衛(wèi)星電池組溫度監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：衛(wèi)星電池組溫度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制，在不同充電和放電條件下，監(jiān)測電池組每節(jié)電池的溫度，進(jìn)行電池性能評(píng)估，優(yōu)先出溫度一致性高的電池，用于衛(wèi)星供電。該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于清華大學(xué)微小衛(wèi)星的電池性能評(píng)估和優(yōu)選中。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星電池組 溫度監(jiān)測 性能評(píng)估

太空中太陽能是衛(wèi)星首選電池，但是衛(wèi)星進(jìn)入地球的陰影區(qū)，就必須改由電池組供電。地球同步軌道下每天最長陰影時(shí)間為72分鐘，近地球軌道下為30分鐘。一般來說，電池組限制了衛(wèi)星的壽命。

由于電池串聯(lián)使用，電池組的質(zhì)量取決于性能最差的那節(jié)電池。電池的充放電效率隨使用時(shí)間的增加到逐漸降低，其周期平均溫升也逐漸增大[1]。以不同電流對(duì)電池組進(jìn)行恒流充放電，監(jiān)測電池組各節(jié)電池的溫度，可以對(duì)電池進(jìn)行性能評(píng)估，優(yōu)選出溫度一致性高的電池，用于衛(wèi)星供電。

1 電池組溫度監(jiān)測原理

清華大學(xué)微小衛(wèi)星對(duì)電池組溫度監(jiān)測系統(tǒng)的要求為：

測溫范圍：-10℃～60℃

測量誤差：0.2℃

采樣頻率：>1kHz

模擬集成溫度傳感器[1]和數(shù)字集成溫度傳感器[2]是常用的新型溫度傳感器，但是前者測溫精度不夠高，后者轉(zhuǎn)換時(shí)間太長。傳統(tǒng)的電橋測量熱電阻的測溫方法[3]由于測量元件多，精度和抗干擾能力不足。因此，常用的測溫方法很難滿足衛(wèi)星電池組溫度監(jiān)測的特殊要求。

作者等人自行設(shè)計(jì)的衛(wèi)星電池組溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用光電繼電器選通多路PT100溫度傳感器，通過一片PT1000的專用芯片ADT70直接將電阻輸入變成電壓輸出到A/D采集卡，具精度高、采樣速率快、一致性好、抗干擾能力強(qiáng)和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，可以很好地滿足以上要求。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、高精度地監(jiān)測64節(jié)電溫度，根據(jù)各過程每個(gè)電池的溫度曲線進(jìn)行電池性能評(píng)估和優(yōu)選。

2 硬件組成

衛(wèi)星電池組溫度監(jiān)測系統(tǒng)框圖見圖1。計(jì)算機(jī)通過數(shù)字I/O卡輸出6位數(shù)字量到多路溫度選通電路，選通單節(jié)電池的溫度，經(jīng)過溫度監(jiān)測電路處理后送A/D采集卡。

2.1 溫度監(jiān)測電路

溫度監(jiān)測電路見圖2。PT1～PT64為鉑電阻PT1000，分別固定在各節(jié)電池表面。ADT70為PT1000的專用芯片。為了提高各路溫度測量的一致性，系統(tǒng)共用一個(gè)ADT70，采用繼電器KT1～KT64選通各溫度傳感器。為減小重量和體積，系統(tǒng)采用單電源供電，串聯(lián)偏移電阻可以將溫度測量范圍擴(kuò)展到零度以下。

根據(jù)輸出電壓計(jì)算溫度的公式如下：

T=[(U×R1)/249.56]-(R2/3.85) (1)

其中，U為輸出電壓，R1為RGA和RGB之間的電阻，R2為偏移電阻。

實(shí)際取R1=5kΩ，R2=80kΩ，則溫度測量范圍為-20℃～80℃，電壓隨溫度變化率為49.9mV/℃。

2.2 多路溫度選通電路

模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻太大，不能用于電池組多路溫度選通。一般采用機(jī)械繼電器實(shí)現(xiàn)電池組多路溫度選通。但是機(jī)械繼電器存在明顯的噪音，開關(guān)速度和長期可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，而且和數(shù)字電路的接口需要附加驅(qū)動(dòng)電路，重量和體積過大，因而不能滿足衛(wèi)星電池組溫度監(jiān)測要求。采用光電繼電器，可以很好地解決以上問題。

多路溫度選通電路見圖3。D1～D6為數(shù)字量輸入，U0～U8為74HC138譯碼器，實(shí)現(xiàn)64選1。光電繼電器KT1～KT64用于多路溫度選通。其中，1kΩ電阻為光電繼電器輸入限流電阻。

