多年前，我曾因?yàn)槠嚨?u>電池沒電而被困在家里，因?yàn)槲易≡谝粋€(gè)距最近的城鎮(zhèn)都有10英里的農(nóng)場里。我最終想出了解決辦法，這要?dú)w功于我家那個(gè)不可或缺的“家庭實(shí)驗(yàn)室”，雖然其中只有幾個(gè)元器件，包括LM723和2N3055，以及一些電阻和微調(diào)電位器。事實(shí)證明，用一塊面包板可以很容易地搭建起來，很可靠。而且，我后來發(fā)現(xiàn)它僅僅是一個(gè)限流的恒壓源，幾乎不需要維護(hù)或記錄，真是太好了。
三十年了，這輛SUV已經(jīng)很少使用，它的電池已經(jīng)老化但是仍然必須保持充電狀態(tài)，這促使我重新審視舊的設(shè)計(jì)。我不是一個(gè)復(fù)古的頑固派，我的職業(yè)生涯大部分都是在采礦和化學(xué)行業(yè)進(jìn)行PLC編程，但我曾在一家RF研發(fā)實(shí)驗(yàn)室里工作了很久，骨子里我是一個(gè)喜歡模擬電路的人。我使用一種稱為“焊錫”（solder）的古老“編程語言”，來實(shí)現(xiàn)模擬器件所需的邏輯，因此這個(gè)電路設(shè)計(jì)可用于“升級(jí)”任何舊的充電器。我真喜歡模擬方案！
為鉛酸電池充電
稍作研究就會(huì)發(fā)現(xiàn)，汽車用的鉛酸電池與深度充放電循環(huán)的常規(guī)蓄電池不同。汽車電池具有很大的電流容量以起動(dòng)汽車引擎，但不能很好地進(jìn)行深度放電或浮動(dòng)充電（也稱為第3階段充電）。起動(dòng)器電池的極板結(jié)構(gòu)需要表面積最大化，并且電解質(zhì)比重（SG）高于其它電池，以提供大起動(dòng)電流。與常規(guī)蓄電池一樣，汽車電池也可以保持一種深度放電狀態(tài)，經(jīng)歷永久硫酸化，在放電期間產(chǎn)生的微小硫酸鉛晶體轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的晶體形式并沉積在負(fù)極板上。另一方面，對(duì)汽車電池進(jìn)行浮充很容易引起過飽和，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，對(duì)于汽車電池和常規(guī)蓄電池而言它們是不同的。此外，充電電壓應(yīng)該隨環(huán)境溫度的上升而降低，溫度在25oC以上時(shí)每攝氏度應(yīng)降額3mV。
圖1顯示了第1階段和第2階段的充電周期。階段1和2可以通過圖2的電路實(shí)現(xiàn)，當(dāng)充電電流減小到低于階段2恒壓模式的電流限額時(shí)，迫使階段1的充電電流在電流限額內(nèi)保持相對(duì)恒定。一個(gè)經(jīng)驗(yàn)是，當(dāng)電流不再減小時(shí)，表明電池充滿電了。
圖1：第1階段和第2階段充電周期。
圖2：最初的供電單元（PSU）工作于恒流模式（CCM），直到負(fù)載電流降至限流閾值以下。調(diào)整順序?yàn)椋赫{(diào)整VR2 10k電位器，在空載條件下設(shè)置Vout = 14.1V。
硬化或永久硫酸化跟時(shí)間和放電狀態(tài)有關(guān)，因此如果車輛不經(jīng)常使用，建議采用一些監(jiān)測電池電壓的方法，在電壓降至低于滿電壓的某個(gè)數(shù)值時(shí)重新開始充電。在對(duì)階段1進(jìn)行初始充電之前設(shè)定電壓值時(shí)，需要考慮車輛的放電率。
有關(guān)充電速率、電流、電壓和浮動(dòng)電壓的精確數(shù)據(jù)因源而異。從大多數(shù)數(shù)據(jù)來源看，為了在不降低壽命的前提下對(duì)電池進(jìn)行最佳充電，不要讓它過熱，不允許發(fā)生硬硫酸化，不允許析氣，并且不要過飽和。本設(shè)計(jì)實(shí)例旨在盡可能簡單地實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，所使用的工具只有烙鐵、螺絲刀和萬用表。
工作原理
圖3顯示了完整的電路，它提供恒壓限流以完成第1階段和第2階段的充電，一旦充電電流減小到大約200mA的穩(wěn)定值就停止充電，并在電池放電到低于12.6V時(shí)重新開始充電。使用微調(diào)電位器可以在設(shè)置充電器時(shí)有一定的自由度，因此可以滿足大多數(shù)12V汽車電池的充電要求。
D4完全是可選的，可以隨環(huán)境溫度降低充電電壓。它在實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)行良好，但在德州夏季炎熱的天氣下它的表現(xiàn)還有待觀察！通常如果環(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形成恒壓限流源，VR2設(shè)置最大充電電壓，VR4設(shè)置電流限額。D4可提供大約4mV/oC的熱降額特性。
