为保证无人值守的设备(比如考勤机等)在断电后仍能运行,通常要加入蓄电池作为后备电源。在电网断电后,后备电池开始对设备进行供电。这时,必须设置电池过放电保护电路。较简单的电池保护是设置一个电压保护门限,当电池电压降到这个门限值之后,自动断开回路,停止对负载供电。但由于负载被断开之后,电池端电压会*升高至门限电压以上,于是电池又被重新接入电路给负载供电,此后会重复“断开一接通一断开一接通”的振荡过程,直到电池彻底耗尽。这对电池的寿命会产生很大的影响,甚至损坏电池。所以,必须设计一种带有滞回功能的自动保护电路。
目前市场上有一些现成的电池保护芯片可以应用,但这些芯片多应用于锂电池的保护,电压等级多集中在5V左右。在一些电压等级较高的蓄电池应用中,例如,10V至50V的供电系统可能就无法应用。本文提供了一种简单有效的带有滞回区的电池保护电路,可以设置两个电压门限,避免产生振荡,又因为这两个门限可以通过电阻任意设置,因此能够应用到几十伏的电池系统中。
1 保护原理
如图1(a)所示,假设电池电压为UBAT,系统只设置一个保护门限电压UTH。则当电池电压低于UTH时,比较电路输出低电平,负载被断开。但由于负载的移除,电池端电压*上升至UTH以上,比较器重新输出高电平,负载又被接入,从而形成振荡。
但如果在比较电路中设置两个门限电压:UTHH和UTHL(UTHH>UTHL),则可以形成一个滞回区,如图1(b)所示。当电池电压从低升高至UTHH时,比较器输出高电平,打开电子开关,给负载供电;当电池电压降低至UTHL时,比较器输出低电平,断开负载。这个时候电池端电压虽然会*升高至UTHL以上,但由于达不到UTHH,所以,比较器仍然输出低电平,负载仍被断开,直到电池被充电后电压升高至UTHH以上才能再次接通负载。这样就避免了电路的振荡,保护了负载和电池。
虽然绝大多数比较器中都带有滞回电路,但通常内部滞回电路的滞回电压(即UTHH一UTHL)仅为5mV到10mV,根本不能用于过放电保护。图2(a)电路中利用比较器的输出反馈自动调节比较电压的参考值,使输入电压在不同的区间时,被比较的门限电压在UTHH和UTHL之间转化。图2(b)给出了输入信号变化时的输出响应,利用比较器的输出信号来驱动电子开关,当Output为高时,电池被接入系统,当Output为低时,负载被断开。
当电池电压UBAT较低时,比较器输出低电平,使三极管VT截止,此时的门限电压为:
直到电池电压URAT**UTHH时比较器才输出高电平,负载才能被接通,同时VT被导通,R3近似被短路,门限电压自动调整为:
此后,即使电池电压低于UTHH,但只要仍**UTHL,电池就一直处于输出状态,直到电压降低至UTHL后,Output为低电平,负载被断开。同时,VT变为截止,门限电压重新转化为UTHH,虽然负载的移除使电池端电压上升,但由于仍低于UTHH,负载不会重新被接通。这样就有效的保护了电池,延长了电池的使用寿命。
2 硬件电路
式(1)和式(2)是理论上的公式,实际上,为了将上述的滞回原理应用于实际的电池系统,还要考虑一个参考电压的问题。参考电压Uref是不能变的,否则上下电压门限就会发生变化。而且参考电压是由电池电压供电产生的,它必须比电池电压低的多,而且功耗较小。
图3是具体的硬件电路图,参考电压由LM285Z一2.5分流稳压器产生,它较低只需要10μA的通过电流就可输出稳定的2.5V参考电压,这可大大降低电池在低压闭锁状态的功耗。比较器选用了ST公司TS393I,它是一种微功耗比较器,这样,所有分压电阻的阻值可以选的很大,进一步降低了功耗。比较器的输出控制P沟道的MOSFET、VT3接通或断开负载。当电池电压降低到一定程度时VT2关断,使得由比较器组成的保护电路与电池断开,较大地减小的电池的能量消耗,电池处于一种近似自然放电的状态;当电池电压恢复时,VT2自然导通,保护电路重新恢复工作。
3 参数计算
我们以9V的电池为例来进行参数计算。第l步:根据电池的特性设置上下电压门限UTHH=7.8V和UTHL=6V。
第2步:为了保证当电池电压达到低电压锁存门**分压稳压器LM285Z一2.5仍能正常工作,则要保证LM285Z一2.5**过的电流但由于分流稳压器还要分出一部分电流给其它电阻网络用,留出2倍的裕量,所以实际的应保证Iref>20μA,这样可求出R6=175kΩ,取R6=125kΩ。
