確定LTC3305鉛酸電池平衡器的平衡電流

LTC3305 是一款鉛酸電池平衡器，其采用一個輔助電池或一個可供替代的蓄電池 (AUX) 與串接式電池組內(nèi)部的個別電池之間來回傳輸電荷。平衡器控制外部NMOS 開關(guān)以把輔助電池順序地連接至電池組中的每節(jié)電池。為了防止損壞 NMOS 開關(guān)及其互連 PCB 走線，需要使用一個電流限制器件。陶瓷正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻便是此類器件之一。

PTC 熱敏電阻器負(fù)責(zé)限制在 AUX 電池與電池間連接的峰值電流。當(dāng) AUX 電池與所連接電池之間的差分電壓 (VDIFF) 相對較小時，流過 PTC 的電流處于低水平，其溫度也很低，而且 PTC 呈現(xiàn)出恒值電阻器的特性。當(dāng)VDIFF增加時，電流增大，且PTC的溫度升高。如圖 1 所示，當(dāng) PTC 的溫度達(dá)到其居里點(diǎn) (Curiepoint) 時，其電阻急劇增加。一旦達(dá)到居里點(diǎn)，則由PTC 的電阻對電流加以限制。這樣，PTC 就起到了一個恒定功率器件的作用，可在 VDIFF 增加時限制通過的電流。

圖 1：Murata PTC 的電阻-溫度特性

預(yù)測 LTC3305 的平衡電流需要為介于 AUX 電池和被平衡電池之間的總電路電阻繪制一幅電流-電壓曲線圖。然后把這根線疊加在 PTC 的電流-電壓 (I-V) 靜態(tài)特征曲線上 (圖 2)。PTC 電流-電壓特征曲線可從 PTC供應(yīng)商處獲得，或在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生。一旦獲知了總的電路電阻，接著就可以采用PTC電流-電壓特征曲線來計(jì)算流過電池和AUX電池的電流。

圖 2：PTC 電流-電壓特征曲線

預(yù)測平衡電流

AUX 電池與電池之間的總電路電阻包括 AUX 電池的ESR (ESRAUX) 和電池的 ESR (ESRBAT)、MOSFET 開關(guān)的RDS(ON)(ON)和PTC電阻(RPTC)。當(dāng)對BAT1和BAT4進(jìn)行平衡時，在電路中有 4 個串聯(lián)的 (NFET = 4)MOSFET 開關(guān)，而對 BAT2 和 BAT3 實(shí)施平衡時電路中則具有 5 個串聯(lián)的 (NFET = 5) MOSFET 開關(guān) (見LTC3305 產(chǎn)品手冊的第一頁)。電池和輔助電池之間的任何互連電阻都可集總到各自的電池和 AUX 電池的ESR中。該互連電阻必須包括正和負(fù)端的互連電阻。下面的表達(dá)式給出了輔助電池與電池之間的總電阻(RTOTAL)，式中的NFET為串聯(lián)MOSFET開關(guān)的數(shù)量。

RTOTAL = ESRAUX + ESRBAT + RPTC + NFET ? RDS(ON)

圖3示出了疊加在PTC I-V特征曲線上的RTOTAL線。箭頭線是針對各種不同 VDIFF 之平衡電流的軌跡。當(dāng) VDIFF 增加時，平衡電流沿著總電阻曲線增大。當(dāng)該差分電壓產(chǎn)生了一個超過居里點(diǎn)電流的平衡電流時，PTC 電阻增加，并最終在總的電路電阻中居主導(dǎo)地位。居里點(diǎn)電流在產(chǎn)品手冊中被稱為跳變電流。隨著PTC電阻的不斷增加，平衡電流驟降，并逐漸接近PTC I-V曲線的負(fù)斜率。

圖 3：疊加在 PTC 特征曲線之上的 RTOTAL 線

最后，在 AUX 電池和被平衡的電池之間傳輸了足夠的電荷，而且VDIFF開始下降。當(dāng)VDIFF減小時，則在另一方向遵循 I-V 特征曲線。隨著 VDIFF 的減小，平衡電流遵循RTOTAL I-V曲線而增大，直至其達(dá)到居里點(diǎn)電流為止。PTC電阻在該點(diǎn)上保持恒定，而平衡電流的變化則遵循RTOTAL 線。

設(shè)計(jì)實(shí)例

這里的實(shí)例采用了一個具有 1.9A 跳變電流和 0.27Ω 冷電阻的 PTC (PTGLASARR27M1B51B0)。圖 4 中示出的PTC I-V曲線是在實(shí)驗(yàn)室得出的。

圖 4：設(shè)計(jì)實(shí)例 PTCI-V 特征曲線

輔助電池和電池的ESR分別為100mΩ和50mΩ。四個MOSFET 開關(guān)各具 10mΩ 的 RDS(ON)(ON)。針對每個電池和輔助電池的VDIFF可采用下式計(jì)算：

VDIFF = IPTC ? (ESRAUX + ESRBAT + NFET ? RDS(ON)) + VPTC

圖 5 示出了流經(jīng)系統(tǒng)的電流與各種不同的 VDIFF 值以及流過 PTC 的電流 (或平衡電流 IBAL) 之間的關(guān)系曲線。系統(tǒng)曲線是作為VDIFF之函數(shù)的平衡電流之軌跡。由于電路內(nèi)部寄生電阻兩端的附加電壓降，差分跳變電壓升至高于PTC跳變電壓。隨著差分電壓的增加，兩根曲線彼此重疊，這是因?yàn)?RPTC 在 RTOTAL 中占主要地位。

圖 5：系統(tǒng) I-V 特征曲線。至 VDIFF 的系統(tǒng)曲線和至VPTC 的 PTC 曲線

當(dāng)差分電壓高于VTRIP時，由于PTC電阻不斷增加，因此平衡電流較低。對于低于 VTRIP 的差分電壓，平衡電流為差分電壓除以總電路電阻。一個12.5V的電池電壓和一個12.0V的輔助電池電壓將產(chǎn)生1.12A平衡電流，這與圖5所示的I-V曲線是吻合的。

結(jié)論

LTC3305 可平衡一個串接式鉛酸電池組和一個輔助蓄電池兩端的電壓。平衡電流可以利用一個陶瓷 PTC熱敏電阻來控制。采用 PTC 熱敏電阻規(guī)定的跳變電流和冷電阻參數(shù)以及其他的平衡電路寄生電阻，就能針對電池與輔助電池之間各種不同的差分電壓來預(yù)測平衡電流。

審核編輯：郭婷