为老化的汽车铅酸电池充电

一项小研究表明，汽车铅酸电池不同于深循环或固定电池。汽车电池旨在最大限度地提高启动电流容量，并且对深度放电或浮充(也称为第 3 阶段充电循环)反应不佳。起动电池的极板结构使表面积最大化，并且电解液比重 (SG) 高于其他电池，以提供高启动电流。与固定电池一样，允许保持在深度放电状态的汽车电池会经历永久硫酸化，其中在放电期间产生的小硫酸铅晶体转化为稳定的晶体形式并沉积在负极板上。浮充另一方面，汽车电池很容易引起过饱和，导致正极板氧化，从而缩短电池寿命。因此，充电电压和充电周期非常关键，并且对于汽车和深周期类型是不同的;此外，充电电压应随环境温度以高于 25ºC 每摄氏度 3mV 的速率降低。

图 1 显示了第 1 阶段和第 2 阶段的充电周期。第 1 阶段和第 2 阶段可以通过图 2的电路来完成，在电流限制中，第 1 阶段的充电电流相对恒定，并且随着充电电流降低到第 2 阶段的电流限制恒定电压模式以下。这里的一个很好的经验法则是即当电流不再减小时，电池已充满电。

图 1 第 1 阶段和第 2 阶段充电周期



图 2 原始电源单元 (PSU) 在恒流模式 (CCM) 下运行，直到负载电流降至电流限制阈值以下。调整顺序为： 调整 VR2 10k 电位器，使空载条件下 Vout = 14.1V。

硬或永久硫酸盐化是时间和放电状态的函数，因此如果车辆不正常使用，建议采取一些方法来监测电池电压并在电压降至低于满充电电压的某个点时重新开始充电过程. 在设置启动阶段 1 充电的设定点时，请考虑车辆的放电率。

充电速率、电流、电压和浮动电压的精确值数据因源而异。然而，大多数来源的主要收获是，为了在不缩短其寿命的情况下对电池进行最佳充电，不要让它过热，不要发生硬硫酸盐化，不要放气，不要不会过饱和。本设计理念试图使用除烙铁、螺丝刀和万用表之外的任何设备尽可能简单地完成此操作。

这个怎么运作

图 3 显示了完整的电路，该电路提供恒定电压电流限制操作以完成充电阶段 1 和 2，一旦充电电流降低到大约 200mA的稳定值，就会移除充电电压，并在电池放电至点低于 12.6V。使用微调电位器允许在设置充电器时有一定的自由度，以便它可以满足大多数 12V 汽车电池的充电要求。

D4 是一种完全可选的尝试，可根据环境温度降低充电电压。它在实验室中运行良好，但它在德克萨斯州炎热的夏季中表现如何还有待观察!一般认为，如果环境温度超过 49ºC/120ºF，则不应进行充电，以延长电池的使用寿命。

U1 和 Q1 构成恒压限流电源，VR2 设置最大充电电压，VR4 设置电流限制。D4 在大约 4mV/ºC 时提供一些热降额。

差分放大器 U2 调节电流检测电阻器 R1 上的信号，并将调节后的信号施加到 U3 的反相输入端。U3 作为一个比较器连接，其设定点位于由 VR1 提供的同相输入端。只要来自 U2 的负载(充电)电流信号高于设定点 U3 的输出就会为低电平，从而使 RL1 通电并向电池提供充电电流。设定点应设置为代表最大充电电流的 3-5%。这可以通过电阻负载或通过监控电池充电周期并观察充电器在什么电流下变平来完成(图 1)。根据充电电流和初始充电状态，此方法可能需要长达 13 小时左右，但这是更好的方法。一旦充电电流低于设定值，U3 的输出将变为高电平并反向偏置 D1，从而使 Q2 关闭，从而使 RL1 断电。

图 3 完整修改后的 PSU 电路

PSU 在上述 CCM 模式下运行，直到负载电流降至电流限制阈值以下。当电池电压降至 12.96V 以下时，充电周期开始，导致 RL1 关闭。当充电电流降至 200mA 以下时，充电周期结束，导致 RL1 开路。

调整顺序

第一步：调整VR2 10k pot 设置Vout = 14.1V 在空载条件下设置恒定电压

第二步：调整 VR4a/b 1k 电位器以在短路条件下将电流限制设置为所需值

第三步：调节 VR1 10k 电位器打开继电器 1(RL1)，断开电池，当负载电流低于充电电流(或饱和电流)的 3-5% 时

第四步：当电池电压降至 12.5 和 12.6V 之间的某个位置以下时，调整 VR3 10k 电位器以关闭继电器 1 (RL1)。

U4监控电池电压，也作为比较器连接;然而，它的设定点连接到反相输入，因此，当电池电压低于设定点时，U4 的输出将变为低电平，打开 Q2，激励 RL1，并向电池施加充电电流。当电池电压高于设定值时，U4 的输出将变为高电平并反向偏置 D2，从而使 Q2 关闭并使 RL1 断电。VR3 用于将电池电压调整到 VR1 提供的设定值。对电流和电压使用一个设定点可以节省几个电阻!

U3 和 U4 的输出经过二极管“或”运算，以便 U3、U4、D1、D2、Q2 和 RL1 与电池形成控制回路，以提供充电周期的自动控制。需要调整包含 RL1 和 Q2 的电路中的组件以适应 RL1 的线圈电阻。

可以更改组件值以适应手头的情况，但应在它们相互作用的地方保持电阻比以允许类似的调整范围。RL1 的一个不错的选择是任何大电流汽车继电器，但 Q2 和 RL1 周围的元件值将取决于 RL1 的线圈电阻。使用的继电器为 10A、12V 1000Ω 型。

单极开关切换 U5 的输入以在仪表上显示电流输出或电池电压。

任何运算放大器都可以使用，只要其输出摆幅在任一轨的约 200mV 范围内即可。LM358 被用作 U3 和 U4 位置的比较器，因为它们在手边，并且应用程序的粗糙性允许这样做，但如果需要，可以替换任何单电源比较器。如果 Q1 是达林顿并且 R1 的值减小，则可以增加最大电流。仿真中使用的 LT1413 是板上使用的 LM358 的替代品。U2 可以用集成电流传感器代替，例如 LTC6102。

控制电路升级最初使用 LTspice 进行仿真，然后构建在无焊原型板上进行评估并正在添加到现有充电器中。

应该注意的是，不同的来源为电池和充电电压提供了显着不同的值。由于导致硬硫酸盐化或腐蚀的低电压和高电压之间的差异非常小，因此值得检查电池制造商关于正在维护的特定电池的数据。不同来源还给出了在 0.1ºC 或最大充电电流的 3-5% 时停止充电的经验法则。当施加正确的充电电压时，充电电流逐渐减小并停止下降的点是确定何时停止充电的最佳方式。一个充电周期应提供所需的测量。