Progettazione del sistema di alimentazione del satellite AtmoCube Corso di laurea triennale in...

Progettazione del sistema di alimentazione del satellite AtmoCube

Corso di laurea triennale in ingegneria elettronica applicata

Università Degli Studi di Trieste

Anno accademico 2008/2009

Laureando:Niccolò de Milleri

Relatore:Chiar.mo Prof.Sergio Carrato

Obiettivo

Progettazione e realizzazione del sistema di alimentazione del satellite

Fasi del lavoro Aggiornamento e valutazione dei

lavori precedenti Stesura del bilancio di potenza Progettazione del sottosistema e

delle diverse linee di alimentazione Test in laboratorio

Celle solari Integrato BQ24070 Power Manager

Power Budget Requisiti di alimentazione dei diversi

sottosistemi (OBR, OBDH, Payload 1 e 2)

Calcolo su Matlab dei consumi giornalieri Simulazione dei tempi d’accesso e di

attesa dell’OBR con STK 6 Attese: da 1,5 a 13 ore Accessi: medio 8 minuti, massimo 13

minuti

Consumi giornalieri

Consumi caso peggiore

Energia a disposizione Calcolo dell’energia erogabile dai

pannelli molto complessa (tempi di illuminazione, area esposta, ecc.)

Simulazione tramite solar panel tool di STK

Calcolo della potenza istantanea (campioni ogni 90 s) per tutto il primo anno di vita Formula P = n · I · S · Psun

Modello grafico di AtmoCube

Creazione di un modello grafico del satellite in linguaggio mdl Agi (file di testo)

Dichiarazione vettoriale delle superfici, dimensioni esatte, testure, e caratteristiche salienti dei pannelli: efficienza ed area.

Grafico potenza istantanea

Energia disponibile

Elaborazione dei dati di potenza (più di 350000 campioni) tramite Matlab

Divisione per giorni (365) ed integrazione rispetto al tempo: energia giornaliera Media: 28, 9 W· h Massimo: 38, 2 W· h Minimo: 19, 5 W· h

Energia dei primi 365 giorni

Deficit energetico Confronto energia disponibile - consumi :

Caso peggiore: 19,5 - 45,8 Wh Caso medio: 28,9 – 38 Wh

Deficit energetico! Tenere ben presente durante progettazione:

sarà il principale vincolo per l’EPS Energia disponibile allo stato del progetto

non può essere modificata, i consumi tendono a crescere

Dimensionamento accumulatori

Energia immagazzinabile: 70200 J Energia per eclissi lunga: 8268 J Accumulatori sovrabbondanti? Sì, ma tempo di vita:

Riduzione capacità del 30% dopo 500 cicli di carica-scarica

Considero ogni periodo orbitale (103 min) come un ciclo di carica- scarica

1500 cicli = 107 giorni -> capacità ridotta del 90% Inoltre incognita temperatura: non sono celle

per impieghi spaziali

Pannelli solari

Modello TASC della Spectrolab Tripla giunzione (GaInP2, GaAs e

Ge) Area 2,3 cm2

Efficienza dichiarata 27% Forma triangolare -> messi in serie

a coppie formano un pannellino rettangolare

Due celle accoppiate

Test delle celle solari 400 pezzi a disposizione Per AtmoCube verranno usati poco

meno di un centinaio Laboratorio Optical Manipulation

presso il TASC (Elettra) Misure su ciascun pannello di:

efficienza caratteristica tensione-corrente potenza

Simulatore di spettro solare

Simulatore modello Sun 2000 della Abet technologies

Lampada ad arco al mercurio-xeno

Fascio luminoso uniforme di 5x5 cm2

Scelto lo spettro della radiazione a terra con la potenza della luce extraterrestre 1348 W/m2

Spettri ottenibili

Risultati

Scelti i migliori 100 componenti in base all’efficienza misurata

Efficienza media dei cento migliori pezzi pari a 21,2 % (molto sotto le aspettative)

Selezione del punto di lavoro ottimo (di massima potenza) in base alla caratteristica tensione-potenza. Intorno ai 2,1-2,2 Volt

Pulitura in camera bianca

Caratt. tensione-potenza

Caratt. Tensione-corrente

Progettazione

Gestione della potenza

Tre problemi fondamentali: Ricarica della batteria Li-Ion Gestione di due sorgenti di potenza

Batteria (accumulatore) Pannelli solari (potenza limitata)

Corretta distribuzione della potenza elettrica soddisfacendo i requisiti dei sottosistemi

Gestione della potenza: Proposta 1

Pannelli alimentano il satellite e ricaricano le batterie durante illuminazione

Batterie alimentano solo durante eclissi Ottimo ma...

