衛星電池組溫度監測系統

摘要：衛星電池組溫度監測系統。該系統由計算機控制，在不同充電和放電條件下，監測電池組每節電池的溫度，進(jìn)行電池性能評估，優(yōu)先出溫度一致性高的電池，用于衛星供電。該系統已經(jīng)成功應用于清華大學(xué)微小衛星的電池性能評估和優(yōu)選中。

關(guān)鍵詞：衛星電池組 溫度監測 性能評估

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

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]。以不同電流對電池組進(jìn)行恒流充放電，監測電池組各節電池的溫度，可以對電池進(jìn)行性能評估，優(yōu)選出溫度一致性高的電池，用于衛星供電。

1 電池組溫度監測原理

清華大學(xué)微小衛星對電池組溫度監測系統的要求為：

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，后者轉換時(shí)間太長(cháng)。傳統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(mǎn)足衛星電池組溫度監測的特殊要求。

作者等人自行設計的衛星電池組溫度監測系統采用光電繼電器選通多路PT100溫度傳感器，通過(guò)一片PT1000的專(zhuān)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、抗干擾能力強和結構緊湊等優(yōu)點(diǎn)，可以很好地滿(mǎn)足以上要求。該系統能夠實(shí)時(shí)、高精度地監測64節電溫度，根據各過(guò)程每個(gè)電池的溫度曲線(xiàn)進(jìn)行電池性能評估和優(yōu)選。

2 硬件組成

衛星電池組溫度監測系統框圖見(jiàn)圖1。計算機通過(guò)數字I/O卡輸出6位數字量到多路溫度選通電路，選通單節電池的溫度，經(jīng)過(guò)溫度監測電路處理后送A/D采集卡。

2.1 溫度監測電路

溫度監測電路見(jiàn)圖2。PT1～PT64為鉑電阻PT1000，分別固定在各節電池表面。ADT70為PT1000的專(zhuān)用芯片。為了提高各路溫度測量的一致性，系統共用一個(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，系統采用單電源供電，串聯(lián)偏移電阻可以將溫度測量范圍擴展到零度以下。

根據輸出電壓計算溫度的公式如下：

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(kāi)關(guān)導通電阻太大，不能用于電池組多路溫度選通。一般采用機械繼電器實(shí)現電池組多路溫度選通。但是機械繼電器存在明顯的噪音，開(kāi)關(guān)速度和長(cháng)期可靠性遠遠不能滿(mǎn)足要求，而且和數字電路的接口需要附加驅動(dòng)電路，重量和體積過(guò)大，因而不能滿(mǎn)足衛星電池組溫度監測要求。采用光電繼電器，可以很好地解決以上問(wèn)題。

多路溫度選通電路見(jiàn)圖3。D1～D6為數字量輸入，U0～U8為74HC138譯碼器，實(shí)現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，具體參數為：耐壓60V，驅動(dòng)電流0.9mA，連續負載電流350mA，平均動(dòng)作時(shí)間0.65ms，導通電阻約0.83Ω，開(kāi)路泄漏電流1μA，沒(méi)有噪音和開(kāi)關(guān)次數的限制。而普通機械繼電器的參數為：動(dòng)作時(shí)間>30ms，開(kāi)關(guān)次數10 9，驅動(dòng)電流>100mA，開(kāi)關(guān)噪音隨容量的增大而增大；普通模擬開(kāi)關(guān)導通電阻約為300Ω?？梢?jiàn)新產(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PT1000非線(xiàn)性度和導線(xiàn)電阻進(jìn)行校正。

PT1000電阻R計算公式如下：

R=(1+αt+βt2+…) ×1000+r （2）

其中，r為傳感器導線(xiàn)電阻和光電繼電器導通電阻總和，為系統誤差，可以通過(guò)軟件進(jìn)行校正。α、β分別為PT1000電阻率溫度系數的各次項系數，一般情況下只取一次項系數簡(jiǎn)化計算，全量程非線(xiàn)性誤差1℃。

工業(yè)用鉑電阻溫度計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℃。根據此表格對-10℃～60℃溫度范圍的鉑電阻阻值進(jìn)行線(xiàn)性插值，可以將測溫精度提高到0.05℃以?xún)取?/p>

3 本電路的應用

系統程序流程圖如圖4。實(shí)際測試對象對40節鎘鎳電池SANYO KR-7000F型（容量7安時(shí)）。0.7A充電溫度曲線(xiàn)見(jiàn)圖5，3.5A放電到1V溫度曲線(xiàn)見(jiàn)圖6，1℃Ω負載溫度曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。

數據處理過(guò)程如下：

（1）對單個(gè)過(guò)程全部電池溫度曲線(xiàn)取平均，獲得一條平均曲線(xiàn)。

（2）計算各電池曲線(xiàn)和平均曲線(xiàn)的均方差，但到本過(guò)程各電池溫度一致性系數。

（3）根據衛星對不同過(guò)程的要求程度，對各過(guò)程的溫度一致性系數進(jìn)行加權平均，得到全過(guò)程各電池溫度一致性系數。

（4）對全過(guò)程各電池溫度一致性系數進(jìn)行電池性能評估排序，優(yōu)選出溫度一致性最高的部分電池組成衛星電池組。

根據3.5A放電到1V溫度曲線(xiàn)，電池溫度一致性見(jiàn)分析表1（按順序從左到右、從上到下），電池性能評估排序見(jiàn)表2。其中最優(yōu)的十節電池用于衛星供電，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 電池性能評估排序

衛星電池組溫度監測系數特點(diǎn)如下：

（1）采用光電繼電器AQW212選通多路PT1000，共用一個(gè)專(zhuān)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）根據工業(yè)用鉑電阻溫度計分度表插值校正PT1000非線(xiàn)性度，將測溫精度進(jìn)一步提高到0.05℃。

（3）針對衛星對不同過(guò)程的要求程度，對每節電池各過(guò)程的溫度曲線(xiàn)進(jìn)行加權處理，進(jìn)行電池性能評估和優(yōu)選。

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