Sistema di gestione della potenza per satelliti modulari AraMiS POLITECNICO DI TORINO Sistema di gestione della potenza per satelliti modulari AraMiS Relatori Candidato Leonardo Reyneri Stefano Gagliasso Claudio Sansoè Luglio 2015

AraMiS (ARchitettura Altamente Modulare per Infrastrutture Satellitari) Progetto del Politecnico di Torino avviato nel 2010, mirato alla creazione di uno standard per nano satelliti con massa compresa tra 1 kg e 10 kg Introduce il concetto di modularità, ogni componente del sistema AraMiS è indipendente, in questo modo la struttura base del nano satellite risulta essere flessibile.

Struttura di AraMiS La struttura del satellite AraMiS è composta da due mattonelle fondamentali dette Tiles. On Board Computer and Telecomunication Tile Power Management Tile

Software Gestione documentazione di progetto attraverso Visual Paradigm 11 Utilizzando il software Mentor Graphics 7.9.4 sono stati gestiti: Disegno di schemi elettrici. Sviluppo di modelli simulativi. Simulazioni circuitali. Gestione della libreria AraMiS Mentor Lib. Le simulazioni non gestite dal CAD elettrico sono state sviluppate con Matlab 2012.

Ambiente operativo L’ambiente operativo per AraMiS si trova ad una quota di 700 km in quella che si definisce bassa orbita terrestre (LEO). Problematiche ambientali: Temperatura media [-30 °C] Assenza di pressione atmosferica Radiazioni solari

Power Management Tile - PMT Ad ogni PMT spetta il compito di generare e gestire la potenza su AraMiS. Ogni PMT contiene: Pannello fotovoltaico Batterie Li-ion Bobina per controllo d’assetto

Power Distribution Bus - PDB Le PMT costituenti il satellite sono connesse dal bus di potenza PDB. Specifiche di progettazione: Gestisce tensioni comprese tra 12V e 19V e correnti fino ad 10A Immune a guasti fino a 25V. Controllo completamente analogico. I circuiti che ne gestiscono il funzionamento lavorano solo con determinate tensioni.

Attori PDB Gli attori del PDB sono i circuiti che provvedono alla gestione delle risorse presenti sul bus. Troviamo: Battery Source Battery Charger Battery Discharger Overvoltage Protection Battery Equalizer Altri dispositivi (sensori di temperatura, tensione, corrente…)

Caratteristica PDB Legenda: Il comportamento globale degli attori sul PDB viene mostrato nella caratteristica V-I(Normalizzata). Legenda:

Obbiettivi Sviluppare il circuito 1B11XBM Battery Management System contenente tutti i circuiti di gestione della potenza. Verificare attraverso simulazioni che i sistemi hardware già sviluppati siano funzionanti Modificare il circuito 1B118 Battery Discharger, dedicato alla gestione della scarica della batteria, in un nuovo sistema dotato di maggiore stabilità. Organizzazione della libreria centrale AraMiS Mentor Lib.

AraMiS Mentor Lib e Reusable Blocks La sviluppo di un sistema cosi complesso prevede l’impiego di più progettisti. L’utilizzo di una libreria centrale e di blocchi circuitali riutilizzabili rende il compito più agevole. AraMiS Mentor Lib contiene tutti i circuiti elettrici ed i componenti elettronici utilizzati durante la progettazione. Reusable Blocks ovvero blocchi circuitali riutilizzabili, una volta definito uno schema elettrico potrà essere considerato come blocco e riutilizzato in altre situazioni.

Reusable Block Esempio di Reusable Block per circuito 1b1142 Battery Equalizer

Simulazione dell’Hardware La verifica dei sistemi già definiti all’interno di AraMiS Mentor Lib avviene tramite simulazioni circuitali utilizzando il software H-SPICE presente in Mentor.

Simulazione dell’Hardware Netlist per simulazione: Risultato simulazione:

Battery Discharger Il circuito predisposto per la scarica delle batterie sul PDB è il Battery Discharger che ha il compito di prelevare una tensione pari a 7.6V dalle batterie ed elevarla fino a circa 13V. Per implementare questo tipo di dispositivo è stato utilizzato un convertitore DC/DC di tipo BOOST.

Battery Discharger Le specifiche richieste per il convertitore sono: Parametri in uscita: V = 13.5±250mV 12.5±250mV   𝑅 𝑑𝑖𝑓𝑓 =1Ω ±10%

1B118 Battery Discharger La configurazione originariamente presente in libreria non garantiva stabilità durante le fasi di variazione del carico. Ipotizzando la situazione di alta impedenza sull’uscita del convertitore si otteneva la saturazione della tensione d’uscita verso valori distruttivi per l’hardware stesso. Questo fenomeno era dovuto alla mancanza di un adeguato controllo per il circuito di potenza. Inoltre il convertitore BOOST se utilizzato in modalità discontinua,

1B118 Battery Discharger V2 Definizione di un nuovo sistema di controllo, si utilizza la modalità Boundary Condition Conduction Mode (BCCM). Con questo metodo non si hanno più sovratensioni sull’uscita del convertitore BOOST per qualsiasi carico. Per implementare il controllo si utilizza l’integrato NCP1607.

1B118 Battery Discharger V2

Simulazione – 1B118 Battery Discharger V2

1B11XBM Battery Management System Attraverso l’unione di tutti i Reusable Blocks dedicati alla gestione della potenza su AraMiS si arriva alla definizione del circuito finale 1B11XBM Battery Management System. Il complesso circuitale è connesso al microprocessore della PMT che monitora il funzionamento globale attraverso l’utilizzo di sensori. Vista la costruzione attraverso blocchi singoli riutilizzabili è possibile effettuare modifiche senza perdere l’intero progetto, occorre soltanto mantenere l’interfaccia verso altri sistemi.

1B11XBM Battery Management System

Fine!