A LoRaWAN és NB-IoT eszközök akkumulátor-üzemidejének kiszámítása
Az akkumulátor élettartama az egyik legfontosabb tervezési cél a LoRaWAN és NB-IoT eszközök esetében. Egy okosmérő, távérzékelő, eszközkövető vagy ipari felügyeleti eszköz várhatóan 5, 10 vagy akár 15 évig is működik akkumulátorcsere nélkül. Az akkumulátor tényleges élettartama azonban sokkal többtől függ, mint a névleges kapacitás.
Kulcsfontosságú elvitelre szánt ételek
Az akkumulátor élettartamának becslésének legpraktikusabb módja az, hogy kiszámítjuk a teljes eszközciklus átlagos áramát, majd realisztikus leértékelést alkalmazunk a hőmérséklet, az impulzusáram, az önkisülés, a feszültségkimaradás, a hálózati újrapróbálkozások és az öregedés miatt.
Hosszú élettartamú ipari IoT-eszközök esetében gyakran előnyben részesítik az olyan elsődleges lítium akkumulátorokat, mint a LiSoCl2 ER cellák és az ER + HPC akkumulátorcsomagok, mivel ezek nagy energiasűrűséget, alacsony önkisülést és hosszú élettartamot biztosítanak.
Az akkumulátor élettartamának legegyszerűbb képlete a következő:
Egyszerű képletAkkumulátor üzemideje (óra) = Használható akkumulátorkapacitás (mAh) / Átlagos áramerősség (mA)Akkumulátor élettartama (év) = Akkumulátor élettartama (óra) / 24 / 365
Ez a képlet hasznos, de csak akkor pontos, ha az átlagos áramerősséget helyesen mérik. Az IoT-eszközök nem mindig ugyanazt az áramot fogyasztják. Általában életük nagy részét alvó üzemmódban töltik, majd felébrednek érzékelés, feldolgozás, vezeték nélküli átvitel, vételi ablakok, hálózati tevékenység és néha újraküldés céljából.
Gyakorlatiasabb képlet IoT eszközökhöz
Ciklus alapú képletÁtlagos áram = Teljes töltésfogyasztás ciklusonként / CiklusidőIátlag = Σ(I × t) / T
Szimbólum
Jelentés
I
Áramerősség minden működési állapotban, például alvó, érzékelési, TX, RX vagy modemcsatlakozási állapotban
t
Az egyes működési állapotok időtartama
T
Teljes ciklusidő, például egy jelentési intervallum
Átlag
Az akkumulátor élettartamának kiszámításához használt átlagos áram
Miért nem elegendő az elméleti akkumulátor-üzemidő?
Egy elméleti számítás tökéletes körülményeket feltételez. A valós terepi telepítések eltérőek. A hőmérséklet-változások, a jelminőség, az impulzusáram, az akkumulátor öregedése, az önkisülés, a passziváció és az eszköz kikapcsolási feszültsége mind csökkenti a használható kapacitást.
Gyakorlati becslésGyakorlati akkumulátor-élettartam = Elméleti akkumulátor-élettartam × Leértékelési tényező
Mérnöki megjegyzés
Ipari IoT projektek esetén a mérnököknek nem szabad a névleges akkumulátorkapacitás 100%-át használniuk az élettartam-számításokban. Biztonsági tartalékra van szükség a terepi körülmények, a hálózati viselkedés, a tárolási idő és a termelési eltérések figyelembevételével.
2. A LoRaWAN és NB-IoT eszközök legfontosabb energiaállapotai
Az akkumulátor élettartamának kiszámítása előtt ossza le a készüléket két energiatakarékos üzemmódba. Ez megakadályozza az energiafogyasztás alábecslését.
