CN101814726B

CN101814726B - 电池放电保护电路

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Publication number: CN101814726B
Application number: CN2010101473714A
Authority: CN
Inventors: 罗康林; 胡尚志; 汪超; 杨晓东
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2010-04-14
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2030-04-14
Also published as: CN101814726A

Abstract

一种能自锁的电池放电保护电路，由基准电路、欠压检测电路、充电检测电路、保护自锁电路、保护输出电路五个部分组成。欠压检测电路检测到电池低压输出电池欠压信号，触发保护自锁电路形成自锁控制保护输出电路关断输出，当对电池进行充电时，充电检测电路检测输出充电信号触发保护自锁电路解锁控制保护输出电路开启输出。本发明由于使用了精准恒压源，因此可以实现精确的欠压检测；电路在检测到电池欠压时就立刻触发自锁电路，并关断负载放电回路。而且只有在通过本电路对电池进行充电后，才能解出电路的自锁；因此，本电路对电池的过度放电起到了非常可靠的保护。

Description

电池放电保护电路

技术领域

本发明涉及直流电源的保护电路领域，特别是在线式后备电源的能自锁的电池放电保护电路。

背景技术

电池的反复充放电技术一直不断地向前发展，特别是免维护式铅酸伐式电池的充放电技术更是不断的得到完善。由于免维护式铅酸伐式电池具有容量大、能容密度高、制造难度小、价格便宜、尺寸规格统一且无须保养的优点，因此作为储能设备被广泛应用于各种设备的后备电源。然而铅酸电池本身又存在诸多缺点，随着使用次数和使用时间的增加，电池的容量不断下降内阻增大。尤其是铅酸电池的过放电将会造成电池容量急剧下降使用寿命缩短，甚至造成电池损坏。因此对铅酸电池的放电有必要加以保护，特别是在线式后备电源中的铅酸电池更是需要对放电进行保护。

常见的放电保护电路是对电池的电压进行实时检测，当检测到低于设定电压时，就关断电池的放电回路。理论上这种电路是能够对电池的放电起到保护作用，但实际上并非如此。由于关断了电池的放电回路，电池电压又会回升一点，而超过设定的电压，从而使放电回路又接通，接通以后，又会出现电池电压低于设定电压，再关断电池的放电回路，电池电压再回升，放电回路再接通，如此反复，最终使电池电压空载时低于设定电压而出现过放电。虽然这种过放电不会造成电池损坏，但还是会加快电池容量下降速度，缩短使用寿命。尤其是当出现保护时，由于反复地接通、断开负载的放电回路，对负载设备将造成很大的冲击，甚至损坏负载设备。也有许多电路采用电池管理集成电路做成电池管理***电路，虽然能对电池起到很好的保护，但其电路复杂，功能繁琐且相互交叠，成本也偏高，浪费率也高。

发明内容

本发明为解决上述问题提供一种能自锁的电池放电保护电路，电路在检测到电池欠压时就立刻触发自锁电路，并关断负载放电回路，而且只有在通过本电路对电池进行充电后，才能解出电路的自锁。因此，本电路对电池的过度放电起到了非常可靠的保护，并且电路简单，成本低廉。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种电池放电保护电路，能对电池欠压作出准确判断，并锁定关闭对负载供电，并且只能通过对电池进行充电才能开启对负载供电，由基准电路、欠压检测电路、充电检测电路、保护自锁电路、保护输出电路五个部分组成；所述电池放电保护电路的电源由电池或电压转换装置提供，当电池放电保护电路的电源由电池提供时，电池直接连接到电池放电保护电路的供电端对其供电，电池正极接到供电正极端，电池负极接到供电负极端作为参考地；欠压检测电路检测到电池低压输出电池欠压信号，触发保护自锁电路形成自锁控制保护输出电路关断输出，当对电池进行充电时，充电检测电路检测输出充电信号触发保护自锁电路解锁控制保护输出电路开启输出，具体表现为：

所述基准电路由可调稳压二极管、第一电容和第一电阻构成，可调稳压二极管的阳极接参考地，阴极通过第一电阻接到电源正极构成并联式基准稳压电路，从可调稳压二极管的阴极输出一个准确的基准电压，第一电容并联到可调稳压二极管的阴极与阳极上，起到抗干扰滤波和退耦的作用，可调稳压二极管的调整端通过外接电阻网络或可调电阻网络来对基准电压进行微调；

