發佈日期:2016-06-27

從Apple的專利看穿戴式電子裝置用電池之專利佈局

作者:洪長春

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一、前言

穿戴式電子裝置為讓使用者配戴時不會有重量感,裝置設計上必須講求輕薄短小,不管是整機設計或是零組件搭配,重量及體積的限制都相對嚴格,而且對軟性零組件、可撓式設計的需求也更為重視,以便讓裝置的設計能更貼近於人體工學。但如此一來,裝置的內建電池與電源供應難度也將大增,而且裝置已經相當小的體積中,還得放入各式感測器及藍牙通訊元件等零組件,裝置的續航力能否滿足使用者需求,更是一大挑戰。2013年蘋果公開一種可撓式電池專利,把硬式電池黏附在軟式印刷電路板(Flexible Print Circuit;FPC)之上,藉由將電池細分、隔開包覆的方式,生產出具備柔軟性質(可彎曲)的電池。

穿戴式裝置 是可攜式電子裝置的一種,其設計涉及複雜的權衡考量,設計過程中考慮的因素有美觀、吸引力、重量、可製造性、耐用性、熱適應性和功耗等。這些設計因素的基礎上,裝置的組件對多種設計因素之一會產生不利的影響。尤其,便攜式電源為裝置設計中一個重要的組件,本文以可攜式電源之形狀因子、能量密度和安全性、耐用性等,探討Apple在穿戴式電子裝置電源的專利佈局。

二、 裝置空間(形狀因子)有效利用的專利佈局

蘋果US8846230專利為一種具有多個厚度果凍卷(jelly roll)之鋰聚合物電池 (如圖一),此專利的功效能使電池單元填滿在可攜式裝置內部空間彎曲區域的自由空間,也可適應於裝置的形狀。電池單元以封閉捲起式果凍卷的電極片(electrode sheets)和電解質在一鍍鋁層柔性袋(flexible pouches)中可達到90-95%的包裝效率。這種柔性袋一般是重量輕,製造成本低,也可以適合於各種電池單元的尺寸,其組成可參考蘋果US20140322590申請案文件。多個封閉電池單元的柔性袋,可並排置於可攜式裝置內,並以串聯和/或並聯電性耦合形成電池。陰極為鋁箔基板塗上一層鋰鈷氧化物和陽極為銅箔基板塗覆一層石墨,並由一個條帶隔板材料(例如,導電聚合物電解質)分隔。陰極,陽極和分隔層然後捲繞(沿112線)在心軸上形成螺旋捲繞的結構。果凍卷包括第一導電接線片(tabs)耦合到陰極和第二導電接線片耦合到陽極,果凍卷可用導線接合技術,如點焊技術,壓接技術,鉚合技術,和/或超聲焊接技術電性耦合,並封閉密封部件在柔性袋,並且第一和第二導電接線片延伸經過柔性袋之密封部件,以提供電池單元之端子。

從果凍卷的一層或多層去除陰極或陽極一側的材料,可以降低果凍卷在側面的厚度,建立兩個以上的厚度,有助於在可攜式裝置內部空間的有效利用。為適應裝置的形狀需求,蘋果US8940429專利之非矩形電池結構,電池單元可以包括一組佈置成堆疊結構不同尺寸的電極片,堆疊配置可以為一個環形設計,L形設計,三角形設計,餅形設計,錐形設計,和/或金字塔形的設計。圖二所示為使用四種不同尺寸的扁平扇形電極片建立的梯型、彎曲結構之電池單元,各電極片提供二氧化錳的陰極在電池單元的一側及鋰或鋅的陽極在電池單元的另一側,每個電極片厚度大約20微米。接著沿虛線(116)上下封裝電池單元在柔性袋中,為避免薄且柔性電極片在可攜式電子設備內處理或安裝期間的彎曲或變形,在層102-108的下方放置剛性板(114)支撐電池單元的結構。這種梯型或彎曲邊緣的電池單元可適應於彎曲外殼的可攜式裝置,有效利用裝置的空間。