Általában rövid, de mégis bele kell foglalni minden ciklusba
Terjedés
LoRaWAN feltöltés vagy NB-IoT adatátvitel
Gyakran a legnagyobb áramcsúcs az eszköz ciklusában
Fogadás / Hallgatás
LoRaWAN fogadási ablakok, NB-IoT személyhívás, szerverválasz vagy aktív időzítő
Gyakran figyelmen kívül hagyják, de jelentősen csökkentheti az akkumulátor élettartamát
3. Hogyan számítsuk ki a LoRaWAN eszközök akkumulátorának élettartamát
A LoRaWAN eszközöket gyakran használják okosmérőkben, környezeti érzékelőkben, parkolóradarokban, ipari megfigyelőeszközökben és eszközkövető rendszerekben. Akkumulátoros alkalmazásokhoz gyakran az A osztályú működést választják, mivel ez minimalizálja a vételi időt a gyakrabban figyelő módokhoz képest.
Az érzékelők által mérés közben felhasznált energia
Qmcu
Az MCU felébresztése, feldolgozása, titkosítása és memóriaírása által felhasznált energia
Qtx
LoRa átvitel során felhasznált energia
Qrx1 / Qrx2
Felküldés utáni vételi ablakokban felhasznált energia
Qretry
Megerősített üzenetek, sikertelen feltöltés vagy gyenge jelminőség által okozott többletenergia
Qjoin
A várható élettartamra átlagolt csatlakozási vagy újracsatlakozási energia
Az akkumulátor élettartamát befolyásoló LoRaWAN paraméterek
Tényező
Az akkumulátor élettartamára gyakorolt hatás
Feltöltési intervallum
A hosszabb intervallum általában csökkenti az átlagos áramerősséget és meghosszabbítja az akkumulátor élettartamát.
Hasznos teher mérete
A nagyobb hasznos teher növelheti a műsoridőt és az átviteli energiát
Terjedési tényező
A magasabb szórási tényező növeli a légzési időt és csökkentheti az akkumulátor élettartamát
TX teljesítmény
A nagyobb átviteli teljesítmény növeli az áramfelvételt a feltöltés során
Megerősített feltöltés
A nyugtázások és az újrapróbálkozások növelhetik a vételi és átviteli energiát.
ADR beállítás
Egy megfelelően konfigurált adaptív adatsebesség-stratégia csökkentheti a lebeszélhető időt és az energiafogyasztást.
Jelminőség
A rossz lefedettség növelheti az újrapróbálkozások számát, a nagy teljesítményű átvitelt és a teljes vételi időt.
Hőmérséklet
Az alacsony hőmérséklet csökkentheti a használható kapacitást és növelheti a feszültségesést terhelés alatt.
Példa LoRaWAN számítási struktúrára
1Az alvóáram mérése, beleértve az MCU-t, az érzékelőket, az RTC-t, a memóriát és a szabályozó nyugalmi áramát.
2Mérje meg az érzékelő áramerősségét és az érzékelő működési idejét minden egyes leolvasásnál.
3Mérje meg az MCU aktív áramát és a feldolgozási időtartamot.
4Mérje meg a LoRa TX áramot és a közvetítési időt realisztikus adatsebesség- és hasznos terhelési beállítások mellett.
5Minden feltöltés után vegye fel az RX1 és RX2 vételi ablakokat.
6Adjon hozzá újrapróbálkozási tartalékot megerősített üzenetek, gyenge jel, átjáró lefedettsége és telepítési feltételek esetén.
7Alkalmazzon teljesítménycsökkentést önkisülés, hőmérséklet, passziválás és feszültségkikapcsolás esetén.
4. Hogyan számítsuk ki az NB-IoT eszközök akkumulátorának élettartamát?
Az NB-IoT eszközök mobil LPWAN infrastruktúrát használnak, és gyakran használják őket intelligens gázmérőkben, intelligens vízmérőkben, városi infrastruktúrában, ipari monitorozásban és távoli berendezésekben. Az akkumulátor élettartama nemcsak az eszköz firmware-jétől függ, hanem a hálózati lefedettségtől, a kezelői beállításoktól, a PSM-től, az eDRX-től, a csatlakozási viselkedéstől és az újraküldésektől is.
