Устройство защиты аккумуляторных батарей от глубокого разряда

Устройство защиты батареи (УЗБ), отслеживая уровень напряжения на клеммах аккумуляторной батареи (АБ), обеспечивает отключение нагрузки от АБ при разряде последней до определенного некритичного значения (Umin) и подключает нагрузку при достижении уровня напряжения до некоторого значения (Umax) на клеммах АБ, обеспечивая, таким образом, работу нагрузки от АБ, недозаряженной до максимального значения.

Схема варианта УЗБ с коммутацией нагрузки по минусовой шине питания приведена на рис.1.

Рис.1 Принципиальная схема УЗБ

Схема УЗБ изначально разрабатывалась для защиты АБ с номинальным напряжением 14,8В, потому и номиналы компонентов этого варианта схемы и последующих, приведенных в этой статье схем, рассчитаны для рабочего диапазона напряжений такой батареи. Однако, все варианты схем способны работать в широком диапазоне напряжений и могут быть использованы с иными аккумуляторными сборками.

Т.к. АБ состоит из 4х последовательно включенных литиевых элементов, а критически минимальный уровень напряжения Li-Ion элемента (в среднем, согласно спецификациям на большинство Li-Ion батарей) не может быть ниже 2,5В, нижний порог срабатывания устройства, при котором происходит отключение нагрузки от АБ, составляет 12В. Уровень напряжения, при котором нагрузка подключается – 13,2В (3,3В – на элемент).

Интегральный стабилизатор U1 питает регулируемый стабилитрон U2 и светодиоды оптронов VO1, VO2, обеспечивая стабильный ток в этой цепи при меняющемся уровне напряжения контролируемой АБ. Без стабилизации установленные значения порогов будут «плавать» в процессе изменения уровня напряжения на АБ.
При значении напряжения на АБ U≤12В, по цепи PR1 HL2 R4 PR2 будет протекать некоторый (включая входной ток U2) ток, достаточный для свечения HL2, индицирующего разряженное состояние АБ. Этот уровень напряжения на АБ недостаточен для срабатывания U2, пороги срабатывания которой устанавливаются триммерами PR1 PR2, светодиоды оптронов – обесточены. При этом обесточена и цепь затвора транзистора Q1, нагрузка, коммутируемая этим транзистором, отключена от АБ.

Как только в процессе заряда уровень напряжения на электродах АБ достигнет значения 13,2В, U2 начнет «приоткрываться», вызывая свечение HL1 и светодиодов VO1 VO2. Транзистор оптрона VO1 при этом шунтирует цепь PR1 HL2,  вызывая лавинообразное открывание U2 до минимального значения напряжения на катоде (+2,5В) U2. Светодиод HL2 гаснет. «Засвеченный» транзистор оптрона VO2 открывается, обеспечивая перевод транзистора Q1 в проводящее состояние. Нагрузка подключается к АБ.

С момента шунтирования оптроном VO1 цепи PR1 HL2 порог «обратного» срабатывания доступен только при снижении уровня напряжения на АБ при +12В. Таким образом, PR1 HL2 обеспечивает регулируемую глубину гистерезиса, необходимого для работы схемы.

Схема УЗБ универсальна тем, что в качестве порогового элемента могут быть использованы любые активные компоненты, способные инвертировать сигнал и обладающие собственной «пороговостью».
Основа схемы при этом остается без изменений. Это видно на рис.2 (а…в), где (рис.2а) в качестве порогового элемента применен узел Q2 VZ1 R5, являющийся упрошенным аналогом TL431; применен маломощный КМОП-транзистор (рис.2б), обладающий собственным порогом срабатывания; применен логический инвертор (рис.2в) серии 4ХХХ, так же обладающий порогом срабатывания. В этом качестве могут быть применены любые логические инвертирующие элементы с достаточной (для управления светодиодами) нагрузочной способностью (1,5мА…5мА), либо объединенные группы элементов для достижения необходимой нагрузочной способности (рис.2г). Могут быть так же применены логические элементы формата ТТЛ с понижением питающего напряжения до +5В.

Рис.2 варианты замены TL431

Основа схемы остается неизменной и при коммутации нагрузки по плюсовой шине питания, как это показано на рис.3(а,б).