圖一、(a) 電池單元的剖視圖              (b) 果凍卷(jelly roll)的一層

圖二、楔形梯田結構(terraced structure) 的電池單元

三、 增加電池單元能量密度的專利佈局

電池單元的能量密度是指每固定體積或每固定質量提供可攜式裝置能量的大小,能量密度受到所採用的電池單元類型及包裝效率所影響,其中包裝效率受到包裝設計所期望的外形因素所限制。蘋果在US20130337303專利申請文件中揭露增加電池單元能量密度的方法。電池單元包括一組層的陰極、陽極和隔板,製造過程中陰極,陽極和隔板纏繞起來成一個果凍卷。陰極為厚度範圍在8-10微米的陰極基板及陰極活性材料所構成,活性材料以2 mm/ min至3 mm/ min的速度塗覆在陰極基板上,不會造成陰極斷裂,皺紋,卷旋,缺口,和/或凹痕之缺陷。陽極為厚度範圍在4-6微米的陽極基板和陽極活性材料,活性材料以2 mm/ min至3.8 mm/ min的速度塗覆在陽極基板上。這樣的基板厚度和塗佈速度可以增加電池單元的能量密度和/或充電電流。例如,陰極基板厚度從15微米減少至10微米和陰極活性材料厚度相應的從25微米增加至30微米,電池單元的容量和/或能量密度提高20%;進一步降低陰極基板厚度到8微米和增加陰極活性材料的厚度至32微米,提供比常規電池具有15微米厚的陰極基材增加了28%的容量和/或能量密度。相同的,陽極基板厚度從10微米減少至6微米和相應在陽極活性材料厚度從25微米增加至29微米,電池單元的容量和/或能量密度增加16%;類似地,陽極基板厚度減少至4微米,陽極活性材料的厚度增加至31微米,在容量和/或能量密度比常規電池單元增加了24%。

四、 提高電池單元耐用性的專利佈局

柔性袋中果凍卷之電池單元包含凝膠型電解質在內,需要防止損壞電子元件,正常工作條件下包裝需要足夠耐用性,尤其是電池單元對機械應力所引起的故障。這樣的故障可能會發生在電池的組裝,電池安裝在可攜式裝置的過程中,或可攜式裝置之使用。例如,一個物件掉落到可攜式裝置可以凹陷裝置的外殼,以及在外殼下方的電池單元。凹陷可能是變形,削弱和/或壓縮電池的電極和/或分離器,進而損害電池的完整性和潛在地導致性能劣化,短路,電解質洩漏,或電池的其他故障。蘋果US9012055專利揭露提高電池單元抗機械應力之機械支撐方法(如圖三),從一個以上的組層(包括活性塗層的陰極,隔板,以及活性塗層的陽極)移除材料,在電池單元內形成一個或多個孔徑(aperture),每孔徑形狀可以是一個圓,菱格紋(lozenge),或羅紋(rib)和延伸穿過所有組層,並在每個孔徑放置一機械支撐。機械支撐可為塑料、聚碳酸酯、陶瓷、聚丙烯、聚合物塗覆的金屬材料等所組成,其猶如對應到可攜式裝置殼體內的柱子,可傳送結構負載經由電池單元頂部的外殼通過電池,進而減輕組層之凹陷或其它局部變形。機械支撐也可用熱傳導性材料來促進可攜式裝置的散熱,例如,從電池單元底部的熱源處理器到頂部的可攜式裝置外殼,機械支撐可以提供一熱路徑。簡言之,機械支撐傳輸結構負載和熱是經過電池單元而不是到電池單元的各層進行轉移。圖三(b)中孔徑未延伸穿過袋材料,因此缺少孔徑的密封,相對地機械支撐的定位比含有密封的孔徑(圖三(a))更能靠近於孔徑的壁,可便於在可攜式裝置內空間的有效利用。例如,在圖三(a)電池單元密封所佔用的空間,可以用於圖三(b)的電池單元層,因此增加圖三(b)中電池單元的能量密度超過圖三(a)中電池單元的能量密度。

