可單體充電鎳氫/鎳鎘快速充電器

　　隨著各種可攜式電子產品的普及化，鎳氫、鎳鎘電池用快速充電器成為生活中的必需品，然而大部份的充電器都無法作單數電池充電，因此接著要介紹可作單數電池充電快速充電器。

　　設計規格

　　表1是不受電池容量、放電狀態差異，可作單數電池快速充電的「Active Charger」充電器的設計規格一覽。鎳氫、鎳鎘電池用快速充電器設計上常見的問題是電池盒的接觸阻抗，尤其是電池盒的負極端經常因阻抗發熱溶化變形。此外接觸阻抗會造成不穩定的電壓下降，形成快速充電器的另一項障礙，因此大部份的充電器進行充電時都會利用「-ΔV方式」監控電池電壓，一旦充電電壓開始減緩就立即停止充電動作，然而實際上該電壓變化量非常微小，而且電池電壓的檢測值包含接觸阻抗造成的不穩定電壓，因此-ΔV方式經常造成所謂的誤動作現象。

　　項目規格

　　輸入電源DC5V±5%,2.1A以上

　　電池種類鎳氫、鎳鎘電池

　　電池容量可承受1A充電電流的充電電池

　　充電電壓公稱值1.2V

　　充電輸出數量4個(不可串聯)

　　充電電流

　　‧一般模式: 4個各1A

　　‧Turbo 1模式:單顆單獨充電時1.6A

　　‧Turbo 2模式:單顆單獨充電時2.0A

　　開始充電電池裝填於專用電池盒，連接電池後自動檢測

　　停止充電條件

　　‧取出電池時

　　‧檢測時

　　‧total timer的time up(180分)。

　　‧合併使用break through方式與dV down方式。

　　檢測分解能力full scale約2.18V時為10bit(2.1mV)

　　檢測間隔1秒

　　預備充電PictOld 禁止

　　裝填檢測時間1.5秒

　　顯示充電狀態針對各電池，LED點滅閃爍

　　Monitor輸出利用serial間隔100ms，輸出內部主要變數

　　表1 Active Charger設計規格一覽

　　設計步驟

　　圖1(a)是三號NiMH(1800mAH)充電電池以1C(1.8A)充電時手指接觸電池，電池盒兩端與數位多功能電錶連接，並用EasyGPIB收集資料，藉此測試接觸阻抗對電池電壓影響的結果。若與圖1(b)未作手指接觸的充電電池的測試結果比較時，圖1(a)的電壓變動非常明顯，不過兩圖的垂直scale幾乎完全相同，這意味著上述兩方式都無法利用 檢測電池電壓。

　　

 

　　(a)充電時手指接觸電池時的電壓變化

　　

 

　　(b)充電時手指未接觸電池-ΔV附近的電壓變化

　　圖1 使用電池盒的電池電壓變

　　Active Charger利用total充電timer與檢測-ΔV兩種方式檢測電池的充電完成度。為增加電池的適用範圍，所以加長充電timer的設定時間，相對的充電完成度幾乎完全依賴 的檢測，有鑑於此提為高檢測精度，因此開發下列兩種方案提供讀者選擇:

　　‧break through方式

　　電壓下降主要是接觸阻抗與充電電流兩者相乘的積所造成，基本上零接觸阻抗並無法達成，因為充電電流若變成零，理論上就不會發生電壓下降現象。如圖2所示檢測電壓前與檢測電壓後，暫時停止充電電流所謂的「break through方式」。

　　由於本快速充電器具備特殊的充電控制技術，因此無法使用MAX713特殊IC，必需改用8位元微處理器PIC16F876。

　　

 

　　圖2 break through方式的動作特性

　　圖3是利用圖1介紹的電池與Active Charger，進行充電時的充電特性。基本上它是在充電中途用手指觸摸電池，使接觸阻抗產生變化，接著利用幾乎不會對system DMM自動檢測造成任何影響的的R655檢測充電電壓，由於DMM的測定值內包含電池盒與connector產生的電壓下降成份，因此實際電壓變動非常大，不過對PIC微處理器的A-D變換值而言，完全不會造成任何不良影響，由此可知採用break through方式，可以獲得正確的電池電壓變化資料。

