BATTERY SOLUTION AND BATTERY PROTECTION, MONITOR

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A^UTHOR: Suárez Valle, Roberto F.

SUPERVISOR: Paul Scott Carney

INSTITUTION: University of Illinois at Urbana-Champaign

1. Introduction

This project was to design and build the battery solution and the battery protection, monitor and control system for the IlliniSat-2. The IlliniSat-2 is a satellite that is been built as part of the Cubesat Program at the University of Illinois at Urbana-Champaign and will be launch into low Earth’s orbit in 2015.

Previous attempts have been made in the past at the Cubesat Program to design subsystems of the battery board for the IlliniSat-2, but none of them have successfully developed a fully functional battery configuration and protection system. This project has provided a successful solution and has passed the preliminary tests undergone so far. Further testing under as many conditions as

possible is necessary to ensure the most efficient and reliable circuit board will be sent to space in 2015.

The project was divided into different modules to ease design and testing.

Modularity has been a key strategy to the successful completion of this prototype of the battery system. The finalized version that

Figure 1. Picture of one of the battery cells (source: all-battery.com)

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will go into space will have to account for shape and size constraints which were not establish as of now. This project, however, has developed a state of the art battery solution that uses a very small volume. The Cubesat Program emphasizes two criteria for all designs to be included in the IlliniSat-2: high efficiency and small space. Although further improvements are encouraged for the final version, this design satisfies both criteria.

As this system operates in space where we cannot get to it and fix it, special attention was paid to design for reliability and redundancy. For that reason, extensive testing still needs to be done, apart from the preliminary tests already performed. The battery system needs to be tested in as many conditions as possible to make sure the design that is sent into space is as efficient and reliable as possible.

The project includes the batteries and all necessary protection, monitor and

control systems that guarantee safe operation, as well as algorithms to switch between the batteries and a cell balancing implementation. All components fit inside an aluminum battery case especially designed for this project, except for the microcontroller unit, which is located on the main power board of the satellite.

All codes were written as functions that were loaded into the microcontroller. The blue connector that can be seen in Figure 2 communicates between the battery board and the main power board.

Figure 2. Picture of one of the battery boards ready for testing (source: own work)

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2. Design

The system has four Lithium Ion 3.7 V 2200 mAh battery cells. The batteries are configured so that there are two battery packs, each of which consists of a 2-cell series combination. Therefore, each pack has a nominal voltage of 7.4 V and nominal capacity of 2200 mAh. The protection circuitry for each pack is included in a PCB that has dimensions 66 mm by 36 mm. The two PCBs are designed so that they fit on top of the batteries in the same case. The battery case was made of aluminum and it will be attached to the middle plate of the satellite.

Both battery boards are the same. They have charge and discharge enables driven by the microcontroller, which is the only device located outside the battery case.

The charge and discharge enables behave as the switches of the batteries. All enables are independent from each other, meaning that a battery where charge is disabled may still discharge if there is a load connected between both terminals.

The switching algorithm set in the microcontroller may be easily reprogrammed for future IlliniSat-2 missions. The default configuration is to set up one of the batteries as the main battery and the other one as the redundant battery. The main battery has charge and discharge priority.

The board successfully implements overvoltage and undervoltage protections. The purpose of these two is to prevent any battery from being overcharged or undercharged. Both situations are potentially dangerous when using Lithium Ion technology. The overvoltage protection circuit inhibits charging if the voltage of any of the cells in a pack exceeds 4.20 V. The circuit remains in this state until the voltage of both cells is below 3.75 V. The undervoltage protection circuit inhibits discharging if the voltage of any of the cells in a pack goes below 2.50 V. The circuit remains in this state until the voltage of both cells goes over 3.00 V. The fact that the voltage of each cell is checked independently is an extra feature added to the project. The way this is usually done is by checking the total voltage of the pack and assuming both cells are balanced.

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Figure 3. Picture of one of the battery boards with a name tag on every major component (source: own work)

The most ambitious feature of the project was cell balancing. Cell balancing is a method for keeping at the same voltage battery cells in a series combination. It increases the battery run time and the life cycle. This design is implemented exclusively by hardware using operational amplifiers to compare the voltage values of both cells in series. It is categorized as active cell balancing because it does not involve dissipating power in any resistor. Instead, energy is transferred from the overcharged cell to an inductor, which then transfers that energy into the undercharged cell. Cell balancing is triggered when the difference in voltage is higher than 50 mV and the circuit keeps doing it until it is less than 10 mV. The operation of the cell balancing feature was satisfactory.

Given that the satellite will experience temperatures ranging from -50º C to 70º C, it is necessary to install a temperature monitor and control system for the batteries.

Summary

Li-Ion batteries do not operate safely under that range of temperatures. To prevent the batteries from freezing during the night phase of the orbit, Kapton heaters were installed on the surface of every cell. RTD temperature sensors measure the temperature of every cell independently and send signals to the microcontroller.

