選擇等多角度綜合考量電池壽命問(wèn)題。

電源管理

借助高效的軟件設(shè)計(jì)大幅降低功耗，例如采用低功耗模式、優(yōu)化通信協(xié)議以及減少數(shù)據(jù)傳輸，都能有效延長(zhǎng)電池使用壽命。同時(shí)，固件升級(jí)至更節(jié)能的版本亦能帶來(lái)積極效果。

數(shù)據(jù)處理

降低數(shù)據(jù)傳輸頻率，并盡可能在本地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理而非依賴(lài)云端，均可降低能耗。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的節(jié)能軟件還能延長(zhǎng)設(shè)備的維護(hù)周期，從而進(jìn)一步降低總體擁有成本。

節(jié)能組件

在硬件層面，選用低功耗元件（如處理器、傳感器和通信模塊）對(duì)于延長(zhǎng)電池壽命至關(guān)重要。特別是在設(shè)備大部分時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，這類(lèi)組件的低能耗特性顯得尤為重要。

電池技術(shù)

電池的選型對(duì)其壽命和可靠性具有重大影響。例如，相較于鎳鎘電池，鋰離子電池不僅擁有更高的能量密度，還能提供更長(zhǎng)的使用壽命。盡管鋰電池初期投入較高，但從維護(hù)、更換頻率及風(fēng)險(xiǎn)成本綜合考慮，在低溫場(chǎng)景下往往更為優(yōu)選。

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(cè)中可能缺乏在該溫度區(qū)間內(nèi)的詳細(xì)性能指標(biāo)。若缺乏精確預(yù)測(cè)，溫度的微小波動(dòng)就可能導(dǎo)致電池容量驟降。因此，在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)必須全面評(píng)估不同工作狀態(tài)（待機(jī)、睡眠、活躍等）下的功耗，并結(jié)合設(shè)備在存儲(chǔ)、運(yùn)輸及實(shí)際使用過(guò)程中可能遇到的極端溫度進(jìn)行匹配。

此外，即使是能量密度最高的電池，其實(shí)際可用容量通常也難以達(dá)到100%。只有當(dāng)電池與應(yīng)用的功耗特性高度匹配時(shí)，才能盡可能接近這一理論極限。我們的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，由于使用效率不足，通常有30%~50%的電池容量未能得到實(shí)際利用。

案例分享

本文分享了在測(cè)試鋰電池MicroE時(shí)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。盡管數(shù)據(jù)表顯示該電池在零度以下的使用情況無(wú)明顯問(wèn)題，但實(shí)際測(cè)試結(jié)果并非如此。

硬件選擇：Otii Ace Pro儀器

軟件選擇：Otii電池工具箱

測(cè)試過(guò)程：

我們利用Otii Ace Pro儀器和Otii Battery Toolbox，在-10°C、+20°C和+50°C三種溫度條件下對(duì)該電池性能進(jìn)行評(píng)估。測(cè)試場(chǎng)景為采用WiFi通信的智能建筑物聯(lián)網(wǎng)解決方案。圖1、圖2和圖3分別展示了在各溫度下電池內(nèi)阻與開(kāi)路電壓的測(cè)量及分析結(jié)果，直觀揭示了溫度對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備電池性能及壽命的影響。

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(wú)法正常工作，甚至無(wú)法啟動(dòng)，更不用說(shuō)數(shù)據(jù)傳輸。即便傳感器能夠啟動(dòng)，較高的內(nèi)阻也會(huì)使電池電壓明顯下降。為彌補(bǔ)電壓下降，設(shè)備不得不通過(guò)增加電流來(lái)維持無(wú)線(xiàn)通信供電，進(jìn)而進(jìn)一步加劇電壓跌落，直至低于MCU的截止電壓，最終觸發(fā)設(shè)備重啟。在本次測(cè)試中，全新190mAh LiPo電池安裝于WIFI開(kāi)發(fā)板（Particle Argon）上，在-10°C時(shí)竟無(wú)法成功連接WiFi，這與電池?cái)?shù)據(jù)手冊(cè)中所宣稱(chēng)的“寬廣性能范圍”形成了鮮明對(duì)比。

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

本文探討了電池壽命對(duì)企業(yè)運(yùn)營(yíng)的重要性，并著重強(qiáng)調(diào)溫度作為影響電池壽命的主要因素。為了更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)電池壽命，開(kāi)發(fā)人員需要全面了解并測(cè)量設(shè)備在不同工作狀態(tài)（待機(jī)、睡眠、活躍等）下的能耗，同時(shí)結(jié)合設(shè)備在存儲(chǔ)、運(yùn)輸及實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中所面臨的極端溫度進(jìn)行綜合評(píng)估。切勿僅依賴(lài)電池?cái)?shù)據(jù)手冊(cè)，務(wù)必在高溫或低溫等極端條件下進(jìn)行充分測(cè)試。畢竟，即使是某知名品牌的鋰電池，憑借其在廣泛溫度范圍內(nèi)的出色表現(xiàn)而聞名，也未必始終如預(yù)期般運(yùn)行。

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參考資料：

物聯(lián)網(wǎng)隱藏成本：為何電池壽命應(yīng)成為首要考量

溫度對(duì)物聯(lián)網(wǎng)電池壽命的影響

審核編輯 黃宇