Progettazione del sistema di alimentazione del satellite AtmoCube Corso di laurea triennale in ingegneria elettronica applicata Università Degli Studi di Trieste Laureando: Niccolò de Milleri Relatore: Chiar.mo Prof. Sergio Carrato Anno accademico 2008/2009

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

Gestione della potenza: Proposta 3 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”

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 A Integrato 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 uA Integrato 5AV600 della picoelectronics Massa < 5 g Potenza d’uscita 1,25 W Semplice quadripolo Svantaggi: 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

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