所述欠压检测电路由一路第一集成运算放大器、第二电阻、第三电阻和第二电容构成，第二电阻和第三电阻串联到电池上对电池电压进行分压得到取样电压，分压点接到第一集成运算放大器的一个输入端，取样电压与第一集成运算放大器另一个输入端的基准电压进行比较，由第一集成运算放大器的输出端输出取样结果即欠压信号，完成对电池电压的取样，在第一集成运算放大器的取样输入端对参考地并接的第二电容起抗干扰滤波作用；

所述充电检测电路由一路第二集成运算放大器、功率二极管、第一限流电阻和发光二极管构成，充电电源接入的正极端与电池正极直接连接，功率二极管串联在电池充电回路中，阳极与电池负极连接，阴极接到充电电源接入的负极端，功率二极管的两脚同时连接到第二集成运算放大器的两个输入端，当对电池进行充电时，功率二极管的正偏电压在第二集成运算放大器的两个输入端形成比较，由第二集成运算放大器的输出端输出比较结果即充电信号，完成充电状态的检测，第一限流电阻和发光二极管正偏串联到充电电源接入端起充电指示作用，不充电时又为第二集成运算放大器提供翻转偏置电压；

所述的保护自锁电路由一路第三集成运算放大器、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第三电容和第四电容构成，第三集成运算放大器的两个输入端分别由第四电阻和第五电阻接到基准电压提供基准偏置，第六电阻从第三集成运算放大器的输出端接到正相输入端形成正反馈自锁结构，第七电阻由第三集成运算放大器的输出端接到供电正极端形成输出上拉，第三集成运算放大器的两个输入端分别接入欠压信号和充电信号，当欠压检测电路输出欠压信号，保护自锁电路就被触发并锁定输出结果为保护状态，当充电检测电路检测到充电信号时，保护自锁电路又被触发并锁定输出结果为开启输出状态，由第三集成运算放大器的输出端输出锁定状态信号，第三电容和第四电容分别由第三集成运算放大器的两个输入端接到参考地，对输入的触发信号进行抗干扰滤波，同时也是初始状态锁定设置元件，电路锁定的初始状态由第三电容和第四电容的初始充电速度决定；

所述保护输出电路，由一路第四集成运算放大器、一只PNP型三极管、第八电阻、第二限流电阻和一只二极管组成，第四集成运算放大器一个输入端直接连接到基准电压提供基准偏置，另一输入端通过一只第八电阻接入锁定状态信号，同时通过二极管接入充电信号形成逻辑与或逻辑或结构，共同控制第四集成运算放大器输出端的输出结果即负载开关控制信号，当充电检测电路检测到充电信号，其输出结果就被置为关闭负载状态，在充电检测电路没有检测到充电信号时，其输出结果由锁定状态信号决定，锁定状态信号是开启输出状态时，其输出结果为开启负载供电状态，锁定状态信号是保护状态时，其输出结果为关闭负载状态，第四集成运算放大器的输出端通过第二限流电阻接到PNP型三极管的基极，由PNP三极管的发射极和集电极同供电正极端和参考地一起外接负载供电开关控制装置来控制是否对负载供电，外接的负载供电开关控制装置选自功率三极管、功率场效应管或继电器电路结构。

所述基准电路也可以由外接直流稳压电路结构构成，外接直流稳压电路结构选自齐纳二极管、集成稳压器和晶体管稳压电路结构。

所述的保护输出电路，还可以由一路第四集成运算放大器、一只PNP型三极管、第八电阻和第二限流电阻组成，第四集成运算放大器一个输入端直接连接到基准电压提供基准偏置，另一输入端通过一只第八电阻接入锁定状态信号控制第四集成运算放大器输出端的输出结果即负载开关控制信号，当锁定状态信号是开启输出状态时，其输出结果为开启负载供电状态，当锁定状态信号是保护状态时，其输出结果为关闭负载状态，第四集成运算放大器的输出端通过第二限流电阻接到PNP型三极管的基极，由PNP三极管的发射极和集电极同供电正极端和参考地一起外接负载供电开关控制装置来控制是否对负载供电，外接的负载供电开关控制装置选自功率三极管、功率场效应管或继电器电路结构。

