很多年前，由于電池電量不足，我被困在家里-因?yàn)槲易≡陔x最近城鎮(zhèn)約10英里的一個(gè)農(nóng)場(chǎng)里。我想出的解決方案很大程度上歸功于那個(gè)最不可或缺的“家庭實(shí)驗(yàn)室”項(xiàng)目，并受到手頭組件，無(wú)處不在的LM723和2N3055，一系列精選電阻器和一些微調(diào)電位器的限制。事實(shí)證明，它很容易構(gòu)建在一塊Veroboard上，可靠，而且我后來(lái)發(fā)現(xiàn)“一個(gè)好主意”，僅僅是一個(gè)當(dāng)前有限的恒定電壓供應(yīng)，幾乎不需要維護(hù)或記錄。

三十年過(guò)去了，老化的電池和很少使用的SUV必須保持充電狀態(tài)，促使人們對(duì)舊設(shè)計(jì)進(jìn)行了全新的審視。我不是一個(gè)luddite，我的職業(yè)生涯大部分都是在采礦和化學(xué)工業(yè)中編程PLC，但我在RF研發(fā)實(shí)驗(yàn)室里磨牙了，所以從內(nèi)心來(lái)說(shuō)，我是一個(gè)模擬人，并且考慮到要求使我確信使用稱(chēng)為“焊接”的舊編程語(yǔ)言，并實(shí)現(xiàn)模擬組件所需的邏輯。這也意味著該電路可用于“升級(jí)”任何舊的充電器。我喜歡模擬解決方案！

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充電鉛酸細(xì)胞

一項(xiàng)小小的研究表明，汽車(chē)鉛酸電池與深循環(huán)或固定電池不同。汽車(chē)電池設(shè)計(jì)用于最大化起動(dòng)的電流容量，并且不能很好地響應(yīng)深度放電或浮充電（也稱(chēng)為階段3充電循環(huán)）。起動(dòng)器電池的板結(jié)構(gòu)使表面積最大化并且電解質(zhì)比重（SG）高于其他電池以提供高起動(dòng)電流。與固定電池一樣，允許汽車(chē)電池保持深度放電狀態(tài)，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)變成穩(wěn)定的晶體形式并沉積在負(fù)極板上。浮充電另一方面，汽車(chē)電池很容易導(dǎo)致過(guò)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(chē)和深循環(huán)類(lèi)型而言是不同的;此外，充電電壓應(yīng)在環(huán)境溫度下以每攝氏度3mV以上25℃的速率降低。

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(guò)圖2的電路實(shí)現(xiàn)，其在電流限制中迫使階段1的相對(duì)恒定的充電電流，并且當(dāng)充電電流減小到階段2的電流限制恒定電壓模式以下時(shí)。這里的一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則是當(dāng)電流不再減小時(shí)，電池充滿電。

硬或永久硫酸化是時(shí)間和放電狀態(tài)的函數(shù)，因此如果車(chē)輛不能正常使用，建議采用一些監(jiān)測(cè)電池電壓的方法，并在電壓降至低于滿充電電壓的某個(gè)點(diǎn)時(shí)重新開(kāi)始充電過(guò)程。在設(shè)定啟動(dòng)階段1充電的設(shè)定值時(shí)，考慮車(chē)輛的放電率。

有關(guān)充電速率，電流，電壓和浮動(dòng)電壓的精確值的數(shù)據(jù)因源而異。然而，從大多數(shù)來(lái)源的主要收獲是，為了在不降低其壽命的情況下對(duì)電池進(jìn)行最佳充電，不要讓它過(guò)熱，不允許發(fā)生硬硫化，不允許放氣，并且不要過(guò)度飽和。本設(shè)計(jì)理念試圖盡可能簡(jiǎn)單地使用除烙鐵，螺絲刀和萬(wàn)用表之外的其他設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)此目的。

