自動車バッテリー用パルス充電器を自作してみた
2022年11月9日更新
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
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そろえました。
修理に２ＳＫ２３８２を買おうとしたら無かったので、２ＳＫ３６２８に変更しました。
ドレイン・ソース間電圧２３０V、ゲートソース間電圧±３０V、ドレイン電流２０A、許容損失１００Wなのでちょっと大きいです。
この回路では単純なスイッチング動作なので、電圧、電流、許容損失が小さくなければ代替え品に難しい条件はありません。
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Ｌ ２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。
ダイオードD2は逆流防止に入れていますが、５A以上流れることがあるので熱くなります。放熱板が付けられるダイオードを選んだ方がよいかもしれません。
ダイオードD2を除くと、このページの末尾に書いたように充電が進んでもパルスの先頭値が高くなります。
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。
パルスが基線より下にも出ているのは、鉛バッテリーと接続コード等が持つインダクタンス成分（コイルと同じ作用）のためです。
下の写真は、バッテリーを繋がない状態（負荷はオシロスコープだけ）の出力パルスです。
電圧スケールは５Ｖなので、パルスの尖頭値は基線から約２７Ｖ
部品定数が異なる回路のものなのでパルスの尖頭値は違います。
このページの末尾に記載した回路のものです
今回自作したパルス充電器では、パルス幅２～３μ秒ですが、シュミレーションソフトではパルスが出ているときに１A近い電流が流れています。
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。
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、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。
追記
思考錯誤というほどでも無いのですが、タイマーＩＣに供給する電流をつくる３端子電源ＩＣを省いた回路を使っています。（３端子電源ＩＣを焼損してしまったので）
下回路図のとおり、電源ＩＣの代わりに抵抗Ｒ９（１５０Ω）を入れて電流を制限しています。
２０２０年１２月９日更新部分
回路図右側の電界コンデンサーC3は重要です。このコンデンサーを付けないと鉛バッテリーの充電が進んで端子間電圧が高くなって来るとNE５５５への供給電力が減少して発振が止まってしまいます。コンデンサーC3は最短距離でマイナス線に接続してください。
ただ、C3を付けると発振が止まらないために外部電源の電圧より鉛バッテリーの電極間電圧が４Vぐらい高くなることがありますから
満充電のバッテリーの場合は過充電にならないように注意が必要です。（この回路は簡単な昇圧回路と同じです）具体的にはこのパルス充電器に接続する外部電源の電圧を下げます。
内部抵抗が約５ｍΩのアイドリングストップ車用バッテリーでは、外部供給電圧が９．５５Vの時に１２時間後のバッテリ電極間の電圧が１３．６５V、外部電源からは約２０ｍA流れていました。
以下は、２０２０年１２月９日更新内容の電界コンデンサーC3を付けない回路でのものです。C3を付けないときは、鉛バッテリーの電圧が下がったときにNE555が発振するので長時間通電していても一定電圧で止まり、放電で電圧が下がると自動的に発振します。
外部電源に出力電圧１２.７Ｖ定電圧電源（プリンター用１２ＶＡＣ電源アダプターを借用）を使った場合、 接続から４８時間後のバッテリーの電極間は１３.５Ｖ、 パルスの尖頭値は約１６Ｖ（バッテリーの電極間電圧＋３Ｖ弱）になりました。
バッテリーの電極間電圧が１４Ｖに達しなければ、補充電の範囲で過充電にはならないと考えています
