第四章 硬體電路實現
4.2 充電電路元件設計
4.2.3 TI Gas Gauge Bq27200
Bq27200 為德州儀器製造之電池量測晶片[34]如圖 4.13 所示，其主要的功能在 於單一 cell 鋰電池的監控與回報。在監控上，Bq27200 藉由量測電流取樣電阻的電 壓降，判斷電池目前為充電或放電，且紀錄電流大小;並藉由與電池並聯，量測電池 的電壓。其內部具有溫度補償，自放電補償與電池容量校正等功能，可在電池充放電 時準確量測電壓、電流與電量等參數。在回報上，採用I C 串列傳輸介面，可與微控2 制器進行通訊。
在應用電路上，Bq27200 的工作電壓V 在 2.4V~4.5V，最大消耗電流為 90uA，CC
因此可藉由電池本身的電量供給 Bq27200 工作。RBI(PING1)連接外部電容當電池電壓 低於工作電壓時產生備用的電量供給內部暫存器工作。
在電池連接方面，將鋰電池正端接在 BAT(PIN6)、負端接在 SRP(PIN8)藉由這兩 根 PIN 腳量測電池電壓。將 Bq27200 的 PACK+端與電池正端連接，PACK-端連接保護 電路後與 SRN(PIN7)連接，產生電池與 Rs 電阻串聯，此串聯電阻的電壓藉由 SRP 與 SRN 間的跨壓量得，進而換算成電流值。當充電時，電流由 PACK+流入，流經電池與 Rs 電阻再流出 PACK-形成迴路。I C 傳輸介面，藉由 SCL(PING4)與 SDA(PING5)連接2 保護電路後接出。
圖 4.13 Bq27200 應用電路(節錄自 TI Bq27200 Datasheet)
4.2.4 I C (Internal Integrated Circuit) 介紹 2
I C 是內部整合電路的稱呼，是一種串列通訊匯流排，使用多主從架構，由飛利2 浦公司在1980 年代位了讓主機板、嵌入式系統或手機用以連接低速周邊裝置而發 展。I C 只使用兩條雙向開放集極(Open Drain)(串列資料(SDA)及串列時脈(SCL))並利2 用電阻將電位上拉。I C 允許相當大的工作電壓，但典型的電壓位準為+3.3V 或+5V。2 圖4.14 為本論文的連接範例 Master 為 PIC16F877，Slave 為 Bq27200。
I C 在傳輸上由許多條件組成[35]，這些條件限制了何時應該開始傳輸、何時停2
圖 4.14 PIC16F877 與 Bq27200 連接方式
Start SCL = 1 SDA = 1 to 0 Restart SCL = 1
SDA = 0 to 1 followed 1 to 0 Stop SCL = 1
SDA = 0 to 1 Acknowledged SCL = 0 to 1 to 0
SDA = 0 Not-
Acknowledged
SCL = 0 to 1 to 0 SDA = 1
Data Transfer
SCL = 1 SDA = DATA
Read Example
Write Example
表4.2 I C 指令與訊號對應表 2
4.2.5 Microchip PIC16F877 外部電路
PIC 微控制器[36]，是一種使用 Harvard 架構的 8bit 單晶片微控制器，由 Microchip 公司研發而成，其採用最低限度的精簡指令集，僅有35 個基本指令故執行速度較快。
PIC 每執行一個指令需要 4 個震盪週期，每個震盪週期執行的流程分別是，讀取指令、
指令解碼、資料轉移、程式計數器遞增。
如圖 4.15 為 16F877 接腳圖， 本論文的應用除了 VDD、VSS、外部震盪源 PING13(OSC1)、PING14(OSC2)外，使用了 PIN18(SCL)、PIN23(SDA)為串列通訊埠與 Bq27200 溝通使用。RD0~RD7、RB0~RB3 共 12bit 設為並列通訊埠，傳遞控制訊號給 AD7541A 使用。第一跟 PING 腳為 MCLR 作為 Reset 之用，將其經由 Rp 電阻拉至高電 位。震盪源方面，使用 4MHz 之石英震盪器，15pF 之濾波電容。因此，每個指令的操 作時間為 1us。
圖 4.15 PIC16F877 電路圖
4.3 PIC16F877 控制韌體流程 與欲讀取參數的記憶體位子。且設定PIC 中各項暫存器如 SSPCON、SSPCON2、
SSPSTAT、SSPADD 等參數的讀取與判斷。各個暫存器的功能如下所示 : Control)、BF(Buffer Full)。
SSPADD : 為選擇與外部通訊的傳輸速率 Baud Rate 單位為(k bits per second)
第三部份，根據 Bq27200 回報的電池狀態決定下個時段的充電模式及充電電流。
當電池電壓低於 CV 轉折電壓 4.3V 時，使用定效率充電模式，若大於則轉換定電壓 4.2V 充電模式。進入定電壓充電模式後將 CV 旗標設為 1，表示此後都直接採用 CV 充電，不需再判斷電池電壓狀態。整個決策流程如圖 4.17 所示。
第四部份，計算充電電流的流程如圖 4.16 所示，首先轉換過後電量換算成 SOC 利用 EMF 的 LUT 查表查出目前的 EMF 電壓。接著使用電池的電壓、電流、EMF 計算目 前電池等效內阻 bat bat
