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零組件科技論壇─「電池能源管理與新一代電池技術」研討會實錄
 

【作者: 籃貫銘】   2006年12月25日 星期一

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「開源節流」是我們管理財富的原則。不僅要減低支出,更要增加收入,以期在有限的時間內,大幅增加所得。同樣的原則更適用在電源解決方案上,一方面消極的降低電池電源的損耗率,另一方面則是要積極的開發更新、更長效的新能源,同時兼具環保的概念。


於此,零組件科技論壇特舉辦「電池能源管理與新一代電池技術」研討會,針對目前電池能源管理的趨勢與技術做探討,並邀請學術界的先進把目前最具潛力的幾項新興能源應用與學員分享,以下便是研討會的精采節錄。


可攜式裝置電源管理技術現況及前瞻

以電壓調變節省電池能源

電池可說是可攜式裝置的心臟,若無能源運作,即便具備通天的功能,也是英雄無用武之地。因此如何降低電池的損耗,以延長電池的使用時間,就成了可攜式電源管理的一大主題。美國國家半導體(National Semiconductor, NS)系統應用部門經理負責可攜式電源管理的Juha Pennanen指出,使用者在可攜式裝置的電源使用上最關心的有,更長的電池壽命、容易充電、一致性及低成本,特別是在目前新電池技術的發展為能跟上市場速度,加上高階裝置的應用,又使得電耗加速。


《圖一 美國國家半導體系統應用部可攜式電源管理部門經理Juha Pennanen》
《圖一 美國國家半導體系統應用部可攜式電源管理部門經理Juha Pennanen》

Juha Pennanen表示,根據2005年高階平台的電源損耗應用分配表顯示,30﹪的電耗應用於基頻裝置、RF以及放大器裝置,20﹪於應用裝置的處理器,20﹪為記憶體,其餘平均分配在顯示背光、音效解譯及其他輸出入裝置上。他指出,有高達30﹪以上的電源是用在系統晶片上,某些甚至需要更多的電源。至於解決的方式他則認為採用一整套可授權的IP和晶片組是很好的選擇,例如﹕CPU/DSP啟動和待機的電源控制、電源管理的控制介面技術,及數位電壓控制等可以獲得有效率的處理。


而在電源轉換的設計趨勢上,目前在系統層級的設計朝向DC-DC的轉換設計,採用體積小而經濟的CAP轉換,並且使用多模(PFM,PWM,Hybrids等)轉換的形式。解決方案的體積則趨向使用越來越小的外部電容器和誘導器,具備DC-DC的CAP轉換,同時擁有更高的運作頻率。效能上,朝向越來越低的誤差值(Tolerance,±1﹪),改進瞬變電流的效能,減低干擾(Ripple),產生更高的輸出電壓。至於系統整合上,控制匯流(I2C,PWI,SPI),使用DVFS (Dynamic Voltage Frequency Scaling,動態電壓頻率調整)及新的應用領域,如充電,都是目前的趨勢。


在有限的電力供應下,利用電壓的調變來節省電力則是目前最好的可行之道。Juha Pennanen認為使用AVS(Active Voltage Scaling,可適性電壓條變)技術,可獲得更多的優勢。因為AVS具備彈性的電力轉換、可減低電力漏損、而且對於高階SoC架構的產品有極佳的搭配性。


如何有效延長可攜式裝置電持續航力

更高的電力密度、更高階的整合、減少雜訊

《圖二 凌力爾特(Linear Technology)應用工程經理陳德賢》
《圖二 凌力爾特(Linear Technology)應用工程經理陳德賢》

由於目前的可攜式裝置設計已朝向多功機小來發展,因此在電池電力管理的挑戰也日益嚴峻。凌力爾特(Linear Technology)認為目前的電源設計有以下幾點挑戰:1. 單一鋰電池電力需負擔多重電壓的電路設計,2.高效能的需求,如更長的電池效力、低熱能的產生、更小的散熱空間設計,3.在整合設計內減少噪訊和電源輸入的干擾,4.在操作裝置及充電時可能使用不同的電力供應裝置,如:電池、整流器、USB等。


凌力爾特應用工程經理陳德賢表示,目前的市場趨勢是以達到更高的電力密度為目標,可將頻率切換提高至4MHz,使用ThinSOT封裝的2A電流切換,或採用QFN方案來針對未來不同特色的裝置;再者為更高階的整合設計,如在很小的元件內使用雙DC/DC設計;最後是低噪訊的設計,如:修正運作的頻率、多相運作減低輸入電流的干擾、在單一晶片內使用多頻譜的技術等。


