PTC热敏电阻在电池平衡中的应用与设计

在电池管理系统中，PTC热敏电阻器常用于限制电池之间的峰值电流，尤其是在辅助电池与主电池组之间的平衡过程中。本文将详细介绍PTC热敏电阻的工作原理、如何预测平衡电流，以及具体的电路设计实例，帮助工程师更好地理解和应用这一技术。

PTC热敏电阻的工作原理

PTC热敏电阻器是一种具有正温度系数的电阻元件，其电阻值会随着温度的升高而显著增加。在电池平衡电路中，PTC热敏电阻器的作用是限制AUX电池与主电池之间的峰值电流。当AUX电池与主电池之间的差分电压（VDIFF）较小时，流过PTC的电流较低，其温度也较低，此时PTC表现出恒定电阻的特性。然而，当VDIFF增加时，流过PTC的电流增大，其温度随之升高。当PTC的温度达到其居里点时，电阻会急剧增加，从而限制电流的进一步增大。这种特性使得PTC在VDIFF增加时能够起到恒定功率器件的作用，有效限制通过的电流。

预测平衡电流的方法

为了准确预测LTC3305中的平衡电流，需要绘制AUX电池与主电池之间的总电路电阻的电流-电压（I-V）曲线，并将其叠加在PTC的I-V静态特征曲线上。PTC的I-V特征曲线可以从供应商处获取，也可以通过实验室测试得到。总电路电阻包括AUX电池的等效串联电阻（ESRAUX）、主电池的等效串联电阻（ESRBAT）、MOSFET开关的导通电阻（RDS(ON)）以及PTC电阻（RPTC）。

在LTC3305的应用中，当对BAT1和BAT4进行平衡时，电路中有4个串联的MOSFET开关；而对BAT2和BAT3进行平衡时，电路中有5个串联的MOSFET开关。电池和AUX电池之间的任何互连电阻都可以计入各自的ESR中。总电阻（RTOTAL）的计算公式如下：

其中，NFET为串联MOSFET开关的数量。

设计实例

以下是一个具体的电路设计实例。假设采用的PTC热敏电阻型号为PTGLASARR27M1B51B0，其跳变电流为1.9 A，冷电阻为0.27 Ω。通过实验室测试得到的PTC I-V曲线如图1所示。

图1

AUX电池和主电池的ESR分别为100 mΩ和50 mΩ，四个MOSFET开关的RDS(ON)均为10 mΩ。根据上述公式，可以计算出每个电池和AUX电池之间的VDIFF：

图2展示了流经系统的电流与不同VDIFF值以及流过PTC的电流（或平衡电流IBAL）之间的关系曲线。系统曲线是平衡电流随VDIFF变化的轨迹。由于电路内部寄生电阻引起的附加电压降，差分跳变电压会高于PTC的跳变电压。随着差分电压的增加，两根曲线逐渐重叠，因为此时RPTC在RTOTAL中占主导地位。

图2

当差分电压高于跳变电压（VTRIP）时，由于PTC电阻不断增加，平衡电流会降低。对于低于VTRIP的差分电压，平衡电流等于差分电压除以总电路电阻。例如，当电池电压为12.5 V，AUX电池电压为12.0 V时，计算得到的平衡电流为1.12 A，与图2中的I-V曲线一致。

LTC3305能够有效平衡串接式铅酸电池组和辅助蓄电池两端的电压。通过使用PTC热敏电阻，可以精确控制平衡电流。利用PTC热敏电阻的跳变电流和冷电阻参数，结合其他平衡电路的寄生电阻，可以针对不同差分电压预测平衡电流。这种设计方法为工程师提供了一种可靠的电池平衡解决方案，有助于提高电池系统的安全性和性能。

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