Stromversorgung

Die Stromversorgung im Propellerballonprojekt besteht aus insgesamt 6 Einheiten:

Schaltplan der Stromversorgung:

Schaltplan_Stromversorgung

Solarzelle

Deckel mit 2 Solarzellen

Deckel mit 2 Solarzellen

Eine Solarzelle soll verwendet werden um den Li-Ion Akkumulator während des Experiments nachzuladen und zu testen, ob eine sparsame Nutzlast vielleicht komplett aus einer modernen Solarzelle versorgt werden kann. Wir verwenden zwei polykristalline Solarzelle, die sich auf dem Deckel befinden und zusammen gerade mal 10g wiegen. Da der Start der Ballonnutzlast am Tag stattfindet, haben wir spätestens nach durchbrechen der Wolkendecke direkte Sonneneinstrahlung. Die Solarzellen sind mit je 500mV Spannung und 400mA Strom spezifiziert. Da wir beide parallel geschaltet haben, steht uns ein Strom von maximal 800mA zur Verfügung.

 

Solarladeregler

Eine Solarzelle ist ähnlich wie ein Peltier-Element eine Stromquelle. Wird eine Solarzelle belastet, sinkt die Spannung, während der Strom zunimmt. Wird die Zelle überlastet, brechen Spannung und Strom sehr plötzlich ein. Kurz vor der Überbelastung gibt es einen Punkt, an dem die Solarzelle die höchste Leistung gemäß

MPP unserer Solarzellen. Gemessen mit einem Datenlogger vom Typ „Nicolet Vision“.abgibt. Dies ist der Maximum Power Point. Um die elektrische Energie einer Solarzelle effizient nutzen zu können, braucht man also einen speziellen Solarladeregler. Der Baustein LTC3105 ist darauf ausgelegt, durch Regelung des Stromes die maximale Leistung aus der Solarzelle abzurufen. D.h. die Solarzelle wird im Bereich des Maximum Power Point betrieben.

Kann die Solarzelle z.B. wegen Wolken nur wenig Strom abgeben, reduziert der Regler die Leistungsaufnahme. Dadurch wird sichergestellt, dass die Versorgungsspannung nicht zusammenbricht und der Betrieb des LTC3105 unmöglich wird.

Den Ausgang des Solarladereglers wurde auf 4,3V eingestellt, da dies die optimale Ladespannung für den eingesetzten Li-Ion Akku ist.

  • Modell: LTC3105 von Linear Technologies
  • Spannung: ab 250mV
  • Ausgangsstrom: max. 400mA
  • Gewicht: 0,2 g
  • Temperaturbereich: -40°C bis 85°C
  • Besonderheiten: Maximum Power Point Control
  • Bezugsquelle: Farnell
  • Preis: 7,87 €

 

Ladestrommesser

Damit wir die von der Solarzelle abgegebene Energie messen können, benötigen wir einen Ladestrommesser. Der LTC2942 misst die anliegende Spannung sowie den Strom, indem er den Spannungsabfall an einem Shuntwiderstand zyklisch misst. Weiterhin hat der Baustein noch einen Temperatursensor. Durch Integration der Werte bestimmt der Chip die übertragene Ladungsmenge gemäß

.

Der Chip braucht außer einem Widerstand keine weiteren Bauteile und stellt die gemessenen Werte über den I²C-Bus zur Verfügung.

  • Modell: LTC2942 von Linear Technologies
  • Eingangsspannung: 0 – 6V
  • Gewicht: 0,2 g
  • Temperaturbereich: -40°C bis 85°C
  • Besonderheiten: Winzig
  • Bezugsquelle: Farnell
  • Preis: 5,93 €

 

Ladeschutzschaltung

Damit der Li-Ion Akku nicht überlädt und gar explodiert, verwenden wir vor dem Akku eine Ladeschutzschaltung. Der Akku besitzt zwar einen Protection Chip, allerdings trennt dieser bei Überladung die Batterie ab, was in unserem Anwendungsfall einen Ausfall der Nutzlast zur Folge hätte. Der temperaturkompensierte, intelligente Shuntregler LTC4070 steuert bei einer Spannung von 4,1V eine P-FET an und verhindert so zuverlässig ein Überladen des Akkus.