這個(gè)怎么運(yùn)作

D4是一種完全可選的嘗試，可以在環(huán)境溫度下降低充電電壓。它在實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)行良好，但在德克薩斯夏季的炎熱天氣中它的表現(xiàn)還有待觀察！一般認(rèn)為，如果環(huán)境溫度超過(guò)49oC/120oF，則不應(yīng)進(jìn)行充電，以延長(zhǎng)電池的使用壽命。

U1和Q1形成恒壓限流電源，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(cè)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作為比較器連接，其設(shè)定值位于非反相輸入端，由VR1提供。只要來(lái)自U2的負(fù)載（充電）電流信號(hào)高于設(shè)定值U3，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)設(shè)置為最大充電電流的3-5％。這可以通過(guò)電阻負(fù)載或通過(guò)監(jiān)控電池充電周期來(lái)完成，并觀察充電器變平的電流（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(zhǎng)達(dá)13個(gè)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肈1，從而允許Q2關(guān)斷，從而使RL1斷電。

PSU在CCM上方運(yùn)行，直到負(fù)載電流降至電流限制閾值以下。當(dāng)電池電壓低于12.96V時(shí)，充電周期開(kāi)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打開(kāi)。

調(diào)整順序

步驟1：調(diào)整VR210k電位器，在空載條件下設(shè)置Vout=14.1V，以設(shè)置恒定電壓

步驟2：調(diào)整VR4a/b1k電位器，在短路情況下將電流限制設(shè)置為所需值

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)VR110k電位器以斷開(kāi)繼電器1（RL1），以斷開(kāi)電池連接

步驟4：當(dāng)電池電壓低于12.5和12.6V之間時(shí)，調(diào)整VR310k電位器以關(guān)閉繼電器1（RL1）。

U4監(jiān)視電池電壓，也作為比較器連接;然而，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)榈碗娖剑油≦2，激勵(lì)RL1，并向電池施加充電電流。當(dāng)電池電壓超過(guò)設(shè)定值時(shí)，U4的輸出將變?yōu)楦唠娖讲⒎聪蚱肈2，從而允許Q2關(guān)斷并斷開(kāi)RL1的電源。VR3用于將電池電壓調(diào)整到VR1提供的設(shè)定值。使用一個(gè)設(shè)定值來(lái)節(jié)省電流和電壓！

U3和U4的輸出是二極管“或”，因此U3，U4，D1，D2，Q2和RL1以及電池形成一個(gè)控制回路，以提供充電周期的自動(dòng)控制。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。

可以更改元件值以適應(yīng)現(xiàn)有的情況，但電阻器比率應(yīng)保持在它們相互作用的位置，以允許類(lèi)似的調(diào)節(jié)范圍。RL1的一個(gè)不錯(cuò)的選擇是任何高電流汽車(chē)?yán)^電器，但Q2和RL1附近的元件值將取決于RL1的線圈電阻。使用的繼電器是10A，12V1000Ω型。

單極開(kāi)關(guān)可切換U5的輸入，以顯示電流輸出或電表上的電池電壓。

只要輸出可以在任一軌道的約200mV范圍內(nèi)擺動(dòng)，就可以使用任何運(yùn)算放大器。LM358用作U3和U4位置的比較器，因?yàn)樗鼈兙驮谘矍埃瑧?yīng)用程序的粗糙度允許它，但如果需要，可以替換任何單個(gè)電源比較器。如果Q1是達(dá)林頓且R1值減小，則可以增加最大電流。模擬中使用的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。

控制電路升級(jí)最初使用LTspice進(jìn)行模擬，然后在無(wú)焊接的原型板上進(jìn)行構(gòu)建以進(jìn)行評(píng)估，并且正在添加到現(xiàn)有的充電器中，如圖4和圖5所示。

設(shè)計(jì)理念應(yīng)該注意的是，不同的源給出了電池和充電電壓的顯著不同的值。由于導(dǎo)致硬硫酸鹽化或腐蝕的低壓和高壓之間的差異以及不導(dǎo)致硬化硫化或腐蝕的壓差非常小，因此有必要檢查電池制造商關(guān)于所維持的特定電池的數(shù)據(jù)。不同的光源還提供了一個(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)，充電電流逐漸減小并停止減小的點(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(cè)量。