バッテリー寿命は、LoRaWANおよびNB-IoTデバイスにとって最も重要な設計目標の一つです。スマートメーター、リモートセンサー、資産追跡装置、産業用監視装置などは、バッテリー交換なしで5年、10年、あるいは15年も動作することが期待されます。しかし、実際のバッテリー寿命は、公称容量だけでなく、多くの要素に左右されます。
重要なポイント バッテリー寿命を推定する最も実用的な方法は、デバイスの全サイクルにおける平均電流を計算し、温度、パルス電流、自己放電、電圧遮断、ネットワーク再試行、経年劣化などに対する現実的なディレーティングを適用することです。
長寿命の産業用IoTデバイスには、高エネルギー密度、低自己放電、長寿命といった利点があるため、LiSoCl2 ERセルやER + HPCバッテリーパックなどの一次リチウム電池が好まれることが多い。
最もシンプルなバッテリー寿命の計算式は次のとおりです。
シンプルな公式 バッテリー寿命（時間）＝使用可能なバッテリー容量（mAh）／平均電流（mA） バッテリー寿命（年）＝バッテリー寿命（時間）／24／365
この式は便利ですが、平均電流が正しく測定されている場合にのみ正確です。IoTデバイスは常に同じ電流を消費するわけではありません。通常、デバイスはほとんどの時間をスリープモードで過ごし、その後、センシング、処理、無線送信、受信ウィンドウ、ネットワークアクティビティ、そして場合によっては再送信のために起動します。
IoTデバイスのためのより実用的な公式
サイクルベースの計算式 平均電流 = 1サイクルあたりの総充電消費量 / サイクル時間 Iavg = Σ(I × t) / T
I
スリープ、センシング、TX、RX、モデム接続など、各動作状態における電流
理論上のバッテリー寿命では不十分な理由
理論計算は理想的な条件を前提としている。実際の現場での運用は異なる。温度変化、信号品質、パルス電流、バッテリーの劣化、自己放電、不動態化、およびデバイスの遮断電圧はすべて、使用可能な容量を減少させる。
実用的な見積もり 実効バッテリー寿命 = 理論バッテリー寿命 × 定格低下係数
技術ノート 産業用IoTプロジェクトにおいては、エンジニアはバッテリー寿命の計算に公称容量の100%を使用すべきではありません。現場の状況、ネットワークの動作、保管時間、および生産変動を考慮した安全マージンが必要です。
2. LoRaWANおよびNB-IoTデバイスにおける主要な電源状態
バッテリー寿命を計算する前に、デバイスを複数の電源状態に分類してください。これにより、エネルギー消費量の過小評価を防ぐことができます。
典型的なIoT電源サイクル 寝る
起きろ
センシング
MCU処理
TX
RX / 聴く
再び眠る
スリープモード
MCUスリープ、センサースタンバイ、レギュレータ静止電流、リーク電流
報告間隔が長い場合、デバイスが99%以上の時間スリープ状態になる可能性があるため、これは非常に重要です。
センサー測定
メーター読み取り値、温度、圧力、ガス検知、GNSS、加速度計、またはその他のセンサー
センサーが加熱を必要とする場合、長時間のサンプリングが必要な場合、またはGNSS測位が必要な場合、エネルギー消費が支配的になる可能性がある。
MCU処理
起動、データ処理、暗号化、パケット準備、メモリ書き込み
通常は短いが、各サイクルに含めるべきである。
伝染 ; 感染
LoRaWANアップリンクまたはNB-IoTデータ伝送
デバイスサイクルにおける最大電流ピークであることが多い。
受信／聴く
LoRaWAN受信ウィンドウ、NB-IoTページング、サーバー応答、またはアクティブタイマー
見落とされがちだが、バッテリー寿命を大幅に低下させる可能性がある。
3. LoRaWANデバイスのバッテリー寿命の計算方法
LoRaWANデバイスは、スマートメーター、環境センサー、駐車センサー、産業用監視装置、資産追跡システムなどで広く使用されています。バッテリー駆動のアプリケーションでは、受信時間を短縮できるため、より頻繁に受信するモードよりもクラスA動作が選択されることがよくあります。
LoRaWANバッテリー寿命計算式
Qcycle = Qsleep + Qsensor + Qmcu + Qtx + Qrx1 + Qrx2 + Qretry + Qjoin Iavg = Qcycle / サイクル時間 バッテリー寿命 = 使用可能容量 / 平均
Qsleep
スリープモード中に消費されるエネルギー
Qmcu