所述保护输出电路，也可以由一路第四集成运算放大器、第八电阻和一只二极管组成，第四集成运算放大器一个输入端直接连接到基准电压提供基准偏置，另一输入端通过一只第八电阻接入锁定状态信号，同时通过二极管接入充电信号形成逻辑与或逻辑或结构，共同控制第四集成运算放大器输出端的输出结果即负载开关控制信号，当充电检测电路检测到充电信号，其输出结果就被置为关闭负载状态，在充电检测电路没有检测到充电信号时，其输出结果由锁定状态信号决定，锁定状态信号是开启输出状态时，其输出结果为开启负载供电状态，锁定状态信号是保护状态时，其输出结果为关闭负载状态，第四集成运算放大器的输出端同供电正极端和参考地一起外接负载供电开关控制装置来控制是否对负载供电，外接的负载供电开关控制装置选自三极管、光耦、场效应管与功率三极管、功率场效应管或继电器构成的功率开关电路结构。

最优的，所述的第一集成运算放大器、第二集成运算放大器、第三集成运算放大器和第四集成运算放大器的正电源引脚均直接接到供电正极端，负电源引脚均直接接到供电负极端，且第一集成运算放大器、第二集成运算放大器、第三集成运算放大器和第四集成运算放大器正、负电源引脚间均并接有一只对电源进行滤波退耦的电容。

本发明的有益效果如下：

本发明提供一种具有自锁功能的电池放电保护电路，本电路由于使用了精准恒压源，因此可以实现精确的欠压检测；电路在检测到电池欠压时就立刻触发自锁电路，并关断负载放电回路。而且只有在通过本电路对电池进行充电后，才能解出电路的自锁；因此，本电路对电池的过度放电起到了非常可靠的保护。

附图说明

图1基于LM339构成的具有自锁功能的电池放电保护电路原理图。

图2带欠压微调驱动MOSFET-N关断负极的电池放电保护电路原理图。

具体实施方式

如图1所示的能自锁的电池放电保护电路由基准电压电路、欠压检测电路、充电检测电路、保护自锁电路、保护输出电路五个部分组成。能自锁的电池放电保护电路直接由电池提供电源，电池的正极连接到本电路的电源正极供电端，电池的负极连接到本电路的电源负极供电端并作为参考地。本电路中C1是比较器U2的旁路兼电源滤波电容，直接并接在U1_3和U1_12脚上。

基准电压电路由图1中的U2、R8和C5组成。U2是一只可调稳压二极管，R8是限流电阻；U2的调整脚直接引出作为基准电压微调端口。C5用于基准电压源的抗干扰滤波，同时减小基准电压源的内阻。电池电压通过R8使U2形成类似于齐纳二极管的雪崩击穿效应，由R8分压后得到一个恒定的直流电压，从而得到本电路的基准电压源。

欠压检测电路由图1中的R1、R2、C2和U1的第一组比较器U1A组成。电池电压经R1、R2串联比例降压得到取样电压，经C2抗干扰滤波接到U1_5，与U1_4的基准电压形成比较；当电池电压低于设定值时，U1_2就输出一个低电平即欠压信号，从而触发保护自锁电路锁定关断负载回路。在没在检测到电池欠压时，U1_2输出高阻态，因此不会对保护自锁电路产生任何影响，保护自锁电路仍维持原有状态。

充电检测电路由图1中R0、LED、D1和U1的第四组比较器U1D组成。其中D1既是充电检测元件，又是充电保护元件，可以有效防止充电线接反而造成电池损坏。D2用于充电时关断电池负载回路。R0、LED是充电指示电路，同时也是充电检测电路的翻转偏置电路。当通过外接充电器对电池进行充电时，LED经R0正偏点亮指示充电，D1正偏在U1_10、U1_11上形成比较，从U1_13输出一个低电平即充电信号，去触发保护自锁电路解锁。当没有对电池进行充电时，由于LED虽然处于正偏，但没有回路电流，所以不会点亮，只能让D1构成反向偏置电压，而使U1_13输出高阻态，因此不会对保护自锁电路产生任何影响，保护自锁电路仍维持原有状态。

