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Desarrollo de una batería de uso espacial a partir de células
comerciales. Aplicación al UNION-Sat/Lian-Hé
Santiago Pindado; Elena Roibás; Javier Cubas
Instituto Universitario de Microgravedad “Ignacio Da Riva” Universidad Politécnica de Madrid
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Antecedentes (I): • Máster en Sistemas Espaciales (MUSE)
• Project Based Learning (PBL)
• Generación y Gestión de Potencia Eléctrica
• Caso de Estudio I, II & III
• TFM
• Desarrollo de satélites:
• UPMSat-2
• Lian-Hé / UNION
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Antecedentes (II). UPMSat-2 :
DC/DC
Battery
P/L
P/L
+15 V
15 V
P/L
DC/DC
DC/DC
+5 V
P/L
V
P/L
Solar Panels
BUS
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Antecedentes (III). UPMSat-2 :
UPMSat-2 battery
Break-out boxes
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Mision. Lian-Hé / UNION: La batería se dimensiona para suministrar energéticamente a la misión Lian-Hè / UNION durante su periodo de eclipse por órbita.
• Paneles solares: VOC = 26.67 V
• Tiempo de eclipse: t = 34 min / órbita
• Energía mínima necesaria: EBAT = 142.8 W·h
• Capacidad solicitada: Cmín = 6.43 A·h
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Diseño:
• Selección de celdas • Selección cableado/conectores/materiales • Ensayos iniciales (eléctricos) • Prediseño • Análisis estructurales/térmicos • Rediseño • Prototipo • Ensayos de calificación
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Celda seleccionada. SAMSUNG INR 18650 25R:
Capacidad nominal 2500 mA·h
Tensión nominal 3.6 V
Tensión máxima 4.2 V
Tensión mínima 2.5 V
Intensidad de corriente
máxima
20 A
Masa 45 g Se ha comprobado que sus materiales la hacen APTA
para su uso en espacio
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Materiales: • Conectores de vuelo:
• ITT Cannon LLC® connector DAMA 15S (suministro de potencia eléctrica).
• ITT Cannon LLC® connector DAMA 26S (telemetría). Aleación Au/Cu con aislante de poliéster, calificados según ECSS.
• 4 x OMNETICS ® micro-strip connector 9 pines. Calificación bajo MIL-DTL-83513 • Cableado.
• Estructura de aluminio y elementos de unión. • 16 x EN-ISO-4762-M3x8 Screw. • 16 x EN-ISO-28738-M3 Washer. • 16 x helicoils M3
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Ensayos iniciales (I):
2300
2400
2500
2600
2700
C [
mA
·h]
Capacidad medida (C) de cada célula
Carga Descarga
-4.00-2.000.002.004.006.00
Erro
r (%
)
Error de la capacidad medida respecto a las especificaciones de fabricante
Carga Descarga
Ri, av = 129.96 mΩ (σR = 3.37 mΩ)
Cspec = 2500 mA·h
ηav = 89.98% (ση = 1.59%)
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Ensayos iniciales (II). Equilibrado: • Circuito BMS AMPHENOL®.
• Controlled Shunting Resistor (!) • Protección de sobrecarga y sobre-descarga • Protección de excesiva intensidad de corriente • Equilibrado de serie de 6 células
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Prediseño: • Análisis
NASTRAN/PATRAN
• Rediseño
• Análisis térmico FLUENT/ESATAN
• Rediseño
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Plan de ensayos:
Ensayos de calificación
Eléctricos Funcionales
Ambientales
Mecánicos
Vacío térmico