电池充电的一些建议
本帖最后由 能量海 于 2017-8-10 09:32 编辑
第六章：脉冲充电电池系统
电池充电的一些建议
用交通工具对电池充电
这是很容易漏掉的最显而易见的东西。这对于那些经常开车——也许是上下班，或者经营运输业务——的人以车用交流发电机去给一些附加电池充电是可能的。一旦发动机起动，附加电池可与汽车电池并联连接，即，附加电池的正端或电池组连接到汽车电池正端。
这的确从汽车发动机汲取到一些额外的能量，而理论上应该导致一些额外的燃料被使用，但额外的燃料应该是相当少的，因为当空气阻力随着车辆速度的立方上升时，发动机的大部分功率被用于把空气推到旁边。充电电池在晚上可从车辆上移除，并用于照明、电视、DVD播放器等——在晚上通过利用一个商用的转换器。
实验一种电池充电器
当使用本章前面显示的脉冲电池充电器时，有个有趣的可能性，即，亚力克斯克电晶体充电器。常识告诉你，如果你想用电池点亮一盏灯，那么灯亮时间越长，需要的电池就越大。
略换个角度看，我们可以说，电池点亮灯泡的时间越短，电池就可以越小。所以，例如，如果灯泡只需要点亮十秒钟，则电池可以是相当小的。
而假定们要把时间减少到一秒，那么电池肯定会非常小，而如果我们要把时间减少到十分之一秒，那么电池的电相比于点灯——比方说，一个小时——所需的电是很少的。这可能看起来很平常和显而易见，但它可以成为一个很有用的策略。
最近，超级电容器已经能够用合理的价格买到了，2.5伏5法拉的电容只花3英镑。只从这个角度看，在电子学领域，1000微法的电容器被认为是大的，而10,000微法的电容器则被认为是非常大的了。那么，5法拉的电容器比10,000微法的电容器大500倍。这些电容在短短的几秒钟内完全充电，是100％的效率，应该可以连续运行许多年——如果不是许多个十年的话。
那么假设，我们把一个灯泡跨接到一个6伏的铅酸电池上。如果电池被充电——比如说——6.6伏（由电池充电器断开后一小时测量），而灯泡被跨接到电池上并让它亮着，直到电池电压下降到5.0伏特（上负载的，当负载断开时，它会得到一个相当不错的电压）。于是，当电池放电那么久，那测定电池可以给灯泡供电多长时间。
如果不用更大的电池就能延长时间长度，那将是很有趣的。假设要我们串联连接三个一组的超级电容组成一个1.67法拉的容量的7.5V电容器，那么实施电路如下：
用简单的NE555电路来驱动继电器每秒开关一次。那么，电池只有一半时间连接到灯泡，而这一半的时间会是一个“休止期”。这听起来像一个疯狂的想法，因为当电池连接时它必须既点亮灯泡又要在电容器里充满电荷，还需要一些电流运行NE555电路和驱动继电器。这将导致性能比以前差。
然而，由于电池有一半的时间是断开的，我们可以利用这一点，通过把电路做下面的扩展来增加我们的优势：
这使得电池消耗甚至更糟，因为现在每秒钟有两个大型电容器必须充满，而同时灯泡还在供电，继电器也在通着电。但是，过了一半时间，继电器处于它的另一个位置：连接电容器“C2”的电池脉冲充电器，并在同一时间，在“休止”电池连接到电池充电器的输出，输送补充电荷给它。
你可能会觉得半秒的充电周期对于任何应用来说都是太短的，但实际上并非如此。第五章提到1989年的美国专利4829225授予尤里•坡达拉詹斯基（Yury Podrazhansky）和菲利普•波普（Phillip Popp），他们的证据是，如果脉冲以特定的方式调制，电池的充电要好得多，而且寿命更长。他们的准则是电池应给予一个强大的、在四分之一和两秒之间的持续周期的充电脉冲，这个脉冲是电池额定的安培小时。即，对于85安培小时的电池,充电电流会是85安培。那个脉冲随后再跟着同样的放电脉冲，或甚至电流更大，但只维持充电脉冲时间的0.2%到5%。在脉冲重复以前，这两个脉冲接着的是一个静置期。在应用这个方法时，他们引证了他们的经验案例如下：
当然，虽然这个成效表不直接适用于我们提出的电路，它确实表明能够从一个极间歇充电序列取得非常满意的效果，而虽然到目前为止我对我们的测试电路有过一秒周期的说辞，那纯粹是由于初始测试时使用了机械继电器。如果试验是令人满意的，对电池显示出一个更长的时间长度，以达到有载电压为5伏，而继电器电路被替换为固态（较小电流消耗）电路，然后也许十分之一秒的开关时间可能会被使用。
