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適用于多種電壓等級的蓄電池過(guò)放電保護電路

作者: 時(shí)間:2013-06-20 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 收藏
為保證無(wú)人值守的設備(比如考勤機等)在斷電后仍能運行,通常要加入作為后備電源。在電網(wǎng)斷電后,后備電池開(kāi)始對設備進(jìn)行供電。這時(shí),必須設置電池過(guò)放電。最簡(jiǎn)單的電池保護是設置一個(gè)電壓保護門(mén)限,當電池電壓降到這個(gè)門(mén)限值之后,自動(dòng)斷開(kāi)回路,停止對負載供電。但由于負載被斷開(kāi)之后,電池端電壓會(huì )迅速升高至門(mén)限電壓以上,于是電池又被重新接入電路給負載供電,此后會(huì )重復“斷開(kāi)一接通一斷開(kāi)一接通”的振蕩過(guò)程,直到電池徹底耗盡。這對電池的壽命會(huì )產(chǎn)生很大的影響,甚至損壞電池。所以,必須設計一種帶有滯回功能的自動(dòng)。

目前市場(chǎng)上有一些現成的電池保護芯片可以應用,但這些芯片多應用于的保護,電壓等級多集中在5V左右。在一些電壓等級較高的應用中,例如,10V至50V的供電系統可能就無(wú)法應用。本文提供了一種簡(jiǎn)單有效的帶有滯回區的電池,可以設置兩個(gè)電壓門(mén)限,避免產(chǎn)生振蕩,又因為這兩個(gè)門(mén)限可以通過(guò)電阻任意設置,因此能夠應用到幾十伏的電池系統中。

1 保護原理

如圖1(a)所示,假設電池電壓為UBAT,系統只設置一個(gè)保護門(mén)限電壓UTH。則當電池電壓低于UTH時(shí),比較電路輸出低電平,負載被斷開(kāi)。但由于負載的移除,電池端電壓迅速上升至UTH以上,比較器重新輸出高電平,負載又被接入,從而形成振蕩。

適用于多種電壓等級的蓄電池過(guò)放電保護電路

但如果在比較電路中設置兩個(gè)門(mén)限電壓:UTHH和UTHL(UTHH>UTHL),則可以形成一個(gè)滯回區,如圖1(b)所示。當電池電壓從低升高至UTHH時(shí),比較器輸出高電平,打開(kāi)電子開(kāi)關(guān),給負載供電;當電池電壓降低至UTHL時(shí),比較器輸出低電平,斷開(kāi)負載。這個(gè)時(shí)候電池端電壓雖然會(huì )迅速升高至UTHL以上,但由于達不到UTHH,所以,比較器仍然輸出低電平,負載仍被斷開(kāi),直到電池被充電后電壓升高至UTHH以上才能再次接通負載。這樣就避免了電路的振蕩,保護了負載和電池。

  雖然絕大多數比較器中都帶有滯回電路,但通常內部滯回電路的滯回電壓(即UTHH一UTHL)僅為5mV到10mV,根本不能用于過(guò)放電保護。圖2(a)電路中利用比較器的輸出反饋自動(dòng)調節比較電壓的參考值,使輸入電壓在不同的區間時(shí),被比較的門(mén)限電壓在UTHH和UTHL之間轉化。圖2(b)給出了輸入信號變化時(shí)的輸出響應,利用比較器的輸出信號來(lái)驅動(dòng)電子開(kāi)關(guān),當Output為高時(shí),電池被接入系統,當Output為低時(shí),負載被斷開(kāi)。

適用于多種電壓等級的蓄電池過(guò)放電保護電路

當電池電壓UBAT較低時(shí),比較器輸出低電平,使三極管VT截止,此時(shí)的門(mén)限電壓為:

適用于多種電壓等級的蓄電池過(guò)放電保護電路
 
直到電池電壓URAT高于UTHH時(shí)比較器才輸出高電平,負載才能被接通,同時(shí)VT被導通,R3近似被短路,門(mén)限電壓自動(dòng)調整為:

