advertisement LTC3305 鉛蓄電池バランサーのバランス電流の判定 デザインノート539 Jim Drew はじめに バランス電流の予測 LTC 3305 は鉛蓄電池バランサで、補助バッテリまた は代替のストレージ・セル（AUX）を使用して、直列接 続されているスタック内の各バッテリ間で互いに電荷を 転送します。このバランサは、外付けの NMOS スイッ チを制御して、スタック内の各バッテリへ補助バッテリ を直列に接続します。NMOS スイッチと、それらを相 互接続する PCBトレースの破損を防止するため、電 流制限デバイスが必要です。このようなデバイスの一 例として、セラミックの正の温度係数（PTC）サーミス タがあります。 AUX セルとバッテリとの間の回路の総抵抗は、AUX セルの ESR（ESRAUX）、バッテリの ESR（ESRBAT）、 MOSFET ス イ ッ チ の RDS(ON)、 お よ び PTC 抵 抗（RPTC）で 構 成 さ れ ま す。BAT1 と BAT4 を バランスさせる場 合、回 路に 4 つの 直 列（NFET = 4）MOSFET スイッチが 存 在します。 これ に 対し て、BAT2 と BAT3 に は 5 つ の 直 列（NFET = 5） MOSFET スイッチが存在します（LTC3305 データ シートの最初のページを参照してください）。バッテリ と補助セルとの間の相互接続の抵抗は全て、該当す PTC サーミスタは、AUX セルとバッテリとの接続にお るバッテリと AUX セルの ESR として一括に扱うこと けるピーク電流を制限します。AUX セルと、接続さ ができます。この相互接続の抵抗には、正と負の端子 れているバッテリとの間の比較的小さな差電圧におい の相互接続抵抗を両方とも含める必要があります。下 補助セルとバッテリとの間の総抵抗（RTOTAL） ては PTC サーミスタを通過する電流は低く維持され、 の式は、 で、N は直列 MOSFET スイッチの数です。 FET 温度も同様に低く維持されます。PTC は一定値の抵 抗特性を示します。VDIFF が増大すると電流も増大し、 RTOTAL = ESRAUX + ESRBAT + RPTC + NFET • PTC サーミスタの温度も上昇します。PTC サーミス RDS(ON) タの温度がキュリー点に達すると、図 1 に示すように 図 3 は、PTC の I-V 特性曲線に RTOTAL を重ねたも 抵抗値が急激に増大します。キュリー点に達すると、 のです。 矢印の線は、各種の VDIFF について、バラ PTC サーミスタの抵抗によって電流が制限されるよう ンス電流の軌跡を示しています。VDIFF が増大すると、 になります。このようにして、PTC サーミスタは一定 バランス電流も総抵抗曲線に沿って増大します。差電 電力のデバイスとして動作し、VDIFF の増大時にパス 圧により、キュリー点電流を超えるバランス電流が生成 スルー電流を制限します。 されると、PTC 抵抗が増大し、最終的には回路の総 ® LTC3305 のバランス電流を予測するには、AUX セ ルと、バランスの対象であるバッテリとの間で、回路の 総抵抗について電流 - 電圧曲線をプロットする必要が あります。この線は PTC の電流 - 電圧の静的特性曲 線（図 2）と重ねられます。PTC の電流 - 電圧の特性 曲線は、PTC サーミスタの製造メーカーから入手、ま たは実験によって生成できます。それを元に、回路の 総抵抗が判明していれば、PTC の電流 - 電圧の特性 曲線を使用して、バッテリと AUX セルを通過する電流 を計算できます。 L、LT、LTC、LTM、Linear Technology および Linear のロゴは、リ ニアテクノロジー社の登録商標です。その他すべての商標の所有権は、そ れぞれの所有者に帰属します。 06/15/539 抵抗の大部分を占めるようになります。キュリー点電 流は、データシートではトリップ電流と記載されていま す。PTC 抵抗が増大すると、バランス電流は急激に 減少し、PTC の I-V 曲線の負の勾配に近づきます。 最終的に、AUX セルと、バランス対象であるバッテリ との間で十分な電荷が転送され、VDIFF は低下し始め ます。VDIFF が減少すると、I-V 特性もそれに従って 逆の動作を行います。