ESTUDO DO SUBSISTEMA DE SUPRIMENTO DE ENERGIA DO SATÉLITE UNIVERSITÁRIO ITASAT

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1 Anais do 12 O Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA XII ENCITA / 2006, São José dos Campos, SP, Brasil, Outubro, 16 a 19, ESTUDO DO SUBSISTEMA DE SUPRIMENTO DE ENERGIA DO SATÉLITE UNIVERSITÁRIO ITASAT Vinícius Meirelles Pereira Ferriani H8A apto. 127, CTA, CEP , São José dos Campos, SP, Brasil. viniciusnz@yahoo.com.br Claudinei de Jesus Donato Rua Egle Carnevali, 171 Jardim das Indústrias. CEP: São José dos Campos SP cjdonato@ita.br Bernardo de Pádua dos Santos Rua Cesarina Della Dea Betti, 62, ap. 02 Jardim Satélite CEP São José dos Campos SP Brasil. berpasan@gmail.com Edgard José Faria Guimarães edgard@ita.br Cairo Lucio Nascimento Junior cairo@ita.br Roberto d Amore damore@ita.br Geraldo José Adabo adabo@ita.br Resumo. Descreve-se os elementos principais que compõem os sistemas de suprimento de energia para satélites tais como, painel solar, baterias, unidades de condicionamento de potência e unidades de distribuição de potência. Discute-se as topologias aplicáveis às unidades de condicionamento de potência e propõe-se uma arquitetura baseada na topologia S4R - Sequential Switching Shunt Series Regulator para o subsistema de suprimento de energia do satélite universitário ITASAT. Palavras chave: satélite, suprimento de energia, S4R, microcontroladores. 1. Introdução O Sistema Brasileiro de Coleta de Dados Ambientais é constituído pelos satélites SCD-1, SCD-2 e CBERS-2, pelas redes de plataformas de coleta de dados distribuídas pelo território nacional, pelas Estações de Recepção de Cuiabá e de Alcântara e pelo Centro de Missão Coleta de Dados. A comunicação entre as várias centenas de plataformas de coleta de dados e as estações de recepção é realizada através da constelação de satélites, cada qual operando como retransmissor de mensagens. Dentro desse contexto, a AEB Agência Espacial Brasileira dirige um Projeto de Satélite Universitário, denominado ITASAT, que possui a missão de integrar a constelação brasileira de satélites de coleta de dados ambientais. O gerenciamento do projeto e a consultoria especializada em Engenharia Espacial vem sendo realizados por pesquisadores do INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais e a execução do projeto é atribuição de universitários de graduação e pós-graduação. Há uma equipe de alunos do ITA - responsável pelo desenvolvimento do Subsistema de Suprimento do Satélite ITASAT, trabalhando sob a orientação de um grupo de professores orientadores. Os objetivos deste artigo são descrever os aspectos fundamentais dos sistemas de suprimento de energia para satélites e propor uma topologia para o subsistema de suprimento de energia do satélite universitário ITASAT.

2 Um subsistema de suprimento de energia deve prover a energia necessária para suprir todas as cargas do satélite em todas as fases da missão, com qualidade de energia apropriada para cada subsistema consumidor. A fonte de energia primária utilizada em satélites de baixa potência é, tipicamente, o gerador fotovoltaico e a fonte secundária de energia é, normalmente, um conjunto de baterias recarregáveis. A fonte primária deve ser continuamente controlada através de uma unidade eletrônica de controle e condicionamento de energia, que deve operar de forma remota ou autônoma, com capacidade de atuação por telecomando. Também devem ser fornecidos sinais de telemetria para monitoração do funcionamento do subsistema, além de proteção para o satélite, contra falhas elétricas internas e externas ao subsistema, supressão de tensões transientes e conversão de potência apropriada, se necessário. A Fig. 1 apresenta um diagrama em blocos típico de um subsistema de suprimento de energia, cujo núcleo de operação é a Unidade de Condicionamento que pode operar com barramento regulado ou não-regulado. A potência fornecida pelo Gerador Solar carrega as Baterias e supre as cargas através da Unidade de Distribuição de Potência. Geração (Painel Solar) Condicionamento (Reguladores) Distribuição (Relés e Fusíveis) Cargas Armazenamento (Baterias Secundárias) Figura 1. Diagrama em blocos de um subsistema de suprimento de energia típico 2. Descrição Geral de um Subsistema de Suprimento 2.1. Gerador Solar O módulo de geração de energia possui vários requisitos de alto nível