где ошибаются производители LoRaWAN-устройств и что меняет 

технология BatteryCare

1–2 года против 10–15 лет

Парадокс автономного LoRaWAN

LoRaWAN изначально создавался как технология для устройств с ультранизким энергопотреблением.
В официальных спецификациях и маркетинговых материалах производителей радио-чипов подчёркивается: 10–15 лет автономной работы - это нормальный, ожидаемый срок эксплуатации одного узла при использовании литиевой батареи.
В идеальных условиях это действительно так:

  • длительный сон (sleep mode),
  • редкие передачи,
  • энергоэффективная модуляция,
  • отсутствие активного приёма,
  • минимальные утечки.
С инженерной точки зрения LoRaWAN полностью способен работать десятилетиями.

Но реальность рынка иначе

Множество коммерческих LoRaWAN-устройств:

  • выходят из строя через 12–24 месяца,
  • требуют регулярной замены батарей,
  • работают нестабильно зимой,
  • создают массивные Join-штормы,
  • снижают качество сети,
  • приводят к росту эксплуатационных затрат.
Пользователи, муниципалитеты и предприятия, которые разворачивают сети на сотни и тысячи устройств, сталкиваются с тем, что оборудование фактически не соответствует ожиданиям стандарта.

Где же скрыта причина?

Парадокс в том, что проблема не в LoRaWAN как технологии. И не в батареях.
Проблема в том, как большинство производителей проектируют питание своих устройств. Автономность 10–15 лет возможна только при соблюдении концепции:

  • малые токи → батарея,
  • импульсные нагрузки → буфер,
  • высокое КПД → DC/DC,
  • стабильное напряжение → отсутствие перезагрузок.
Но подавляющее большинство устройств на рынке построены по другой логике:
  • радио питается напрямую от батареи,
  • используется LDO с теплопотерями,
  • отсутствует энергетический буфер,
  • пассивация интерпретируется как «ошибка»,
  • батарея работает в режиме, для которого она не предназначена.
В результате устройства, которые должны жить десятилетие, едва доживают до второго года.

Ошибки производителей LoRaWAN-устройств

Прямое питание радио от батареи


Большинство LoRaWAN-устройств питают радиомодуль напрямую от Li-SOCl₂ батареи, хотя её химия рассчитана на малые токи 1–3 мА.
Передача LoRaWAN на 14 dBm требует пиков до 50–58 мА, что в 15–20 раз превышает номинал батареи.
В результате:

  • происходит мгновенная просадка напряжения
  • MCU уходит в brownout
  • устройство перезагружается
  • ухудшается автономность
  • увеличивается риск Join-штормов
Такая архитектура гарантированно сокращает срок службы устройства до 1–2 лет.

Использование LDO и отсутствие энергетического буфера

Производители часто применяют линейные стабилизаторы (LDO), потому что они простые и дешёвые. Но у LDO есть два критичных недостатка:

  • Низкое КПД при падении напряжения
Разница 3.6 → 3.0 В уходит в тепло.
Потери достигают 30–40%, что ускоряет разряд батареи.
  • Отсутствие буфера пиковых нагрузок
Все импульсы радио проходят через батарею.
Это вызывает:
  • рост пассивации,
  • снижение доступной мощности,
  • невозможность обеспечить стабильный uplink,
  • деградацию химии батареи.
Устройство работает «на грани» практически с первого дня.

Непонимание пассивации и условий работы батареи

Li-SOCl₂ батареи имеют защитный пассивирующий слой, который обеспечивает сверхнизкий саморазряд. Это фича, а не баг.
Но производители:

  • пытаются «пробить» пассивацию
  • используют депассивацию как костыль
  • проектируют схемы, требующие высокие токи от батареи
  • не закладывают буфер EDLC
  • не учитывают рост ESR зимой
В результате батарея работает не в своей зоне оптимума, а в режиме, для которого она не предназначена.
Это приводит к:
  • стремительной деградации,
  • отказам зимой,
  • перезагрузкам,
  • Join-штормам,
  • преждевременной смерти устройства.

Главная ошибка рынка - попытка питать современный LoRaWAN-радиомодуль напрямую от Li-SOCl₂ элемента без буфера и без DC/DC-конвертера. Такая архитектура технически несовместима с требованиями LoRaWAN.

