多年前，我曾因為汽車的電池沒電而被困在家里，因為我住在一個距最近的城鎮都有10英里的農場里。我最終想出了解決辦法，這要歸功于我家那個不可或缺的“家庭實驗室”，雖然其中只有幾個元器件，包括LM723和2N3055，以及一些電阻和微調電位器。事實證明，用一塊面包板可以很容易地搭建起來，很可靠。而且，我后來發現它僅僅是一個限流的恒壓源，幾乎不需要維護或記錄，真是太好了。

三十年了，這輛SUV已經很少使用，它的電池已經老化但是仍然必須保持充電狀態，這促使我重新審視舊的設計。我不是一個復古的頑固派，我的職業生涯大部分都是在采礦和化學行業進行PLC編程，但我曾在一家RF研發實驗室里工作了很久，骨子里我是一個喜歡模擬電路的人。我使用一種稱為“焊錫”（solder）的古老“編程語言”，來實現模擬器件所需的邏輯，因此這個電路設計可用于“升級”任何舊的充電器。我真喜歡模擬方案！

為鉛酸電池充電

稍作研究就會發現，汽車用的鉛酸電池與深度充放電循環的常規蓄電池不同。汽車電池具有很大的電流容量以起動汽車引擎，但不能很好地進行深度放電或浮動充電（也稱為第3階段充電）。起動器電池的極板結構需要表面積最大化，并且電解質比重（SG）高于其它電池，以提供大起動電流。與常規蓄電池一樣，汽車電池也可以保持一種深度放電狀態，經歷永久硫酸化，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并沉積在負極板上。另一方面，對汽車電池進行浮充很容易引起過飽和，導致正極板氧化，從而縮短電池壽命。因此，充電電壓和充電周期非常關鍵，對于汽車電池和常規蓄電池而言它們是不同的。此外，充電電壓應該隨環境溫度的上升而降低，溫度在25oC以上時每攝氏度應降額3mV。

圖1顯示了第1階段和第2階段的充電周期。階段1和2可以通過圖2的電路實現，當充電電流減小到低于階段2恒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恒定。一個經驗是，當電流不再減小時，表明電池充滿電了。

圖1：第1階段和第2階段充電周期。

圖2：最初的供電單元（PSU）工作于恒流模式（CCM），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。

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，建議采用一些監測電池電壓的方法，在電壓降至低于滿電壓的某個數值時重新開始充電。在對階段1進行初始充電之前設定電壓值時，需要考慮車輛的放電率。

有關充電速率、電流、電壓和浮動電壓的精確數據因源而異。從大多數數據來源看，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，不允許發生硬硫酸化，不允許析氣，并且不要過飽和。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、螺絲刀和萬用表。

工作原理

圖3顯示了完整的電路，它提供恒壓限流以完成第1階段和第2階段的充電，一旦充電電流減小到大約200mA的穩定值就停止充電，并在電池放電到低于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。它在實驗室中運行良好，但在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49oC（120oF），則不應進行充電，以延長電池的使用壽命。

U1和Q1形成恒壓限流源，VR2設置最大充電電壓，VR4設置電流限額。D4可提供大約4mV/oC的熱降額特性。

差分放大器U2用于調節電流感應電阻R1兩端的信號，并將調節后的信號施加到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）電流信號高于設定值，U3的輸出就會很低，從而激勵RL1并向電池提供充電電流。設定值應為最大充電電流的3％~5％。這可以通過阻性負載、或監控電池充電周期并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。一旦充電電流低于設定值，U3的輸出將變為高電平并反向偏置D1，從而讓Q2關斷，使RL1斷電。

圖3：修訂后的完整PSU電路。

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

調整順序

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

步驟2：調整VR4a/b 1k電位器，在短路狀態下將電流限值設置為所期望的值；

步驟3：當負載電流低于充電電流的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于12.5~12.6V之間的某值時，調整VR3 10k電位器以關閉繼電器1（RL1）。

U4用于監控電池電壓，也用作比較器，但它的設定值連接到反相輸入。因此，當電池電壓低于設定值時，U4的輸出將變為低電平，接通Q2，激勵RL1，并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并反向偏置D2，從而使Q2關斷并斷開RL1的電源。VR3用于將電池電壓調整到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的輸出是二極管“或”的關系，U3、U4、D1、D2、Q2和RL1以及電池形成一個控制回路，以便自動控制充電周期。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，以獲得類似的調節范圍。至于RL1，任何大電流汽車繼電器都是一個不錯的選擇。Q2和RL1的元件值取決于RL1的線圈電阻。使用的繼電器是10A/12V/1000Ω類型。

單刀開關可切換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范圍內擺動，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是達林頓管且R1值減小，則可以提高最大電流。仿真中使用的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。

控制電路的升級最初使用LTspice進行仿真，然后在無焊接的原型板上進行構建和評估，最后會添加到現有的充電器中，如圖4和圖5所示。

圖4：現有的充電器。

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。由于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制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0.1oC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。一個充電周期足以提供所需的測量數值。