Как да изчислим живота на батерията за LoRaWAN и NB-IoT устройства
Животът на батерията е една от най-важните дизайнерски цели за LoRaWAN и NB-IoT устройства. Може да се очаква интелигентен измервателен уред, дистанционен сензор, устройство за проследяване на активи или устройство за индустриален мониторинг да работи 5, 10 или дори 15 години без смяна на батерията. Реалният живот на батерията обаче зависи от много повече от номиналния капацитет.
Ключов извод
Най-практичният начин за оценка на живота на батерията е да се изчисли средният ток на целия цикъл на устройството, след което да се приложи реалистично намаляване на номиналните стойности за температура, импулсен ток, саморазреждане, прекъсване на напрежението, повторни опити за включване в мрежата и стареене.
За дълготрайни индустриални IoT устройства, първичните литиеви батерии, като LiSoCl2 ER клетки и ER + HPC батерийни пакети, често са предпочитани, тъй като осигуряват висока енергийна плътност, ниско саморазреждане и дълъг експлоатационен живот.
Проста формулаЖивот на батерията (часове) = Използваем капацитет на батерията (mAh) / Среден ток (mA)Живот на батерията (години) = Живот на батерията (часове) / 24 / 365
Тази формула е полезна, но е точна само ако средният ток е измерен правилно. IoT устройствата не консумират един и същ ток през цялото време. Те обикновено прекарват по-голямата част от живота си в режим на заспиване, след което се събуждат за измерване, обработка, безжично предаване, прозорци за получаване, мрежова активност и понякога повторно предаване.
По-практична формула за IoT устройства
Формула, базирана на цикълСреден ток = Обща консумация на заряд за цикъл / Време на цикълаIср = Σ(I × t) / T
Символ
Значение
I
Ток във всяко работно състояние, като например спящ режим, сензор, предаване, приемане или свързване на модем
t
Продължителност на всяко работно състояние
T
Общо време на цикъла, например един интервал на отчитане
Средна стойност
Среден ток, използван за изчисляване на живота на батерията
Защо теоретичният живот на батерията не е достатъчен
Теоретичното изчисление предполага перфектни условия. Реалните полеви приложения са различни. Температурните промени, качеството на сигнала, импулсният ток, стареенето на батерията, саморазреждането, пасивацията и напрежението на изключване на устройството намаляват използваемия капацитет.
Практическа оценкаПрактически живот на батерията = Теоретичен живот на батерията × Коефициент на намаляване на номиналните мощности
Инженерна бележка
За индустриални IoT проекти, инженерите не трябва да използват 100% от номиналния капацитет на батерията при изчисленията за експлоатационния живот. Необходим е марж на безопасност за полеви условия, поведение на мрежата, време за съхранение и вариации в производството.
2. Ключови състояния на захранване в LoRaWAN и NB-IoT устройства
Преди да изчислите живота на батерията, превключете устройството в различни състояния на захранване. Това предотвратява подценяване на консумацията на енергия.
Типичен цикъл на захранване на IoT
Сън
Събуди се
Сензори
Обработка на микроконтролер
TX
RX / Слушане
Спи отново
Състояние на захранването
Какво включва
Влияние на живота на батерията
Режим на заспиване
Спящ режим на MCU, режим на готовност на сензора, ток на покой на регулатора, ток на утечка
Критично за дълги интервали на отчитане, тъй като устройството може да спи повече от 99% от времето
Измерване на сензори
Отчитане на измервателни уреди, температура, налягане, газови сензори, GNSS, акселерометър или други сензори
Може да доминира в консумацията на енергия, когато сензорите изискват нагряване, дълго време за вземане на проби или GNSS позициониране
Обработка на микроконтролер
Събуждане, обработка на данни, криптиране, подготовка на пакети, запис в паметта
Обикновено кратък, но все пак трябва да бъде включен във всеки цикъл
Предаване
LoRaWAN uplink или NB-IoT предаване на данни
Често най-големият пик на тока в цикъла на устройството
Приемане / Слушане
Прозорци за получаване на LoRaWAN, пейджинг на NB-IoT, отговор на сървъра или активен таймер
Често пренебрегвано, но може значително да намали живота на батерията
3. Как да изчислим живота на батерията за LoRaWAN устройства
LoRaWAN устройствата се използват често в интелигентни измервателни уреди, сензори за околната среда, сензори за паркиране, устройства за индустриален мониторинг и системи за проследяване на активи. За приложения, захранвани от батерии, често се избира работа от клас А, защото минимизира времето за приемане в сравнение с режими, които слушат по-често.
