Wie man die Akkulaufzeit für LoRaWAN- und NB-IoT-Geräte berechnet
Die Batterielebensdauer ist eines der wichtigsten Designziele für LoRaWAN- und NB-IoT-Geräte. Von einem intelligenten Zähler, Fernsensor, Anlagen-Tracker oder industriellen Überwachungsgerät wird erwartet, dass es 5, 10 oder sogar 15 Jahre ohne Batteriewechsel funktioniert. Die tatsächliche Batterielebensdauer hängt jedoch von weit mehr als der Nennkapazität ab.
Wichtigste Erkenntnis
Die praktischste Methode zur Abschätzung der Batterielebensdauer besteht darin, den durchschnittlichen Strom des gesamten Gerätezyklus zu berechnen und anschließend realistische Leistungsreduzierungen für Temperatur, Impulsstrom, Selbstentladung, Spannungsabschaltung, Netzwerkwiederholungsversuche und Alterung vorzunehmen.
Für langlebige industrielle IoT-Geräte werden häufig primäre Lithiumbatterien wie LiSoCl2 ER-Zellen und ER + HPC-Akkupacks bevorzugt, da sie eine hohe Energiedichte, geringe Selbstentladung und eine lange Lebensdauer bieten.
Diese Formel ist zwar nützlich, aber nur dann genau, wenn der durchschnittliche Stromverbrauch korrekt gemessen wird. IoT-Geräte verbrauchen nicht konstant denselben Strom. Sie verbringen die meiste Zeit im Schlafmodus und werden dann für Datenerfassung, -verarbeitung, drahtlose Übertragung, Empfangsfenster, Netzwerkaktivitäten und gelegentlich erneute Übertragung aktiviert.
Eine praxisnähere Formel für IoT-Geräte
Zyklusbasierte FormelDurchschnittlicher Strom = Gesamtladungsverbrauch pro Zyklus / ZykluszeitIavg = Σ(I × t) / T
Symbol
Bedeutung
I
Stromstärke in jedem Betriebszustand, z. B. Schlafmodus, Erfassungsmodus, Sendemodus, Empfangsmodus oder Modemanschluss.
t
Dauer jedes Betriebszustands
T
Gesamtzykluszeit, z. B. ein Meldeintervall
Iavg
Durchschnittlicher Stromverbrauch für die Berechnung der Batterielebensdauer
Warum die theoretische Akkulaufzeit nicht ausreicht
Eine theoretische Berechnung setzt ideale Bedingungen voraus. Reale Feldeinsätze sehen anders aus. Temperaturschwankungen, Signalqualität, Impulsstrom, Batteriealterung, Selbstentladung, Passivierung und die Abschaltspannung des Geräts reduzieren die nutzbare Kapazität.
Bei industriellen IoT-Projekten sollten Ingenieure bei Lebensdauerberechnungen nicht mit 100 % der Nennkapazität der Batterie rechnen. Ein Sicherheitszuschlag ist erforderlich, um Feldbedingungen, Netzwerkverhalten, Lagerzeit und Produktionsschwankungen zu berücksichtigen.
2. Wichtige Energiezustände in LoRaWAN- und NB-IoT-Geräten
Vor der Berechnung der Akkulaufzeit sollte das Gerät in verschiedene Leistungszustände unterteilt werden. Dadurch wird eine Unterschätzung des Energieverbrauchs vermieden.
Typischer IoT-Stromzyklus
Schlafen
Aufwachen
Sensorik
MCU-Verarbeitung
TX
RX / Listen
Schlaf wieder
Energiezustand
Was es beinhaltet
Auswirkungen auf die Akkulaufzeit
Schlafmodus
MCU-Schlafmodus, Sensor-Standby-Modus, Ruhestrom des Reglers, Leckstrom
Dies ist bei langen Meldeintervallen von entscheidender Bedeutung, da sich das Gerät möglicherweise mehr als 99 % der Zeit im Schlafmodus befindet.
Sensormessung
Zählerablesung, Temperatur, Druck, Gassensorik, GNSS, Beschleunigungsmesser oder andere Sensoren
Der Energieverbrauch kann dominieren, wenn Sensoren Heizung, lange Abtastzeiten oder GNSS-Positionierung benötigen.
