2020年06月18日 | 老化的汽车电池如何充电才安全

多年前，我曾因为汽车的电池没电而被困在家里，因为我住在一个距最近的城镇都有10英里的农场里。我最终想出了解决办法，这要归功于我家那个不可或缺的“家庭实验室”，虽然其中只有几个元器件，包括LM723和2N3055，以及一些电阻和微调电位器。事实证明，用一块面包板可以很容易地搭建起来，很可靠。而且，我后来发现它仅仅是一个限流的恒压源，几乎不需要维护或记录，真是太好了。

三十年了，这辆SUV已经很少使用，它的电池已经老化但是仍然必须保持充电状态，这促使我重新审视旧的设计。我不是一个复古的顽固派，我的职业生涯大部分都是在采矿和化学行业进行PLC编程，但我曾在一家RF研发实验室里工作了很久，骨子里我是一个喜欢模拟电路的人。我使用一种称为“焊锡”（solder）的古老“编程语言”，来实现模拟器件所需的逻辑，因此这个电路设计可用于“升级”任何旧的充电器。我真喜欢模拟方案！

为铅酸电池充电

稍作研究就会发现，汽车用的铅酸电池与深度充放电循环的常规蓄电池不同。汽车电池具有很大的电流容量以起动汽车引擎，但不能很好地进行深度放电或浮动充电（也称为第3阶段充电）。起动器电池的极板结构需要表面积最大化，并且电解质比重（SG）高于其它电池，以提供大起动电流。与常规蓄电池一样，汽车电池也可以保持一种深度放电状态，经历永久硫酸化，在放电期间产生的微小硫酸铅晶体转变成稳定的晶体形式并沉积在负极板上。另一方面，对汽车电池进行浮充很容易引起过饱和，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，对于汽车电池和常规蓄电池而言它们是不同的。此外，充电电压应该随环境温度的上升而降低，温度在25ºC以上时每摄氏度应降额3mV。

图1显示了第1阶段和第2阶段的充电周期。阶段1和2可以通过图2的电路实现，当充电电流减小到低于阶段2恒压模式的电流限额时，迫使阶段1的充电电流在电流限额内保持相对恒定。一个经验是，当电流不再减小时，表明电池充满电了。

图1：第1阶段和第2阶段充电周期。

图2：最初的供电单元（PSU）工作于恒流模式（CCM），直到负载电流降至限流阈值以下。调整顺序为：调整VR2 10k电位器，在空载条件下设置Vout = 14.1V。

硬化或永久硫酸化跟时间和放电状态有关，因此如果车辆不经常使用，建议采用一些监测电池电压的方法，在电压降至低于满电压的某个数值时重新开始充电。在对阶段1进行初始充电之前设定电压值时，需要考虑车辆的放电率。

有关充电速率、电流、电压和浮动电压的精确数据因源而异。从大多数数据来源看，为了在不降低寿命的前提下对电池进行最佳充电，不要让它过热，不允许发生硬硫酸化，不允许析气，并且不要过饱和。本设计实例旨在尽可能简单地实现以上目标，所使用的工具只有烙铁、螺丝刀和万用表。

工作原理

图3显示了完整的电路，它提供恒压限流以完成第1阶段和第2阶段的充电，一旦充电电流减小到大约200mA的稳定值就停止充电，并在电池放电到低于12.6V时重新开始充电。使用微调电位器可以在设置充电器时有一定的自由度，因此可以满足大多数12V汽车电池的充电要求。

D4完全是可选的，可以随环境温度降低充电电压。它在实验室中运行良好，但在德州夏季炎热的天气下它的表现还有待观察！通常如果环境温度超过49ºC（120ºF），则不应进行充电，以延长电池的使用寿命。

U1和Q1形成恒压限流源，VR2设置最大充电电压，VR4设置电流限额。D4可提供大约4mV/ºC的热降额特性。

差分放大器U2用于调节电流感应电阻R1两端的信号，并将调节后的信号施加到U3的反相输入端。 U3作为比较器，其设定值在非反相输入端，由VR1提供。只要来自U2的负载（充电）电流信号高于设定值，U3的输出就会很低，从而激励RL1并向电池提供充电电流。设定值应为最大充电电流的3％~5％。这可以通过阻性负载、或监控电池充电周期并观察充电器变平缓时的电流值来完成（见图1）。根据充电电流和初始充电状态，此方法可能需要长达13个小时左右。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，从而让Q2关断，使RL1断电。

图3：修订后的完整PSU电路。

PSU在连续导通模式（CCM）工作，直到负载电流降至限流阈值以下。当电池电压低于12.96V时，充电周期开始，RL1关闭。当充电电流降至200mA以下时，充电周期结束，RL1打开。

调整顺序

步骤1：调整VR2 10k电位器，在空载状态下设置恒定电压Vout = 14.1V；

步骤2：调整VR4a/b 1k电位器，在短路状态下将电流限值设置为所期望的值；

步骤3：当负载电流低于充电电流的3％~5％（或饱和电流）时，调节VR1 10k电位器以断开继电器1（RL1），从而断开电池连接；

步骤4：当电池电压降低到低于12.5~12.6V之间的某值时，调整VR3 10k电位器以关闭继电器1（RL1）。

U4用于监控电池电压，也用作比较器，但它的设定值连接到反相输入。因此，当电池电压低于设定值时，U4的输出将变为低电平，接通Q2，激励RL1，并向电池施加充电电流。当电池电压超过设定值时，U4的输出将变为高电平并反向偏置D2，从而使Q2关断并断开RL1的电源。VR3用于将电池电压调整到VR1提供的设定值。电流和电压使用相同的设定值可以节省几个电阻！

U3和U4的输出是二极管“或”的关系，U3、U4、D1、D2、Q2和RL1以及电池形成一个控制回路，以便自动控制充电周期。包含RL1和Q2的电路中的元件需要调整以适应RL1的线圈电阻。

元件值可以更改以适应当前的情况，电阻器比率应保持合适的值，以获得类似的调节范围。至于RL1，任何大电流汽车继电器都是一个不错的选择。Q2和RL1的元件值取决于RL1的线圈电阻。使用的继电器是10A/12V/1000Ω类型。

单刀开关可切换U5的输入，以便在万用表上显示电流输出或电池电压。

只要输出能在任一轨的约200mV范围内摆动，使用任何运算放大器都可以。LM358用作U3和U4位置的比较器，因为它们是现成的，而且应用相对成熟了。如果需要，可以替换任何一个电源比较器。如果Q1是达林顿管且R1值减小，则可以提高最大电流。仿真中使用的LT1413可替代电路板上使用的LM358。U2可以用集成电流传感器代替，例如LTC6102。

控制电路的升级最初使用LTspice进行仿真，然后在无焊接的原型板上进行构建和评估，最后会添加到现有的充电器中，如图4和图5所示。

图4：现有的充电器。

图5：将无焊接的原型板添加到现有的充电器中。

应注意的是，不同来源的电池和充电电压参数可能有明显的差别。由于导致硬硫酸化或腐蚀的低压和高压之间的差异很小，因此有必要检查电池制造商的特定电池参数。不同的来源还提供了一个经验法则，即在0.1ºC或最大充电电流的3％~5％时停止充电。当施加正确的充电电压时，充电电流逐渐减小直到停止减小的那一点，这是确定何时停止充电的最佳方式。一个充电周期足以提供所需的测量数值。