镍氢/镍镉快速充电器技术介绍

镍氢、镍镉电池用快速充电器虽已成为生活必需品，然而大部份的充电器都无法作单数电池充电。Active Charger具备单数电池充电功能，这种创举使得消费者不再受到电池数量的限制，可随时作单数电池快速充电。本文将为读者介绍可作单数电池充电之快速充电器。

随着各种可携式电子产品的普及化，镍氢、镍镉电池用快速充电器成为生活中的必需品，然而大部份的充电器都无法作单数电池充电，因此本文接着将要介绍可作单数电池充电之快速充电器。

设计规格
(表一)是不受电池容量、放电状态差异，可作单数电池快速充电的「Active Charger」充电器的设计规格一览。镍氢、镍镉电池用于快速充电器设计上常见的问题是电池盒的接触阻抗，尤其是电池盒的负极端经常因阻抗发热溶化变形。此外接触阻抗会造成不稳定的电压下降，形成快速充电器的另一项障碍，因此大部份的充电器进行充电时都会利用方式监控电池电压，一旦充电电压开始减缓就立即停止充电动作，然而实际上该电压变化量非常微小，而且电池电压的检测值包含接触阻抗造成的不稳定电压，因此方式经常造成所谓的误动作现象。
　 项目 规格输入电源 DC5V±5％，2.1A以上电池种类 镍氢、镍镉电池电池容量 可承受1A充电电流的充电电池充电电压 公称值1.2V充电输出数量 4个（不可串联）充电电流 ‧一般模式：4个各1A
‧Turbo 1模式：单颗单独充电时1.6A
‧Turbo 2模式：单颗单独充电时2.0A开始充电 池装填于专用电池盒，连接电池后自动检测停止充电条件 ‧取出电池时
‧检测时
‧total timer的time up（180分）。
‧合併使用break through方式与dV down方式。检测分解能力 full scale约2.18V时为10bit（2.1mV）检测间隔 1秒预备充电 禁止检测时间（3分）装填检测时间 1.5秒显示充电状态 针对各电池，LED点灭闪烁Monitor输出 利用serial间隔100ms，输出内部主要变数

表一　Active Charger设计规格一览
　

 设计步骤
(图一)(a)是三号NiMH（1800mAH）充电电池以1C（1.8A）充电时手指接触电池，电池盒两端与数位多功能电錶连接，并用EasyGPIB收集资料，藉此测试接触阻抗对电池电压影响的结果。若与图一(b)未作手指接触的充电电池的测试结果比较时，图1(a)的电压变动非常明显，不过两图的垂直scale几乎完全相同，这意味着上述两方式都无法利用检测电池电压。
　

图一　使用电池盒的电池电压变化
　

Active Charger利用total充电timer与检测两种方式检测电池的充电完成度。为增加电池的适用范围，所以加长充电timer的设定时间，相对的充电完成度几乎完全依赖的检测，有鑑于此为提高检测精度，因此开发下列两种方案提供使用者选择：

■break through方式
电压下降主要是接触阻抗与充电电流两者相乘的积所造成，基本上零接触阻抗并无法达成，因为充电电流若变成零，理论上就不会发生电压下降现象。如(图二)所示检测电压前与检测电压后，暂时停止充电电流所谓的「break through方式」。

由于本快速充电器具备特殊的充电控制技术，因此无法使用MAX713特殊IC，必需改用8位元微处理器PIC16F876。
　

图二　break through方式的动作特性
　

(图三)是利用图一介绍的电池与Active Charger，进行充电时的充电特性。基本上它是在充电中途用手指触摸电池，使接触阻抗产生变化，接着利用几乎不会对system DMM自动检测造成任何影响的R655检测充电电压，由于DMM的测定值内包含电池盒与connector产生的电压下降成份，因此实际电压变动非常大，不过对PIC微处理器的A-D变换值而言，完全不会造成任何不良影响，由此可知採用break through方式，可以获得正确的电池电压变化资料。

