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為保證無人值守的設備(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。在電網斷電后，后備電池開始對設備進行供電。這時，必須設置電池過放電保護電路。最簡單的電池保護是設置一個電壓保護門限，當電池電壓降到這個門限值之后，自動斷開回路，停止對負載供電。但由于負載被斷開之后，電池端電壓會迅速升高至門限電壓以上，于是電池又被重新接入電路給負載供電，此后會重復“斷開一接通一斷開一接通”的振蕩過程，直到電池徹底耗盡。這對電池的壽命會產生很大的影響，甚至損壞電池。所以，必須設計一種帶有滯回功能的自動保護電路。 目前市場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法應用。本文提供了一種簡單有效的帶有滯回區的電池保護電路，可以設置兩個電壓門限，避免產生振蕩，又因為這兩個門限可以通過電阻任意設置，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，系統只設置一個保護門限電壓UTH。則當電池電壓低于UTH時，比較電路輸出低電平，負載被斷開。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門限電壓：UTHH和UTHL(UTHH＞UTHL)，則可以形成一個滯回區，如圖1(b)所示。當電池電壓從低升高至UTHH時，比較器輸出高電平，打開電子開關，給負載供電；當電池電壓降低至UTHL時，比較器輸出低電平，斷開負載。這個時候電池端電壓雖然會迅速升高至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，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，根本不能用于過放電保護。圖2(a)電路中利用比較器的輸出反饋自動調節比較電壓的參考值，使輸入電壓在不同的區間時，被比較的門限電壓在UTHH和UTHL之間轉化。圖2(b)給出了輸入信號變化時的輸出響應，利用比較器的輸出信號來驅動電子開關，當Output為高時，電池被接入系統，當Output為低時，負載被斷開。 當電池電壓UBAT較低時，比較器輸出低電平，使三極管VT截止，此時的門限電壓為： 直到電池電壓URAT高于UTHH時比較器才輸出高電平，負載才能被接通，同時VT被導通，R3近似被短路，門限電壓自動調整為： 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，直到電壓降低至UTHL后，Output為低電平，負載被斷開。同時，VT變為截止，門限電壓重新轉化為UTHH，雖然負載的移除使電池端電壓上升，但由于仍低于UTHH，負載不會重新被接通。這樣就有效的保護了電池，延長了電池的使用壽命。 2 硬件電路 式(1)和式(2)是理論上的公式，實際上，為了將上述的滯回原理應用于實際的電池系統，還要考慮一個參考電壓的問題。參考電壓Uref是不能變的，否則上下電壓門限就會發生變化。而且參考電壓是由電池電壓供電產生的，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分流穩壓器產生，它最低只需要10μA的通過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接通或斷開負載。當電池電壓降低到一定程度時VT2關斷，使得由比較器組成的保護電路與電池斷開，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；當電池電壓恢復時，VT2自然導通，保護電路重新恢復工作。 3 參數計算 我們以9V的電池為例來進行參數計算。第l步：根據電池的特性設置上下電壓門限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限時分壓穩壓器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絡用，留出2倍的裕量，所以實際的應保證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R4和R5組成的分壓網絡分壓后再與參考電壓分壓出的基準進行比較。所以，根據電池電壓設定的UTHH和UTHL就對應一個在參考電壓Uref的基礎上的兩個門限值：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，VT2被斷開，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的鎳氫電池串聯后，利用上面的參數進行測試。把電池充滿后進行放電，當電壓低于6V的UTHL之后，負載被斷開，電池電壓迅速升高至7．4V左右，但由于沒有達到7．8V的UTHH，負載仍被斷開，所以電路沒有產生振蕩。 4 結束語 這種電池保護系統的電路簡單，使用靈活。只需選擇供電電壓較高的比較器，就可以應用到任何電壓等級的電路中；只需改變電阻值就可以設置任意的導通和關斷門限，從而可以具有一個較寬的安全范圍。此外，在電池保護期間，由于使用的都是超低功耗的芯片和較大的電阻值，所以電池能量的消耗極少。當電池電壓進一步降低時，系統會自動斷開保護電路，使電池僅處于一種近似自然放電的狀態，放電電流只有幾個微安。 |
