如何为物联网设备选择合适电池：以废物管理场景为例的案例研究

一旦IoT 设备的第一个原型可用，就需要开始功耗分析和电池寿命估算。过程包含了全面了解设备在特定部署环境下的配置及其功耗特性。


进行功耗分析时，需要考虑以下细节。

• 硬件和传感器配置。分析设备中的组件、传感器及其功耗特性。理解硬件配置如何影响能耗。
• 固件设置。检查固件设置和配置，以检查能够优化功耗的潜在之处。调整设置和参数以便实现更加高效的功耗使用。
• 通信参数。评估设备使用的通信参数，比如传输频率和数据速率。分析不同的通信设置如何影响功耗和电池寿命。
• 使用场景和边缘场景。考虑部署设备的不同使用场景。调查设备在不同条件下的表现和功耗变化。尤其注意一些边缘场景，可能会有独特的功耗模式。

在产品开发阶段，持续的基准测试十分关键。使用UART的智能输出，及其与功耗相关联，能够识别出消耗能量的具体组件或者功能。这一分析会为优化功耗的区域提供洞察。请记得一旦完成分析，关闭UART功能，以免影响终端产品。

此外，还应考虑影响功耗的网络变量。导入网络日志文件，理解像距离网关或者NodeB、天气条件以及同一网络下的设备密度等因素如何影响功耗。这些变量会极大影响电池如何消耗能量，应当在评估电池寿命时考虑进来。

通过产品开发阶段的功耗分析，不断来迭代计算电池寿命，开发人员能够对影响功耗特性的因素有更深的理解和直觉。如此便使得他们能够即便在开发堆栈发生变化时，也维持想要的功耗特性，从而保证最佳功耗使用和电池寿命。

精细化电池选择与电池功耗分析

理解物联网设备的功耗表现，绝不能仅仅依赖数据表的信息。还需要进行深入分析，评估在与项目相关的特殊条件下的电池表现。这一过程能够给出关于电池效率、稳定性和部署适用性的宝贵洞见。

定义电池功耗曲线

电池功耗曲线不是一个简单的概览，而是关于电池在特定环境、特定负载时如何放电的定制化描述。通常可以在电池数据表中找到此类信息。但是为了您的解决方案找到理想的电池，您需要创建与设备功耗需求相配的功耗曲线。另外，对于不同品牌、批次和温度下的多种电池进行分析，有利于更全面地理解电池表现。


通过以上这些步骤，您可以更深入理解物联网设备的功耗表现，从而在选择项目最合适的电池时做出明智的决策。

加速电池功耗曲线

为创建电池放电曲线，并与设备当下的电流消耗曲线保持一致，或许需要数月甚至数年的时间。因此，加速放电曲线十分关键。以下行为对于创建准确的曲线非常有效：

• 保持高放电一致性：纽扣电池对于高放电尤其敏感，因此与设备峰值电流匹配非常关键。可充电的锂离子电池能够承受更高的放电电流，而碱性电池则介于两者之间。
• 缩短循环时间：确定电池恢复所需的低放电时间。
• 提高睡眠电流：确保电池即使在高放电状态下也能恢复。
• 询问电池厂商：寻求电池厂商协助，验证目标电池的假设条件。

准确性考量

需注意，加速曲线中释放的能量可能无法与原始曲线完全匹配，这会影响曲线的准确性。加速程度越低，结果越准确，但此方法的精度通常足以满足物联网应用需求。它能全面反映电池在真实场景中的性能，助力物联网解决方案的成功实施。

不同化学体系电池的分析

以下案例来自某LoRaWAN废物管理物联网设备的客户。针对该应用，我们分析了涵盖6个品牌的两种不同化学体系电池（每个品牌含多个样本），并在室温下使用由电池制造商协助开发的加速放电曲线进行测试。通过对比多个厂商的样本，我们评估了不同外形因素和化学成分对结果的影响。鉴于该测试在室温下进行，下一步可在各种环境中分析电池，观察实际容量与受控曲线的偏差。


（使用 Otii Arc Pro 的电池分析设置）

电池特性分析

• LM17500：对该电池的3个样本进行了特性分析，结果显示在达到截止电压点前，其平均容量约为3050 mAh，略高于规格书中标称的3000 mAh。

• CR123A：分析了2节电池，平均容量约1600 mAh，与该型号在特定温度下的规格书数据一致。

• 值得注意的是，碱性电池的可用容量因制造商差异显著波动，若需由客户自行更换电池，这一因素至关重要。

• AAA电池：容量范围为1080至1150 mAh，平均约1100 mAh，而规格书标称容量为1200 mAh。

• AA电池：容量波动范围更大，介于2420至2730 mAh，平均约2590 mAh。例如，Varta品牌的AA电池规格书标称容量为2950 mAh。


（本研究中分析的电池）

我们的电池特性分析流程揭示了不同品牌、化学体系和外形规格电池的性能差异。这些关键发现能够帮助用户根据具体设备和应用场景做出精准决策，信息量远超规格书中的标称参数。若能在多样化环境条件（尤其是温度变化）下进一步开展特性分析，将深化我们对电池性能的理解，从而打造更具适应性的物联网设备设计方案。如需获取本研究的详细数据，欢迎下载白皮书。


（针对 Saft 与 GP 锂锰电池 放电特性曲线的专业分析描述及图示）


（由五个不同品牌提供的碱性电池（AA 和 AAA）电池特性分析曲线图）

回放电池功耗曲线

精确测量的电池特性分析可为特定应用场景提供比规格书更真实的电池容量评估。通过将实测放电曲线直接应用于目标设备（替代标准电源），可确定电池的实际可用容量，大幅提升设备续航预测的准确性。实际可用容量取决于设备本身行为，在某些案例中，该数值可能低至标称容量的20%。利用Otii Ace Pro 配合Otii Battery Toolbox 等工具可以复制这些电池功耗曲线，充当 IoT 设备“已分析的电池”。通过在这些仪器的电池仿真器中调整已使用的电池容量，并监控设备何时关闭或重启，您可以发现真正的、实际的可用电池容量。这能够更加精确理解电池在特定应用下的容量和潜力大小。


（使用 Otii Battery Toolbox 进行电池仿真）

结论

以上是我们团队提出的在选择理想电池时的技巧。首先根据定义的使用场景和数据表进行初步筛选，然后对物联网设备和电池在该使用场景下进行功耗分析，最后通过设备的功耗行为进一步优化电池选择，以评估电池在特定使用场景和设备中的实际性能。这种细化的方法使开发人员能够做出更明智的决策，从而提升电池寿命。