摘 要： 為了增強(qiáng)對新一代星載蓄電池的管理，設(shè)計(jì)一套多功能的電源系統(tǒng)下位機(jī)變得有重要意義。在此論述了一種電源下位機(jī)的設(shè)計(jì)方案，它以MCS?51微處理器系統(tǒng)為核心，通過軟硬件相結(jié)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(shí)踐結(jié)果表明，電源下位機(jī)的技術(shù)方案可行，能有效地對蓄電池進(jìn)行控制，大大提升了星載蓄電池的工作壽命與可靠性。

關(guān)鍵詞： 電源下位機(jī)； 蓄電池； 充放電； 流程控制

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

隨著衛(wèi)星設(shè)計(jì)工作壽命的延長，將氫鎳蓄電池和鋰離子蓄電池用作衛(wèi)星的貯能設(shè)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(fā)展方向[1]。目前衛(wèi)星上使用的蓄電池在壽命期內(nèi)需要經(jīng)受數(shù)萬次的充放電循環(huán)，比原先衛(wèi)星的蓄電池充放電循環(huán)次數(shù)要多數(shù)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(xì)、復(fù)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(hù)的需要，因此設(shè)計(jì)一套全新的多功能電源系統(tǒng)下位機(jī)對星載電源系統(tǒng)進(jìn)行控制就變得有重要意義[2?3]。

鑒于上述原因，提出一個(gè)適合于空間環(huán)境長周期工作的蓄電池控制用電源下位機(jī)的設(shè)計(jì)方法，并做了進(jìn)一步的探討和研究。

1 電源下位機(jī)概述

電源系統(tǒng)下位機(jī)包括： 電源模塊、1553B總線收發(fā)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(yīng)用的不可維修性，電源下位機(jī)采用雙機(jī)冷備份的設(shè)計(jì)。圖1給出電源下位機(jī)的原理框圖。它把遙測變換采集、總線通信、指令發(fā)送、系統(tǒng)控制等多個(gè)模塊有機(jī)地融合為一體，實(shí)現(xiàn)了對電源系統(tǒng)及蓄電池組的有效控制。

為了滿足對電源系統(tǒng)的控制要求，電源下位機(jī)采用以硬件實(shí)現(xiàn)對模擬量電壓變換、處理工作，軟件實(shí)現(xiàn)對蓄電池充放電閉環(huán)控制、進(jìn)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(yùn)算放大器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，并采用差分放大電路，最后使用軟件判別修正，使轉(zhuǎn)換精度達(dá)到5 mV。在蓄電池溫度量采集的設(shè)計(jì)上，對測溫基準(zhǔn)5 V電源進(jìn)行四冗余處理，使得任意一路測溫基準(zhǔn)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(shè)計(jì)也采用四冗余設(shè)計(jì)，并通過組合碼排列的方式進(jìn)行指令解析，確保最壞情況也只會發(fā)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(jìn)行充放電控制的。同時(shí)，設(shè)計(jì)了硬件看門狗電路，確保軟件跑飛時(shí)能對單片機(jī)進(jìn)行及時(shí)復(fù)位。

1.2 軟件部分

軟件上，對各類參數(shù)的采集通過軟件做數(shù)字平均濾波，確保在有干擾的情況下，各類參數(shù)的采集可靠有效。通過1553B總線與星務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行通信，及時(shí)反饋遙測信息和接收指令參數(shù)。在軟件中對上注控制參數(shù)進(jìn)行3取2比對，防止因空間單粒子翻轉(zhuǎn)等因素影響上注參數(shù)的正確性。將氫壓控制周期設(shè)計(jì)為連續(xù)2個(gè)周期滿足指令發(fā)送條件才發(fā)送指令。電池電量不足時(shí)，電源下位機(jī)向星務(wù)報(bào)警，由星務(wù)判斷關(guān)閉部分單機(jī)，確保平臺安全。

2 電源下位機(jī)設(shè)計(jì)方案

2.1 硬件系統(tǒng)組成

電源下位機(jī)包括4個(gè)硬件模塊，各功能模塊中，模擬量輸入交換子主、備機(jī)為熱備份，其余模塊主、備機(jī)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(zhuǎn)換，為電源下位機(jī)提供工作電源。

2.1.2 間接指令發(fā)送模塊

單片機(jī)經(jīng)過對電源輸入?yún)?shù)的判斷，當(dāng)滿足發(fā)送指令的條件后，立即從P0口送出信號經(jīng)鎖存、譯碼后由驅(qū)動器送出指令脈沖，脈沖經(jīng)鎖存器鎖存一定脈沖寬度后清除，脈沖寬度由單片機(jī)定時(shí)器控制。

2.1.3 遙測采集模塊

遙測采集模塊有2個(gè)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(shù)轉(zhuǎn)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(jìn)行采集、處理。

2.1.4 控制模塊

控制模塊電路采用單片機(jī)作為控制核心，由單片機(jī)系統(tǒng)控制1553B總線通信、遙測參數(shù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、間接指令發(fā)送等功能?？刂齐娐返脑砜驁D如圖2所示。

