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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