保护自锁电路由R3、R4、R5、R6、C3、C4和U1的第二组比较器U1B组成。R3、R4构成自锁电路的基准偏置。R5在电路中构成深度正反馈，实现电路的自锁。R6是自锁电路输出的上拉电阻。C3、C4的作用是对触发信号进行抗干扰滤波，增加电路的稳定性，同时也是初始状态锁定设置元件。本电路的初态设计为锁定关闭输出。在给本电路接上电池时，由于把C3的充电速度设计得比C4的充电速度慢些，于是U_17正相输入端的电压相对低于U_16反相输入端的电压形成反偏比较，使U1_1输出低电平，即输出结果为保护状态，通过R5反馈到U1_7，U1_7电压被限制在基准电压经R3和R5分压后的电压值，而U1_6电压则维持在基准电压值，因此U1B的反偏比较被锁定，U1_1输出也就被锁定为低电平，锁定状态信号的初态被锁定为保护状态，从而避免了因产品长时间的存放使电池电量耗尽而无电存放对电池的危害。

在图1中，当电路初态锁定为关闭输出时，我们就必须对电池充电后才能开启输出接通负载回路。当对电池进行充电时，U1_13输出的低电平即充电信号将U1_6拉低，U1B构成正偏比较，U1_1输出的变成高阻态，由R6上拉为高电平即输出结果的锁定状态信号为开启输出状态，而U1_7电压也由基准电压经R3和R5分压后的电压值变成基准电压加上电池正极到基准电压经R6、R5、R3在R3上的分压值，即U1_7上的电压被维持在大于基准电压值，当停电或断开充电器时，U1_13输出转为高阻态，U1_6恢复到基准电压值，U1B仍然维持正偏比较结果，因而锁定状态信号被锁定为开启输出状态。当电池因放电出现电池欠压时，U1_2输出的低电平即欠压信号将U1_7拉低，与U1_6形成反偏比较，U1_1输出由高阻态变成低电平，锁定状态信号变成保护状态，由保护输出电路控制负载开关去关断对负载的供电。当负载被断开后，电池电压回升，U1_13输出转成高阻态，电池欠压信号消失，U1_17的电压因R5的正反馈被锁定为R5经R3对基准电压的分压值，U1B的反偏比较结果被锁定，U1_1输出也就被锁定为低电平，锁定状态信号被锁定为保护状态。

保护输出电路由图1中的R7、R9、Q1、D2和U1的第三组比较器U1C组成。充电信号经R7限流隔离和锁定状态信号经D2钳位隔离在U1_8构成逻辑与，共同控制U1_8的逻辑电平，当U1_13输出低电平即检测到充电信号时，U1_8被拉低为接近0V的低电位，和U1_9的基准电压构成正偏比较，使U1_14输出高阻态，Q1失去偏置电流不工作，电路关断本电路的输出。当U1_13都为高阻态即没有检测到充电信号时，U1_8的电压由锁定状态信号决定，当锁定状态信号为开启输出状态即U1_1为高阻态时，U1_8经R6、R7被上拉为接近电池电压的高电位，和U1_9的基准电压构成反偏比较，使U1_14对地形成导通状态，经R9使Q1获得正偏电流而开启本电路的输出，当锁定状态信号为保护状态即U1_1为低电平时，U1_8被拉低为接近0V的低电位，和U1_9的基准电压构成正偏比较，使U1_14输出高阻态，Q1失去偏置电流不工作，电路关断本电路的输出。

图1的电路比较适合对3～24V的蓄电池组进行放电保护，特别适合6～18V的蓄电池组，对于不在所述范围的电池组，须通过电压转换电路来对本电路供电，转换电路的输入端接到电池上，输出端接到本电路的供电端，但检测电路的接法保持不变。本电路的基准电压由其它形式提供时，如来自于其它电路的基准电压和其它形式的稳压电路，就不需本电路中的基准电路部分，外接的基准电压直接接到本电路的基准电压点。对于内置可充电电源的设备，在图1中通过外接两个按钮来控制电源的通断，分别接于U1_6到地控制电源接通，U1_7到地控制电源关断。当充电时无须断开负载供电的设备，D2就不接入本电路。