VDIFF が減少すると、バランス 電流は RTOTAL I-V 曲線に従って増加し、キュリー点 電流に達します。この点において PTC 抵抗は一定に 維持され、バランス電流は RTOTAL 曲線に従います。 設計例 ここに示す例では、トリップ電流が 1.9A で、コールド （25℃）抵抗が 0.27Ω の PTC サーミスタ（PTGLAS ARR27M1B51B0）を使用しています。 図 4 に示さ れている PTC の I-V 曲線は、実験によって生成され たものです。 よりも高い電圧まで増大します。差電圧が増大すると、 RPTC が RTOTAL の大部分を占めるようになり、2 つ の曲線は重なっていきます。 差電圧が VTRIP を超えると、PTC 抵抗が増大するた め、バランス電流は低下します。差電圧が VTRIP より も低いとき、バランス電流は差電圧 ÷ 回路の総抵抗 で与えられます。 バッテリ電圧が 12.5V で補助セル の電圧が 12.0V の場合、生成されるバランス電流は 1.12A で、図 5 の I-V 曲線と一致します。 補助セルとバッテリの ESR は、それぞれ 100mΩと 50mΩです。4 つの MOSFET スイッチが存在し、そ れぞれの RDS(ON) は 10mΩ です。 各バッテリおよび 補助セルの VDIFF は、 次の式を使用して計算できます。 まとめ V DIFF = I PTC • (ESR AUX + ESR BAT + N FET • RDS(ON)) + VPTC 図 5 は、VDIFF のそれぞれの値についてシステムを通 過する電流と、PTC サーミスタを通過する電流、また はバランス電流（IBAL）を示したものです。システム曲 線は、VDIFF の関数として示されるバランス電流の軌 跡です。回路内の寄生抵抗にかかる追加の電圧降下 が発生するため、差分トリップ電圧は PTCトリップ電圧 103 103 102 10 TA = 25°C CURIE POINT 102 CURRENT (mA) 104 103 TA = 25°C BD BC BB AR CURRENT (mA) RESISTANCE CHANGE RATIO, R/R25°C 105 LTC3305 は鉛蓄電池の直列スタックおよび補助スト レージ・セルの全体にわたって電圧をバランスさせま す。バランス電流は、セラミック PTC サーミスタを使 用して制御できます。PTC サーミスタに指定されてい るトリップ電流とコールド抵抗のパラメータ、および他 のバランス回路の寄生抵抗を使用して、バッテリと補 助セルとの間の各差電圧についてバランス電流を予測 することが可能です。 10 102 RTOTAL 10 1 0 0 50 100 1 0.1 150 200 C.P. (AR: 120°C) TEMPERATURE (°C) 1 1 0.1 102 10 VOLTAGE (V) 1 DN539 F02 102 10 |DIFFERENTIAL VOLTAGE| DN539 F03 DN539 F01 図 1． Murata PTC サーミ スタの抵抗 - 温度特性 図 2． PTC の電力 - 電圧 特性曲線 10 図 3． PTC 特性曲線上に RTOTAL を重ねた図 10 PTC CURVE IBAL CURRENT (A) PTC CURRENT (A) I-V CURVE 1 0.1 0.01 0.01 0.1 1 10 PTC DIFFERENTIAL VOLTAGE (V) 1 SYSTEM CURVE 0.1 0.01 0.01 0.1 1 10 |BAT(V) – AUX(V)| DN539 F04 図 4． 設計例の PTC I-V 特性曲線 DN539 F05 図 5． システムの I-V 特性曲線。 システム曲線と VDIFF、および PTC 曲線と VPTC データシートのダウンロード www.linear-tech.co.jp/LTC3305 リニアテクノロジー株式会社 102-0094 東京都千代田区紀尾井町 3-6 紀尾井町パークビル 8F TEL(03)5226-7291 FAX(03)5226-0268 http://www.linear-tech.co.jp dn539f LT/AP 0615 • PRINTED IN JAPAN © LINEAR TECHNOLOGY CORPORATION 2015