　　此外本快速充電器是利用serial信號，依序輸出PIC微處理器內部變數狀態，因此可輕易利用PC監控(monitor)PIC微處理器內部狀況(圖3)。具體方法是利用DMM檢測電壓，再經過GP-IB與Easy GPIB擷取資料，並用Excel同步觀測設備內外的狀態。值得一提的是Easy Comm.與Easy GPIB是自行開發的free tool。

　　

 

　　圖3 以1.6A充電時A-D變換值與利用DMM的電池電壓測定值

　　‧dV counter方式

　　雖然接觸阻抗的影響可以利用break through方式排除，不過充電電流如果發生變動，電池電壓也會隨著改變，如此一來break through方式就無法發揮預期效果，此外本快速充電器被設計成可作充電電流切換，因此必需採用其它對策，才能有效克服接觸阻抗的影響。

　　圖4是充電電池的充電曲線實例，由圖可知由於充電模式的切換，電池電壓會朝下方移動，造成-ΔV檢測電路誤動作與停止充電等後果，為防止這種現象因此出現所謂的「dV counter方式」。

　　若與前測定值比較，dV counter方式即使發生變化dV counter都可控制在±1範圍內，亦即在+1～-1之間，如果是0的場合便停止counter，因此不會有低於0的困擾。

　　

 

　　圖4 電池電壓的測定值成斷續性變化

　　圖5(a)是正常狀態時的電池電壓與dV counter的變化，由圖可知電壓變化出現增加趨勢時，雖然dV counter維持0狀態，不過一旦出現電壓變化減緩趨勢時，電壓變化會隨著檢測時段逐漸成為counter up狀態，到達一定值(大約是4)時，檢測-ΔV便結束充電動作。

　　圖5(b)是充電途中檢測值朝下方移動時的dV counter動作特性，由圖可知對dV counter的影響，不因電壓變動減緩始終維持1 counter，因此幾乎不會影響-ΔV的檢測。如果-ΔV的檢測改用微分電路，檢測電路在圖5(b)狀態時，就會發生誤動作。有關dV counter，理論上即使檢測電壓產生巨大變化，dV counter都能控制在±1範圍內。

　　

 

　　圖5充電時電池電壓與dV counter的動作特性

　　圖6是實際充電電壓(A-D轉換值)與dV counter的動作特性，由圖可知雖然充電中途如果改變充電電流檢，測值會朝下方移動，不過即使如此對dV counter完全沒有影響。一旦接近-ΔV，dV counter值會呈現上升傾向，直到4 counter時才停止。由於本快速充電器停止充電後，必需重新設定變數所以無法描繪最終值，不過根據以上實驗結果顯示dV counter方式，基本尚已經展現預期的動作效果。

　　

 

　　圖6 A-D轉換與dV counter的動作特性

　　電路結構

　　圖7是本快速充電器的電路圖。雖然利用PIC微處理器可使電路結構變得非常簡潔，不過本電路仍可作各種複雜模式的充電動作。有關PIC微處理器周邊電路的特性，基於篇幅限制無法詳細說明。電路圖右側兩個對稱部份是本快速充電器的主要電路。

　　圖8是主要電路概要說明圖，雖然它是由block 0與block 1所構成，不過兩個block的動作特性完全相同，因此只介紹block 0的動作特性。

　　圖8的Tr5與Tr6是簡易定電流電路，該電路利用信號CGH12控制2A充電電流的ON/OFF，此外必需注意的是Tr5必需作散熱設計。Tr1(PASS 1)與Tr2(PASS 2)是電池盒未裝設電池時，可將充電電流作bypass的FET元件。圖9是未裝設電池2時，充電電流的流動方式。由於break through方式檢測電池電壓，是在Tr1與Tr2ON狀態下進行，所以B1與B2的電壓都可獲得GND level基準。

　　

 

　　圖7 Active Charger的電路圖

　　

 

　　圖8 主要電路概要說明圖

　　

 

　　圖9 電池2未裝設時，充電電流的流動方式

　　動作模式說明

　　‧normal mode

　　normal mode是指4顆電池同時充電模式。本快速充電器一旦開始進行充電，就成為normal mode，此時各充電block以50ms的間隔交互ON，因此平均充電電流為1A，4顆電池每顆都是1A合計是4A，不過實際上電源只有2A，所以必需使用已商品化可輸出5V，2.3A電力的switching regulator type AC adapter，此外本快速充電器必需裝設5V的電源穩壓器。

　　‧turbo mode 1與turbo mode 2

　　若按turbo按鍵就成為turbo mode。turbo mode共有兩種形式，分別是電池3或電池4，其中一個裝設時的turbo mode 1，與電池3以及電池4同時裝設時的turbo mode 2兩種。

