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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 )
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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，通常要加入蓄電池作為后備電源。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)放電保護電路。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)保護電路。
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鋰電池的保護，電壓等級多集中在5V左右。在一些電壓等級較高的蓄電池應用中，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保護電路，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。
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)。
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：
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：
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。
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
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：
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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