差分放大器U2用于調(diào)節(jié)電流感應(yīng)電阻R1兩端的信號(hào)，并將調(diào)節(jié)后的信號(hào)施加到U3的反相輸入端。 U3作為比較器，其設(shè)定值在非反相輸入端，由VR1提供。只要來自U2的負(fù)載（充電）電流信號(hào)高于設(shè)定值，U3的輸出就會(huì)很低，從而激勵(lì)RL1并向電池提供充電電流。設(shè)定值應(yīng)為最大充電電流的3％~5％。這可以通過阻性負(fù)載、或監(jiān)控電池充電周期并觀察充電器變平緩時(shí)的電流值來完成（見圖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個(gè)小時(shí)左右。一旦充電電流低于設(shè)定值，U3的輸出將變?yōu)楦唠娖讲⒎聪蚱肈1，從而讓Q2關(guān)斷，使RL1斷電。
圖3：修訂后的完整PSU電路。
PSU在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）工作，直到負(fù)載電流降至限流閾值以下。當(dāng)電池電壓低于12.96V時(shí)，充電周期開始，RL1關(guān)閉。當(dāng)充電電流降至200mA以下時(shí)，充電周期結(jié)束，RL1打開。
調(diào)整順序
步驟1：調(diào)整VR2 10k電位器，在空載狀態(tài)下設(shè)置恒定電壓Vout = 14.1V；
步驟2：調(diào)整VR4a/b 1k電位器，在短路狀態(tài)下將電流限值設(shè)置為所期望的值；
步驟3：當(dāng)負(fù)載電流低于充電電流的3％~5％（或飽和電流）時(shí)，調(diào)節(jié)VR1 10k電位器以斷開繼電器1（RL1），從而斷開電池連接；
步驟4：當(dāng)電池電壓降低到低于12.5~12.6V之間的某值時(shí)，調(diào)整VR3 10k電位器以關(guān)閉繼電器1（RL1）。
U4用于監(jiān)控電池電壓，也用作比較器，但它的設(shè)定值連接到反相輸入。因此，當(dāng)電池電壓低于設(shè)定值時(shí)，U4的輸出將變?yōu)榈碗娖?，接通Q2，激勵(lì)RL1，并向電池施加充電電流。當(dāng)電池電壓超過設(shè)定值時(shí)，U4的輸出將變?yōu)楦唠娖讲⒎聪蚱肈2，從而使Q2關(guān)斷并斷開RL1的電源。VR3用于將電池電壓調(diào)整到VR1提供的設(shè)定值。電流和電壓使用相同的設(shè)定值可以節(jié)省幾個(gè)電阻！
U3和U4的輸出是二極管“或”的關(guān)系，U3、U4、D1、D2、Q2和RL1以及電池形成一個(gè)控制回路，以便自動(dòng)控制充電周期。包含RL1和Q2的電路中的元件需要調(diào)整以適應(yīng)RL1的線圈電阻。
元件值可以更改以適應(yīng)當(dāng)前的情況，電阻器比率應(yīng)保持合適的值，以獲得類似的調(diào)節(jié)范圍。至于RL1，任何大電流汽車?yán)^電器都是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。Q2和RL1的元件值取決于RL1的線圈電阻。使用的繼電器是10A/12V/1000Ω類型。
單刀開關(guān)可切換U5的輸入，以便在萬用表上顯示電流輸出或電池電壓。
只要輸出能在任一軌的約200mV范圍內(nèi)擺動(dòng)，使用任何運(yùn)算放大器都可以。LM358用作U3和U4位置的比較器，因?yàn)樗鼈兪乾F(xiàn)成的，而且應(yīng)用相對(duì)成熟了。如果需要，可以替換任何一個(gè)電源比較器。如果Q1是達(dá)林頓管且R1值減小，則可以提高最大電流。仿真中使用的LT1413可替代電路板上使用的LM358。U2可以用集成電流傳感器代替，例如LTC6102。
控制電路的升級(jí)最初使用LTspice進(jìn)行仿真，然后在無焊接的原型板上進(jìn)行構(gòu)建和評(píng)估，最后會(huì)添加到現(xiàn)有的充電器中，如圖4和圖5所示。
圖4：現(xiàn)有的充電器。
圖5：將無焊接的原型板添加到現(xiàn)有的充電器中。
應(yīng)注意的是，不同來源的電池和充電電壓參數(shù)可能有明顯的差別。由于導(dǎo)致硬硫酸化或腐蝕的低壓和高壓之間的差異很小，因此有必要檢查電池制造商的特定電池參數(shù)。不同的來源還提供了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則，即在0.1oC或最大充電電流的3％~5％時(shí)停止充電。當(dāng)施加正確的充電電壓時(shí)，充電電流逐漸減小直到停止減小的那一點(diǎn)，這是確定何時(shí)停止充電的最佳方式。一個(gè)充電周期足以提供所需的測量數(shù)值。
下載文檔