Okosmérők, városi infrastruktúra, ipari monitoring, eszközkövetés
Energiaoptimalizálás
Hosszú alvás, rövid feltöltés, A osztályú működés, optimalizált ADR és hasznos teher
PSM, eDRX, optimalizált csatlakozás, rövidebb aktív idő, jó jelminőség
Energiakockázat
Hosszú műsoridő, magas terjedési tényező, újrapróbálkozások, megerősített feltöltés
Energia csatolása, gyenge lefedettség, hálózatkeresés, újraküldés, hosszú aktív időzítő
Akkumulátorral kapcsolatos aggodalom
Impulzusáram, vételi ablakok, hosszú tárolás, hőmérséklet
Magasabb csúcsáram, hosszabb átviteli események, feszültségesés, hálózati változékonyság
Ajánlott akkumulátor
LiSoCl2 ER akkumulátor, ER + HPC nagy impulzusú alkalmazásokhoz
LiSoCl2 ER akkumulátor, gyakran ER + HPC akkumulátorcsomag nagy impulzusáramhoz
6. Akkumulátorkémia kiválasztása LoRaWAN és NB-IoT eszközökhöz
2. ábra. Az ER + HPC architektúra stabil impulzusáram-támogatást biztosít a vezeték nélküli IoT-átvitelhez.
Két azonos névleges kapacitású akkumulátor nagyon eltérően teljesíthet terepen. A hosszú élettartamú IoT-projekteknek figyelembe kell venniük az önkisülést, a hőmérséklet-tartományt, az impulzusképességet, a feszültségplatformot, a tárolási időt, a belső ellenállást és a biztonsági követelményeket.
Akkumulátor típusa
Előnyök
Korlátozások és felhasználási esetek
Lúgos
Alacsony költség és könnyű elérhetőség
Nagyobb önkisülés és gyengébb alacsony hőmérsékleti teljesítmény; alkalmas rövid élettartamú fogyasztói eszközökhöz
Újratölthető lítium-ion akkumulátor
Újratölthető és nagy áramerősségre alkalmas
Töltő áramkört és védelmi kialakítást igényel; nem ideális számos karbantartásmentes elsődleges akkumulátortelepítéshez
LiMnO2
Stabil 3 V-os kimenet és jó impulzusképesség
Gyakori riasztókban, nyomkövetőkben, vezeték nélküli eszközökben és 3 V-os primer lítium cellákat igénylő alkalmazásokban
LiSoCl2 ER
Nagy energiasűrűség, alacsony önkisülés, hosszú eltarthatóság, stabil feszültségplatform
Kiváló okosmérőkhöz, távérzékelőkhöz és ipari IoT-hez; a nagy impulzusú alkalmazásokhoz további támogatás szükséges lehet.
LiSoCl2 + HPC
Hosszú élettartamú energiatárolást és továbbfejlesztett impulzuskimenetet kombinál
NB-IoT, GNSS nyomkövetők, szelepvezérlő mérők és lökésáramos vezeték nélküli eszközökhöz ajánlott
Mikor használjunk ER + HPC akkumulátorcsomagokat?
Nagy csúcsátviteli árammal rendelkező NB-IoT eszközök.
LoRaWAN nyomkövetők GNSS pozicionálással és periodikus fel-le kapcsolatokkal.
Okosmérők szelepvezérléssel vagy motoros működtetéssel.
Hideg környezetben alkalmazható alkalmazások, ahol a feszültségesés nagyobb.
10+ év üzemidőt igénylő eszközök vezeték nélküli impulzusterheléssel.
7. A mérnökök által figyelembe veendő leértékelési tényezők
Leértékelési tényező
Miért fontos?
Hőmérséklet
Az alacsony hőmérséklet csökkenti a használható kapacitást és növeli a feszültségesést; a magas hőmérséklet fokozhatja az öregedést és az önkisülést
Impulzusáram
Egy akkumulátornak lehet elegendő kapacitása, de meghibásodhat, ha nem tudja támogatni a modem adást, a GNSS indítást vagy a szelepmozgató impulzusokat.
Önkisülés
Még az alacsony önkisülés is fontossá válik a 10 és 15 éves telepítések során.
Lekapcsolási feszültség
Az eszközök leállnak, ha a feszültség a minimális üzemi feszültség alá esik, még akkor is, ha még van némi kapacitásuk.
