LUSEX BATERIAS E INTEGRACION

Amsat Argentina
LUSEX
LU Satellite EXperiment
LUSEX – Satélite cubesat de Amsat Argentina – Componentes, Baterías, Integración y Validación Espacial
temperatura y ópticos en las diferentes áreas
del satélite, hacia las antenas integradas
estructuralmente a los paneles, etc.
Lusex - Componentes, baterías,
integración y validación espacial
Adrián Sinclair - Amsat Argentina
[email protected]
La electrónica del Lusex estará integrada en dos
placas o paneles de impreso de doble faz una
placa para el conjunto de RF, carga y control de
los magnetorquers y la segunda placa tendrá
todo el conjunto del DSP y los elementos
digitales. Estos dos conjuntos requieren una
importante cantidad de interconexión entre ellos
y con los elementos externos.
Las placas deberán además de proveer las
conexiones y el soporte de los componentes, un
efectivo blindaje entre módulos, ya que están
presentes varios tipos de señales de diferentes
intensidades, con distintas características, RF
de baja señal y de potencia, audio y señales
digitales conviven en un pequeño espacio, mas
aun con dos placas que están cercanas entre si.
Los Magnetorquers que inducen señales
electromagnéticas presentan un desafío al
funcionamiento del conjunto, es de fundamental
importancia
que
los
elementos
estén
sólidamente unidos, pero eléctricamente
aislados.
Estas 3 bobinas se llevan buena parte del peso
total del satélite, y a su vez también representan
un gran consumo de corriente eléctrica.
Los circuitos impresos que se desarrollan se
integrarán con su conexionado en forma directa,
si bien para las pruebas previas se utilizarán
conectores entre las placas que compongan el
lusex en el modelo de vuelo no habrá más que
los conectores esenciales.
Todo el conexionado es intención de realizarlo
sin conectores, para asegurar su funcionamiento
y resistencia a los eventos propios del
lanzamiento. No es una solución simple, pero
hay que tratar que el impacto en la superficie de
las placas de circuito impreso se reduzca al
mínimo y eso se logra usando conexiones
directas que permiten mayor flexibilidad en el
diseño y así se optimizan también las perdidas
de señales y el crostalk entre conductores
debido al paralelismo de los mismos y las
pérdidas inherentes al sistema.
En el espacio no hay aire, entonces la
disipación del calor generado por los diferentes
elementos no se realiza de forma semejante a lo
que se ve en la tierra, ya que solo podemos
contar con radiación y conducción, y esto
presenta un desafío en los circuitos de potencia,
en los módulos del transmisor y en los
dispositivos de conducción de corrientes
intensas, como cargadores de baterías y
reguladores.
Para ello se deberán proveer en los circuitos
impresos
trazas
de
mayor
superficie,
aprovechando el volumen de material para
conducir el calor generado por el componente
fuera del mismo.
La interacción de RF entre componentes
digitales y las áreas de transmisión, recepción y
antenas requieren también un detallado análisis
y pruebas.
Estas pruebas no solo se reducen a la
interacción entre el transmisor y el receptor. Los
Adicionalmente habrá conexiones externas a los
impresos hacia la estructura, en particular hacia
las celdas solares, las baterías, los sensores de
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ruidos generados por el circuito DSP y el
posible retorno de señales de RF en este último,
requieren de técnicas de desacople en cada
entrada y salida de las conexiones.
carga, como en la selección final de los
elementos que integrarán al satélite en vuelo.
Las baterías serán inspeccionadas en sus
parámetros físicos, sometidas a pruebas de
funcionamiento y análisis de capacidad de carga
a fin de verificar que su performance.
Se medirán sus parámetros eléctricos de todo el
lote, luego se repetirán varios ciclos de carga y
descarga, para luego hacer el mismo análisis de
capacidad en varias temperaturas.
Se obtendrá así un grupo de baterías de
características parecidas, que luego serán
sometidas a ciclos de carga y descarga a fin de
evaluar su capacidad a largo plazo, tratando de
estimar la durabilidad de las mismas.
Por esta razón es que se están comprobando a
medida que se van integrando cada subconjunto
las medidas correspondientes de compatibilidad
electromagnética.
Esta previsto realizar en organismos estatales y
privados validaciones parciales y finales
relativas a vibración, temperatura, vacío y
radiación.
Características de las baterías y su
selección:
Para este proyecto se han elegido baterías de
litio polímero, que se obtienen localmente con
relativa facilidad de los teléfonos celulares.
