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铅酸蓄电池充放电原理

我们知道一个基本的铅酸蓄电池是由正、负极板浸润在它们之间的电解液中组成的。说的更细致一点，正极板和负极板与电解液形成各自的‘半电池’。在各自的半电池构造里正极板具有正电势、负极板具有负电势。基本单电池可以看作上述两个‘半电池’按正极板-电解液——电解液-负极板组合而成，正、负相对电势为2V，6个单电池串联在一起就是电动车常用的12V电池。

铅酸蓄电池充满电时，正极板上的物质是二氧化铅（PbO2）,负极板上的物质是绒状的铅（Pb）,电解液硫酸（H2SO4）的密度约为1.33g/cm3（指电动车用铅酸蓄电池，其他用途铅酸蓄电池密度稍低）。

在放电过程中，通过放电回路正极板上的二氧化铅得到电子，负极板上的铅失去电子，分别产生二价铅（Pb2+）并且与电解液中的硫酸作用，在各自较板上沉淀为硫酸铅（PbSO4）；析出的氧离子和氢离子化和成水。随着放电的进行，电解液浓度下降，正、负极板上的硫酸铅逐渐积累。当这个过程发展到一定的程度，放电极化现象越来越重，正极板的电势越来越趋向于负，负极板电势越来越趋向于正，电解液中硫酸的密度越来越低，电池的电压低到终止电压，放电就必须终止。

在充电过程中，溶液中的二价铅离子将电子传给外电路氧化为正四价铅（Pb4+），同时电解液水（HO2）中的氧离子和正四价铅进入正极板的二氧化铅晶格。由于溶液中的二价铅被消耗，于是正极板上的硫酸铅不断溶解，二氧化铅不断生成；负极板上的硫酸铅先溶解成二价铅和硫酸根（SO4），二价铅接受充电回路传来的电子在负极板上还原成铅。同时电解液中留下的氢和硫酸根合成硫酸。随着充电的进行，较板上的硫酸铅逐步溶解，电解液浓度不断提高。当这个过程进行到一定程度，充电极化现象越来越重，正、负极板先后分别析出氧和氢，充电电流越来越多的产生水解，电解液中硫酸密度越来越高，正极板电势趋向较正，负极板电势趋向较负，电池电压不断升高，较终恢复到上述充满电的状态。

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。