新型充电技术 改善电池效能及寿命

1、新型充电技术改善电池效能及寿命彰化师范大学电能转换实验室研究助理朱能亿说，现在电池的运用范围十分广泛，如在UPS或再生能源(风力、太阳能)装置上作为能量储存的设备，或是在各项行动运算通讯装置(如手机、平板计算机、笔记型计算机)、交通工具上作为主要电子零组件运行所需的动力来源。而在电池材质种类上更可分为铅酸、镍镉、镍氢及锂离子等，并在工作电压、重量密度、制造成本/工序、适用温度与规格、使用寿命等项目上都各自有其优缺点，让设备厂商可依设计的产品进行选择. 举例来说，铅酸电池因具有容易制造、成本低廉、瞬间放电率高、规格及适用温度范围广、能量密度低、小于500mAh的规格不易制造，长时间处于

2、放电状态会导致不可逆的电极极化现象等特性，使其多半作为UPS与再生能源的能量储存设备，而锂离子电池则是有能量密度与工作电压均高、无记忆效应、自放电率低等优点，虽然其成本与内部电阻偏高，又有大电流取出不易的问题，但仍极适合于一般的行动通讯及运算装置使用，也使得锂电池成为现在消费性行动通讯电子产品上常见的电源。 对于该类产品的消费者来说，当然都会希望所使用的电池待机时间与使用寿命要够长，而充电速度则是越快越好。因此对于各种独立设备的制造业者而言，如何改善电池的充电效率、增加电池的使用寿命及储电容量，并让待机时间能相对获得延长，亦是极需关注的重要议题。不过现在业者多半是在电子零组件的设计上

3、着墨，在产品上实际改善电池充电效率的解决方案很少。朱能亿说：事实上，如果方法得宜，好的电池充电方式可以提高设备至少510%的效率。 解析电池设计架构 寻找最佳充电方案特别要说明的是，电池本身是一种化学能的储存容器，而非电子零件，因此要改善电池的充电效率，只需从化学反应的角度着手，无需更动现有的电池架构与设计。朱能亿表示：电池充电就是将外部电能转换成内部化学能后储存的过程。不过在实务作业上，为了稳定电池的工作状态，通常在其结构上会装设有保护电阻及2个MOS组件，以便分别将其充电与放电电流的大小控制在一定范围。这也使得电池不再仅是单纯的电容，在充电过程中必须要有额外的考虑，才能提升其转换

4、效率。 朱能亿强调：电能无法100%转换成化学能，一定会有部分转成热能的型态散逸。因此传统电池充电多半是采用慢充的方式，以长时间的小电流对电池持续充电，藉以减少热能产生。相反地，如果使用大电流进行快充，虽然电池的充电时间可缩短，但也会产生大量热能的问题，并且缩短电池的使用寿命。不过随着现在充电技术的进步，已经有不少单位开始利用fuzzy与类神经网络等技术，进行充电电流智能型控制的研究，以便在不同的电池状况及需求下，找出最佳的充电办法。 以被学术界验证过，确实可以增加电池充电效率的脉冲充电(Pulse Charger)为例子，便是以脉冲电流的方式对电池进行充电。电池内只有在电

5、极周围的电解液才会进行化学反应，而电解液的浓度并非均匀一致，使得充电效率难以获得提升。朱能亿说，由于脉冲充电会每隔一段时间才对电池进行充电，因此电池可得到一些休息的时间，让电解液浓度能透过扩散作用而变得更为均匀。不过这中间要间隔多久，以何种频率进行脉冲充电，才能达到最佳的充电效率呢？ 变频式脉冲充电系统 让充电效率倍增朱能亿说：电池不是纯粹的电容结构，其电阻、电容等数值都会随着电池老化程度而产生变化，并非恒为固定值。因此有研究单位提出变频式脉冲充电系统(Frequency-Varied battery Pulse Charge System；VFPCS)，将脉冲充电频率由低频至高频都

6、执行过1次，并从中找出拥有最大电流的频率，以此频率进行后续充电。这表示在这个频率下，电池的阻抗最低，不会将太多的电能转换成热能。尔后再经过一段时间，系统会再执行此过程1次，以重新寻找最佳的充电频率。 根据朱能亿于研讨会上所提供的数据显示，对同一颗电池分别以一般的CC-CV、FFPCS 100MHz、FFPCS 1KHz及VFPCS等4种充电方法进行充电，CC-CV充饱电池需要160分钟，FFPCS 100MHz与FFPCS 1KHz接近140分钟左右，而VFPCS则仅需120分钟。可见VFPCS的充电效率要比其它方式更佳，与一般充电方式相较，更足足有40分钟的差距。 除了频

7、率之外，也有单位尝试改变电流弦波(Duty)，调整脉冲充电工作的宽度，让更多、更大范围的电解液能在同一时间进行化学反应，这种充电方式称之为变弦式脉冲充电系统(Duty-Varied battery Pulse Charge System；DVVPCS)。朱能亿打了一个比方：电解液就像糖水一样，而充电就像倒糖下去，只有在浓度均匀时，电解液才有机会达到其最佳饱和度，并储存最大的电能。至于寻找最佳弦波的过程，也与上述寻找最佳频率的方式类同。 依据试验的结果，对同一颗电池分别以一般的CC-CV、50% Duty的DFVPCS及DVVPCS等3种充电方法进行充电，CC-CV充饱电池需要221分

8、钟，50% Duty的DFVPCS为200分钟，DVVPCS则仅需190分钟。而且所需充入的电量也以DVVPCS最低(590mAh)、50% Duty的DFVPCS次之(599mAh)、CC-CV最高(611mAh)。其中差距的电能，是被电池中的组件转化成热能消耗掉了。而电池越发热，其使用寿命也就越短。 彰师大电能转换实验室 拥有多项电能专利技术另外还有其它增加充电效能的方式，以彰化师范大学所开发的PLL Pulse Charger为例子，即是另外设计回路追踪电池的最佳频率，并在Frequency-tracking、Phase-tracking及Phase-locked等阶段分别采用

9、Bulk电流、Pulsed电流与Pulsed float充电。依其实验计算，所需输入的电力为678mAh，而可用电力为645mAh，充电效率可达95.1%，而同一颗电池PLBC所需输入的电力为644h，可用电力为603mAh，充电效率仅为93.6%。 Reflex with Energy Recovery则是另一个方法。这是在充电脉冲之外，再增加一个较短的放电脉冲，以便改变过去极板凹凸不平的现象，让电解液的浓度更为均匀。朱能亿说，此方式可以降低摄氏0.4度的电池工作温度，有效减少5.5%的热能产生，并且改善充电效率为10%，加快8.8%的充电速度。至于Sinusoidal current charger则是改以Sinusoidal电流，并寻找有最低阻抗值频率的位置充电，依其实验数据，Sinusoidal current charger的充电效率为98.9%，同一颗电池采CC-CV方式则仅为97.1%。更重要的一点，在使用1,000次之后，采用Sinusoidal current charger的电池电能容量仍有原来的93.38%，而CC-CV则已降至89.9%。 彰化师范大学电能转换实验室的研究范围主要以电能处理及应用为核心，其相关研究项目包括再生能源开发应用、电池储能系统、风力与太阳能最大功率追迹技术、市电并联