一種星載電源系統下位機設計

摘 要： 為了增強對新一代星載蓄電池的管理，設計一套多功能的電源系統下位機變得有重要意義。在此論述了一種電源下位機的設計方案，它以MCS?51微處理器系統為核心，通過軟硬件相結合，針對蓄電池的特性，合理制定了蓄電池的充放電管理策略。實踐結果表明，電源下位機的技術方案可行，能有效地對蓄電池進行控制，大大提升了星載蓄電池的工作壽命與可靠性。

關鍵詞： 電源下位機； 蓄電池； 充放電； 流程控制

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）04?0159?04

隨著衛星設計工作壽命的延長，將氫鎳蓄電池和鋰離子蓄電池用作衛星的貯能設備，替代長期以來一直在星上使用的鎘鎳蓄電池是目前星載用蓄電池的發展方向[1]。目前衛星上使用的蓄電池在壽命期內需要經受數萬次的充放電循環，比原先衛星的蓄電池充放電循環次數要多數倍，為了保證蓄電池使用壽命、可靠性，對于蓄電池充放電的控制需更為精細、復雜。單純的硬件控制已無法滿足星載蓄電池充放電控制和在軌維護的需要，因此設計一套全新的多功能電源系統下位機對星載電源系統進行控制就變得有重要意義[2?3]。

鑒于上述原因，提出一個適合于空間環境長周期工作的蓄電池控制用電源下位機的設計方法，并做了進一步的探討和研究。

1 電源下位機概述

電源系統下位機包括： 電源模塊、1553B總線收發模塊、指令控制模塊、遙測采集模塊和控制模塊。考慮到空間應用的不可維修性，電源下位機采用雙機冷備份的設計。圖1給出電源下位機的原理框圖。它把遙測變換采集、總線通信、指令發送、系統控制等多個模塊有機地融合為一體，實現了對電源系統及蓄電池組的有效控制。

為了滿足對電源系統的控制要求，電源下位機采用以硬件實現對模擬量電壓變換、處理工作，軟件實現對蓄電池充放電閉環控制、進行總線通信等工作。

1.1 硬件部分

硬件上對電池單體電壓、電池組電壓等模擬量采集后，使用高精度的運算放大器進行電壓轉換，并采用差分放大電路，最后使用軟件判別修正，使轉換精度達到5 mV。在蓄電池溫度量采集的設計上，對測溫基準5 V電源進行四冗余處理，使得任意一路測溫基準電源的損壞都不影響溫度量的正常采集。對指令控制電路的設計也采用四冗余設計，并通過組合碼排列的方式進行指令解析，確保最壞情況也只會發送一條誤指令，但由于各種充放電指令都采取了3取2的模式，所以一條誤指令是不能對電池進行充放電控制的。同時，設計了硬件看門狗電路，確保軟件跑飛時能對單片機進行及時復位。

1.2 軟件部分

軟件上，對各類參數的采集通過軟件做數字平均濾波，確保在有干擾的情況下，各類參數的采集可靠有效。通過1553B總線與星務系統進行通信，及時反饋遙測信息和接收指令參數。在軟件中對上注控制參數進行3取2比對，防止因空間單粒子翻轉等因素影響上注參數的正確性。將氫壓控制周期設計為連續2個周期滿足指令發送條件才發送指令。電池電量不足時，電源下位機向星務報警，由星務判斷關閉部分單機，確保平臺安全。

2 電源下位機設計方案

2.1 硬件系統組成

電源下位機包括4個硬件模塊，各功能模塊中，模擬量輸入交換子主、備機為熱備份，其余模塊主、備機均為冷備份。

2.1.1 電源模塊

電源模塊完成一次電源到二次電源的轉換，為電源下位機提供工作電源。

2.1.2 間接指令發送模塊

單片機經過對電源輸入參數的判斷，當滿足發送指令的條件后，立即從P0口送出信號經鎖存、譯碼后由驅動器送出指令脈沖，脈沖經鎖存器鎖存一定脈沖寬度后清除，脈沖寬度由單片機定時器控制。

2.1.3 遙測采集模塊

遙測采集模塊有2個功能：第一是對蓄電池輸入的電壓或電流量變換為適合模/數轉換的范圍；第二是若干路模擬量在控制模塊選通信號控制下，由模擬門變換為PAM信號，然后送至控制模塊進行采集、處理。