图2的电路是本发明应用于驱动MOSFET-N关断负载负极的实际应用电路，适应于6～18V的蓄电池组的放电保护，如图2所示，将图1中的开关驱动1接到供电正极，开关驱动2通过一只电阻R10接到供电负极，并且从开关驱动2接到MOSFET-N的栅极去控制MOSFET-N开关负载供电，实现了对电池过放电的可靠保护。MOSFET-N的源极接到电池负极，MOSFET-N的漏极作为负载负极，电池正极作为负载正极。

图2中，通过在基准电压点、基准微调端和电池负极即供电负极端外接可调电阻RP1和电阻R11的可调电阻网络来调整基准电压，实现对蓄电池组过放电保护阀值的小范围设定。

Claims

1.一种电池放电保护电路，能对电池欠压作出准确判断，并锁定关闭对负载供电，并且只能通过对电池进行充电才能开启对负载供电，由基准电路、欠压检测电路、充电检测电路、保护自锁电路、保护输出电路五个部分组成；所述电池放电保护电路的电源由电池或电压转换装置提供，当电池放电保护电路的电源由电池提供时，电池直接连接到电池放电保护电路的供电端对其供电，电池正极接到供电正极端，电池负极接到供电负极端作为参考地；欠压检测电路检测到电池低压输出电池欠压信号，触发保护自锁电路形成自锁控制保护输出电路关断输出，当对电池进行充电时，充电检测电路检测输出充电信号触发保护自锁电路解锁控制保护输出电路开启输出，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的电池放电保护电路，其特征在于：所述基准电路的另一种结构为：基准电路由外接直流稳压电路结构构成，外接直流稳压电路结构选自齐纳二极管、集成稳压器或晶体管稳压电路结构。

3.根据权利要求1所述的电池放电保护电路，其特征在于：所述保护输出电路的另一种结构为：由一路第四集成运算放大器、一只PNP型三极管、第八电阻和第二限流电阻组成，第四集成运算放大器一个输入端直接连接到基准电压提供基准偏置，另一输入端通过一只第八电阻接入锁定状态信号控制第四集成运算放大器输出端的输出结果即负载开关控制信号，当锁定状态信号是开启输出状态时，其输出结果为开启负载供电状态，当锁定状态信号是保护状态时，其输出结果为关闭负载状态，第四集成运算放大器的输出端通过第二限流电阻接到PNP型三极管的基极，由PNP三极管的发射极和集电极同供电正极端和参考地一起外接负载供电开关控制装置来控制是否对负载供电，外接的负载供电开关控制装置选自功率三极管、功率场效应管或继电器电路结构。

4.根据权利要求1所述的电池放电保护电路，其特征在于：所述保护输出电路的另一种结构为：由一路第四集成运算放大器、第八电阻和一只二极管组成，第四集成运算放大器一个输入端直接连接到基准电压提供基准偏置，另一输入端通过一只第八电阻接入锁定状态信号，同时通过二极管接入充电信号形成逻辑与或逻辑或结构，共同控制第四集成运算放大器输出端的输出结果即负载开关控制信号，当充电检测电路检测到充电信号，其输出结果就被置为关闭负载状态，在充电检测电路没有检测到充电信号时，其输出结果由锁定状态信号决定，锁定状态信号是开启输出状态时，其输出结果为开启负载供电状态，锁定状态信号是保护状态时，其输出结果为关闭负载状态，第四集成运算放大器的输出端同供电正极端和参考地一起外接负载供电开关控制装置来控制是否对负载供电，外接的负载供电开关控制装置选自三极管、光耦、功率场效应管或继电器构成的功率开关电路结构，或者外接的负载供电开关控制装置选自场效应管与功率三极管构成的功率开关电路结构。

5.根据权利要求1所述的电池放电保护电路，其特征在于：所述的第一集成运算放大器、第二集成运算放大器、第三集成运算放大器和第四集成运算放大器的正电源引脚均直接接到供电正极端，负电源引脚均直接接到供电负极端，且第一集成运算放大器、第二集成运算放大器、第三集成运算放大器和第四集成运算放大器正、负电源引脚间均并接有一只对电源进行滤波退耦的电容。