如果电池充电器运行在300,000赫兹（这只是某些亚力克斯克电路的10％），那么用十分之一秒的定时导通时间和十分之一的断开时间，则电池将每秒5次收到约30,000的充电脉冲，这就是每秒150,000的充电脉冲，是非常接近某些非常成功的恒运行的电池充电器的。
这是未经验证的想法，但看来似乎它有助于延长电池寿命：如果电路包括开关“S”，那么当它打开时，电池很可能可以自充电。由于这个配置是如此简单，很可能是值得一试的。NE555集成电路能提供高达200毫安的电流；因此，如果在脚3和电池的正极之间连接一个继电器，也许能直接驱动最大为6V的继电器。最初，NE555电路可以由一个单独的电池或电源供电，同时检验电路作用。以后，如果电路恰好运行良好，它可以由电池供电，经过扼流圈和滤波电容器（如果你要确保安全，用变阻器跨接电容器两端），以阻止定时电路的充电脉冲，或者可以通过一个附加的超级电容器供电，或由现有的两个电容器中的一个供电。是的，当然，没理由为什么NE555电路应该导通时间等于断开时间，因此计时器的占空比可以做成可调的并测试运行，看看会是怎样的最佳设置。这可能是一个有趣的实验。
然而，如果你决定要验证这个想法，那么你可以用继电器做初步测试，同时测试固态开关可能是个好主意，因为固态开关似乎可靠得多和长得多的寿命。我们可以选择用双极晶体管，因为它们是最可靠的低电压电路，因此我们可以这样处理电路：
在Maplins电子连锁店可以用相当合理的价格买到2.7V的超级电容器。这就有必要把4个或5个串联起来以满足电压要求，虽然这样做大大降低了总体电容。这会很容易通过用切换可变电阻器和射极输出晶体管来加一个调光控制，其中开关短路调光器，但打开时，允许电压（以及因而电流）施加到LED组，以进行调整，如14章尾部所示的太阳光电池板的建议。
刚开始时，可以用运行缓慢的555电路来驱动上述电路中的一个，并反转555的输出去驱动其它电路，利用晶体管的基极电阻来保护它。一个更实用的充电电路可以是：
这里，充电器一直通过一个二极管（或也许更实际地说，是通过三个或四个二极管，如UF5408，并联连接，这样输送的电流比起只有本身一个二极管要好）连接到电池，再引到像下面的一个电路：
当555的引脚3走低时，电阻R1和R2控制电流流向晶体管Tr1和Tr2，切换它们完全导通，以给电容器C1和C2充电。电阻R5是高值的、比如说470K，而当开关S打开，把灯关掉时，那里只是提供一个电流通路。
选择电阻R3去切换2N2222晶体管（或BC109，或其它小信号晶体管）Tr3完全导通，当脚3变高，而选择R4去确保Tr3切换完全关闭，当脚3变低时，通过断开Tr4和电流的不饱和来切换充电器断开。
这是很常见的充电电路，就像那些约翰贝迪尼的或亚力克斯克的，需要被充电电池串联连接到正在驱动充电电路的电池（在我们的情况下是电容器C2）。可以配置成这样的：
这里，电容器“C”的尺寸增大了，因为它现在即要提供照明又要提供充电电路，它一直运行着。由于电压尖峰为高电压，而导致充电电流非常大，这个配置的固态实施在这里展示之前需要做原型测试。
理想情况下，对于一个USB输出，我们希望配置在不使用的时候不会消耗大量的电流，然而，这并不需要机械开关。为此，我们可能会做成这样：
这里，电池电压大约为9V或9.8V或诸如此类，被跨接到一个100K的可变电阻，它会用掉略低于0.1毫安。两个（低成本的）BC109C晶体管在射极输出器模式中连接成一个复合晶体管对，用一个1M的电阻作为其负载。这些晶体管有一个通常超过200的增益，因此，像这样两者加起来起来只消耗所建议的10毫安电流的40,000分之一，而这仅仅是0.25微安，这是流经VR1的电流的约0.25％，因此，即使在负载下，VR1电压将是稳定的。当在负载下调整VR1给出大约5.3V作为输出时，这又耗去了另一个0.006毫安。一个100欧姆的电阻与这个输出和“A型”USB插座的脚1串联。由于脚1和4是开路的，直到脚1和4之间连接上负载的时候，电流才流过这个电阻器。
