LTC3305是一款鉛酸電池平衡器，其采用一個(gè)輔助電池或一個(gè)可供替代的蓄電池 (AUX) 與串接式電池組內部的個(gè)別電池之間來(lái)回傳輸電荷。平衡器控制外部NMOS 開(kāi)關(guān)以把輔助電池順序地連接至電池組中的每節電池。為了防止損壞 NMOS 開(kāi)關(guān)及其互連 PCB 走線(xiàn)，需要使用一個(gè)電流限制器件。陶瓷正溫度系數(PTC)熱敏電阻便是此類(lèi)器件之一。
PTC 熱敏電阻器負責限制在 AUX 電池與電池間連接的峰值電流。當 AUX 電池與所連接電池之間的差分電壓 (VDIFF) 相對較小時(shí)，流過(guò) PTC 的電流處于低水平，其溫度也很低，而且 PTC 呈現出恒值電阻器的特性。當VDIFF增加時(shí)，電流增大，且PTC的溫度升高。如圖 1 所示，當 PTC 的溫度達到其居里點(diǎn) (Curiepoint) 時(shí)，其電阻急劇增加。一旦達到居里點(diǎn)，則由PTC 的電阻對電流加以限制。這樣，PTC 就起到了一個(gè)恒定功率器件的作用，可在 VDIFF 增加時(shí)限制通過(guò)的電流。
圖 1：Murata PTC 的電阻-溫度特性
預測 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(xiàn)圖。然后把這根線(xiàn)疊加在 PTC 的電流-電壓 (I-V) 靜態(tài)特征曲線(xiàn)上 (圖 2)。PTC 電流-電壓特征曲線(xiàn)可從 PTC供應商處獲得，或在實(shí)驗室中產(chǎn)生。一旦獲知了總的電路電阻，接著(zhù)就可以采用PTC電流-電壓特征曲線(xiàn)來(lái)計算流過(guò)電池和AUX電池的電流。
圖 2：PTC 電流-電壓特征曲線(xiàn)
預測平衡電流
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(kāi)關(guān)的RDS(ON)(ON)和PTC電阻(RPTC)。當對BAT1和BAT4進(jìn)行平衡時(shí)，在電路中有 4 個(gè)串聯(lián)的 (NFET = 4)MOSFET 開(kāi)關(guān)，而對 BAT2 和 BAT3 實(shí)施平衡時(shí)電路中則具有 5 個(gè)串聯(lián)的 (NFET = 5) MOSFET 開(kāi)關(guān) (見(jiàn)LTC3305 產(chǎn)品手冊的第一頁(yè))。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端的互連電阻。下面的表達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(kāi)關(guān)的數量。
RTOTAL = ESRAUX + ESRBAT + RPTC + NFET • RDS(ON)
圖3示出了疊加在PTC I-V特征曲線(xiàn)上的RTOTAL線(xiàn)。箭頭線(xiàn)是針對各種不同 VDIFF 之平衡電流的軌跡。當 VDIFF 增加時(shí)，平衡電流沿著(zhù)總電阻曲線(xiàn)增大。當該差分電壓產(chǎn)生了一個(gè)超過(guò)居里點(diǎn)電流的平衡電流時(shí)，PTC 電阻增加，并最終在總的電路電阻中居主導地位。居里點(diǎn)電流在產(chǎn)品手冊中被稱(chēng)為跳變電流。隨著(zhù)PTC電阻的不斷增加，平衡電流驟降，并逐漸接近PTC I-V曲線(xiàn)的負斜率。
圖 3：疊加在 PTC 特征曲線(xiàn)之上的 RTOTAL 線(xiàn)
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(kāi)始下降。當VDIFF減小時(shí)，則在另一方向遵循 I-V 特征曲線(xiàn)。隨著(zhù) VDIFF 的減小，平衡電流遵循RTOTAL I-V曲線(xiàn)而增大，直至其達到居里點(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(xiàn)。
設計實(shí)例
這里的實(shí)例采用了一個(gè)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(xiàn)是在實(shí)驗室得出的。
圖 4：設計實(shí)例 PTCI-V 特征曲線(xiàn)
輔助電池和電池的ESR分別為100mΩ和50mΩ。四個(gè)MOSFET 開(kāi)關(guān)各具 10mΩ 的 RDS(ON)(ON)。針對每個(gè)電池和輔助電池的VDIFF可采用下式計算：
VDIFF = IPTC • (ESRAUX + ESRBAT + NFET • RDS(ON)) + VPTC
圖 5 示出了流經(jīng)系統的電流與各種不同的 VDIFF 值以及流過(guò) PTC 的電流 (或平衡電流 IBAL) 之間的關(guān)系曲線(xiàn)。系統曲線(xiàn)是作為VDIFF之函數的平衡電流之軌跡。由于電路內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(zhù)差分電壓的增加，兩根曲線(xiàn)彼此重疊，這是因為 RPTC 在 RTOTAL 中占主要地位。
圖 5：系統 I-V 特征曲線(xiàn)。至 VDIFF 的系統曲線(xiàn)和至VPTC 的 PTC 曲線(xiàn)
當差分電壓高于VTRIP時(shí)，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(gè)12.5V的電池電壓和一個(gè)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(xiàn)是吻合的。
結論
LTC3305 可平衡一個(gè)串接式鉛酸電池組和一個(gè)輔助蓄電池兩端的電壓。平衡電流可以利用一個(gè)陶瓷 PTC熱敏電阻來(lái)控制。采用 PTC 熱敏電阻規定的跳變電流和冷電阻參數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(lái)預測平衡電流。 |
