PowerBank蓄電、放電效率與安全性的輸出設計

PowerBank產品可利用燈號、防呆硬體開關等設計，避免產品出現使用問題，提供更安全的應用條件。Antec

隨著消費者手上的3C與行動裝置越來越多樣，針對行動裝置設計的PowerBank產品五花八門，而要使PowerBank產品更具實用價值，除必須提供更高容量的蓄電能力外，如何使PowerBank的電能輸出可以達到快速充電又不致於影響設備安全，就成為現在相關產品的設計關鍵...

現行的智慧型行動電話、平板電腦，無不朝向輕、薄、短、小設計方針持續改進，除了選用更低功耗的SoC處理器、記憶體，也嘗試在外觀設計使用更小巧、緊緻的設計方案，而其中將電池室使用無法更換的內建式設計，不只是讓外殼設計的結構強度，可以受惠於一體式少量開孔的結構效益，讓整體結構更強化，同時用料更省，使得整機重量獲得微幅改善，而終端設計也可以因為少了可替換式電池設計，讓產品的背面設計更為性感美觀。

無替換式電池室設計當道 PowerBank需求持續加溫

而無替換式電池室設計，Apple推出的iOS Device系列可以說是使用得相當普遍，像是iPod、iPod touch、iPhone、iPad...等產品，均為全面採行無替換式電池室設計方案，產品在結構、外觀...等方面均可達到同類型產品更好的設計表現，但問題是當電池無法拆換後，即造成使用者無法透過更換備用電池獲得產品的電力奧援，僅能透過充電器來為產品進行電力補充，對於行動應用需求較大的用戶，即必須自行準備類似PowerBank的產品在行動過程中為3C產品充電。

由於Apple iOS Device產品在市場上銷售表現亮眼，也連帶著牽引近代3C產品的設計潮流，不只平板電腦不約而同大多採內置無法更換電池設計方案，智慧型手機、MP3、MP4等產品採行無法更新電池機構設計也越來越普遍，這也帶起了PowerBank這類產品的市場需求增溫。

以PowerBank產品為例，產品規劃重點在於可攜帶的電池容量與和資訊設備連接的完善設計，也就是說，消費者關心的是PowerBank可以進行幾次產品充電？而連接PowerBank的方式是否便捷實用！

蓄電來源全靠電池芯 容量越大越需注重安全

先觀察PowerBank產品的蓄電能力，一般影響蓄電能力的關鍵，在於產品本身所使用的電池芯總和容量，目前絕大多數的PowerBank都會優先使用18650 2600mAh鋰電池芯，因為目前這款容量與規格，可以達到較具經濟效益的設計方案，基本上為了降低成本，一般PowerBank多半不會使用手機常見的鋰聚合物電池，因此PowerBank的體積都有一定程度的厚度，由類似18650這種電池芯進行排列組合，除非是要求輕薄或特殊造型產品，才會使用單位成本相對較高的鋰聚合物電池。

而PowerBank的內部產品組成，會以鋰電池芯、連接電路、保護電路板所組成，在鋰電池芯部分，為了避免不當充？放電造成鋰電池芯內部的壓力劇烈變化而產生爆炸公安問題，基本上在電池芯本身的外包金屬材料，已經預先製作了電池內部壓力的洩壓閥機構設計，即便使用的保護電路出問題造成電池芯過度放電或是過度充電、而造成PowerBank產品的電池芯出現故障問題，也不致於電池芯內部蓄壓過大造成材料過度異變、變形產生災情。

為求使用安全 安全晶片、保護電路不能省

但即便電池芯本身在物理結構已預做安全設計，但實際上為求應用安全，仍需要搭配安全電路整合，而保護電路的功用相當單純，主要是用以避免鋰電池芯出現過度充電、短路與過度放電等常見之影響電池芯安全與壽命的異常使用狀態。

在過度充電保護設計方面，保護電路主要是為了避免鋰電池芯進行過度充電產生危險，基本上鋰電池芯是沒有第一次使用需要連續充電8小時以上這種說法，比較正確的說法應該是當電池芯已經充飽電時、即不需再追加充電即可，保護電路在進行過度充電保護的方式相當簡單，即透過電路得知鋰電池芯已達充滿電狀態時，保護電路自動切斷充電迴路，避免電池芯被過度充電。

而所謂過度充電的危險問題，即是當電池芯已經充滿電後，充電迴路仍持續在電池芯施加電能令其持續充電，基本上過度充電是沒有任何效益的，也不可能使鋰電池芯蓄存更多規範容量的額外蓄能作用，但卻會因為過度充電致使電池芯壽命減低、元件出現高熱問題，而有了保護電路，至少可以確保電池在充飽電後不會再進行充電，減少電池過熱與過度充電問題。

而短路保護方面，因為PowerBank產品通常會製作成口袋可攜帶的設計尺寸，不少用戶也會將PowerBank產品放在口袋或背包內攜帶，而當PowerBank產品沒有做好妥善的安全設計，當PowerBank產品的電源輸出端子若與鑰匙、飾品的金屬部位接觸，就會因為這些材質的導電性造成PowerBank的電池芯出現短路現象。

而短路現象會是比過度充電、過度放電問題還嚴重的使用錯誤狀態！因為PowerBank若出現短路，很容易使PowerBank短時間內釋出大量電能，除了電路的短路本身就是極嚴重的產品使用安全問題，安全電路會在偵測鋰電池出現短路時，即時將電池迴路切斷，保護鋰電池芯不致於受外部接點或使用不當之短路影響。

至於過度放電問題，是PowerBank產品另一個較常見的故障重點！因為對使用者來說，當身邊的行動裝置出現電力告急時，不管PowerBank原先蓄存的電力夠不夠，大多會再試試以PowerBank為身邊的3C產品進行充電，但實際上此種作法已經相當容易致使PowerBank出現過度放電問題。

過充電與短路問題相當，至於過放電問題，則是在鋰電池芯標示的最低電壓狀態下，若因為外部充電產品持續需要電力，而使充電迴路使電池芯低於鋰電池的安全低電壓位置之下，將致使鋰電池芯的蓄電能力損壞。因過放電的電池問題相當嚴重，多數鋰電池芯在電池低於安全值時，保護電路會自動切斷放電迴路，控制電池芯不再繼續放電，維持電池元件本身的壽命。

針對實際使用情境 提供防呆、防災損安全設計

另PowerBank在開發前期，也必須考量針對用戶設計的防呆、防災、防損壞使用情境因應設計，例如，即便PowerBank內置安全晶片可以避免過充、過放電保護，但實際上針對用戶，則可追加如充電指示提示燈號，利用如計量燈號設計讓用戶理解目前PowerBank蓄電狀態，在接近蓄電極限前利用逐漸增快的燈號頻閃提示用戶該停止充電了！至於過放電設計，除在安全電量存量之下利用安全晶片進行斷路處理外，實際上也可以如同前述利用電力指示燈號及早告知用戶電力存量不足狀態。

而在PowerBank的可能短路使用情境下，多半是利用安全晶片感測不正常放電狀態進行放電迴路斷路保護，基本上這屬於最後的保護措施，反而在一般使用、攜帶可能出現的短路問題，在設計規劃產品前就必須思考防護的防呆設計方案，例如，利用實體電源輸出開關讓用戶控制此時PowerBank是否要輸出電能，或是利用複合功能鍵的方式應用長按或連按兩次供電鈕才能進行電力輸出設計，讓產品具備更高程度的安全應用條件。