可單體充電的鎳氫/鎳鎘快速充電器

高弘毅

隨著各種可攜式電子產(chǎn)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，然而大部分的充電器都無法作單數(shù)電池充電，因此接著要介紹可作單數(shù)電池充電快速充電器。

設計規(guī)格

表1是不受電池容量、放電狀態(tài)差異，可作單數(shù)電池快速充電的Active Charger充電器的設計規(guī)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(jīng)常因阻抗發(fā)熱熔化變形。此外接觸阻抗會造成不穩(wěn)定的電壓下降，形成快速充電器的另一項障礙，因此大部分的充電器進行充電時都會利用－ΔV方式監(jiān)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(wěn)定電壓，因此－ΔV方式經(jīng)常造成所謂的誤動作現(xiàn)象。

設計步驟

圖1（a）是三號NiMH（1800mAH）充電電池以IC（1.8A）充電時手指接觸電池，電池盒兩端與數(shù)字多功能電表連接，并用EasyGPIB收集數(shù)據(jù)，借此測試接觸阻抗對電池電壓影響的結(jié)果，若與圖1（b）未作手指接觸的充電電池的測試結(jié)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－ΔV檢測電池電壓。

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。為增加電池的適用范圍，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－ΔV檢測，有鑒于此提為高檢測，因此開發(fā)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，基本上零接觸阻抗并無法達成，因為充電電流若變成零，理論上就不會發(fā)生電壓下降現(xiàn)象，如圖2所示檢測電壓前與檢測電壓后，暫時停止充電電流所謂的“break through方式”。

由于本快速充電器具備特殊的充電控制技術(shù)，因此無法使用MAX713特殊IC，必需改用8位微處理器PIC16F876。

圖3是利用圖1介紹的電池與Active Charger，進行充電時的充電特征?；旧纤窃诔潆娭型居檬种赣|摸電池，使接觸阻抗產(chǎn)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，由于DMM的測定值內(nèi)包含電池盒與連接器產(chǎn)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，由此可知采用break through方式，可以獲得正確的電池電壓變化數(shù)據(jù)。

此外本快速充電器是利用串行信號，依序輸出PIC微處理器內(nèi)部變量狀態(tài)，因此可輕易利用PC監(jiān)控（monitor）PIC微處理器內(nèi)部狀況（圖3）。具體方法是利用DMM檢測電壓，再經(jīng)過GP－IB與Easy GPIB擷取數(shù)據(jù)，并用Excel同步觀測設備內(nèi)外的狀態(tài)，值得一提的是Easy Comm.與Easy GPIB是自行開發(fā)的free tool。

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(fā)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(fā)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，因此必需采用其他對策，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，由圖可知由于充電模式的切換，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后果，為防止這種現(xiàn)象因此出現(xiàn)所謂的“dV counter方式”。

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

圖5（a）是正常狀態(tài)時的電池電壓與dV counter的變化，由圖可知電壓變化出現(xiàn)增加趨勢時，雖然dV counter維持0狀態(tài)，不過一旦出現(xiàn)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(tài)，到達一定值（大約是4）時，檢測便結(jié)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，因此幾乎不會影響的檢測。如果檢測改用微分電路，檢測電路在圖5（b）狀態(tài)時，就會發(fā)生誤動作。有關dV counter，理論上即使檢測電壓產(chǎn)生巨大變化，dV counter都能控制在±1范圍內(nèi)。

圖6是實際充電電壓（A/D轉(zhuǎn)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(xiàn)上升傾向，直到4 counter時才停止。由于本快速充電器停止充電后，必需重新設定變量所以無法描繪終值，不過根據(jù)以上實驗結(jié)果顯示dV counter方式，基本尚已經(jīng)展現(xiàn)預期的動作效果。

電路結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)變得非常簡潔，不過本電路仍可作各種復雜模式的充電動作，有關PIC微處理器周邊電路的特性，基于篇幅限制無法詳細說明，電路圖右側(cè)兩個對稱部分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(gòu)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，可將充電電流作旁路的FET組件。圖9是未裝設電池2時，充電電流的流動方式。由于break through方式檢測電池電壓，是在Tr1與Tr2ON狀態(tài)下進行，所以B1與B2的電壓都可以獲得GND level基準。

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電力的轉(zhuǎn)換繼電器類型AC適配器，此外本快速充電器必需裝設5V的電源穩(wěn)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。 由于turbo mode 1必需用FET組件，將充電電流旁路，因此此處利用降低ON的時間，借此抑制FET的發(fā)熱量。表2是turbo mode 1與turbo mode 2的電流分配特性。

制作重點

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，因此采用連接器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，否則電池盒會有熔化（melt）之虞，筆者裝設through hole type散熱器（heat sink）增加散熱效果；Tr1－Tr4為2.5V驅(qū)動的power MOSFET，該MOSFET低gate電壓時會變成ON。相反的若不使用FET組件，就無法將電流旁路，同時會造成電池過熱問題，換句話說如果使用替代組件時，必需特別注意電池過熱問題；由于常見的硅工極管順電壓壓降過大，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鋁合金制成，正面粘貼有利用back print film制成的裝飾面板。

雖然本快速充電器的連續(xù)動作很簡易，不過充電時必需單獨監(jiān)控各電池，所以變量與管理相對的非常多，大部分的處理采取定時插入方式。由于插入是每隔50ms進行，所以block 0與block1的處理，是以100ms間隔交互執(zhí)行，的插入處理含有將內(nèi)部變量當作串行數(shù)據(jù)送信處理成份，因此利用PC攫取該處理結(jié)果，并監(jiān)控內(nèi)部狀態(tài)，使用軟件則是用MPLAB編寫。

充電狀態(tài)可用圖10所示的平板以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，電池裝設后會本快速充電器會持續(xù)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(chǎn)生所謂的－ΔV現(xiàn)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，基于安全考慮預備充電時間被設計成三分鐘。

本快速充電器亦可支持2號電池的充電，所以總時間被設計成180min；如果是3號以下小電容鎳氫、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，并以2A充電電流的turbo mode 2方式進行。

圖12是利用dV counter與break through方式制成的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(nèi)建10位A-Dinverter，由于內(nèi)建URT無monitor輸出專用串行輸出端子，因此使用軟件監(jiān)控（monitor）電池的充電狀態(tài)。此外多余的pin可當作溫度檢測用thermistor的輸出，亦可當做電池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，由于本充電器的充電對象為006型鎳氫、鎳鎘電池、因此未作復雜的電路設計，換言之dV counter與break through方式制成快速充電器的程序也比Active Charger簡單。

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等軟件，以及簡單的硬件工具縮短充放電時間，并大幅改善測試方法，整體而言Active Charger具備單數(shù)電池充電功能，這種全新創(chuàng)舉使得消費者不再受到電池數(shù)量的限制，可隨時作單數(shù)電池快速充電。