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自動車バッテリー用パルス充電器を自作してみた

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自動車のバッテリーには鉛蓄電池が使われています。
鉛蓄電池は、内部抵抗が数ミリオームと低いのでエンジン始動に必要なセルモーターに数十アンペアーの電流を供給出来、 継ぎ足し充電をしてもメモリー効果無い(供給電力量が減らない)といった大きな利点があります。

メリットが大きければデメリットが大きいのが世の常ですが、鉛を使っているので非常に重い、 安価な開放型の場合は倒れると電解液の希硫酸が零れる、
何より最も大きなデメリットは、放電(電気を使う、無負荷でも電力が失われる自然放電)すると、 正極と負極に絶縁物質の硫酸鉛の結晶が析出し、 有効な電極面積が減り、電力容量が減ってしまうことです。(サルフェーション)

放電時には、正極では極板の二酸化鉛が硫酸鉛に、負極では極板の鉛が硫酸鉛に変化します。
充電時には放電時の逆の反応が起きて硫酸鉛は二酸化鉛と鉛となります。
ですから、放電したら直ぐに同じ量の充電をすれば電解液中の硫酸鉛が結晶として極板に付着することはありませんが、 どうしても充電量が不足気味になって硫酸鉛が塵も積もって極板の有効面積を狭めて行き、 数年後にはセルモーターを回す電力が供給出来なくなってバッテリーの交換となります。

そこで、極板に付着した硫酸鉛を剥がし、出来れば再び電解液に戻すことを出来ればバッテリーが復活することになります。
ということで、検索すると、先達さんが「パルス充電器」を自作して好成績を得ているらしいので私も自作してみることにしました。

安価で購入できるのでわざわざ自作することも無いのですが、自作した場合はメーカー品で充電拒否されるような鉛蓄電池にでもパルス充電を継続できることです。 ただし、何が起きても自己責任なので充電中は目を離さない等の注意が必要です

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先達さんが自作したものはバッテリーの端子間電圧が規定値以上になったときに自動的にパルス充電するものですが、 私のように月に1度乗るかどうかの車では待機電力でバッテリー上がりになるリスクがあるので、 電圧を安定化した外部電源とバッテリーの間に入れて充電するものに変えました。
最初、外部電源に安物のバッテリー充電器を使ったのですが、商用電源の交流100Vを全波整流し、過負荷保護回路を付けたぐらいのものでは、 電圧変動が後述する2SK2382をONにし、過大なサージ電圧が掛かったらしく、3端子電源ICとタイマーICを壊してしまいました。

下記が今回自作した回路です
接続コード、充電器用ワニ口クリップ以外は、秋葉原の秋月電子通商で揃えました。

左側にあるタイマーIC NE555でパルスを周期的に発生させ(約23kHz)、 NE555の出力から抵抗R4とコンデンサーC6を介して、 MOSFET 2SK2382のドレインとソース間に流れる電流をON/OFFします。
NE555の出力電圧が9V程度になると、2SK2382のドレインに繋がっている100μHのコイルL2に電流が流れ、 L2に流れる電流はL2内に磁気エネルギーとして蓄えられます。
NE555の出力の電圧が下がると、2SK2382のソースとドレイン間はOFFになり、 コイルL2に蓄えられた磁気エネルギーは解放されてダイオードD2を通して一気に鉛蓄電池のプラス極に加わります。

下記が実際に組み立てたもの(抵抗R4は100Ω3本を直列にしています)

(出来れば、NE555の電源回路と外部電源入力にサージ電圧吸収用ツェナーダイオードを入れた方が良いです)
外部電源に12V定電圧電源を使う場合は、3端子電源IC LM2940と、コンデンサーC2、C3,C4を省いても支障ないです。
ただし、3端子電源ICを省いた場合は、この回路の定数では、外部電源の電圧が13Vを超えると、 出力電流が増して2SK2382が熱で壊れるリスクが高まります。
外部電源が13V以内でもパルスの尖頭値は20V近くなるので充電は出来、次第にバッテリーの電極間の電圧が15V近くなり、 ダイオードD2が温まるぐらいの電流は流れます。
15V弱ぐらいの定電圧充電を兼ねる場合は、3端子電源ICを入れるかNE555の電源端子と外部電源の間に数十Ω程度の抵抗を入れてください。
抵抗を入れると、NE555の外部出力の電圧と電流が下がり、2SK2382の出力電流も下がります。
この抵抗を300Ωぐらいにすると、パルスの尖頭値が17Vぐらい、回路全体に流れる電流は70mAぐらいまでに下がります。
NE555の電源の最大電圧が16Vなので、周囲の温度が上がっても超えないようにしてください。

