Sviluppo di un sistema di gestione delle batterie per satelliti modulari AraMiS

Questo elaborato descrive in maniera approfondita, riportando numerose simulazioni
SPICE, il sistema di gestione delle batterie e della potenza di AraMiS; un
sistema ottenuto a partire da alcune idee gia presenti nel progetto, ma spesso revisionate
e migliorate per garantire il funzionamento desiderato.
AraMiS, acronimo di ARchitettura Altamente Modulare per Infrastrutture Satelli-
tari, e un progetto sviluppato dal Politecnico di Torino a partire dall’anno 2010,
atto a creare uno standard modulare per nano-satelliti, con massa compresa tra
1 kg e 10 kg.
L’architettura AraMiS, descritta brevemente nel Capitolo 1, al ne di ottenere
un alto grado di modularita, prevede l’utilizzo di due moduli fondamentali detti
Tile: un Power Management (PMT) and ACS Tile con il compito di generare,
immagazzinare e fornire potenza a tutto il satellite ed un On-Board Computer and
Telecommunication Tile (TT) in cui e denita l’unita di calcolo e di telecomunicazione.
Il progetto AraMiS inoltre utilizza in maniera intensiva diverse tipologie di sistemi
software; tra questi il software UML-compatibile Visual Paradigm 10.2 svolge
un ruolo cruciale. Il linguaggio Unied Modeling Language UML permette di modellizzare,
attraverso la combinazione di elementi di tipo visuale, come graci e
diagrammi ed elementi di programmazione ad oggetti, l’intero sistema AraMiS ed
anche le singole parti di cui esso e composto; di conseguenza tutte le speciche funzionali
e la documentazione HW/SW sono descritte attraverso Visual Paradigm.
Dal punto di vista della progettazione elettronica, per i risultati presentati in questo
elaborato, si utilizza la suite Mentor Graphics 2005 per disegnare gli schemi
elettrici ed il layout del PCB, mentre con OrCAD Cadence 16.3 si eettuano le
simulazioni di tipo SPICE.
Inne di grande supporto e l’ambiente di calcolo MATLAB, utilizzato nella versione
R2012b.
Le principali tematiche riguardanti i software appena citati sono quindi descritte
nel Capitolo 2.
1B1 Power Management Subsystem e il sistema che gestisce la potenza proveniente
dal modulo PMT. I principali attori dal punto di vista energetico in questo sistema
sono i pannelli solari posti sul PMT, le batterie ed il carico. La potenza generata
ed assorbita da questi dispositivi e distribuita attraverso il Power Distribution Bus
PDB, descritto dal sistema 1B126 Power Distribution Bus di Visual Paradigm.
I
Il Capitolo 3 tratta in maniera approfondita i sistemi 1B1 e 1B126.
In AraMiS la fonte di alimentazione primaria e l’energia convertita dai pannelli
solari. Questa energia pero non e sempre disponibile, infatti il satellite puo trovarsi
completamente od in parte in zone d’ombra; per questo motivo sono presenti
le batterie. In particolare ogni singola batteria e formata da due celle agli ioni di
Litio ciascuna con tensione nominale di 3:7V e connesse in serie.
Nel Capitolo 4 sono descritti brevemente i metodi di carica ed i problemi di sbilanciamento
di batterie composte da piu celle agli ioni di Litio connesse in serie.
1B1142 Battery Equalizer e il dispositivo progettato, a partire da uno schema gia
presente nel progetto, che provvede a bilanciare, se necessario, la batteria. Il suo
funzionamento e semplice, attraverso un sensore di tensione dierenziale, opportunamente
progettato, l’1B1142 segnala al processore un eventuale sbilanciamento
e, se abilitato, provvede a scaricare la cella in cui e presente l’eccesso di carica. Nel
Capitolo 5 e presentata una descrizione dettagliata di questo dispositivo con la
spiegazione delle scelte circuitali e numerose simulazioni SPICE.
1B115A Shunt Overvoltage Protection e il dispositivo progettato nell’ambito della
gestione della potenza di AraMiS per trasformare in calore, attraverso resistori di
shunt”, l’energia in eccesso prodotta dai pannelli solari. E un circuito retroazionato
che assorbe una corrente proporzionale alla tensione del bus ed e abilitato
solo per determinati valori del PDB. Anche per questo dispositivo nel progetto e
gia presente uno schema antecedente che in questo elaborato e migliorato e reso
piu funzionale. Tutte le modiche, la descrizione e le numerose simulazioni SPICE
sono riportate nel Capitolo 6.
Bk1B11XAM Partial Power Management e il sistema completo che raggruppa i
dispositivi per la gestione della batteria e della potenza, ad esclusione del carica
batteria. Oltre ai due citati precedentemente, sono anche presenti alcuni semplici
sensori di tensione e temperatura ed un convertitore DC-DC BOOST 1B118 progettato
in tesi precedenti. Nel Capitolo 7, che analizza questo sistema, e riportata
una breve descrizione per tutti questi circuiti; mentre nel Capitolo 8 e presentato
il PCB ottenuto.
Inne il modello SPICE del sistema completo Bk1B11XAM ed alcuni modelli
sviluppati appositamente sono riportati nell’Appendice A. Nell’Appendice B
sono presenti gli script MATLAB prodotti per ottenere alcuni risultati di questo
elaborato. Mentre nell’Appendice C sono riportate alcuni nozioni sulla teoria
della misura e della propagazione degli errori.