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如何确定铅酸电池平衡器的平衡电流

2015-07-09 14:45
来源: 与非网

  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。

  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。

如何确定铅酸电池平衡器的平衡电流

  图1:MurataPTC的电阻-温度特性

如何确定铅酸电池平衡器的平衡电流

  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)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PTCI-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PTCI-V曲线的负斜率。

如何确定铅酸电池平衡器的平衡电流

  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RTOTALI-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PTCI-V曲线是在实验室得出的。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)。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

如何确定铅酸电池平衡器的平衡电流

  图4:设计实例PTCI-V特征曲线

  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。

如何确定铅酸电池平衡器的平衡电流

  图5:系统I-V特征曲线。至VDIFF的系统曲线和至VPTC的PTC曲线

  当差分电压高于VTRIP时,由于PTC电阻不断增加,因此平衡电流较低。对于低于VTRIP的差分电压,平衡电流为差分电压除以总电路电阻。一个12.5V的电池电压和一个12.0V的辅助电池电压将产生1.12A平衡电流,这与图5所示的I-V曲线是吻合的。

  结论

  LTC3305可平衡一个串接式铅酸电池组和一个辅助蓄电池两端的电压。平衡电流可以利用一个陶瓷PTC热敏电阻来控制。采用PTC热敏电阻规定的跳变电流和冷电阻参数以及其他的平衡电路寄生电阻,就能针对电池与辅助电池之间各种不同的差分电压来预测平衡电流。

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