Il sistema di alimentazioneIl sistema di alimentazione

Dr. Emanuele PaceDr. Emanuele Pace

Marzo 2009Marzo 2009

Corso di Tecnologie Spaziali – Lezione 8Corso di Tecnologie Spaziali – Lezione 8

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Cos’è un sistema di alimentazioneCos’è un sistema di alimentazione

Il sistema di alimentazione di un satellite

comprende l’hardware e il software usato per

generare, accumulare, condizionare e

distribuire la potenza elettrica richiesta dal

carico del satellite e quantificata. Questa

funzione deve essere assolta durante tutta la

durata della missione in presenza di qualsiasi

ambiente incontrato.

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Fasi di ingegnerizzazioneFasi di ingegnerizzazione

1. Analisi del profilo di potenza elettrica richiesta dai sotto-sistemi e dal payload per tutta la durata della missione.

2. Analisi della richiesta di energia in tutte le fasi della missione, considerando

Aumenti e picchi di potenza

Distanza Sole – Sonda

Durata dei periodi di Sole e di eclisse,

Angolo rispetto al Sole,

Accuratezza del puntamento,

Temperatura dell’ambiente ed effetti di degrado

Aspetti di affidabilità e sicurezza

3. Definizione dei budget medi e di picco della potenza richiesta in tutte le fasi della missione

4. Definizione del margine di potenza disponibile al lancio (> 5%). Il margine minimo si definisce con una sola fila della matrice di celle solari ed una cella di batteria non funzionanti al termine della vita prevista per il satellite.

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Produzione di potenza elettricaProduzione di potenza elettrica

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Sistema Power Supply (PS)Sistema Power Supply (PS)

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Celle solariCelle solari

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I-V characteristicI-V characteristic

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Efficienza delle celle solariEfficienza delle celle solari

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Danno equivalenteDanno equivalente

Flusso su celle solari in silicio Flusso su celle solari in silicio protette da 150 micron di vetro e protette da 150 micron di vetro e su substrato molto spesso.su substrato molto spesso.

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Prestazioni delle celle solariPrestazioni delle celle solari

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EsempioEsempio

Output richiesto dalle celle solari : 1kW @ EOLOutput richiesto dalle celle solari : 1kW @ EOL

Satellite in orbita equatoriale a 1000 km per 5 anniSatellite in orbita equatoriale a 1000 km per 5 anni

Celle in silicio di spessore 0.15 mmCelle in silicio di spessore 0.15 mm

Dalle figure precedenti:Dalle figure precedenti:

danno equivalentedanno equivalente da protoni da protoni 1.7 x 101.7 x 101414 e e--/cm/cm22/anno/anno

da elettroni da elettroni 2.0 x 102.0 x 101212 e e--/cm/cm22/anno/anno

danno totale in 5 anni danno totale in 5 anni 8.6 x 108.6 x 101414 e e--/cm/cm22

La potenza per unità di area è 11.5 mW/cmLa potenza per unità di area è 11.5 mW/cm22

Diminuzione del 10% da considerare nel dimensionamento Diminuzione del 10% da considerare nel dimensionamento del sistemadel sistema

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Test di qualifica delle celle solariTest di qualifica delle celle solari

Ispezione visiva Dimensioni e peso Prestazioni elettriche Coefficienti di temperatura Risposta spettrale Dati termo-ottici Cicli termici Temperatura ed umidità Adesione del coating anti-riflesso Adesione dei contatti e delle interconnessioni Uniformità dei contatti Irraggiamento con protoni o elettroni (prestazioni EOL) Irraggiamento con fotoni; Conducibilità della superficie di copertura in vetro Caratteristica I –V inversa

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Pannelli solariPannelli solari

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Fuel cellsFuel cells

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Potenziale delle fuel cellsPotenziale delle fuel cells

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Generatori a radioisotopiGeneratori a radioisotopi

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RTG su VoyagerRTG su Voyager

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RTG su GalileoRTG su Galileo

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BatterieBatterie

Si definisce batteria un numero di celle di accumulazione che hanno in comune un alloggiamento meccanico e termico.

Le batterie possono essere collegate in parallelo per aumentare la capacità in ampere-ora o in serie per aumentare la tensione generata.

La profondità di scarica (DOD, depth of discharge) di una batteria è definita come la quantità di ampere-ora utilizzati rispetto ad una batteria completamente carica e si esprime come percentuale della capacità dichiarata.

Il rapporto di ricarica o fattore k si definisce come gli ampere-ora caricati diviso gli ampere-ora scaricati in precedenza.

Le batterie sono inserite per fornire potenza al satellite durante le fasi di lancio e tutte le perdite di energia solare previste durante la missione, incluse quelle dovute a guasti (ad esempio guasto del sistema di puntamento o del controllo degli attuatori).

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Batterie - cicli di carica e scaricaBatterie - cicli di carica e scarica

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Requisiti per le batterieRequisiti per le batterie

Le considerazioni che inducono alla scelta di una particolare tecnologia per le batterie da usare e il DOD da applicare includono:

Requisiti per i cicli di carica/scarica

Disponibilità di dati di volo/test

Requisiti sull’affidabilità

Limiti sul peso delle batterie

Ambiente di lancio ed operativo

Richieste di assenza di campo magnetico

Caratteristiche dipendenti dalla tecnologia, come ad esempio l’effetto memoria per il tipo Ni-Cd.