bat
V - EMF R =
I 。藉由期望的效率值換算出Vexp 電壓，此電壓代 表在期望的效率之下，下個充電電流段應達到的電壓值。接著利用期望電壓Vexp 與
R 、 EMF 算出下個時段的控制電流bat Icontrol。在定效率模式下，當電池 SOC 改變才 會觸發計算新的充電電流值，否則維持上個觸發點的充電電流。為了達到快速充電的 目的，當計算出來的控制電流小於初始電流時，則輸出電流控制採用上個時段的充電 電流。當 CV 旗標被設為 1 時，表示充電電壓曾高於 4.3V，直接轉為 CV 模式。當電 池電壓仍大於 4.2V，將輸出控制電流減少 10mA 以維持電池的定電壓。當在 CV 模式 下，電池的充電電流已經小於 128mA 表示電池已經充飽，進入充電截止模式。
圖 4.17 定效率快速充電決策流程圖
4.4 硬體結果討論
首先使用圖 4.1 充電電路架構模擬定電流定電壓充電。首先先設定一定電流對電 池做充電，藉由 Gas Gauge 量測電壓傳遞給 PIC16F877。當回傳回來的電壓大於 4.3V 時，即轉入定電壓充電。此時的定電壓充電模式為，當回授電壓值大於 4.2V 時，即
1 501 1001 1501 2001 2501 3001 3501 4001 4501
取樣點
圖 4.19 定電流定電壓實際電壓圖
但不考慮可程式三用電錶的量測誤差，則其實此兩個現象產生的原因一致。都是 因為輸出電壓值不穩定所致。在第 0 到第 2501 個取樣點前可明顯看出，既使量測到 的電流十分穩定，電池的電壓也會有些許波動。因此，當進入定電壓模式時，若量測 到的電壓比實際值大，則微控制器會持續的將控制電流往下減，直到回授回來的電壓 小於 4.2V 為止。在此時就會發生控制電流減過頭，小於實際定電壓模式下應該有的 電流值而維持穩定一段時間(如第 2501 到第 3001 個取樣點間)。此現象在電流值較大 的時候比較容易發生，在電流值比較小(第 3001 取樣點後)的時候就穩定許多。
這樣的現象明顯會影響到固定效率控制器的輸出電流，因為取樣回來的電壓值要 是過大則會使得輸出電流下降，要是取樣回的電壓過小則會使輸出電流過大。因此，
為了修正這個問題我們將定電壓模式下的電流遞減步階減小使得不會因造成太多影 響。或者必須重新設計直流對直流轉換器，使得輸出電壓漣波再更小，儘可能的降低 輸出電壓漣波對負載的影響。
圖 4.20 為定效率追蹤實際電流圖，其橫軸為取樣點每個取樣點約為 0.93 秒，縱 軸為電流。觀察圖 4.20 發現與在使用 LABVIEW 時相同，電流在中後半段才開始上升 最大電流值為 1.5A 之後轉定電壓 4.2V 充電，電流逐漸下降至最小設定電流後結束充 電。
圖 4.20 設定控制器效率為 0.915 之定效率追蹤電流圖
圖 4.21 為定效率追蹤實際電壓圖，其橫軸為取樣點每個取樣點約為 0.93 秒，縱 軸為電壓值。在電壓持續上升到 4.3V 之後轉為 4.2V 定電壓充電，最後電壓終值穩定 在 4.2V，與原始設定相同。
定效率追蹤實際電壓圖
3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4
1 601 1201 1801 2401 3001 3601 4201 4801
取樣點
電壓
圖 4.21 設定控制器效率為 0.915 之定效率追蹤電壓圖
第五章 結論與未來方向
5.1 結論
有別於傳統定電流定電壓充電，充電速度不彰。與快速充電技術，充電效率不良 的缺點。本論文提出一固定效率追蹤之演算法，我們希望可以依據電池的內阻與效率 的設定達到快速充電的目的。首先，我們觀察電池的響應行為與其相對應的模型，利 用模型中的 EMF 電壓值作為參考。將電池等效成 EMF 定電壓源與一可變電阻的串聯模 型，並利用此關係在充電過程中得到電池等效內阻的走勢。接著，我們推導充電效率 與外部電壓及 EMF 之間的關係，藉由此關係我們得到控制效率的參數值即為外部電壓 與 EMF 電壓的比值。得到這兩層關係之後，我們先利用效率的關係式算出期望的外部 電壓值，接著利用等效內阻將其轉換成控制電流，來達到固定效率充電。使其充電效 率不至於下降太多的情況下，提升充電電流進而達到快速充電的目的。
數據上我們先使用 LABVIEW 控制軟體控制實際電源供應器證明，採用本論文所提 出的方法可以在犧牲效率0.73% 的情況下，充電速度加快 12.4%，達到犧牲少量效 率得到快速充電的目的。接著我們利用微控制器PIC16F877 建立實際的系統架構也可 達到快速充電的目的。證明其可有效的加快充電速度與降低效率損失。
5.2 未來展望
本論文所提出的方法是根據電池不同的內阻行為，產生不同的控制電流適應性的 對電池作充電。但是我們的方法仍屬於半適應性式的充電法，也就是說必須先對所欲 充電的電池特性有所了解才能使用，例如EMF 電壓值。因此，如何能使我們的方法 變成全適應性充電法，不必了解是什麼電池型號，即可對電池產生適應性的充電，是 未來值得努力的方向。希望可以發展出全適應性高效率充電法，使得電池可以在高效 率的情況下快速充電。
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