多年前,我曾因為汽車的電池沒電而被困在家裡,因為我住的農莊距離最近的城鎮有10英哩(約16公里)。最終我還是想出了解決辦法,這要歸功於我家那個不可或缺的「家庭實驗室」,雖然我手頭只有幾個零組件,包括LM723穩壓器和2N3055功率電晶體、一些電阻和微調電位器。事實證明,這個「好點子」很容易建構在一塊萬用板(Veroboard)上、很可靠,而且我後來發現它僅是一個限流恆壓電源,幾乎不需要維護或建檔。

三十年過去了,這輛已經老化而且很少使用的SUV上的電池仍然必須保持充電狀態,促使我重新檢視舊設計;我不是一個反科技份子,我的職業生涯大部分都是在礦業和化學產業編程可程式化邏輯控制器(PLC),但我的第一份工作是在一家RF研發實驗室,所以骨子裡我是一個「類比人」,對需求的考量促使我使用一種稱為「焊錫」(solder)的古老「程式語言」來實現類比元件所需的邏輯;因此這個電路可用於「升級」任何舊充電器。我真的很愛類比解決方案!

為鉛酸電池充電

稍作研究發現,車用鉛酸電池與深循環(deep cycle)或定置型蓄電池(stationary batteries)不同;汽車電池具有很大的電流容量發動汽車引擎,但對於深度放電或浮動充電(float charging)──又被稱為階段3充電(stage 3 charge cycle)──的反應不佳。起動器電池的平面結構需要表面積最大化,而且電解質比重(SG)高於其他電池,以提供大起動電流。

與定置型蓄電池一樣,汽車電池也可以保持一種深度放電狀態,經歷永久硫酸化(sulfation),在放電期間產生的微小硫酸鉛晶體轉變成穩定的晶體形式並沉積在負極板上。另一方面,對汽車電池進行浮動充電很容易引起過飽和,導致正極板氧化,從而縮短電池壽命。因此,對於汽車電池和定置型蓄電池而言,充電電壓和充電週期非常關鍵卻有所不同;此外充電電壓應該隨環境溫度的上升而降低,溫度在25℃以上時每攝氏度應降額3mV。

圖1顯示了階段和2階段充電週期;階段1和2可以透過圖2的電路實現,當充電電流減小到低於階段2恆壓模式的電流限額時,迫使階段1的充電電流在電流限額內保持相對恆定。這裡的一個經驗法則是,當電流不再減小時,代表電池充滿電了。

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圖1:階段1和階段2充電週期。

硬化或永久硫酸化跟時間和放電狀態有關,因此如果車輛不經常使用,建議採用一些監測電池電壓的方法,在電壓降至低於滿電電壓的某個數值時重新開始充電。在對階段1進行初始充電而設定電壓值時,需要考慮車輛的放電率。

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圖2:原始的電源單元(PSU)以恆流模式(CCM)運作,直到負載電流降至限流閾值以下。調整順序為:調整VR2 10k電位器,在空載條件下設置Vout = 14.1V。

有關充電速率、電流、電壓和浮動電壓的精確資料因來源而有不同;從大多數資料來源看,為了在不降低壽命的前提下對電池進行最佳充電,不要讓它過熱、不要讓硬硫化發生、不允許排氣(gassing),也不要過度飽和。本設計實例旨在盡可能簡單地實現以上目標,所使用的工具只有烙鐵、螺絲起子和萬用表。

運作原理

圖3顯示了完整的電路,它提供恆壓限流以完成階段1和階段2的充電,一旦充電電流減小到大約200mA的穩定值就停止充電,並在電池放電到低於12.6V時重新開始充電。使用微調電位器可以在設置充電器時有一定的自由度,因此可以滿足大多數12V汽車電池的充電要求。

D4完全是可選的,可以隨環境溫度降低充電電壓;它在實驗室中運作良好,但在美國德州夏季炎熱的天氣下它的表現還有待觀察!通常如果環境溫度超過49?C/120?F,則不應進行充電,以延長電池的使用壽命。U1和Q1形成恆壓限流源,VR2設置最大充電電壓,VR4設置電流限額。D4可提供大約4mV/℃的熱降額(thermal derating)。