Passziválás
A LiSoCl2 cellák feszültségkésést mutathatnak hosszú tárolás vagy alacsony áramerősségű működés után; a terhelési profilt és az impulzus-támogatást validálni kell.
Hálózati viselkedés
A gyenge lefedettség, az újraküldés és a hosszabb aktív idő a vártnál sokkal több energiát fogyaszthat.
8. Gyakorlati példák az akkumulátor élettartamának kiszámítására
1. példa: LoRaWAN intelligens vízmérő
Paraméter
Példabeállítás
Eszköztípus
LoRaWAN intelligens vízmérő
Jelentési intervallum
6 óránként
Eszközosztály
A osztály
Hasznos teher
12 bájt
Célzott élet
10 év
Akkumulátor opció
ER18505, ER26500, ER34615 vagy egyedi LiSoCl2 akkumulátorcsomag az aktuális profiltól és a méretkorlátoktól függően
Ennél az eszköznél a mérnöknek ki kell számítania az alvásfogyasztást a teljes 6 órás intervallumra, hozzá kell adnia az érzékelési és az MCU aktív fogyasztását, bele kell foglalnia a LoRa átvitelt és két vételi ablakot, majd hozzá kell adnia az újrapróbálkozási és a hőmérsékleti margókat.
2. példa: NB-IoT gázmérő
Paraméter
Példabeállítás
Eszköztípus
NB-IoT intelligens gázmérő
Jelentési intervallum
Naponta egyszer
Energiatakarékos mód
PSM engedélyezve, eDRX a letöltési igénytől függően
Letöltési követelmény
Ritka letöltés, többnyire feltöltés
Célzott élet
10-15 év
Akkumulátor opció
ER26500, ER34615 vagy ER + HPC akkumulátorcsomag nagy impulzusáramhoz
Az NB-IoT esetében a mérnököknek a tényleges operátori hálózaton kell tesztelniük. Az Attach, a TAU, az aktív időzítő, a jelerősség, az újraküldés és az energiatakarékos mód viselkedése nagy hatással lehet a valós akkumulátor-üzemidőre.
Egyszerű akkumulátor-élettartam kalkulátor
Használd ezt az egyszerű számológépet egy gyors becsléshez. Nem helyettesíti a valós árammérést, a hőmérséklet-tesztelést és az impulzusáram-érvényesítést.
Akkumulátor kiválasztása előtt gyűjtse össze a következő információkat. Ezek az adatok lehetővé teszik az akkumulátor szállítója és a készülék mérnöke számára, hogy biztonságosabb és realisztikusabb akkumulátor-megoldást javasoljanak.
Kötelező adatok
Miért fontos?
Eszköz alvóárama
Meghatározza a hosszú távú készenléti fogyasztást
MCU aktív áram
Minden ébredési ciklusra hatással van
Érzékelőáram és időtartam
Fontos a mérésigényes eszközökhöz
Rádió adási áram és időtartam
A vezeték nélküli kommunikáció fő energiafogyasztója
Vételi áram és hallgatási idő
Fontos a LoRaWAN fogadási ablakai és az NB-IoT aktív ideje szempontjából
Jelentési intervallum
Meghatározza a kitöltési tényezőt és az átlagos áramot
Jelminőség
Befolyásolja az adóteljesítményt, az újraküldést, a hálózatkeresést és a műsoridőt
Üzemi hőmérséklet
Befolyásolja a használható kapacitást, a belső ellenállást és a feszültségstabilitást
Csúcsáram
Meghatározza, hogy ER + HPC vagy más impulzus-támogatási megoldásra van-e szükség
Minimális feszültség
Meghatározza, hogy a készülék mennyi névleges akkumulátorkapacitást tud valójában használni.
10. Hogyan növelhető az akkumulátor élettartama LoRaWAN és NB-IoT eszközökben
Firmware és hálózat optimalizálása
Csökkentse a jelentéstétel gyakoriságát, ahol lehetséges.
Optimalizálja a hasznos adat méretét és kerülje a felesleges adatmezőket.
Használja helyesen a mély alvás módot az mikrovezérlő, az érzékelők, a szabályozó és a modem számára.
