深度剖析电池深度放电保护电路设计方案

出处:网络整理 发布于:2026-07-01 17:09:31 | 18 次阅读

  通常,在电池使用过程中,我们往往更关注电池过充问题,却常常忽略了负载过载导致的电池过放情况。实际上,过充固然会对电池健康造成损害,必须采取适当措施加以防范,但过放或深度放电同样会对电池健康产生严重危害。
  设计构思
  有人安装了一套 2.2 千瓦的离网太阳能系统,该系统由太阳能电池板、蓄电池和太阳能逆变器组成。逆变器预设的优先级顺序为:太阳能优先,电网优先,蓄电池最后。并且已经断开了逆变器的市电连接,这样系统会先利用太阳能,太阳能不足时再使用蓄电池。此外,在这个系统中还添加了一个 ACCL(辅助电流控制电路),将电网作为备用电源。然而,到了晚上,当太阳能发电不足且电池电量耗尽时,ACCL 会切换到市电供电,而此时电池电量已完全耗尽或处于深度放电状态,这显然不是我们所期望的。为了延长电池寿命,我们希望在电池剩余电量低于 20% 或电压达到特定值时关闭电池电源。
  电路设计
  电池深度放电保护电路的电路设计如下图所示:
   该电路的组成元件较为简单,其工作原理可以通过以下几点来理解:
  有两个功率晶体管相互耦合,其中 TIP36 晶体管的基极构成 TIP122 晶体管的集电极负载。TIP122 的基极通过电阻 / 齐纳二极管网络进行偏置,其中齐纳二极管 ZY 决定 TIP122 的截止电压。我们需要选择齐纳二极管的电压,使其与电池的临界低电压值相匹配,或者与任何需要停止负载对电池放电的电压值相匹配。只要电池电压保持在齐纳电压(即截止电压)以上,齐纳二极管就会持续导通,进而使 TIP122 保持导通状态。当 TIP122 导通时,TIP36 获得所需的基准电流,并且它也导通,允许电池电流流向负载。然而,当电池电压达到或低于齐纳电压(也是深度放电电压水平)时,齐纳二极管就会停止导通。当齐纳二极管停止导通时,TIP122 的基极电压被切断,它就关机了。由于 TIP122 现在已关闭,TIP36 无法获得其基极偏置电流,并且它也关闭,从而切断了电池电流到负载。该方法可有效防止电池进一步放电,使其低于深度放电水平。所指示的负载可以是任何指定的负载,例如逆变器、电机、LED 灯等。
  选择齐纳二极管
  齐纳二极管决定了电池在什么电压下与负载断开连接。因此,齐纳二极管的电压必须近似等于电池断开连接时的电压。例如,如果对于 12V 电池,深度放电截止值为 10V,则齐纳二极管 ZY 值也可以选择为 10V/1/2 瓦。
  使用 MOSFET
  所示的 TIP36 可为负载提供最大 10 安培的电流。如果需要更高的电流,可以将 TIP36 替换为 P 沟道 MOSFET,例如 MTP50P03HDL,其额定电流至少为 30 安培。当使用 MOSFET 代替 BJT TIP36 时,50 欧姆电阻可以替换为 1K 电阻或 10K 电阻,TIP122 可以替换为 BC547。
   这里我们可以看到设计图右侧的晶体管级,它配置为射极跟随器。该晶体管是 2N6284,额定电流至少为 10 安培,这意味着它甚至可以高效地为 100 安时的电池充电。由于该晶体管是达林顿晶体管,并且配置为射极跟随器,因此其发射极电压总是比其基极电压滞后 1V 或 1.2V。必须谨慎选择齐纳二极管,使其通过在基极提供比所需发射极电压高 1.2V 的电位来补偿 1.2V 的发射极压降。
  如果即使在负载关闭后,电池电压仍然持续下降,那么在某个阶段,电池电压会变得非常低,以至于 T2 将无法保持导通状态,导致 T3 导通,这又会导致负载再次导通,然后电池可能会被迫进一步放电,直到完全耗尽。为避免上述问题,上述最后一个电路可以简化为仅使用两个 BJT。
   整个电路可以看作是四个简单的功能模块协同工作:
  首先是使用 R1 和 P1 的电压传感网络。
  接下来是比较器晶体管 T1 (BC547)。
  之后是使用 T2 (BC547) 的切换或驱动级。
  最后,功率切换由 T3 (TIP122) 处理,它实际上控制负载。
 
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