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此后,即使電池電壓低于UTHH,但只要仍高于UTHL,電池就一直處于輸出狀態(tài),直到電壓降低至UTHL后,Output為低電平,負載被斷開(kāi)。同時(shí),VT變?yōu)榻刂?,門(mén)限電壓重新轉化為UTHH,雖然負載的移除使電池端電壓上升,但由于仍低于UTHH,負載不會(huì )重新被接通。這樣就有效的保護了電池,延長(cháng)了電池的使用壽命。

2 硬件電路

式(1)和式(2)是理論上的公式,實(shí)際上,為了將上述的滯回原理應用于實(shí)際的電池系統,還要考慮一個(gè)參考電壓的問(wèn)題。參考電壓Uref是不能變的,否則上下電壓門(mén)限就會(huì )發(fā)生變化。而且參考電壓是由電池電壓供電產(chǎn)生的,它必須比電池電壓低的多,而且功耗極小。

圖3是具體的硬件電路圖,參考電壓由LM285Z一2.5分流穩壓器產(chǎn)生,它最低只需要10μA的通過(guò)電流就可輸出穩定的2.5V參考電壓,這可大大降低電池在低壓閉鎖狀態(tài)的功耗。比較器選用了ST公司TS393I,它是一種微功耗比較器,這樣,所有分壓電阻的阻值可以選的很大,進(jìn)一步降低了功耗。比較器的輸出控制P溝道的MOSFET、VT3接通或斷開(kāi)負載。當電池電壓降低到一定程度時(shí)VT2關(guān)斷,使得由比較器組成的保護電路與電池斷開(kāi),極大地減小的電池的能量消耗,電池處于一種近似自然放電的狀態(tài);當電池電壓恢復時(shí),VT2自然導通,保護電路重新恢復工作。

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3 參數計算

我們以9V的電池為例來(lái)進(jìn)行參數計算。第l步:根據電池的特性設置上下電壓門(mén)限UTHH=7.8V和UTHL=6V。

第2步:為了保證當電池電壓達到低電壓鎖存門(mén)限時(shí)分壓穩壓器LM285Z一2.5仍能正常工作,則要保證LM285Z一2.5上流過(guò)的電流

適用于多種電壓等級的蓄電池過(guò)放電保護電路

但由于分流穩壓器還要分出一部分電流給其它電阻網(wǎng)絡(luò )用,留出2倍的裕量,所以實(shí)際的應保證Iref>20μA,這樣可求出R6=175kΩ,取R6=125kΩ。

第3步:由于電池電壓比參考電壓高,電池電壓應先通過(guò)R4和R5組成的分壓網(wǎng)絡(luò )分壓后再與參考電壓分壓出的基準進(jìn)行比較。所以,根據電池電壓設定的UTHH和UTHL就對應一個(gè)在參考電壓Uref的基礎上的兩個(gè)門(mén)限值:UH和UL。于是式(1)和式(2)就變成:

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設UL=1.25V(UL取Uref一半的大小,為的是使R1、R2、R3的阻值相對比較接近,當然也可以選擇其它小于Uref的值),則R4和R5的分壓比Q=UL/UTHL,則可以根據Q=R4/(R4+R5)求出R4和R5的比值,同時(shí)也可以得到UH=UTHH×Q=4.625V。

第4步:設R1=9lkΩ,根據式(4)可求得R2=91kΩ。

第5步:根據式(3)計算出R3=78kΩ。

當電池電壓降到5V以下時(shí),VT2被斷開(kāi),基本上只有阻值總和為385kΩ的電阻消耗電池的能量,放電電流只有10μA左右。

將6節1.2V的鎳氫電池串聯(lián)后,利用上面的參數進(jìn)行測試。把電池充滿(mǎn)后進(jìn)行放電,當電壓低于6V的UTHL之后,負載被斷開(kāi),電池電壓迅速升高至7.4V左右,但由于沒(méi)有達到7.8V的UTHH,負載仍被斷開(kāi),所以電路沒(méi)有產(chǎn)生振蕩。

4 結束語(yǔ)

這種電池保護系統的電路簡(jiǎn)單,使用靈活。只需選擇供電電壓較高的比較器,就可以
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