Почему устройства конкурентов живут только 1–2 года

Brownout, перезагрузки и невозможность передать пакет

В устройствах конкурентов радио питается напрямую от батареи.
Когда начинается передача LoRaWAN:

  • SX1276/SX1262 требует 50–58 мА,
  • батарея может отдать только 1–3 мА,
  • возникает резкая просадка напряжения,
  • MCU уходит в brownout,
  • устройство перезагружается.
После перезагрузки оно снова пытается передать данные - и снова падает по питанию. Такой цикл может повторяться десятки и сотни раз в сутки.
Это приводит к:
  • некорректной работе,
  • неконтролируемому расходу батареи,
  • стремительному износу элемента,
  • дальнейшему ухудшению работы радио.
Фактически устройство начинает само себя «убивать».

Join-штормы и загрязнение LoRaWAN-сети

Каждая перезагрузка приводит к попытке повторного присоединения к сети (Join Request).
Но устройство снова уходит в brownout ещё до получения Join Accept.
Получается:
Join-шторм - неконтролируемый поток запросов в эфир.
Это вызывает:

  • перегрузку каналов,
  • коллизии приёма,
  • снижение качества сети для всех устройств вокруг,
  • рост пропусков сообщений,
  • уменьшение дальности и стабильности.
Join-шторм - это один из самых разрушительных сценариев для LoRaWAN инфраструктуры. И он запускается устройствами с неправильным питанием автоматически, без участия пользователя.

Рост ESR зимой и ускоренная деградация батареи

При падении температуры внутренняее сопротивление Li-SOCl₂ растёт:

  • x5 при −20 °C
  • x10 при −40 °C
Это значит:
  • батарея почти перестаёт отдавать ток,
  • передача Radio TX становится невозможной,
  • даже приём LoRaWAN иногда невозможен,
  • устройство полностью уходит в brownout-циклы.
Каждый такой цикл:
  • добивает батарею,
  • усиливает пассивацию,
  • увеличивает ESR ещё больше,
  • ускоряет деградацию химии.
В итоге ресурс 2400–2700 мА·ч превращается в 200–400 мА·ч полезного ресурса, то есть устройство выживает 1–2 года, а иногда и меньше.

Устройства конкурентов выходят из строя не потому, что «LoRaWAN много потребляет» или «батареи плохие». Они умирают потому, что батарея работает в режиме, для которого она физически не предназначена, а радиомодуль не получает стабильного питания.
Результат:
brownout → Join-шторм → деградация батареи → отказ через 12–24 месяца.

Архитектура типичных LoRaWAN-устройств на рынке

Почему сменная батарея - ложное решение

Замена батареи стоит дороже, чем само устройство

В реальных условиях замена батареи включает:

  • выезд специалиста,
  • доступ к объекту,
  • демонтаж корпуса,
  • установку новой батареи,
  • закрытие корпуса,
  • проверку связи и повторную пусконаладку.
Стоимость такой операции нередко составляет 40–100% стоимости всего устройства. Для проектов с сотнями и тысячами датчиков это превращается в огромные эксплуатационные расходы.

Смена батареи не устраняет причину быстрого разряда

«Батарея быстро садится → сделаем сменную батарею».

Но проблема не в батарее, а в том, что:

  • радио питается напрямую от Li-SOCl₂,
  • нет энергетического буфера (EDLC),
  • используется LDO с теплопотерями,
  • батарея работает в режимах с пиковыми токами в десятки раз выше нормы.
То есть батарея в таких устройствах изначально работает в условиях, несовместимых с её химией.
Смена батареи просто перезапускает тот же разрушительный цикл.

Сменные батареи ускоряют деградацию сети

После замены батареи устройство:

  • повторно Join'ится,
  • может работать нестабильно до калибровки,
  • иногда уходит в повторные brownout-перезагрузки,
  • создаёт дополнительные Join-пакеты.
На больших сетях это может привести к:
  • локальным перегрузкам каналов,
  • ухудшению качества сети,
  • пропуску сообщений от остальных узлов.
То есть сменная батарея - это ещё и фактор сетевой нестабильности.

