#物聯網IoT #汽車電子 #電源設計 #電池管理系統BMS #電池充電狀態SOC #庫侖計數Coulomb count #儲能系統ESS #不斷電系統UPS #微控制器MCU

【「電量變化」透露許多訊息】

不少智慧手機或可攜式裝置，都是不可自行替換電池的設計。為防通訊意外中斷，使用者越來越依賴電池容量檢測，是電池管理系統 (BMS) 主要功能之一，通常以庫侖計數 (Coulomb count) 估量；解析越精準，不僅可降低誤差容忍度、不致高估剩餘電量，還能縮小整個電池組的體積。然而，傳統電池組的庫侖計數架構須外掛放大器，且周邊的類比數位轉換器 (ADC) 和類比前端 (AFE) 又各自存在細微誤差，若用來估算整個電池組的電量，恐力有未逮。

反觀庫侖計數專用晶片能減少 MCU 工作負載，還可加載中斷警示、喚醒、休眠等額外功能，更便於「即時」監控短至幾百毫秒的瞬間變化 (開發者可定義時間單位)。此外，大串數電池的 BMS 挑戰在於：須用許多隔離元件以確保電氣運作，若是自行採購分離式元件、組態，頗為耗電，且整體材料清單成本 (BOM Cost) 與整合式產品相差無幾，未必划算；另內部通訊介面的整合也有難度，前端遇到的問題解決後，難保後端不會再次發生狀況，煩瑣工作著實不少。

搭載 BMS 的另一個訴求是：有助於延長電池壽命。可惜，它並非電池組「延年益壽」的萬靈丹；單電池 (Cell) 理論上無疑義，但串聯成電池組 (Battery Pack) 可就不一定了！由於每串電池的電化學反應不可能一模一樣，假如電池組中某個 Cell 出問題，基於 BMS「維持電池間均衡」理念，與其串聯的電池夥伴會前來馳援，旨在使電池組中的各串電池達到均衡一致；如此一來，恐形成互相拖累、掣肘之勢，會減損整體電池組的壽命。這可借用知名的「木桶效應」解釋。

一隻木桶最終能盛蓄多少水量，非由桶壁上最高的那塊木板做主，關鍵還得最短的那塊木板說了算，暗喻：組員功力相當，才具正向加乘效果——整體電池組的蓄電能力，取決於內部性能最差的電池。假如電池組中的各個 Cell 皆身強體健，自然能加倍發揮戰力；但若有「豬隊友」扯後腿，反會加速電池組老化。統整 BMS 有三大評判重點：解析度、消耗電流與功能多寡；與此同時，動態記錄電池容量，車用 BMS 市場潛力相當可觀，藉由電流變化可做許多延伸應用……。

延伸閱讀：
《「庫侖計數」獨立晶片精準解析瞬間電量衝擊》
http://www.compotechasia.com/a/____//2018/0309/38297.html
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#物聯網IoT #系統單晶片SoC #電源設計 #能源緩衝
#無線量測匯流排wM-Bus #全球行動通訊系統GSM

【能源緩衝，延長無線感測工作壽命】

物聯網 (IoT) 因分佈區域廣且感測器節點位置不受限，加上為符合成本效益，須盡可能延長運作時間、降低維護頻率與成本，對開發人員是一大挑戰。此外，若以射頻長途傳輸感測資料，會導致系統功率更加複雜——無線感測節點除了降低平均功耗，偶爾也須為傳輸資料提供高峰值電流，這也是它不夠普及的原因。

以功率角度而言，須結合感測系統的最低靜態電流，以及功率擴大器的高功率效能；另一方面，內部線路須降低電流用量，以延長電池電力。因此，挑選耐用材質與元件以及高效的裝置和功率架構十分重要，而系統單晶片 (SoC) 若搭配超低功率降壓轉換器、降低供應電壓，可進一步減少電流用量。

無線傳輸的峰值功率除了低 IQ 之外，感測器須將蒐集或處理後的資料傳至基地台；例如，公寓大樓的智慧瓦斯感測器就常使用地方資料集中器。資料傳輸所需能源多寡，取決於距離及射頻協定，常見標準為無線量測匯流排 (wM-Bus) 或全球行動通訊系統 (GSM)。為滿足上述脈衝負載型運作，需有新式電源管理思維。

由於電池無法提供所需電流，勢必得在無線電未運作時儲存能源，讓電池的負載峰值耦合，才能在運作時使用；而儲存電容因為能源密度高、電容大，是絕佳的緩衝能源媒介。使用切換式電源供應器 (SMPS) 時，電容可藉由電池以外的各種電壓充電 (即便在電流受限的運作情況亦可達成)，再定義電池的負載電流。

延伸閱讀：《物聯網長效期無線感測器需要超低功率架構》
http://www.compotechasia.com/a/ji___yo…/2016/0122/31028.html
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