Sviluppo di un sistema di gestione dell’energia per satelliti modulari

Questo lavoro di tesi ha come obiettivo lo sviluppo di un sistema di gestione dell’energia per satelliti di tipo modulare, ed in particolare di tipo ARAMIS[1].
In generale, questo genere di satelliti sono soluzioni a basso costo e di piccole dimensioni sempre più in via di sviluppo, adattabili a svariati tipi di applicazioni e missioni.
Per ARAMIS si intende Architettura Altamente Modulare per Infrastrutture Satellitari, esso viene visto come un nuovo approccio per la realizzazione di nanosatelliti, ovvero sistemi miniaturizzati aventi forma cubica denominati CubeSat[2]. Esso è caratterizzato dall’ utilizzo di schede PCB (che forniscono le funzioni base di una struttura satellitare, ad esempio power management system, magnetometro) che costituiscono le facce fisiche laterali vere e proprie del cubo costituente il satellite. Nella parte esterna di queste schede sono opportunamente posizionati dei pannelli solari che rappresentano la fonte primaria di alimentazione dell’intero sistema. Tutto lo spazio interno invece è lasciato a disposizione per l’inserimetno dell’opportuno payload caratterizzante la missione.
L’ approccio utilizzato si basa su un’architettura fortemente modulare, derivandone diversi vantaggi sia in termini di costi sia di tempi (sviluppo e testing). Infatti i diversi moduli possono essere riutilizzati per diversi tipi di situazioni, evitando di dover realizzare appositi sottosistemi per ogni specifica missione.
Pertanto riassemblando i singoli blocchi, si riesce ad ottenere le specifiche necessarie per il profilo di missione desiderata.
Essendo che quest’ultima può avere diverse durate e dato un aumento della complessità dei nanosatelliti, l’utilizzo di un sistema di gestione dell’energia a bordo risulta di fondamentale importanza non solo perché una perdita delle sue funzionalità porterebbe al fallimento della missione stessa, ma anche perché la necessità di ridurre costi, masse e volumi richiede lo sviluppo di soluzioni ad elevata efficienza.
Per garantire il corretto funzionamento dell’intero sistema per tutto il periodo della missione, è utilizzata un ulteriore fonte di energia detta secondaria, in grado di fornire potenza al satellite nel caso in cui il sistema primario non sia in grado di funzionare, o di soddisfare a pieno il fabbisogno energetico richiesto dallo scenario operativo (ad esempio quando il satellite si trova in zone cosiddette d’ombra).
La sorgente secondaria utilizzata è costituita da un banco batterie a polimeri di litio (Li-Po) che in funzione della tensione presente sul PDB (power distribution bus) viene caricato e scaricato mediante circuiti appositamente progettat. E’ previsto inoltre un opportuno sistema di monitoraggio al fine di evitare il distruggimento delle celle e della circuiteria sopra indicata .
Nel seguente elaborato ci si occupa della descrizione delle fasi di progettazione e realizzazione di questi circuiti, che permettono la gestione di tutte le attività relative alle sorgenti secondarie a bordo del satellite. In particolare il CAPITOLO 1 è dedicato alla descrizione del funzionamento generale del sistema ARAMIS. Nel dettaglio vengono
Sommario
II
illustrati i due moduli principali, denominati Tile. Il primo è il Power Management and ACS Tile (PMT)[3] il cui compito è quello di accumulare, gestire e distribuire potenza a tutto il satellite. Il secondo è il On-Board Computer and Telecommunication Tile (TT) utilizzato per la gestione dell’unita informativa e delle telecomunicazioni. Viene inoltre indicato l’ambiente in cui il satellite è sottoposto a lavorare, fondamentale per definire le specifiche operative e le eventuali problematiche da tenere in conto durante la fase progettuale.
Nel CAPITOLO 2 sono introdotti i principali tools utilizzati e le motivazioni che hanno spinto all’utilizzo di quest’ultimi, andandone a descrivere le funzioni basi. Elementi chiave sono:
-)la gestione del progetto mediante la libreria AraMis_Mentor_Lib, che attraverso il software di sviluppo Mentor Graphics 7.9.4 permette la realizzazione di blocchi circuitali che possono essere utilizzati facilmente da tutti i diversi utenti
-)la descrizione dell’intero progetto in linguaggio UML mediante l’utilizzo del software Visual Paradigm 11.2. Questo tipo di linguaggio permette con l’utilizzo di elementi di tipo grafico (blocchi, diagrammi) e testuali di definire le specifiche elettriche, meccaniche, e funzionali del sistema, garantendo un elevato grado di cooperatività tra i vari sviluppatori.