Normalerweise kurz, sollte aber dennoch in jedem Zyklus enthalten sein.
Übertragung
LoRaWAN-Uplink oder NB-IoT-Datenübertragung
Oftmals der größte Strompeak im Gerätezyklus
Empfangen / Zuhören
LoRaWAN-Empfangsfenster, NB-IoT-Paging, Serverantwort oder aktiver Timer
Oft ignoriert, kann aber die Akkulaufzeit erheblich verkürzen
3. Wie berechnet man die Akkulaufzeit für LoRaWAN-Geräte?
LoRaWAN-Geräte werden häufig in intelligenten Zählern, Umweltsensoren, Parksensoren, industriellen Überwachungsgeräten und Anlagenverfolgungssystemen eingesetzt. Für batteriebetriebene Anwendungen wird oft der Betriebsmodus Klasse A gewählt, da er die Empfangszeit im Vergleich zu Modi mit höherer Empfangsfrequenz minimiert.
Energieverbrauch beim Aufwecken, der Verarbeitung, der Verschlüsselung und dem Schreiben in den Speicher des Mikrocontrollers
Qtx
Energieverbrauch bei der LoRa-Übertragung
QRX1 / QRX2
Energieverbrauch während der Empfangsfenster nach einem Uplink
Qretry
Zusätzlicher Energieverbrauch aufgrund bestätigter Nachrichten, fehlgeschlagener Uplinks oder schlechter Signalqualität
Qjoin
Energieaufwand für das Verbinden oder Wiederverbinden, gemittelt über die erwartete Nutzungsdauer
LoRaWAN-Parameter, die die Akkulaufzeit beeinflussen
Faktor
Auswirkungen auf die Akkulaufzeit
Uplink-Intervall
Ein längeres Intervall reduziert in der Regel den durchschnittlichen Stromverbrauch und verlängert die Batterielebensdauer.
Nutzlastgröße
Eine größere Nutzlast kann die Sendezeit und die Übertragungsenergie erhöhen.
Spreizfaktor
Ein höherer Spreizfaktor erhöht die Sendezeit und kann die Batterielebensdauer verkürzen.
TX Power
Höhere Sendeleistung erhöht die Stromaufnahme während des Uplinks.
Bestätigte Uplink-Verbindung
Bestätigungen und Wiederholungsversuche können die Empfangs- und Sendeenergie erhöhen.
ADR-Einstellung
Eine korrekt konfigurierte Strategie für adaptive Datenraten kann die Sendezeit und den Stromverbrauch reduzieren.
Signalqualität
Schlechte Netzabdeckung kann zu mehr Wiederholungsversuchen, höherer Sendeleistung und längerer Sendezeit führen.
Temperatur
Niedrige Temperaturen können die nutzbare Leistung verringern und den Spannungsabfall unter Last erhöhen.
Beispielhafte LoRaWAN-Berechnungsstruktur
1Messung des Ruhestroms, einschließlich des Ruhestroms von MCU, Sensoren, RTC, Speicher und Regler.
2Messen Sie den Sensorstrom und die Sensorbetriebszeit für jede Messung.
3Messen Sie den aktiven Strom und die Verarbeitungsdauer des Mikrocontrollers.
4Messen Sie LoRa TX-Stromstärke und Sendezeit unter realistischen Datenraten- und Nutzlasteinstellungen.
5Fügen Sie nach jedem Uplink RX1- und RX2-Empfangsfenster hinzu.
6Fügen Sie einen Wiederholungsspielraum für bestätigte Nachrichten, schwaches Signal, Gateway-Abdeckung und Installationsbedingungen hinzu.
7Berücksichtigen Sie bei der Reduzierung die Selbstentladung, die Temperatur, die Passivierung und die Abschaltspannung.
4. Wie berechnet man die Akkulaufzeit von NB-IoT-Geräten?
NB-IoT-Geräte nutzen die zellulare LPWAN-Infrastruktur und werden häufig in intelligenten Gaszählern, intelligenten Wasserzählern, städtischer Infrastruktur, industrieller Überwachung und Fernsteuerungsgeräten eingesetzt. Die Akkulaufzeit hängt nicht nur von der Geräte-Firmware ab, sondern auch von der Netzabdeckung, den Einstellungen des Netzbetreibers, PSM, eDRX, dem Verbindungsverhalten und erneuten Übertragungen.