Las baterías de Litio polímero tienen un 20%
mas de densidad de energía, que las de litio ion,
además no tienen una carcasa metálica y su
forma no tiene que ser cilíndrica, bajando el
peso total. Las baterías de litio polímero no
tienen fugas de líquidos.
Las baterías de litio polímero tienen una tensión
que va entre los 2,7 volts cuando están
descargadas, hasta los 4,23 volts a plena carga,
debiendo limitar el voltaje de carga a unos 4,235
volts máximos por celda.
Le descarga debe limitarse a no menos que 3
volts, removiendo la carga, para evitar que se
presenten problemas de capacidad.
Si bien no se podrá hacer una simulación real
de las características en el espacio, esto tiende
a producir un entorno de prueba lo más parecido
a las condiciones de vuelo.
En la actualidad se están realizando ensayos
destructivos a fin de determinar la cantidad
máxima de ciclos de carga y descarga que estas
baterías pueden tener, ya que así se determina
su vida útil en el satélite.
La orbita del satélite es de unos 100 minutos
estimados, el 60 % estará iluminado por el sol, y
el 40 % restante dependerá su funcionamiento
de las baterías, esto hace que el numero de
ciclos supere los 10.000, en los dos años de
vida del satélite, siendo la vida media de estas
baterías de 500 a 1000 ciclos.
Estos ciclos no serán de descarga total, y es por
ello que las baterías deberían soportar este tipo
de servicio.
La temperatura ayuda a disminuir la resistencia
interna de las baterías de litio polímero, y
mejora su capacidad de carga.
La idea es poder hacer pruebas con baterías de
fácil disponibilidad, tanto en los circuitos de
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a fin de cumplir con lo requerido, 10 cm por 10
centímetros y un peso máximo de 1000 gramos.
Existen varias experiencias similares de
satélites como este usando este tipo de
baterías.
Para alcanzar estos parámetros, deberemos
balancear los pesos de los diferentes
elementos, y así poder realizar el ajuste fino del
peso mediante pequeños agujeros en la
estructura del satélite con el fin de preservar la
aislamiento
a
la
radiofrecuencia
pero
alivianando el peso para ajustar el centro de
gravedad del aparato.
En los momentos previos al lanzamiento se
prevé que las baterías estén cargadas al
máximo, a través de un conector de carga
especialmente dispuesto.
La autodescarga de estas baterías es del 20 por
ciento en 4 semanas y no representa ningún
problema en la misión.
Luego de obtenido el balance se colocarán
blindajes autoadhesivos sobre las paredes
agujereadas,
evitando la
filtración
de
radiofrecuencia.
Una vez lanzado, el satélite se separa de su
caja lanzadora y allí comienza una etapa crítica,
ya que el mismo no sabe bien cuál será su
posición y dependerá de las baterías para poder
encenderse, determinar y corregir su posición,
usando mucha energía para operar la CPU, las
comunicaciones con las estaciones de control y
el sistema de magnetorquers, sin cargar el
sistema a plena capacidad hasta que el sistema
de actitud lo coloque en posición adecuada.
Referencias:
http://www.clydespace.com/resources/datasheets/battery_test_pr
ocedures
http://www.maximic.com/appnotes.cfm/an_pk/3958
http://www.batteryuniversity.com/partone-12.htm
El sistema de carga de las baterías prevé que
cada celda pueda funcionar en forma
independiente, así si sucediera algo en alguno
de los elementos, los demás podrían seguir
alimentando al satélite, pero para ello hay que
medir los parámetros de carga de cada celda,
utilizando circuitos integrados dedicados a este
menester, alojados junto a cada celda a fin de
monitorear la temperatura de cada elemento.
El análisis de la cantidad de energía que cada
elemento posee no es una tarea fácil, en estas
baterías no se puede simplemente medir la
tensión y así determinar el grado de carga de la
misma, la temperatura juega un papel
fundamental en la capacidad de carga, también
el numero de ciclos de carga y descarga, de
manera que para saber cual es el grado de
capacidad de una batería de litio polímero, hay
que experimentar empíricamente, determinando
su capacidad en función de los parámetros
expuestos y así estimar su nivel de carga.
El centro de gravedad del satélite debe respetar
los estándares propuestos para los cubesats,
una vez que todos los conjuntos estén
desarrollados, deberemos ajustar cada elemento
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