作者：清华大学机械工程学（100084）古启军 陈以方  清华大学教务处（100084）郭大勇 来源：《电子技术应用》

卫星电池组温度监测系统     摘要：卫星电池组温度监测系统。该系统由计算机控制，在不同充电和放电条件下，监测电池组每节电池的温度，进行电池性能评估，优先出温度一致性高的电池，用于卫星供电。该系统已经成功应用于清华大学微小卫星的电池性能评估和优选中。     关键词：卫星电池组 温度监测 性能评估 太空中太阳能是卫星首选电池，但是卫星进入地球的阴影区，就必须改由电池组供电。地球同步轨道下每天最长阴影时间为72分钟，近地球轨道下为30分钟。一般来说，电池组限制了卫星的寿命。 由于电池串联使用，电池组的质量取决于性能最差的那节电池。电池的充放电效率随使用时间的增加到逐渐降低，其周期平均温升也逐渐增大[1]。以不同电流对电池组进行恒流充放电，监测电池组各节电池的温度，可以对电池进行性能评估，优选出温度一致性高的电池，用于卫星供电。 1 电池组温度监测原理 清华大学微小卫星对电池组温度监测系统的要求为： 测温范围：-10℃～60℃ 测量误差：<0.2℃ 采样频率：>1kHz 模拟集成温度传感器[1]和数字集成温度传感器[2]是常用的新型温度传感器，但是前者测温精度不够高，后者转换时间太长。传统的电桥测量热电阻的测温方法[3]由于测量元件多，精度和抗干扰能力不足。因此，常用的测温方法很难满足卫星电池组温度监测的特殊要求。     作者等人自行设计的卫星电池组温度监测系统采用光电继电器选通多路PT100温度传感器，通过一片PT1000的专用芯片ADT70直接将电阻输入变成电压输出到A/D采集卡，具精度高、采样速率快、一致性好、抗干扰能力强和结构紧凑等优点，可以很好地满足以上要求。该系统能够实时、高精度地监测64节电温度，根据各过程每个电池的温度曲线进行电池性能评估和优选。 2 硬件组成 卫星电池组温度监测系统框图见图1。计算机通过数字I/O卡输出6位数字量到多路温度选通电路，选通单节电池的温度，经过温度监测电路处理后送A/D采集卡。     2.1 温度监测电路 温度监测电路见图2。PT1～PT64为铂电阻PT1000，分别固定在各节电池表面。ADT70为PT1000的专用芯片。为了提高各路温度测量的一致性，系统共用一个ADT70，采用继电器KT1～KT64选通各温度传感器。为减小重量和体积，系统采用单电源供电，串联偏移电阻可以将温度测量范围扩展到零度以下。 根据输出电压计算温度的公式如下： T=[(U×R1)/249.56]-(R2/3.85)    (1) 其中，U为输出电压，R1为RGA和RGB之间的电阻，R2为偏移电阻。 实际取R1=5kΩ，R2=80kΩ，则温度测量范围为-20℃～80℃，电压随温度变化率为49.9mV/℃。 2.2 多路温度选通电路 模拟开关导通电阻太大，不能用于电池组多路温度选通。一般采用机械继电器实现电池组多路温度选通。但是机械继电器存在明显的噪音，开关速度和长期可靠性远远不能满足要求，而且和数字电路的接口需要附加驱动电路，重量和体积过大，因而不能满足卫星电池组温度监测要求。采用光电继电器，可以很好地解决以上问题。 多路温度选通电路见图3。D1～D6为数字量输入，U0～U8为74HC138译码器，实现64选1。光电继电器KT1～KT64用于多路温度选通。其中，1kΩ电阻为光电继电器输入限流电阻。 光电继电器选用日本松下电工生产的AQW212，具体参数为：耐压60V，驱动电流0.9mA，连续负载电流350mA，平均动作时间0.65ms，导通电阻约0.83Ω，开路泄漏电流<1μA，没有噪音和开关次数的限制。而普通机械继电器的参数为：动作时间>30ms，开关次数<10 9，驱动电流>100mA，开关噪音随容量的增大而增大；普通模拟开关导通电阻约为300Ω。可见新产品光电继电器具有更优的性能。 2.3 软件校正 为了进一步提高测温精度，需要对PT1000非线性度和导线电阻进行校正。 PT1000电阻R计算公式如下： R=(1+αt+βt2+…) ×1000+r    （2） 其中，r为传感器导线电阻和光电继电器导通电阻总和，为系统误差，可以通过软件进行校正。α、β分别为PT1000电阻率温度系数的各次项系数，一般情况下只取一次项系数简化计算，全量程非线性误差<1℃。     工业用铂电阻温度计分度表给出铂电阻阻值随温度变化表，其温度范围为-200℃～850℃，温度刻率为0.1℃。根据此表格对-10℃～60℃温度范围的铂电阻阻值进行线性插值，可以将测温精度提高到0.05℃以内。 3 本电路的应用 系统程序流程图如图4。实际测试对象对40节镉镍电池SANYO KR-7000F型（容量7安时）。0.7A充电温度曲线见图5，3.5A放电到1V温度曲线见图6，1℃Ω负载温度曲线见图7。     数据处理过程如下： （1）对单个过程全部电池温度曲线取平均，获得一条平均曲线。 （2）计算各电池曲线和平均曲线的均方差，但到本过程各电池温度一致性系数。 （3）根据卫星对不同过程的要求程度，对各过程的温度一致性系数进行加权平均，得到全过程各电池温度一致性系数。 （4）对全过程各电池温度一致性系数进行电池性能评估排序，优选出温度一致性最高的部分电池组成卫星电池组。 根据3.5A放电到1V温度曲线，电池温度一致性见分析表1（按顺序从左到右、从上到下），电池性能评估排序见表2。其中最优的十节电池用于卫星供电，各批合格电池可重新组合再进行优选。 表1 电池温度一致性分析 0.695 0.828 0.553 0.734 0.942 0.890 0.963 0.870 0.931 0.822 0.831 0.917 0.961 0.925 0.918 0.752 0.697 0.856 0.893 0.373 0.546 0.899 0.968 0.748 0.755 0.955 0.942 0.621 0.922 0.800 0.899 0.922 0.641 0.783 0.842 0.672 0.635 0.862 0.648 0.880 表2 电池性能评估排序 最佳电池 23 7 13 26 27 5 9 14 29 32 合格电池 15 12 31 22 19 6 40 8 38 18 淘汰电池 35 11 2 10 30 34 25 16 24 4 17 1 36 39 33 37 28 3 21 20 卫星电池组温度监测系数特点如下： （1）采用光电继电器AQW212选通多路PT1000，共用一个专用芯片ADT70直接将电阻输变成电压输出到A/D采集卡，测温误差<0.2℃，采样速率>2kHz。     （2）根据工业用铂电阻温度计分度表插值校正PT1000非线性度，将测温精度进一步提高到0.05℃。 （3）针对卫星对不同过程的要求程度，对每节电池各过程的温度曲线进行加权处理，进行电池性能评估和优选。 该系统已经成功用于清华大学微小卫星电池性能的评估和优选中。由于具有长期可靠性和重量轻、体积小的优点，该系统还可以应用于太空飞行中卫星电池组的温度实时高精度监测；同时在民用电池性能评估和优选中，也有广泛的应用前景。