至於電池電力應用的設計考量,陳德賢指出有以下的幾個重點:1.高效能需求是延長電池續航力設計時的基本前提,2.可攜式應用需要以更低的數據和更小的體積為製作標準,3.以最高效能的電力供應和最低設計數據需求為目標。在達成高效能的設計考量裡,有些電力會因為調節器所產生的熱能而損耗,因為沒有空間讓熱能釋放,也沒有路徑讓熱能從裝置中排出。再者,也有些電力會在調節器快速放電時流失,此種做法則是會造成電池壽命縮短。


而針對目前許多可攜式裝置皆採用 USB接頭為其充電來源的設計,凌力爾特也提出了解決方案。陳德賢表示,使用USB為其電源介面時有幾個設計考量,包括系統需具有自動轉換電力來源的設計、使用一個鋰電池直接對USB接口、要以USB端輸入的電力為充電基礎考量、全功能的充電器(須具備Prog、終端計時器、NTC輸入、可程式控制的充電電流、及熱調整器)。由於USB電源控制所遭遇的使用情況較為複雜,因此需仔細考量,並針對各個可能進行細部設計,如:電池被移除、電池損壞、電池已飽電、或部分電源使用一般插頭或USB等。


奈米鋰電池的技術剖析與應用

使用奈米材料的鋰電池具備高容量、高功率、高安全性的特色

《圖三 工業技術研究院鋰離子電池計畫經理陳金銘》
《圖三 工業技術研究院鋰離子電池計畫經理陳金銘》

人類對於可攜式裝置的能源需求不斷的升高,1990年時僅需要500w/hr,至2000年時提高至3,500w/hr,預計至2010年時將需要10,500w/hr才足夠因應當時的電力需求,如何達成這樣的電力供應則是目前電池研究的一大命題。也基於這樣的需求,二次電池的發明便因應而生,從最初的鎳鎘電池(Ni-Cd)、鎳錳(Ni-MH)電池,到現在主流的鋰離子(Li-ion)電池,二次電池不斷朝向更高電容、更輕、更薄的目標發展。其中採用奈米材料的鋰離子電池由於具有高容量、高功率、高安全性的特色更被廣泛運用在各式3C裝置上。


工研院鋰離子電池計畫經理陳金銘博士指出,鋰電池正極材料不但影響電池性能,也是決定電池安全性的重要因素。因此好的鋰離子電池正極材料,除了克電容量要高以外,最重要是材料熱穩定性佳,才能被應用於正極材料。鋰離子電池若以正極材料來區分,主要包括鋰鈷(LiCoO2)、鋰鎳鈷(LiNiCoO2)、鋰鎳(LiNiO2)及鋰錳(LiMn2O4)四大系統。雖然使用鋰鎳材料的電容量最高,但安全性差,目前無法使用;而鋰鈷材料價格昂貴,但電容量適中,目前已到達材料應用的極限;鋰錳材料最便宜,但電容量偏低且高溫循環壽命差,只有少量商品化電池使用;而鋰鎳鈷材料價格適中,電容量高,但由於安全性顧慮,目前只有少量商品化電池使用此類正極材料。


陳金銘表示,使用高容量奈米正、負極材料所組合的高容量奈米鋰電池,包括奈米複合負極材料與奈米結構鋰鎳鈷正極材料,其電池重量能量密度高達205Wh/Kg,循環壽命達400次以上,並具備優秀的安全性。未來隨著高容量奈米正、負極材料的技術漸漸成熟,奈米鋰電池性能將可提升至250Wh/Kg。


陳金銘特別指出,目前手機電池需求已經達到飽和,而在電動工具、電動自行車、電動機車、Cleaner及Shaver的鋰電池需求正不斷提高,預計至2013年高功率應用產品所創造的鋰電池新市場將達4.3億顆,約佔整體市場的15﹪。


燃料電池的終端裝置設計與應用

全球燃料電池系統產量累計達1.45萬台,主要的市場為可攜式電源與小型定置發電系統

《圖四 元智大學燃料電池中心副主任翁芳柏》
《圖四 元智大學燃料電池中心副主任翁芳柏》

基於能源與環境保護的考量,各種清潔能源科技的發展在本世紀顯得非常蓬勃。除了風力、太陽能、地熱、潮汐等發電技術的發展外,氫能科技(Hydrogen energy)為其中最具發展潛力的能源科技,特別是燃料電池(Fuel cell)技術已趨近商業化,可能成為二十一世紀最重要的能源科技之一。由於燃料電池的用途非常廣泛,因此無論政府或民間皆投入相當的經費進行研究,甚至未來也有可能取代目前的內燃機引擎。


