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鎳氫/鎳鎘快速充電器技術介紹
可單體充電

【作者: 高士】   2006年01月25日 星期三

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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,因此本文接著將要介紹可作單數電池充電之快速充電器。


設計規格

(表一)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、鎳鎘電池用於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,因此方式經常造成所謂的誤動作現象。


表一 Active Charger設計規格一覽
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 禁止- 檢測時間(3分)
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


設計步驟

(圖一)(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。若與圖一(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。


《圖一 使用電池盒的電池電壓變化》
《圖一 使用電池盒的電池電壓變化》

Active Charger利用total充電timer與檢測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,有鑑於此為提高檢測精度,因此開發下列兩種方案提供使用者選擇:


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(圖二)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。


《圖二 break through方式的動作特性 》
《圖二 break through方式的動作特性 》

(圖三)是利用圖一介紹的電池與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,如圖三所示。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。


《圖三 以1.6A充電時A-D變換值與利用DMM的電池電壓測定值》
《圖三 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。


(圖四)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。


《圖四 電池電壓的測定值成斷續性變化》
《圖四 電池電壓的測定值成斷續性變化》

(圖五)(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,檢測便結束充電動作。


圖五(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,因此幾乎不會影響的檢測。如果的檢測改用微分電路,檢測電路在圖五(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。


《圖五 充電時電池電壓與dV counter的動作特性》
《圖五 充電時電池電壓與dV counter的動作特性》

(圖六)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,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,基本上已經展現預期的動作效果。


《圖六 A-D轉換與dV counter的動作特性》
《圖六 A-D轉換與dV counter的動作特性》

電路結構

(圖七)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。



《圖七 Active Charger的電路圖》
《圖七 Active Charger的電路圖》

(圖八)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。


圖八的與是簡易定電流電路,該電路利用信號CGH12控制2A充電電流的ON/OFF,此外必需注意的是必需作散熱設計。(PASS 1)與(PASS 2)是電池盒未裝設電池時,可將充電電流作bypass的FET元件。(圖九)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,是在與 ON狀態下進行,所以與的電壓都可獲得GND level基準。


《圖九 電池2未裝設時,充電電流的流動方式》
《圖九 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。(表二)是turbo mode 1與turbo mode 2的電流分配特性。


表二 各種充電模式的電流分配特性

Mode

ON時間

OFF時間

充電電流

電源電流

備註

Normal

50ms

50ms

1A

2A

可同時作1~4個電池充電

turbo 1

40ms

10ms

1.6A

1.6A

電池3與4其中一個充電

turbo 2

連續ON

2A

2A

電池3與4同時充電



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。


與兩元件會發熱,所以裝設through hole type散熱器(heat sink)增加散熱效果;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,因此分別使用2A等級的shot key barrier diode。外殼鈑金為厚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(圖十)所示的pattern以LED點滅方式顯示。圖中的「預備充電」是指未檢測,強制性充電時段而言。電池裝設後,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。


《圖十 電池充電狀態顯示用pattern》
《圖十 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。(圖十一)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。


《圖十一 3號鎳氫電池充電特性》
《圖十一 3號鎳氫電池充電特性》

(圖十二)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。


市場動態
Maxim推出MAX8600和MAX8601單/雙輸入線性電池充電器。該元件可對單節鋰離子電池安全充電。其中,MAX8600是單輸入充電器可從AC電源插座中輸入達1A 的可程式電流,而MAX8601是雙輸入充電器,它可自動選擇USB或AC電源插座輸入源。相關介紹請見「Maxim單/雙輸入線性電池充電器可為單節鋰電充電」一文。
淩特為可充電電池化學組成(包括鋰離子、鉛酸和鎳)製造了品種齊全的高性能電池充電器產品線。電池充電器IC採用線性或開關拓撲結構,在操作中是完全自主的,也可以和一個微控制器一道使用。能夠獲得低至10mA、高至4A的充電電流。你可在「 淩特高性能電池充電器產品線種類齊全」一文中得到進一步的介紹。

ADP3806是一種獨立應用的鋰離子電池充電IC,它將高輸出電壓精度與精密電流控制功能相結合以提高恒流恒壓(CCCV)充電器的性能並且降低其設計複雜性。ADP3806在不同溫度都能達到業界高電壓精度。在25℃溫度時為±0.4%,在5℃~55℃溫度範圍為±0.6%,在0℃~85℃溫度範圍為±0.7%。在「 ADI推出高頻開關式鋰離子電池充電器」一文為你做了相關的評析。

相關網站

Maxim美信網站

Linear凌特網站

ADI網站

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