新型充電技術 改善電池效能及夀命

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DIGITIMES企劃 彰化師範大學電能轉換實驗室研究助理朱能億說，現在電池的運用範圍十分廣泛，如在UPS或再生能源(風力、太陽能)裝置上作為能量儲存的設備，或是在各項行動運算通訊裝置(如手機、平板電腦、筆記型電腦)、交通工具上作為主要電子零組件運行所需的動力來源。而在電池材質種類上更可分為鉛酸、鎳鎘、鎳氫及鋰離子等，並在工作電壓、重量密度、製造成本/工序、適用溫度與規格、使用壽命…等項目上都各自有其優缺點，讓設備廠商可依設計的產品進行選擇...

舉例來說，鉛酸電池因具有容易製造、成本低廉、瞬間放電率高、規格及適用溫度範圍廣、能量密度低、小於500mAh的規格不易製造，長時間處於放電狀態會導致不可逆的電極極化現象…等特性，使其多半作為UPS與再生能源的能量儲存設備，而鋰離子電池則是有能量密度與工作電壓均高、無記憶效應、自放電率低…等優點，雖然其成本與內部電阻偏高，又有大電流取出不易的問題，但仍極適合於一般的行動通訊及運算裝置使用，也使得鋰電池成為現在消費性行動通訊電子產品上常見的電源。

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彰化師大電能轉換實驗室　朱能億
對於該類產品的消費者來說，當然都會希望所使用的電池待機時間與使用壽命要夠長，而充電速度則是越快越好。因此對於各種獨立設備的製造業者而言，如何改善電池的充電效率、增加電池的使用壽命及儲電容量，並讓待機時間能相對獲得延長，亦是極需關注的重要議題。「不過現在業者多半是在電子零組件的設計上著墨，在產品上實際改善電池充電效率的解決方案很少。」朱能億說：「事實上，如果方法得宜，好的電池充電方式可以提高設備至少5~10%的效率。」


解析電池設計架構 尋找最佳充電方案

特別要說明的是，電池本身是一種化學能的儲存容器，而非電子零件，因此要改善電池的充電效率，只需從化學反應的角度著手，無需更動現有的電池架構與設計。朱能億表示：「電池充電就是將外部電能轉換成內部化學能後儲存的過程。」不過在實務作業上，為了穩定電池的工作狀態，通常在其結構上會裝設有保護電阻及2個MOS元件，以便分別將其充電與放電電流的大小控制在一定範圍。「這也使得電池不再僅是單純的電容，在充電過程中必須要有額外的考量，才能提升其轉換效率。」

朱能億強調：「電能無法100%轉換成化學能，一定會有部分轉成熱能的型態散逸。」因此傳統電池充電多半是採用慢充的方式，以長時間的小電流對電池持續充電，藉以減少熱能產生。相反地，如果使用大電流進行快充，雖然電池的充電時間可縮短，但也會產生大量熱能的問題，並且縮短電池的使用壽命。不過隨著現在充電技術的進步，已經有不少單位開始利用fuzzy與類神經網路…等技術，進行充電電流智慧型控制的研究，以便在不同的電池狀況及需求下，找出最佳的充電辦法。

以被學術界驗證過，確實可以增加電池充電效率的脈衝充電(Pulse Charger)為例子，便是以脈衝電流的方式對電池進行充電。「電池內只有在電極周圍的電解液才會進行化學反應，而電解液的濃度並非均勻一致，使得充電效率難以獲得提升。」朱能億說，由於脈衝充電會每隔一段時間才對電池進行充電，因此電池可得到一些休息的時間，讓電解液濃度能透過擴散作用而變得更為均勻。「不過這中間要間隔多久，以何種頻率進行脈衝充電，才能達到最佳的充電效率呢？」