元智大學燃料電池中心副主任翁芳柏指出,燃料電池具有高效率、低污染、免充電的特性,與資訊及生物科技並列為二十一世紀三大主要科技。再者,燃料電池的材料簡單、結構模組化,加上應用領域廣,不只能開創綠色科技產業,更能幫助國內傳統產業轉型為新興的高科技產業。他解釋燃料電池的發電原理是將燃料的化學能,透過電化反應直接轉換成電能,是利用氫及氧的化學反應,產生電流和水,而非燃燒反應。它所具備的基本元件包括:陰極、陽極、電解質和雙極版。


翁芳柏表示,目前的燃料電池種類共有:鹼性燃料電池(Alkaline Fuel Cell)、高分子電解質燃料電池(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell)、固態高分子電解質燃料電池(Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell)、質子交換膜燃料電池(Proton-Exchange-Membrane Fuel Cell)、直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell)、磷酸燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell)、熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell)、固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell)。


而在燃料電池的市場應用方面,翁芳柏指出,自1970年代開始就出現具有獨立發電功能的燃料電池系統,直至2005年底,全球的燃料電池系統產量已累計達1.45萬台,較前一年大幅成長32﹪,其主要的市場成長來自可攜式電源以及小型的發電系統;而全球燃料電池的市場預估上,預計至2010年時,全球的市場將可達到10億美元。而在可攜式的應用上,目前國際3C大廠皆有相關的開發計畫,尤其是日、韓以暨有的產業優勢,加上政府政策的支持,未來在微型燃料電池市場上將佔有一席之地,因此國內的廠商必須加緊腳步,儘早掌握優勢。


太陽能電池的終端設計與導入關鍵

太陽能光電產業自2000年之後快速成長,而2008年將是成長關鍵期

《圖五 工業技術研究院太陽能光電研究中心賴彥任》
《圖五 工業技術研究院太陽能光電研究中心賴彥任》

太陽能光電在1990年以前可定位為萌芽期,而2000年至今為快速成長期。由於德國在2000年時通過再生能源法,並於2004年修訂,因其優惠條件使得太陽能光電市場出現爆炸性的成長,並導致供需失衡,連帶價格也開始上漲;再加上高油價和日本京都協定的制定,迫使更多國家推動相關的法案,其中以美國的加州能源法案最受注目,但也使得原本失衡的市場更加惡化。短時間內,市場供需失衡的狀況將無法改善,原料問題(如﹕多晶矽的短缺)至少要到2008才可能會回穩。


工研院太陽能光電研究中心賴彥任指出,由於太陽能光電的價格高,必須要大幅降低成本才有助於普及。


賴彥任表示,太陽能電池的種類甚多,其中以結晶矽(單晶與多晶)為主流,約有90﹪的市佔率。而不同種類的太陽能電池應用的定位也不同,砷化鎵(Ⅲ-V族)具有高效率,但成本高,主要為太空應用;結晶矽(單晶、多晶、HIT)的效率普通,但價格適中,主要用於地面發電;非晶矽的效率低,但成本也低,主要應用於消費性電子(如﹕計算機);而微晶/非晶矽薄膜在矽原料缺貨的情況下,為目前極受注目的明日之星。


在太陽能發電系統共有獨立型/併聯電力型調節器、充電器等是目前市場上較常見的產品,若依功能來區分,則可分為獨立型系統、市電併聯型系統、及混合型系統(獨立型+併聯型、太陽能光電+其他發電設備)。賴彥任對此加以說明,他指出,獨立型的太陽光電系統適合在市電無法到達的地方架設,白天可進行PV發電蓄電,晚上則以蓄電進行供電,優點是不受市電影響,缺點則為發電效率低;併聯型的發電系統則適合在市電可到達的地方,白天PV系統併聯發電,為電力網上的發電機,優點是系統簡單且效率高,缺點是停電時無緊急供電作用。


賴彥任也提到生產太陽能模組必須獲得認證,若未經認證,所做的保證沒有根據,也沒有意義。若廠商想進軍太陽能市場必定要在認證獲取上多加著墨。


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