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IL SOTTOSISTEMA POWERDEL DIMOSTRATORE TECNOLOGICO SATELLITARE

(DTS)

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INDICE1. Introduzione..................................................................................................................32. Lista delle abbreviazioni e unità di misura.................................................................33. Le funzioni del sottosistema.........................................................................................44. I requisiti di progetto del sottosistema Power............................................................55. Un confronto fra le caratteristiche minime di progetto e quelle ottimali.................66. Allocazione delle potenze richieste al sottosistema Power.........................................97. L’architettura del sottosistema Power.......................................................................108. Requisiti e criteri di scelta della batteria e dei pannelli solari................................14

8.1 Le funzioni dei generatori elettrici del DTS.......................................................148.2 I criteri di scelta del tipo di batteria...................................................................158.3 Le caratteristiche della batteria del DTS...........................................................188.4 Le prestazioni della batteria del DTS................................................................218.5 Le caratteristiche dei pannelli solari..................................................................23

9. Il sistema di distribuzione della potenza...................................................................2910. Il sistema di carica della batteria mediante rete esterna.....................................2911. Il sistema di gestione della potenza.......................................................................29

11.1 Premessa..............................................................................................................2911.2 I convertitori DC/DC............................................................................................3011.3 Il Caricabatteria...................................................................................................34

12. Il sistema di monitoraggio (telemetria)..................................................................3712.1 I sensori di temperatura......................................................................................3712.2 Sensori di corrente...............................................................................................4112.3 Diagnostica dello stato della batteria.................................................................41

13. Aspetti tecnologici e realizzazione..........................................................................44

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IntroduzioneQuesto documento descrive il Sottosistema Power, cioè di alimentazione elettrica del Dimostratore Tecnologico Satellitare (DTS). Lo schema che viene seguito segue un approccio che in inglese viene definito “top-down” ovverosia dall’alto verso il basso, cioè parte dalla descrizione generale per scendere via via nei particolari del progetto e quindi della realizzazione pratica.

1. Lista delle abbreviazioni e unità di misura

Ω Ohm. Unità di misura di resistenza elettrica nel Sistema Internazionale

° C Gradi centigradi. Unità di misura della temperatura

C Coulomb, Unità di misura della Carica Elettrica, nel Sistema Internazionale

° K Gradi Kelvin. Unità di misura della temperatura assoluta nel Sistema Internazionale0 ° C = 273,16 ° K

A Ampere: unità di misura della corrente elettrica nel Sistema Internazionale

ACS Attutude Control Subsystem – Sottosistema di Controllo di Assetto

Ah AmperOra. Unità di misura della carica elettrica immagazzinata in una batteria.

BCR Battery Charge Regulator – Regolatore di Carica della Batteria

C Coulomb, Unità di misura della Carica Elettrica nel Sistema Internazionale

COMMS Sottosistema di comunicazioni del DTS

DC Direct Current – Corrente Continua

DC/DC Convertitore da una tensione continua ad altra tensione continua

dm3 decimetri cubi. Unità di misura di volume. 1 decimetro cubo equivale ad 1 litro

DTS Dimostratore Tecnologico Satellitare

LDO Low Drop-Out – A bassa Caduta (di tensione). E’ riferito a regolatori elettronici di tensione

LED Light Emitting Diode – Diodo Emettitore di Luce

Li-Ion Ioni di Litio. Una tecnologia per la realizzazione di batterie ricaricabili

NiCd Nickel – Cadmio. Una tecnologia per la realizzazione di batterie ricaricabili

NiMH Nickel Metallo Idruro. Una tecnologia per la realizzazione di batterie ricaricabili

OBDH On Board Data Handling – Elaborazione Dati a Bordo

V Volt: unità di misura della tensione elettrica (differenza di potenziale) nel Sistema Internazionale.

W Watt: unità di misura della potenza elettrica nel Sistema Internazionale. 1 W = 1 V x 1 A

Wh Wattora: unità di misura dell’energia elettrica. Si usa in genere per le batterie e per i contatori elettrici per uso domestico e industriale.

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Le funzioni del sottosistema power in un satelliteGli obiettivi del sottosistema di alimentazione di un satellite artificiale sono quelli di generare, immagazzinare e gestire l’energia elettrica in modo da sostenere l’operatività del satellite durante la missione.Affinché questi obiettivi siano raggiunti, i componenti del sottosistema di alimentazione di un satellite devono svolgere le seguenti funzioni:• generazione di potenza • immagazzinamento di energia • distribuzione della potenza• regolazione della potenza erogata ai vari apparati• monitoraggio dei valori di tensione erogata e delle correnti assorbite dagli apparati

di bordoIn un satellite in orbita, la funzione di generazione della potenza è svolta da un generatore solare, costituito da celle solari, e l’immagazzinamento di energia è affidato ad una batteria ricaricabile a ioni di litio.Poiché il generatore solare e la batteria sono connessi fra di loro e con gli apparati da alimentare elettricamente, una configurazione in “OR” di diodi gestisce la distribuzione della potenza erogata da questi dispositivi, facendo in modo che, quando le celle solari sono illuminate dal sole, gli apparati siano alimentati dal generatore solare e se necessario anche la batteria sia ricaricata, e quando invece il generatore solare non è illuminato, sia la batteria a fornire potenza agli apparati di bordo. La funzione di regolazione della potenza è svolta da:• un regolatore di carica della batteria (BCR) che include i circuiti di protezione per il

funzionamento della batteria• convertitori DC/DC che interfacciano con il bus di potenza principale non regolato

per fornire le tensioni secondarie stabilizzate e regolate richieste per l’operatività degli altri sottosistemi a bordo del DTS.

La funzione di regolazione della potenza include la distribuzione delle tensioni secondarie.La funzione di monitoraggio è svolta da circuiti di rilevazione di tensioni, correnti e temperatura distribuiti su diversi punti del dimostratore. Come vedremo nei successivi paragrafi, il DTS è destinato ad operare in aule scolastiche ed i pannelli solari, illuminati da luce artificiale, sono in grado di fornire una potenza significativamente minore di quella che erogherebbero se fossero esposti al sole in orbita terrestre. Questi requisiti hanno portato ad una modifica dello schema funzionale ed elettrico rispetto a quella di un satellite effettivo, limitando l’uso dei pannelli solari alla sola alimentazione della ruota di inerzia del sottosistema ACS.

