Tesis:
Analysis and simulation of electric power systems for aerospace Applications
- Autor: MARÍN COCA, Sergio
- Título: Analysis and simulation of electric power systems for aerospace Applications
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO
- Departamentos: SISTEMAS AEROESPACIALES, TRANSPORTE AEREO Y AEROPUERTOS
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/79810/
- Director/a 1º: ROIBÁS MILLÁN, Elena
- Director/a 2º: PINDADO CARRIÓN, Santiago
- Resumen: The EPS plays a critical role in satellite design, providing the required electrical energy to operate all on-board systems. Their reliability and efficiency are essential for the success of a space mission, as any failure in this system can have catastrophic consequences. Consequently, a detailed and accurate design of the power subsystem is essential, taking into account several scenarios and contingencies that may arise during the mission. To achieve a reliable and efficient design, accurate models of the main components are required. These models facilitate both preliminary designs and complex simulations, allowing a comprehensive assessment of the performance of the power subsystem under different operational conditions.
Within this context, this research proposes novel models and methods to improve the accuracy and reliability of the design of the power subsystem, with a specific focus on secondary energy sources.
The first contribution presents a new methodology for conducting preliminary designs of electrical power subsystems in satellites, considering different architectures, variable efficiencies, and the utilization of batteries during both eclipse and daylight periods. The second contribution encompasses new models for Li-ion batteries. On the one hand, analytical solutions for a linear model of Li-ion batteries are developed. These solutions offer a straightforward and user-friendly approach to estimate battery performances under several conditions. This feature makes analytical solutions an indispensable tool for preliminary designs and for advanced simulations in which the batteries Depth of Discharge (DoD) is limited to increase their life-cycle. On the other hand, a new model for the open circuit voltage of Li-ion batteries is proposed. This contribution enables a more precise representation of the Li-ion batteries' static charging/discharging behavior for high DoD applications.
The third contribution entails a concise analysis of power converter modeling and testing for space applications. Notably, a novel model is introduced to estimate the efficiency of output voltage power converters, offering a simple means to fit experimental data from datasheets into a mathematical model that characterizes efficiency as a function of output current and voltage.
The fourth contribution involves several studies related to supercapacitors (SCs) to benefit the future design of satellites hybrid storage systems. The core idea of the hybridization is to enhance the specific peak power capabilities of satellites. First, analytical expressions of a simple SC model to accurately replicate the behavior of supercapacitors under different operational modes are derived. Starting from that simple model, a novel procedure is proposed for estimating the electrical parameters of a more advanced model for supercapacitors, devoted to more accurate simulations. This straightforward procedure is based on analyzing a constant discharge current profile. Lastly, analytical expressions for sizing hybrid energy storage systems (i.e., comprising secondary batteries and supercapacitors) to support high-consuming payloads during eclipse periods are derived. The proposed methodology incorporates an equivalent circuit for a SC bank and conducts an assessment to determine whether a satellite should employ a hybrid storage system, based on mean and peak loads, and also on the duration of peak loads during eclipse.
The effectiveness of the proposed models and methods is validated through several case studies, such as the sizing of the UPMSat-2 electrical power subsystem, the modeling and simulation of the TASEC-Lab's electrical power subsystem, and the characterization of commercial supercapacitors using actual test data. These results are compared against experimental data, demonstrating the accuracy and reliability of the proposed models and methods.
In summary, this research contributes significantly to improve the design of electrical power subsystems in satellites, offering new models and methodologies for an accurate estimation of the behavior of key components such as batteries and supercapacitors. These advancements enhance the reliability and efficiency of electrical power subsystem designs, paving the way for more successful space missions.
RESUMEN
El Subsistema de Potencia Eléctrica (SPE) desempeña un papel crucial en la operación de satélites, ya que suministra la energía eléctrica necesaria para el funcionamiento de todos los sistemas activos a bordo. En el entorno orbital, la ocurrencia de fallos o consumos imprevistos pueden llevar al fracaso de la misión. Por tanto, para hacer frente a diversos escenarios desfavorables durante la operación de los satélites, los SPE deben ser fiables y energéticamente eficientes. Con el fin de diseñar un SPE con estas características, es indispensable contar con modelos que describan el comportamiento detallado de sus componentes principales. Estos modelos pueden emplearse tanto en etapas de diseño preliminar como en etapas de diseño detallado, lo que permite evaluar el comportamiento del SPE en distintas condiciones ambientales y operativas.
Bajo esta premisa, el objetivo de esta investigación es proponer nuevos modelos y métodos para mejorar el diseño del SPE de satélites, centrándose específicamente en la modelización y simulación de fuentes de energía eléctrica secundarias.
La primera contribución permite realizar diseños preliminares del SPE considerando distintas arquitecturas, eficiencias energéticas variables y la posibilidad de emplear las baterías tanto en eclipses como durante los tiempos de iluminación solar. Esto permite reducir el área de paneles solares, ya que las baterías pueden compensar los picos de potencia.
La segunda contribución se centra en la modelización de baterías de ión de litio. A partir de un modelo lineal que relaciona la tensión con la energía descargada, se obtienen soluciones analíticas para la tensión. Estas expresiones son sencillas por lo que pueden implementarse fácilmente para predecir el comportamiento de la batería en distintas operaciones. Si bien estas soluciones son adecuadas para diseños preliminares, también se pueden utilizar en simulaciones más avanzadas en las que el comportamiento de la batería sea lineal, es decir, cuando la profundidad de descarga sea alta. Aunque esta característica podría ser una limitación del modelo, en general, las baterías se dimensionan para alcanzar bajas profundidades de descarga y así prolongar su ciclo de vida. Además, se ha logrado una modelización precisa de la dependencia de la tensión de la batería en función de la energía descargada en sus tres zonas de funcionamiento. En consecuencia, esta contribución permite una representación más precisa del comportamiento de la batería tanto para profundidades de descarga bajas como altas.
La tercera contribución recoge un análisis sobre el ensayo y modelizado de distintos convertidores de potencia. En concreto, se ha mejorado un modelo existente para predecir la eficiencia de reguladores de tensión en función de la tensión de entrada y de la corriente de salida. Además, se ha propuesto un método sencillo para estimar los parámetros del modelo a partir de las hojas técnicas.
La cuarta contribución abarca varios estudios relacionados con los supercondensadores (SCs), con el objetivo de facilitar el diseño de sistemas de almacenamiento de energía híbridos. En primer lugar, se han obtenido expresiones analíticas de un modelo simple de SC que permite predecir con precisión su comportamiento en diversos modos de operación. Partiendo de este modelo, se ha propuesto un nuevo procedimiento para estimar los parámetros eléctricos de otro más avanzado. Por último, se han obtenido expresiones analíticas para dimensionar sistemas híbridos de almacenamiento de energía optimizados para suministrar altos picos de potencia.
Estos modelos y métodos desarrollados se han validado mediante distintos casos de estudio, incluyendo el dimensionado del SPE del satélite UPMSat-2, el diseño, modelización y simulación del SPE del experimento estratosférico TASEC-Lab, y la caracterización de SCs comerciales. Los resultados obtenidos, contrastados con datos reales, han demostrado la capacidad de estos modelos y métodos propuestos.
En resumen, esta investigación contribuye significativamente a mejorar el diseño de los subsistemas de energía en satélites, ofreciendo nuevos modelos y metodologías para estimar con precisión el comportamiento de componentes clave, como las baterías y los supercondensadores. Estos avances facilitan los diseños de subsistemas de energía, allanando el camino para misiones espaciales más exitosas.