Calcolo della potenza istantanea - Università degli Studi di Trieste

Progettazione del sistema di
alimentazione del satellite
AtmoCube
Corso di laurea triennale in ingegneria
elettronica applicata
Laureando:
Niccolò de Milleri
Relatore:
Chiar.mo Prof.
Sergio Carrato
Università Degli Studi di Trieste
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 updown 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
FINE
Grazie per l’attenzione