深度分析 | 电池阻碍物联网大规模发展的8个原因

摘要：面对物联网连接需求的不断增长，以电池为主要供电形式的传感器节点逐渐暴露出其缺点。飞英思特给出了自己的答案，如何解决这些问题。

为了提高物联网网络的建设效率，利用电池供电物联网终端已成为当前的主流模式，但电池寿命有限，安装方便也意味着需要定期更换电池，确保传感器网络的正常运行，大大限制了物联网的增长率。

现实生活中有数亿传感器

想象一下，当数十亿甚至数百亿传感器使用电池供电时，维护产生的劳动力和物质资源成本将达到不可预测的数量，这只是经济支出。著名的英国研究公司IDTechEx在其《BatteryEliminationinElectronicsandElectricalEngineering研究报告指出，2018-2028：如果必须更换电池，物联网节点将无法部署数千亿，至少80%的物联网价值将被破坏。主要原因是手动维护需求、电池寿命有限、节能技术造成的数据空白，以及大量对环境造成危害的电池。

事实上，电池供电传感器在物联网快速发展过程中面临的困难远不止上述。一些隐藏的问题也客观地影响了传感器的耐久性和稳定性。如果这些问题不尽快解决，将对物联网产业的未来发展产生重大影响。

01:电池供电传感器需要手动维护

为传感器供电的电池寿命有限。为了保证传感器网络的正常运行，所有电池都需要定期更换。根据分析师预测的数据，假设我们为万亿传感器配备了10年的电池，我们需要每天更换274,000,000块电池可以保持传感器网络的正常运行。如果电池寿命缩短到3年，每天更换的电池数量将接近10亿第二。目前，整个过程仍需手动完成，这将带来持续的劳动力成本和材料成本。

各种电池供电表需要定期更换电池

更重要的是，频繁更换电池破坏了连接传感器的核心价值。企业部署物联网传感器的主要原因之一是，这些设备可以帮助企业消除设备、机械、管道或其他资产的自动监控。但是，如果这些传感器本身仍然需要定期维护，以确保其正常运行，那么实施自动监控的意义将大大降低。

02:电池寿命有限可能导致数据缺口

电池电源传感器将面临耗电，停止工作传感器不会上传任何数据到背景，除非运行维护团队能够提前发现传感器电池耗尽，准确掌握传感器位置信息并及时更换，否则企业将完全丢失传感器收集的所有数据。

监测电力塔的传感器续航耗尽可能导致风险

其次，由于企业或工厂通常使用传感器来监控和传输安全或重要的设备数据，电池的耗尽很可能会造成人身伤害或重大资产损失。

03:传感器通常低频传输数据

实时性是物联网传感器的核心能力之一。在乐观情况下，企业部署在化工厂管道节点等关键位置的传感器应经常上传数据，以持续监测有毒物质是否泄漏。

为了延长电池寿命，许多物联网传感器配置的数据更新频率非常低，有时甚至每10天或更长时间传输一次。这将导致管理者无法准确掌握被监控设备的实时运行状态。随着时间的推移，这些滞后的数据将大大提高误判的可能性，不仅不能反映物联网实时感知的特点，而且给企业的生产经营带来巨大的安全风险。

物理尺寸限制了传感器的功能

在构成物联网传感器的许多分立元件中，电池体积最大，主要是为了确保设备有足够的电池寿命。然而，电池的大尺寸和重量通常限制了传感器的实用性，如电子标签、电子卡和其他对重量和大小非常敏感的产品，因此很难使用该方案。

电池体积极大地限制了产品的小型设计

其次，大电池使小型产品开发也充满了挑战。在产品体积的限制下，产品开发工程师必须选择减少电池尺寸或功能，但很难确保产品不会失去既定的电池寿命和功能需求。

05:潜在的健康风险和环境污染

锂电池具有重量轻、耐久性长的优点，现已成为物联网传感器供电的首选。但同时，由于其潜在的有毒材料，这些锂电池也对人类健康和自然环境构成了严重的威胁。

面对不断出现的电池需求，制造商必然需要开采大量的锂、钴、镍、锰和石墨等生产锂电池的关键原材料。整个过程不仅需要消耗大量的能源和水，而且经常对当地环境造成化学污染和地质破坏。其次，钴、铜等电池在生产和废物处理过程中意外浸危害人类健康。