Csökkentse a felesleges megerősített üzeneteket a LoRaWAN alkalmazásokban.
Használja az NB-IoT PSM-et és az eDRX-et az alkalmazás letöltési követelményeinek megfelelően.
Ellenőrizd a valós áramfogyasztást a végleges firmware-rel és hálózattal.
Hardver és akkumulátor optimalizálása
Javítsa az antenna és a telepítési pozíció helyzetét az újrapróbálkozások számának csökkentése érdekében.
Válasszon olyan akkumulátor-kémiát, amely alkalmas a hosszú élettartamú elsődleges működésre.
Ellenőrizze a csúcsáramot és a feszültségesést az adó és az érzékelő eseményei során.
Nagy impulzusáram szükséges, ha nagy teljesítményű feldolgozásra van szükség.
Alkalmazzon valósághű hőmérséklet- és önkisülési csökkenést.
Tesztelje valós burkolat, antenna, hőmérséklet és hálózati körülmények között.
11. Ajánlott akkumulátorok LoRaWAN és NB-IoT eszközökhöz
Alacsony fogyasztású LoRaWAN érzékelőkhöz
Ajánlott elemirány: ER14250, ER14505, ER18505 vagy CR123A, a feszültségtől, az áramprofiltól, a helytől és a kommunikációs frekvenciától függően.
Megfelelő alkalmazások: környezeti érzékelők, parkolóradar, ajtóérzékelők, vezeték nélküli mérőóra-leolvasó modulok és alacsony kitöltési tényezőjű felügyeleti eszközök.
Okosmérőkhöz és ipari érzékelőkhöz
Ajánlott akkumulátorirány: ER26500, ER34615 vagy egyedi LiSoCl2 akkumulátorcsomag.
Alkalmas alkalmazások: intelligens vízmérők, intelligens gázmérők, hőmennyiségmérők, távirányítású nyomásérzékelők, ipari felügyeleti eszközök és kültéri infrastruktúra.
NB-IoT és nagy impulzusú eszközökhöz
Ajánlott akkumulátorirány: ER + HPC akkumulátorcsomag, ER26500 + HPC, ER34615 + HPC, vagy egyedi akkumulátorcsomag csatlakozóval, vezetékkel, fülekkel és házzal.
Megfelelő alkalmazások: NB-IoT intelligens mérők, GNSS eszközkövetők, szelepvezérlő mérők, ipari riasztók, hűtőlánc-követők és távoli telemetriai berendezések.
Segítségre van szüksége akkumulátor kiválasztásához?
Küldje el a PKCELL-nek az eszköz feszültségét, alvóáramát, aktív áramát, csúcsáramát, átviteli intervallumát, üzemi hőmérsékletét, célzott élettartamát, méretkorlátját és csatlakozókövetelményeit. Mérnökeink segíthetnek megbecsülni az akkumulátor élettartamát, és megfelelő LiSoCl2 cellát, ER sorozatú akkumulátort, HPC megoldást vagy egyedi akkumulátorcsomagot tudnak ajánlani.
12. Gyakran ismételt kérdések a LoRaWAN és az NB-IoT akkumulátor-üzemidejéről
Hogyan lehet kiszámolni egy IoT-eszköz akkumulátorának élettartamát?
Az akkumulátor élettartamát a használható akkumulátorkapacitás és az átlagos áramerősség hányadosaként számítják ki. IoT-eszközök esetében az átlagos áramerősségnek tartalmaznia kell az alvó üzemmódot, az érzékelést, az MCU-feldolgozást, az átvitelt, a fogadási ablakokat, a hálózati tevékenységet, az újrapróbálkozásokat és a teljesítménycsökkentést.
Miért rövidebb a LoRaWAN eszközöm akkumulátorának élettartama a vártnál?
Gyakori okok közé tartozik a magas szórási tényező, a gyenge jel, a gyakori fel-le kapcsolás, a megerősített üzenetek, az újraküldés, a magas alvóáram, az alacsony hőmérséklet és a helytelen akkumulátorkémia.
Miért fogyaszt az NB-IoT több energiát a vártnál?