此外本快速充电器是利用serial信号，依序输出PIC微处理器内部变数状态，因此可轻易利用PC监控（monitor）PIC微处理器内部状况，如图三所示。具体方法是利用DMM检测电压，再经过GP-IB与Easy GPIB撷取资料，并用Excel同步观测设备内外的状态。值得一提的是Easy Comm.与Easy GPIB是自行开发的free tool。
　

图三　以1.6A充电时A-D变换值与利用DMM的电池电压测定值
　

■dV counter方式
虽然接触阻抗的影响可以利用break through方式排除，不过充电电流如果发生变动，电池电压也会随着改变，如此一来break through方式就无法发挥预期效果，此外本快速充电器被设计成可作充电电流切换，因此必需採用其它对策，才能有效克服接触阻抗的影响。

(图四)是充电电池的充电曲线实例，由图可知由于充电模式的切换，电池电压会朝下方移动，造成检测电路误动作与停止充电等后果，为防止这种现象因此出现所谓的「dV counter方式」。

若与前测定值比较，dV counter方式即使发生变化，dV counter都可控制在±1范围内，亦即在＋1～－１之间，如果是0的场合便停止counter，因此不会有低于0的困扰。
　

图四　电池电压的测定值成断续性变化
　

(图五)(a)是正常状态时的电池电压与dV counter的变化，由图可知电压变化出现增加趋势时，虽然dV counter维持0状态，不过一旦出现电压变化减缓趋势时，电压变化会随着检测时段逐渐成为counter up状态，到达一定值（大约是4）时，检测便结束充电动作。

图五(b)是充电途中检测值朝下方移动时的dV counter动作特性，由图可知对dV counter的影响，不因电压变动减缓始终维持1 counter，因此几乎不会影响的检测。如果的检测改用微分电路，检测电路在图五(b)状态时，就会发生误动作。有关dV counter，理论上即使检测电压产生巨大变化，dV counter都能控制在±1范围内。
　

图五　充电时电池电压与dV counter的动作特性
　

(图六)是实际充电电压（A-D转换值）与dV counter的动作特性，由图可知虽然充电中途如果改变充电电流，检测值会朝下方移动，不过即使如此对dV counter完全没有影响。一旦接近，dV counter值会呈现上升倾向，直到4 counter时才停止。由于本快速充电器停止充电后，必需重新设定变数所以无法描绘最终值，不过根据以上实验结果显示dV counter方式，基本上已经展现预期的动作效果。
　

图六　A-D转换与dV counter的动作特性
　  电路结构
(图七)是本快速充电器的电路图。虽然利用PIC微处理器可使电路结构变得非常简洁，不过本电路仍可作各种复杂模式的充电动作。有关PIC微处理器周边电路的特性，基于篇幅限制无法详细说明。电路图右侧两个对称部份是本快速充电器的主要电路。

(图八)是主要电路概要说明图，虽然它是由block 0与block 1所构成，不过两个block的动作特性完全相同，因此只介绍block 0的动作特性。

图八的与是简易定电流电路，该电路利用信号CGH12控制2A充电电流的ON/OFF，此外必需注意的是必需作散热设计。（PASS 1）与（PASS 2）是电池盒未装设电池时，可将充电电流作bypass的FET元件。(图九)是未装设电池2时，充电电流的流动方式。由于break through方式检测电池电压，是在与 ON状态下进行，所以与的电压都可获得GND level基准。
　

图七　Active Charger的电路图
　

图八　主要电路概要说明图
　

图九　电池2未装设时，充电电流的流动方式
　  动作模式说明
■normal mode
normal mode是指4颗电池同时充电模式。本快速充电器一旦开始进行充电，就成为normal mode，此时各充电block以50ms的间隔交互ON，因此平均充电电流为1A，4颗电池每颗都是1A合计是4A，不过实际上电源只有2A，所以必需使用已商品化可输出5V，2.3A电力的switching regulator type AC adapter，此外本快速充电器必需装设5V的电源稳压器。

■turbo mode 1与turbo mode 2
若按turbo按键就成为turbo mode。turbo mode共有两种形式，分别是电池3或电池4，其中一个装设时的turbo mode 1，与电池3以及电池4同时装设时的turbo mode 2两种。