原材料开采对生态造成了巨大的破坏

另一方面，电池原材料的无限开采不利于可持续发展战略。客观原因之一是材料资源储备有限。当地球上没有材料时，物联网将面临无电池可用的困境。

06:限制传感器的摩尔定律

近年来，物联网传感器的性能在智能化和集成度方面都有了显著提高，但值得注意的是，长期以来，为这些设备供电的电池的性能升级速度非常缓慢。

克莱姆森大学在《精密无电池感应》一文中指出，摩尔定律(半导体性能每18个月翻一番)不适用于电池技术生产和研究中使用的化学和制造技术，不同于其他技术领域。

电池的性能进步速度远低于半导体

随着20世纪末微电子技术的发展，锂电池得到了广泛的应用，其性能进一步提高，耐久性更长，重量大大降低，但总体而言，电池性能的各个方面每年只有几个百分点，远远不足以跟上整体计算能力的进步，难以支持物联网设备的需求。

07:元件差异限制续航时间

目前，大多数物联网设备都是高度集成的。设备中的数据传感、处理、内存和通信模块需要电池模块供电，以确保正常运行。然而，值得注意的是，不同制造商开发的部件在功耗优化方面存在差异。当这些部件集成在一起时，将不可避免地影响设备的整体寿命。

特别是近年来，市场更喜欢耐久性更长的设备。为了提高产品的竞争力，一些制造商积极开发超低功耗无线物联网传感器元件，如微控制器（MCU）它是为低功耗而设计的，它确实有助于延长电池寿命，但如果扫描仪、温湿度计传感器或游戏设备的芯片不是这样，即使经过高度集成的处理，利用电池供电的传感器网络的电池寿命仍无法显著提高。

08:独立元件导致传感器性能差

不同部件构建的传感器除了耐久性外，还存在另一个问题，即这些传感器缺乏整体协同性。想象一下，当无线传感器中的数据处理能力超过其最大负荷时，由于传感器系统由独立的硬件和软件组成，难以无缝通信，甚至无法发出相关问题的报警，管理者无法知道自然，也无法立即解决此类问题。传感器将继续超负荷工作，轻则任务失败自动停机，重则设备损毁数据丢失。

由独立元件构建的传感器可能会导致性能差

虽然这类问题非常困难，但并非不可能解决，想象一下，当整个物联网网络构建成一个统一的生态系统，从供电到数据收集到数据传输，所有部件协同工作，一旦处理器超载，系统可以将负载转移到系统负载较轻的区域，然后确保设备能够正常工作，但所有这些前提必须以可靠的供电为基础。

解决电池续航问题的微能管理模块/芯片

为了满足不断出现的市场需求，解决电池带来的各种问题，飞英思特推出了微能量管理模块和微能量管理芯片，为客户带来更稳定的数据采集传输和更低功耗的供电解决方案。

通过采集微光能、射频能、微动能、温差能，微能管理模块/芯片具有复合环境能量采集能力（TEG）发电使设备在使用过程中不需要更换电池。在满足条件的前提下，甚至可以实现设备生命周期内无电池的永久寿命，消除了维护设备和频繁更换电池带来的高劳动力和物质资源成本。

飞英思特能量采集技术

此外，飞英思特提供的供电解决方案设计高度集成，也大大降低了后续开发的难度，产品开发工程师无需进行繁重的集成工作，只需将换能器插入微能管理模块/芯片，将后端电路连接到输出，完成无源产品的原型设计，为企业快速抢占市场赢得机遇。

通过这些技术优势，飞英思特微能管理模块/芯片除了解决电池供电的各种不足外，还大大拓宽了医疗身份卡、物联网等低功耗设备的应用领域信息标签等对体积、续航、效率要求更高的产品。

纵观整个行业来看，电池的确极大束缚了物联网的发展，但作为全球领先的无源无线技术和产品提供商，飞英思特正努力通过创新的供电方案解决这一难题，期待最终让各个行业的低功耗设备都能实现免维护免电池运行，并帮助降低物联网电池对生态造成的破坏。