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一項小研究表明，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。這里的一個很好的經(jīng)驗法則是即當(dāng)電流不再減小時，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) 下運行，直到負載電流降至電流限制閾值以下。調(diào)整順序為： 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點時重新開始充電過程. 在設(shè)置啟動階段 1 充電的設(shè)定點時，請考慮車輛的放電率。

充電速率、電流、電壓和浮動電壓的精確值數(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，不要不會過飽和。本設(shè)計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。

這個怎么運作

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，就會移除充電電壓，并在電池放電至點低于 12.6V。使用微調(diào)電位器允許在設(shè)置充電器時有一定的自由度，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。它在實驗室中運行良好，但它在德克薩斯州炎熱的夏季中表現(xiàn)如何還有待觀察!一般認為，如果環(huán)境溫度超過 49ºC/120ºF，則不應(yīng)進行充電，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，并將調(diào)節(jié)后的信號施加到 U3 的反相輸入端。U3 作為一個比較器連接，其設(shè)定點位于由 VR1 提供的同相輸入端。只要來自 U2 的負載(充電)電流信號高于設(shè)定點 U3 的輸出就會為低電平，從而使 RL1 通電并向電池提供充電電流。設(shè)定點應(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 13 小時左右，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 模式下運行，直到負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，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，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

第二步：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)負載電流低于充電電流(或飽和電流)的 3-5% 時

第四步：當(dāng)電池電壓降至 12.5 和 12.6V 之間的某個位置以下時，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)定點連接到反相輸入，因此，當(dāng)電池電壓低于設(shè)定點時，U4 的輸出將變?yōu)榈碗娖�，打開 Q2，激勵 RL1，并向電池施加充電電流。當(dāng)電池電壓高于設(shè)定值時，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設(shè)定點可以節(jié)省幾個電阻!

U3 和 U4 的輸出經(jīng)過二極管“或”運算，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 的一個不錯的選擇是任何大電流汽車繼電器，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，因為它們在手邊，并且應(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 進行仿真，然后構(gòu)建在無焊原型板上進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% 時停止充電的經(jīng)驗法則。當(dāng)施加正確的充電電壓時，充電電流逐漸減小并停止下降的點是確定何時停止充電的最佳方式。一個充電周期應(yīng)提供所需的測量。