Układ zasilania

Podsystem układu zasilania (EPS – Electrical Power System) odpowiedzialny jest za przetwarzanie energii z paneli słonecznych, ładowanie akumulatorów oraz dystrybucję zasilania do podsystemów. Został zaprojektowany i wykonany przez zespół PW-Sat2.

Zasilanie PW-Sat2

12 trójzłączowych ogniw fotowoltaicznych przetwarza energię słoneczną na elektryczną. Następnie energia ta jest odbierana przez układy przetwornic impulsowych, umożliwiających uzyskanie wysokiej sprawności przetwarzania energii przez baterie słoneczne (baterie słoneczne wymagają regulacji MPPT). Otrzymana w ten sposób energia jest magazynowana w akumulatorach litowo-jonowych.

Bardzo ważnym wymaganiem jest osiągnięcie jak najwyższego stopnia niezawodności, bez korzystania z drogich podzespołów, dedykowanych do zastosowań w przemyśle kosmicznym. Do budowy układu zasiania użyto, odpowiednio przetestowanych, elementów typu COTS. Elementy tego typu stosowane są w urządzeniach codziennego użytku lub w przemyśle.

Panele słoneczne PW-Sat2 podczas testów

Prace nad EPS

Prace nad EPS rozpoczęły się w połowie 2013 roku. Od tego momentu pracowały nad nim trzy osoby, z czego jedna osoba była odpowiedzialna za projekt hardware’u, a pozostałe dwie za software oraz HAL (HAL – ang. hardware abstraction layer). Ostateczna wersja hardware’u powstała w połowie 2017 roku, a ostateczna wersja software’u pod koniec 2017 roku.

Model DM

Najważniejszą częścią EPS jest moduł MPPT. Model DM (DM – ang. demonstration model) modułu MPPT powstał pod koniec 2013 roku aby zweryfikować założenia funkcjonalności tego modułu. Model ten potwierdził, że założony sposób sterowania przetwornicą DCDC jest dobry ale pokazał również, że projektowanie tego typu układów wymaga większej wiedzy związanej z EMC (EMC – ang. electromagnetic compatibility). Opis modelu DM oraz wyniki eksperymentów można znaleźć w dokumentacji fazy A.

Płytka modelu DM

Model EM1

Kolejnym modelem EPS był model EM1 (EM – ang. engineering model 1), który powstał pod koniec 2016 roku. Składał się z mniejszych modułów, które reprezentowały poszczególne części funkcjonalne docelowego EPS, bez uwzględniania redundancji. Do czasu powstania tego modelu podsystem EPS został całkowicie przedefiniowany oraz uproszczony.

W skład modelu EM1 wchodziły: moduł MPPT sterowany za pomocą mikrokontrolera AVR, prototypowa ładowarka akumulatorów li-ion, pakiet akumulatorów li-ion, układ do realizacji funkcjonalności RBL/kill-switch, przetwornice DCDC 3.3V oraz 5V, zasilające podsystemy.

Model EM1 podczas testów

Za pomocą modelu EM1 zweryfikowano ogólną architekturę EPS. Szczegółowy opis modelu EM1 można znaleźć w dokumentacji fazy C.

Model EM2

Model EM2 EPS powstał na początku 2017 roku. Posiadał pełną funkcjonalność modelu PFM (PFM – ang. proto-flight model). Również płytka drukowana została zaprojektowana w taki sposób, aby mechanicznie odpowiadała modelowi FM.

Oprócz testów funkcjonalnych, model EM2 przeszedł również testy w komorze termiczno-próżniowej w pełnym zakresie temperatur pracy.

Model EM2 podczas testów na FlatSat wraz z EGSE

Model PFM

Model PFM EPS powstał w połowie 2017 roku. W stosunku do modelu EM2, wprowadzono niewielkie zmiany funkcjonalne oraz poprawiono kilka drobnych błędów. Ostatecznie w trakcie testów PFM wprowadzono dodatkowe poprawki w modułach MPPT oraz w dystrybucji.

EPS, model PFM – top

EPS powstał na ośmiowarstwowej płytce FR4, a na jej powierzchni znajduje się 948 elementów. Ostateczna masa płytki wyniosła około 110g.

EPS, model PFM – bottom

W październiku 2017 roku moduł EPS był gotowy do ostatecznych testów, które miały potwierdzić gotowość do lotu. Opis modeli EM2 i PFM oraz wyniki testów można znaleźć w dokumentacji fazy D.

Budowa EPS

Uproszczony schemat blokowy, prezentujący zasadę działania układu zasilania:

Uproszczony schemat blokowy układu zasilania

Regulatory MPPT

W układzie zasilania znajdują się trzy regulatory MPPT. Odpowiedzialne są za śledzenie maksymalnego punktu mocy baterii słonecznych. Pojedynczy regulator MPPT składa się z przetwornicy DCDC, układu mierzącego prąd oraz napięcie oraz przetwornika DAC, który steruje przetwornicą.

Układ ładowania baterii

Układ ten jest zbudowany tylko z elementów mocy, sterowanych przez oby mikrokontrolery. Odpowiednio przygotowane algorytmy regulują proces ładowania i rozładowywania akumulatorów.

Kill-switche

Zadaniem tego układu jest odłączenie zasilania na pokładzie PW-Sat2 na czas startu. Układ odłącza zasilanie z akumulatorów i baterii słonecznych. Po separacji z wyrzutnikiem, przełączniki są zwalniane (styki normalnie zwarte).

Remove Before Launch

Układ RBL odłącza zasilanie na pokładzie PW-Sat2 na czas transportu i/lub integracji z wyrzutnikiem.

Przetwornice DCDC 5V i 3.3V

Przetwornice 3V3 i 5V dostarczają napięcia do układu dystrybucji, dalej doprowadzane są do podsystemów. Napięcia te dostępne są na złączu PC-104.

Aby zabezpieczyć Main Power Bus (MPB) oraz same przetwornice 3V3 i 5V, na ich wejściach i wyjściach zastosowane odpowiednie zabezpieczenia nad-prądowe.

Wewnętrzne zasilanie

Zasila wewnętrzne układy EPS. Zasilanie to jest niezależne od tego, które doprowadzane jest do podsystemów.

Mikrokontrolery

Odpowiedzialne są za sterowanie wszystkimi funkcjami układu zasilania. Aby podnieść niezawodność systemu, zastosowano dwa mikrokontrolery. Są od siebie odseparowane pod względem elektrycznym.

Dystrybucja zasilania

Ta część układu zasilania odpowiedzialna jest za dystrybucję napięć do podsystemów. Zawiera włączniki zasilania z odpowiednimi zabezpieczeniami. Włączniki typu RLCL są zawsze włączone, a stanem włączników typu LCL można sterować. Mikrokontroler A steruje wszystkimi LCLami, a mikrokontroler B steruje tylko redundantną częścią układu uruchamiania sekwencji otwierania SAIL.