Performance ¡and ¡Verifica/on ¡Tes/ng ¡of ¡an ¡ Electrical ¡Power ¡System ¡for ¡a ¡CubeSat ¡ Seth ¡Folley ¡ St. ¡Mary’s ¡University ¡of ¡San ¡Antonio, ¡Texas ¡ Mentors: ¡Tom ¡Woods, ¡Chris ¡Sawyer, ¡MaH ¡Carton, ¡Amir ¡Caspi, ¡ ¡ James ¡Mason ¡ 1 ¡
Goals ¡ • Develop ¡monitoring ¡soMware ¡for ¡the ¡Electrical ¡ Power ¡System ¡for ¡CubeSat ¡mission ¡ • Test/verify ¡the ¡performance ¡of ¡the ¡Electrical ¡ Power ¡System ¡ 2 ¡
CubeSats ¡ • Small ¡satellites ¡ • Standard ¡in ¡Pico ¡satellites ¡ ¡ – 10cm ¡x ¡10cm ¡x ¡10cm ¡which ¡is ¡ 1 ¡unit ¡or ¡1U ¡ – 1.33 ¡kg ¡limit ¡per ¡1U ¡ • Idea ¡developed ¡by ¡Cal ¡Poly ¡ and ¡Stanford ¡ • Experience ¡for ¡students ¡ 3 ¡
MinXSS: ¡Miniature ¡X-‑ray ¡Solar ¡ Spectrometer ¡ 4 ¡
MinXSS ¡ • 3 ¡year ¡Grad ¡Student ¡project ¡ • 3U ¡CubeSat ¡ • Low ¡earth ¡orbit ¡ 5 ¡
MinXSS ¡ • Will ¡measure ¡the ¡intensity ¡of ¡the ¡soM ¡x-‑ray ¡ spectrum, ¡0.6 ¡keV ¡(20 ¡Å) ¡to ¡30 ¡keV ¡(0.4 ¡Å) ¡ Courtesy ¡of ¡Amir ¡Caspi ¡ 6 ¡
Mechanical ¡Model ¡ +Z ¡ +Z ¡ +X ¡ +Y ¡ +Y ¡ +X ¡ 7 ¡
Command ¡and ¡Data ¡Handling ¡ • The ¡brains ¡of ¡MinXSS ¡ • Gathers ¡housekeeping ¡data ¡ • Commands ¡various ¡instruments ¡ ¡ 8 ¡
Solar ¡Cells ¡ • Triple ¡Junc/on ¡ • Triple ¡Junc/on ¡is ¡more ¡ efficient, ¡up ¡to ¡44% ¡ efficiency ¡in ¡labs, ¡30% ¡ commercial ¡ 9 ¡
BaHeries ¡ • Lithium ¡Polymer ¡ • 4 ¡baHeries ¡total ¡ • 8.4 ¡V ¡max ¡ – 2 ¡sets ¡in ¡series ¡at ¡ 4.2V ¡each ¡ • 4 ¡Ah ¡ 10 ¡
BaHeries ¡ Charging ¡Current ¡Characteris/cs ¡ 11 ¡
BaHeries ¡ 12 ¡
Electrical ¡Power ¡System ¡ 13 ¡
Electrical ¡Power ¡System ¡ • Regulates ¡Power ¡going ¡to ¡ the ¡various ¡subsystems ¡ • Solar ¡Panel ¡input ¡ • BaHery ¡Charging ¡ 14 ¡
SoMware ¡ • Communicate ¡to ¡various ¡devices ¡through ¡ Inter-‑Integrated ¡Circuit ¡or ¡I 2 C ¡ • Read ¡in ¡raw ¡data ¡numbers ¡and ¡convert ¡to ¡ Volts, ¡Amps, ¡and ¡Temperatures ¡ 15 ¡
16 ¡
SoMware: ¡Lessons ¡Learned ¡ • Talking ¡to ¡the ¡various ¡chips ¡ • Understanding ¡the ¡raw ¡data ¡ • Making ¡sure ¡read ¡data ¡was ¡correct ¡data ¡ • What ¡if ¡the ¡problem ¡wasn’t ¡soMware? ¡ • Staying ¡organized ¡and ¡commen/ng ¡ 17 ¡
