【技術&知識】能讓世界更乾淨的一項應用技術

文:Ericsson Hsia / TACT 研發中心研發部


  自1800年伏打先生發明第一個電池(鋅銀電池)至今,已有上百種樣式的產品問世,基本上電池可區分為拋棄式與充電式兩大類,這對現今攜帶式電子產品提供相當大的便利性,可惜的是一般使用的電池均含有重金屬成份,只是何人類還要繼續使用電池呢?原因就是它夠便宜。根據統計,光是台灣於2006年的電池使用量就有4億顆,而回收率僅僅12%;換句話說,約有3.5億顆廢電池因掩埋造成電解液流入大地或因焚燒因而造成嚴重的大氣污染等問題。

  光看台灣的電池消費量就已經夠嚇人的了,那全世界的使用量就更加可怕了。全世界年使用量超過100億顆,平均回收率一樣達不到兩成,也就是說有80億顆廢電池未處理!在這樣低的回收率以及高污染率的狀況之下,我們的地球還能撐多久?雖然全世界的衛生與環保單位不斷的呼籲與訂定限制相關法規希望能夠減少日益嚴重的污染問題,可是在利益與方便的魔力下,在未受到嚴厲的懲罰之前,人類是不可能覺醒而自動自發的去減少使用這些具污染性的電池。

  2005年底本人進入公司時即深刻的瞭解到這個嚴肅的課題,當時公司的70%員工使用無線滑鼠,而每個滑鼠使用兩顆AAA電池,假設每兩星期更換一次,那每個月就產生廢電池約200顆。如果事後這些廢電池沒有按規定回收的話,其洩漏的物質將可以污染200平方公尺的土地(相當於60坪的土地),雖然要 30000年才會將淡水鎮(70平方公里)整個都污染,但是只要1000家同樣的企業在30年內就有可能完成這項污染任務。

  當時的我想到有一種產品也許可以加以利用,那就是美蘇冷戰時期發明的一種可以快速充放電的大容量電容器叫作電子雙層電容(Electric double layer capacitor)俗稱超級電容或金電容,曾經上網搜詢是否有人曾經應用該零件用於無線滑鼠上取代電池的經驗,很遺憾搜尋的結果是還沒有人嚐試過,倒是有很多網友在討論超級電容應用於電動車上的文章;輾轉抓了一些換算公式經過驗算後發覺要完全取代電池的可能性很小,除非超級電容的耐壓增加到15V以上,或是蓄電量再增加10倍左右或是用在使用時間不長的電子產品上。如此一來,這種電子產品就可以使用超級電容來取代電池,也就是說可以在不需使用電池這玩意兒時,用超級電容來取代電池並提供電力給電子產品,其方法就是在要使用前的瞬間將超級電容充飽,然後經過一個升壓再穩壓的裝置後就可以提供電力給電子產品工作一段時間,例如:電動牙刷、電動刮鬍刀、電子玩具等等。因為這些電子產品都不需要長時間動作,僅需要在使用前快速充飽電就可以連續使用個10 ~ 20分鐘。

  是的,如果這一觀念能夠大力推廣的話,那現今的30%甚至於50%的電子產品都有可使用這種概念,如此一來全球每年將會少掉30億至50億顆的電池用量,這將是對全球的反污染行動的最佳範例。

  2006年中本部完成初步的驗證工作:

1. 超級電容主要是由活性碳組成的產品,經過SGS認證檢測無毒也無重金屬成份。
2. 25F/2.7V規格的超級電容有91.1焦耳,約26.1(mW/h),經過升壓與穩壓裝置(效率80%),還有20.88(mW/h)可用。
3. 充放電次數高達50萬次壽命,是Li-Ion電池的500倍,是Ni-MH和Ni-Cd電池的1000倍,如果對超級電容每天充放電24次,可連續使用達57年。
4. 溫度範圍寬-40℃~+70℃,一般電池是-20℃~60℃。
5. 電壓保持特性良好,漏電流極小。

  2007年初完成第一塊電路設計,計畫使用於市售的無線滑鼠上(見圖一)。

(圖一)

  使用25F/2.7V的超級電容兩顆,由USB充電一次約6分鐘完成,可連續使用30分鐘左右,文書作業約可使用到120分鐘,如果再多並聯一個超級電容將容量增加到100F,充電一次約可連續使用60分鐘。

超級電容容量(F) 充電時間(分) 連續使用時間(分) 文書作業使用時間(分)
50 6 45 120
75 9 68 180
100 12 90 240

(表一)

  (表一)可以看出使用時間與超級電容容量成正比關係,也與充電時間成正比。剛開始還擔心頻繁的充電動作可能會影響到使用品質,但使用幾天後發覺滑鼠不可能分分秒秒都在移動中,其間一定會有休息的時候,所以一天下來充電次數約在三至四次左右(每次充電3~5分鐘),這樣一來就根本感覺不到有何不方便。後續,本部於2007年中旬製作了5個改裝後的無線滑鼠給公司同仁測試,起初大家也都異口同聲說使用前還要先充電很麻煩,但是經大家使用過一週後的反應以及討論的結果,充電的動作並無想像中的麻煩,頓時本人信心指數飆升200%!