MCUの起動、処理、暗号化、メモリ書き込みに使用されるエネルギー
QRX1 / QRX2
アップリンク後の受信ウィンドウ中に消費されるエネルギー
Qretry
確認済みメッセージ、アップリンクの失敗、または信号品質の低下によって発生する追加エネルギー
Qjoin
予想される耐用年数にわたって平均化されたエネルギーの結合または再結合
バッテリー寿命に影響を与えるLoRaWANパラメータ
アップリンク間隔
間隔を長くすると、通常は平均電流が減少し、バッテリー寿命が延びます。
ペイロードサイズ
ペイロードが大きいほど、通信時間と送信エネルギーが増加する。
拡散係数
拡散係数が高いほど通信時間が長くなり、バッテリー寿命が短くなる可能性がある。
TXパワー
送信電力が高いほど、アップリンク時の電流消費量が増加する。
アップリンクを確認しました
確認応答と再試行は、受信および送信エネルギーを増加させる可能性がある。
ADR設定
適切に構成されたアダプティブデータレート戦略は、通信時間と消費電力を削減できる。
信号品質
通信範囲が狭いと、再試行回数、高出力送信回数、および総通信時間が増加する可能性があります。
温度
低温は使用可能な容量を減少させ、負荷時の電圧降下を増加させる可能性がある
LoRaWAN計算構造の例
1MCU、センサー、RTC、メモリ、レギュレータの静止電流を含む、スリープ時の電流を測定します。
2各測定において、センサー電流とセンサー動作時間を測定してください。
3MCUのアクティブ電流と処理時間を測定します。
4現実的なデータレートとペイロード設定の下で、LoRa TXの電流とエアタイムを測定します。
5各アップリンクの後には、RX1とRX2の受信ウィンドウを含めてください。
6確認済みメッセージ、弱い信号、ゲートウェイのカバー範囲、および設置状況に応じて、再試行マージンを追加してください。
7自己放電、温度、不動態化、および電圧遮断によるディレーティングを適用する。
4. NB-IoTデバイスのバッテリー寿命の計算方法
NB-IoTデバイスはセルラーLPWANインフラストラクチャを使用し、スマートガスメーター、スマート水道メーター、都市インフラ、産業監視、遠隔機器などで広く利用されています。バッテリー寿命は、デバイスのファームウェアだけでなく、ネットワークカバレッジ、オペレーター設定、PSM、eDRX、アタッチ動作、再送信などにも左右されます。
NB-IoTバッテリー寿命計算式
Qcycle = Qsleep + Qsensor + Qmcu + Qattach + Qtx + Qrx + Qpsm + Qedrx + Qretry Iavg = Qcycle / サイクル時間 バッテリー寿命 = 使用可能容量 / 平均
重要なNB-IoT電源状態
深い眠り
デバイスは非アクティブで、MCU、センサー、モデムの消費電流は最小限です。
PSM
省電力モードでは、デバイスがスリープ状態でも登録状態を維持し、頻繁な再接続によるエネルギー消費を削減します。
eDRX
拡張不連続受信機能により、デバイスはより長い間隔でページングを受信できるようになります。
添付 / TAU
ネットワーク登録および追跡エリア更新アクティビティは、かなりのエネルギーを消費する可能性があります。
データ送信
アップリンクデータ伝送は、多くの場合、高いピーク電流と可変の持続時間を伴う。
RX / ページング
ダウンリンクリスニング、サーバー応答、アクティブタイマー、またはページングウィンドウ
ネットワーク検索
信号が弱い場合、通信エリア外の場合、またはデバイスが繰り返しサービスを検索する場合、エネルギー消費量が多くなります。
NB-IoTのバッテリー寿命に影響を与えるパラメータ
報告間隔
間隔を長くすると、モデムの起動と送信の回数が減ります。
PSMタイマー
PSMを長くすると消費電力を削減できますが、実際の値はネットワークのサポート状況によって異なります。
eDRXサイクル
eDRXサイクルが長くなると、リスニング周波数は低下するが、ダウンリンク遅延が増加する。
アクティブタイマー
送信後のアクティブ時間が長くなると、エネルギー消費量が増加する。
信号強度
信号が弱いと、送信電力、再送信、ネットワーク検索時間が増加する可能性があります。
ペイロードとプロトコル
MQTT、CoAP、UDP、TCP、およびアプリケーションペイロード形式は、送信エネルギーに影響を与える。
モビリティ
移動中のデバイスは、セルの再選択やカバレッジの変化により、より多くのエネルギーを消費する可能性があります。
