摘? 要: 衛(wèi)星電池組溫度監(jiān)測(cè)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(cè)電池組每節(jié)電池的溫度，進(jìn)行電池性能評(píng)估，優(yōu)選出溫度一致性高的電池，用于衛(wèi)星供電。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(cè)? 性能評(píng)估?
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太空中太陽(yáng)能是衛(wèi)星首選電源，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(zhǎng)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(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)間的增加而逐漸降低 ，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(cè)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(cè)原理?
清華大學(xué)微小衛(wèi)星對(duì)電池組溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求為:?
測(cè)溫范圍:-10℃～60℃?
測(cè)量誤差:<0.2℃?
采樣速率:>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(cè)溫精度不夠高，后者轉(zhuǎn)換時(shí)間太長(zhǎng)。傳統(tǒng)的電橋測(cè)量熱電阻的測(cè)溫方法[3]由于測(cè)量元件多，精度和抗干擾能力不足。因此，常用的測(cè)溫方法很難滿(mǎn)足衛(wèi)星電池組溫度監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)采用光電繼電器選通多路PT1000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，具有精度高、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(mǎn)足以上要求。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、高精度地監(jiān)測(cè)64節(jié)電池溫度，根據(jù)各過(guò)程每個(gè)電池的溫度曲線(xiàn)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(cè)系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。計(jì)算機(jī)通過(guò)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(guò)溫度監(jiān)測(cè)電路處理后送A/D采集卡。?
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2.1 溫度監(jiān)測(cè)電路?
溫度監(jiān)測(cè)電路見(jiàn)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(zhuān)用芯片。為了提高各路溫度測(cè)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(cè)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:?
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(cè)量范圍為-20℃～80℃，電壓隨溫度變化率為49.9mV/℃。?
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2.2 多路溫度選通電路?
模擬開(kāi)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(kāi)關(guān)速度和長(zhǎng)期可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)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(guò)大，因而不能滿(mǎn)足衛(wèi)星電池組溫度監(jiān)測(cè)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(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。?
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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(kāi)路泄漏電流<1μA，沒(méi)有噪音和開(kāi)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(kāi)關(guān)次數(shù)<109，驅(qū)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(dǎo)通電阻約為300Ω。可見(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(cè)溫精度，需要對(duì)PT1000非線(xiàn)性度和導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)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(guò)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(jiǎn)化計(jì)算，全量程非線(xiàn)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℃，溫度刻度為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(xiàn)性插值，可以將測(cè)溫精度提高到0.05℃以?xún)?nèi)。?
3 本電路的應(yīng)用?
系統(tǒng)程序流程圖見(jiàn)圖4。實(shí)際測(cè)試對(duì)象為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(xiàn)見(jiàn)圖5，3.5A
放電到1V溫度曲線(xiàn)見(jiàn)圖6，1Ω負(fù)載溫度曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。
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數(shù)據(jù)處理過(guò)程如下:?
(1)對(duì)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(jì)算各電池曲線(xiàn)和平均曲線(xiàn)的均方差，得到本過(guò)程各電池溫度一致性系數(shù)。?
(3)根據(jù)衛(wèi)星對(duì)不同過(guò)程的要求程度，對(duì)各過(guò)程的溫度一致性系數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均，得到全過(guò)程各電池溫度一致性系數(shù)。?
(4)對(duì)全過(guò)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(xiàn)，電池溫度一致性分析見(jiàn)表1(按順序從左到右、從上到下)，電池性能評(píng)估排序見(jiàn)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。
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衛(wèi)星電池組溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)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直接將電阻輸入變成電壓輸出到A/D采集卡，測(cè)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(xiàn)性度，將測(cè)溫精度進(jìn)一步提高到0.05℃。?
(3)針對(duì)衛(wèi)星對(duì)不同過(guò)程的要求程度，對(duì)每節(jié)電池各過(guò)程的溫度曲線(xiàn)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)成功應(yīng)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(zhǎng)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(cè);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。?
參考文獻(xiàn)?
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2 王廣志.數(shù)字式溫度傳感器與分布式溫度測(cè)量系統(tǒng).傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2001.3:26～32?
3 徐 英.熱電阻測(cè)溫電路設(shè)計(jì).工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2000(4):20～23