电池寿命决胜败—Otii解决方案：如何选购低温条件下物联网设备电池

物联网设备正在悄然改变很多行业，因为它们可以实现实时数据收集、分析和自动化。因此，智慧农业、智慧城市、智慧家居等领域的相关设备备受青睐。但是物联网系统的总拥有成本（TCO）往往被低估。虽然硬件、软件和部署等前期成本较为直观，但如果不重视电池寿命问题，后续的维护和电池更换成本（主要由电池寿命决定）可能会急剧上升。


电池寿命在物联网系统中的关键作用

电池寿命作为物联网隐性成本中的重中之重，必须得到优先考虑。电池寿命未达预期不仅可能引发运营中断，还可能带来环境与社会责任方面的风险。

运营中断

许多物联网设备部署在偏远或难以触及的区域。如果设备因电池寿命不足而频繁需要维护，其TCO将因电池更换、人工干预以及潜在的停机损失而显著增加。譬如，在医疗监控或工业监控等关键场景中，电池故障引起的停机可能导致严重的运营和经济损失，从而影响生产效率、安全性和客户满意度。随着资产追踪在物联网应用中的普及，这一市场价值已达数十亿美元，因此控制电池更换和维护成本尤为重要。

企业的环境责任

如今，企业越来越需要为其环境足迹负责。不当的物联网设备（特别是电池）管理可能损害企业声誉。以国内共享单车中的GPS追踪器为例，其内置电池若长期无人维护和更换，无疑加剧了城市环境问题。自2024年7月18日起，欧盟委员会开始实施新法规，作为欧盟绿色协议的一部分，此举旨在提高区域内产品的能源效率、降低能源消耗和碳排放，同时鼓励制造商推出更具可持续性和成本效益的产品。

低温环境下，电池寿命缩短的幅度

前述内容充分说明了电池寿命的重要性。在众多影响电池寿命的因素中，温度无疑是一个关键外部变量。通常，高温条件下虽然电池内阻降低并能释放更多能量，但同时也会加速自放电和钝化过程，从而严重损害可用容量；而在低温环境中，电池的自放电较低，但由于离子移动减缓和内阻增大，电压下降更明显，同样会对可用容量产生不利影响。

此外，电池性能与内部化学反应密切相关，而这些反应对温度变化极为敏感，从而直接影响电池的容量、寿命以及设备内部组件的功耗。

在数据手册中，电池寿命通常以室温下的理想状态为标准，而现实中，物联网设备和嵌入式系统往往工作在温差较大的环境中。例如，垃圾处理领域的物联网解决方案可能面临温度剧烈波动或长时间处于极端高低温条件，这就为设备设计和电池选择提出了更高要求。

电池寿命优化策略

在产品开发阶段，如果忽视电池寿命会浪费大量时间和资源。因此，从一开始就应从硬件设计、软件开发以及电池选择等多个角度统筹考虑电池寿命问题。

电源管理：通过高效的软件设计大幅降低功耗，如采用低功耗模式、优化通信协议以及减少数据传输，都能有效延长电池使用时间。同时，固件升级为更节能的版本也能带来积极效果。

数据处理：减少数据传输频率，尽可能在本地处理数据而非依赖云端，均可降低能耗。优化后的节能软件还可以延长设备的维护间隔，从而降低总体拥有成本。

节能组件：在硬件方面，选择低功耗元件（如处理器、传感器和通信模块）对于延长电池寿命至关重要，尤其在设备大部分时间处于待机状态时，这类组件的低能耗特性显得尤为重要。

电池技术：电池的选择对寿命和可靠性有重大影响。例如，相较于镍镉电池，锂离子电池不仅具有更高的能量密度，还能提供更长的使用寿命。虽然锂电池初期投入较高，但综合考虑维护、更换频率以及风险成本后，锂电池在低温场景下往往是更优的选择。

注意事项： 即便是锂电池，同样会受到低温环境的影响。例如，一款190mAh LiPo电池的工作温度范围为-20°C至+60°C，但数据手册中可能缺乏在此范围内详细的性能指标。若没有精确的预测，温度的微小波动就可能导致电池容量急剧下降。因此，在设备设计时需全面评估不同工作状态下（待机、睡眠、活跃）的功耗，并结合设备在存储、运输及实际应用中所遭遇的极端温度进行匹配。

另外，即便是能量密度最高的电池，其实际可用容量也难以达到100%。只有当电池与应用的功耗特性高度匹配时，才能尽量接近这一极限。我们的实验室测试显示，由于使用效率不足，通常有30-50%的电池容量未能被实际利用。

案例分享

本文分享在测试锂电池MicroE时，数据表显示零度以下使用完全没有问题。但事实并非如此。

硬件选择：Otii Ace Pro仪器
软件选择：Otii电池工具箱
测试过程：

我们借助Otii Ace Pro和Otii Battery Toolbox在-10°C、+20°C和+50°C三种温度下对该电池进行性能分析。实际测试场景为利用WiFi通信的智能建筑物联网解决方案。图1、图2和图3展示了各温度下电池内阻与开路电压的测量和分析结果，直观揭示了温度对物联网电池性能以及寿命的影响。


在图1中，当温度降至-10°C时，电池内部电阻显著增大，导致大部分传感器无法正常工作，甚至无法启动，更遑论数据传输。即使传感器能够启动，较高的内部电阻也会使电池电压下降。为了弥补电压下降，设备不得不通过增大电流来维持无线通信供电，这进一步加剧了电压跌落，直至低于MCU的截止电压，最终引发设备重启。在本次测试中，全新190mAh LiPo电池安装于WIFI开发板（Particle Argon）上，在-10°C时竟无法成功连接WiFi，这与电池数据手册中所标称的“宽广性能范围”形成鲜明对比。

结论：认识温度对物联网电池寿命的深远影响

本文论述了电池寿命对企业运营的重要性，并强调了温度作为影响电池寿命的主导因素。为更准确地预测电池寿命，开发人员需要全面了解并测量设备在不同工作状态（待机、睡眠、活动等）下的能耗，同时结合设备在存储、运输或实际使用过程中所面临的极端温度进行综合评估。切勿仅依赖电池数据手册，务必在高温或低温等极端条件下进行充分测试。毕竟，即使是某知名品牌的锂电池，以其在广泛温度范围内的出色表现而著称，也不一定始终如预期般工作。

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