식 구간에서 인공위성이 필요로 하는 모든 전력을 공급하는 배터리의 수명은 인공위성의 수명과 직결된다. 배터리의 수명은 배터리 충전 방식에 의해 영향을 받으므로, 배터리 충전을 제어하는 전력제어유닛은 배터리 수명을 고려하여 설계되어야 한다. 배터리 충전은 낮 구간에서 태양전지로부터 생성된 전력을 전력제어유닛의 충전 전류 제어를 통해 이루어진다. 계절마다 다른 식 구간의 빈도를 고려하고 배터리 과충전 방지를 위하여 배터리 충전관련 변수들은 계절에 따라 각각 다르게 설계되어야 한다. 또한 충전 시 과전류 충전과 과전압 충전을 방지하기 위해 배터리 충/방전 상태, 충전전류 양, 배터리 전압, 배터리 용량, 배터리 온도, 배터리 셀 전압 등을 모니터링 하여 충전 전류를 제어한다. 인공위성에서는 각 조건을 반영하여 충전 전류를 제어하는 tapering 방식을 사용한다. 본 논문에서는 tapering 충전 방식을 적용한 인공위성 전력제어유닛의 배터리 충전 알고리즘을 설계한다. 설계된 알고리즘을 위성에 업로드 할 수 있는 코드로 변환하고 구축된 위성환경에서의 시험을 통해 동작을 검증한다.
식 구간에서 인공위성이 필요로 하는 모든 전력을 공급하는 배터리의 수명은 인공위성의 수명과 직결된다. 배터리의 수명은 배터리 충전 방식에 의해 영향을 받으므로, 배터리 충전을 제어하는 전력제어유닛은 배터리 수명을 고려하여 설계되어야 한다. 배터리 충전은 낮 구간에서 태양전지로부터 생성된 전력을 전력제어유닛의 충전 전류 제어를 통해 이루어진다. 계절마다 다른 식 구간의 빈도를 고려하고 배터리 과충전 방지를 위하여 배터리 충전관련 변수들은 계절에 따라 각각 다르게 설계되어야 한다. 또한 충전 시 과전류 충전과 과전압 충전을 방지하기 위해 배터리 충/방전 상태, 충전전류 양, 배터리 전압, 배터리 용량, 배터리 온도, 배터리 셀 전압 등을 모니터링 하여 충전 전류를 제어한다. 인공위성에서는 각 조건을 반영하여 충전 전류를 제어하는 tapering 방식을 사용한다. 본 논문에서는 tapering 충전 방식을 적용한 인공위성 전력제어유닛의 배터리 충전 알고리즘을 설계한다. 설계된 알고리즘을 위성에 업로드 할 수 있는 코드로 변환하고 구축된 위성환경에서의 시험을 통해 동작을 검증한다.
The lifetime of a battery that supplies all the power required by a satellite in the eclipse is directly related to the lifetime of the satellite. Because the lifetime of the battery is influenced by the charging method of the battery, the power control unit that controls the charging of the battery...
The lifetime of a battery that supplies all the power required by a satellite in the eclipse is directly related to the lifetime of the satellite. Because the lifetime of the battery is influenced by the charging method of the battery, the power control unit that controls the charging of the battery should be designed in consideration of battery life. The battery charging is performed by controlling the charge current in the power control unit generated from the solar cell in the daytime. In order to prevent overcharge of the battery and for considering frequency of eclipse in each season, parameters related battery charging should be designed differently according to the season and to prevent over-current charging and over-voltage charging during charging, charge current is controlled by monitoring battery charge / discharge status, charge current amount, battery voltage, battery capacity, battery temperature and battery cell voltage. In satellite, tapering method is used to control charge current by reflecting each condition. In this paper, design battery charging algorithm of satellite power control unit using tapering charging method. convert the designed algorithm into a code that can be uploaded to satellites and verify the operation through testing in the established satellite environment.
