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就是隨時要充電(下)

本文作者：陳乃塘點擊： 2012-10-24 10:55

前言：

現代人的生活，是個行動運算的時代；也就是游牧族( Normatic)的世紀。攜帶式裝置充斥在媒體與您的公事包中，然而，不管什麼電子裝置，一定跑不了”用電”。無論半導體製程再怎麼厲害，再怎麼省電；多有力的電池總有耗盡電力的時候；這時候，它需要充電。接觸式還是非接觸式?反正，民之所欲就是『快速充電、隨時充電』。未來可以說是急速X非接觸的世界 X 行動電池 ，也說不定。

電動車的展開：

若如前面所言，急速充電X 非接觸式充電，可能改變了產業機器與電動車的設計。具體的說，無人搬送機、產業機器人等產業裝置，下一個世代的路面電車/巴士/業務車等定期路線的電動車，該是扮演著非接觸式充電的牽引角色。所衍生出來的好處就是充電作業的安全性提高以及省略了時間。

而電動車之非接觸式充電技術，比較受矚目的該是共鳴方式。Intel與MIT多曾經發表使用磁場結合的共鳴。這個技術可以讓行使中的車輛，有充電的可能性。

不過，當時的傳送效率僅有40%，還有很大的空間要走。

倒是有新的共鳴方式之非接觸式充電技術浮上了檯面。那就是竹中工務店所開發的「電場結合之共鳴」技術。這個技術沒有電磁誘導方式異物侵入與電磁波的問題；但是在送電側與接收電側，必須密切挨近。而且這個技術不使用鐵氧體(Ferrite)以及編織線(litz wire)線圈，機器的重量以及成本面有利。若是輸出較大的機器，加大接觸的面積就可以對應。若是與直流給電系統互相組合，對於產業機器人、建設機器、醫療機器甚至家電製品，有機會做到電力供給與充電。若是朝向電動車的應用，在停車場停車時，即可透過地面升起支臂與電動車接觸，實現急速充電。

竹中工務店所開發的電場結合共鳴給電系統，可以分成串列共振以及並列共振兩大類。串列共振的優點是構造簡單，並列共振的好處是即使施加電壓較低，也可以有效率地來送電。無論是串列共振還是並行共振的場合，傳送效率的目標值皆是定在95%。

<<< 電場結合的原理。取自NE。>>>

串列共振已經完成100W燈泡的電力傳送實驗，初步的傳送效率約90%；頻率約600KHz，接觸部份的絕緣膜300um。為了讓一次側與二次側密著接觸，在二次側的接觸部分，鋪設有導電性的矽(silicon)薄片。串列共振方式的優點是電路構造簡單，即使接合容量變化的場合，改變驅動頻率即可對應；然而，施加電壓較高的傾向。

<<< 串列共振的電力供給。取自Takenaka。>>>

並列共振的電路構造複雜，透過反覆模擬檢討，證實即使接合容量減少的場合，也能夠有效率地送電；輸出較高的場合也可以將施加電壓抑制在較低的狀況。

現實上，使用鋰離子充電電池的急速充電產品是存在的，那就是『電動工具』。電動工具導入了鋰離子充電電池，約是在2004~2005年的時候，爾後數年成長的很快。美國人對於電動工具有個刻板的印象，本體或電池包越大越重，驅動時間較長。然而，鋰離子充電電池電動工具的登場，遂改變了消費者的認知。即使輕重量也可以有力的來長時驅動；就算電池沒電也可以立刻充電。依照Makita的說法，除了處處以價格決勝負的新興國家市場之外，其他地區都切換到鋰離子充電電池。而且該公司的鋰離子充電電池的電動工具業績，年年倍增。

<<< 鋰離子充電電池的電動工具。取自Makita。>>>

Makita的電動工具，1.3Ah的電池包在15分鐘即可100%急速充電(3Ah的製品約為22分鐘)。若是80%的充電，1.3Ah的電池包僅須9分鐘。回想，若是採用鎳氫電池的場合，可能需要60分鐘；這個充電時間短縮讓鋰離子電池更富魅力。

