Nanosat極微衛星電源系統規劃與分析

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畢業系所

機械工程學系

論文名稱

Nanosat極微衛星電源系統規劃與分析
(Nanosat power system planning and analysis)

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摘要(中)

本論文係利用各種電機、電子相關理論科學，設計出一個供Nanosat所使用的電源系統，以達成任務需求。Nanosat為10公斤以下的衛星，採用軌道高度800 km的太陽同步圓軌道，軌道傾角為98.6度，軌道週期為101分，主要的任務為CCD雲圖照相、GPS定位。
衛星在不同的操作軌道和任務需求有不同的電力需要，而本論文主要是依據Nanosat的規格做電源系統的設計與規劃。在本文將介紹太陽能電池的規劃及蓄電池的充放電設計，且針對Nanosat的酬載進行電力的估算。經分析及計算得知各個子系統所需要之用電功率約為20 W，最大背光時間約為35分，太陽能板有效面積為0.3029 m2，蓄電池放電深電為20.4 %，蓄電池充電電流為1.035 A，蓄電池充電完成時間為1.096小時。
電源電路系統包含有直流/直流電壓轉換器、整流二極體、電流感測器、電壓感測器、溫度感測器、可控式開關、保險絲等其它元件。根據各子系統之用電需求，設計出滿足各子系統用電需求之電源電路，藉由電源電路系統的處理、控制電能流向，以確保各個子系統能正常運作，並且對元件做測試，透過測試的結果來了解元件特性，及正常之功能，經由各子系統工作週期的分析，來精簡電能使用以達到電源管理的目標。

摘要(英)

The goal of this thesis is design a power system to fit the Nanosat use to reach the mission requirement. The weight of Nanosat is 10 kilograms, sun-synchronous circular orbit, orbit altitude is 800 km, orbit inclination is 98.6 degree, orbit period is 101 minutes. The main mission is atmosphere observation and GPS positioning.
In this project, we’ll introduce the solar arrays planning and the battery charge/discharge designing. Make a power summary table for each mission mode. We know the total power we need is 20 W, maximum eclipse period is 35 minutes, solar arrays effective area is 0.3029 m2, the depth of discharge of battery is 20.4 %, charge current is 1.035 A, complete charge time is 1.096 hr.
The power circuit system including DC-DC converter, diode, current sense, voltage sense, temperature sense, switch component etc. According to the component and system test to ensure the system will be fine. Conduct trade studies in search of design improvements and duty cycle analysis. Refine the power summary table.

關鍵字(中)

★ 蓄電池充放電計算
★ 太陽能陣列規劃
★ 極微衛星電源系統
★ 電源電路

關鍵字(英)

★ battery charge/discharge design
★ solar arrays planning
★ Nanosat power system
★ power system circuit

論文目次

摘要…………………………………………………………………..Ⅰ
目錄…………………………………………………………………..Ⅱ
表目錄…………………………………………………………………..Ⅵ
圖目錄…………………………………………………………………..Ⅶ
符號說明………………………………………………………………..Ⅹ
第一章緒論………………………………………………………...1
1-1 前言………………………………………………….…1
1-2 大學Nanosat發展現況…………………………………..3
1-3 電源系統設計流程……………………………………….9
1-4 衛星系統架構與規格……………………………………10
1-5 Nanosat電源系統任務需求與考量…………………….13
1-6 研究動機與目的…………………………………………14
1-7 本文架構…………………………………………………14
第二章衛星電源系統之介紹………………………………………..15
2-1 電力產生裝置……………………………………………15
2-1-1 太陽能電池特性與介紹…………………………15
2-1-2 太陽能電池發電原理……………………………16
2-1-3 太陽能電池特性曲線……………………………17
2-1-4 太陽能陣列裝配方式…………………………. 18
2-2 電力儲存設備…………………………………………..19
2-2-1 蓄電池特性與介紹……………………………..19
2-2-2 鎳鎘電池(NiCd)………………………………..20
2-2-3 鎳氫電池(NiMH)………………………………..21
2-2-4 鋰電池(Li)……………………………………..21
2-3 電力處理與控制單元…………………………………..23
2-3-1 二極體之特性與介紹…………………………..23
2-3-2 感測器特性與介紹……………………………..25
2-3-3 直流/直流轉換器特性與介紹…………………31
2-4 連結單元………………………………………………..33
第三章衛星電源系統規劃與計算…………………………………34
3-1 太陽能陣列之設計……………………………………..34
3-1-1 設計上的考量…………………………………..34
3-1-2 溫度及輻射的影響……………………………..35
3-1-3 太陽能陣列有效面積之計算…………………..37
3-2 蓄電池之設計…………………………………………..39
3-2-1 設計上的考量…………………………………..39
3-2-2 最大背光時間之計算…………………………..42
3-2-3 放電深度之計算………………………………..44
3-2-4 充電之計算……………………………………..46
第四章電源系統設計與測試………………………………………54
4-1 電源系統設計…………………………………………..54
4-1-1 電源系統設計流程……………………………..54
4-1-2 系統要求與架構………………………………. 55
4-1-3 電路架構………………………………………. 56
4-2 系統元件測試…………………………………………..57
4-2-1 蓄電池充放電測試……………………………..57
4-2-2 直流/直流電壓轉換器測試……………………60
4-3 電路控制設計驗證……………………………………..65
第五章電源管理……………………………………………………68
5-1 電源控制與管理………………………………………..68
5-1-1 各子系統之工作週期…………………………..68
5-1-2 電池管理………………………………………..69
5-2 能量平衡………………………………………………..73
5-3 功率邊際之計算………………………………………..74
第六章結論與未來展望……………………………………………76
6-1 綜合結論………………………………………………..76
6-2 建議與未來展望……………………………………….77
參考文獻……………………………………………………………...78

參考文獻

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5.www.bu.edu/csp/mmm/
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12.“工商時報1998電子電機工業年鑑”, pp. 144, 1998.
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19.www.nspo.gov.tw/raweb/chinese/

指導教授

莊漢東、洪祖昌
(Han-tung Chuang、Zuu-Chang Hing)

審核日期

2002-7-18

推文