パルス回路はデジタルテスターでは見当も付かないので、 ブラウン管のアナログオシロスコープで、鉛蓄電池に繋いだ状態で電極間の電圧を測ってみました。

スケールは、時間軸(横軸)の線間が10μS、電圧軸(縦軸)の線間が2V。波形の基線(最も輝いている水平線)の電圧は約15Vです。
パルスの最大電圧はバッテリーの状態によって異なります。

今回自作したパルス充電器では、パルス幅2〜3μ秒なので実際の充電時間は充電器を接続した時間の約10分の1です。 バッテリーを直ぐに使いたい場合には通常の充電器で充電してください。

たまにしか乗らない車に積んでいる2年半使用のバッテリーを、 自作したパルス充電器で計30時間充電した結果、物凄い勢いでエンジンが掛かるようになりました。
開放電圧は、充電終了後一夜置いた朝で12.7Vでした。
見た感じ、サルフェーションは減っていましたが、エンジンがよく掛かるようになったのが、 充電を長時間した結果なのか、パルス充電の効果なのかは判りません。

後日、30kmばかり走ってきました。
電子制御に依存する部分が少ない古い自動車のためか、走行時も気持ち力強くなったような気がしましたが、 エンジン始動時以外の改善度合いは主観の域を出ません。




今回自作したパルス充電器では、バッテリー(鉛蓄電池)の開放電圧が12V台の時には 出力に付けているダイオードD2が熱くなるほどの電流がバッテリーに流れ込んでいますが、 これはパルスには関係なく、出力のダイオードD2の後の電圧とバッテリの電圧の差で電流が流れています。
パルスの電流が流れているのか知りたかったのですが、当然、テスターでは測れませんでした。
そこで、パルス充電器の出力のダイオードD2からバッテリープラス電極までを繋いでいる銅線コードの両端に オシロスコープ入力を繋いでみました。
銅線コードの電気抵抗をR、銅線コードに流れる電流をIとすれば、オシロスコープにはRの両端の電圧差Eが入力されます。
E=I×R
です。
下写真がそのときのオシロスコープの表示画面です。
パルス充電器を接続した状態のバッテリーの正負極の端子間電圧は13.44Vです。
スケールは、時間軸(横軸)の線間が10μS、電圧軸(縦軸)の線間が5V、基線は0Vです。
電圧の最大値は、プラス20V、マイナス10Vです。
マイナス10Vは、電流がバッテリーから充電器方向にも流れていることを示しています。
ダイオードD2が入っているので逆方向には流れないはずですが、 パルスが急峻なので逆方向電流を阻止できないために逆方向にも流れています。(リカバリタイム期間中には逆方向にも流れる)

今回の例では、極短時間ですが、最大電圧が20Vぐらいになっています。この瞬間に最大電流が流れていることになります。
次に銅線コードの電気抵抗Rを求めるのですが、手許にあるテスターで測れないので、 使っているコードメーカーのカタログ(ONAMBA VSF 0.5mm2)から36.7Ω/km
コードの長さは1.8mなのでコードの抵抗は約0.066Ωとなります。
コードを流れている電流の最大値は、電圧÷抵抗で求められるので、電流の最大値は約303Aとなります。
信じられません、オシロスコープの使い方を間違えているのでしょうか?
極板に付いた硫酸鉛の結晶を電気パルスで破壊出来るとすれば、瞬間的にしろ相当な衝撃が必要だとは思うのですが・・・
こんな大電流が流れてはダイオードD2は壊れた?
テスターで確かめた限りでは正常でした

今回作ったパルス充電器では、1秒間あたりのパルスの数を増やすと、 バッテリーの開放電圧が14V以上あってもダイオードD2が熱くなってしまいます。
これは、急峻なパルスの場合は、ダイオードの順方向抵抗値が通常より高くなって損失が増えるためです。 (フォワードリカバリタイム期間中は順抵抗値が高くなる)
この損失の上に、前述したように、急峻なパルスの場合は逆方向にも電流が流れるために損失があります。
まとめると、ダイオードに急峻なパルスを流したときに発生す熱は、 順方向損失(順方向スイッチング損失)と逆方向損失(逆方向スイッチング損失)が足されたものになります。

このため、急峻なパルス回路に使うダイオードは通常の整流ダイオードでは無くて、 反応速度が速い高速整流ダイオード(ショットキーバリアダイオード:SBD)を使った方が損失は少なくなります。
ただし、SBDは逆電圧が掛かったときに逆方向に流れる電流(漏れ電流)が大きく、この漏れ電流も当然発熱に寄与し、 温度が上がると漏れ電流は更に多くなるために、放熱が十分で無いときは温度が上がり続けて壊れます。(熱暴走)
温度が上がることが想定される場合は放熱を考えてください。





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