Makita所開發的急速充電器並非一般攜帶式裝置的主流方式 ─ 定電壓定電流CCCV(Constant current constant voltage)；而是採用了一邊溫度檢測一邊改變電流值的獨自充電方式。而且在充電中的電池包中搭載了空冷用途的風扇。為了確保充電的安全性，搭載了8位元微電腦，管理溫度以及充放電的履歷。

電動工具的啟示錄，無妨視為電動車普及的最大武器。電動車的弱點之一即是每回充電的續航距離短，若是搭配組合急速充電，缺點不會那麼明顯而是麻煩；所以充電架構建設有它的背景存在。以色列、丹麥、澳洲、加拿大等積極準備充電架構自有其用意。

那急速充電在怎樣的數字會是好地帶呢？NEC的觀點，若是五分鐘可以達到80%便相當足夠；成本面以及長壽命化更應該重視。電池成本依然還是電動車普及的障礙之一，解決之路無非提高能量密度讓單位容量成本降低的手法。但是這也並非一朝一夕可以實現。來看一個事實，鋰離子充電電池實用化之後20餘年來，朝向更高容量材料系，甚少看到；開發難度高。當然，前面所提電池的二度利用與補助金有助於成本的壓低；這點又牽扯到另一個必須開發出的要素，那就是電池工程人員所說的”電池壽命正確的診斷”。一個簡易的精度診斷方法，才能正確地反映出二次利用電池的實在價格。

至於針對電動車的急速充電器，早就已經販售。就舉東京電力與Hasetec合作開發的最高輸出品50kW為例子，直流輸出最高電壓約500V，最大電流125A。若是對三菱的iMiEV，約25分鐘；富士重工業的電動車則約15分鐘，就可以達到店持容量的80%。如此大電壓高電流在安全性的處理當然忽視不得。在接續時要確保絕緣測試以及漏電問題確認之後，才可以開始充電。

<<< 電動車專用50kW急速充電器。取自Hasetec。>>>

也有廠商實驗以多台角小型充電站對電動車進行所謂的『並行充電』；此中方式的實用性還有待觀察。

在非接觸式充電方面，昭和飛機工業完成1K~150kW等級的系統，係電磁誘導型。該機構就非常看好磁場共鳴結合的方式，認為在2050年之前，汽車在高速道路上行駛時，也能充電。

<<< 30kW- 60kW -150kW線圈。取自昭和飛機工業。>>>

<<< 昭和飛機工業的非接觸式供電系統。>>>

攜帶式機器的展開 – 手機帶來開發的競爭

智慧型手機、數位相機以及筆電，乃是當代人的新神器。或許它們也一樣會面臨到急速充電以及非接觸式充電的衝擊。只不過就需求性來說，急速充電不及電動車那麼殷切。在順序上，非接觸式充電也許會先走一步。其實，韓國三星很早就與BMW Korea合作，在BMW Series 7上導入「T OMNIA」非接觸式充電的機能。

那就先從非接觸式充電的細節來說起。

既有的世界，刮鬍刀與電動刷牙老早已經導入了「近接電磁誘導型」的手法。而針對攜帶式裝置提供了非接觸式充電元件的廠商，列出來也一大串；主流技術還是「近接電磁誘導型」的方案；鏡爭的有力方式乃是「磁場共鳴型」；前者的供應商分別有TI、Powermat、Mojo Mobility、Fulton Innovation、Panasonic、Seiko Epson、明日香、東光等；而後者方案的主力則是Qualcomm以及WiTricity。

就手機的非接觸式充電模組來看，Seiko Epson可以說是相當積極；近幾年所取得的相關連專利數量相當可觀；為了在現賴姓以及安全性的確保，對於各國手機搭載的必要法令徹底做了準備因應。其率先開始出貨的模組是2.5W(5V、500mA給電)的方案。若是針對一些標準手機所搭載的800mA充電電池來說，約一小時30分鐘即可充滿。(對於高功能的智慧型手機或是平板，顯得不足)。