NB-IoTのバッテリー寿命に関するよくある間違い
- PSMおよびeDRXの設定は、デバイスからの要求どおりに常に正確に受け入れられると仮定します。
- アタッチ、TAU、アクティブタイマー、ネットワーク検索エネルギーは無視します。
- 実際の現場における信号条件ではなく、実験室における信号条件を使用している。
- 実際のSIMカード、通信事業者ネットワーク、アンテナ、筐体、ファームウェアは測定対象に含めていません。
- パルス電流や電圧降下を確認せずに、公称mAh値のみに基づいてバッテリーを選択する。
5. LoRaWANとNB-IoTのバッテリー寿命：違いは何ですか？
図1. LoRaWANデバイスとNB-IoTデバイスのバッテリー寿命挙動の違い。 ネットワークの種類
非免許帯域を使用したLPWAN
3GPPで規定されたセルラーLPWAN
代表的な用途
センサー、メーター、駐車装置、環境モニタリング、資産追跡
スマートメーター、都市インフラ、産業監視、資産追跡
電力最適化
長時間の睡眠、短いアップリンク、クラスA運用、最適化されたADRとペイロード
PSM、eDRX、最適化された接続、短いアクティブ時間、良好な信号品質
エネルギーリスク
長時間の通信、高い拡散率、再試行、確認済みのアップリンク
エネルギーの付加、カバレッジ不良、ネットワーク検索、再送信、長いアクティブタイマー
バッテリーに関する懸念
パルス電流、RXウィンドウ、長期保存、温度
ピーク電流の増加、送電時間の延長、電圧降下、ネットワークの変動
推奨バッテリー
LiSoCl2 ER バッテリー、高パルス用途向けの ER + HPC
LiSoCl2 ERバッテリー、高パルス電流用にはER + HPCバッテリーパックがよく使用される。
6. LoRaWANおよびNB-IoTデバイス向けバッテリー化学組成の選定
図2．ER + HPCアーキテクチャは、無線IoT伝送のための安定したパルス電流サポートを提供する。 公称容量が同じバッテリーでも、実際の使用環境では性能が大きく異なる場合があります。長寿命IoTプロジェクトでは、自己放電、動作温度範囲、パルス耐性、電圧プラットフォーム、保管時間、内部抵抗、および安全要件を考慮する必要があります。
アルカリ性
低コストで入手しやすい
自己放電が大きく、低温性能が劣る。短寿命の民生機器に適している。
充電式リチウムイオン電池
充電式で高電流にも対応
充電回路と保護回路の設計が必要であり、多くのメンテナンスフリー一次電池の導入には適さない。
LiMnO2
安定した3V出力と優れたパルス機能
アラーム、トラッカー、ワイヤレス機器、および3V一次リチウム電池を必要とするアプリケーションでよく使用される。
LiSoCl2 ER
高エネルギー密度、低自己放電、長寿命、安定した電圧プラットフォーム
スマートメーター、リモートセンサー、産業用IoTに最適です。高パルス用途では追加のサポートが必要になる場合があります。
LiSoCl2 + HPC
長寿命のエネルギー貯蔵と改良されたパルス出力を両立
NB-IoT、GNSSトラッカー、バルブ制御メーター、およびバースト電流を発するワイヤレスデバイスに推奨
ER + HPCバッテリーパックの使用時期
- ピーク伝送電流が高いNB-IoTデバイス。
- GNSS測位機能と定期的なアップリンクを備えたLoRaWANトラッカー。
- バルブ制御またはモーター駆動機能を備えたスマートメーター。
- 低温環境下での使用では、電圧降下がより深刻になります。
- 無線パルス負荷を備え、10年以上の耐用年数を必要とする機器。
7. エンジニアが必ず含めるべきディレーティング係数
温度
低温では使用可能容量が減少し、電圧降下が増加します。高温では劣化や自己放電が促進されます。
パルス電流
バッテリーは十分な容量を備えていても、モデムの送信、GNSSの起動、またはバルブ作動パルスをサポートできない場合は故障する。
自己排出
10年および15年の配備においては、自己放電率が低いことも重要となる。
遮断電圧
電圧が最低動作電圧を下回ると、たとえ容量が残っていてもデバイスは動作を停止します。
不動態化
LiSoCl2電池は、長期間保管後や低電流動作後に電圧遅延を示すことがあるため、負荷プロファイルとパルスサポートを検証する必要がある。
ネットワーク動作
電波の弱いエリア、再送信、および長時間のアクティブ時間は、予想以上に多くのエネルギーを消費する可能性があります。