LiSoCl2 ER-Batterie, ER + HPC für Hochimpulsanwendungen
LiSoCl2 ER-Batterie, oft ER + HPC-Akkumulator für hohe Impulsströme
6. Auswahl der Batteriechemie für LoRaWAN- und NB-IoT-Geräte
Abbildung 2. Die ER + HPC-Architektur bietet stabile Impulsstromunterstützung für drahtlose IoT-Übertragungen.
Zwei Batterien mit gleicher Nennkapazität können im praktischen Einsatz sehr unterschiedliche Leistungen erbringen. Bei IoT-Projekten mit langer Lebensdauer müssen Selbstentladung, Temperaturbereich, Impulsfestigkeit, Spannungsplattform, Lagerzeit, Innenwiderstand und Sicherheitsanforderungen berücksichtigt werden.
Akku-Typ
Vorteile
Einschränkungen und Anwendungsfälle
Alkalisch
Günstig und leicht verfügbar
Höhere Selbstentladung und schwächere Leistung bei niedrigen Temperaturen; geeignet für kurzlebige Verbrauchergeräte
Wiederaufladbarer Lithium-Ionen-Akku
Wiederaufladbar und für hohe Ströme geeignet
Erfordert Ladeschaltung und Schutzdesign; nicht ideal für viele wartungsfreie Primärbatterieanwendungen.
LiMnO2
Stabile 3V-Ausgangsspannung und gute Impulsfähigkeit
Häufig verwendet in Alarmanlagen, Trackern, drahtlosen Geräten und Anwendungen, die 3-V-Primär-Lithiumzellen benötigen.
LiSoCl2 ER
Hohe Energiedichte, geringe Selbstentladung, lange Lagerfähigkeit, stabile Spannungsplattform
Hervorragend geeignet für intelligente Zähler, Fernsensoren und industrielle IoT-Anwendungen; bei Anwendungen mit hohen Impulsen kann zusätzliche Unterstützung erforderlich sein.
LiSoCl2 + HPC
Kombiniert langlebige Energiespeicherung mit verbesserter Impulsleistung
Empfohlen für NB-IoT, GNSS-Tracker, Ventilsteuergeräte und drahtlose Geräte mit Stoßstrom
Wann sollte man ER + HPC-Akkus verwenden?
NB-IoT-Geräte mit hohem Spitzenübertragungsstrom.
LoRaWAN-Tracker mit GNSS-Positionierung und periodischen Uplinks.
Intelligente Stromzähler mit Ventilsteuerung oder Motorbetätigung.
Anwendungen in kalten Umgebungen, in denen der Spannungsabfall stärker ist.
Geräte, die eine Lebensdauer von mehr als 10 Jahren bei drahtlosen Impulslasten erfordern.
7. Zu berücksichtigende Reduktionsfaktoren für Ingenieure
Derating-Faktor
Warum das wichtig ist
Temperatur
Niedrige Temperaturen verringern die nutzbare Kapazität und erhöhen den Spannungsabfall; hohe Temperaturen können die Alterung und die Selbstentladung verstärken.
Impulsstrom
Eine Batterie kann zwar über ausreichende Kapazität verfügen, aber dennoch ausfallen, wenn sie die Modem-Sendeleistung, den GNSS-Start oder die Ventilbetätigungsimpulse nicht unterstützen kann.
Selbstentladung
Selbst eine geringe Selbstentladung spielt bei 10- und 15-jährigen Einsätzen eine wichtige Rolle.
Abschaltspannung
Die Geräte stellen ihren Betrieb ein, wenn die Spannung unter die minimale Betriebsspannung fällt, selbst wenn noch eine Restkapazität vorhanden ist.
Passivierung
LiSoCl2-Zellen können nach längerer Lagerung oder Betrieb mit geringem Strom eine Spannungsverzögerung aufweisen; Lastprofil und Impulsunterstützung müssen validiert werden.