2. I requisiti di progetto del sottosistema Power del DTSI requisiti generali applicati al progetto del DTS, che hanno influenzato a loro volta i requisiti del sottosistema Power ,si possono riassumere come segue:

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• efficienza la più alta possibile (questa caratteristica determina un risparmio di energia generata e dissipata con impatto sulla affidabilità dei componenti)

• la temperatura all’interno del DTS non deve superare il limite di normale funzionamento dei componenti impiegati

• dimensioni: 300 x 300 x 300 mm3 • peso inferiore a 13 Kg

Sono definiti due tipi di interfaccia per il sottosistema Power:• Bus Dati: questo provvede alla comunicazione con l’OBDH per la trasmissione delle

telemetrie• Bus di Potenza: questo fornisce l’energia a tutti i sottosistemi

I carichi elettrici sono rappresentati dai sottosistemi del satellite: • OBDH (sottosistema di trattamento dati) • COMMS (sottosistema di Comunicazioni con ricetrasmettitore UHF)• ACS (sottosistema di controllo di assetto)

Il Bus di potenza deve rispondere ai requisiti seguenti:• fornire l’energia elettrica dalle sorgenti di energia, cioè pannelli solari o batteria, ai

carichi che abbiamo elencato• tutti i sottosistemi devono essere alimentati da convertitori DC/DC che devono

garantire valori di tensione, ondulazione residua (chiamata anche con il termine inglese di “ripple”), ecc… con una accuratezza e regolazione quanto più elevata possibile

• fornire agli utilizzatori protezioni contro sovratensioni e sovracorrenti, allo scopo di prevenire danni derivanti da funzionamenti anomali nei circuiti degli utilizzatori stessi

• la distribuzione della potenza deve essere con ritorno primario/secondario non isolato

Nel progetto si ipotizza che il satellite, di cui il DTS è il dimostratore, debba essere immesso in un’orbita circolare con inclinazione tra 30° e 50° ad una altezza di circa 700 Km. La velocità del satellite in orbita è stimata essere di circa 27000 Km/h. Per queste condizioni si avrebbero i seguenti parametri orbitali e di assetto:• Torbita = 100 minuti (periodo orbitale)• Tsun = 65 minuti (tempo di esposizione al Sole durante ciascuna orbita)• Teclisse = 35 minuti (tempo di eclissi durante ciascuna orbita)

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• Assetto in orbita: tombolante oppure stabilizzato mediante puntamento verso il Sole

3. Un confronto fra le caratteristiche minime di progetto e quelle ottimali La tabella 1 mostra le caratteristiche minime di progetto e quelle nominali per il sottosistema Power.

Funzioni del sottosistema

Descrizione Condizioni di funzionamento

Minime Nominali

Generazione della potenza elettrica

Potenza elettrica generata durante la missione

Batteria Celle solari durante l’esposizione al Sole.Batteria durante le eclissi

Immagazzinamento di Energia

Energia elettrica immagazzinata per la missione

------------ Batteria (ricaricata dalle celle solari)

Distribuzione della potenza

Potenza elettrica distribuita durante la missione

Cablaggio, Convertitori dc/dc e sistema di masse

Cablaggio, Convertitori dc/dc, sistemi di protezione dai guasti

Regolazione della potenza

Controllo elettrico della potenza durante la missione

------------ Controllo celle solari, regolazione della tensione del Bus attraverso la conversione dc/dc, carica della batteria

Tabella 1 – Condizioni di funzionamento del sottosistema Power durante la missione

A causa del tipo di missione (il DTS dovrà operare in un'aula di laboratorio), la sorgente di energia opererà in condizioni minime di funzionamento, ossia utilizzando prevalentemente la batteria.La Figura 1 mostra il principio del sistema di alimentazione impiegato e la Figura 2 la variante specifica per l’applicazione didattica costituita dal DTS. In ambedue le figure sono identificati i blocchi funzionali riportati nella Tabella 2 che segue.

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Blocco funzionale Funzioni svolteGENERATORE SOLARE Genera la potenza elettrica attraverso la radiazione solare

BATTERIA Immagazzina l’energia elettricaCIRCUITO DI DISTRIBUZIONE Combina le due sorgenti di alimentazione (generatore solare e

batteria)(BCR) CARICA BATTERIA Assicura la corretta carica della batteria Li-Ion

DC/DC Converte il livello di tensione DC per soddisfare le richieste specifiche dei sotto-sistemi

INTERRUTTORE MECCANICO Mantiene la batteria isolata fino al momento dell’impiego

Tabella 2 - Funzioni e blocchi funzionali del sottosistema Power

Figura 1 - schema di principio del sottosistema Power per il funzionamento con la luce solare

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Figura 2 - schema di principio del sottosistema Power modificato per l’applicazione didattica

La differenza fra questi due schemi, peraltro abbastanza simili, sta nell’utilizzo dei pannelli solari e della batteria: • nel primo schema, quello di principio, tutti i sottosistemi presenti possono essere

alimentati sia dai pannelli solari che dalla batteria• nel secondo schema si è tenuto conto della limitata potenza fornibile dai pannelli

solari a causa della ridotta illuminazione (artificiale) utilizzabile in un laboratorio scolastico, e quindi, mentre la batteria può alimentare tutti i sottosistemi presenti, il generatore solare può alimentare solo il convertitore DC/DC a 15 V, e tramite questo solo la ruota di inerzia. Il circuito di distribuzione combina quindi le due sorgenti di alimentazione solo per quest’ultimo dispositivo. Inoltre, la carica della batteria non viene più affidata al generatore solare, ma solo ad un alimentatore esterno.

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Allocazione delle potenze richieste al sottosistema Power La Tabella 3 riassume le potenze elettriche consumate da tutto il DTS. La potenza allocata è stata calcolata sulla base di valori di consumo stimati per ciascun sottosistema.

Sistema Unità

Valore

ACS (Controllo d’assetto), valore di picco W 3,0COMMS (Comunicazioni) W 0,1OBDH (Elaborazione Dati a Bordo) W 0,1Power (Sottosistema di Alimentazione) W 0,2Potenza dissipata nel sottosistema W 0,4Potenza totale da fornire W 3,8Energia Batteria Wh 99Tempo massimo di funzionamento h 25h 22’

Tabella 3 - Bilancio energetico del DTS

NOTA: Tutti i sottosistemi non richiedono la potenza loro allocata in modo continuativo cosicché la potenza totale di circa 4 W sarà, se necessario, raramente richiesta.

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L’architettura del sottosistema PowerDopo aver discusso i requisiti di progetto e le richieste di energia elettrica da parte dei sottosistemi del DTS, vediamo ora come è fatto il sottosistema Power. Il sottosistema è progettato in maniera da fornire la potenza elettrica alle funzioni del DTS in qualsiasi condizione di funzionamento, considerando che si deve simulare nel miglior modo possibile una missione satellitare in orbita bassa (LEO). Il maggior limite di cui si deve tenere conto è, come abbiamo già detto, l’illuminazione artificiale al posto di quella solare: questo limite ha obbligato i progettisti a utilizzare la batteria per alimentare la maggior parte delle utenze del DTS, lasciando ai pannelli solari il solo compito di alimentare la ruota di inerzia del sottosistema ACS, quando i panneli solari sono illuminati dalla luce della lampada alogena.La batteria, che in un impiego spaziale dovrebbe essere ricaricata dai pannelli solari, nel DTS è invece ricaricata da un alimentatore esterno.Poiché la carica della batteria deve essere condotta entro stretti limiti di tensione e corrente, un regolatore di carica batteria (BCR) è interposto tra l’alimentatore esterno e la batteria ricaricabile in modo da fornire la tensione e la corrente richiesta durante il processo di carica.Il generatore solare, nel satellite vero e proprio, dovrebbe consistere in 5 pannelli solari costituiti da celle all’arseniuro di gallio ma nel DTS, che ha uno scopo didattico, consiste di 3 pannelli di celle solari di silicio policristallino, robusti ed economici, anche se meno efficienti di quelli all’arseniuro di gallioLa scelta del numero dei pannelli è obbligata dal sistema di sospensione del DTS (descritta in altro documento) mentre quella sulla tecnologia delle celle è stata valutata in funzione delle condizione operative a cui andranno incontro, in primis l’usura e l’utilizzo da parte di personale non esperto come gli studenti. Se ne parlerà in dettaglio in un successivo paragrafo.Le celle sono disposte in serie parallelo: ciascun pannello ha 2 stringhe in parallelo e ciascuna stringa è costituita da 18 celle. Ogni pannello solare genera circa 16,8 V con una corrente nominale di 0,27 A quando è illuminato con raggio incidente normale.I 3 panelli all’interno del DTS sono collegati in parallelo con una connessione “OR” di diodi a bassa caduta, per formare un “bus” del generatore solare, destinato, lo ricordiamo, ad alimentare solamente la ruota di inerzia.Entrambi i bus del generatore solare e di batteria esibiranno significative variazioni di tensione durante il normale funzionamento. Infatti la tensione del generatore solare dipende dalla temperatura di funzionamento, dall’angolo della luce incidente, dal tipo di luce incidente (funzione della lampada solare utilizzata) e dalla corrente di carico.La tensione della batteria, durante la scarica, varia con la profondità di scarica, con la temperatura di funzionamento e dipende anche dalla storia dei precedenti cicli di ricarica. La batteria ricaricabile impiegata è di tipo Li-ion che consente di avere alta efficienza, elevata resistenza verso condizioni di carico e vasto campo di temperatura operativa.