Формула за изчисляване на живота на батерията на LoRaWAN
Qcycle = Qsleep + Qsensor + Qmcu + Qtx + Qrx1 + Qrx2 + Qretry + QjoinIavg = Qcycle / Време на цикълаЖивот на батерията = Използваем капацитет / Iavg
Параметър
Значение
Qsleep
Енергия, използвана по време на режим на заспиване
Qсензор
Енергия, използвана от сензорите по време на измерване
Qmcu
Енергия, използвана от събуждането, обработката, криптирането и записа в паметта на MCU
Qtx
Енергия, използвана по време на LoRa предаване
Qrx1 / Qrx2
Енергия, използвана по време на прозорците за получаване след възходяща връзка
Qretry
Допълнителна енергия, причинена от потвърдени съобщения, неуспешни връзки или лошо качество на сигнала
Qjoin
Енергия за присъединяване или повторно присъединяване, осреднена за очаквания експлоатационен живот
Параметри на LoRaWAN, които влияят на живота на батерията
Фактор
Влияние върху живота на батерията
Интервал на качване
По-дългият интервал обикновено намалява средния ток и удължава живота на батерията
Размер на полезния товар
По-големият полезен товар може да увеличи времето за ефир и енергията за предаване
Фактор на разпространение
По-високият коефициент на разпространение увеличава времето за излъчване и може да намали живота на батерията
Мощност на предавателя
По-високата предавателна мощност увеличава консумацията на ток по време на връзката нагоре
Потвърден възходящ линк
Потвържденията и повторните опити могат да увеличат енергията за получаване и предаване
Настройка за нежелани реакции
Правилно конфигурираната стратегия за адаптивна скорост на данни може да намали времето за ефир и консумацията на енергия
Качество на сигнала
Лошото покритие може да увеличи броя на повторните опити, предаването с висока мощност и общото време за ефир
Температура
Ниската температура може да намали използваемия капацитет и да увеличи пада на напрежението под товар
Примерна структура за изчисление на LoRaWAN
1Измерете тока в режим на покой, включително MCU, сензори, RTC, памет и ток на покой на регулатора.
2Измерете тока на сензора и времето на работа на сензора за всяко отчитане.
3Измерете активния ток на микроконтролера и продължителността на обработката.
4Измерете тока и времето на предаване на LoRa при реалистични настройки за скорост на данни и полезен товар.
5Включете прозорците за приемане на RX1 и RX2 след всяка връзка нагоре.
6Добавете марж за повторен опит за потвърдени съобщения, слаб сигнал, покритие на шлюза и условия на инсталиране.
7Приложете намаляване на номиналните характеристики за саморазреждане, температура, пасивация и прекъсване на напрежението.
4. Как да изчислим живота на батерията за NB-IoT устройства
NB-IoT устройствата използват клетъчна LPWAN инфраструктура и се използват често в интелигентни газомери, интелигентни водомери, градска инфраструктура, индустриален мониторинг и дистанционно оборудване. Животът на батерията зависи не само от фърмуера на устройството, но и от мрежовото покритие, настройките на оператора, PSM, eDRX, поведението при свързване и повторните предавания.