Рис.3 УБЗ с коммутацией нагрузки по плюсовой шине АБ («+In» следует соединить с «+Bat» если не предусмотрено иное подключение «+In»)

В схеме на рис.3а в качестве ключа применен биполярный составной транзистор, но может быть применен и одиночный с возможно большим коэффициентом усиления. При этом следует учесть, что напряжение насыщения при значительной потребляемой мощности нагрузкой может привести к значительному нагреву транзистора. Поэтому следует применять транзисторы с возможно меньшим значением Uнас кэ, которое у современных биполярных транзисторов может составлять 0,2В…0,4В, либо использовать МОСФЕТы с минимальным значением сопротивления открытого канала, как это показано на рис.3б.
На рис.4 показана схема с применением реле в качестве коммутатора. Все относительные недостатки и достоинства реле известны и без дополнительных описаний и применение реле в схеме УЗБ является хорошей альтернативой в некоторых случаях.


Рис.4 УЗБ с электромагнитным реле в качестве коммутатора нагрузки («+In» следует соединить с «+Bat» если не предусмотрено иное подключение «+In»)

Все варианты УЗБ легко повторяемы, хорошо выдерживают пороги срабатывания при изменении напряжения на клеммах АБ и легко могут быть масштабированы под АБ с иными рабочими напряжениями, иными нагрузками.
Настройка УЗБ производится следующим образом.
На лабораторном источнике питания (ЛИП) устанавливается уровень напряжения, равный (или несколько больший) верхнему порогу срабатывания (+13,2В). Если при этом HL1 погашен, а HL2 активен, следует с помощью PR2 добиться противоположных состояний светодиодов HL1 HL2. Если активен HL1 (HL2 погашен), то следует понизить уровень напряжения ЛИП до +12В и с помощью PR1 добиться гашения HL1 (активности HL2). Результат точной настройки порогов достигается повторением настроечного процесса 3-5 раз.
Т.к основа схемы УЗБ практически неизменна, для вариантов на рис.1, рис.3, рис.4 была разработана универсальная печатная плата в соответствии со схемой на рис.5.


Рис.5 Принципиальная схема для универсальной печатной платы УЗБ

Вид печатной платы приведен на рис.6, а размеры платы составляют приблизительно 52Х45мм.


Рис.6 Вид печатной платы УЗБ (с установкой компонентов для трех вариантов УЗБ)

Во всех вариантах УЗБ применены достаточно популярные компоненты, но с целью минимизации платы устройства можно (так же и – для улучшения характеристик) применить наиболее современные SMD компоненты. Применение оптронов в УЗБ позволило сократить количество элементов и упростить схему в целом за счет отсутствия узлов преобразования уровня. Например, без оптронов схема УЗБ выглядит так, как на рис.7, с содержанием большего количества компонентов. Последовательное включение светодиодов оптронов снимает проблему несинхронного срабатывания узлов УЗБ. В схеме на рис.7 при неправильном выборе режима работы транзистора Q3, реле может сработать с некоторым замедлением относительно светодиодной индикации.


Рис.7 Вариант схемы УЗБ на транзисторах

Несмотря на то, что ток, потребляемый от АБ схемой УЗБ не превышает 3мА в режиме отключения нагрузки от АБ, АБ все же будет разряжаться по цепи PR1 HL2 R5 PR2 (без учета входных токов U2). Если это обстоятельство в каких-то случаях критично, то следует использовать схему УЗБ с автоотключением УЗБ от АБ (рис.8).

Рис.8 Схема УЗБ с автоотключением от АБ

В схеме УЗБ на рис.8 введен еще один коммутирующий узел (на транзисторах Q1 Q2), срабатывающий синхронно с узлом отключения нагрузки. При подаче питающего напряжения на «+Bat» ключ Q1 разомкнут и интегральный стабилизатор обесточен, потребление от АБ отсутствует. При кратковременном нажатии на кнопку Sw1 напряжение питания подается в схему УЗБ, если напряжение на АБ выше +13,2В. При этом зажжется светодиод HL1 и нагрузка будет подключена к АБ. Если уровень напряжения на АБ ниже +13,2В, то будет зажжен светодиод HL2 и нагрузка не будет подключена, а при отпускании кнопки ключ Q1 вновь закроется, обесточивая схему УЗБ.

Все варианты схем отработаны в макете с аккумуляторной сборкой из 4х элементов (14,8В) и нагрузкой до 4А. Кроме того, УЗБ, собранный по схеме 3б, встроен в виде отдельного модуля в действующее устройство, питаемое от электросети, где АБ используется в качестве подзаряжаемого буфера. Вид модуля, собранного на макетной плате приведен на рис.9.


Рис.9 Действующий макет УЗБ, собранный по схеме 3б

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• аккумулятор
• TL431
• DipTrace