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I convertitori DC/DC sono componenti che, alimentati da un bus primario non regolato, generano, attraverso una conversione PWM (Pulse Width Modulation, Modulazione ad Ampiezza degli Impulsi) ad alta efficienza, le tensioni secondarie stabilizzate e regolate richieste per il funzionamento del dimostratore tecnologico satellitare.La tabella 3 già presentata in precedenza mostra che il consumo di ciascun sottosistema è relativamente basso. Sulla base di questi valori è vantaggioso centralizzare la conversione di potenza in un numero minimo di convertitori DC/DC. Questa scelta implica una distribuzione delle tensioni secondarie ai diversi circuiti dei sottosistemi.Questa soluzione è inoltre adottata tenendo conto dei seguenti aspetti:• I sottosistemi non richiedono nessun comando di ON/OFF.• Nessun isolamento galvanico è richiesto per mitigare aspetti di compatibilità

elettromagnetica. I circuiti sono allocati in piccolo spazio con ridotto percorso di collegamenti e con un accurato controllo della messa a terra (grounding).

• Una distribuzione a stella minimizza le perturbazioni introdotte dalle cadute resistive sulle linee di collegamento.

Ne consegue che per ottimizzare le interfacce, le tensioni secondarie richieste dai circuiti dei sottosistemi sono state limitate a due valori, +5 V dc e +15 V dc.Per flessibilità di progetto, i due valori di tensione sono ottenute con due distinti convertitori DC/DC. Tuttavia, sulla base di quanto sopra considerato, l’impiego di un unico convertitore multi-uscita può essere vantaggioso per la riduzione degli ingombri e peso. La figura 3 mostra quale dovrebbe essere lo schema a blocchi del sottosistema di potenza se il generatore solare fosse illuminato dalla luce del Sole.Poiché l’attuale generatore solare impiegato nel DTS è in grado di fornire massimo 4W contro i 10W richiesti, è evidente che esso non sarà in grado di fornire l’energia per la carica della batteria attraverso il BCR. Pertanto, al solo scopo dimostrativo, l’energia del generatore solare sarà utilizzata per fornire l’alimentazione ad un solo convertitore DC/DC (+15V) che, in questa applicazione, è impiegato per alimentare la ruota di inerzia del sottosistema ACS (controllo di assetto). In assenza di luce, la ruota sarà alimentata dalla batteria.

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Figura 3 – Lo schema del DTS, se fosse illuminato dal SoleIl convertitore DC/DC a +15 V è collegato direttamente al generatore solare e alla batteria attraverso un regolatore serie a bassa caduta (LDO). Questo opera in condizioni di quasi saturazione, in modo da seguire la tensione di batteria fin tanto che la tensione del generatore solare è inferiore a 10 V. Per valori superiori a 10 V il generatore solare comincia ad fornire energia fino ad escludere quella di batteria. L’implementazione del regolatore serie permette di visualizzare immediatamente lo squilibrio energetico tra batteria e generatore solare. L’energia fornita dal generatore solare dipende dal livello di carica della batteria e l’attuale generatore solare non è in grado di fornire l’energia né quando la tensione della batteria è al massimo né quando la batteria è scarica e quindi la sua ricarica richiederebbe la massima corrente. Pertanto, il punto di scambio energetico può richiedere lunghi tempi di attesa che non sono compatibili con la didatticaLa figura 4 mostra la configurazione del sottosistema Power modificato per la didattica.

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Figura 4 – Lo schema del DTS per l’uso didattico con illuminazione artificialeIl carica batteria, che non può più essere alimentato dal generatore solare, sarà alimentato dall’esterno attraverso un connettore accessibile sul pannello del DTS. La tensione di ingresso tipica è di 24 Vdc con corrente di 2,5 A, fornita da un alimentatore esterno collegato alla rete a 220 V e 50 Hz. Questo consente una carica rapida ed ottimale della batteria, fondamentale per avere un sistema sempre efficiente durante le esercitazioni in laboratorio. Un interruttore a due vie, tre posizioni, montato su uno dei pannelli esterni, mostrato nel pannellino a sinistra della figura, consente le seguenti configurazioni:1. messa in OFF (spento) con mancata alimentazione esterna al BCR e isolamento

della batteria rispetto ai circuiti del DTS: è la posizione centrale degli interruttori2. alimentazione esterna al BCR per la carica della batteria con isolamento dei

circuiti del DTS: è la posizione superiore degli interruttori3. alimentazione esterna al BCR per la carica della batteria con alimentazione dei

circuiti del DTS attraverso la batteria: è la posizione inferiore degli interruttori.

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4. Requisiti e criteri di scelta della batteria e dei pannelli solari

4.1 Le funzioni dei generatori elettrici del DTS

I generatori elettrici impiegati dal sottosistema Power sono:• la batteria ricaricabile • i pannelli solari.Durante le fasi di esercitazioni in laboratorio viene impiegata la batteria per fornire energia alle seguenti funzioni del DTS:• acquisizione e aggiornamento delle telemetrie• controllo dell’assetto del satellite• ricezione e distribuzione di comandi.Nel caso di un reale funzionamento in orbita, la batteria sarebbe impiegata nelle seguenti condizioni:• durante le eclissi (satellite completamente nell’ombra della Terra)• quando il satellite fosse in penombra (parziale ombra della Terra)• quando fosse richiesta più potenza di quella fornita da pannelli solari (che è il caso

anche durante le esercitazioni di laboratorio) • in caso di guasto di alcune celle solari• per immagazzinare l’eccesso di energia fornita dai pannelli solari.La batteria deve inoltre avere un ampio limite di temperatura operativa, peso e dimensioni più bassi possibili.I pannelli solari, invece, vengono utilizzati nel DTS solo a scopo educativo per spiegare l'effetto fotovoltaico e per alimentare la ruota di inerzia.Nel caso di reale funzionamento in orbita, quando il satellite si trovasse nella piena luce del Sole, i pannelli solari dovrebbero provvedere alla generazione di potenza durante la fase di illuminamento del satellite, caricando la batteria ed alimentando i vari sottosistemi di bordo.Nei paragrafi che seguono descriveremo i criteri di progetto e la configurazione di questi due componenti del sottosistema di alimentazione.