Формула за изчисляване на живота на батерията на NB-IoT
Qcycle = Qsleep + Qsensor + Qmcu + Qattach + Qtx + Qrx + Qpsm + Qedrx + QretryIavg = Qcycle / Време на цикълаЖивот на батерията = Използваем капацитет / Iavg
Важни състояния на захранване на NB-IoT
Състояние на захранването
Описание
Дълбок сън
Устройството е неактивно и MCU, сензорите и модемът консумират минимален ток
ПСМ
Режимът за пестене на енергия позволява на устройството да остане регистрирано, докато спи, намалявайки енергията, необходима за честото повторно свързване.
eDRX
Разширеното прекъснато приемане позволява на устройството да слуша за пейджинг през по-дълги интервали
Прикачи / TAU
Регистрацията в мрежата и актуализирането на зоната за проследяване могат да консумират значително количество енергия
Данни за предаване
Предаване на данни по възходяща връзка, често с висок пиков ток и променлива продължителност
RX / Пейджинг
Слушане на низходяща връзка, отговор на сървъра, активен таймер или прозорци за пейджинг
Търсене в мрежата
Голям разход на енергия, когато сигналът е слаб, покритието е недостъпно или устройството многократно търси услуга
Параметри на NB-IoT, които влияят на живота на батерията
Фактор
Въздействие
Интервал на отчитане
По-дългите интервали намаляват броя на събужданията и предаванията на модема
PSM таймер
По-дългият PSM може да намали консумацията на енергия, но действителните стойности зависят от мрежовата поддръжка.
eDRX цикъл
По-дългият eDRX цикъл намалява честотата на слушане, но увеличава латентността на връзката към интернет.
Активен таймер
По-дългото активно време след предаване увеличава консумацията на енергия
Сила на сигнала
Слабият сигнал може да увеличи мощността на предаване, времето за препредаване и търсене в мрежата.
Полезен товар и протокол
Форматът MQTT, CoAP, UDP, TCP и полезният товар на приложението влияят на енергията на предаване
Мобилност
Преместващите се устройства могат да консумират повече енергия поради преизбор на клетки и промяна на покритието
Често срещани грешки, свързани с живота на батерията на NB-IoT
Ако настройките на PSM и eDRX винаги се приемат точно както са поискани от устройството.
Игнориране на прикачването, TAU, активния таймер и енергията за търсене в мрежата.
Използване на лабораторни условия на сигнала вместо реално покритие на полето.
Не се измерва с действителната SIM карта, мрежата на оператора, антената, корпуса и фърмуера.
Избор на батерия само въз основа на номиналния капацитет в mAh, без да се проверява импулсен ток и пад на напрежение.
5. Живот на батерията LoRaWAN срещу NB-IoT: Каква е разликата?
Фигура 1. Разлики в поведението на живота на батерията между LoRaWAN и NB-IoT устройства.
Елемент
LoRaWAN
NB-IoT
Тип мрежа
LPWAN, използваща нелицензиран спектър
Клетъчна LPWAN, специфицирана от 3GPP
Типични приложения
Сензори, измервателни уреди, устройства за паркиране, мониторинг на околната среда, проследяване на активи
Интелигентни измервателни уреди, градска инфраструктура, индустриален мониторинг, проследяване на активи
Оптимизация на мощността
Дълъг сън, къса връзка нагоре, работа клас А, оптимизиран ADR и полезен товар
PSM, eDRX, оптимизирано свързване, по-кратко време на активност, добро качество на сигнала
Енергиен риск
Дълго време за ефир, висок коефициент на разпространение, повторни опити, потвърдени връзки
Прикачване на енергия, лошо покритие, търсене на мрежа, препредаване, дълъг активен таймер
Проблем с батерията
Импулсен ток, RX прозорци, дълго съхранение, температура
По-висок пиков ток, по-дълги предавателни събития, спад на напрежението, променливост на мрежата
Препоръчителна батерия
LiSoCl2 ER батерия, ER + HPC за приложения с висок импулс
LiSoCl2 ER батерия, често ER + HPC батерия за висок импулсен ток
6. Избор на химичен състав на батерията за LoRaWAN и NB-IoT устройства
Фигура 2. ER + HPC архитектурата осигурява стабилна поддръжка на импулсен ток за безжични IoT предавания.
Две батерии с еднакъв номинален капацитет могат да се представят много различно в полеви условия. Проектите за IoT с дълъг живот трябва да вземат предвид саморазреждането, температурния диапазон, импулсния капацитет, напрежението, времето за съхранение, вътрешното съпротивление и изискванията за безопасност.