a serem atendidos através das definições de projeto, tais como: alta segurança e confiabilidade, pois dele depende toda a missão; utilização de fontes de energia que estejam facilmente disponíveis e tenham baixo custo; e alta densidade de potência para minimização de massa e volume. Os tipos de fontes de energia disponíveis para satélites são principalmente as células solares fotovoltaicas, que utilizam uma junção pn. Temos também as baterias, que são classificadas como primárias (não recarregáveis) ou secundárias (recarregáveis). Além disso, temos a geração a partir do calor através dos ciclos de Brayton, Stirling ou Rankine, utilizando fontes de calor químicas, solares ou nucleares. Por fim, temos as células de combustível, que podem ser tradicionais ou regenerativas. O tipo de fonte de energia utilizado depende de uma análise aprofundada da missão do satélite. Levando em conta que o sistema utilizado no ITASAT será de baixa potência (até 100 Watts) e com um tempo de vida esperado entre 3 e 4 anos, o tipo de fonte a ser utilizado deverá ser o de células solares fotovoltaicas. As células solares são constituídas por junções pn, que podem ser feitas de diferentes formas e materiais. As junções de silício são as mais tradicionais, testadas e utilizadas, tendo uma eficiência de conversão de energia de 14,8%. As junções de arseneto de gálio (GaAs) são mais caras, mas têm eficiência de conversão maior, 18,5%. Também existem as células de multijunção, que possuem várias junções de GaAs em uma única célula, aumentando a eficiência de conversão para 22% (Wertz e Larson, 2005). As células de GaAs e de multijunção apresentam, além da melhor eficiência, uma resistência à radiação maior do que as células de silício. O desenho das células é feito de modo a maximizar a absorção de energia solar. Para isso, é importante que o vidro utilizado para cobertura das células tenha baixa refletividade. Também é necessário barrar a radiação ultravioleta, pois ela é responsável pela degradação das células solares e, conseqüentemente, pelo tempo de vida dos painéis. O modo como as células são montadas no satélite depende do tipo de estabilização do mesmo. Em geral, para satélites estabilizados em três eixos as células podem estar afixadas no corpo ou em painéis, enquanto que para satélites estabilizados por rotação (spin) as células são afixadas no corpo do mesmo. Na montagem de um painel solar, as células são dispostas em linha e conectadas em série (strings). Essas linhas são associadas em paralelo. Desta forma, a tensão de saída do painel será a soma das tensões das células em uma linha e a corrente possível será a soma das correntes das linhas. Ao se definir o arranjo físico das células no corpo do satélite, é importante que todas as células de uma mesma linha fiquem iluminadas ao mesmo tempo. Caso uma célula tenha ficado sombreada ou tenha falhado, o que acontece principalmente por causa da irradiação ultravioleta, a linha inteira torna-se inutilizada. Portanto é importante que o sistema seja capaz de lidar com falhas em número limitado de células e, conseqüentemente, de linhas.

3 Para dimensionar um painel, é necessário conhecer a máxima potência necessária e a potência média, para as fases em que o satélite estiver sob luz do dia e sob eclipse. Isto é determinado utilizando-se os parâmetros orbitais do satélite. Também é preciso levar em conta a eficiência das células fotovoltaicas, a energia solar disponível no espaço (que é de Watts/m 2 ), o ângulo de incidência dos raios solares nas linhas, as perdas devido à montagem, as perdas devido ao sombreamento de células (principalmente quando são montados no corpo do satélite) e as perdas devido à degradação ao longo do tempo de vida esperado, analisando como a degradação das células ocorrerá em função do ambiente de irradiação enfrentado durante a vida útil do satélite Baterias Recarregáveis Para decidir a bateria a ser utilizada para armazenar energia é necessário considerar características físicas como o tamanho, peso, configuração, posição de operação e se o ambiente é estático ou dinâmico. Também é essencial levar em conta as características elétricas da mesma, como: a tensão, a capacidade (Ampére/hora), o duty-cycle em que ela irá operar, o número de duty-cycles que ela irá fazer ao longo do seu tempo de vida (dependentes dos parâmetros orbitais do satélite), o tempo