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I criteri di scelta del tipo di batteria

Come abbiamo già detto nel precedente paragrafo, le batterie impiegate su un satellite in orbita immagazzinano energia durante la fase di illuminazione solare per poi consentire il funzionamento anche durante la fase di eclisse.Perciò una scelta oculata del tipo di batteria da impiegare è molto importante. Attualmente esistono tre tipi predominanti di batterie ricaricabili: • NiCd (batterie al Nikel – Cadmio) • NiMH (batterie al Nikel – Metallo Idruro) • Li-Ion (batterie a ioni di Litio)Sebbene le batterie NiCd siano state generalmente impiegate per applicazioni spaziali per la loro robustezza e alto numero di cicli di carica/scarica, la loro densità di energia, cioè l’energia fornibile per unità di massa, è relativamente modesta. Per l’impiego su di un piccolo satellite, le batterie NiCd sarebbero troppo pesanti e voluminose.Le batterie NiMH, oggi ampiamente usate in ambito commerciale al posto delle batterie al NiCd, hanno una migliore densità di energia ma sono ancora troppo pesanti. Si è pertanto deciso di impiegare nel DTS le batterie Li-Ion poiché sono, allo stato attuale della tecnologia, le più leggere a parità di energia fornita. Una variante della tecnologia Li-Ion è quella chiamata Li-Ion Polymer, in italiano litio-polimero, che ha caratteristiche simili alle Li-Ion, ma offre una densità energetica maggiore di oltre il 20% rispetto ad una Li-Ion classica, al prezzo di un ciclo di vita leggermente più breve. Una batteria Li-Ion Polymer è costituita da materiali compositi litio-polimero conduttori, ottenuti inglobando soluzioni di sali di litio in opportune matrici di sostanze polimeriche; ha il grande vantaggio di permettere la realizzazione di batterie di qualsiasi forma e dimensione, e anche più sicure, in quanto l'elettrolita allo stato solido in caso di rottura accidentale delle batterie non può fuoriuscire.Le tabelle 4 e 5 che seguono permettono di paragonare i parametri fondamentali delle quattro tecnologie di cui abbiamo parlato.Come si può vedere, le batterie Li-Ion, e in particolare le Li-Ion Polymer, hanno specifiche e prestazioni migliori.

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PARAMETRO NiCd NiMH Li-Ion Polymer Li-Ion

Densità d’Energia vs. massa [Wh/Kg] 30-40 50-60 110-150 90-120

Densità d’Energia vs. volume [Wh/dm3] 120-150 180-220 280-320 260-300

Tensione di cella [V] 1.2 1.25 3.6 3.6

Ciclo-vita (80% della capacità iniziale) 500 500 500 500

Auto-scarica (% mese) 15 20 6 6

Effetto Memoria Si Incerta No No

Tolleranza alla sovracarica Modesta Ridotta Ridotta Molto ridotta

Facilità di ricarica Sì Sì Modesta Modesta

Curva di scarica Pendenza fino a 60-80%

(<3C)

Pendenza fino a 60-80%

(<2C)

Relativamente piatta 20-80%

(<1C)

Relativamente piatta 20-80%

(<2C)

Resistenza interna @ 25°C (mΩ) 100-200 150-250 300-400 150-250

Temperatura operativa [°C] da -10 a +50 da -10 a +50 da -20 a +60 da -20 a +60

Tempo di carica rapida [Ore] da ½ a 1 da 2 a 3 da 3 a 6 da 3 a 6

Tabella 4 – Caratteristiche di batterie ricaricabili

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TIPO BATTERIA VANTAGGI SVANTAGGI

NiCd • Tecnologia sicura e vastamente impiegata per missioni spaziali.

• Fornisce alti valori di corrente con una rapida capacità di ricarica.

• Alta tolleranza alla sovraccarica e capacità di sostenere sopra 1000 cicli di ricarica

• Costo relativamente basso

• Soggetto all’effetto Memoria• Tensione bassa• Densità di energia non

particolarmente elevata

Li-Ion • Alta densità d’energia.• Leggera• Nessun effetto Memoria• Capacità di operare in un ampio

intervallo di temperatura• Modesto riscaldamento durante

la ricarica • Cicli di ricarica 500-1000

• Tecnologia delicata• Suscettibilità alla sovratensione e

danno per scariche profonde• Costo elevato• Richiesta di maggiore

documentazione per la sicurezza

NiMH • Capacità di carica 30-40% maggiore rispetto a NiCd per i primi cicli di ricarica

• Nessun effetto Memoria

• Cicli di vita ridotti e limitazione di carico.

• Maggiore riscaldamento generato durante la fase di ricarica rispetto a NiCd

• Richiesta di carica più complessa per prevenire danni da surriscaldamento o sovracarica

• Tempi di ricarica maggiori rispetto a NiCd

Tabella 5 – Paragone delle prestazioni delle batterie ricaricabili

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4.2 Le caratteristiche della batteria del DTS

Nel DTS è viene utilizzata una batteria ricaricabile a Ioni di Litio, con le caratteristiche specificate nelle tabella 6 e 7 che seguono:

Caratteristica Descrizione Note

Tipo Li-Ion Batteria a ioni di Litio

Numero di celle 12

Configurazione Serie-parallelo (4S-3P) 4 pacchi di batterie connesse in serie. Ogni pacco è costituito da 3 batterie collegate in parallelo (vedi anche figure 4 e 5)

Dimensioni [mm] 135 x 80 x 45 Incluso contenitore di protezione

Peso [gr] 820 Incluso contenitore di protezione

Capacità [Ah] 5,8

Protezioni elettriche

Fusibile 7 A

Circuito Elettronico 5 A

Fusibile ripristinabile Polyswitch Su ciascuna cella. Si tratta di fusibili ripristinabili, di tipo chimico, basati su un particolare polimero, che agiscono come degli interruttori automatici

Protezione contro l’inversione di polarità

Diodo di bypass

Tabella 6: Caratteristiche generali della batteria

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Parametro Unità Valori

Minimo Nominale Massimo

Tensione V 11,2 14,4 16,8

Tensione di cut-off V 10,0 11,2 12,0

Temperatura di carica °C 0 20 40

Temperatura di scarica °C -10 20 50

Temperatura di immagazzinamento (max. 12 mesi)

°C -20 20 30

Corrente di scarica mA - 0,4 3

Capacità Ah 5,8

Tabella 5 : Caratteristiche elettriche della batteria

La batteria ricaricabile ioni di litio-polimero. che deve fornire, lo ricordiamo ancora, energia al DTS durante le esercitazioni di laboratorio, è costituita da quattro gruppi di celle collegate in serie (4S-3P) per ottenere una tensione a fine carica di 16,8 V con una capacità di 5,8 Ah. Ciascun gruppo consiste di tre celle collegate in parallelo. La figura 5 mostra lo schema di collegamento elettrico del pacco batterie Li-Ion.La figura 6 mostra la fotografia del pacco batterie impiegato per il DTS.