Тип батерия
Предимства
Ограничения и случаи на употреба
Алкална
Ниска цена и лесна наличност
По-високо саморазреждане и по-слаба нискотемпературна работа; подходящ за потребителски устройства с кратък живот
Акумулаторна литиево-йонна батерия
Акумулаторна и подходяща за висок ток
Изисква схема за зареждане и дизайн на защита; не е идеален за много инсталации с първични батерии без поддръжка
LiMnO2
Стабилен 3V изход и добра импулсна мощност
Често срещан в аларми, тракери, безжични устройства и приложения, изискващи 3V първични литиеви клетки
LiSoCl2 ER
Висока енергийна плътност, ниско саморазреждане, дълъг срок на годност, стабилна напрежна платформа
Отличен за интелигентни измервателни уреди, дистанционни сензори и индустриален интернет на нещата; приложенията с високи импулси може да изискват допълнителна поддръжка
LiSoCl2 + HPC
Съчетава дълготрайно съхранение на енергия с подобрен импулсен изход
Препоръчва се за NB-IoT, GNSS тракери, измервателни уреди за контрол на клапани и безжични устройства с импулсен ток
Кога да използвате ER + HPC батерийни пакети
NB-IoT устройства с висок пиков предавателен ток.
LoRaWAN тракери с GNSS позициониране и периодични ъплинкове.
Интелигентни измервателни уреди с управление на вентили или задействане на мотор.
Приложения в студена среда, където спадът на напрежението е по-сериозен.
Устройства, изискващи 10+ години експлоатационен живот с безжични импулсни товари.
7. Фактори за намаляване на мощността, които инженерите трябва да включат
Коефициент на понижаване на мощността
Защо е важно
Температура
Ниската температура намалява използваемия капацитет и увеличава пада на напрежението; високата температура може да увеличи стареенето и саморазреждането
Импулсен ток
Батерията може да има достатъчен капацитет, но да се повреди, ако не може да поддържа предаване на модем, стартиране на GNSS или импулси за задействане на клапан.
Саморазреждане
Дори ниското саморазреждане става важно при 10-годишни и 15-годишни инсталации.
Прекъсващо напрежение
Устройствата спират да работят, когато напрежението падне под минималното работно напрежение, дори ако е останал известен капацитет
Пасивация
LiSoCl2 клетките могат да покажат забавяне на напрежението след продължително съхранение или работа с нисък ток; профилът на натоварване и поддръжката на импулси трябва да бъдат валидирани
Поведение на мрежата
Слабото покритие, препредаването и по-дългото активно време могат да консумират много повече енергия от очакваното
Оценка на използваемия капацитетНаличен капацитет = Номинален капацитет - Загуба от саморазреждане - Загуба от температура - Неизползваем остатъчен капацитет
8. Практически примери за изчисляване на живота на батерията
Пример 1: LoRaWAN интелигентен водомер
Параметър
Примерна настройка
Тип устройство
LoRaWAN интелигентен водомер
Интервал на отчета
На всеки 6 часа
Клас на устройството
Клас А
Полезен товар
12 байта
Целевият живот
10 години
Опция за батерия
ER18505, ER26500, ER34615 или персонализиран LiSoCl2 батериен пакет в зависимост от текущия профил и ограниченията на размера
За това устройство, инженерът трябва да изчисли консумацията на време за сън за целия 6-часов интервал, да добави консумацията на сензори и активни MCU данни, да включи LoRa предаване и два прозореца за получаване, след което да добави граници за повторен опит и температура.
Пример 2: Газов измервателен уред NB-IoT
Параметър
Примерна настройка
Тип устройство
NB-IoT интелигентен газомер
Интервал на отчета
Веднъж на ден
Режим на захранване
PSM е активиран, eDRX зависи от изискванията за връзка с интернет
Изискване за низходяща връзка
Рядко низходящо предаване, предимно отчитане на възходящо предаване
Целевият живот
10 до 15 години
Опция за батерия
Батериен пакет ER26500, ER34615 или ER + HPC за висок импулсен ток
За NB-IoT, инженерите трябва да тестват с действителната мрежа на оператора. Прикачването, TAU, активният таймер, силата на сигнала, препредаването и режимът за пестене на енергия могат да окажат голямо влияние върху реалния живот на батерията.