de ativação e o limite de profundidade de descarga. Características como o custo, a disponibilidade, a confiabilidade, a manutenção e a produção não podem ser descartadas do processo de decisão. As baterias em geral se classificam em primárias, não recarregáveis e secundárias, que são recarregáveis. No satélite universitário deverão ser utilizadas secundárias, pois o sistema atravessará diversos eclipses solares e deverá recarregá-las durante o período que o painel solar estiver iluminado. Para dimensionar a bateria é necessário ver qual a profundidade de descarga que o sistema irá requerer, pois quanto maior for a profundidade de descarga, menor será o número de ciclos de vida da bateria. Os principais tipos de baterias secundárias são as de NiCd, NiH 2, que têm protótipos qualificados para o espaço. Além disso, existem as baterias sob pesquisa mais recentes de Li-Ion e NaS. As células de NiCd são as mais tradicionais e também as mais utilizadas até hoje. Elas apresentam a menor densidade de energia entre os tipos apresentados e um tempo de vida menor que as outras. Entretanto têm extensiva documentação e bom histórico em operação no espaço. As baterias de NiCd têm outro inconveniente que é o efeito memória. Para minimizar este problema, deve ser feito o recondicionamento das baterias, que consiste em descarregálas completamente e carregá-las completamente de tempos em tempos. Para isso o subsistema também deve fornecer baixas impedâncias para descarregar a bateria. As células de NiH 2 têm energia específica um pouco maior que as de NiCd. A tecnologia de Lithium Ion oferece uma densidade de energia muito maior, além de poder operar em uma faixa de temperaturas mais larga que os dois outros tipos. Esta tecnologia vem sendo qualificada para o espaço recentemente. O número de baterias utilizado tipicamente varia de 2 a 5. Deve-se ter no mínimo duas baterias para ter redundância no caso de uma das baterias falhar. Em alguns casos as baterias são utilizadas mesmo com o painel solar iluminado, para conseguir atender a demandas de pico de potência. Neste caso, o dimensionamento pode ter que levar em conta, por ser maior, esta demanda ao invés da necessidade de energia durante o eclipse. O subsistema de suprimento de energia deve fornecer componentes para limitar a sobrecarga na bateria, limitar a taxa de recarga e, dependendo do caso, até mesmo fornecer um descarregador de bateria, se for desejado barramento regulado Unidade de Controle e Condicionamento Este módulo é responsável pelo controle da potência fornecida pelo Gerador Solar, pela regulação da tensão de barramento e pelo carregamento das baterias. Existem dois tipos de topologia para a transferência de energia dos painéis para as cargas. Uma delas é a DET (Direct Energy Transfer). Nesta topologia a potência extra é dissipada em um banco externo de resistores em shunt ou no próprio painel. Ela apresenta maior eficiência, menos peças e menor massa. Outra topologia é o PPT (Peak Power Tracking), que é não dissipativa e extrai do painel apenas a potência que precisa, limitada à máxima potência disponível no painel. Para isso, utiliza um conversor DC/DC em série com o gerador solar, alterando dinamicamente o ponto de operação do gerador. Os barramentos podem ser de tensão não-regulada, quase-regulada ou regulada. No caso de tensão não-regulada, a tensão varia aproximadamente 20%, correspondendo à variação de tensão nas baterias quando elas estão sendo carregadas e quando estão sendo descarregadas. No caso de tensão quase-regulada, a regulação ocorre apenas enquanto as baterias estão sendo carregadas. A partir do momento em que a bateria está sendo descarregada, a tensão do barramento acompanha a tensão da bateria. Para o barramento regulado, são usados conversores que mantêm a tensão regulada esteja o painel solar ou a bateria alimentando o barramento. Estes tipos de abordagem são menos eficientes e apresentam EMI (Electro-Magnetic Interference) quando utilizados com o PPT. O carregamento das baterias pode ser feito em paralelo ou em série. O carregamento em paralelo é mais simples e apresenta menor custo. Entretanto, apesar de a tensão ser igual em todas as baterias, as correntes e as temperaturas nas mesmas podem ser diferentes, devido a diferenças de montagem e de componentes. Em geral o carregamento paralelo é utilizado para missões com menos de 5 anos.