第3步:由于电池电压比参考电压高,电池电压应先通过R4和R5组成的分压网络分压后再与参考电压分压出的基准进行比较。所以,根据电池电压设定的UTHH和UTHL就对应一个在参考电压Uref的基础上的两个门限值:UH和UL。于是式(1)和式(2)就变成:
设UL=1.25V(UL取Uref一半的大小,为的是使R1、R2、R3的阻值相对比较接近,当然也可以选择其它小于Uref的值),则R4和R5的分压比Q=UL/UTHL,则可以根据Q=R4/(R4+R5)求出R4和R5的比值,同时也可以得到UH=UTHH×Q=4.625V。
第4步:设R1=9lkΩ,根据式(4)可求得R2=91kΩ。
第5步:根据式(3)计算出R3=78kΩ。
当电池电压降到5V以下时,VT2被断开,基本上只有阻值总和为385kΩ的电阻消耗电池的能量,放电电流只有10μA左右。
将6节1.2V的镍氢电池串联后,利用上面的参数进行测试。把电池充满后进行放电,当电压低于6V的UTHL之后,负载被断开,电池电压*升高至7.4V左右,但由于没有达到7.8V的UTHH,负载仍被断开,所以电路没有产生振荡。
在使用UPS供电系统的过程中,人们往往片面地认为蓄电池是免维护的而不加重视。然而有资料表明,因蓄电池故障而引起UPS主机故障或工作不正常的比例大约为1/3。由此可见,加强对UPS电池的正确使用与维护,对延长蓄电池的使用寿命,降低UPS电源系统故障率,有着越来越重要的意义。除了选配正规品牌蓄电池以外,应从以下几个方面入手正确地使用与维护蓄电池:
(1) 保持适当的环境温度。影响蓄电池寿命的重要因素是环境温度,一般电池生产厂家要求的优秀环境温度是在20℃~25℃之间。虽然温度的升高对电池放电能力有所提高,但付出的代价却是电池的寿命大大缩短。据试验测定,环境温度一旦**过25℃,每升高10℃,电池的寿命就要缩短一半。目前UPS所用的蓄电池一般都是阀控式密封铅酸蓄电池,设计寿命普遍是5年,这在电池生产厂家要求的环境下才能达到。达不到规定的环境要求,其寿命的长短就有很大的差异。另外,环境温度的提高,会导致电池内部化学活性增强,从而产生大量的热能,又会反过来促使周围环境温度升高,这种恶性循环,会加速缩短电池的寿命。
(2) 定期充电放电。UPS电源系统中的浮充电压和放电电压,在出厂时均已调试到额定值,而放电电流的大小是随着负载的增大而增加的,使用中应合理调节负载,比如控制计算机等电子设备的使用台数。一般情况下,负载不宜**过UPS额定负载的60%。在这个范围内,蓄电池就不会出现过度放电。
西力蓄电池应用领域与分类:
◆ 免维护无须补液; ● UPS不间断电源;
◆ 内阻小,大电流放电性能好; ● 消防备用电源;
◆ 适应温度广; ● 安全防护报警系统;
◆ 自放电小; ● 应急照明系统;
◆ 使用寿命长; ● 电力,邮电通信系统;
◆ 荷电出厂,使用方便; ● 电子仪器仪表;
◆ 安全防爆; ● 电动工具,电动玩具;
◆ *特配方,深放电恢复性能好; ● 便携式电子设备;
◆ 无游离电解液,侧倒仍能使用; ● 摄影器材;
◆ 产品通过CE,ROHS认证,所有电池 ● 太阳能、风能发电系统;
符合国家标准。 ● 巡逻自行车、红绿警示灯等。
西力蓄电池产品特点
1、采用紧装配技术,具有优良的高率放电性能。
2、采用特殊的设计,电池在使用过程中电液量几乎不会减少,使用寿命期间完全*加水。
3、采用*特的耐腐蚀板栅合金、使用寿命长。
4、全部采用高纯原材料,电池自放电极小。
5、采用气体再化合技术,电池具有较高的密封反应效率,无酸雾析出,安全环保,无污染。
6、采用特殊的设计和高可靠的密封技术,确保电池密封,使用安全、可靠。
密封性
采用电池槽盖、较柱双重密封设计,防止漏酸,可靠的安全阀可防止外部空气和尘埃进入电池内部。
免维护
H2O再生能力强,密封反应效率高,吸附式玻璃纤维棉技术使气体符合效率高达99%,使电解液具有免维护功能,因此电池在整个使用过程中*补水或补酸维护。
安全可靠
正常使用下无电解液漏出,电池外壳无膨胀及破裂现象,要求选择蓄电池电压必须与逆变器直流输入电压一致。例如,12V 逆变器必须选择12V蓄电池。电池内部装有特制安全阀和防暴装置,能有效隔离外部火花 ,不会引起电池内部发生爆炸,使电池在整个使用过程中更加安全可靠。
**命设计
通过计算机精密设计的耐腐蚀钙铅锡等多元合金板栅,ABS耐腐蚀材料外壳,高强度紧装配工艺,提高电池装配紧度,防止活物质脱落,提高电池使用寿命,增多酸量设计,确保电池不会因电解液枯竭而导致电池使用寿命缩短。