Figura 5: Schema elettrico del pacco batteria

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Figura 6 –fotografia del pacco batteria del DTS

La batteria è intenzionalmente sovradimensionata (rispetto ai requisiti minimi richiesti) allo scopo di fornire maggiore autonomia durante le esercitazioni. Questa batteria funziona come unica fonte di generazione di potenza a bordo ed è caricata dalla rete elettrica esterna mediante il BCR (Battery Charge Regulator)Per un funzionamento nominale del DTS, considerando 1 ora di esercitazione, la profondità di scarica è prevista entro il 10% con una variazione entro 1 V della tensione nominale che varia quindi da 16 V a 15 V. Può comunque accadere di ottenere profondità di scarica anche oltre il 70%; questo non compromette il funzionamento del DTS ma, purtroppo, riduce il tempo di vita della batteria, che si misura nel numero massimo di cicli di carica e scarica che la batteria può tollerare prima di degradarsi.Allo scopo di incrementare la vita della batteria, il pacco è fornito con un circuito di protezione da sovracorrenti, inversione di polarizzazione e scariche profonde. Questo circuito è basato su un microchip commerciale progettato allo scopo di misurare la tensione istantanea di ciascun gruppo di celle e fornire, di conseguenza, la ridistribuzione della corrente di carica e scarica (attraverso regolatori shunt) tra i quattro gruppi di celle nell’obiettivo di minimizzare la possibile differenza di tensione tra i gruppi. E’ previsto anche un relè termico per prevenire surriscaldamenti in condizioni particolari di utilizzo.Un’ulteriore misura per la sicurezza della batteria è il controllo del valore di sottotensione che provvederà a disconnettere temporaneamente i carichi. Comunque, prima di raggiungere la disconnessione della batteria, un circuito rivela e segnala al

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processore di bordo, cioè al sottosistema OBDH, che la tensione della batteria è scesa a un valore troppo basso. Il successivo riavvio potrà avvenire solo manualmente, mediante interruttore esterno, e solo dopo aver ricaricato la batteria.

4.3 Le prestazioni della batteria del DTS

Il bilancio energetico della batteria, e quindi l’autonomia del DTS, è stato calcolato prendendo in considerazione il caso peggiore, ossia quando tutte le utenze sono in funzione (COMMS, ACS e OBDH accesi). Il tempo di funzionamento previsto è pari ad un'ora, cioè 3600 minuti secondi, di esercitazione in laboratorio.

Numero Utilizzatore Potenza [W] Tempo [s] Energia [J]

1 OBDH 0,1 3600 360

2 COMMS 0,1 3600 360

3 ACS (a regime) 0,6 3600 2160

4 POWER 0,2 3600 720

TOTALE - - 3600

Tabella 8 – Bilancio energetico della batteria del DTSL’energia è calcolata con la seguente formula:

[ ] [ ] [ ]s W J tPE ⋅=

Se si considera un’efficienza totale per il convertitore di η=75%, la minima potenza disponibile sarà:

[J] 480075.0

3600 ===ηEEtotale

La batteria pienamente carica può fornire una energia di:( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ] [ ] [ ] [ ]J 70992s 3600

2Ah 8.5V 108.16s 3600

2Ah V minmax =⋅

⋅−=⋅

⋅−= CVVEBAT

dove Vmax e Vmin sono i limiti di variazione della tensione di batteria Li-Ion e C è la capacità della batteria.Ne consegue un numero di celle di batterie pari a:

( ) 10676.0709924800 < <⋅=

=

= cellacellaEEcellanBAT

totale

Da questo risultato si osserva come una cella di batteria sia in grado di fornire sufficiente energia per una intera esercitazione senza dover essere ricaricata.Se ogni carico fosse disattivato, eccetto i sottosistemi OBDH e COMMS, l’energia consumata, includendo le perdite nel sottosistema Power, sarebbe:

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[ ]J 1440=+= COMMSOBDHUSER EEE

In caso di disattivazione del controllo di assetto, la batteria è in grado di assicurare l’energia al ai due sottosistemi per un tempo totale pari a:

[ ][ ] [ ] [ ] ore 82 min 4930min 100J 4401J 09927100 →=⋅=⋅=

USER

BATTscarica

EEt

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Le caratteristiche dei pannelli solari

I pannelli solari sono costituiti da celle solari (semiconduttori che convertono la luce solare direttamente in elettricità). Queste sono connesse in serie/parallelo per ottenere la tensione e la corrente di uscita richieste dal DTS. Gli elementi che compongono i pannelli solari sono identificati con le denominazioni seguenti:• cella: la singola cella solare, così come la fornisce direttamente il produttore• stringa: più celle collegate elettricamente in serie• pannello: più stringhe collegate elettricamente in paralleloIl DTS ha 3 pannelli su altrettante pareti del cubo che ne costituisce la struttura. Le celle solari di un satellite in orbita terrestre, quando sono illuminate, vengono normalmente utilizzate per alimentare le utenze del satellite e per ricaricare la batteria. Nel caso del DTS, che viene fatto funzionare in un laboratorio scolastico con luce artificiale, la potenza erogata dai pannelli solari non è sufficiente ad alimentare il dimostratore. Vediamo come sono fatti i pannelli solari del DTS e poi, alla fine del paragrafo, torneremo sul problema delle limitazioni dovute all’uso della luce artificiale

Figura 7 - Schema complessivo di collegamento dei 3 pannelli solari

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Figura 8 – fotografia di un pannello solare usato sul DTS

Come si vede dallo schema elettrico della figura 7, e come si può quindi osservare nella fotografia della figura 8, ogni pannello solare è costituito da celle di silicio policristallino, collegate in serie e parallelo a formare due stringhe da 18 celle cadauna. Le stringhe sono state realizzate direttamente dal produttore e quindi sempre dal costruttore protette mediante laminazione fra un foglio di etilene vinil-acetato sulla faccia posteriore, e vetro temperato sulla parte anteriore che deve essere esposta alla luce .L’utilizzo di questo tipo di celle e di laminazione, pur non essendo completamente rappresentativo dei pannelli solari normalmente utilizzati nello spazio, è essenziale ai fini del progetto didattico.

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Infatti, i pannelli verranno maneggiati da studenti, e quindi una copertura in vetro temperato garantisce una maggiore robustezza e una miglior resistenza all’usura. Per le stesse ragioni, l’uso di celle solari di silicio policristallino, che non sono le più efficienti oggi disponibili sul mercato, non soltanto garantisce una minor degradazione delle prestazioni nel tempo ma, in caso di rottura dovuta a urti accidentali, garantisce una facile reperibilità di pezzi di ricambio.Per garantire dei livelli di affidabilità compatibili con quelli richiesti dal progetto, la casa costruttrice ha eseguito i seguenti test sui pannelli:• cicli termici fra -40°C e +85°C;• simulazione di impatto da parte di un oggetto di 25 mm di diametro con velocità di

23 m/s;• esposizione per più di 1000 ore a 85°C;• test di “hot-spot”.