  公司在2007年9月中旬正式提出專利申請(公報於 2009/03/16),同年12月初繼續改良原型的電路設計看看是否能將80%的效率再增加一些;2008年3月電路改善後效率只提升到82%,顯然是已達到原型設計的瓶頸,經認真檢討後發覺也許是整隻無線滑鼠必須重新整體設計,如果只是改裝市售的無線滑鼠顯然無法再增加效率。

  所以,在2008年6月我繼續使用華矽生產的ATA1160,搭配MA6301的27.042MHz接收器ATA1160元件(見圖二)進行測試。同年8月,史上第一個不用電池僅靠超級電容供電的無線滑鼠終於誕生了!經過調試後,升壓及穩壓效率上升了5%來到87%,滑鼠節電效率上升25% 使得原本50F容量的超級電容從只能供電45分鐘,現在可以一口氣延長工作時間至61分鐘,不但充電設計迴路改善了不少,連帶的縮短了一些充電時間。 測試如下(表二):

(圖二)

超級電容容量(F) 充電時間(分) 連續使用時間(分) 文書作業使用時間(分)
50 5 61 240
75 10 90 360
100 15 120 480

(表二)


  2008年9月完成3套新設計的電路板(ATA1160)搭配一般市售滑鼠的外殼(因開發滑鼠外殼模具的預算有限)(見圖三),調整完成後就讓同事測試使用了一個月,評估結果如下 (表三)。

(圖三)

測試項目 尚可 不理想
充電等待時間    V
充電次數接受度    V
工作整理時間
V   
充電操作便利性

V

(表三)

  試用的結果不論是在充電等待過程或是充電次數的接受程度以及整體工作時間都反應良好。其中有幾項缺點是有時滑鼠會不太聽話(鼠標動作不精確),這項缺點經檢視後確定是因為市售滑鼠與PCB板的孔位無法正確配合,導致LENS與Optical Sensor無法準確對正,這會使得滑鼠的操控性變差;另一項缺點則是充電時的充電操作不夠方便,原因是要將充電端子插到滑鼠前端的插孔時不太容易對準,如果能考慮磁性端子或許能更加方便。2007年11月設計了一對磁性端子接頭(見圖四 、五)。。

(圖四) (圖五)

  2008年12月自大陸購得一批滑鼠外殼,旋即製作了5個擁有配合較正確的外殼的無線滑鼠(見圖六)。

(圖六)

  經過一個月的測試,所有測試結果都在尚可選項內,並無任何缺失或不理想情況出現。2009年1月華矽將ATA1160改版升級成ATA1168,更低的工作電壓並且將解析度增加到最高1000cpi,且元件減少了10%。更先進的省電技術在2009年3月改版完成(ATA1168) (見圖七)。

(圖七)

增加升壓效率與充電迴路保護設計,其續航力與充電時間測試結果如下(表三):

超級電容容量(F) 充電時間(分) 連續使用時間(分) 文書作業使用時間(分)
25 3 60 240
35 4 90 360
50 5 120 480

(表三)

  如果續航力以60分鐘來計算,原來可能要用到50F的超級電容,現在只要25F就足夠了,這意味著滑鼠的體積可以更小、成本也可以更低廉,而整個成本計算下來約比一般的無線滑鼠(27.042MHz)增加約70元左右,但日後卻可以省下48顆AAA(480元)以上的電池,或是減少污染48平方公尺的面積土地;想想如果全世界使用這種滑鼠(300萬隻)每年將會少用7.2千萬顆電池,減少污染的土地面積將相當於一個淡水鎮。

  如此好用又環保的技術已成功的應用在無線滑鼠上,那是否可以應用在其他電子產品上呢?我的答案是肯定的!因為沒有差勁的產品,只有無創意的工程師。艾迪生發明電燈泡改變了世界的照明歷史,他的創意就是使用手邊一些不稀奇的材料然後加以運用與組合就改變了千年來的照明方式。想想看,在我們日常生活中有哪些使用電池的電子產品是使用時間不長的?而這些就是我們要用這項技術去取代的目標。

  舉例一、電動牙刷、電動刮鬍刀,當早晨起床時就將無需電池的電動牙刷與電動刮鬍刀插到家用AC插座上充電,充電兩分鐘後即可使用,而充電當中正好可以洗臉等等,刷一次牙或刮鬍子所使用的時間並不會很長,正好夠超級電容所能供應的電力範圍內。其餘的好處是不怕電池漏電解液,不用擔心充電電池(鋰或鎳氫,鎳鎘)會爆炸或忘了充電(化學電池充電時間很長),而必須等待一段很長的充電時間後才能使用。

  舉例二、電動玩具,當小孩子想玩時才立即拿去充電,充個3分鐘電力就可以連續使用10多分鐘,這完全不會用到電池,如此不僅可以防止小孩誤食電池而發生意外事件,每年也可以省下很多購買玩具用電池的錢,這無形中也大大減少了污染地球的機會。

  舉例三、緊急照明燈,現今約有90%的壁掛式緊急照明燈是使用密閉式鉛酸電池來作為備用電力儲藏裝置,原因是這個儲藏裝置夠便宜,遺憾的是鉛是重金屬如果沒有正常回收的話會污染環境,而且使用鉛酸電池的緊急照明燈必須每個月放電一次以減緩電池老化。雖然如此,一個新的緊急照明燈經過三年後有可能儲能的效率只剩下一半,甚至有可能30%都不到,想想看一棟建築物可能可以使用20年,卻必須全部更換4次以上的緊急照明燈裝置。如果改成使用超級電容來儲存電力,不但沒有污染問題也不用每月放電一次,壽命更可長達50年以上!

  相信還有很多電子產品可以使用超級電容來取代現行的電池或備用電力裝置。只要打開思緒讓無限想像充滿整個幻想的空間就可能創造出意想不到的點子;地球只有一個,如果被污染到無法讓人類生存下去的話我們的下一代必定是最大受害者,讓我們一起共同來維護地球的環境使地球成為一個潔淨的美好家園。


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