可單體充電的鎳氫/鎳鎘快速充電器

設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)格一覽。鎳氫、鎳鎘電池用快速充電器設(shè)計(jì)上常見(jiàn)的問(wèn)題是電池盒的接觸阻抗，尤其是電池盒的負(fù)極端經(jīng)常因阻抗發(fā)熱熔化變形。此外接觸阻抗會(huì)造成不穩(wěn)定的電壓下降，形成快速充電器的另一項(xiàng)障礙，因此大部分的充電器進(jìn)行充電時(shí)都會(huì)利用－δv方式監(jiān)控電池電壓，一旦充電電壓開(kāi)始減緩就立即停止充電動(dòng)作，然而實(shí)際上該電壓變化量非常微小，而且電池電壓的檢測(cè)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(dòng)作現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)步驟

圖1（a）是三號(hào)nimh（1800mah）充電電池以ic（1.8a）充電時(shí)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(cè)試接觸阻抗對(duì)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(cè)試結(jié)果比較時(shí)，圖1（a）的電壓變動(dòng)非常明顯，不過(guò)兩圖的垂直scale幾乎完全相同，這意味著上述兩方式都無(wú)法利用－δv檢測(cè)電池電壓。

active charger利用total充電timer與檢測(cè)－δv兩種方式檢測(cè)電池的充電完成度。為增加電池的適用范圍，所以加長(zhǎng)充電timer的設(shè)定時(shí)間，相對(duì)的充電完成度幾乎完全依賴的－δv檢測(cè)，有鑒于此提為高檢測(cè)精度，因此開(kāi)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(wú)法達(dá)成，因?yàn)槌潆婋娏魅糇兂闪?，理論上就不?huì)發(fā)生電壓下降現(xiàn)象，如圖2所示檢測(cè)電壓前與檢測(cè)電壓后，暫時(shí)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(wú)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(jìn)行充電時(shí)的充電特征。基本上它是在充電中途用手指觸摸電池，使接觸阻抗產(chǎn)生變化，接著利用幾乎不會(huì)對(duì)system dmm自動(dòng)檢測(cè)造成任何影響的r655檢測(cè)充電電壓，由于dmm的測(cè)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(shí)際電壓變動(dòng)非常大，不過(guò)對(duì)pic微處理器的a-d變換值而言，完全不會(huì)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(hào)，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(cè)電壓，再經(jīng)過(guò)gp－ib與easy gpib擷取數(shù)據(jù)，并用excel同步觀測(cè)設(shè)備內(nèi)外的狀態(tài)，值得一提的是easy comm.與easy gpib是自行開(kāi)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(guò)充電電流如果發(fā)生變動(dòng)，電池電壓也會(huì)隨著改變，如此一來(lái)break through方式就無(wú)法發(fā)揮預(yù)期效果，此外本快速充電器被設(shè)計(jì)成可作充電電流切換，因此必需采用其他對(duì)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(shí)例，由圖可知由于充電模式的切換，電池電壓會(huì)朝下方移動(dòng)，造成－δv檢測(cè)電路誤動(dòng)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(cè)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(chǎng)合便停止counter，因此不會(huì)有低于0的困擾。

圖5（a）是正常狀態(tài)時(shí)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(shì)時(shí)，雖然dv counter維持0狀態(tài)，不過(guò)一旦出現(xiàn)電壓變化減緩趨勢(shì)時(shí)，電壓變化會(huì)隨著檢測(cè)時(shí)段逐漸成為counter up狀態(tài)，到達(dá)一定值（大約是4）時(shí)，檢測(cè)便結(jié)束充電動(dòng)作。

圖5（b）是充電途中檢測(cè)值朝下方移動(dòng)時(shí)的dv counter動(dòng)作特性，由圖可知對(duì)dv counter的影響，不因電壓變動(dòng)減緩始終維持1 counter，因此幾乎不會(huì)影響的檢測(cè)。如果檢測(cè)改用微分電路，檢測(cè)電路在圖5（b）狀態(tài)時(shí)，就會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作。有關(guān)dv counter，理論上即使檢測(cè)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(shí)際充電電壓（a/d轉(zhuǎn)換值）與dv counter的動(dòng)作特性，由圖可知雖然充電中途如果改變充電電流，檢測(cè)值會(huì)朝下方移動(dòng)，不過(guò)即使如此對(duì)dv counter完全沒(méi)有影響，一旦接近，dv counter值會(huì)呈現(xiàn)上升傾向，直到4 counter時(shí)才停止。由于本快速充電器停止充電后，必需重新設(shè)定變量所以無(wú)法描繪最終值，不過(guò)根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示dv counter方式，基本尚已經(jīng)展現(xiàn)預(yù)期的動(dòng)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(jiǎn)潔，不過(guò)本電路仍可作各種復(fù)雜模式的充電動(dòng)作，有關(guān)pic微處理器周邊電路的特性，基于篇幅限制無(wú)法詳細(xì)說(shuō)明，電路圖右側(cè)兩個(gè)對(duì)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(shuō)明圖，雖然它是由block 0與block 1所構(gòu)成，不過(guò)兩個(gè)block的動(dòng)作特性完全相同，因此只介紹block 0的動(dòng)作特性。