The heaters are controlled by the microcontroller, which accounts for the state of the batteries to set up the target temperature of each cell. This feature was assembled but not tested due to time constraints and the difficulty to set up an appropriate test procedure. To prevent the batteries from being too hot, charging first and then discharging are disabled if the temperatures of the cells reach certain high temperature limits.

3. Conclusion

The final product that was developed in this project successfully passed all preliminary tests. These tests focused on the most important features of the battery protection board, especially undervoltage protection, overvoltage protection, and cell balancing. Other features of the project are yet to be tested, such as the temperature monitor and control system. After completion of this project for the Cubesat Program, four key criteria seem to be the top priority to keep in mind for the IlliniSat-2 satellite: efficiency, reduced space, reliability, and redundancy.

These four key concepts are fundamental in the design of the IlliniSat-2 and every satellite in general. In this line of discussion, the battery solution and battery protection, monitor and control system still needs to undergo a significant amount of testing. It is necessary to insist on the importance of testing in many different conditions to make sure the final design to be launched into space is the most efficient and reliable board the Cubesat Program could possibly come up with.

Resumen

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AUTOR: Suárez Valle, Roberto F.

D^IRECTOR: Paul Scott Carney

E^NTIDAD: University of Illinois at Urbana-Champaign

1. Introducción

Este proyecto tiene como objetivo diseñar y construir la configuración de las baterías y los sistemas de protección y control de las mismas para el IlliniSat-2. El IlliniSat-2 es un satélite que está siendo diseñado como parte del Programa Cubesat en la University of Illinois at Urbana-Champaign y que va a ser lanzado a órbita en 2015. El Programa Cubesat ha realizado intentos en el pasado de diseñar subsistemas de la placa de las baterías para el IlliniSat-2, pero ninguno ha conseguido lograr una placa completa que incluya todos los sistemas de protección necesarios. En este proyecto se alcanza con éxito una solución que ha pasado todas las pruebas preliminares a las que ha sido sometida hasta ahora. Es necesario hacer más pruebas en el futuro para asegurarse de que el circuito que se incluya finalmente en el satélite sea tan eficiente y fiable como sea posible.

El proyecto se dividió en diferentes módulos para facilitar las fases de diseño y pruebas.

Esta estrategia de diseño ha sido clave para completar satisfactoriamente el prototipo del sistema de baterías. La versión final que vaya al espacio tendrá en cuenta las limitaciones

Figura 1. Imagen de una de las células de iones de Litio (fuente: all-battery.com)

Resumen

de forma y tamaño que sean impuestas por el Programa Cubesat. Estas limitaciones no han sido específicamente impuestas a la hora de realizar el proyecto. Aún así, en este proyecto se ha desarrollado un sistema de baterías de última generación que usa un volumen muy pequeño. El Programa Cubesat enfatiza dos criterios por encima de todos los demás: alta eficiencia y pequeño tamaño. Aunque aún hay margen para mejorar de cara a la versión final, el diseño desarrollado en este proyecto satisface ambos criterios.

Dado que este sistema opera en el espacio, donde no se puede ir a reparar cualquier imprevisto o avería que surja, el Programa Cubesat también hace hincapié en que todo sistema sea fiable y tenga cierta redundancia. Es por esta razón que es necesario hacer muchas pruebas aparte de las pruebas preliminares que ya se han hecho. El sistema de baterías necesita ser probado en tantas condiciones como sea posible para garantizar que el diseño que finalmente sea lanzado al espacio es tan fiable y eficiente como sea posible.

Este proyecto incluye tanto las baterías como todos los sistemas de protección y control que garantizan un funcionamiento seguro, así como los algoritmos de los interruptores de las baterías y una implementación de balance de cargas. Todos los componentes del proyecto entran dentro de una caja soporte hecha de aluminio y especialmente diseñada para este proyecto, excepto el microcontrolador, que está situado en la placa principal de potencia del satélite. Todos los códigos de

Figura 2. Imagen de una de las placas de las baterías preparada para ser sometida a las

pruebas (fuente: elaboración propia)

Resumen

este proyecto fueron escritos como funciones que se cargaron en el microcontrolador. El conector de color azul que se puede ver en la Figura 2 comunica la placa de las baterías con la placa principal de potencia.

2. Diseño

El sistema tiene cuatro células de iones de Litio de 3.7 V y 2200 mAh. Las baterías están configuradas en dos packs, cada uno de los cuales está formado por una combinación en serie de dos células. Por tanto, cada pack tiene un voltaje nominal de 7.4 V y una capacidad nominal de 2200 mAh. El circuito de protección de cada pack está incluido en una PCB de dimensiones 66 mm por 36 mm. Las dos PCBs están diseñadas de manera que quepan sobre las baterías en la misma caja que éstas. La caja que sirve de soporte de las baterías está hecha de aluminio y será sujetada a la placa central del satélite.