-) Il software di simulazione LTspice IV, considerato un ottimo simulatore per regolatori switching, con cui sono state eseguite la gran parte delle simulazioni presenti nel seguente elaborato.
Nel CAPITOLO 3 si descrivono brevemente le caratteristiche:
-) del sistema 1B1_Power_Management_Subsystem che gestisce la potenza proveniente dal modulo PMT.
-) del sistema 1B126_Power_Distribution_Bus che descrive la distribuzione della potenza attraverso il PDB, assorbita e generata dei vari dispositivi.
E si definisce in modo chiaro quali sono le necessità e le specifiche di progetto delle varie parti costituenti il sistema di gestione dell’energia da realizzare. Quest’ultime saranno descritte nel dettaglio nei capitoli successivi, andandone a definire i processi decisionali che hanno portato alle scelte attuate, e le relative simulazioni di validazione delle stesse.
Nel CAPITOLO 4 si descrive nel dettaglio la fonte di energia secondaria selezionata, ovvero le batterie, definendone: le caratteristiche elettriche e meccaniche principali, e i vincoli e le problematiche derivanti dal loro utilizzo. Come ad esempio, il metodo di carica da utilizzare e i fenomeni di sbilanciamento che si presentano durante questa fase.
Si illustrano inoltre le linee guida per un migliore e efficiente utilizzo delle batterie implementate con i circuiti realizzati in seguito.
Nel CAPITOLO 5 si descriver il blocco Bk1B118_Battery_Discharger_V2, che permette la scarica delle celle utilizzate, nel momento che l’energia prodotta dai pannelli solari non è sufficiente ad alimentare l’intero sistema.
In particolare si descrivono le problematiche incontrate sia da un punto di vista teorico che pratico e le innovative soluzioni adottate, con i relativi schematici sia del blocco generale sia dei suoi sottoblocchi e le simulazioni ad essi annesse.
Nel CAPITOLO 6 si esamina invece il Bk1B113_Battery_Charger_V3. Quest’ultimo svolge una funzione complementare alla precedente. Esso infatti permette la carica della fonte secondaria di energia qualora i pannelli solari, grazie ad una posizione favorevole del satellite, rieascono a produrre un quantitativo di energia superiore alla richiesta necessaria per mantenere in funzione il sistema globale. Si descrivono nel dettaglio, i relativi
Sommario
III
schematici del circuito complessivo e dei blocchi che lo costituiscono, validandone il funzionamento con mirate simulazioni.
Nel CAPITOLO 7 è descritto l’ultimo macroblocco progettato chiamato Bk1B114_Battery_Monitor. L’utilizzo di questo sottosistema, permette di monitorare constantemente la corrente di carica e scarica del banco batterie (in questo caso due celle poste in serie),la tensione ai loro capi, e la temperatura dell’intero sistema. Inoltre è presente anche un dispositivo di bilanciamento delle due celle, fondamentale per evitare un eccessiva carica di una delle due, che ne comporterebbe la sua distruzione.
La descrizione dettagliata dei blocchi principali, porta alla realizzazione del sistema generale di gestione dell’energia che viene mostrato nel CAPITOLO 8. Esso è chiamato Bk1B114_Battery_System_V2 ed è costituito, oltre che dalle parti mostrate nei precedenti capitoli, da interfacce che permettono di interagire con l’intero satellite, dalle batterie vere e proprie e da un uP MSP430F5437 che attraverso opportuno software ne permette il suo corretto funzionamento.
Nel CAPITOLO 9 viene mostrato il PCB dell’intero sistema realizzato, la board in formato 3D, e la sua collocazione all’interno della struttura satellitare con conseguente analisi meccanica ed infine nel CAPITOLO 10 vengono riportati gli aspetti peculiari, le conclusioni e i possibili sviluppi futuri.