圖8的tr5與tr6 是簡(jiǎn)易定電流電路，該電路利用信號(hào)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(shè)計(jì)。tr1（pass 1）與tr2（pass 2）是電池盒未裝設(shè)電池時(shí)，可將充電電流作旁路的fet組件。圖9是未裝設(shè)電池2時(shí)，充電電流的流動(dòng)方式。由于break through方式檢測(cè)電池電壓，是在tr1與tr2on狀態(tài)下進(jìn)行，所以b1與b2的電壓都可以獲得gnd level基準(zhǔn)。

動(dòng)作模式說(shuō)明

normal mode

normal mode是指4顆電池同時(shí)充電模式。本快速充電器一旦開(kāi)始進(jìn)行充電，就成為normal mode，此時(shí)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(jì)是4a，不過(guò)實(shí)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(shè)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(gè)裝設(shè)時(shí)的turbo mode 1，與電池3以及電池4同時(shí)裝設(shè)時(shí)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(shí)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(diǎn)

本快速充電器被設(shè)計(jì)成可作2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)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(jǐn)慎，否則電池盒會(huì)有熔化（melt）之虞，筆者裝設(shè)through hole type散熱器（heat sink）增加散熱效果；tr1－tr4為2.5v驅(qū)動(dòng)的power mosfet，該mosfet低gate電壓時(shí)會(huì)變成on。相反的若不使用fet組件，就無(wú)法將電流旁路，同時(shí)會(huì)造成電池過(guò)熱問(wèn)題，換句話說(shuō)如果使用替代組件時(shí)，必需特別注意電池過(guò)熱問(wèn)題；由于常見(jiàn)的硅工極管順電壓壓降過(guò)大，不適合本快速充電器使用，因此d1－d4分別使用2a等級(jí)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(dòng)作很簡(jiǎn)易，不過(guò)充電時(shí)必需單獨(dú)監(jiān)控各電池，所以變量與管理相對(duì)的非常多，大部分的處理采取定時(shí)插入方式。由于插入是每隔50ms進(jìn)行一次，所以block 0與block1的處理，是以100ms間隔交互執(zhí)行，最后的插入處理含有將內(nèi)部變量當(dāng)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(diǎn)滅方式顯示。圖中的“預(yù)備充電”是指未檢測(cè)－δv，強(qiáng)制性充電時(shí)段而言，電池裝設(shè)后會(huì)本快速充電器會(huì)持續(xù)三分鐘進(jìn)行預(yù)備充電，主要原因是針對(duì)長(zhǎng)期放置的電池充電時(shí)，充電初期會(huì)產(chǎn)生所謂的－δv現(xiàn)象，為避免充電器停止充電，所以作預(yù)備性充電設(shè)計(jì)，此外已充電的4號(hào)電池若作turbo充電時(shí)，會(huì)有過(guò)充電之虞，基于安全考慮預(yù)備充電時(shí)間被設(shè)計(jì)成三分鐘。

本快速充電器亦可支持2號(hào)電池的充電，所以總時(shí)間被設(shè)計(jì)成180min；如果是3號(hào)以下小電容鎳氫、鎳鎘電池充電時(shí)，充電時(shí)間大約90分即可。圖11是3號(hào)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(cè)試時(shí)裝填兩個(gè)電池，并以2a最大充電電流的turbo mode 2方式進(jìn)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(wú)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(dāng)作溫度檢測(cè)用thermistor的輸出，亦可當(dāng)做電池pack的充電機(jī)。為配合鎳氫、鎳鎘電池的容量，所以充電電流被設(shè)計(jì)成170ma，由于本充電器的充電對(duì)象為006型鎳氫、鎳鎘電池、因此未作復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，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(jiǎn)單。

雖然active charger的電池充放電時(shí)間比較長(zhǎng)，不過(guò)卻可利用easy comm、easy gpib與excel等軟件，以及簡(jiǎn)單的硬件工具縮短充放電時(shí)間，并大幅改善測(cè)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(fèi)者不再受到電池?cái)?shù)量的限制，可隨時(shí)作單數(shù)電池快速充電。