不過，該模組方案對於防止錯誤金屬充電的檢測機能、溫度的檢測功能以及ID認識機能多有所具備。電磁誘導線圈之間的給電效率超過90%；然而若是考量到安全電路以及認證電路的存在，實效的給電效率約在70%的程度。若是非接觸式充電系統還可能有資料通信，那就需要取得FCC聯邦委員會的認定許可。

<<< Seiko Epson的製品。右下角的製品有FCC認定編號。取自Nikkei。>>>

與Seiko Epson採用接近的電磁誘導型手法的另一個受矚目廠商，即是美商Fulton Innovation LLC。這是因為該公司的非接觸式充電技術「eCoupled」，應用於淨水器的商用品銷售數量，早就超過300萬台的成績。更是在2008/5公開要買下了另一個在此業界頗為知名的英商Splashpower，取得針對攜帶式產品非接觸式充電的相關技術資產。明顯地，志向與野心朝向了手機暨數位家電。

<<< 「eCoupled」在CES 2012的驚人展示。>>>

也差不多在這個時候，廠商見的商機該是要點燃的時刻。2008/12，美商TI以及荷蘭商飛利浦等規模大公司成立了一個WPC(Wireless Power Consortium)的非接觸式充電之業界組織。聽說，WPC所策定的標準規格，就活用了Fulton公司的不少技術資產。WPC旗下有手機電源控制IC大廠TI與國際半導體；還有鋰離子充電電池的大廠三洋電機(已被Panasonic併購)的加盟。

<<< WPC的成員。>>>

Fulton Innovation的非接觸式充電技術「eCoupled」，特徵在於充電台上設置了電磁誘導線圈(一次端)，而在攜帶裝置所搭載的線圈(二次側)，即使位置有點偏移，給電仍能維持高效率。其對策遽聞是在電磁誘導的交流頻率能夠適應性的變更調整。頻率在100KHz近旁，從現圈中心線平面方向12.5mm、高度方向5mm，依然有80%的給電效率。

若是要在智慧型手機內部導入非接觸式充電，勢必要面臨兩大課題：薄型化以及成本降低的基本課題。就成本面來說，結合充電台以及機器端的模組費用，可能約在美金十幾元(15~20$)的程度；離不開電子產品的宿命，降低到個位數，尤其是裝置端的費用非常敏感。

另一個課題就是模組的厚度。以先跑量產的廠商在裝置端的模組來說，厚度約在2mm的程度。而手機業者的期望是越薄越好，0.5mm~1mm是可以接受的範圍。我們來看一看這一場薄型化的競爭。Panasonic所試作非接觸式充電用線圈，抑制在1mm的程度。為了線圈的薄式成形，必須採用極細的線材。然而，越細的線材，電氣阻抗會增加，電力損失也越大，這是一定要克服的課題。Panasonic的對策是從線材捲繞的方法下工夫。將多數的線扭在一起，也就是所謂地「編織線」，這個導入的手法係Panasonic獨門功夫。線材的直徑究竟是多少，也是該公司的機密，對外不公開。依據Panasonic的實驗，採用更細的線材，在絞合多下一點工夫，0.5mm厚度的線圈也是可以做成的。即使再薄，送電效率特性也還維持。

而有的廠商更向極致來挑戰。以坐落於大阪的明日香Electron來說，該公司所開發的模組，包含電池誘導線圈、屏蔽(shield) 樹脂，竟然實現到0.5mm的超高水準表現。為了實現這個驚人的薄型化，線材的選用是非常非常的細。明日香這個線圈的特徵不僅於薄，它的形狀也異常迥異，不是圓形而是方形線圈。放熱性優異。該公司賦予了「Square Coil」的稱號。由於是方形的緣故，電磁誘導時的偏移容許範圍空間較大；同時，給電時的放熱也相對容易，可以降低溫度的上升。