Le caratteristiche tecniche di ogni pannello sono riassunte nella tabella 9 che segue:

Parametro Unità Valore

Potenza massima W 4,5Tensione a Pmax (Vmp) V 16,8Corrente a Pmax (Imp) A 0,27

Potenza minima garantita W 4Corrente di corto circuito Isc A 0,29

Tensione a circuito aperto Voc V 20,6Coefficiente di Temperatura per Voc mV/°C -80 ± 10Coefficiente di Temperatura per Ioc %/°C 0,065 ± 0,015

Coefficiente di Temperatura per P %/°C -0,5 ± 0,05Temperatura di funzionamento nominale delle celle °C 47 ± 2

Peso Kg 0,77Altezza mm 240

Larghezza mm 265Spessore mm 3

Tabella 9 – Caratteristiche tecniche del pannello solare

I diagrammi che seguono mostrano la variazione delle caratteristiche tensione-corrente del pannello solare nelle diverse condizioni di temperatura e illuminazione, e precisamente:• la figura 9 al variare della temperatura

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• la figura 10 al variare della potenza luminosa incidente• la figura 11 mostra la risposta spettrale di una cella di silicio policristallino.

Figura 9 – Diagramma I-V al variare della temperatura

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Figura 10 – Risposta del pannello solare al variare della luce incidente

Figura 11 – Risposta spettrale di una cella solare di silicio policristallino

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Nel laboratorio scolastico verrà utilizzata una fonte luminosa da 650 W con una lampada alogena prodotta dalla OSRAM, la quale produce un flusso luminoso ad una temperatura di colore di 3400 °K, mentre la temperatura di colore del Sole è pari a 6500 °K. A questo proposito si deve osservare che non solo la potenza luminosa erogata dalla lampada sulla superficie dei pannelli solari è inferiore a quella che verrebbe erogata dal Sole, ma anche lo spettro della luce è diverso; la temperatura di colore della lampada, molto inferiore a quella del Sole (che è di circa 6500 °K) fa sì che la luce della lampada sia molto più ricca di infrarosso della luce solare. Poiché le celle solari sono molto più sensibili alle radiazioni visibili che a quelle infrarosse, il loro rendimento quando sono illuminate da una lampada a incandescenza è notevolmente più basso a quello che avrebbero con la luce del Sole.Si dovrebbe anche tenere conto che la lampada è alimentata alla tensione alternata di 220 V , 50 Hz; e questo tipo di alimentazione produce comunque una ondulazione dell’intensità luminosa alla frequenza di 50 Hz e quindi una corrispondente ondulazione nella corrente di uscita delle celle solari. Tuttavia l’inerzia termica del filamento agisce da filtro, riducendo l’ondulazione ad un valore residuo pari a circa lo 0,1 %; il circuito di controllo del convertitore DC/DC a 15 V provvede ad attenuarla ulteriormente.

5. Il sistema di distribuzione della potenzaAllo scopo di allungare la vita delle batterie e valorizzare le funzioni del “satellite”, la distribuzione elettronica è progettata per prevenire guasti critici all’utilizzo didattico se sorgesse qualche problema, come ad esempio corto-circuiti che potrebbero danneggiare definitivamente tutto il sottosistema di distribuzione e generazione.Con riferimento alla configurazione didattica della Figura 4, l’alta efficienza dei regolatori di tensione aggiusta le tensioni al sistema per le diverse necessità del “satellite”.Un interruttore elettromeccanico, già descritto nel paragrafo 7, è interposto tra la batteria e il ritorno (GND). Questo interruttore è predisposto nello stato di circuito aperto durante la fase di stivaggio e si chiuderà quando verrà acceso il DTS. Il suo scopo è quello di mantenere il dimostratore tecnologico nello stato non energizzato durante i lunghi periodi di non funzionamento per evitare che la batteria si scarichi oltre il livello minimo consentito.

6. Il sistema di carica della batteria mediante rete esternaIl caricabatteria (BCR) è alimentato da una sorgente esterna e assicura cicli di carica completi. Questo permette un aumento dell’autonomia della batteria e, allo stesso tempo, un aumento della vita utile (ossia un aumento dei cicli di carica e scarica). Il caricabatterie fa parte del sottosistema Power ed è completamente compatibile con il pacco batteria del DTS.L’alimentatore esterno è destinato ad essere usato solo in luoghi chiusi. Ha una interfaccia con la presa di corrente della rete domestica (220 V, 50 Hz) e fornisce un tensione continua di 24 V con una corrente di 2,5 A.

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7. Il sistema di gestione della potenza

7.1 Premessa

La funzione dei regolatori di potenza è quella di assicurare che un'adeguata potenza elettrica sia distribuita ai sottosistemi. La regolazione della potenza consiste di numerosi componenti, che possono essere, in linea di principio, raggruppati in due tipologie:• una combinazione di sensori di tensione e corrente per monitorare il sistema; i

relativi dati, elaborati da parte dell’OBDH, permettono di formulare una “strategia” della distribuzione della potenza

• circuiti di conversione che regolano la potenza erogata ciascun sottosistema. Il metodo di conversione può avvenire in modo lineare attraverso regolatori serie, oppure a commutazione (switching) attraverso convertitori DC/DC. Rientra nel sistema di regolazione della potenza anche la funzione del carica-batteria.

Il regolatori switching offrono tre principali vantaggi rispetto a quelli lineari. • Il rendimento è maggiore• poiché l’energia persa nel trasferimento ingresso/uscita è minore, sono richiesti

componenti più piccoli con ridotta dissipazione termica• l’energia immagazzinata dall’induttore nel regolatore switching può essere

trasformata per ottenere tensioni di uscita che possono essere più alte di quelle d’ingresso, possono essere negative o anche essere trasferite attraverso un trasformatore per realizzare un isolamento elettrico rispetto alla tensione d’ingresso (isolamento che non è presente nei normali regolatori switching).

Dati i vantaggi del regolatore switching, ci si potrebbe chiedere dove possono essere impiegati i regolatori lineari che forniscono un rumore più basso e una banda larga; la loro semplicità può qualche volta offrire una soluzione meno costosa.I regolatori switching hanno comunque degli svantaggi: possono essere elettricamente “rumorosi” e richiedono comunque dei circuiti di controllo per la gestione dell’energia. La soluzione dei problemi di controllo è oggi fornita dai circuiti integrati specializzati (switching-mode controller chips).

7.2 I convertitori DC/DC

La potenza fornita dai pannelli solari e dalla batteria è trasferita ai convertitori DC/DC che convertono la sorgente di corrente continua da una tensione continua non regolata del pannello solare e/o batteria a un'altra tensione continua, regolata, richiesta dalle unità.La conversione avviene con alta efficienza riducendo così gli effetti termici legati alla dissipazione di potenza e riducendo il peso e l’ingombro delle sorgenti di energia. La figura 12 mostra come in un convertitore DC/DC la potenza assorbita sia quasi costante al variare della tensione d’ingresso.