The lifetime of a battery that supplies all the power required by a satellite in the eclipse is directly related to the lifetime of the satellite. Because the lifetime of the battery is influenced by the charging method of the battery, the power control unit that controls the charging of the battery should be designed in consideration of battery life. The battery charging is performed by controlling the charge current in the power control unit generated from the solar cell in the daytime. In order to prevent overcharge of the battery and for considering frequency of eclipse in each season, parameters related battery charging should be designed differently according to the season and to prevent over-current charging and over-voltage charging during charging, charge current is controlled by monitoring battery charge / discharge status, charge current amount, battery voltage, battery capacity, battery temperature and battery cell voltage. In satellite, tapering method is used to control charge current by reflecting each condition. In this paper, design battery charging algorithm of satellite power control unit using tapering charging method. convert the designed algorithm into a code that can be uploaded to satellites and verify the operation through testing in the established satellite environment.
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문제 정의
본 논문에서는 배터리 수명을 증가시킬 수 있는 제어 방식을 적용하기 위해 tapering 충전 방식의 배터리 충전 알고리즘을 설계하고 실험을 통해 설계 알고리즘의 동작을 검증한다.
본 논문에서는 위성의 수명과 직결되는 위성의 배터리 수명을 증대하기 위해 필요한 위성 배터리 충전을 위한 전력제어유닛의 알고리즘을 설계 하였다. 해당 알고리즘은 계절, 배터리 충/방전 상태, 충전전류 양, 배터리 전압, 배터리 용량, 배터리 온도, 배터리 셀 전압 등을 고려하여 설계 되었다.
제안 방법
위의 실험 결과들을 통해 본 논문에서 설계한 배터리 충전 알고리즘의 성능을 검증하였다. 또한 배터리 수명을 위해 충전 시 과전압 충전과 과전류 충전을 방지하기 위한 목적에 부합하는 배터리 충전 알고리즘을 설계한 것을 확인 하였다.
해당 알고리즘은 계절, 배터리 충/방전 상태, 충전전류 양, 배터리 전압, 배터리 용량, 배터리 온도, 배터리 셀 전압 등을 고려하여 설계 되었다. 설계 된 배터리 충전 알고리즘을 실제 위성에 업로드 할 수 있는 코드로 변환하고 실제 위성 운용 환경과 동일한 전기적 시험 환경을 구축하여 검증하였다.
앞에서 계절, 배터리 충/방전 상태, 충전전류 양, 배터리 전압, 배터리 용량, 배터리 온도, 배터리 셀 전압 등을 고려하여 설계한 배터리 충전 알고리즘을 실제 위성에 업로드 할 수 있는 코드로 변환하고 실제 위성 운용 환경과 동일한 전기적 시험 환경을 구축하여 시험을 수행하였다. 그림 4는 실제 위성 형상에서의 전력제어유닛과 배터리를 나타내었다.
그림 4는 실제 위성 형상에서의 전력제어유닛과 배터리를 나타내었다. 전력제어유닛의 입력은 태양전지판 대신 태양전지시뮬레이터 시험 장비를 통해 구현하였다.
이 때 BCDR (Battery Charge Discharge Regulator)을 통해 bus capacitor 쪽으로 전달하는 전력 양에 따라 배터리에 충전되는 전력양이 제어된다. 즉 ASR, BDR, BCDR로 구성되는 전력제어유닛의 배터리 충전 기능관련 회로의 알고리즘 설계를 통해 배터리 충전 기능의 제어가 가능해 진다. 제어방식은 배터리의 과전류 충전과 과전압 충전을 방지하기 위해 계절, 배터리 충방전 상태, 충전전류 양, 배터리 전압, 배터리 용량, 배터리 온도, 배터리 셀 전압 등을 모니터링 하며 충전 전류를 제어하는 tapering충전 방식을 사용한다.
본 논문에서는 위성의 수명과 직결되는 위성의 배터리 수명을 증대하기 위해 필요한 위성 배터리 충전을 위한 전력제어유닛의 알고리즘을 설계 하였다. 해당 알고리즘은 계절, 배터리 충/방전 상태, 충전전류 양, 배터리 전압, 배터리 용량, 배터리 온도, 배터리 셀 전압 등을 고려하여 설계 되었다. 설계 된 배터리 충전 알고리즘을 실제 위성에 업로드 할 수 있는 코드로 변환하고 실제 위성 운용 환경과 동일한 전기적 시험 환경을 구축하여 검증하였다.