圖三、(a) 孔徑沿電池單元的頂部打開     (b) 孔徑沿電池單元底部,不延伸穿過袋材料

五、 提高電池安全機制的專利佈局

可充電鋰電池單元如果電池過度充電,或者一段時間不充電,這種類型的電池單元可能會有氣體積聚,導致電池單元的膨脹或甚至爆炸,嚴重損壞可攜式裝置,甚至可能引起火災。圓柱形鋰離子電池單元通常配備有一個排氣閥釋放電池單元的內部壓力。然而,可攜式裝置越來越流行的鋰聚合物電池封閉在一個柔性袋中,並沒有存在類似壓力釋放的機制。蘋果US20140106190專利申請文件中揭露提高鋰聚合物電池安全的壓力釋放機制,此機制是在柔性袋上預製產生一個以上的弱點,當袋內部壓力超過一定閥值時會建立一個孔,釋放出內部壓力。有許多不同方法可產生這樣的弱點,如圖四所示。弱點可以形成在電池袋上的任何位置,包括在圖一(a)袋的側密封(side seal)、露台密封(terrace seal)、角落或在袋材料的折疊(fold)處等位置。

圖四、(a) V形凹口袋密封的電池單元       (b) 半圓切割袋密封的電池單元

六、 促進電池放電效能的專利佈局

捲繞的電池單元結構具有高內部電阻,在高瞬態放電電流期間排除有效的電流分佈或電流流過。例如,一個果凍卷的鋰聚合物電池單元的脈衝放電可能會導致電池單元顯著的電壓降和/或電池單元內部的電流分佈不平衡,此意謂著電池單元的全部放電容量可能無法利用。蘋果US20140322575 專利申請文件中揭露一種耦合多個導電接線片到電池單元的各個電極(如圖五),第一組導電接線片耦合至陰極的陰極基板,和第二組導電接線片耦合到陽極的陽極基板。來自第一和第二組導電接線片的每一組導電接線片在袋內電性連接。每個第一和第二組導電接線片至少一個導電接線片延伸經過袋的密封,提供電池單元的端子,且每組導電接線片在袋外面電性連接。圖五中導電接線片204-208可以沿著果凍卷的陰極一個未捲起的鋁箔片隔開,以及導電接線片210-214可以沿著果凍卷的陽極一個未捲起的銅箔片隔開。這種方式可以增加電池單元的電流流動,減少電壓降和增加脈衝放電和/或其它瞬時高放電期間放電容量的使用。

圖五、電池單元的一個果凍卷(202)和聯接到果凍卷的多個導電接線片(204-214),果凍卷的陰極是耦合到第一組導電接線片(204,206,208),和果凍卷的陽極是耦合到第二組導電接線片(210,212,214)

七、 結論

如何把充電電池融入可攜式裝置的設計,一直是困擾業者的難題。現成的充電電池經常面臨電力不足、外型單一和重量過重等限制,若能採用客製化電池組,一來能大幅改善系統效能,二來也能控制研發和製造成本。蘋果穿戴式電子裝置所採用的充電電池即是一種考慮形狀因子、能量密度、安全性及耐用性等客製化的產品,其在設計和製作流程方面,必須先瞭解電池組運用於怎樣的服務應用和負荷條件,操作環境、重量限制等。從本文可瞭解蘋果在可攜式電源的專利佈局,達到減少可攜式裝置的重量、佔用更少的空間並降低裝置複雜性、使用風險等功能。只不過,客製化電池組的研發過程耗時費力,需要充分溝通新設計的需求,才能有效融入可攜式裝置的設計,這也是台灣在研發設計上值得學習的地方。

參考文獻

  1. USPTO: US8846230
  2. USPTO: US20140322590
  3. USPTO: US8940429
  4. USPTO: US20130337303
  5. USPTO: US9012055
  6. USPTO: US20140106190
  7. USPTO: US20140322575
  8. 謝明珊(2015), 可攜式裝置受限體積 客製化電池組是解方, Digitime,0706.
  9. 無續航力無未來 電池技術成穿戴式裝置實用關鍵(2015),DIGITIMES,0323, 穿戴式技術專輯.