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教大家怎么确定一款铅酸电池平衡器的平衡电流

2021-10-28 09:17:00

LTC3305是一款铅酸电池平衡器，其采用一个辅助电池或一个可供替代的蓄电池（AUX）与串接式电池组内部的个别电池之间来回传输电荷。平衡器控制外部NMOS 开关以把辅助电池顺序地连接至电池组中的每节电池。为了防止损坏 NMOS 开关及其互连 PCB 走线，需要使用一个电流限制器件。陶瓷正温度系数（PTC）热敏电阻便是此类器件之一。

PTC 热敏电阻器负责限制在 AUX 电池与电池间连接的峰值电流。当 AUX 电池与所连接电池之间的差分电压（VDIFF）相对较小时，流过 PTC 的电流处于低水平，其温度也很低，而且 PTC 呈现出恒值电阻器的特性。当VDIFF增加时，电流增大，且PTC的温度升高。

如图 1 所示，当 PTC 的温度达到其居里点（Curiepoint）时，其电阻急剧增加。一旦达到居里点，则由PTC 的电阻对电流加以限制。这样，PTC 就起到了一个恒定功率器件的作用，可在 VDIFF 增加时限制通过的电流。

图 1：Murata PTC 的电阻-温度特性

预测 LTC3305 的平衡电流需要为介于 AUX 电池和被平衡电池之间的总电路电阻绘制一幅电流-电压曲线图。然后把这根线叠加在 PTC 的电流-电压（I-V）静态特征曲线上（图 2）。PTC 电流-电压特征曲线可从 PTC供应商处获得，或在实验室中产生。一旦获知了总的电路电阻，接着就可以采用PTC电流-电压特征曲线来计算流过电池和AUX电池的电流。

图 2：PTC 电流-电压特征曲线

预测平衡电流

AUX 电池与电池之间的总电路电阻包括 AUX 电池的ESR （ESRAUX）和电池的 ESR （ESRBAT）、MOSFET 开关的RDS（ON）（ON）和PTC电阻（RPTC）。当对BAT1和BAT4进行平衡时，在电路中有 4 个串联的（NFET = 4）MOSFET 开关，而对 BAT2 和 BAT3 实施平衡时电路中则具有 5 个串联的（NFET = 5） MOSFET 开关（见LTC3305 产品手册的第一页）。电池和辅助电池之间的任何互连电阻都可集总到各自的电池和 AUX 电池的ESR中。该互连电阻必须包括正和负端的互连电阻。下面的表达式给出了辅助电池与电池之间的总电阻（RTOTAL），式中的NFET为串联MOSFET开关的数量。

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

图3示出了叠加在PTC I-V特征曲线上的RTOTAL线。箭头线是针对各种不同 VDIFF 之平衡电流的轨迹。当 VDIFF 增加时，平衡电流沿着总电阻曲线增大。当该差分电压产生了一个超过居里点电流的平衡电流时，PTC 电阻增加，并最终在总的电路电阻中居主导地位。居里点电流在产品手册中被称为跳变电流。随着PTC电阻的不断增加，平衡电流骤降，并逐渐接近PTC I-V曲线的负斜率。

图 3：叠加在 PTC 特征曲线之上的 RTOTAL 线

最后，在 AUX 电池和被平衡的电池之间传输了足够的电荷，而且VDIFF开始下降。当VDIFF减小时，则在另一方向遵循 I-V 特征曲线。随着 VDIFF 的减小，平衡电流遵循RTOTAL I-V曲线而增大，直至其达到居里点电流为止。PTC电阻在该点上保持恒定，而平衡电流的变化则遵循RTOTAL 线。

设计实例

这里的实例采用了一个具有 1.9A 跳变电流和 0.27Ω 冷电阻的 PTC （PTGLASARR27M1B51B0）。图 4 中示出的PTC I-V曲线是在实验室得出的。

图 4：设计实例 PTCI-V 特征曲线

辅助电池和电池的ESR分别为100mΩ和50mΩ。四个MOSFET 开关各具 10mΩ 的 RDS（ON）（ON）。针对每个电池和辅助电池的VDIFF可采用下式计算：

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

图 5 示出了流经系统的电流与各种不同的 VDIFF 值以及流过 PTC 的电流（或平衡电流 IBAL）之间的关系曲线。系统曲线是作为VDIFF之函数的平衡电流之轨迹。由于电路内部寄生电阻两端的附加电压降，差分跳变电压升至高于PTC跳变电压。随着差分电压的增加，两根曲线彼此重叠，这是因为 RPTC 在 RTOTAL 中占主要地位。