上記追記に書いた簡略のパルス充電器で連続で充電したバッテリー内の比較写真です。電界コンデンサーC3を付けていない回路で行なったもの
２０１７年７月１９日
２０１７年８月５日
２０１７年９月４日
別の槽では
２０１７年７月１９日
２０１７年８月５日
２０１７年９月４日
と除けているかなぁ、という 感じです。
パルス充電中の電圧は、１３.４４Ｖ。充電器を外して１０分後の電圧は、１３.２Ｖでした。
バッテリーの温度上昇は感じられませんでした
実験用にエンジンが始動出来る状態の鉛バッテリーを２個使っていますが、 電解槽６個の半分ぐらいの槽に硫酸鉛の結晶(サルフェーション)が付着しています。
また、電極の劣化程度も異なります。 製造時の品質のばらつきが出ているようです 。
パルス充電器で充電し始めた時の、鉛バッテリーの内部の写真を撮って置かなかったのが残念なのですが、 充電を始めて１ヵ月後と２ヵ月後の結果です。
自動車用１２Ｖ鉛バッテリーは起電力２Ｖの鉛蓄電池が６個直列接続になっていますから６槽ありますが、 当然、写真は同じ槽のものです。
充電したバッテリーは自動車には搭載せず、振動の少ない所に置き、充電時間は毎日ほぼ１２時間しました。
１２時間充電し、その後１２時間無負荷の状態で放置、そして、充電という周期です。
先ず、充電を始めて１ヵ月後です
前述したように 既に１ヶ月間充電してあるので、電極に付着している硫酸鉛が剥がれかかっています。
それから、１ヶ月後（充電開始から２ヵ月後）の写真です。
硫酸鉛が少なくなっていますが、２ヶ月間毎日ほぼ１２時間の充電ですから、「労多くして功少なし」と言われても仕方ないですね。
充電開始から２ヵ月後、充電終了から室温１０度以下の場所に一晩放置後の無負荷電圧は、１２.９Ｖ。
充電中の電極間の電圧は、１５.５Ｖ。
自作パルス充電器に供給する電源には、キャノンのプリンター用ＡＣアダプター１２Ｖ（２Ａ）を使っています。
充電中のＡＣアダプター込みの消費電力は、ワットチェッカー（TAP-TST5）の計測で３Ｗでした。
バッテリーに感じられる発熱はありません
２０１９年１月２２日追記
このパルス充電器を自作された方から、車体防錆機使用のために毎日タイマーを使って充電していたものの、
エンジンを始動できないバッテリーに３日間パルス充電したところ始動できたというご報告を頂きました。無負荷でのパルスの電圧は１０００Ｖ以上出ていたとのことです。
ありがとうございました。
２０１９年１２月２４日追記
私が作ったパルス充電器では、充電が進んでバッテリーの電極間電圧が高くなるとパルスの尖頭値が小さくなってしまいます。充電器に供給する電圧を高くすればパルスの尖頭値も高くなりますが、バッテリー電極間も高くなってしまいます。
１２Vの鉛バッテリーの満充電時の電極間電圧は１３．６８Vと言われているので、これ以上電圧を上げると過充電になる虞があります。
そこで、パルス充電器からバッテリーのプラス極に繋ぐ間に入れている逆流防止ダイオードD2を除いてみました。
鉛バッテリーの電極間の電圧が１３．６８Vになるようにパルス充電器への供給電圧を調整して、鉛バッテリー電極間の電圧をオシロスコープで測ってみました。
縦軸の電圧スケールは２０V、横軸の時間スケールは２００nS、平均電圧は１３．６Vです。
デジタルオシロスコープで測った波形から、パルスの尖頭値は、平均電圧から約９０Vでした。
自作パルス充電器が壊れた
２０２０年１２月１３日追補
壊れたというより、バッテリに接続するときに極性を逆接続にしてしまったのが原因です。
青空駐車の盛夏の熱いボンネットの中でも動き続けてくれた回路が壊れるときは火花と共に一瞬でした。
バッテリーを繋がないでオシロで出力を見ると尖頭値が８Vぐらいのパルスが出ていますが、バッテリーを繋ぐと全く現れません。
外見からは異常が見られなかったＭＯＳＦＥＴ ２ＳＫ２３８２が壊れたのがパルスが出ない原因でした。
パルス回路に接続する前に極性を確認してからリレーを使ってパルス回路に接続するように回路を組めばよいのでしょうけど。
もう１つ作っていた物で凌いでいますが、２ＳＫ２３８２は発振周波数を上げるとかなり熱くなるので、発振周波数を上げたいときはもう少し許容損失が大きいものに替えて放熱板を付ける方がよいですね。