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Dipendenza dalla temperaturaDipendenza dalla temperatura

Il progetto termico delle batterie deve tenere conto di:

Temperatura massima e minima delle celle durante i cicli operativi previsti;

Gradienti di temperatura massimi permessi tra le differenti parti della stessa cella e fra due celle in una batteria;

Calore istantaneo prodotto nella cella e dispositivi di protezione durante tutte le fasi della missione;

Raccomandazioni del costruttore per i valori di temperatura e dei gradienti di temperatura da applicare;

Se le batterie sono connesse in serie o in parallelo, la massima differenza di temperatura tra le parti della batteria non deve superare i valori raccomandati, come ad esempio 3°C per le batterie Ni-Cd in parallelo e 5°C per le batterie Ni-H2 in serie.

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Tipi di bus Tipi di bus

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Schema del sistema PSSchema del sistema PS

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Valutazione del power outputValutazione del power output

Caratteristica I-V a BOL e EOL;

Punto di lavoro della potenza operativa versus la massima

Diodi di blocco della tensione diretta alla corrente operativa e alla temperatura più bassa

Fattore di perdita a BOL (cioé calibrazione, effetti stagionali, cella standard) e EOL (inclusa tempo di vita e irraggiamento)

Resistenza elettrica della distribuzione (inclusi cablaggi, connettori and circuiti di stand-by);

Fenomeni di shadowing and hot spot

Nessuna perdita di potenza in caso di corto – circuito (circuiti di protezione)

Assenza di perdite di potenza equivalenti a due corto –circuiti dovuti a due file di celle per pannello

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Standard da applicare al bus PSStandard da applicare al bus PS

Bus di tensioni costanti giorno e notte:

28 V per potenze fino a 1,5 kW

50 V per potenze fino a 8 kW

100 V e 120 V per potenze maggiori

Valori nominali del regolatore principale in condizioni stazionarie entro ± 0,5 %

Per transienti di carico fino al 50 % del carico nominale i transienti sul bus non devono superare l’1 %, le tensioni del bus devono rimanere entro il 5 % del valore nominale. In caso di rottura del fusibile, il riavvio del sistema non deve provocare un overshoot maggiore del 5 % del valore nominale del bus.

Valore del ripple di tensione inferiore al 0,5 % picco-picco della tensione nominale del bus.

Spikes di tensione relativi alle commutazioni inferiori al 2 % picco-picco della tensione nominale del bus (misurata con un oscilloscopio analogico con banda-passante minima di 50 MHz minimum o con un oscilloscopio digitale che offra prestazioni equivalenti o migliori).

Limita il peso Limita il peso dei cavidei cavi

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Efficienza del sistema PSEfficienza del sistema PS

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CablaggioCablaggio

Anche il cablaggio del sistema PS deve soddisfare una serie di condizioni e di specifiche

Nessuna parte del cablaggio deve essere usata come supporto meccanico.

La trasmissione di potenza deve avvenire mediante cavi “twisted” con il proprio ritorno per minimizzare l’area dei loop di corrente e l’induttanza parassita dei cablaggi. Nel caso che il ritorno avvenga attraverso la struttura, i cavi di tensione devono passare in prossimità dei piani di massa.

La distribuzione di potenza deve essere protetta in modo che sovra-correnti nei cavi non posano provocare interruzioni su altri cavi.

L’induttanza dei cavi per un bus regolato, dal nodo di distribuzione al carico deve essere tale che la frequenza di taglio sia almeno 5 kHz:

L < R/ 2f L induttanza dei cavi in HR resistenza dei cavi in Ωf frequenza di taglio in Hz

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Power SupplyPower Supply

Low VoltageLow VoltageHigh VoltageHigh Voltage BatteriesBatteries

LIDAR & LIDAR &

IR cameraIR camera

CCUCCU

TCUTCU

Thermal controlThermal control

Lid mechanismLid mechanism

PS controlPS control

TelemetryTelemetry

EmergencyEmergency

ActuatorsActuators

Focal SurfaceFocal Surface

CalibrationCalibration

DetectorsDetectors

MARS - ASICMARS - ASIC

ElectronicsElectronics

SourcesSources

DetectorsDetectors

Trigger & DHTrigger & DH

Esempio: EUSO Esempio: EUSO

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CAEN S9030 PS ModuleCAEN S9030 PS Module

Input Voltage +15 V ÷ +20 V

Output VoltagesHVOUT: -900 V HV AUXOUT: +3.5 V ÷ +13 V (referred to HVOUT)

Output Current 8 mA maximum

Output Power 7 W maximum

Output Ripple (Differential Mode)

200 mVpp (100 Hz to 15 MHz)

Input Ripple200 mVpp (input filtered by a 22 µH series inductor); measured according to MIL-STD-461 specifications

Switching Frequency

140 KHz ÷ 160 KHz

Sync Frequency 170 KHz ÷ 220 KHz

Line Regulation 500 mV maximum

Load Regulation 10 V maximum

HV OUT Temperature Drift

100 ppm/°C

Radiation tolerance 30 Krad

Operating Temperature

-20 ÷ +60 °C nominal

Packaging Polyamide PCB (135.3 mm X 56.5 mm X 15 mm)

Weight 100 g

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BatterieBatterie

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Confronto tra batterieConfronto tra batterie