Az NB-IoT energiafogyasztása megnőhet a gyenge mobiljel, a gyakori hálózati csatlakozás, a hosszú aktív időzítő, a PSM/eDRX konfigurációs problémák, az újraküldés, a hálózatkeresés és a protokoll terhelése miatt.
Energiahatékonyabb a LoRaWAN, mint az NB-IoT?
Ez az alkalmazástól, a jelentési intervallumtól, a hasznos terheléstől, a lefedettségtől, a hálózati konfigurációtól és az eszköz kialakításától függ. A LoRaWAN-t gyakran használják alacsony adatmennyiségű, hosszú intervallumú érzékelőalkalmazásokhoz. Az NB-IoT alkalmas mobilhálózati nagy kiterjedésű telepítésekre, de a PSM, az eDRX, a jelminőség és a modem viselkedésének gondos optimalizálását igényli.
Melyik akkumulátor a legjobb LoRaWAN érzékelőkhöz?
Hosszú élettartamú LoRaWAN érzékelőkhöz általában LiSoCl2 ER akkumulátorokat használnak. Ha az eszköz nagyobb impulzusárammal, GNSS-sel vagy gyakori vezeték nélküli burst-ekkel rendelkezik, akkor egy ER + HPC akkumulátorcsomag megfelelőbb lehet.
Melyik akkumulátor a legjobb NB-IoT eszközökhöz?
Az NB-IoT eszközökhöz általában olyan akkumulátormegoldásra van szükség, amely nagy csúcsáramot és hosszú élettartamot biztosít. Az okosmérőkhöz, nyomkövetőkhöz és ipari IoT-eszközökhöz gyakran választanak LiSoCl2 ER akkumulátorokat vagy ER + HPC akkumulátorcsomagokat.
Miért nem elég a névleges akkumulátorkapacitás?
A névleges kapacitás nem tükrözi az összes valós üzemi körülményt. A használható kapacitást befolyásolja a hőmérséklet, a kisülési áram, az impulzusterhelés, a kikapcsolási feszültség, az önkisülés, a tárolási idő, a passziváció és az öregedés.
Szükségem van HPC-re az IoT akkumulátorcsomagomhoz?
A HPC akkor hasznos, ha az eszköz nagy impulzusárammal működik, például NB-IoT átvitel, GNSS indítás, szelepmozgatás, vezeték nélküli újrapróbálkozások vagy hideg környezetben történő működés során. Segít csökkenteni a feszültségesést az áramlökések során.
Tényleg működhet egy eszköz 10 évig egyetlen elemmel?
Igen, de csak akkor, ha a rendszer alacsony átlagárammal, optimalizált kommunikációs viselkedéssel, megfelelő akkumulátorkémiával, elegendő használható kapacitással, alacsony önkisüléssel és valós terepi körülmények között validálva van.
Milyen információkat kell megadnom egy akkumulátor-beszállítónak?
Adja meg az eszköz feszültségét, az alvóáramot, az aktív áramot, a csúcsáramot, az TX/RX időtartamát, a jelentési intervallumot, a hasznos adat méretét, az üzemi hőmérsékletet, a cél élettartamát, a minimális lekapcsolási feszültséget, a helyigényt, a csatlakozókövetelményt és a tanúsítási követelményt.
Következtetés: Az akkumulátor élettartamának kiszámítása valós teljesítményadatokkal kezdődik
A LoRaWAN és az NB-IoT akkumulátorának élettartama nem becsülhető meg pusztán a névleges akkumulátorkapacitás alapján. A mérnököknek ki kell számítaniuk az átlagos áramot a teljes eszközciklus alapján, majd reális leértékelést kell alkalmazniuk a hőmérséklet, az önkisülés, az impulzusáram, a passziváció, a feszültségkimaradás és a hálózat viselkedése alapján.
Hosszú élettartamú ipari IoT projektekhez a LiSoCl2 ER akkumulátorok és az ER + HPC akkumulátorcsomagok megbízható energiamegoldásokat kínálnak intelligens mérők, eszközkövetők, távérzékelők és ipari felügyeleti berendezések számára.