根據該公司的說辭，使用「Square Coil」的場合，溫度上升僅是傳統給電方式的二分之一。使用該公司線圈的非接觸式充電模組，在2~2.5W的給電場合，效率約是70%。

<<< 方形線圈放熱性優。>>>

而針對薄型化的另一門工夫，是在線路板上採用印刷技術作成的手法。比如美商Mojo Mobility，如此實現電磁誘導線圈的捲線材料就不需要了。0.2mm的厚度已經可以實現，邁向0.1mm的目標。至於給電效率，該公司表明與傳統線圈約是相等的程度。5W以下的場合，約75%的程度；更高電力的場合，向上看80%。由於是在基板上採用印刷的方式，線圈材料的費用約在5美元，若是加上1~2美元控制IC的費用；總體費用還是有其吸引力。

<<< Mojo Mobility的印刷技術手法。>>>

當電磁誘導線圈在進行薄型化以及元件成本競爭之時，還有一個江湖狠角色以不同的招式來切入；那就是手機晶片大廠Qualcomm，該公司所開發的「eZone」技術乃是運用了磁場共鳴的方式。「eZone」是在充電台以及攜帶式裝置的兩端設置有天線，利用此來供給電力。若是來觀察Qualcomm所試作的大型充電台，同時最多可以對五台裝置充電。採用的頻率很有意思，就是非接觸式IC卡NFC所運用的13.56MHz，平均買台裝置的電力供給約2.5W~3W。對於一般型的手機來說，與USB充電差不多，約1.5~2小時就可以充滿電。不過，「eZone」受到高度關注的地方並不在電力，而是充電台內部線圈與裝置端線圈無須位置對齊；這一點對於使用者具有高度的便利性與自由度。

當然，談到共鳴的手法；每個人都知道MIT曾經成功地展示約2米的距離以無線傳送電力來點亮60W的燈泡。該計畫負責人即以MIT的技術創立WiTricity。這一家公司的動向實在忽略不得。

<<< 名聞天下的MIT展示，磁場共鳴方式無線傳送電力。>>>

其次，來談『急速充電』的議題。

鋰離子充電電池可否急速來充電呢？看來答案該是微笑的。以村田製作所開發中的電池，若是使用15W程度的大電力充電系統，十分程度的急速充電很有希望。由於該公司在陶瓷電容加工技術上的累積密技，運用於鋰離子充電電池的製造上。正極材料從一般的LiCoO2變更為LiMnO4。負極材料採用了非結晶系的石墨(Graphite)。

急速充電是為了要縮短時間，然而，電路的發熱以及電源電路的規模大型化乃是廠商要去克服的難題。

村田製作所所瞄準的對象是手機。而美商Boston-Power則是針對筆電。該公司於2009/3所量產的急速充電鋰離子充電電池；若是充電10分鐘，40%；充電30分鐘，80%；(2C充電的場合)。即使充放電1000回合之後，還維持有80%的容量。

聽說HP的筆電有採用。電池的產品名稱是「Sonata」，容量為4400mAh的電池單元。代表性的圓筒型電池，相當於兩個18650橫在擺在一起，構成了橢圓形的外型。

依據Boston-Power的說法，考量到急速充電以及充放電週期的壽命提高；封裝的柔軟度下了工夫。一般來說，鋰離子充電電池在充放電時，體積容易膨脹。負極的碳素材料出入鋰離子之際，可能會變化電極材料的體積。而Boston-Power電池單元的封裝採用了鋁製的材料；封裝本身有收縮的能力。傳統的鋰離子充電電池之封裝非常堅硬，體積膨脹之際會變化電極的構造，而遭致了容量的降低。而Boston-Power的訴求點就是電極的構造很不容易變化，即使多次反覆充放電，容量也不滑落。

結語：

90年代初鋰離子充電電池量產至今，稱的上大突破的該是能量密度的逐步攀升。隨著新世代充電概念的來到，可能會帶來『電池製造技術』、『電池材料技術』以及『電池週邊技術』的將來。