Netzwerkverhalten
Schwache Netzabdeckung, erneute Übertragung und längere aktive Zeit können weitaus mehr Energie verbrauchen als erwartet
Schätzung der nutzbaren KapazitätVerfügbare Kapazität = Nennkapazität - Selbstentladungsverlust - Temperaturverlust - Nicht nutzbare Restkapazität
8. Beispiele für die praktische Berechnung der Akkulaufzeit
Beispiel 1: Intelligenter LoRaWAN-Wasserzähler
Parameter
Beispielkonfiguration
Gerätetyp
LoRaWAN intelligenter Wasserzähler
Berichtsintervall
Alle 6 Stunden
Geräteklasse
Klasse A
Nutzlast
12 Bytes
Zielleben
10 Jahre
Batterieoption
ER18505, ER26500, ER34615 oder kundenspezifischer LiSoCl2-Akkumulator, abhängig von Stromprofil und Größenbeschränkungen
Für dieses Gerät sollte der Ingenieur den Stromverbrauch im Schlafmodus über das gesamte 6-Stunden-Intervall berechnen, den Stromverbrauch für Sensorik und MCU-Aktivbetrieb addieren, die LoRa-Übertragung und zwei Empfangsfenster einbeziehen und anschließend Wiederholungs- und Temperaturmargen hinzufügen.
Beispiel 2: NB-IoT-Gaszähler
Parameter
Beispielkonfiguration
Gerätetyp
Intelligenter NB-IoT-Gaszähler
Berichtsintervall
Einmal pro Tag
Energiemodus
PSM aktiviert, eDRX abhängig von den Downlink-Anforderungen
Downlink-Anforderung
Seltene Downlink-Berichterstattung, meist Uplink-Berichterstattung
Zielleben
10 bis 15 Jahre
Batterieoption
ER26500, ER34615 oder ER + HPC-Akkupack für hohe Impulsströme
Bei NB-IoT sollten Ingenieure die Tests im tatsächlichen Betreibernetz durchführen. Verbindungsaufbau, TAU-Modus, aktiver Timer, Signalstärke, erneute Übertragung und das Verhalten im Energiesparmodus können die tatsächliche Akkulaufzeit erheblich beeinflussen.
Einfacher Batterielebensdauerrechner
Nutzen Sie diesen einfachen Rechner für eine schnelle Schätzung. Er ersetzt jedoch keine realen Strommessungen, Temperaturprüfungen und Impulsstromvalidierungen.
Das Ergebnis der Akkulaufzeit wird hier angezeigt.
9. Checkliste zur Berechnung der Akkulaufzeit
Bevor Sie sich für eine Batterie entscheiden, sammeln Sie bitte die folgenden Informationen. Mithilfe dieser Daten können der Batterielieferant und der Geräteentwickler Ihnen eine sicherere und realistischere Batterielösung empfehlen.
Erforderliche Daten
Warum das wichtig ist
Geräte-Schlafstrom
Bestimmt den langfristigen Standby-Verbrauch
MCU-Aktivstrom
Betrifft jeden Aufwachzyklus
Sensorstrom und Dauer
Wichtig für Geräte mit hohem Messaufwand
Funk-Sendestrom und -dauer
Hauptenergieverbraucher bei drahtloser Kommunikation
RX-Strom und Hörzeit
Wichtig für LoRaWAN-Empfangsfenster und NB-IoT-Aktivzeit
Meldeintervall
Ermittelt das Tastverhältnis und den durchschnittlichen Strom
Signalqualität
Beeinflusst Sendeleistung, Wiederholungsübertragung, Netzwerksuche und Sendezeit
Betriebstemperatur
Beeinflusst die nutzbare Kapazität, den Innenwiderstand und die Spannungsstabilität
Spitzenstrom
Ermittelt, ob ER + HPC oder eine andere Pulsunterstützungslösung erforderlich ist.
Mindestspannung
Ermittelt, wie viel der nominalen Batteriekapazität vom Gerät tatsächlich genutzt werden kann.
10. So verlängern Sie die Akkulaufzeit von LoRaWAN- und NB-IoT-Geräten
Firmware- und Netzwerkoptimierung
Die Häufigkeit der Meldungen sollte nach Möglichkeit reduziert werden.