使用可能な容量の見積もり 利用可能容量 = 定格容量 - 自己放電損失 - 温度損失 - 使用不能な残留容量
8. バッテリー寿命計算の実践例
例１：LoRaWANスマート水道メーター
デバイスの種類
LoRaWAN対応スマート水道メーター
バッテリーオプション
電流プロファイルとサイズ制限に応じて、ER18505、ER26500、ER34615、またはカスタムLiSoCl2バッテリーパックを使用します。
このデバイスの場合、エンジニアは6時間全体のスリープ時の消費電力を計算し、センシングとMCUのアクティブ時の消費電力を加え、LoRaの送信と2つの受信ウィンドウを含め、さらに再試行と温度マージンを加える必要があります。
例2：NB-IoTガスメーター
電源モード
PSM有効化、eDRXはダウンリンク要件に応じて適用
ダウンリンク要件
ダウンリンクはまれで、ほとんどがアップリンクの報告です。
バッテリーオプション
高パルス電流用には、ER26500、ER34615、またはER + HPCバッテリーパックを使用します。
NB-IoTの場合、エンジニアは実際の通信事業者のネットワークでテストを行う必要があります。アタッチ、TAU、アクティブタイマー、信号強度、再送信、省電力モードの動作は、実際のバッテリー寿命に大きな影響を与える可能性があります。
シンプルなバッテリー寿命計算機
この簡易計算ツールは、概算値を求める際にご利用ください。ただし、実際の電流測定、温度試験、パルス電流検証の代わりとなるものではありません。
9. バッテリー寿命計算チェックリスト
バッテリーを選ぶ前に、以下の情報を収集してください。これらのデータがあれば、バッテリーサプライヤーとデバイスエンジニアは、より安全で現実的なバッテリーソリューションを提案できます。
デバイススリープ電流
長期待機電力消費量を決定する
MCUのアクティブ電流
目覚めのサイクルごとに影響します
センサー電流と持続時間
計測量の多い機器にとって重要
無線送信電流と送信時間
無線通信時の主要なエネルギー消費源
受信電流とリスニング時間
LoRaWANの受信ウィンドウとNB-IoTのアクティブ時間にとって重要です
報告間隔
デューティサイクルと平均電流を決定します
信号品質
送信電力、再送信、ネットワーク検索、およびエアタイムに影響します。
動作温度
使用可能容量、内部抵抗、電圧安定性に影響します
ピーク電流
ER + HPCまたは別のパルスサポートソリューションが必要かどうかを判断する
最小電圧
デバイスが実際に使用できる公称バッテリー容量を決定します
10. LoRaWANおよびNB-IoTデバイスのバッテリー寿命を延ばす方法
ファームウェアとネットワークの最適化 - 可能な限り報告頻度を減らしてください。
- ペイロードサイズを最適化し、不要なデータフィールドを排除してください。
- MCU、センサー、レギュレーター、モデムには、ディープスリープを正しく使用してください。
- LoRaWANアプリケーションにおける不要な確認メッセージを削減する。
- アプリケーションのダウンリンク要件に応じて、NB-IoT PSMとeDRXを使用してください。
- 最終ファームウェアとネットワークを使用して、実際の消費電流を検証する。
ハードウェアとバッテリーの最適化 - アンテナと設置位置を改善して、再試行回数を減らしましょう。
- 長寿命の一次電源動作に適したバッテリーの種類を選択してください。
- 送信時およびセンサーイベント時のピーク電流と電圧降下を確認します。
- 高パルス電流が必要な場合は、HPCサポートを追加してください。
- 現実的な温度および自己放電による定格低下を適用する。
- 実際の筐体、アンテナ、温度、ネットワーク環境下でテストを実施します。
11. LoRaWANおよびNB-IoTデバイスに推奨されるバッテリー
低消費電力LoRaWANセンサー向け 推奨バッテリーの向き：電圧、電流プロファイル、スペース、通信周波数に応じて、ER14250、ER14505、ER18505、またはCR123A。
適切な用途：環境センサー、駐車センサー、ドアセンサー、ワイヤレスメーター読み取りモジュール、低デューティサイクル監視装置。
スマートメーターおよび産業用センサー向け 推奨バッテリー：ER26500、ER34615、またはカスタムLiSoCl2バッテリーパック。
適用可能な用途：スマート水道メーター、スマートガスメーター、熱量計、遠隔圧力センサー、産業用監視装置、屋外インフラ。