光電繼電器選用日本松下電工生產(chǎn)的AQW212，具體參數(shù)為：耐壓60V，驅(qū)動(dòng)電流0.9mA，連續(xù)負(fù)載電流350mA，平均動(dòng)作時(shí)間0.65ms，導(dǎo)通電阻約0.83Ω，開路泄漏電流1μA，沒有噪音和開關(guān)次數(shù)的限制。而普通機(jī)械繼電器的參數(shù)為：動(dòng)作時(shí)間>30ms，開關(guān)次數(shù)10 9，驅(qū)動(dòng)電流>100mA，開關(guān)噪音隨容量的增大而增大；普通模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻約為300Ω?？梢娦庐a(chǎn)品光電繼電器具有更優(yōu)的性能。

2.3 軟件校正

為了進(jìn)一步提高測溫精度，需要對(duì)PT1000非線性度和導(dǎo)線電阻進(jìn)行校正。

PT1000電阻R計(jì)算公式如下：

R=(1+αt+βt2+…) ×1000+r （2）

其中，r為傳感器導(dǎo)線電阻和光電繼電器導(dǎo)通電阻總和，為系統(tǒng)誤差，可以通過軟件進(jìn)行校正。α、β分別為PT1000電阻率溫度系數(shù)的各次項(xiàng)系數(shù)，一般情況下只取一次項(xiàng)系數(shù)簡化計(jì)算，全量程非線性誤差1℃。

工業(yè)用鉑電阻溫度計(jì)分度表給出鉑電阻阻值隨溫度變化表，其溫度范圍為-200℃～850℃，溫度刻率為0.1℃。根據(jù)此表格對(duì)-10℃～60℃溫度范圍的鉑電阻阻值進(jìn)行線性插值，可以將測溫精度提高到0.05℃以內(nèi)。

3 本電路的應(yīng)用

系統(tǒng)程序流程圖如圖4。實(shí)際測試對(duì)象對(duì)40節(jié)鎘鎳電池SANYO KR-7000F型（容量7安時(shí)）。0.7A充電溫度曲線見圖5，3.5A放電到1V溫度曲線見圖6，1℃Ω負(fù)載溫度曲線見圖7。

數(shù)據(jù)處理過程如下：

（1）對(duì)單個(gè)過程全部電池溫度曲線取平均，獲得一條平均曲線。

（2）計(jì)算各電池曲線和平均曲線的均方差，但到本過程各電池溫度一致性系數(shù)。

（3）根據(jù)衛(wèi)星對(duì)不同過程的要求程度，對(duì)各過程的溫度一致性系數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均，得到全過程各電池溫度一致性系數(shù)。

（4）對(duì)全過程各電池溫度一致性系數(shù)進(jìn)行電池性能評(píng)估排序，優(yōu)選出溫度一致性最高的部分電池組成衛(wèi)星電池組。

根據(jù)3.5A放電到1V溫度曲線，電池溫度一致性見分析表1（按順序從左到右、從上到下），電池性能評(píng)估排序見表2。其中最優(yōu)的十節(jié)電池用于衛(wèi)星供電，各批合格電池可重新組合再進(jìn)行優(yōu)選。

表1 電池溫度一致性分析

表2 電池性能評(píng)估排序

衛(wèi)星電池組溫度監(jiān)測系數(shù)特點(diǎn)如下：

（1）采用光電繼電器AQW212選通多路PT1000，共用一個(gè)專用芯片ADT70直接將電阻輸變成電壓輸出到A/D采集卡，測溫誤差0.2℃，采樣速率>2kHz。

（2）根據(jù)工業(yè)用鉑電阻溫度計(jì)分度表插值校正PT1000非線性度，將測溫精度進(jìn)一步提高到0.05℃。

（3）針對(duì)衛(wèi)星對(duì)不同過程的要求程度，對(duì)每節(jié)電池各過程的溫度曲線進(jìn)行加權(quán)處理，進(jìn)行電池性能評(píng)估和優(yōu)選。

該系統(tǒng)已經(jīng)成功用于清華大學(xué)微小衛(wèi)星電池性能的評(píng)估和優(yōu)選中。由于具有長期可靠性和重量輕、體積小的優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)還可以應(yīng)用于太空飛行中衛(wèi)星電池組的溫度實(shí)時(shí)高精度監(jiān)測；同時(shí)在民用電池性能評(píng)估和優(yōu)選中，也有廣泛的應(yīng)用前景。