一項(xiàng)小研究表明，汽車鉛酸電池不同于深循環(huán)或固定電池。汽車電池旨在最大限度地提高啟動(dòng)電流容量，并且對深度放電或浮充(也稱為第 3 階段充電循環(huán))反應(yīng)不佳。起動(dòng)電池的極板結(jié)構(gòu)使表面積最大化，并且電解液比重 (SG) 高于其他電池，以提供高啟動(dòng)電流。與固定電池一樣，允許保持在深度放電狀態(tài)的汽車電池會(huì)經(jīng)歷永久硫酸化，其中在放電期間產(chǎn)生的小硫酸鉛晶體轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的晶體形式并沉積在負(fù)極板上。浮充另一方面，汽車電池很容易引起過飽和，導(dǎo)致正極板氧化，從而縮短電池壽命。因此，充電電壓和充電周期非常關(guān)鍵，并且對于汽車和深周期類型是不同的;此外，充電電壓應(yīng)隨環(huán)境溫度以高于 25oC 每攝氏度 3mV 的速率降低。
圖 1 顯示了第 1 階段和第 2 階段的充電周期。第 1 階段和第 2 階段可以通過圖 2的電路來完成，在電流限制中，第 1 階段的充電電流相對恒定，并且隨著充電電流降低到第 2 階段的電流限制恒定電壓模式以下。這里的一個(gè)很好的經(jīng)驗(yàn)法則是即當(dāng)電流不再減小時(shí)，電池已充滿電。
圖 1第 1 階段和第 2 階段充電周期
圖 2原始電源單元 (PSU) 在恒流模式 (CCM) 下運(yùn)行，直到負(fù)載電流降至電流限制閾值以下。調(diào)整順序?yàn)椋?調(diào)整 VR2 10k 電位器，使空載條件下 Vout = 14.1V。
硬或永久硫酸鹽化是時(shí)間和放電狀態(tài)的函數(shù)，因此如果車輛不正常使用，建議采取一些方法來監(jiān)測電池電壓并在電壓降至低于滿充電電壓的某個(gè)點(diǎn)時(shí)重新開始充電過程. 在設(shè)置啟動(dòng)階段 1 充電的設(shè)定點(diǎn)時(shí)，請考慮車輛的放電率。
充電速率、電流、電壓和浮動(dòng)電壓的精確值數(shù)據(jù)因源而異。然而，大多數(shù)來源的主要收獲是，為了在不縮短其壽命的情況下對電池進(jìn)行最佳充電，不要讓它過熱，不要發(fā)生硬硫酸鹽化，不要放氣，不要不會(huì)過飽和。本設(shè)計(jì)理念試圖使用除烙鐵、螺絲刀和萬用表之外的任何設(shè)備盡可能簡單地完成此操作。
這個(gè)怎么運(yùn)作
圖 3 顯示了完整的電路，該電路提供恒定電壓電流限制操作以完成充電階段 1 和 2，一旦充電電流降低到大約 200mA的穩(wěn)定值，就會(huì)移除充電電壓，并在電池放電至點(diǎn)低于 12.6V。使用微調(diào)電位器允許在設(shè)置充電器時(shí)有一定的自由度，以便它可以滿足大多數(shù) 12V 汽車電池的充電要求。
D4 是一種完全可選的嘗試，可根據(jù)環(huán)境溫度降低充電電壓。它在實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)行良好，但它在德克薩斯州炎熱的夏季中表現(xiàn)如何還有待觀察!一般認(rèn)為，如果環(huán)境溫度超過 49oC/120oF，則不應(yīng)進(jìn)行充電，以延長電池的使用壽命。
U1 和 Q1 構(gòu)成恒壓限流電源，VR2 設(shè)置最大充電電壓，VR4 設(shè)置電流限制。D4 在大約 4mV/oC 時(shí)提供一些熱降額。
差分放大器 U2 調(diào)節(jié)電流檢測電阻器 R1 上的信號(hào)，并將調(diào)節(jié)后的信號(hào)施加到 U3 的反相輸入端。U3 作為一個(gè)比較器連接，其設(shè)定點(diǎn)位于由 VR1 提供的同相輸入端。只要來自 U2 的負(fù)載(充電)電流信號(hào)高于設(shè)定點(diǎn) U3 的輸出就會(huì)為低電平，從而使 RL1 通電并向電池提供充電電流。設(shè)定點(diǎn)應(yīng)設(shè)置為代表最大充電電流的 3-5%。這可以通過電阻負(fù)載或通過監(jiān)控電池充電周期并觀察充電器在什么電流下變平來完成(圖 1)。根據(jù)充電電流和初始充電狀態(tài)，此方法可能需要長達(dá) 13 小時(shí)左右，但這是更好的方法。一旦充電電流低于設(shè)定值，U3 的輸出將變?yōu)楦唠娖讲⒎聪蚱?D1，從而使 Q2 關(guān)閉，從而使 RL1 斷電。