4 O carregamento em série prevê a utilização de carregadores lineares e independentes - LC 3 (do inglês linear charge current control) e é utilizado em geral para missões com mais de 5 anos Unidade de Distribuição O módulo de distribuição deverá ser capaz de alternar entre unidades redundantes em caso de falhas. Em geral são utilizados como chaves, relés eletromecânicos, mas podem ser utilizadas também chaves semicondutoras. Os conversores DC/DC podem fazer parte da unidade de distribuição de energia ou das cargas. De qualquer forma, na construção destes conversores é preciso atentar para a redução de Ruído na Carga e para o Isolamento com o restante do circuito, prevenindo problemas em caso de falhas. É preciso também fornecer fusíveis (algumas vezes reprogramáveis) de forma a interromper o caminho da corrente em caso de curto-circuito. A cablagem é um componente importante no peso do subsistema de suprimento de energia. É importante a utilização de pares trançados para evitar a EMI. Por este mesmo motivo deve ser evitado o retorno de corrente pela estrutura. 3. Arquitetura da Unidade de Controle e Condicionamento do Subsistema de Suprimento do Satélite Universitário ITASAT 3.1. Topologia Sequential Switching Shunt Series Regulator (S4R) A topologia proposta para o Satélite Universitário é uma variação da topologia S4R, pois não apresentará modo de controle por ondulação (ciclo limite). Um microcontrolador controlará a modulação por largura de pulso (PWM), conforme o controlador digital implementado em seu firmware. A utilização da topologia S4R possui vantagens como: simplicidade, confiabilidade e melhor desempenho com relação à topologia Sequential Switching Shunt Regulator (S3R), utilizada desde a década de setenta com grande êxito. Na Fig. 2 é apresentado um diagrama simplificado da topologia S4R, com apenas uma string do painel solar (Ip n ). Observa-se a divisão do sistema em dois barramentos, um para alimentação das cargas através do diodo D e outro para recarga do banco de baterias, através da chave S B. O regulador completo é formado por várias strings, conectadas à unidade de distribuição e à bateria, conforme Fig. 3. D K Ip n S Comp Co L o a d Ref S B K Comp Ref Figura 2. Topologia S4R com apenas uma string. Como a prioridade é atender às necessidades das cargas, parte ou todas as strings estarão alimentando-as, para que a tensão seja mantida regulada. Apenas uma parte ou todas as strings que não forem utilizadas pela carga serão utilizadas para carregar o banco de baterias, conforme a necessidade. As que não forem utilizadas, nem para carga nem para bateria, serão curto-circuitadas através da chave S. Para utilização da string pela bateria, a chave S B deverá ser fechada. Assim, como sua tensão será inferior à da carga, o diodo D ficará bloqueado, permitindo a passagem da corrente. Para termos degrau de corrente menor e, com isso, menor ondulação na tensão, uma string (Ip x ) e somente uma por vez para cada barramento, pode estar operando em modo PWM, com sua chave (S x ) alternando entre ligada e desligada com taxa (duty-cycle) variável, conforme necessidade de corrente da carga alimentada.

5 Ip 1 S 1 BDR Unidade de Distribuição S B1 Ip 2 S 2 S B2 Ip 3 S 3 S B3 S Bn Ip n S n Bateria Figura 3. Topologia S4R com várias strings. A principal vantagem da topologia S4R é a eliminação do regulador de carga de bateria (Battery Charger Regulator BCR), que em geral, possui maior massa e menor eficiência, já que o controle de recarga das baterias é feito diretamente no acionamento das strings. Quando necessário, as baterias alimentam as cargas através de um regulador de descarga das baterias (Battery Discharger Regulator BDR) ou de um diodo, caso não seja necessário que o barramento seja regulado Arquitetura Básica do Subsistema Para o ITASAT considera-se a aplicação da topologia S4R com gerenciamento digital, utilizando-se para a função um microcontrolador, conforme apresentado na Fig. 4. Considerando-se a operação com barramento nãoregulado, faz-se necessária a utilização de um diodo para a conexão das baterias à Unidade de Distribuição de Potência. V D I D Unidade de Distribuição Ip 1 S 1 S B1 Ch 1 PWM 1 Ip 2 S 2 S B2 S B3 Ch 2 PWM 2 Microcontrolador Ip 3 S 3 Ch 3 PWM 3 S Bn Ch n PWM n Ip n S n V B Bateria I B T B Figura 4. Topologia S4R gerenciada por microcontrolador. Para a realização do controle da energia fornecida às baterias e à unidade de distribuição de energia, devem ser medidas suas tensões, correntes e temperaturas. Serão utilizados um sinal de controle do tipo PWM para o acionamento das chaves shunt (S x ) e um controle do tipo liga-desliga para as chaves das baterias (S Bx ).