NB-IoTおよび高パルスデバイス向け 推奨バッテリー接続方向：ER + HPCバッテリーパック、ER26500 + HPC、ER34615 + HPC、またはコネクタ、配線、タブ、ハウジングを備えたカスタムバッテリーパック。
適用可能な用途：NB-IoTスマートメーター、GNSS資産追跡装置、バルブ制御メーター、産業用警報装置、コールドチェーン追跡装置、遠隔テレメトリ機器。
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IoTデバイスのバッテリー寿命はどのように計算しますか？
バッテリー寿命は、使用可能なバッテリー容量を平均電流で割ることによって算出されます。IoTデバイスの場合、平均電流には、スリープ、センシング、MCU処理、送信、受信ウィンドウ、ネットワークアクティビティ、再試行、およびディレーティングが含まれます。
私のLoRaWANデバイスのバッテリー寿命が予想よりも短いのはなぜですか？
一般的な原因としては、拡散係数の高さ、信号品質の悪さ、頻繁なアップリンク、確認済みメッセージ、再送信、高いスリープ電流、低温、不適切なバッテリー化学組成などが挙げられます。
NB-IoTはなぜ予想以上に多くの電力を消費するのでしょうか？
NB-IoTの消費電力は、弱いセルラー信号、頻繁なネットワーク接続、長いアクティブタイマー、PSM/eDRX構成の問題、再送信、ネットワーク検索、およびプロトコルオーバーヘッドによって増加する可能性があります。
LoRaWANはNB-IoTよりも電力効率が良いのでしょうか？
アプリケーション、レポート間隔、ペイロード、カバレッジ、ネットワーク構成、およびデバイス設計によって異なります。LoRaWANは、データ量が少なく、レポート間隔が長いセンサーアプリケーションによく使用されます。NB-IoTはセルラー広域ネットワークの展開に適していますが、PSM、eDRX、信号品質、およびモデムの動作を慎重に最適化する必要があります。
LoRaWANセンサーに最適なバッテリーは何ですか？
長寿命のLoRaWANセンサーには、一般的にLiSoCl2 ER電池が使用されます。デバイスのパルス電流が大きい場合、GNSSを使用する場合、または無線バーストが頻繁に発生する場合は、ER + HPCバッテリーパックの方が適している場合があります。
NB-IoTデバイスに最適なバッテリーは何ですか？
NB-IoTデバイスは通常、高いピーク電流と長い耐用年数をサポートするバッテリーソリューションを必要とします。LiSoCl2 ERバッテリーまたはER + HPCバッテリーパックは、スマートメーター、トラッカー、および産業用IoTデバイスによく採用されます。
公称バッテリー容量ではなぜ不十分なのか？
公称容量は、実際の動作条件をすべて反映するものではありません。使用可能な容量は、温度、放電電流、パルス負荷、遮断電圧、自己放電、保管時間、不動態化、および経年劣化の影響を受けます。
IoTバッテリーパックにはHPCが必要ですか？
HPCは、NB-IoT通信、GNSS起動、バルブ作動、無線通信再試行、低温環境下での動作など、デバイスに高パルス電流が発生する場合に有効です。電流バースト時の電圧降下を低減するのに役立ちます。
機器は本当に1つのバッテリーで10年間も動作するのだろうか？
はい、ただし、システムの平均電流が低く、通信動作が最適化され、適切なバッテリー化学組成、十分な使用可能容量、低い自己放電、および実際の現場条件下での検証が行われている場合に限ります。
バッテリー供給業者にはどのような情報を提供すべきですか？
デバイスの電圧、スリープ電流、アクティブ電流、ピーク電流、TX/RX持続時間、レポート間隔、ペイロードサイズ、動作温度、目標寿命、最小カットオフ電圧、スペース制限、コネクタ要件、および認証要件を提供してください。
結論：バッテリー寿命の計算は、実際の電力データから始まる
LoRaWANおよびNB-IoTのバッテリー寿命は、公称バッテリー容量だけでは推定できません。エンジニアは、デバイスの全サイクルにおける平均電流を計算し、温度、自己放電、パルス電流、不動態化、電圧カットオフ、ネットワーク動作などを考慮した現実的なディレーティングを適用する必要があります。
長寿命の産業用IoTプロジェクト向けには、LiSoCl2 ER電池およびER + HPC電池パックが、スマートメーター、資産追跡装置、リモートセンサー、産業用監視機器などに信頼性の高いエネルギーソリューションを提供できます。