圖 3完整修改后的 PSU 電路
PSU 在上述 CCM 模式下運(yùn)行，直到負(fù)載電流降至電流限制閾值以下。當(dāng)電池電壓降至 12.96V 以下時(shí)，充電周期開始，導(dǎo)致 RL1 關(guān)閉。當(dāng)充電電流降至 200mA 以下時(shí)，充電周期結(jié)束，導(dǎo)致 RL1 開路。
調(diào)整順序
第一步：調(diào)整VR2 10k pot 設(shè)置Vout = 14.1V 在空載條件下設(shè)置恒定電壓
第 2 步：調(diào)整 VR4a/b 1k 電位器以在短路條件下將電流限制設(shè)置為所需值
第三步：調(diào)節(jié) VR1 10k 電位器打開繼電器 1(RL1)，斷開電池，當(dāng)負(fù)載電流低于充電電流(或飽和電流)的 3-5% 時(shí)
第 4 步：當(dāng)電池電壓降至 12.5 和 12.6V 之間的某個(gè)位置以下時(shí)，調(diào)整 VR3 10k 電位器以關(guān)閉繼電器 1 (RL1)。
U4監(jiān)控電池電壓，也作為比較器連接;然而，它的設(shè)定點(diǎn)連接到反相輸入，因此，當(dāng)電池電壓低于設(shè)定點(diǎn)時(shí)，U4 的輸出將變?yōu)榈碗娖?，打開 Q2，激勵(lì) RL1，并向電池施加充電電流。當(dāng)電池電壓高于設(shè)定值時(shí)，U4 的輸出將變?yōu)楦唠娖讲⒎聪蚱?D2，從而使 Q2 關(guān)閉并使 RL1 斷電。VR3 用于將電池電壓調(diào)整到 VR1 提供的設(shè)定值。對電流和電壓使用一個(gè)設(shè)定點(diǎn)可以節(jié)省幾個(gè)電阻!
U3 和 U4 的輸出經(jīng)過二極管“或”運(yùn)算，以便 U3、U4、D1、D2、Q2 和 RL1 與電池形成控制回路，以提供充電周期的自動(dòng)控制。需要調(diào)整包含 RL1 和 Q2 的電路中的組件以適應(yīng) RL1 的線圈電阻。
可以更改組件值以適應(yīng)手頭的情況，但應(yīng)在它們相互作用的地方保持電阻比以允許類似的調(diào)整范圍。RL1 的一個(gè)不錯(cuò)的選擇是任何大電流汽車?yán)^電器，但 Q2 和 RL1 周圍的元件值將取決于 RL1 的線圈電阻。使用的繼電器為 10A、12V 1000Ω 型。
單極開關(guān)切換 U5 的輸入以在儀表上顯示電流輸出或電池電壓。
任何運(yùn)算放大器都可以使用，只要其輸出擺幅在任一軌的約 200mV 范圍內(nèi)即可。LM358 被用作 U3 和 U4 位置的比較器，因?yàn)樗鼈冊谑诌叄⑶覒?yīng)用程序的粗糙性允許這樣做，但如果需要，可以替換任何單電源比較器。如果 Q1 是達(dá)林頓并且 R1 的值減小，則可以增加最大電流。仿真中使用的 LT1413 是板上使用的 LM358 的替代品。U2 可以用集成電流傳感器代替，例如 LTC6102。
控制電路升級最初使用 LTspice 進(jìn)行仿真，然后構(gòu)建在無焊原型板上進(jìn)行評估并正在添加到現(xiàn)有充電器中.
應(yīng)該注意的是，不同的來源為電池和充電電壓提供了顯著不同的值。由于導(dǎo)致硬硫酸鹽化或腐蝕的低電壓和高電壓之間的差異非常小，因此值得檢查電池制造商關(guān)于正在維護(hù)的特定電池的數(shù)據(jù)。不同來源還給出了在 0.1oC 或最大充電電流的 3-5% 時(shí)停止充電的經(jīng)驗(yàn)法則。當(dāng)施加正確的充電電壓時(shí)，充電電流逐漸減小并停止下降的點(diǎn)是確定何時(shí)停止充電的最佳方式。一個(gè)充電周期應(yīng)提供所需的測量。
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