데이터처리
위의 실험 결과들을 통해 본 논문에서 설계한 배터리 충전 알고리즘의 성능을 검증하였다. 또한 배터리 수명을 위해 충전 시 과전압 충전과 과전류 충전을 방지하기 위한 목적에 부합하는 배터리 충전 알고리즘을 설계한 것을 확인 하였다.
성능/효과
Constant_charge 모드는 1로 end_of_charge는 0으로 표기하였다. Constant charge 모드에서 tapering 단계가 0부터 20까지 총 21단계에 거처 증가 하고 배터리 충전 레벨과 배터리 충전 전류도 8 A부터 0A 까지 같이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이 때 각 tapering 단계에 맞게 설정된 배터리 충전 레벨과 배터리 충전 전류가 정확하게 매칭 되는 것과 tapering 단계가 모두 종료된 후 배터리 충전 모드가 end_of_charge 모드로 변경되는 것을 확인 할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
배터리 설계 시 고려되어야 할 사항은 무엇인가?
즉 배터리는 식 기간에서의 인공위성 임무 수행을 가능하게 하기 때문에 배터리의 수명은 인공위성의 수명과 직결된다. 배터리 충전 방식은 배터리 수명에 영향을 주기 때문에 배터리 충전을 제어하는 전력제어유닛의 배터리 충전 기능관련 회로와 제어기술은 배터리 수명을 증가시킬 수 있는 방법을 고려하여 설계되어야 한다. 전력제어유닛의 배터리 충전 기능관련 회로를 그림 1에 나타내었다.
배터리의 수명이 인공위성의 수명과 직결되는 이유는 무엇인가?
인공위성의 임무는 식 기간과 낮 기간에 모두 수행된다. 낮 기간에는 인공위성이 필요로 하는 전력을 태양전지를 통해 공급 받지만 식 기간에는 태양을 볼 수 없기 때문에 오직 배터리를 통해 모든 전력을 공급받는다. 즉 배터리는 식 기간에서의 인공위성 임무 수행을 가능하게 하기 때문에 배터리의 수명은 인공위성의 수명과 직결된다. 배터리 충전 방식은 배터리 수명에 영향을 주기 때문에 배터리 충전을 제어하는 전력제어유닛의 배터리 충전 기능관련 회로와 제어기술은 배터리 수명을 증가시킬 수 있는 방법을 고려하여 설계되어야 한다.
전력제어유닛의 배터리 충전 기능을 설명하시오
전력제어유닛의 배터리 충전 기능관련 회로를 그림 1에 나타내었다. 그림 1의 bus capacitor는 위성이 필요로 하는 전력을 공급하는 capacitor이며 태양전지의 main section으로부터 생성된 전력이 shunt switch와 diode로 구성되는 ASR (Array Switching Regulators)을 통해 전달된다. 배터리는 태양전지의 charge section으로부터 생성된 전력이 ASR을 통해 전달된다. 이 때 BCDR (Battery Charge Discharge Regulator)을 통해 bus capacitor 쪽으로 전달하는 전력 양에 따라 배터리에 충전되는 전력양이 제어된다. 즉 ASR, BDR, BCDR로 구성되는 전력제어유닛의 배터리 충전 기능관련 회로의 알고리즘 설계를 통해 배터리 충전 기능의 제어가 가능해 진다.
참고문헌 (4)
Esteban Sanchis; Enrique Maset; Agustin Ferreres; Juan B. Ejea; Vicente Esteve; Jose Jordan; Ausias Garrigos; Jose M. Blane "B High-Power Battery Discharge Regulator for Space Applications ", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Year: 2010, Volume: 57, Issue: 12, Pages: 3935 - 3943
J. R. Lee; B. H. Cho; S. J. Kim; F. C. Lee "Modeling and simulation of spacecraft power systems", IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Year: 1988, Volume: 24, Issue: 3, Pages: 295 - 304
Hong Li; Shiheng Wang; Jinhu Lu; Xiaojie You; Xinghuo Yu "Stability Analysis of the Shunt Regulator With Nonlinear Controller in PCU Based on Describing Function Method", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Year: 2017, Volume: 64, Issue: 3, Pages: 2044 - 2053
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