電池寿命の式を知った後は、何を減らすかを比べる
IoT中級の計算問題では、電池容量を平均消費電流で割る基本計算を扱います。本記事は同じ式の例題を増やすのではなく、送信と待機のどちらを改善すべきかという比較に絞ります。「通信回数を減らせば、寿命も同じ倍率で伸びる」とは限らない理由を確かめます。
ここでは機器全体が、送信中20mAと待機中10µAの二状態だけを持つと仮定します。送信時間は毎回1秒で、電圧条件は同じ。起動、測定、再送などの追加消費はこの例では考えません。実機では状態が増えるため、後半でこの単純化の限界を確認します。
1分ごとに1秒送る場合は、送信が大半を占める
10µAは0.01mAです。60秒に1秒送信し、残り59秒を待機すると、送信の寄与は20×1/60＝約0.333333mA、待機の寄与は0.01×59/60＝約0.009833mA。合計は約0.343167mA、343.167µAです。途中で大きく丸めず、最後に表示桁をそろえます。
この条件では平均電流の約97.1%が送信の寄与です。送信1秒と待機59秒という時間だけを見ると、待機がほとんどだから待機だけを改善したくなるかもしれません。しかし電流の大きさも掛け合わせる必要があります。長い時間を占める状態が、必ず最大の消費源とは限りません。
1時間ごとに1秒送る場合は、待機が大半になる
送信間隔だけを3,600秒へ変えます。送信の寄与は20×1/3,600＝約0.005556mA、待機の寄与は0.01×3,599/3,600＝約0.009997mA。合計は約0.015553mA、15.553µAです。今度は平均電流の約64.3%が待機の寄与になります。
部品の電流値は同じでも、周期を変えるだけで支配的な要因が逆転しました。したがって、短い周期で効果があった対策を、長い周期の機器でも常に最優先とすることはできません。時間割合と電流値の両方を確認してから比較します。
1分周期
- 送信寄与333.333µA
- 待機寄与9.833µA
- 平均343.167µA：送信が約97.1%
1時間周期
- 送信寄与5.556µA
- 待機寄与9.997µA
- 平均15.553µA：待機が約64.3%
各寄与は機器全体の平均電流への寄与です。送信時の瞬間電流そのものではありません。
1時間を2時間にしても、平均電流は半分にならない
1時間周期から、7,200秒に1秒送信する2時間周期へ変えるとします。送信の寄与は20÷7,200＝約0.002778mA、待機は0.01×7,199/7,200＝約0.009999mA。合計は約0.012776mA、12.776µAです。元の15.553µAに対して約17.9%の削減であり、50%削減ではありません。
待機の電流は、送信回数を減らしてもほぼそのまま残るためです。使える電池容量が一定で、ほかの消費や劣化を無視する理想モデルなら、寿命の倍率は15.552778÷12.776389＝約1.217倍です。実際の寿命を2倍にするという保証にはなりません。
| 設定 | 平均電流 | 元の1時間周期との差 |
|---|---|---|
| 1時間に1秒送信 | 約15.553µA | 基準 |
| 2時間に1秒送信 | 約12.776µA | 約17.9%減 |
| 1時間周期・待機を5µAに | 約10.554µA | 約32.1%減 |
待機電流を半分にする案も、同じ条件で比べる
次に、送信周期は1時間のまま、待機電流だけを10µAから5µAへ減らす仮定を置きます。送信寄与は5.555556µAのまま、待機寄与は5×3,599÷3,600＝約4.998611µA。合計は約10.554167µAです。この条件では、送信間隔を2倍にする案より平均電流の削減が大きくなります。
ただし、待機電流を半減できる部品や設定が実際に存在し、同じ機能や価格で使えると確認したわけではありません。比較のために一つの条件だけを変えた仮定です。実際の設計判断では、実現可能性、費用、必要な応答速度なども併せて評価します。
- 元の設定15.553µA
- 送信周期を2時間に12.776µA
- 待機だけを5µAに10.554µA
共通の0〜16µAの目盛。平均電流の理論比較で、実機の測定結果ではありません。
周期を長くしても、待機電流という下限が残る
この二状態モデルで送信間隔を非常に長くすると、送信の時間割合は0へ近づき、待機の割合は1へ近づきます。平均電流は待機電流10µAへ近づくのであって、0へ近づくわけではありません。ほかの回路が常時動いていれば、その消費も下限に加わります。
一方、待機電流を0と仮定すれば計算は変わります。どの仮定で結論が出たかを残し、別の機器へ同じ結論を移す前に条件を見直してください。電池容量と平均電流の単位をそろえることも基本です。mAh÷mAなら時間ですが、mAh÷µAを同じ数字のまま計算すると1,000倍の誤りになります。
測定間隔と送信間隔も、必ずしも同じではない
温度を毎分測り、複数件をまとめて毎時送る方式も考えられます。その場合、送信が減っても測定や保存に使う電力は残ります。測定も送信も一律に減らしてしまうと、必要な異常検知の速さやデータの鮮度を失うかもしれません。省電力だけでなく、システムの目的へ戻って確認します。
IoTデバイスの流れでは、起動・測定・変換・送信・待機を分けます。通信失敗があれば再送の時間と電流が増える場合もあります。再送と冪等性のように、データの重複や欠落の扱いも含めて考える必要があります。
実機の寿命は、平均の理想計算だけで確定しない
メーカーの省電力資料も、活動中と待機中の寄与を周期で重み付けすることや、状態を一周期分測ることの重要性を説明しています。実機では起動、待受け、接続、測定、再送、電源回路の消費などを含め、実際の通信条件で確かめます。待機時の小さい電流値だけから寿命を決めないようにします。
電池の自己放電、温度、使える電圧範囲、負荷時の電圧低下、実効容量なども影響します。今回の値はそれらを含まないため、交換時期の保証値には使いません。IoT中級の問題集選びでは、式の答えに加えて、どの消費を含めたかまで説明される教材かを確認してください。