Прост калкулатор за живот на батерията
Използвайте този прост калкулатор за бърза оценка. Той не е заместител на измерването на реален ток, тестването на температура и валидирането на импулсен ток.
Резултатът за живота на батерията ще се покаже тук.
9. Контролен списък за изчисляване на живота на батерията
Преди да изберете батерия, съберете следната информация. Тази информация позволява на доставчика на батерии и инженера на устройството да препоръчат по-безопасно и по-реалистично решение за батерията.
Необходими данни
Защо е важно
Ток на спящ режим на устройството
Определя дългосрочната консумация в режим на готовност
Активен ток на микроконтролера
Засяга всеки цикъл на събуждане
Ток и продължителност на сензора
Важно за устройства, изискващи много измервания
Ток и продължителност на радиопредаваното предаване
Основен консуматор на енергия по време на безжична комуникация
RX ток и време за слушане
Важно за прозорците за получаване на LoRaWAN и времето за активност на NB-IoT
Интервал на отчитане
Определя работния цикъл и средния ток
Качество на сигнала
Влияе на мощността на предаване, препредаването, търсенето в мрежата и времето за ефир
Работна температура
Влияе върху използваемия капацитет, вътрешното съпротивление и стабилността на напрежението
Пиков ток
Определя дали е необходимо ER + HPC или друго решение за поддръжка на импулсите
Минимално напрежение
Определя какъв номинален капацитет на батерията е действително използваем от устройството
10. Как да удължим живота на батерията в LoRaWAN и NB-IoT устройства
Оптимизация на фърмуера и мрежата
Намалете честотата на отчитане, където е възможно.
Оптимизирайте размера на полезния товар и избягвайте ненужни полета с данни.
Използвайте правилно дълбокия сън за микроконтролер, сензори, регулатор и модем.
Намалете ненужните потвърдени съобщения в LoRaWAN приложенията.
Използвайте NB-IoT PSM и eDRX според изискванията за връзка с приложението.
Валидирайте реалната консумация на ток с финалния фърмуер и мрежа.
Оптимизация на хардуера и батерията
Подобрете позицията на антената и монтажа, за да намалите повторните опити.
Изберете химичен състав на батерията, подходящ за дълготрайна основна работа.
Проверете пиковия ток и спада на напрежението по време на събития от предавателя и сензора.
Добавете HPC поддръжка, когато е необходим висок импулсен ток.
Приложете реалистично намаляване на номиналната температура и саморазреждане.
Тествайте при реални условия на корпуса, антената, температурата и мрежата.
11. Препоръчителни батерии за LoRaWAN и NB-IoT устройства
За LoRaWAN сензори с ниска мощност
Препоръчителна посока на батериите: ER14250, ER14505, ER18505 или CR123A, в зависимост от напрежението, профила на тока, пространството и комуникационната честота.
Подходящи приложения: сензори за околната среда, сензори за паркиране, сензори за врати, модули за безжично отчитане на електромери и устройства за наблюдение с нисък работен цикъл.
За интелигентни измервателни уреди и индустриални сензори
Препоръчителна посока на батерията: ER26500, ER34615 или персонализиран LiSoCl2 батериен пакет.
Подходящи приложения: интелигентни водомери, интелигентни газомери, топломери, дистанционни сензори за налягане, устройства за индустриален мониторинг и външна инфраструктура.
За NB-IoT и устройства с висок импулс
Препоръчителна посока на батерията: ER + HPC батерия, ER26500 + HPC, ER34615 + HPC или персонализирана батерия с конектор, кабел, езичета и корпус.
Подходящи приложения: интелигентни измервателни уреди NB-IoT, GNSS тракери за активи, измервателни уреди за управление на клапани, промишлени аларми, тракери за студена верига и оборудване за дистанционна телеметрия.
Нуждаете се от помощ при избора на батерия?
Изпратете на PKCELL информация за напрежението на вашето устройство, тока в спящ режим, активния ток, пиковия ток, интервала на предаване, работната температура, целевия живот, ограничението на размера и изискванията за конектора. Нашите инженери могат да ви помогнат да оцените живота на батерията и да препоръчат подходяща LiSoCl2 клетка, батерия от серия ER, HPC решение или персонализиран батериен пакет.
