Kisműholdak intelligens akkumulátor egysége
(Rovat: Hazai kutatóhelyek és űripar - 2009.10.14 17:30.)

A Magyar Űrkutatási Iroda támogatásával megvalósult témapályázat keretében megkíséreltük specifikálni egy kisműhold akkumulátor egységét.

Elvégeztünk bizonyos fejlesztéseket. Az összegyűlt tapasztalatokat és eredményeket kissé rövidítve ismertetjük az alábbiakban.

A fedélzeti akkumulátoroknak kulcsszerepe van a világűrben működő berendezésekben. Meghibásodásuk, kimerülésük akár a legdrágább misszió végét is jelentheti, ezért a biztos rendelkezésre állásuk érdekében a megbízhatóság növelésének minden lehetőségét igyekeznek kihasználni az űreszközök megvalósításánál.

A megbízhatóság növelésének hardver eszközei a tartalékolási elvek, melyek cella szinten, oszlop szinten és egység szinten jelenhetnek meg. A cella és oszlop szintű tartalékolás az ismert gyakorlati cella-struktúráknál melegtartalékoltan van kialakítva. Az egység szinten a célkitűzéstől függően lehet meleg, illetve hideg tartalékolást alkalmazni attól függően, hogy a megbízhatóság vagy az élettartam növelése az elsődleges cél. Mindkét esetben rendkívül kritikus az át-, vagy lekapcsoló elektronika komplexitása, megbízhatósága és sebessége, a hardver és a vezérlő szoftver szintjén is.

A téma keretein belül olyan megoldást dolgoztunk ki, amelyben a fedélzeti akkumulátorok állapotát jellemző információk mennyiségét jelentősen megnöveltük. Az akkumulátor csomag teljes feszültségén kívül, minden egyes cellát külön mérünk, ezzel segítve a fedélzeti és a földi irányítást az optimális döntések meghozatalában és a megfelelő környezeti feltételek biztosításában.

Az akkumulátor és azt felügyelő elektronika nem tárgyalható a rendszer energiaellátásától függetlenül. Az 1. ábrán egy lehetséges energiaellátó rendszert mutatunk. Tegyük fel, hogy a fedélzeten a buszfeszültség szabályozatlan, de minden pillanatban meghatározza a rendszer valamelyik eleme. Természetes módon az alábbi helyzetek (a, b, c) valamelyikével lehet számolni.

a) névleges állapot: V_busz,min < V_busz (t) < V_busz,max
A szabályozatlan energiabusz feszültségét a rendszer névleges állapotában az akkumulátor feszültsége határozza meg. Ebben az állapotban a napelemek maximális energiát szolgáltatnak. Az akkumulátor a terhelés pillanatnyi energia-szükségletétől függően nyelni illetve pótolni is képes energiát.

b) energiaszegény állapot: V_busz,min = V_busz (t)
Ez az eset úgy jöhet létre, hogy a napelemek a szükségesnél kevesebb energiát adnak és a hiányzó részt az akkumulátor olyan hosszú időn keresztül biztosította, mely alatt kisülés-közeli állapotba került. Ezt az állapotot nem tervezzük üzemszerűnek, de ha ez mégis előfordul, akkor alapvető feladat a kikapcsolás végrehajtása. A kikapcsolásokat úgy kell megszervezni, hogy az adatvesztést elkerüljük, a rendszer egyetlen eleme se károsodjon, és végül olyan állapot jöjjön létre, hogy a buszon újbóli energia megjelenésre a rendszer automatikusan elindulhasson a „power reset” állapotból. A rendszer kikapcsolását különböző biztonsági okokból két feszültségszinthez köthetjük. A feszültségszinteknek nagyság szerint ki kell elégíteni az alábbi egyenlőtlenséget:
V_bat,min < V_{aux uvlo} < V_{alarm lowbat} = V_busz,min
Az V_{alarm lowbat} jelet az EPS (Electric Power Subsystem) állítja elő az OBDH (OnBoard Data Handling) számára. Abban az esetben, ha az OBDH valamiért nem kapcsol ki, vagy a részleges terhelés-csökentés után is tovább sül az akkumulátor, a segéd-tápegység (AUX PS) alulfeszültség védelme a rendszert kikapcsolja.

c) „túl sok energia” állapot: V_busz,max = V_busz (t)
Ez a helyzet akkor jöhet létre, ha a napelemek MPP munkapontban vannak, a terhelések keveset fogyasztanak és a felesleges rész az akkumulátort olyan hosszú ideig töltötte, hogy az már túltöltés-közeli állapotba került. Ezt az állapotot üzemszerűnek tervezzük, mert ebben jelenik meg az energia-háztartásunk tartalékkal történő tervezése. Ebben részben tudjuk figyelembe venni a minimum „BOL” (Beginning of Life) és „EOL” (End of Life) értékeket. Ebben az esetben alapvető feladat a cellák túltöltés elleni védelmének és ezzel egyidejűleg a busz túlfeszültség elleni védelmének megbízható kialakítása, mialatt a fedélzeti rendszerek zavartalanul működnek. Ennek a szabályzásnak két módja lehetséges:

• a felesleges energiát (tartalékolt) sönt-szabályozón eldisszipáljuk. Ez a megoldás gazdaságtalan.
• a napelemek MPP szabályzását megszüntetjük és a busz feszültséget az adott maximális szinten tartva a napelemek munkapontját az üresjárás irányába vezéreljük. Ha tartalékolási, vagy más üzembiztonsági okból több MPPT nevű egységben van a holdon, akkor az egyes blokkokban a feszültség-stabilizálás értékét 100-200 mV-os szekvenciával eltoljuk egymáshoz képest. (Ezt az elvet használja az S3R szabályzás is.)

1. ábra

Akkumulátor felügyeleti elektronika

A műhold megbízható működése érdekében fontos szempont az akkumulátorok megfelelő kiválasztása és az akkumulátorok optimális működési körülményeit biztosító, megbízható elektronika kifejlesztése.

A Li-ion akkumulátorok rendelkeznek az egységnyi térfogatra és tömegre vetített legnagyobb energiatároló kapacitással. Alkalmazásuk az űriparban is egyre elterjedtebb, ezért a kisműholdon is ilyen típusok alkalmazását vizsgáljuk. Az ilyen típusú akkumulátorok túltöltése illetve mélykisütése maradandó károsodást okozhat. Tehát az egyik legfontosabb feladat az egyes akkumulátor cellák feszültségének folyamatos mérése, és a megfelelő védelmi áramkörökkel kontrollálni a folyamatokat.

Az akkumulátorok hőmérséklete jelentősen befolyásolja a töltés és kisütés hatásfokát, ugyanis az akkumulátor hőmérsékletfüggő belső ellenállása [R_b(T)] P_d = I² × R_b(T) teljesítményt fogyaszt. A hőmérséklet mérése és szabályozása ezért szintén egy fontos feladat. Abban az esetben, ha elég nagy a bejövő energia, célszerű az összes cellát a maximális töltöttségi állapotba hozni. Ennek a megvalósításához szükség van az egyes cellák feszültségszintjeit kiegyenlítő ún. balansz konverterre.

Egy lehetséges akkumulátor felügyeleti elektronika blokkvázlata a 2. ábrán látható.

2. ábra

Dr. Bánfalvi Antal, Dr. Szabó József
BME-HVT Űrkutató Csoport