Desarrollo de una batería de uso espacial a partir de células

comerciales. Aplicación al UNION-Sat/Lian-Hé

Santiago Pindado; Elena Roibás; Javier Cubas

Instituto Universitario de Microgravedad “Ignacio Da Riva” Universidad Politécnica de Madrid

Antecedentes (I): • Máster en Sistemas Espaciales (MUSE)

• Project Based Learning (PBL)

• Generación y Gestión de Potencia Eléctrica

• Caso de Estudio I, II & III

• TFM

• Desarrollo de satélites:

• UPMSat-2

• Lian-Hé / UNION

Antecedentes (II). UPMSat-2 :

DC/DC

Battery

P/L

P/L

+15 V

15 V

P/L

DC/DC

DC/DC

+5 V

P/L

V

P/L

Solar Panels

BUS

Antecedentes (III). UPMSat-2 :

UPMSat-2 battery

Break-out boxes

Mision. Lian-Hé / UNION: La batería se dimensiona para suministrar energéticamente a la misión Lian-Hè / UNION durante su periodo de eclipse por órbita.

• Paneles solares: VOC = 26.67 V

• Tiempo de eclipse: t = 34 min / órbita

• Energía mínima necesaria: EBAT = 142.8 W·h

• Capacidad solicitada: Cmín = 6.43 A·h

Diseño:

• Selección de celdas • Selección cableado/conectores/materiales • Ensayos iniciales (eléctricos) • Prediseño • Análisis estructurales/térmicos • Rediseño • Prototipo • Ensayos de calificación

Celda seleccionada. SAMSUNG INR 18650 25R:

Capacidad nominal 2500 mA·h

Tensión nominal 3.6 V

Tensión máxima 4.2 V

Tensión mínima 2.5 V

Intensidad de corriente

máxima

20 A

Masa 45 g Se ha comprobado que sus materiales la hacen APTA

para su uso en espacio

Materiales: • Conectores de vuelo:

• ITT Cannon LLC® connector DAMA 15S (suministro de potencia eléctrica).

• ITT Cannon LLC® connector DAMA 26S (telemetría). Aleación Au/Cu con aislante de poliéster, calificados según ECSS.

• 4 x OMNETICS ® micro-strip connector 9 pines. Calificación bajo MIL-DTL-83513 • Cableado.

• Estructura de aluminio y elementos de unión. • 16 x EN-ISO-4762-M3x8 Screw. • 16 x EN-ISO-28738-M3 Washer. • 16 x helicoils M3

Ensayos iniciales (I):

2300

2400

2500

2600

2700

C [

mA

·h]

Capacidad medida (C) de cada célula

Carga Descarga

-4.00-2.000.002.004.006.00

Erro

r (%

)

Error de la capacidad medida respecto a las especificaciones de fabricante

Carga Descarga

Ri, av = 129.96 mΩ (σR = 3.37 mΩ)

Cspec = 2500 mA·h

ηav = 89.98% (ση = 1.59%)

Ensayos iniciales (II). Equilibrado: • Circuito BMS AMPHENOL®.

• Controlled Shunting Resistor (!) • Protección de sobrecarga y sobre-descarga • Protección de excesiva intensidad de corriente • Equilibrado de serie de 6 células

Prediseño: • Análisis

NASTRAN/PATRAN

• Rediseño

• Análisis térmico FLUENT/ESATAN

• Rediseño

Plan de ensayos:

Ensayos de calificación

Eléctricos Funcionales

Ambientales

Mecánicos

Vacío térmico