Potenza a disposizione sicuramente insufficiente vedi Power budget Pannelli da soli non sostengono le potenze richieste

dal Power Amplifier (mai) alimentazione non deve essere affidata ai pannelli da soli

vedi simulazioni potenza generata dai pannelli

Gestione della potenza: Proposta 2

Accumulatore alimenta durante tutto il tempo, pannelli utilizzati solo per la ricarica, necessario charging monitor

Problemi gravi Gestione eclissi Degrado batteria Spreco potenza

Soluzione al 1o : Soglie per la ricarica

della batteria

Soluzione ibrida Illuminazione: alimentazione affidata

congiuntamente a pannelli solari e batteria (batteria complementa) soglia per fermare il contributo della

batteria ed essere pronti ad affrontare eclissi sempre

Ricarica della batteria indipendente e “ogni volta che si può”

Gestione della potenza: Proposta 3

Proposta 3

Evidenti vantaggi: Riesco a sostenere PA Utilizzo sempre tutta la potenza Utilizzo solo quando strettamente

necessario della batteria Avvio del sistema anche con batteria

completamente scarica => eliminazione circuito charge monitor

Tutto molto bello, ma come realizzare un sistema del genere?

Soluzione: TI BQ24070 Dopo aver individuato tutte le precedenti richieste

è stato trovato l'IC BQ24070 della Texas Specializzato nel “power management” di sistemi

con sorgente in continua limitata in potenza e singola batteria Li-Ion

Gestione indipendente della ricarica Uscita regolata a 4,4 volt o tensione di batteria Gestione automatica dell’alimentazione da

sorgente continua (priorità) o se assente da batteria

Ma soprattutto...

BQ24070: battery supplement mode

Se richiesta eccessiva di potenza istantanea si fa intervenire la batteria per complementare la potenza fornita dai pannelli. Se invece la sorgente ce la fa ricarico l'accumulatore (“ogni volta che si può”)

Priorità al carico

Linee di alimentazione Sulla base della tensione fornita dal

manager di potenza (BQ24070) pari a 4,4 V o a tensione di batteria si diramano le diverse linee di alimentazione (conversione DC/DC)

Parte su tesi precedente di B. Pendalo Riporto solo le linee cambiate o

aggiunte rispetto al lavoro esistente

Alimentazione Power Amplifier

Tensione richiesta: 6 Volt Corrente max richiesta: 1,5 AIntegrato MAX1771, regolatore step-up di

potenza Verrà utilizzato anche per alimentare

sottosistema di controllo dell’assetto di volo (spira magnetica) quando il PA è inattivo

MAX1771 Sostiene 24 W di

potenza in uscita e fino a 2 A

Tensione d’uscita regolabile con partitore resistivo

Efficienza 90 % Svantaggio: path

diretto ingresso-uscita

Alimentazione LNA Tensione richiesta: 5 V Corrente massima: 27 mA LTC1516 della Linear:

convertitore step up di tipo charge pump inductorless

Semplice e versatile -----> Efficienza > 80% Transitorio Vout accensione

~ 1 ms

Alimentazione Camera a deriva

Tensione richiesta: -600 V Corrente: 60 uAIntegrato 5AV600 della picoelectronics Massa < 5 g Potenza d’uscita 1,25 W Semplice quadripoloSvantaggi: No piedino shut down Tensione di ingresso richiesta: 5 V

Ricavata dalla linea del payload 2

Linea a 3,3 V Serve tutti i sottosistemi Spezzata in tre linee per ridondanza ed a causa

delle tempistiche diverse dei sottosistemi Alimentazione OBDH & HK e GPS (payload 2) Alimentazione OBR

Ricetrasmettitore a bassa potenza Il circuito di misura della potenza emessa dal Tx I commutatori d’antenna e del modem

Alimentazione FPGA della Camera a deriva Richiesta: step up-down (3,3 V a volte sopra a

volte sotto Vin )

Alimentazione OBR ed FPGA (due linee diverse)

LTC3204-3.3: step up-down inductorless

Semplice circuito esterno

Corrente massima 50 mA

Transitori tensione d’uscita < ms

In più: Aggiunte simulazioni Spice del

funzionamento generale per le linee e dei transitori di accensione

Applicazione delle regole di derating consigliate dall’ESA per le applicazioni spaziali nella scelta dei componenti

Test del BQ24070 Utilizzazione dell’EVB della Texas Test del funzionamento generale e

caratterizzazione Misura delle grandezze Vin Iin Vout Iout Vbat Ibat al variare di

Iin (da 0 a 0,4 A) ed al variare del carico cioè Iout (da 0 a 1,6 A) per diverse situazioni della carica della batteria cioè Vbat (completamente carica, carica e scarica)

Tensione in ingresso max 4,4 V e corrente in ingresso max pari a 0,4 A (come i pannelli)

Primo test per le batterie Carico programmabile

Test del BQ24070 (2)

Erogazione di alte potenze senza problemi e comportamento ottimo a parte:

Assicurare tensione maggiore di quella di batteria in ingresso altrimenti carica della batteria si ferma (ovviamente)

Protezioni al cortocircuito non scattano correttamente (Vout<<Vbat – 200 mV)

Banco di lavoro

Grazie per l’attenzione

FINE