如果脚1和4短路——这几乎是最不可能的，那么电流通过120欧姆的电阻将是52.5毫安，这表明该电阻应该是一个半瓦的类型的，因为其损耗为330毫瓦。使初始调整的最有效的方法是设置低的输出电压，连接一部移动电话到插座上，并调整VR1在插座上给出5.3V左右。防止电池过度充电可以用这种电路来完成：
点“A”是由电阻R1和齐纳二极管Z1提供的参考电压，并通过电容器C1保持一个稳定的电压。运算放大器IC1在点“A”和“B”之间起着电压比较器的作用（其设置由可变电阻VR1预设，并反映了电池的总电压）。如果“A”和“B”之间的电压差交换，IC1的输出电压会急剧改变，但绝不对轨电压，所以晶体管Tr1在这里是要给出一个全逻辑摆幅。晶体管基极电流由电阻器R3设置，而电阻R2在这里是保证TR1正确关闭。电阻R4有着相当高的值，因为它在那里只是与TR1组成一个分压器。
运算放大器可能是LM358，因为它能用低至4.5V的电压运行，这很便宜，而且它几乎没有电流消耗。作为封装，有两个运算放大器在里面，第二个可以连接成作为一个缓冲：
正如我们希望的电池电压升高时电路切换，B点电压必须低于A点启动，如果连接如图所示，那么TR1在电池正在充电时会导通，而在电池充满时，通过VR1的滑块的位置设置的电压关闭。
充电时，由于电池正在接收高压尖峰，到电路该部分的输入由100欧姆的电阻缓冲，而100 nF的电容在这里是为了短路得以通过100欧姆的电阻的尖峰。用于抑制电压尖峰，电感器很可能会比100欧姆的电阻好，而用一个大得多的电容与与100nF的电容并联，可能对这一部分电路的轨电压保持在一个稳定的平均电压上有额外的帮助。电阻器R1的选择和齐纳二极管的电压不是关键性的。电流通过R1可以是非常低的，因为IC1几乎不需要电流，并由于有一个储电电容器跨接着齐纳二极管，而那将保持电压稳定。
选择电阻R2和R3以适配TR1，R3确保连接到充电器电路时正确导通，而R2确保其后IC1b的脚7输出下降到它的约2伏的最低值时正确关闭。似乎R4将不再需要，因为TR1可能会直接连接到充电电路，以使其电源下降或停止其振荡。
第六章：脉冲充电电池系统
电池充电的一些建议
用交通工具对电池充电
这是很容易漏掉的最显而易见的东西。这对于那些经常开车——也许是上下班，或者经营运输业务——的人以车用交流发电机去给一些附加电池充电是可能的。一旦发动机起动，附加电池可与汽车电池并联连接，即，附加电池的正端或电池组连接到汽车电池正端。
这的确从汽车发动机汲取到一些额外的能量，而理论上应该导致一些额外的燃料被使用，但额外的燃料应该是相当少的，因为当空气阻力随着车辆速度的立方上升时，发动机的大部分功率被用于把空气推到旁边。充电电池在晚上可从车辆上移除，并用于照明、电视、DVD播放器等——在晚上通过利用一个商用的转换器。
实验一种电池充电器
当使用本章前面显示的脉冲电池充电器时，有个有趣的可能性，即，亚力克斯克电晶体充电器。常识告诉你，如果你想用电池点亮一盏灯，那么灯亮时间越长，需要的电池就越大。
略换个角度看，我们可以说，电池点亮灯泡的时间越短，电池就可以越小。所以，例如，如果灯泡只需要点亮十秒钟，则电池可以是相当小的。
而假定们要把时间减少到一秒，那么电池肯定会非常小，而如果我们要把时间减少到十分之一秒，那么电池的电相比于点灯——比方说，一个小时——所需的电是很少的。这可能看起来很平常和显而易见，但它可以成为一个很有用的策略。
最近，超级电容器已经能够用合理的价格买到了，2.5伏5法拉的电容只花3英镑。只从这个角度看，在电子学领域，1000微法的电容器被认为是大的，而10,000微法的电容器则被认为是非常大的了。那么，5法拉的电容器比10,000微法的电容器大500倍。这些电容在短短的几秒钟内完全充电，是100％的效率，应该可以连续运行许多年——如果不是许多个十年的话。
那么假设，我们把一个灯泡跨接到一个6伏的铅酸电池上。如果电池被充电——比如说——6.6伏（由电池充电器断开后一小时测量），而灯泡被跨接到电池上并让它亮着，直到电池电压下降到5.0伏特（上负载的，当负载断开时，它会得到一个相当不错的电压）。于是，当电池放电那么久，那测定电池可以给灯泡供电多长时间。