Циклическая перезагрузка раз в 2.35сек при включении передатчика ( из-за срабатывания BOR ) при снижении напряжения питания до 2.2В условлено наличием линейного регулятора, из-за падения на котором, напряжение МК в моменты передачи падает до порога срабатывания BOR 

Сменная батарея разрушает саму идею IoT

LoRaWAN задумывался как технология:

  • без обслуживания,
  • без выездов,
  • без замен батарей,
  • с 10–15 годами автономности.
Если устройство требует регулярного обслуживания - оно фактически не является IoT-устройством, а превращается в терминал, требующий ежегодного сервисного цикла.

Дешёво  для производителя,  дорого для заказчика

Для производителя сделать сменную батарею:

  • легко,
  • дёшево,
  • быстро.
Но для заказчика это означает:
  • ежегодные расходы,
  • сложности эксплуатации,
  • логистику батарей,
  • выезд персонала на объекты,
  • риски человеческих ошибок,
  • отсутствие предсказуемости.
Это классический случай, когда экономия при производстве превращается в десятки миллионов тенге расходов в течение жизненного цикла системы.

Сменная батарея не решает основную проблему - неправильную архитектуру питания.
Пока пики тока проходят через батарею, устройство будет выходить из строя через 1-2 года, независимо от того, можно ли заменить элемент или нет.


Технология BatteryCare


Технология BatteryCare - это инженерная архитектура питания, разработанная для того, чтобы устранить корневые причины ранней деградации LoRaWAN-устройств.
Она основана на разделении функций батареи и источника импульсной мощности, применении высокоэффективного DC/DC-конвертера и управлении питанием на уровне микроконтроллера.

Разделение малых и импульсных токов

В устройствах OrionM2M батарея никогда не отдаёт высокие токи. Её единственная задача - обеспечивать устойчивый малый ток в 1–3 мА, что соответствует естественному режиму работы Li-SOCl₂ химии.
Энергетическая архитектура выглядит так:

  • Батарея → работает в режиме стабильного малотока
  • EDLC (суперконденсатор) → обеспечивает все пики от 40 до 150 мА
  • Радиомодуль получает питание без просадок даже на морозе
Это полностью исключает просадки напряжения, перезагрузки и преждевременную деградацию батареи.

Высокоэффективный DC/DC-конвертер с контролем тока

В BatteryCare используется импульсный стабилизатор семейства TPS6274x, который:

  • имеет КПД до 94%,
  • снижает теплопотери почти до нуля по сравнению с LDO,
  • ограничивает ток зарядки EDLC до безопасного уровня,
  • обеспечивает стабильное напряжение 1.8–3.3 В в зависимости от режима работы.
Главное отличие:
  • батарея НЕ участвует в питании радио во время TX
  • батарея заряжает EDLC только малым током
  • EDLC полностью берёт на себя пик
Это устраняет саму причину brownout-циклов.

Однократная зарядка буфферной емкости при первом включении. Ток в пике 4.75 мА

Управляемое питание и защита от пассивации

Микроконтроллер управляет уровнем питания через VSEL:

  • 1.8 В - глубокий сон
  • 2.3–2.5 В - измерения, датчики
  • 3.0–3.3 В - передача LoRaWAN
Что это даёт:
  • минимальное среднее потребление,
  • отсутствие тепловых потерь,
  • предсказуемое поведение при −40 °C,
  • батарея всегда работает в зоне оптимума,
  • пассивация становится плюсом, а не проблемой.
Благодаря этому устройства:
  • стабильно работают годами,
  • не требуют депассивации,
  • не создают Join-штормов,
  • не деградируют преждевременно.

BatteryCare - это единственная архитектура, которая полностью изолирует батарею от импульсных нагрузок. Именно это делает возможными реальные 10–15 лет автономной работы LoRaWAN-устройств.

Однократная зарядка буфферной емкости при первом включении. Ток в пике 4.75 мА
Почему “EDLC параллельно батарее” - ошибка

Когда на рынке начали понимать, что Li-SOCl₂ батарея плохо переносит импульсные токи радиомодуля, логичный шаг был - добавить суперконденсатор (EDLC). Часть производителей действительно пошли в сторону EDLC, но сделали критическую ошибку: подключили его просто параллельно батарее.
В результате такая схема:

  • ничего принципиально не решает,
  • а в ряде случаев делает ещё хуже.