Las dos placas de la batería son iguales. Tienen “enables” de carga y de descarga controlados por el microcontrolador, que es el único aparato del proyecto situado fuera de la caja soporte de las baterías. Los “enables” de carga y de descarga actúan como interruptores para cada una de las baterías. Ambos son independientes entre sí, lo cual quiere decir que si la carga está inhabilitada en una de las baterías, esa batería todavía puede descargar si hay una carga conectada entre sus terminales. El algoritmo de los interruptores puede ser reprogramado fácilmente para futuras misiones del IlliniSat-2. La configuración por defecto es una de las baterías como batería principal y la otra como batería redundante. La batería principal tiene prioridad de carga y de descarga.

El circuito lleva a cabo con éxito protecciones contra sobrevoltaje y contra bajo voltaje. El propósito de éstas es para prevenir que las baterías estén sobrecargadas o excesivamente bajas de carga. Ambas situaciones pueden ser muy peligrosas cuando se usan baterías de Litio. La protección contra sobrevoltaje inhibe la carga cuando el voltaje de cualquiera de las células en una combinación en serie

Resumen

sobrepasa 4.20 V. El circuito se mantiene en este estado hasta que ambas células tienen un voltaje inferior a 3.75 V. La protección por bajo voltaje inhibe la descarga cuando el voltaje de cualquiera de las células en una combinación en serie es menor de 2.50 V. El circuito se mantiene en este estado hasta que el voltaje de ambas células supere 3.00 V. El hecho de que el circuito compruebe el voltaje de cada célula por separado, en vez del de todo el pack, es una característica extra del diseño. La manera común de hacer esto es comprobar el voltaje total del pack y asumir que el voltaje de ambas células es el mismo.

Figura 3. Imagen de una de las placas de las baterías mostrando el nombre de los componentes más importantes (fuente: elaboración propia)

El balance de cargas ha sido el módulo más ambicioso del proyecto. Balance de cargas es un método para mantener al mismo nivel el voltaje de las células de una combinación en serie. Incrementa la duración de las baterías y la vida útil. El diseño está implementado únicamente con hardware usando amplificadores operacionales para comparar los valores de voltaje de las dos células en serie. El

Resumen

diseño de este proyecto entra dentro de la categoría de balance de cargas activo porque no se basa en la disipación de energía en resistencias. En su lugar, la energía es transferida desde la célula con mayor voltaje a un inductor, y de ahí se transfiere a la otra célula. El mecanismo de balance de cargas se activa cuando la diferencia entre las dos células es de 50 mV y no se detiene hasta que la diferencia es menor de 10 mV. El funcionamiento de este módulo fue satisfactorio y cumplió como esperado en las pruebas realizadas.

Las temperaturas estimadas que el satélite va a experimentar varían entre los -50º C y los 70º C. Teniendo esto en cuenta, es necesario instalar un sistema de control de temperaturas en las baterías. Las baterías de iones de Litio no funcionan correctamente en un rango tan amplio de temperaturas y pueden ser dañadas o incluso explotar. Para prevenir las bajas temperaturas durante la fase de noche de la órbita, se instalaron calentadores de Kapton en la superficie de todas las células. Un sensor de temperatura RTD en cada célula manda la señal al microcontrolador para medir la temperatura de la célula. Los calentadores son controlados por el microcontrolador, que tiene en cuenta el estado de las baterías para determinar la temperatura mínima objetivo de cada célula. Este módulo fue diseñado y construido pero no ha podido ser probado debido a falta de tiempo y las dificultades de establecer un procedimiento de prueba satisfactorio. Para prevenir que las baterías estén muy calientes, primero la carga y luego la descarga son inhabilitadas si la temperatura de las células alcanza ciertos límites.

3. Conclusiones

El producto final de este proyecto ha superado con éxito todas las pruebas preliminares. Las pruebas que han sido realizadas hasta ahora se centraron en los aspectos más críticos y fundamentales del proyecto, especialmente protección por carga baja, protección por sobrecarga y balance de cargas. Todavía tienen que hacerse pruebas en los otros módulos del sistema, como el sistema de control de temperaturas. Después de haber completado este proyecto colaborando con el

Resumen

Programa Cubesat, la prioridad fundamental de todo sistema a incluir en el IlliniSat-2 es cumplir cuatro criterios: eficiencia, espacio reducido, fiabilidad y redundancia. Estos cuatro criterios son fundamentales en el diseño del IlliniSat-2 y, en general, cualquier otro satélite. En este sentido, el sistema de baterías y el sistema de protección y control de las baterías todavía necesita pasar muchos tests. Es tremendamente importante que se hagan todas las pruebas posibles en diferentes situaciones para poder alcanzar el circuito más eficiente y fiable que se pueda antes de mandarlo al espacio.