12. Често задавани въпроси относно живота на батерията на LoRaWAN и NB-IoT
Как се изчислява животът на батерията на IoT устройство?
Животът на батерията се изчислява чрез разделяне на използваемия капацитет на батерията на средния ток. За IoT устройства средният ток трябва да включва спящ режим, сензори, обработка от MCU, предаване, прозорци за получаване, мрежова активност, повторни опити и намаляване на мощността.
Защо животът на батерията на моето LoRaWAN устройство е по-кратък от очакваното?
Често срещани причини включват висок коефициент на разпространение, слаб сигнал, чести ъплинкове, потвърдени съобщения, повторно предаване, висок ток в спящ режим, ниска температура и неправилна химия на батерията.
Защо NB-IoT консумира повече енергия от очакваното?
Консумацията на енергия на NB-IoT може да се увеличи поради слаб клетъчен сигнал, често свързване към мрежата, дълъг активен таймер, проблеми с конфигурацията на PSM/eDRX, повторно предаване, търсене в мрежата и натоварване на протокола.
LoRaWAN по-енергийно ефективен ли е от NB-IoT?
Зависи от приложението, интервала на отчитане, полезния товар, покритието, мрежовата конфигурация и дизайна на устройството. LoRaWAN често се използва за сензорни приложения с нисък обем данни и дълги интервали. NB-IoT е подходящ за клетъчни внедрявания в широка зона, но изисква внимателна оптимизация на PSM, eDRX, качеството на сигнала и поведението на модема.
Коя батерия е най-подходяща за LoRaWAN сензори?
За дълготрайни LoRaWAN сензори обикновено се използват LiSoCl2 ER батерии. Ако устройството има по-висок импулсен ток, GNSS или чести безжични импулси, ER + HPC батериен пакет може да е по-подходящ.
Коя батерия е най-подходяща за NB-IoT устройства?
NB-IoT устройствата обикновено се нуждаят от батериен разтвор, който поддържа висок пиков ток и дълъг експлоатационен живот. LiSoCl2 ER батерии или ER + HPC батерийни пакети често се избират за интелигентни измервателни уреди, тракери и индустриални IoT устройства.
Защо номиналният капацитет на батерията не е достатъчен?
Номиналният капацитет не отразява всички реални работни условия. Използваемият капацитет се влияе от температура, разряден ток, импулсно натоварване, напрежение на изключване, саморазреждане, време на съхранение, пасивация и стареене.
Имам ли нужда от високопроизводителен компютър (HPC) за моя IoT батериен пакет?
HPC е полезен, когато устройството има висок импулсен ток, например при предаване на NB-IoT, стартиране на GNSS, задействане на клапани, безжични повторни опити или работа в студена среда. Той помага за намаляване на пада на напрежението по време на токови пикове.
Може ли едно устройство наистина да работи 10 години с една батерия?
Да, но само когато системата има нисък среден ток, оптимизирано комуникационно поведение, подходящ химичен състав на батерията, достатъчен използваем капацитет, ниско саморазреждане и валидиране при реални полеви условия.
Каква информация трябва да предоставя на доставчик на батерии?
Предоставете напрежение на устройството, ток в спящ режим, активен ток, пиков ток, продължителност на предаване/приемане, интервал на отчитане, размер на полезния товар, работна температура, целеви живот, минимално напрежение на прекъсване, ограничение на пространството, изисквания за конектор и изисквания за сертифициране.
Заключение: Изчисляването на живота на батерията започва с реални данни за мощността
Животът на батерията за LoRaWAN и NB-IoT не може да се оцени само от номиналния капацитет на батерията. Инженерите трябва да изчислят средния ток от пълния цикъл на устройството, след което да приложат реалистично намаляване на номиналните стойности за температура, саморазреждане, импулсен ток, пасивация, прекъсване на напрежението и поведение на мрежата.
За дълготрайни индустриални IoT проекти, LiSoCl2 ER батериите и ER + HPC батерийните пакети могат да осигурят надеждни енергийни решения за интелигентни измервателни уреди, устройства за проследяване на активи, дистанционни сензори и оборудване за индустриален мониторинг.
