智能型卫星电源V-T曲线控制系统设计方案-模拟电子

加快我国卫星电源分系统数字化设计，充分发挥数字电路体积小、重量轻、功耗低、适应性强和可靠性高等优点，提高电源分系统的电能重量比，我们以单片机AT89s52和温度传感器DS18B20为核心，设计了一种智能型卫星电源V-T曲线控制系统。

卫星电源分系统为整个卫星正常运行提供了稳定的电源，它是卫星电能产生、储存、变换、调节、传输分配和管理的重要分系统。其通过物理和化学过程，将太阳的光能、核能或化学能转化为电能，并根据需要对电能进行存储、调节和变换，然后向卫星其他各分系统不间断供电。我国的卫星大都采用太阳能/蓄电池供电系统。蓄电池充电终压控制采用电压-温度补偿法，即V-T曲线控制。目前，常用的方法是利用热电耦或铂电阻作为蓄电池温度传感器，这种温度补偿的硬件控制电路是模拟电路，已经在我国各种型号的卫星上获得成功应用。

卫星电源分系统

某型号卫星电源分系统工作原理框图如图1所示。

图1 卫星电源系统原理

该卫星电源系统一次电源母线为全调节直流母线系统，主要包括太阳电池阵、蓄电池组和电源控制器。在方案设计中，采用太阳电池供电阵、充电阵分阵设计。在光照期，太阳电池供电阵为母线长期负载供电，太阳电池充电阵对蓄电池组充电；在阴影期，由蓄电池组通过放电调节模块为母线负载供电。当光照期卫星出现峰值负载，且太阳电池供电阵输出功率不能满足母线负载供电需求时，由太阳电池充电阵经放电调节器，为母线补充能量。在此基础上，若太阳电池阵（供电、充电阵）功率还不足，由蓄电池组经放电调节模块补充供电，呈与太阳电池阵联合供电工作模式。充电阵为负载供电优于为蓄电池组充电，供电阵只有当太阳电池阵输出电能富裕，才通过分流模块调节太阳电池阵输出富裕的功率，卸放掉多余的电流，保持一次电源母线输出的稳定。因此，卫星在光照期和阴影期，电源系统的母线输出电压，均保持在一个稳定的范围内。

V-T曲线控制原理

图1中的镉镍蓄电池组失效方式有泄漏、开路、短路和性能衰减等。在这些失效方式中开路失效出现的可能性非常小，主要存在装配过程的机械损伤和质量控制出问题，通过加强质量控制和检验工作可以避免这种致命的失效。镉镍蓄电池组经长期使用，最主要的失效表现就是性能衰减。因此，在使用时采用电压温度补偿下的充电控制方式，并由星务计算机参与控制管理，整个寿命期设置多条硬件控制V-T曲线和多点充放电比选择，可根据卫星运行状态和蓄电池使用情况，通过遥控选择相应的补偿曲线，保证镉镍电池组工作处于良性循环。

V-T曲线控制关系为：V=(Vs-kT)×N

式中，Vs为电压状态值，T为温度；k为温度系数；N为补偿系数。

当温度T上升，电压V下降，表明当蓄电池升高时，需要调节充电电压使温度降低，这就是V-T曲线补偿。采用V-T曲线跟踪补偿方案控制蓄电池充电终止电压，通过测量蓄电池组端电压和单体温度，根据预设的温度补偿电压曲线确定充电结束状态。同时，充电器内部设有保护性充电终止电压控制，在电源控制计算机出现故障时，可以停止蓄电池充电，保证蓄电池组安全。

数字温度传感器DS18B20

DS18B20是美国DALLAS公司继DS1820之后推出的增强型单总线数字温度传感器。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进。

1 DS18B20的特点 ds18b20电路图

● 单线制接口方式，仅需要一根信号线与CPU连接，传送串行数据，不需要外部元件。
● 每个芯片有惟一编码，多个DS18B20可以并联在惟一的单线上，实现多点测温。
● 测温范围为-55～+125℃，分辨率的默认值12位。
● 测温结果的数字量位数为9～12位，可编程选择。
● 既可用数据线供电，也可用外部的电源(3.0～5.5V)供电。

2 DS18B20的结构及功能

DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装。其内部主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM、高速暂存器，存储用户设定温度上下限值的TH和TL触发器、存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码发生器等七部分。

其中，ROM由64位二进制数字组成，由厂家光刻，共分为8字节，字节0的内容是该产品的厂家代号28H，字节1～6的内容是48位器件序列号，字节7是ROM前56位的校验码。每个DS18B20的64位序列号均不相同，它可以看做是该DS18B20的地址序列码。ROM的作用是使每一个DS18B20的作用都不相同，这样，就可以实现一根总线挂接多个DS18B20的目的。

3 DS18B20的工作时序

根据DS18B20的通信协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过如下步骤。每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，再发送RAM指令。每一步操作必须严格按照时序规定进行。

4 DS18B20使用中注意事项