6 A partir das tensões, correntes e temperatura medidas, o algoritmo programado no microcontrolador define o estado de cada chave, de forma que sejam satisfeitas as especificações dos barramentos. Como já descrito, uma ou duas chaves shunt (no máximo uma por barramento) poderão estar em modo PWM, sendo que a largura do pulso é calculada no microcontrolador Microcontroladores Microcontroladores são dispositivos integrados que reúnem, em um só circuito integrado, um microprocessador digital e alguns de seus periféricos, como dispositivos de entrada e saída e memória. Os microcontroladores são amplamente utilizados em sistemas de controle de potência avançados por conciliarem simplicidade à alta flexibilidade dos microprocessadores digitais. Tais sistemas usualmente não requerem alto poder de processamento, por isto microcontroladores com arquiteturas simples de oito bits são muito utilizados neste tipo de aplicação. As principais vantagens da utilização de controle digital implementado por um microcontrolador, em relação à alternativa usual de controle analógico são, entre outras: Buscar reduzir as perdas inerentes ao processo de conversão de potência, pela utilização de leis de controle mais eficientes, mas demasiadamente complexas para serem implementadas por meio analógico; Possibilidade de se alterar ou aperfeiçoar a lei de controle sem modificação do hardware, até mesmo remotamente caso necessário; Integração de funcionalidades de telemetria e telecomando, uma vez que a digitalização de parâmetros do sistema passa a ser parte integrante do algoritmo de controle, excluindo a necessidade de circuito adicional para fazê-lo; Rodízio entre as linhas (ou strings) do painel solar, uniformizando o desgaste e aumentando a vida útil do sistema; Facilidade para o isolamento, por telecomando ou algoritmo de detecção de falhas, de componentes que se tornem defeituosos ao longo da vida útil do satélite, como baterias e linhas de células solares. Em contrapartida, a utilização de eletrônica digital em ambiente espacial aumenta consideravelmente a susceptibilidade do sistema a falhas, devido à presença de altos níveis de radiação e temperaturas extremas, que tendem a afetar os circuitos digitais de forma mais drástica. Desta forma, tanto o hardware quanto o software presente em um satélite devem ser desenvolvidos com cautela, contemplando-se a existência de redundâncias nos pontos mais críticos e a utilização de dispositivos qualificados como resistentes à radiação. No subsistema de suprimento de energia, estes cuidados devem ser redobrados, dado que o funcionamento do satélite como um todo depende do perfeito funcionamento deste subsistema. Embora existam diversas arquiteturas de microcontroladores disponíveis no mercado e atualmente seja comum encontrar-se dispositivos que integrem uma boa quantidade de memória e variedade de dispositivos de interfaceamento, no cenário espacial a escolha de microcontroladores está limitada a alguns poucos dispositivos certificados para operarem neste ambiente. Um exemplo é o 80C32E, fabricado pela ATMEL e compatível com a arquitetura MCS-51 da Intel. Em geral os microcontroladores qualificados para ambiente espacial não possuem memória para armazenamento de programa em seu interior e dispõem de poucos periféricos internos, exigindo-se desta forma a implementação de um circuito externo de suporte mais extenso do que os microcontroladores mais modernos e integrados. 5. Agradecimentos À AEB Agência Espacial Brasileira pelo fomento e direção do projeto ITASAT e ao INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais pelo gerenciamento, suporte técnico e logístico. 6. Referências Capel, A. and Perol, P., Comparative Performance Evaluation Between the S4R and the S3R Regulated Bus Topologies, IEEE 32nd Annual Power Electronics Specialists Conference, Vol. 4, Vancouver, Canada, pp Huynh, Phuong T. and Cho, Bo H, Design and Analysis of a Regulated Peak-Power Tracking System, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 35, No. 1, pp Hyder, A., A Century of Aerospace Electrical Power Technology, Journal of Propulsion and Power, Vol. 19, No. 6, pp O'Sullivan, D., Satellite power system topologies, ESA Journal. Vol. 13, No. 2, pp O'Sullivan, D. and Weinberg, A., The Sequential Switching Shunt Regulator, Proceedings of the Third ESTEC Spacecraft Power Conditioning Seminar, Noordwijk, The Netherlands, pp Patel, Mukund R., Spacecraft Power Systems, CRC Press, Boca Raton, United States of America, 736 p. Souza, Petrônio, Curso Introdutório em Tecnologia de Satélites, Documento Eletrônico. Wertz, James, Space Mission Analysis and Design, Microcosm Technical Short Course, São José dos Campos, Brazil. Wertz, James R. and Larson, Wiley J., Space Mission Analysis and Design, Microcosm Inc. and Kluwer Academic Publishers, Boston, United States of America, 7a. Ed., 969 p.

7 White, I. R., Design and Development of a Sequential Switching Shunt Regulator, Proceedings of the Third ESTEC Spacecraft Power Conditioning Seminar, Noordwijk, The Netherlands, pp