如果不用更大的电池就能延长时间长度，那将是很有趣的。假设要我们串联连接三个一组的超级电容组成一个1.67法拉的容量的7.5V电容器，那么实施电路如下：
用简单的NE555电路来驱动继电器每秒开关一次。那么，电池只有一半时间连接到灯泡，而这一半的时间会是一个“休止期”。这听起来像一个疯狂的想法，因为当电池连接时它必须既点亮灯泡又要在电容器里充满电荷，还需要一些电流运行NE555电路和驱动继电器。这将导致性能比以前差。
然而，由于电池有一半的时间是断开的，我们可以利用这一点，通过把电路做下面的扩展来增加我们的优势：
这使得电池消耗甚至更糟，因为现在每秒钟有两个大型电容器必须充满，而同时灯泡还在供电，继电器也在通着电。但是，过了一半时间，继电器处于它的另一个位置：连接电容器“C2”的电池脉冲充电器，并在同一时间，在“休止”电池连接到电池充电器的输出，输送补充电荷给它。
你可能会觉得半秒的充电周期对于任何应用来说都是太短的，但实际上并非如此。第五章提到1989年的美国专利4829225授予尤里•坡达拉詹斯基（Yury Podrazhansky）和菲利普•波普（Phillip Popp），他们的证据是，如果脉冲以特定的方式调制，电池的充电要好得多，而且寿命更长。他们的准则是电池应给予一个强大的、在四分之一和两秒之间的持续周期的充电脉冲，这个脉冲是电池额定的安培小时。即，对于85安培小时的电池,充电电流会是85安培。那个脉冲随后再跟着同样的放电脉冲，或甚至电流更大，但只维持充电脉冲时间的0.2%到5%。在脉冲重复以前，这两个脉冲接着的是一个静置期。在应用这个方法时，他们引证了他们的经验案例如下：
当然，虽然这个成效表不直接适用于我们提出的电路，它确实表明能够从一个极间歇充电序列取得非常满意的效果，而虽然到目前为止我对我们的测试电路有过一秒周期的说辞，那纯粹是由于初始测试时使用了机械继电器。如果试验是令人满意的，对电池显示出一个更长的时间长度，以达到有载电压为5伏，而继电器电路被替换为固态（较小电流消耗）电路，然后也许十分之一秒的开关时间可能会被使用。
如果电池充电器运行在300,000赫兹（这只是某些亚力克斯克电路的10％），那么用十分之一秒的定时导通时间和十分之一的断开时间，则电池将每秒5次收到约30,000的充电脉冲，这就是每秒150,000的充电脉冲，是非常接近某些非常成功的恒运行的电池充电器的。
这是未经验证的想法，但看来似乎它有助于延长电池寿命：如果电路包括开关“S”，那么当它打开时，电池很可能可以自充电。由于这个配置是如此简单，很可能是值得一试的。NE555集成电路能提供高达200毫安的电流；因此，如果在脚3和电池的正极之间连接一个继电器，也许能直接驱动最大为6V的继电器。最初，NE555电路可以由一个单独的电池或电源供电，同时检验电路作用。以后，如果电路恰好运行良好，它可以由电池供电，经过扼流圈和滤波电容器（如果你要确保安全，用变阻器跨接电容器两端），以阻止定时电路的充电脉冲，或者可以通过一个附加的超级电容器供电，或由现有的两个电容器中的一个供电。是的，当然，没理由为什么NE555电路应该导通时间等于断开时间，因此计时器的占空比可以做成可调的并测试运行，看看会是怎样的最佳设置。这可能是一个有趣的实验。
然而，如果你决定要验证这个想法，那么你可以用继电器做初步测试，同时测试固态开关可能是个好主意，因为固态开关似乎可靠得多和长得多的寿命。我们可以选择用双极晶体管，因为它们是最可靠的低电压电路，因此我们可以这样处理电路：
在Maplins电子连锁店可以用相当合理的价格买到2.7V的超级电容器。这就有必要把4个或5个串联起来以满足电压要求，虽然这样做大大降低了总体电容。这会很容易通过用切换可变电阻器和射极输出晶体管来加一个调光控制，其中开关短路调光器，但打开时，允许电压（以及因而电流）施加到LED组，以进行调整，如14章尾部所示的太阳光电池板的建议。
刚开始时，可以用运行缓慢的555电路来驱动上述电路中的一个，并反转555的输出去驱动其它电路，利用晶体管的基极电阻来保护它。一个更实用的充电电路可以是：