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CONVERTITORE DC/DC

N°2

CONVERTITORE DC/DC

N°1

CONVERTITORE DC/DC

N°1

CONVERTITORE DC/DC

N°2

V

I

I =V/R

Vf(R)

If(R)

Ideale Reale

P=VxI = Costante

P

P

Vin

Vout

Vout +5V +15V

Vin 11V÷19.98

V

Figura 12 – Potenza d’ingresso costante in funzione di Vin in un convertitore DC/DC

Come già descritto nel paragrafo 7, allo scopo di ottimizzare le interfacce, le tensioni principali richieste dai circuiti dei sottosistemi sono state limitate a due valori, +5Vdc e +15Vdc. La relativa potenza è fornita per queste due tensioni è centralizzata da due convertitori DC/DC con le caratteristiche mostrate in tabella 10I convertitori DC/DC sono alimentatori switching che tipicamente compiono la conversione applicando tensione continua DC su un induttore per un periodo di tempo (di solito in una gamma di frequenza da 100 kHz a 5 MHz) durante il quale scorre una corrente elettrica così da immagazzinare nell’induttore stesso energia magnetica; quando viene tolta la tensione l'energia immagazzinata, si trasferisce all’'uscita del convertitore con una tensione di uscita controllata. Agendo sul rapporto tra il tempo in cui scorre la corrente nell’induttore e quello in cui non scorre, detto in inglese “duty-cycle”, la tensione d'uscita rimane regolata anche se la corrente d'uscita cambia. Questo metodo di conversione è molto efficiente (compreso tra 80% e 95%) a differenza del metodo lineare che dissipa potenza. La figura 13 mostra il principio di funzionamento del convertitore DC/DC secondo la topologia chiamata “Buck”.

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iL

iO id

vO vL L

+ -

D Sw +

- C RLOAD

+

- vd

Filtro passa basso

( ) ( )

DVV

II

IVIV

DTt

VV

tTVtVV

o

d

d

o

oodd

s

on

d

o

onsoonod

1==

⋅=⋅

==

−⋅=⋅−

A

B

(vd-vo) VL

(-vo)

t

t

iL Ts

ton

IL=IO

toff

0

0

iL iO

vO vL L

+ - +

- C RLOAD

+

-

vd

iL iO

vO vL L

- + +

- C RLOAD

+

- vd

Figura 13 - Principio di funzionamento del convertitore DC/DC a tipologia Buck

Grazie all'elevata efficienza si aumenta la durata delle batterie dei dispositivi portatili. Uno svantaggio dei convertitori a commutazione è il rumore elettrico generato alle alte frequenze, che comunque può essere limitato con appositi filtri.I convertitori DC-DC isolati si basano sullo stesso principio di funzionamento ma mantengono ingresso e uscita isolati elettricamente fra di loro tramite un trasformatore di isolamento. L’isolamento permette di avere differenze di tensione tra ingresso e uscita anche notevoli, dell'ordine delle centinaia o migliaia di volt. Le varie tipologie dei convertitori DC-DC possono generare varie combinazioni di tensioni, a cui vengono attribuite diverse denominazioni, quali ad esempio: Buck o step-down. Citiamo le più diffuse tipologie di convertitori: • Boost o step-up• Buck-boost• Inverter• Forward o a trasferimento diretto di energia• Flyback o a trasferimento con accumulo di energia• Push-pull• Half bridge• Ćuk• SEPIC

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In generale, il termine "convertitore DC-DC" si riferisce a uno di questi convertitori a commutazione. I convertitori DC-DC a commutazione sono disponibili con una grande varietà di ingressi e uscite di tensioni fisse o variabili.Per una conversione di potenza con tensione ingresso/uscita isolata le configurazioni più diffuse sono quelle dette “Forward” o “Flyback” a seconda delle potenze richieste e dei valori di tensione in uscita. La configurazione “Flyback” è utilizzata nei due convertitori DC/DC del DTSI due convertitori DC/DC del DTS sono sempre accesi e sono in grado di tollerare un guasto permanente in uscita con un minimo di potenza assorbita, in modo da non compromettere la capacità del sottosistema Power.Un fusibile in serie alla batteria assicura l’isolamento contro un corto-circuito permanente sul bus principale. Le tensioni secondarie sono distribuite direttamente ai diversi circuiti attraverso linee non commutate. Ciascun convertitore è fornito di un limitatore di corrente contro sovraccarico o corto-circuito in uscita.

Parametri Convertitore

+5 V +15 V

Tensione di ingresso 9 V÷36 V 9 V÷36 V

Corrente assorbita a vuoto 40 mA 25 mA

Start-up 9 V÷8 V 9 V÷8 V

Surge voltage @100ms 50 V 50 V

Tensione di uscita +5 V +15 V

Corrente di uscita max 1,0 A 0,8 A

Accuratezza 1% 1%

Regolazione vs. Vin 0,5% 0,2%

Regolazione vs. I-out (10÷100%) 0,5% 0,5%

Ripple e rumore (picco-picco) 100 mV pk-pk 50 mV pk-pk

Rendimento 81% 86%

Tabella 10 - Caratteristiche elettriche dei convertitori DC/DC

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7.3 Il Caricabatteria

Il caricabatteria (BCR) è utilizzato per caricare controllare la tensione e corrente di carica della batteria del DTS, a partire dai 20 V in corrente continua forniti da una alimentatore esterno. La corrente di carica, non esistendo nel DTS la possibilità di utilizzare anche i pannelli solari, è fissata a 2 A.Come mostrato in figura 14 e tabella 11 associata, i cicli di carica sono:

• Caricamento rapido: è una carica a corrente costante. In questa fase la corrente assorbita è massima ed è fissata ad un valore di 2 A. L’accensione di un LED colore arancione visualizza questa fase.

• Carica finale: la corrente erogata è inferiore a quella massima e il suo modo di funzionamento è a regolazione temporale. La tensione è costante e la batteria è carica tra l’80% ed il 95%. Questa fase è visualizzata dal LED arancione spento.

• Carica completata: l’intervallo temporale con carica a tensione costante è ultimato. La batteria è completamente carica, non viene più erogata corrente di carica. Questa fase è visualizzata dall’accensione di un LED giallo.

Tabella 11 – I cicli di carica della batteria

Figura 14 - Ciclo di carica della batteria

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Il carica batteria impiegato è basato sul componente Maxim MAX745, progettato appositamente per il controllo della carica delle batterie di differenti tecnologie, tra cui quelle a Ioni di Litio (figura 15).La carica richiede inizialmente un profilo di controllo a corrente costante (CC) fino a raggiungere la massima tensione di cella a 4.1 Volt a cella e, successivamente, una fase di controllo a tensione costante (CV) durante la quale la corrente di carica diminuisce gradualmente. Il microcircuito MAX745 permette il controllo completo della corrente di carica e fornisce l’automatico passaggio da CC a CV. I differenti modi di funzionamento sono visualizzati da due diodi LED di colore giallo e arancione descritti in tabella 11. Inoltre, il carica batteria include una protezione di sottotensione in ingresso la cui soglia è definita da un partitore resistivo.

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Figura 12 – Circuito integrato del controllore del carica batterie

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8. Il sistema di monitoraggio (telemetria)Il sistema di monitoraggio include le interfacce per l’acquisizione delle temperature in diversi punti del satellite, dei valori di corrente e tensione sulle diverse linee di distribuzione della potenza elettrica, e delle configurazioni di stato.I segnali così generati forniscono le informazioni telemetriche che devono essere acquisite dal sottosistema OBDH per poter poi essere trasmesse a terra. Alcuni segnali sono utilizzati anche a bordo come segnali di sicurezza. Per le informazioni complete sulle telemetrie del sottosistema Power si rimanda al documento dedicato “Le telemetrie del DTS”. In questo capitolo non si parla in dettaglio neanche dei sensori di corrente e di tensione, per i quali si rimanda al documento sulle telemetrie già citato.