Optimieren Sie die Nutzdatengröße und vermeiden Sie unnötige Datenfelder.
Verwenden Sie den Tiefschlafmodus korrekt für MCU, Sensoren, Regler und Modem.
Reduzieren Sie unnötige bestätigte Nachrichten in LoRaWAN-Anwendungen.
Verwenden Sie NB-IoT PSM und eDRX entsprechend den Downlink-Anforderungen der Anwendung.
Überprüfen Sie den tatsächlichen Stromverbrauch mit der finalen Firmware und dem Netzwerk.
Hardware- und Akkuoptimierung
Verbessern Sie die Antennen- und Installationsposition, um die Anzahl der Wiederholungsversuche zu reduzieren.
Wählen Sie eine Batteriechemie, die für einen langfristigen Primärbetrieb geeignet ist.
Überprüfen Sie den Spitzenstrom und den Spannungsabfall während der Sende- und Sensorereignisse.
Fügen Sie HPC-Unterstützung hinzu, wenn ein hoher Impulsstrom erforderlich ist.
Realistische Temperatur- und Selbstentladungsreduzierungen anwenden.
Test unter realen Gehäuse-, Antennen-, Temperatur- und Netzwerkbedingungen.
11. Empfohlene Batterien für LoRaWAN- und NB-IoT-Geräte
Für LoRaWAN-Sensoren mit geringem Stromverbrauch
Empfohlene Batterierichtung: ER14250, ER14505, ER18505 oder CR123A, abhängig von Spannung, Stromprofil, Platzbedarf und Kommunikationsfrequenz.
Geeignete Anwendungen: Umweltsensoren, Parksensoren, Türsensoren, drahtlose Zählerablesemodule und Überwachungsgeräte mit niedrigem Arbeitszyklus.
Für intelligente Zähler und industrielle Sensoren
Empfohlene Batterierichtung: ER26500, ER34615 oder kundenspezifischer LiSoCl2-Akkumulator.
Empfohlene Batterierichtung: ER + HPC-Akkupack, ER26500 + HPC, ER34615 + HPC oder kundenspezifischer Akkupack mit Stecker, Kabel, Laschen und Gehäuse.
Geeignete Anwendungen: NB-IoT-Smart-Meter, GNSS-Asset-Tracker, Ventilsteuerungszähler, Industriealarme, Kühlketten-Tracker und Fernüberwachungsgeräte.
Benötigen Sie Hilfe bei der Auswahl einer Batterie?
Bitte senden Sie PKCELL die Spannung Ihres Geräts, den Ruhestrom, den aktiven Strom, den Spitzenstrom, das Übertragungsintervall, die Betriebstemperatur, die angestrebte Lebensdauer, die Größenbeschränkungen und die Anforderungen an den Steckverbinder. Unsere Ingenieure helfen Ihnen gerne bei der Abschätzung der Batterielebensdauer und empfehlen Ihnen eine geeignete LiSoCl2-Zelle, einen Akku der ER-Serie, eine HPC-Lösung oder ein kundenspezifisches Akkupack.
12. Häufig gestellte Fragen zur Akkulaufzeit von LoRaWAN und NB-IoT
Wie berechnet man die Akkulaufzeit eines IoT-Geräts?
Die Akkulaufzeit wird berechnet, indem die nutzbare Akkukapazität durch den durchschnittlichen Stromverbrauch geteilt wird. Bei IoT-Geräten sollte der durchschnittliche Stromverbrauch Schlafmodus, Sensorik, MCU-Verarbeitung, Sende- und Empfangsfenster, Netzwerkaktivität, Wiederholungsversuche und Leistungsreduzierung berücksichtigen.
Warum ist die Akkulaufzeit meines LoRaWAN-Geräts kürzer als erwartet?
Häufige Ursachen sind ein hoher Spreizfaktor, ein schlechtes Signal, häufige Uplinks, bestätigte Nachrichten, erneute Übertragung, ein hoher Ruhestrom, eine niedrige Temperatur und eine falsche Batteriechemie.