这里，充电器一直通过一个二极管（或也许更实际地说，是通过三个或四个二极管，如UF5408，并联连接，这样输送的电流比起只有本身一个二极管要好）连接到电池，再引到像下面的一个电路：
当555的引脚3走低时，电阻R1和R2控制电流流向晶体管Tr1和Tr2，切换它们完全导通，以给电容器C1和C2充电。电阻R5是高值的、比如说470K，而当开关S打开，把灯关掉时，那里只是提供一个电流通路。
选择电阻R3去切换2N2222晶体管（或BC109，或其它小信号晶体管）Tr3完全导通，当脚3变高，而选择R4去确保Tr3切换完全关闭，当脚3变低时，通过断开Tr4和电流的不饱和来切换充电器断开。
这是很常见的充电电路，就像那些约翰贝迪尼的或亚力克斯克的，需要被充电电池串联连接到正在驱动充电电路的电池（在我们的情况下是电容器C2）。可以配置成这样的：
这里，电容器“C”的尺寸增大了，因为它现在即要提供照明又要提供充电电路，它一直运行着。由于电压尖峰为高电压，而导致充电电流非常大，这个配置的固态实施在这里展示之前需要做原型测试。
理想情况下，对于一个USB输出，我们希望配置在不使用的时候不会消耗大量的电流，然而，这并不需要机械开关。为此，我们可能会做成这样：
这里，电池电压大约为9V或9.8V或诸如此类，被跨接到一个100K的可变电阻，它会用掉略低于0.1毫安。两个（低成本的）BC109C晶体管在射极输出器模式中连接成一个复合晶体管对，用一个1M的电阻作为其负载。这些晶体管有一个通常超过200的增益，因此，像这样两者加起来起来只消耗所建议的10毫安电流的40,000分之一，而这仅仅是0.25微安，这是流经VR1的电流的约0.25％，因此，即使在负载下，VR1电压将是稳定的。当在负载下调整VR1给出大约5.3V作为输出时，这又耗去了另一个0.006毫安。一个100欧姆的电阻与这个输出和“A型”USB插座的脚1串联。由于脚1和4是开路的，直到脚1和4之间连接上负载的时候，电流才流过这个电阻器。
如果脚1和4短路——这几乎是最不可能的，那么电流通过120欧姆的电阻将是52.5毫安，这表明该电阻应该是一个半瓦的类型的，因为其损耗为330毫瓦。使初始调整的最有效的方法是设置低的输出电压，连接一部移动电话到插座上，并调整VR1在插座上给出5.3V左右。防止电池过度充电可以用这种电路来完成：
点“A”是由电阻R1和齐纳二极管Z1提供的参考电压，并通过电容器C1保持一个稳定的电压。运算放大器IC1在点“A”和“B”之间起着电压比较器的作用（其设置由可变电阻VR1预设，并反映了电池的总电压）。如果“A”和“B”之间的电压差交换，IC1的输出电压会急剧改变，但绝不对轨电压，所以晶体管Tr1在这里是要给出一个全逻辑摆幅。晶体管基极电流由电阻器R3设置，而电阻R2在这里是保证TR1正确关闭。电阻R4有着相当高的值，因为它在那里只是与TR1组成一个分压器。
运算放大器可能是LM358，因为它能用低至4.5V的电压运行，这很便宜，而且它几乎没有电流消耗。作为封装，有两个运算放大器在里面，第二个可以连接成作为一个缓冲：
正如我们希望的电池电压升高时电路切换，B点电压必须低于A点启动，如果连接如图所示，那么TR1在电池正在充电时会导通，而在电池充满时，通过VR1的滑块的位置设置的电压关闭。
充电时，由于电池正在接收高压尖峰，到电路该部分的输入由100欧姆的电阻缓冲，而100 nF的电容在这里是为了短路得以通过100欧姆的电阻的尖峰。用于抑制电压尖峰，电感器很可能会比100欧姆的电阻好，而用一个大得多的电容与与100nF的电容并联，可能对这一部分电路的轨电压保持在一个稳定的平均电压上有额外的帮助。电阻器R1的选择和齐纳二极管的电压不是关键性的。电流通过R1可以是非常低的，因为IC1几乎不需要电流，并由于有一个储电电容器跨接着齐纳二极管，而那将保持电压稳定。
选择电阻R2和R3以适配TR1，R3确保连接到充电器电路时正确导通，而R2确保其后IC1b的脚7输出下降到它的约2伏的最低值时正确关闭。似乎R4将不再需要，因为TR1可能会直接连接到充电电路，以使其电源下降或停止其振荡。
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