Батарея всё равно вынуждена заряжать EDLC пиковым током

Если суперконденсатор сидит напрямую на батарее, то:

  • при включении устройства или после передачи он разряжен,
  • он пытается зарядиться как можно быстрее до напряжения батареи,
  • ток заряда ограничен только внутренним сопротивлением батареи и проводников.
Для Li-SOCl₂ это означает:
  • батарея снова должна отдавать десятки миллиампер,
  • возникает тот же импульсный режим, от которого мы и хотели уйти,
  • происходят просадки напряжения,
  • MCU уходит в brownout,
  • устройство перезагружается.
То есть:

Мы как будто добавили EDLC, но пиковый ток всё равно течёт через батарею, только теперь не в момент TX, а в момент зарядки суперконденсатора.

С точки зрения батареи - стало не легче.

Brownout никуда не делся - он просто сместился по времени

В правильной архитектуре EDLC должен:

  • заряжаться медленно, ограниченным током,
  • а разряжаться быстро, отдавая пик на радио.
В схеме «EDLC параллельно батарее» происходит наоборот:
  • заряд EDLC → быстрый
  • ток → высокий
  • батарея «проваливается» именно в момент зарядки
Результат:
  • устройство может упасть по питанию не во время передачи,
  • а сразу после неё или при следующем пробуждении,
  • что делает поведение ещё менее предсказуемым.
По факту brownout не устранён, он просто перенесён в другое место сценария работы.

Суперконденсатор добавляет паразитные потери и утечки

EDLC - это не идеальный накопитель энергии. У него есть:

  • утечка (leakage current),
  • саморазряд,
  • температурная зависимость.
Если он висит напрямую на батарее, то:
  • батарея постоянно подзаряжает EDLC,
  • даже когда радио молчит,
  • появляются дополнительные постоянные потери.
То есть:

Вместо экономии батареи мы добавили постоянный скрытый канал разряда.

Напряжение элементов выходит за рабочий диапазон.

При прямом параллельном включении:
напряжение на EDLC и батарее одинаковое,
при заряде и разряде идут резкие скачки,
радиомодуль и MCU могут видеть нелинейные переходные процессы.

Если нет DC/DC и токового лимитера:

  • при заряде EDLC напряжение может качаться,
  • это приводит к глюкам логики,
  • нестабильной работе радио,
  • частично «случайным» отказам.

Для Li-SOCl₂ это ещё более разрушительный сценарий

У Li-SOCl₂:

  • высокая энергия,
  • низкий саморазряд,
  • но чётко ограниченная зона по току.
Когда параллельно вешают EDLC и не ограничивают ток:
  • батарея постоянно «дёргается» импульсами заряда,
  • пассивация ведёт себя нестабильно,
  • ESR растёт,
  • ресурс падает ещё быстрее.
То есть:

В попытке «улучшить» питание с помощью EDLC, включённого параллельно, такие устройства фактически ускоряют смерть батареи.

Join-шторм никуда не исчезает

Главная наша цель - избавиться от Join-штормов и перезагрузок.
При неправильной работе EDLC:

  • устройство всё так же периодически падает по питанию,
  • всё так же не может довести процедуру Join до конца,
  • всё так же засыпает сеть бесконечными Join Request.
То есть по отношению к LoRaWAN-сети:
  • устройство с EDLC параллельно батарее ведёт себя почти так же плохо, как и без EDLC,
  • для оператора сети и заказчика разницы нет - сеть загрязнена, устройство нестабильно.

Как должно быть на самом деле

Правильная архитектура:

  • батарея → через DC/DC с ограничением тока → заряжает EDLC малыми токами,
  • EDLC → локальный буфер, с которого берутся все импульсы TX/RX,
  • радио и MCU питаются от стабилизированного напряжения, а не напрямую от батареи.
В этом случае:
  • батарея никогда не видит пиков 40–150 мА,
  • EDLC не разряжает её напрямую,
  • нет резких провалов напряжения,
  • нет brownout,
  • нет Join-штормов,
  • батарея живёт 10–15 лет, как и задумано.

Просто добавить EDLC - недостаточно.
Если суперконденсатор включён параллельно батарее без ограничения тока и без DC/DC, он не решает проблему, а лишь переносит её в другую точку и ускоряет деградацию Li-SOCl₂.