Tes/ng: ¡Why? ¡ • Comparing ¡modeled ¡vs. ¡actual ¡ • To ¡know ¡and ¡understand ¡the ¡limits ¡of ¡the ¡EPS ¡ • To ¡know ¡the ¡efficiencies ¡of ¡the ¡EPS ¡design ¡ 18 ¡
Tes/ng: ¡What? ¡ • EPS ¡components ¡ – Solar ¡panel ¡regulators ¡ – 3.5 ¡V ¡and ¡5 ¡V ¡regulators ¡ • BaHeries ¡ – Capacity ¡ ¡ • Mission ¡Simula/on: ¡“A ¡Day ¡in ¡the ¡Life” ¡ – Orbi/ng ¡day ¡and ¡night ¡ 19 ¡
Tes/ng: ¡3.5 ¡V ¡and ¡5 ¡V ¡Efficiency ¡ Efficiency ¡for ¡3.5 ¡V ¡Converter ¡ 94.00% ¡ 92.00% ¡ 90.00% ¡ 88.00% ¡ ? ¡ Efficiency ¡ 86.00% ¡ Efficiency ¡for ¡5 ¡V ¡Converter ¡ 84.00% ¡ 95.00% ¡ 82.00% ¡ 0 ¡ 0.5 ¡ 1 ¡ 1.5 ¡ 2 ¡ 2.5 ¡ 3 ¡ 3.5 ¡ 94.00% ¡ Current ¡Load ¡(A) ¡ 93.00% ¡ 92.00% ¡ 91.00% ¡ Efficiency ¡ 90.00% ¡ 89.00% ¡ 88.00% ¡ 0 ¡ 0.5 ¡ 1 ¡ 1.5 ¡ 2 ¡ 2.5 ¡ 3 ¡ 20 ¡ Current ¡Load ¡(A) ¡
Tes/ng: ¡Panel ¡Efficiency ¡ 102.00% ¡ 100.00% ¡ 98.00% ¡ 96.00% ¡ 20 ¡V ¡ 17 ¡V ¡ 94.00% ¡ 14 ¡V ¡ 92.00% ¡ 90.00% ¡ 88.00% ¡ 0 ¡ 0.5 ¡ 1 ¡ 1.5 ¡ 2 ¡ 2.5 ¡ 3 ¡ Current ¡Load ¡ 21 ¡
Tes/ng: ¡BaHery ¡Discharge ¡Results ¡ BaHery ¡Discharge ¡Voltage ¡vs. ¡Time ¡ 22 ¡
Tes/ng: ¡BaHery ¡Charge ¡Results ¡ BaHery ¡Charge ¡Voltage ¡vs. ¡Time ¡ Range ¡of ¡Time ¡for ¡Orbit ¡ Time ¡(minutes) ¡ 23 ¡
Tes/ng: ¡Mission ¡Simula/on ¡ Reveals ¡Robust ¡Design ¡ Solar ¡Array ¡Simulator ¡State ¡of ¡Charge ¡vs. ¡Time ¡ 24 ¡
Tes/ng: ¡Mission ¡Simula/on ¡ Solar ¡Array ¡Simulator ¡Voltage ¡vs. ¡State ¡of ¡Charge ¡ Charging ¡ Discharging ¡ 25 ¡
Conclusion ¡ • The ¡EPS ¡board ¡is ¡populated ¡correctly ¡ • EPS ¡design ¡runs ¡correctly ¡and ¡is ¡efficient ¡ • Slight ¡modifica/ons ¡to ¡improve ¡baHery ¡charging ¡ 26 ¡
Acknowledgements ¡ ¡ • Tom ¡Woods ¡ • Grad ¡Students: ¡Chris ¡Sawyer, ¡MaH ¡Carton, ¡James ¡ Mason ¡ • Everyone ¡on ¡the ¡MinXSS ¡team ¡ • Marty ¡and ¡Erin ¡ • All ¡the ¡REU ¡students ¡ • Boulder ¡for ¡being ¡awesome ¡ ¡ 27 ¡
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