8.1 I sensori di temperatura

I sensori di temperatura sono costituiti da circuiti integrati tipo LM135 (vedi figura 16). L’uscita del dispositivo può essere espressa come:

ToTVthVth ToT ⋅=

dove T è il valore sconosciuto della temperatura e To è la temperatura di riferimento, entrambi espressi in gradi Kelvin. Nominalmente l’uscita è calibrata a 10 mV/°KCiascun dispositivo è connesso ad un amplificatore operazionale come mostrato in figura.

R3

R4

R5

Vth + -

Vout Vref

LM135 R2 +5V

Figura 13 – Circuito di interfaccia del sensore di temperatura

Il valore Vth dipende da Vref come mostrato nell’equazione (1).Il valore Vth ottenuto dalla equazione (2) consente di determinare il valore della temperatura T in accordo alla equazione (3).

++

⋅−=

343·

34

RRRVth

RRVrefVout (1)

+

⋅+

=

343

34

RRR

RRVrefVout

Vth (2)

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( ) CVVthT °+−= 2501.0

98.2 (3)

La figura 17 mostra la caratteristica del trasduttore di temperatura nell’intervallo tra –30°C e +80°C. La tensione di riferimento Vref è ottenuta dall’aggiustamento della tensione su un preciso regolatore di tensione.

3.27

2.400 2.682 2.980 3.278 3.576 3.600 0.000

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

v(3) v(6)

TEMP_TLM NEW.CIR +80°C

-30°C

+25°C

TLM:TENSIONE di USCITA [V]

TEMPERATURA [°C] USCITA [V]

25°C -33°C -4.8°C 54.8°C 84.6°C

figura 17 - Caratteristica del trasduttore di temperatura

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figura 18 – sensore di temperatura

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tabella 12 - Caratteristiche elettriche del sensore di temperatura

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Sensori di corrente

Si veda il documento sulle telemetrie del DTS

8.2 Diagnostica dello stato della batteria

Oltre alle informazioni analogiche di corrente e tensione della batteria, il sistema di monitoraggio fornisce dei livelli logici rappresentativi dello stato della batteria. Queste informazioni costituiscono la telemetria di stato del sottosistema Power.Attraverso la combinazione di due stati logici è possibile determinare le condizioni operative definite in tabella 11, che oltre a essere acquisite dall’OBDH sono anche visualizzate da diodi LED come descritto sempre nella tabella 11.Gli stati logici sono rappresentativi dei seguenti segnali:• IBAT: Corrente di carica/scarica di batteria. In riferimento allo schema di figura

19, il comparatore U11D fornisce direttamente lo stato logico di carica/scarica comparando direttamente il segnale analogico con una tensione di riferimento di 2.5V (Iscarica=1; Icarica=0).

• VBAT: Tensione di batteria (>12V=1; <12V=0). In riferimento alla figura 19, il comparatore U11A fornisce direttamente lo stato logico della tensione di batteria comparando direttamente il segnale analogico con una tensione di riferimento di 2.5V.

• Modalità operativa del carica batteria (BCR). In riferimento alla figura 19 viene fornito il seguente stato (1=CC; 0=CV).

Il circuito di figura 18 modellizza la logica delle telemetrie di stato sviluppata con i circuiti analogici. Il circuito di figura 19 mostra il modello analogico di simulazione su computer, e la figura 20 i risultati della simulazione.

BCR 1 : CC 0 : CV

1 : SCARICA 0 : CARICA IBAT

VBAT 1: >12V 0: <12V

BIT 2

BIT 1

figura 18 - Logica delle telemetrie di stato del sottosistema power

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Condizioni operative del sottosistema Power

bit 1 bit 2

Batteria operativa @ >12V 0 0

Batteria scarica @ <12V 0 1

Batteria in carica (CC) 1 0

Batteria in carica (CV) 1 1

Tabella 6: Informazioni di stato del sottosistema Power

LED Definizione Acceso Spento Note

Blu Stato operativo del sottosistema di power

Distribuzione alimentazione OK

Distribuzione alimentazione NOT-OK

Rosso Stato Tensione di Batteria

LED lampeggiante= Tensione di batteria <12V

Tensione di batteria >12V

Giallo Stato della corrente di carica della Batteria

IBAT<corrente di carica rapida

IBAT=corrente di carica rapida

Quando acceso, indica che la corrente di carica rapida di batteria è scesa sotto la soglia di 1,6 A definita dal valore R70 = 8.2KΩ. Il segnale di uscita IBAT sul pin 1 di U14 è proporzionale alla corrente di carico, e il comparatore U15 rivela quando la corrente di carico supera 1.182V. R70 è scelto per assicurare che la tensione in uscita dal segnale IBAT non superi il valore di 2V sotto la massima corrente di carico.

Arancione Stato operativo del Carica Batterie (BCR)

BCR operante in modalità di carica rapida con controllo in corrente (CC)

BCR operante in modalità di carica di mantenimento con controllo in tensione (CV)

Tabella 7 : Visualizzazione dello stato del sottosistema power via LED

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figura 19 - Modello di simulazione su PC della logica delle telemetrie

figura 20 – Temporizzazione della simulazione della logica delle telemetrie

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9. Aspetti tecnologici e realizzazioneIl generatore solare è montato all’esterno della struttura del DTS; gli altri componenti del sottosistema di power sono montati all’interno del DTS in una locazione ben determinata dalla struttura del sottosistema.Il sottosistema di power è realizzato su una scheda a circuito stampato di dimensioni 97 x 72 mm con componenti montati su ambo i lati. Come tecnologia di montaggio si è cercato di utilizzare quanto più possibile la trecnologia denominata SMD (Surface Mounted Devices, Dispositivi a Montaggio Superficiale).Il circuito stampato interfaccia con la struttura del “satellite” con i seguenti connettori:

Simbolo Tipo Utilizzo

J2 Connettore 30 piedini, cavo flessibile

Telemetrie

JP2 Connettore maschio a 8 piedini Ingresso Alimentazione

P1 Connettore maschio a 2 piedini Ingresso Alimentazione Locale

P2 Connettore femmina volante a 4 piedini

Uscita Alimentazione

Tabella 15 – I connettori del circuito stampato del sottosistema Power

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Piedino Assegnazione

1 PWR_TEMP_S/A

2 CURRENT_S/A_PWR

3 CURRENT_S/A_RF

4 CURRENT_S/A_OBDH

5 VOLTAGE_S/A

6 BATTERY_CURRENT

7 BATTERY_VOLTAGE

8 DC/DC_5V_CURRENT

9 DC/DC_15V_CURRENT

10

11

12

13

14

15

15

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27 PWR_STATUS-2

28 PWR_STATUS-1

29

30

Tabella 16 – Assegnazione dei piedini del connettore J2

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figura 21 – Il pannello solare usato sul DTS

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Figura 22 – Circuito stampato del sottosistema Power – lato superiore

Figura 23 – Circuito stampato del sottosistema Power – lato inferiore

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Documento:Il Sottosistema Power del Dimostratore Tecnologico Satellitare (DTS)

Testi:Rodolfo GamberaleLuciano Turrini

Illustrazioni:Rodolfo GamberaleLuciano Turrini

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IL SOTTOSISTEMA POWER - imteducational.it · 2. I requisiti di progetto del sottosistema Power del...

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