Архитектура питания OrionM2M с технологией BatteryCare

Реальные 10–15 лет автономности


Технология BatteryCare позволяет LoRaWAN-устройствам OrionM2M работать десятилетиями не благодаря «улучшенным батареям», а благодаря правильно спроектированной энергетической архитектуре, в которой каждая деталь выполняет свою оптимальную роль. Реальная долговечность обеспечивается сочетанием трёх факторов:

  • батарея не испытывает импульсных нагрузок,
  • радио работает на стабильном питании,
  • потери энергии сведены к минимуму.

Никаких просадок, никаких перезагрузок

Устройство не уходит в brownout, потому что:

  • пиковые токи всегда идут с EDLC,
  • батарея видит только плавные малые токи,
  • DC/DC поддерживает стабильное напряжение,
  • MCU и радио питаются в контролируемом диапазоне 1.8–3.3 В.
Что это дает:
  • стабильный uplink,
  • предсказуемую работу во всех температурах,
  • отсутствие Join-штормов,
  • отсутствие циклических перезапусков.
Если устройство не перезагружается - оно не тратит батарею впустую.

Минимальное потребление благодаря управлению питанием

Среднее энергопотребление - ключ к реальной автономности.
BatteryCare обеспечивает:

  • питание 1.8 В в глубоком сне (снижение потребления МК)
  • пониженное напряжение для сенсоров (оптимизация без ухудшения точности)
  • 3.0–3.3 В только на момент передачи (когда это действительно нужно)
  • КПД DC/DC до 94% (минимальные теплопотери и энергия уходит в дело, а не в нагрев корпуса)
Эти эффекты суммируются, давая многократное увеличение срока службы.

Батарея работает в оптимальном режиме 100% времени

Самое важное:
Li-SOCl₂ батарея чувствует себя так, будто питают микроконтроллер без радиомодуля - ровным, малым, стабильным током 1-3 мА.
Батарея не:

  • отдаёт 50–150 мА,
  • разряжается в импульсных режимах,
  • проваливает напряжение,
  • разрушает свой пассивирующий слой,
  • ускоряет рост ESR.
В этих условиях батареи:
  • работают так же, как в измерительных приборах,
  • сохраняют ресурс десятилетиями,
  • теряют менее 1% в год,
  • не требуют обслуживания.
То есть ресурс, заложенный производителем батареи (10-15 лет), наконец реализуется полностью.

BatteryCare - это не "оптимизация", а устранение фундаментального конфликта между Li-SOCl₂ батареями и LoRaWAN-радио.

Как только батарея перестаёт видеть импульсные токи, устройства стабильно работают 10-15 лет без обслуживания даже при −40 °C.

Дополнительный эффект: нулевые эксплуатационные расходы

Долговечность - это не только про энергетику, но и про экономику:

  • нет замен батарей,
  • нет выездов,
  • нет демонтажа,
  • нет повторной пусконаладки,
  • нет сбоев в сети,
  • нет деградации LoRaWAN-инфраструктуры.
Общий TCO таких устройств в 3-7 раз ниже, чем у конкурентов.

Увеличенный фрагмент момента работы передатчика. Потребление от батареи 0.647 мкА максимум. Синим кружком указан сам момент передачи, и стрелкой - открытие RX-окон.

Заключение

Проблема того, что многие LoRaWAN-устройства живут всего 1–2 года, не связана ни с качеством батарей, ни с особенностями стандарта, ни с ошибками эксплуатации. Корень проблемы — в неправильной архитектуре питания, когда Li-SOCl₂ батарея вынуждена работать в импульсных режимах, для которых она физически не предназначена. Именно это приводит к просадкам напряжения, перезагрузкам, Join-штормам, быстрому росту ESR и преждевременной деградации.
Технология BatteryCare устраняет этот конфликт на уровне схемотехники. Батарея работает только в зоне малых токов, EDLC берёт на себя все импульсы, а высокоэффективный DC/DC обеспечивает стабильное питание радиомодуля и микроконтроллера. Такой подход исключает brownout, предотвращает Join-штормы, сохраняет химию батареи и обеспечивает предсказуемую работу устройства даже при −40 °C. 

Результат — LoRaWAN-устройство, которое действительно соответствует обещаниям стандарта: 10–15 лет автономной работы без обслуживания, без замен батарей, без сбоев и без скрытых эксплуатационных расходов.
BatteryCare — это не улучшение классической схемы, а новая архитектура питания, которая возвращает LoRaWAN его истинный смысл:
создавать надёжные, стабильные и по-настоящему автономные устройства.

Скачать