物聯網設備正以驚人速度變革多個行業，通過實現實時數據采集、分析與自動化，推動智慧農業、智慧城市和智慧家居等領域的發展。然而，物聯網系統的總體擁有成本（TCO）常被低估。雖然硬件、軟件及部署等前期費用較為直觀，但若忽視電池壽命問題，后續的維護和電池更換成本（主要受電池壽命影響）則可能大幅上升。

電池壽命在物聯網系統中作用關鍵

電池壽命作為物聯網隱性成本中的重中之重，必須得到優先考慮。電池壽命未達預期不僅可能引發運營中斷，還可能帶來環境與社會責任方面的風險。

運營中斷

許多物聯網設備部署在偏遠或難以觸及的區域。如果設備因電池壽命不足而頻繁需要維護，其TCO將因電池更換、人工干預以及潛在的停機損失而顯著增加。譬如，在醫療監控或工業監控等關鍵場景中，電池故障引起的停機可能導致嚴重的運營和經濟損失，從而影響生產效率、安全性和客戶滿意度。隨著資產追蹤在物聯網應用中的普及，這一市場價值已達數十億美元，因此控制電池更換和維護成本尤為重要。

企業的環境責任

如今，企業越來越需要為其環境足跡負責。不當的物聯網設備（特別是電池）管理可能損害企業聲譽。以國內共享單車中的GPS追蹤器為例，其內置電池若長期無人維護和更換，無疑加劇了城市環境問題。自2024年7月18日起，歐盟委員會開始實施新法規，作為歐盟綠色協議的一部分，此舉旨在提高區域內產品的能源效率、降低能源消耗和碳排放，同時鼓勵制造商推出更具可持續性和成本效益的產品。

低溫環境下，電池壽命縮短的幅度

前述內容充分說明了電池壽命的重要性。在眾多影響電池壽命的因素中，溫度無疑是一個關鍵外部變量。通常，高溫條件下雖然電池內阻降低并能釋放更多能量，但同時也會加速自放電和鈍化過程，從而嚴重損害可用容量；而在低溫環境中，電池的自放電較低，但由于離子移動減緩和內阻增大，電壓下降更明顯，同樣會對可用容量產生不利影響。

此外，電池性能與內部化學反應密切相關，而這些反應對溫度變化極為敏感，從而直接影響電池的容量、壽命以及設備內部組件的功耗。

在數據手冊中，電池壽命通常以室溫下的理想狀態為標準，而現實中，物聯網設備和嵌入式系統往往工作在溫差較大的環境中。例如，垃圾處理領域的物聯網解決方案可能面臨溫度劇烈波動或長時間處于極端高低溫條件，這就為設備設計和電池選擇提出了更高要求。

電池壽命優化策略

在產品開發階段，若忽視電池壽命問題，將浪費大量時間和資源。因此，應在初期設計時從硬件構架、軟件開發及電池選擇等多角度綜合考量電池壽命問題。

電源管理

借助高效的軟件設計大幅降低功耗，例如采用低功耗模式、優化通信協議以及減少數據傳輸，都能有效延長電池使用壽命。同時，固件升級至更節能的版本亦能帶來積極效果。

數據處理

降低數據傳輸頻率，并盡可能在本地進行數據處理而非依賴云端，均可降低能耗。經過優化的節能軟件還能延長設備的維護周期，從而進一步降低總體擁有成本。

節能組件

在硬件層面，選用低功耗元件（如處理器、傳感器和通信模塊）對于延長電池壽命至關重要。特別是在設備大部分時間處于待機狀態時，這類組件的低能耗特性顯得尤為重要。

電池技術

電池的選型對其壽命和可靠性具有重大影響。例如，相較于鎳鎘電池，鋰離子電池不僅擁有更高的能量密度，還能提供更長的使用壽命。盡管鋰電池初期投入較高，但從維護、更換頻率及風險成本綜合考慮，在低溫場景下往往更為優選。

注意事項

即便是鋰電池，同樣會受到低溫環境的影響。例如，一款190mAh LiPo電池的工作溫度范圍為-20°C至+60°C，但數據手冊中可能缺乏在該溫度區間內的詳細性能指標。若缺乏精確預測，溫度的微小波動就可能導致電池容量驟降。因此，在設備設計時必須全面評估不同工作狀態（待機、睡眠、活躍等）下的功耗，并結合設備在存儲、運輸及實際使用過程中可能遇到的極端溫度進行匹配。

此外，即使是能量密度最高的電池，其實際可用容量通常也難以達到100%。只有當電池與應用的功耗特性高度匹配時，才能盡可能接近這一理論極限。我們的實驗室測試表明，由于使用效率不足，通常有30%~50%的電池容量未能得到實際利用。

案例分享

本文分享了在測試鋰電池MicroE時的實際經驗。盡管數據表顯示該電池在零度以下的使用情況無明顯問題，但實際測試結果并非如此。

硬件選擇：Otii Ace Pro儀器

軟件選擇：Otii電池工具箱

測試過程：

我們利用Otii Ace Pro儀器和Otii Battery Toolbox，在-10°C、+20°C和+50°C三種溫度條件下對該電池性能進行評估。測試場景為采用WiFi通信的智能建筑物聯網解決方案。圖1、圖2和圖3分別展示了在各溫度下電池內阻與開路電壓的測量及分析結果，直觀揭示了溫度對物聯網設備電池性能及壽命的影響。

在圖1中，當溫度降至-10°C時，電池內部電阻顯著增大，導致大部分傳感器無法正常工作，甚至無法啟動，更不用說數據傳輸。即便傳感器能夠啟動，較高的內阻也會使電池電壓明顯下降。為彌補電壓下降，設備不得不通過增加電流來維持無線通信供電，進而進一步加劇電壓跌落，直至低于MCU的截止電壓，最終觸發設備重啟。在本次測試中，全新190mAh LiPo電池安裝于WIFI開發板（Particle Argon）上，在-10°C時竟無法成功連接WiFi，這與電池數據手冊中所宣稱的“寬廣性能范圍”形成了鮮明對比。

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結論：認識溫度對物聯網設備電池壽命的深遠影響

本文探討了電池壽命對企業運營的重要性，并著重強調溫度作為影響電池壽命的主要因素。為了更準確地預測電池壽命，開發人員需要全面了解并測量設備在不同工作狀態（待機、睡眠、活躍等）下的能耗，同時結合設備在存儲、運輸及實際應用過程中所面臨的極端溫度進行綜合評估。切勿僅依賴電池數據手冊，務必在高溫或低溫等極端條件下進行充分測試。畢竟，即使是某知名品牌的鋰電池，憑借其在廣泛溫度范圍內的出色表現而聞名，也未必始終如預期般運行。

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參考資料：

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溫度對物聯網電池壽命的影響

審核編輯 黃宇