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)星的電池性能評估和優(yōu)選中,。?
關(guān)鍵詞: 衛(wèi)星電池組? 溫度監(jiān)測? 性能評估?
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太空中太陽能是衛(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)間的增加而逐漸降低 ，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(jiān)測電池組各節(jié)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(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PT1000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)電池溫度，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,。?
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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:?
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/℃,。?
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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,。?
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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)動電流0.9mA,，連續(xù)負(fù)載電流350mA,，平均動作時(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:動作時(shí)間>30ms,，開關(guān)次數(shù)<109,，驅(qū)動電流>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℃，溫度刻度為0.1℃,。根據(jù)此表格對-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)程序流程圖見圖4,。實(shí)際測試對象為40節(jié)鎘鎳電池SANYO KR-7000F型(容量7安時(shí)),。0.7A充電溫度曲線見圖5，3.5A
放電到1V溫度曲線見圖6,，1Ω負(fù)載溫度曲線見圖7,。
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數(shù)據(jù)處理過程如下:?
(1)對單個(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,，得到本過程各電池溫度一致性系數(shù),。?
(3)根據(jù)衛(wèi)星對不同過程的要求程度，對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)對全過程各電池溫度一致性系數(shù)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(wèi)星電池組,。?
根據(jù)3.5A放電到1V溫度曲線,，電池溫度一致性分析見表1(按順序從左到右、從上到下),，電池性能評估排序見表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,。
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衛(wèi)星電池組溫度監(jiān)測系統(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)專用芯片ADT70直接將電阻輸入變成電壓輸出到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)針對衛(wèi)星對不同過程的要求程度,，對每節(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)在民用電池性能評估和優(yōu)選中,，也有廣泛的應(yīng)用前景。?
參考文獻(xiàn)?
1 張志利. 基于AD590的溫度測控裝置研制. 自動化與儀器儀表,，2001(2):37～39?
2 王廣志.數(shù)字式溫度傳感器與分布式溫度測量系統(tǒng).傳感技術(shù)學(xué)報(bào),，2001.3:26～32?
3 徐 英.熱電阻測溫電路設(shè)計(jì).工業(yè)儀表與自動化裝置，2000(4):20～23