單片機(jī)產(chǎn)生各級模擬門選通信號，配合控制A/D轉(zhuǎn)換器完成遙測模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，AD芯片選用了AD574AUD模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換精度可達(dá)12位，能夠滿足對電池參數(shù)采樣判斷的精度要求。同時(shí)，單片機(jī)根據(jù)實(shí)際采樣值進(jìn)行運(yùn)算和值域判斷，對滿足條件的采樣值或判斷值，給出相應(yīng)的指令地址用以指令發(fā)送。

單片機(jī)在控制輸出的同時(shí)，將所采集的數(shù)據(jù)或參數(shù)按照需要進(jìn)行數(shù)據(jù)包封裝，通過1553B總線傳至衛(wèi)星平臺進(jìn)行后處理。另外，單片機(jī)還通過1553B總線接收來自星務(wù)計(jì)算機(jī)的注數(shù)包和指令包，解析后執(zhí)行相應(yīng)操作。1553B協(xié)議處理器采用美國DDC公司的芯片BU65170作為一個(gè)終端RT，該芯片具有確定的傳輸延遲，可靠的傳輸能力，容錯(cuò)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于航空，航天和軍事領(lǐng)域的電子設(shè)備中[4]。

2.2 軟件控制流程

電源下位機(jī)軟件主要完成3項(xiàng)功能：對氫鎳蓄電池組進(jìn)行氫壓和安時(shí)計(jì)充電控制；對鋰離子蓄電池組進(jìn)行充電控制和均衡管理；與星務(wù)主機(jī)進(jìn)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(nèi)容包括：

（1） 連續(xù)采集當(dāng)前各電池模塊的氫壓，與設(shè)定值（上限、下限）進(jìn)行比較，在條件滿足后即當(dāng)前氫壓超過設(shè)定氫壓上限時(shí)發(fā)出充電終止指令，當(dāng)前氫壓低于設(shè)定氫壓下限時(shí)發(fā)出充電解鎖指令。氫壓設(shè)定值（上限、下限）可在軌注數(shù)“氫壓設(shè)置”參數(shù)來修改。

（2） 氫壓控制蓄電池組充電的同時(shí)設(shè)有電池組溫度及電池組電壓監(jiān)控，當(dāng)蓄電池組溫度大于溫度設(shè)定值或蓄電池組電壓過高時(shí)即發(fā)出充電終止指令，停止充電。溫度設(shè)定值由在軌注數(shù)“溫度設(shè)定”參數(shù)設(shè)定。

氫壓控制流程如圖3所示。

同時(shí)，為了提高可靠性，氫鎳蓄電池組充電控制還可由安時(shí)計(jì)控制輔助手段實(shí)現(xiàn)。

氫壓控制和安時(shí)計(jì)控制2種充電控制方式相互獨(dú)立，通過安時(shí)計(jì)接通、斷開指令進(jìn)行控制模式切換。安時(shí)計(jì)控制流程如圖4所示。

在每次下位機(jī)加電或復(fù)位重新開始工作時(shí)，對蓄電池組過溫保護(hù)狀態(tài)標(biāo)志、蓄電池組過壓保護(hù)狀態(tài)標(biāo)志等數(shù)據(jù)先做初始化操作，然后按照實(shí)際的流程進(jìn)行相應(yīng)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(hù)控制功能，首先根據(jù)采集到的鋰離子蓄電池組電壓和單體電壓，與設(shè)定的控制電壓以及過壓保護(hù)電壓進(jìn)行比較，并對充電終止時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)判斷，在條件滿足后發(fā)出充電終止或充電恢復(fù)指令。

其中，控制電壓及過壓保護(hù)電壓的設(shè)定值可通過總線注數(shù)修改。由于鋰離子電池組是由多節(jié)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(jī)提供了對鋰離子蓄電池單體均衡管理的功能。

根據(jù)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(gè)單體電壓和最低電壓進(jìn)行差值計(jì)算，差值與設(shè)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(shè)定的均衡閾值或單體電壓大于等于設(shè)定的單體控制電壓時(shí)發(fā)均衡開指令，滿足相應(yīng)條件后發(fā)均衡關(guān)指令。設(shè)定的閾值電壓可通過總線注數(shù)修改。

均衡管理流程見圖5。

2.2.3 總線通信

電源下位機(jī)通過1553B總線來實(shí)現(xiàn)與其上位機(jī)星務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行通信，包括發(fā)送組幀后的遙測值，接收指令參數(shù)等。具體的組幀格式和參數(shù)上注包格式可根據(jù)總體規(guī)定的軟件高層通信協(xié)議要求執(zhí)行。

3 結(jié) 語

在航天任務(wù)中，星載蓄電池廣泛運(yùn)用于各衛(wèi)星型號中。本文以增強(qiáng)對星載蓄電池的控制為目的，設(shè)計(jì)了一種新型的基于電源系統(tǒng)的下位機(jī)，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(chǎn)品已完成樣機(jī)的研制，實(shí)際應(yīng)用于在軌衛(wèi)星型號當(dāng)中，取得了較理想的效果。

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