2.1.4 控制模塊

控制模塊電路采用單片機作為控制核心，由單片機系統控制1553B總線通信、遙測參數采集、A/D轉換、間接指令發送等功能。控制電路的原理框圖如圖2所示。

單片機產生各級模擬門選通信號，配合控制A/D轉換器完成遙測模擬信號到數字信號的轉換，AD芯片選用了AD574AUD模/數轉換芯片，轉換精度可達12位，能夠滿足對電池參數采樣判斷的精度要求。同時，單片機根據實際采樣值進行運算和值域判斷，對滿足條件的采樣值或判斷值，給出相應的指令地址用以指令發送。

單片機在控制輸出的同時，將所采集的數據或參數按照需要進行數據包封裝，通過1553B總線傳至衛星平臺進行后處理。另外，單片機還通過1553B總線接收來自星務計算機的注數包和指令包，解析后執行相應操作。1553B協議處理器采用美國DDC公司的芯片BU65170作為一個終端RT，該芯片具有確定的傳輸延遲，可靠的傳輸能力，容錯能力強等特點，而被廣泛應用于航空，航天和軍事領域的電子設備中[4]。

2.2 軟件控制流程

電源下位機軟件主要完成3項功能：對氫鎳蓄電池組進行氫壓和安時計充電控制；對鋰離子蓄電池組進行充電控制和均衡管理；與星務主機進行通信。

2.2.1 氫鎳蓄電池組控制流程

平臺氫鎳蓄電池組的充電控制是由氫壓控制作為主要手段。

氫壓控制的內容包括：

（1） 連續采集當前各電池模塊的氫壓，與設定值（上限、下限）進行比較，在條件滿足后即當前氫壓超過設定氫壓上限時發出充電終止指令，當前氫壓低于設定氫壓下限時發出充電解鎖指令。氫壓設定值（上限、下限）可在軌注數“氫壓設置”參數來修改。

（2） 氫壓控制蓄電池組充電的同時設有電池組溫度及電池組電壓監控，當蓄電池組溫度大于溫度設定值或蓄電池組電壓過高時即發出充電終止指令，停止充電。溫度設定值由在軌注數“溫度設定”參數設定。

氫壓控制流程如圖3所示。

同時，為了提高可靠性，氫鎳蓄電池組充電控制還可由安時計控制輔助手段實現。

氫壓控制和安時計控制2種充電控制方式相互獨立，通過安時計接通、斷開指令進行控制模式切換。安時計控制流程如圖4所示。

在每次下位機加電或復位重新開始工作時，對蓄電池組過溫保護狀態標志、蓄電池組過壓保護狀態標志等數據先做初始化操作，然后按照實際的流程進行相應的控制。

2.2.2 鋰離子電池組控制流程

鋰離子蓄電池組充電保護控制功能，首先根據采集到的鋰離子蓄電池組電壓和單體電壓，與設定的控制電壓以及過壓保護電壓進行比較，并對充電終止時間進行計時判斷，在條件滿足后發出充電終止或充電恢復指令。

其中，控制電壓及過壓保護電壓的設定值可通過總線注數修改。由于鋰離子電池組是由多節單體鋰離子電池所組成，為了提高鋰離子蓄電池單體之間的均衡性，電源下位機提供了對鋰離子蓄電池單體均衡管理的功能。

根據采集到的鋰離子蓄電池單體電壓，在正常單體電壓中找出最低電壓，將每個單體電壓和最低電壓進行差值計算，差值與設定的均衡閾值比較，單體電壓和最低電壓的差值大于等于設定的均衡閾值或單體電壓大于等于設定的單體控制電壓時發均衡開指令，滿足相應條件后發均衡關指令。設定的閾值電壓可通過總線注數修改。

均衡管理流程見圖5。

2.2.3 總線通信

電源下位機通過1553B總線來實現與其上位機星務系統進行通信，包括發送組幀后的遙測值，接收指令參數等。具體的組幀格式和參數上注包格式可根據總體規定的軟件高層通信協議要求執行。

3 結 語

在航天任務中，星載蓄電池廣泛運用于各衛星型號中。本文以增強對星載蓄電池的控制為目的，設計了一種新型的基于電源系統的下位機，對星載蓄電池控制的可靠性有效提高。通過該方法，可使星載蓄電池使用壽命大大增加。目前該產品已完成樣機的研制，實際應用于在軌衛星型號當中，取得了較理想的效果。

參考文獻

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[2] 杜紅，劉震.氫鎳蓄電池壽命影響分析及在軌充電控制技術研究[J].航天器工程，2011（1）：88?91.

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