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什麼是搭載MCU的電池充電器/充電裝置?實現小型化･高效率･長壽命的次世代充電技術
MCU搭載電池充電器可透過單晶片高精度控制充電曲線及OVP、OCP等保護功能。透過韌體更新亦可輕鬆變更規格，UNIFIVE能依用途提供客製化對應。
目次
本文重點
- 搭載MCU的電池充電器, 是將充電控制, 保護功能, 狀態監測以單晶片高精度數位控制實現的次世代充電技術。
- 僅透過韌體更新即可變更充電曲線與保護閾值, 無需變更硬體即可進行規格調整與功能新增。
- UNIFIVE依據客戶用途與電池規格, 提供搭載MCU充電器的客製化服務。歡迎自企劃階段起隨時與我們聯繫洽詢。
搭載MCU的電池充電器/充電器是一種以微控制器(MCU)單晶片控制充電曲線(方式)以及OVP/OCP等各種保護功能的充電技術。與傳統類比控制式充電器相比, 透過MCU的高度數位控制可實現高精度充電與高安全性, 並可透過韌體更新靈活變更規格。
本文將從AC變壓器製造商的技術觀點, 說明搭載MCU充電器的原理、優點、可設定參數以及充電控制方式。
什麼是MCU? - 微控制器基礎
MCU(Microcontroller Unit)是將CPU･記憶體･I/O整合於單一晶片上的超小型電腦。廣泛應用於家電與工業設備, 近年也內建於電池充電器中, 用於實現高度數位控制。
傳統上由類比IC或硬體電路執行的充電控制, 透過軟體實現後, 可達成功能整合與更具彈性的控制。內建MCU的充電器能即時讀取電池電壓･電流與溫度資訊, 並透過軟體演算法調整至最佳充電電流與電壓。
搭載MCU的電池充電器被選擇的3大理由
圖1:搭載MCU的充電器被選擇的3大理由
1. 多功能化與系統整合
可將電池狀態診斷(電壓・溫度監控)、充電控制、與外部設備通訊,以及OVP(過電壓保護)・OCP(過電流保護)等保護控制整合於單一晶片中。以往需要個別IC或電路才能實現的功能,現在透過單一MCU即可完成,有助於減少零件數量並提升電路設計的自由度。
2. 透過軟體靈活變更規格
可僅透過軟體改寫即可實現充電演算法與設定檔的調整。例如,可將標準的CC-CV充電改為脈衝充電方式,或將充電電壓・電流的閾值調整為電池製造商建議值等客製化設定,皆可透過韌體更新完成。無需變更硬體即可新增或改良功能,有助於縮短開發期間,並打造更具未來升級彈性的設計。
3. 多重保護與即時監控
MCU能高速處理感測器資訊,因此可高精度執行OVP/OCP/OTP(過溫度保護)等多種保護功能。偵測到異常時,可立即停止充電或進行安全關機等即時保護。由於可隨時監控並記錄充電中的電壓,電流值與溫度,也可用於掌握電池狀態與預測劣化。
搭載MCU的電池充電器主要特點
| 特點 | 內容 |
|---|---|
| 保護功能的自訂設定 | OVP/OCP/OTP等各種保護的閾值與動作延遲時間, 可依應用需求任意設定. 在避免不必要關機的同時, 確實保護設備. |
| 長時間峰值電流自動控制 | 即使在需要暫時性大電流的情況下, 也可透過程式控制峰值電流的持續時間. 例如"可容許最大輸出的150%達5秒"等, 能夠實現靈活的電流曲線設定. |
| 多路輸出的整合監控 | 僅需一顆MCU即可集中監控與控制多個通道的輸出電壓與電流. 有助於簡化配線與控制系統, 並優化整體系統效率. |
| 風扇ON/OFF溫度聯動 | 根據溫度感測器數值自動控制風扇運轉. 僅在必要時啟動, 實現降噪, 節能與減少灰塵吸入. |
| 警報訊號對外輸出 | 當偵測到電源異常或電池異常時, MCU會立即向外部系統輸出警報訊號. 亦可支援IoT時代的智慧監控. |
MCU電路組裝在AC變壓器內的哪個位置？
圖2: AC變壓器內部的MCU配置(結構圖)
MCU電路通常會被組裝在AC變壓器內部的低電壓側(二次側電路)。在隔離型AC變壓器的情況下, MCU會設置在經由變壓器隔離的二次側, 並透過光耦合器等元件來控制一次側的開關IC。
MCU在監控電池的電壓與電流的同時, 驅動充電用DC-DC轉換器或開關元件, 以實現跨越一次側與二次側的數位回授控制。原本由類比控制器IC所負責的功能, 由MCU軟體加以取代, 並作為充電器的「大腦」發揮作用。
MCU軟體可調整的主要參數
在搭載MCU的電池充電器中,以下充電控制參數可透過軟體進行精細設定與調整。可依電池種類與用途自訂最佳數值,提升充電的安全性與效率。
| 參數 | 概要 | 設定範例 |
|---|---|---|