變頻式脈衝充電系統 讓充電效率倍增

朱能億說：「電池不是純粹的電容結構，其電阻、電容…等數值都會隨著電池老化程度而產生變化，並非恆為固定值。」因此有研究單位提出變頻式脈衝充電系統(Frequency-Varied battery Pulse Charge System；VFPCS)，將脈衝充電頻率由低頻至高頻都執行過1次，並從中找出擁有最大電流的頻率，以此頻率進行後續充電。「這表示在這個頻率下，電池的阻抗最低，不會將太多的電能轉換成熱能。」爾後再經過一段時間，系統會再執行此過程1次，以重新尋找最佳的充電頻率。

根據朱能億於研討會上所提供的資料顯示，對同一顆電池分別以一般的CC-CV、FFPCS 100MHz、FFPCS 1KHz及VFPCS…等4種充電方法進行充電，CC-CV充飽電池需要160分鐘，FFPCS 100MHz與FFPCS 1KHz接近140分鐘左右，而VFPCS則僅需120分鐘。「可見VFPCS的充電效率要比其他方式更佳，與一般充電方式相較，更足足有40分鐘的差距。」

除了頻率之外，也有單位嘗試改變電流弦波(Duty)，調整脈衝充電工作的寬度，讓更多、更大範圍的電解液能在同一時間進行化學反應，這種充電方式稱之為變弦式脈衝充電系統(Duty-Varied battery Pulse Charge System；DVVPCS)。朱能億打了一個比方：電解液就像糖水一樣，而充電就像倒糖下去，只有在濃度均勻時，電解液才有機會達到其最佳飽和度，並儲存最大的電能。至於尋找最佳弦波的過程，也與上述尋找最佳頻率的方式類同。

依據試驗的結果，對同一顆電池分別以一般的CC-CV、50% Duty的DFVPCS及DVVPCS…等3種充電方法進行充電，CC-CV充飽電池需要221分鐘，50% Duty的DFVPCS為200分鐘，DVVPCS則僅需190分鐘。而且所需充入的電量也以DVVPCS最低(590mAh)、50% Duty的DFVPCS次之(599mAh)、CC-CV最高(611mAh)。「其中差距的電能，是被電池中的元件轉化成熱能消耗掉了。」而電池越發熱，其使用壽命也就越短。


彰師大電能轉換實驗室 擁有多項電能專利技術

另外還有其他增加充電效能的方式，以彰化師範大學所開發的PLL Pulse Charger為例子，即是另外設計迴路追蹤電池的最佳頻率，並在Frequency-tracking、Phase-tracking及Phase-locked等階段分別採用Bulk電流、Pulsed電流與Pulsed float充電。依其實驗計算，所需輸入的電力為678mAh，而可用電力為645mAh，充電效率可達95.1%，而同一顆電池PLBC所需輸入的電力為644h，可用電力為603mAh，充電效率僅為93.6%。

Reflex with Energy Recovery則是另一個方法。「這是在充電脈衝之外，再增加一個較短的放電脈衝，以便改變過去極板凹凸不平的現象，讓電解液的濃度更為均勻。」朱能億說，此方式可以降低攝氏0.4度的電池工作溫度，有效減少5.5%的熱能產生，並且改善充電效率為10%，加快8.8%的充電速度。至於Sinusoidal current charger則是改以Sinusoidal電流，並尋找有最低阻抗值頻率的位置充電，依其實驗數據，Sinusoidal current charger的充電效率為98.9%，同一顆電池採CC-CV方式則僅為97.1%。「更重要的一點，在使用1,000次之後，採用Sinusoidal current charger的電池電能容量仍有原來的93.38%，而CC-CV則已降至89.9%。」

彰化師範大學電能轉換實驗室的研究範圍主要以電能處理及應用為核心，其相關研究項目包括再生能源開發應用、電池儲能系統、風力與太陽能最大功率追跡技術、市電並聯技術、電能監控技術和各種電能轉換/應用…等範圍，目前除發展出Reflex雙向轉換器、電流幫浦式電池充電器、變頻式電池充電器、100奈秒級微放電加工放電迴路…等實體產品外，並擁有電池老化程度測量裝置與方法、預測式電池快速充電系統與方法、脈衝式電池供電裝置與方法、弦波電池充電器…等20餘項專利。


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