　　由於turbo mode 1必需用FET元件，將充電電流bypass，因此此處利用降低ON的時間，藉此抑制FET的發熱量。表2是turbo mode 1與turbo mode 2的電流分配特性。

　　modeON時間OFF時間充電電流電源電流備註

　　normal50ms50ms1A2A可同時作1～4個電池充電

　　turbo 140ms10ms1.6A1.6A電池3與4其中一個充電

　　turbo 2　連續ON2A2A電池3與4同時充電

　　表2 各種充電模式的電流分配特性

　　製作重點

　　本快速充電器被設計成可作2號、3號、4號各種鎳氫/鎳鎘電池充電，因此採用connector與各電池連接電池盒的方式。值得注意的是電池盒的選用必需非常謹慎，否則電池盒會有溶化(melt)之虞，筆者建議使用Keystone Electronics公司製作的金屬材質電池盒，這種金屬材質電池盒具有耐熱特性，所以非常適合應用於快速充電器。此外為避免端子部與connector內部短路，因此端子部與connector都必需用熱縮套管隔絕。

　　Tr5與Tr6兩元件會發熱，所以裝設through hole type散熱器(heat sink)增加散熱效果;Tr1~Tr4為2.5V驅動的power MOSFET，該MOSFET低gate電壓時會變成ON。相反的若不使用FET元件，就無法將電流bypass，同時會造成電池過熱問題，換句話說如果使用替代元件時，必需特別注意電池過熱問題;由於常見的silicon diode順電壓壓降過大，不適合本快速充電器使用，因此D1~D4分別使用2A等級的shot key barrier diode。外殻鈑金為厚1.2mm鋁合金製成，正面粘貼有利用back print film製成的裝飾panel。

　　雖然本快速充電器的sequence動作很簡易，不過充電時必需單獨監控各電池，所以變數與管理相對的非常多，大部份的處理採取定時插入方式。由於插入是每隔50ms進行一次，所以block 0與block 1的處理，是以100ms間隔交互執行，最後的插入處理含有將內部變數當作serial data送信處理成份，因此利用PC擷取該處理結果，並監控內部狀態，使用軟體則是用MPLAB編寫。

　　充電狀態可用圖10所示的pattern以LED點滅方式顯示。圖中的「預備充電」是指未檢測-ΔV ，強制性充電時段而言。電池裝設後會本快速充電器會持續三分鐘進行預備充電，主要原因是針對長期放置的電池充電時，充電初期會產生所謂的-ΔV現象，為避免充電器停止充電，所以作預備性充電設計。此外已充電的4號電池若作turbo充電時，會有過充電之虞，基於安全考量預備充電時間被設計成三分鐘。

　　

 

　　圖10 電池充電狀態顯示用pattern

　　本快速充電器亦可支援2號電池的充電，所以total timer被設計成180分;如果是3號以下小容量鎳氫、鎳鎘電池充電時，充電時間大約90分即可。圖11是3號鎳氫電池的充電特性。如上所述turbo mode充電可分成turbo mode 1與turbo mode 2兩種，因此測試時裝填兩個電池，並以2A最大充電電流的turbo mode 2方式進行。

　　

 

　　圖11 3號鎳氫電池充電特性

　　圖12是利用dV counter與break through方式製成的006型鎳氫、鎳鎘快速充電器的電路圖，該電路使用8pin DIP flash type PIC12F675，電路內建10位元A-D inverter，由於內建URT無monitor輸出專用serial輸出端子，因此使用軟體監控(monitor) 電池的充電狀態。此外多餘的pin可當作溫度檢測用thermistor的輸出，亦可當作電池pack的充電機。為配合鎳氫、鎳鎘電池的容量，所以充電電流被設計成170mA。由於本充電器的充電對象為006型鎳氫、鎳鎘電池，因此未作複雜的電路設計，換言之dV counter與break through方式製成快速充電器的程式也比Active Charger簡單。

　　結語

　　雖然Active Charger的電池充放電時間比較長，不過卻可利用Easy Comm、 Easy GPIB與Excel等軟體，以及簡單的硬體工具縮短充放電時間，並大幅改善測試方法。整體而言Active Charger具備單數電池充電功能，這種全新創舉使得消費者不再受到電池數量的限制，可隨時作單數電池快速充電。