| 預充電切換電壓 | 從預充電切換至主充電的電壓閾值。為使深度放電電池安全恢復的起始點。 | 鋰離子電池:約3.0V |
| 預充電電流 | 對深度放電電池於初期階段施加的預充電電流。通常約為滿充電電流的10%(0.1C)。 | 2000mAh電池:約200mA |
| 後充電啟動電壓 | 主充電完成後開始補充充電(涓流充電)的電壓閾值。 | 鉛酸電池的浮充切換點等 |
| 後充電電流 | 為維持滿電狀態的微小涓流電流。長時間使用時需抑制在適當數值。 | 「以○○mA維持充電○小時」等 |
| 充電完成電壓 | 判定為滿電的目標電壓(浮充電壓)。亦可為延長壽命而設定較低數值以提升安全性。 | 鋰離子:4.2V/每顆(可變4.1V~4.35V) |
| 再充電電壓 | 滿電後因電壓下降而自動重新開始充電的閾值。設定時需保有遲滯。 | 鋰電:滿電4.2V對應約4.1V |
| 電池檢出時間 | 用於判定電池有無與狀態的檢測時間。若在一定時間內無電壓恢復,則判定為異常或未連接。 | 以微小電流測試數秒 |
| 輸出過電壓保護(OVP) | 充電中若電壓可能上升至設定值以上,MCU會立即限制或切斷輸出。閾值可程式化設定。 | 鋰電:超過4.25V即切斷 |
| 輸出過電流保護(OCP) | 偵測到超出預期的大電流時限制或切斷電流。延遲時間亦可精細設定。 | 端子短路或內部短路時立即切斷 |
| 安全計時器時間 | 整體充電的逾時設定。若在一定時間內未完成充電,則視為異常並強制終止的安全措施。 | 依電池容量設定 |
| 預充電計時器 | 預充電專用逾時計時。若在規定時間內電壓未恢復,則判定電池不良並中止。 | 30分鐘內未達規定值則錯誤 |
透過最佳化各項閾值,計時器,電流與電壓數值,可實現依電池種類與狀態量身打造的充電曲線,同時兼顧快速充電,安全保障與延長電池壽命。
代表性的充電控制方式
搭載MCU的充電器可透過軟體實現各種充電方式,因此能根據用途採用最佳化的控制演算法。
定電流・定電壓控制(CC-CV方式)
圖3: CC-CV充電曲線概念圖
這是鋰離子電池中標準採用的方式。首先透過CC（定電流）充電使電池電壓逐漸上升，當達到規定的最大電壓（充電完成電壓）後，切換為CV（定電壓）充電，在逐步降低電流的同時持續充電。在CV階段當電流降低到足夠小時，即判定充電結束。在MCU控制下，可靈活設定CC電流值、CV電壓值以及結束判定電流（終止電流）等參數。
脈衝充電 & 刷新充電
脈衝充電是以間歇性電流脈衝進行充電的方式, 對鉛酸電池等特別有效。透過施加高電壓脈衝, 可去除蓄電池內部累積的硫酸鉛結晶(硫化現象), 有助於恢復容量並降低內部電阻。
在鎳氫電池(Ni-MH)與鎳鎘電池中, 為了緩解記憶效應造成的容量下降, 會先進行放電再重新充電, 這種方式稱為刷新充電。若採用MCU控制, 這些複雜的模式也可透過軟體執行, 從而實現符合電池特性的最佳化充電。
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搭載MCU的電池充電器是大幅提升充電精度、安全性與運用彈性的關鍵技術。
UNIFIVE憑藉豐富實績所累積的多重保護設計與韌體客製化對應，為客戶提供最優化的充電解決方案。
從特殊充電曲線的實現到量產階段，我們皆可自企劃階段起提供支援。
常見問題(Q&A)
搭載MCU的充電器與傳統類比充電器有何不同?
傳統類比充電器透過硬體電路進行充電控制, 而搭載MCU的充電器則以軟體進行數位控制。因此可靈活調整充電參數, 高精度執行多重保護功能, 並可透過韌體更新變更規格。
搭載MCU的充電器可支援哪些電池?
可支援鋰離子電池, 鎳氫電池, 鉛酸電池等多種類型電池。由於充電設定檔(CC-CV, 脈衝充電, 修復充電等)可透過軟體切換, 因此能依據電池種類實現最佳化充電控制。
充電參數可客製化到何種程度?
充電電壓與電流閾值, 保護功能(OVP・OCP・OTP)的動作點, 安全計時器時間, 預充電條件等, 幾乎所有與充電相關的參數皆可透過軟體進行設定與變更。亦可依電池製造商建議值進行調整。
量產後可以變更充電規格嗎？
搭載MCU的充電器的一大優勢之一,就是可透過韌體更新來變更規格。無需變更硬體即可調整充電曲線與閾值,因此在量產後進行升級或對應新的電池也相當容易。
UNIFIVE可以提供哪些客製化服務？
我們可根據客戶的電池規格與用途設計充電曲線,優化保護閾值,進行韌體客製化開發與小型化設計等,從企劃階段到量產提供一站式支援。歡迎隨時與本公司業務聯繫洽詢。