發布日期：2022-04-17 點擊率：615
【導讀】工程師肯定有過這樣的疑問：到底什么是平衡電流，哪里會出現這個概念？在鉛酸電池平衡器中如何去確定他的平衡電流呢？本文就帶著這些疑問給大家詳細的講解下平衡電流。
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) 與串接式電池組內部的個別電池之間來回傳輸電荷。平衡器控制外部NMOS 開關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 開關及其互連 PCB 走線，需要使用一個電流限制器件。陶瓷正溫度系數(PTC) 熱敏電阻便是此類器件之一。
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，流過 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，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 (Curie point) 時，其電阻急劇增加。一旦達到居里點，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。
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-電壓曲線圖。然后把這根線疊加在 PTC 的電流-電壓 (I-V) 靜態特征曲線上 (圖 2)。PTC 電流-電壓特征曲線可從 PTC供應商處獲得，或在實驗室中產生。一旦獲知了總的電路電阻，接著就可以采用 PTC 電流-電壓特征曲線來計算流過電池和 AUX 電池的電流。
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圖 1：Murata PTC 的電阻-溫度特性
圖 2：PTC 電流-電壓特征曲線
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 開關的 RDS(ON) 和 PTC 電阻 (RPTC)。當對 BAT1 和 BAT4進行平衡時，在電路中有 4 個串聯的 (NFET = 4)MOSFET 開關，而對 BAT2 和 BAT3 實施平衡時電路中則具有 5 個串聯的 (NFET = 5) MOSFET 開關 (見LTC3305 產品手冊的第一頁)。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 MOSFET 開關的數量。
RTOTAL = ESRAUX + ESRBAT + RPTC + NFET·RDS(ON)
圖 3 示出了疊加在 PTC I-V 特征曲線上的 RTOTAL 線。箭頭線是針對各種不同 VDIFF 之平衡電流的軌跡。當 VDIFF 增加時，平衡電流沿著總電阻曲線增大。當該差分電壓產生了一個超過居里點電流的平衡電流時，PTC 電阻增加，并最終在總的電路電阻中居主導地位。居里點電流在產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 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，直至其達到居里點電流為止。PTC 電阻在該點上保持恒定，而平衡電流的變化則遵循 RTOTAL 線。
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設計實例
這里的實例采用了一個具有 1.9A 跳變電流和 0.27Ω 冷電阻的 PTC(PTGLASARR27M1B51B0)。圖 4 中示出的 PTC I-V 曲線是在實驗室得出的。輔助電池和電池的 ESR 分別為 100mΩ 和 50mΩ。四個MOSFET 開關各具 10mΩ 的 RDS(ON)。針對每個電池和輔助電池的 VDIFF 可采用下式計算：
VDIFF = IPTC·(ESRAUX + ESRBAT + NFET·RDS(ON))+ VPTC
圖 4：設計實例 PTC I-V 特征曲線
圖 5 示出了流經系統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) 之間的關系曲線。系統曲線是作為 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。隨著差分電壓的增加，兩根曲線彼此重疊，這是因為 RPTC 在 RTOTAL 中占主要地位。
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圖 5：系統 I-V 特征曲線。至 VDIFF 的系統曲線和至VPTC 的 PTC 曲線
當差分電壓高于 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生 1.12A 平衡電流，這與圖 5 所示的 I-V 曲線是吻合的。
結論
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預測平衡電流。
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