Warum verbraucht NB-IoT mehr Strom als erwartet?
Der Stromverbrauch von NB-IoT kann aufgrund von schwachem Mobilfunksignal, häufigen Netzwerkverbindungen, langen aktiven Timern, PSM/eDRX-Konfigurationsproblemen, erneuter Übertragung, Netzwerksuche und Protokoll-Overhead ansteigen.
Ist LoRaWAN energieeffizienter als NB-IoT?
Es hängt von der Anwendung, dem Meldeintervall, der Nutzlast, der Abdeckung, der Netzwerkkonfiguration und dem Gerätedesign ab. LoRaWAN wird häufig für Sensoranwendungen mit geringem Datenaufkommen und langen Meldeintervallen eingesetzt. NB-IoT eignet sich für zellulare Weitverkehrsnetze, erfordert jedoch eine sorgfältige Optimierung von PSM, eDRX, Signalqualität und Modemverhalten.
Welche Batterie eignet sich am besten für LoRaWAN-Sensoren?
Für langlebige LoRaWAN-Sensoren werden üblicherweise LiSoCl₂-ER-Batterien verwendet. Bei Geräten mit höherem Impulsstrom, GNSS oder häufigen Funkimpulsen kann ein ER+HPC-Akkupack besser geeignet sein.
Welcher Akku eignet sich am besten für NB-IoT-Geräte?
NB-IoT-Geräte benötigen üblicherweise eine Batterielösung, die hohe Spitzenströme und eine lange Lebensdauer unterstützt. LiSoCl₂-ER-Batterien oder ER+HPC-Akkupacks werden häufig für intelligente Zähler, Tracker und industrielle IoT-Geräte ausgewählt.
Warum reicht die Nennkapazität des Akkus nicht aus?
Die Nennkapazität spiegelt nicht alle realen Betriebsbedingungen wider. Die nutzbare Kapazität wird durch Temperatur, Entladestrom, Impulslast, Abschaltspannung, Selbstentladung, Lagerzeit, Passivierung und Alterung beeinflusst.
Benötige ich einen HPC für meinen IoT-Akkumulator?
HPC ist nützlich, wenn das Gerät hohe Impulsströme aufweist, wie beispielsweise bei NB-IoT-Übertragung, GNSS-Start, Ventilbetätigung, drahtlosen Wiederholungsversuchen oder dem Betrieb in kalten Umgebungen. Es trägt dazu bei, den Spannungsabfall während Stromspitzen zu reduzieren.
Kann ein Gerät tatsächlich 10 Jahre lang mit einer einzigen Batterie funktionieren?
Ja, aber nur, wenn das System einen niedrigen Durchschnittsstrom, ein optimiertes Kommunikationsverhalten, eine geeignete Batteriechemie, eine ausreichende nutzbare Kapazität, eine geringe Selbstentladung und eine Validierung unter realen Feldbedingungen aufweist.
Welche Informationen sollte ich einem Batterielieferanten zur Verfügung stellen?
Bitte geben Sie Gerätespannung, Ruhestrom, Aktivstrom, Spitzenstrom, Sende-/Empfangsdauer, Meldeintervall, Nutzlastgröße, Betriebstemperatur, Ziellebensdauer, minimale Abschaltspannung, Platzbedarf, Anschlussanforderungen und Zertifizierungsanforderungen an.
Fazit: Die Berechnung der Akkulaufzeit beginnt mit den Daten zur tatsächlichen Leistungsaufnahme.
Die Akkulaufzeit von LoRaWAN- und NB-IoT-Geräten lässt sich nicht allein anhand der Nennkapazität abschätzen. Ingenieure müssen den durchschnittlichen Stromverbrauch über den gesamten Ladezyklus berechnen und anschließend realistische Leistungsreduzierungen für Temperatur, Selbstentladung, Impulsstrom, Passivierung, Abschaltspannung und Netzwerkverhalten vornehmen.
Für langlebige industrielle IoT-Projekte bieten LiSoCl2 ER-Batterien und ER + HPC-Akkupacks zuverlässige Energielösungen für intelligente Zähler, Anlagenverfolger, Fernsensoren und industrielle Überwachungsgeräte.