由于turbo mode 1必需用FET元件，将充电电流bypass，因此此处利用降低ON的时间，藉此抑制FET的发热量。(表二)是turbo mode 1与turbo mode 2的电流分配特性。
　

Mode ON时间 OFF时间 充电电流 电源电流 备註Normal 50ms 50ms 1A 2A 可同时作1～4个电池充电turbo 1 10ms 40ms 1.6A 1.6A 电池3与4其中一个充电turbo 2 连续ON 2A 2A 电池3与4同时充电 　

表二　各种充电模式的电流分配特性
　

 制作重点
本快速充电器被设计成可作2号、3号、4号各种镍氢/镍镉电池充电，因此採用connector与各电池连接电池盒的方式。值得注意的是电池盒的选用必需非常谨慎，否则电池盒会有溶化（melt）之虞，笔者建议使用Keystone Electronics制作的金属材质电池盒，这种金属材质电池盒具有耐热特性，所以非常适合应用于快速充电器。此外为避免端子部与connector内部短路，因此端子部与connector都必需用热缩套管隔绝。

与两元件会发热，所以装设through hole type散热器（heat sink）增加散热效果；为2.5V驱动的power MOSFET，该MOSFET低gate电压时会变成ON。相反的若不使用FET元件，就无法将电流bypass，同时会造成电池过热问题，换句话说如果使用替代元件时，必需特别注意电池过热问题；由于常见的silicon diode顺电压压降过大，不适合本快速充电器使用，因此分别使用2A等级的shot key barrier diode。外壳钣金为厚1.2mm铝合金制成，正面粘贴有利用back print film制成的装饰panel。

虽然本快速充电器的sequence动作很简易，不过充电时必需单独监控各电池，所以变数与管理相对的非常多，大部份的处理採取定时插入方式。由于插入是每隔50ms进行一次，所以block 0与block 1的处理，是以100ms间隔交互执行，最后的插入处理含有将内部变数当作serial data送信处理成份，因此利用PC撷取该处理结果，并监控内部状态，使用软件则是用MPLAB编写。

充电状态可用(图十)所示的pattern以LED点灭方式显示。图中的「预备充电」是指未检测，强制性充电时段而言。电池装设后，本快速充电器会持续三分钟进行预备充电，主要原因是针对长期放置的电池充电时，充电初期会产生所谓的现象，为避免充电器停止充电，所以作预备性充电设计。此外已充电的4号电池若作turbo充电时，会有过充电之虞，基于安全考量预备充电时间被设计成三分钟。
　

图十　电池充电状态显示用pattern
　

本快速充电器亦可支援2号电池的充电，所以total timer被设计成180分；如果是3号以下小容量镍氢、镍镉电池充电时，充电时间大约90分即可。(图十一)是3号镍氢电池的充电特性。如上所述turbo mode充电可分成turbo mode 1与turbo mode 2两种，因此测试时装填两个电池，并以2A最大充电电流的turbo mode 2方式进行。
　

图十一　3号镍氢电池充电特性
　

利用dV counter与break through方式制成的006型镍氢、镍镉快速充电器的电路使用8pin DIP flash type PIC12F675，电路内建10位元A-D inverter，由于内建URT无monitor输出专用serial输出端子，因此使用软件监控（monitor）电池的充电状态。此外多余的pin可当作温度检测用thermistor的输出，亦可当作电池pack的充电机。为配合镍氢、镍镉电池的容量，所以充电电流被设计成170mA。由于本充电器的充电对象为006型镍氢、镍镉电池，因此未作复杂的电路设计，换言之dV counter与break through方式制成快速充电器的程式也比Active Charger简单。

 结语
虽然Active Charger的电池充放电时间比较长，不过却可利用Easy Comm、Easy GPIB与Excel等软件，以及简单的硬件工具缩短充放电时间，并大幅改善测试方法。整体而言Active Charger具备单数电池充电功能，这种全新创举使得消费者不再受到电池数量的限制，可随时作单数电池快速充电。