差分放大器U2用於調節電流感應電阻R1兩端的訊號,並將調節後的訊號施加到U3的反相輸入端。 U3作為比較器,其設定值在非反相輸入端,由VR1提供。只要來自U2的負載(充電)電流訊號高於設定值,U3的輸出就會很低,從而激勵RL1並向電池提供充電電流。設定值應為最大充電電流的3~5%。這可以透過電阻性負載、或監控電池充電週期並觀察充電器變平緩時的電流值來完成(見圖1)。根據充電電流和初始充電狀態,此方法可能需要長達13個小時左右。一旦充電電流低於設定值,U3的輸出將變為高電平並反向偏置D1,從而讓Q2關斷,使RL1斷電。

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圖3:修訂後的完整PSU電路。

PSU運作於連續導通模式(CCM),直到負載電流降至限流閾值以下。當電池電壓低於12.96V時,充電週期開始,RL1關閉。當充電電流降至200mA以下時,充電週期結束,RL1打開。

調整順序

步驟1:調整VR2 10k電位器,在空載狀態下設置恆定電壓Vout = 14.1V;

步驟2:調整VR4a/b 1k電位器,在短路狀態下將限流設置為所期望的值;

步驟3:當負載電流低於充電電流的3~5% (或飽和電流)時,調節VR1 10k電位器以斷開繼電器1 (RL1),從而斷開電池連接;

步驟4:當電池電壓降低到低於12.5~12.6V之間的某個值,調整VR3 10k電位器以關閉繼電器1 (RL1)。

U4用於監控電池電壓,也用作比較器,但它的設定值連接到反相輸入。因此,當電池電壓低於設定值時,U4的輸出將變為低電平,接通Q2,激勵RL1,並向電池施加充電電流。當電池電壓超過設定值時,U4的輸出將變為高電平並反向偏置D2,從而使Q2關斷並斷開RL1的電源。VR3用於將電池電壓調整到VR1提供的設定值。電流和電壓使用相同的設定值可以節省幾個電阻!

U3和U4的輸出是二極體(diode),而且/或者因此U3、U4、D1、D2、Q2和RL1以及電池形成一個控制迴路,以便自動控制充電週期。包含RL1和Q2的電路中的元件需要調整以適應RL1的線圈電阻。

元件值可以更改以適應當前的情況,電阻器比率應保持合適的值,以獲得類似的調節範圍。至於RL1,任何大電流汽車繼電器都是一個不錯的選擇。Q2和RL1的元件值取決於RL1的線圈電阻,使用的繼電器是10A/12V/1000Ω類型的。單極開關(single pole switch)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範圍內擺動,使用任何運算放大器都可以。LM358用作U3和U4位置的比較器,因為它們是現成的,而且應用相對成熟了。如果需要,可以替換任何一個電源比較器。如果Q1是達靈頓電晶體(Darlington)且R1值減小,則可以提高最大電流。模擬中使用的LT1413可替代電路板上使用的LM358。U2可以用整合式電流感測器代替,例如LTC6102。

控制電路的升級最初使用LTspice進行模擬,然後在無焊接的原型板上進行構建和評估,最後會添加到現有的充電器中,如圖4和圖5所示。

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圖4:現有的充電器。

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圖5:將無焊接的原型板添加到現有的充電器中。

應注意的是,不同來源的電池和充電電壓參數可能有明顯的差別。由於導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製造商的特定電池參數。不同的來源還提供了一個經驗法則,即在0.1℃或最大充電電流的3~5%時停止充電。當施加正確的充電電壓時,充電電流逐漸減小直到停止減小的那一點,這是確定何時停止充電的最佳方式。一個充電週期足以提供所需的量測數值。

本文同步刊登於電子技術設計2018年12月刊雜誌

(參考原文: Keeping an aging battery charged,by Seagan Yi-O'Kelly)