  • ModellLTC4070 von Linear Technologies
  • Spannung: 4,0 V bis 4,2 V in Stufen
  • Shuntstrom: 50mA intern
  • Gewicht: 0,2 g
  • Temperaturbereich: -40°C bis 85°C
  • Besonderheiten: Mehr Strom möglich mit externem FET
  • Bezugsquelle: Farnell
  • Preis: 7,78 €

 

Akkumulator

Akku

Akku

Da die Nutzlast mit 3,3V läuft, wurde ein Li-Ion Akkumulator gewählt. Diese Akkus sind zuverlässig und vielfach bewährt, so dass dieser Akku Typ auch in diesem Projekt gewählt wurde.
Bei der Auswahl der Akkus gab es folgende Punkte zu berücksichtigen:

  • Energiedichte (mAh pro Gramm)
  • zulässiger Temperaturbereich
  • Verhalten bei niedrigem Umgebungsdruck
  • Beschaffbarkeit und Preis

Auf Grund der Energiedichte sind Lithium-Polymer Akkumulatoren die erste Wahl gewesen, allerdings lagen hier keine Erfahrungen bzw. Quellen zum Verhalten bei niedrigem Umgebungsdruck oder niedrigen Temperaturen vor.

Bei der Recherche fiel uns auf, dass Industriezellen vom Typ 18650 bereits auf Weltraumtauglichkeit getestet wurden (Jeevarajan, 2010). Weitere Recherchen führten zu einer Studie über das Verhalten von 18650 Akkumulatoren bei niedrigen Temperaturen (Jiang, 2003), die für den erwarteten Temperaturbereich einen Kapazitätsverlust von 20% anführt. Auf Grund des Alters der Studie kann man davon ausgehen, dass aktuelle Modelle weniger Verluste haben. Da die Akkus dieser Bauform der Jugendgruppe aus ihren LED-Taschenlampen gut bekannt und damit verfügbar waren, fiel die Wahl letztendlich auf diese Akkutyp.

Li-Ion Akku 3.6V / 3400mAh

Li-Ion Akku 3.6V / 3400mAh

Für die Auswahl des Akkus wurde der 18650-Komparator von Henrik Jensen  verwendet, der einen umfangreichen Kapazitätsvergleich bei verschiedenen Entladeströmen bietet. Da die geplante Nutzlast nur wenig Strom verbrauchen wird, verglichen wir jeweils die Entladekurven für 200mA miteinander. Leider schnitten die Akkus unserer Taschenlampen in diesem Test nur mäßig ab, so dass wir uns für den Kauf des besten, beschaffbaren Markenakkus entschieden haben:

  • Modell: EnerPower 18650 Blue von ENERdan GmbH
  • Spannung: 3,6 V
  • Kapazität: 3400 mAh
  • Gewicht: 48,1 g (70,8 mAh/g)
  • Temperaturbereich: -20°C bis 60°C
  • Besonderheiten: Vorkonfektionierte Anschlußkabel, Protection Chip
  • Bezugsquelle: ENERdan via Amazon
  • Preis: 16,50 €

 

Spannungsregler

Da die Elektronik mit 3,3V arbeitet, müssen wir mit einem Spannungsregler die (variable) Spannung des Akkus auf 3,3 V regeln. Die Auswahl des Spannungsreglers war auf Grund der vielen verfügbaren Modelle recht aufwändig. Folgende Kriterien wurden für die Auswahl verwendet:

  • Keine externe Schottky Diode oder externer FET nötig
  • großer Wirkungsgrad
  • Ausgangsspannung fest oder einstellbar auf 3,3V
  • hoher Eingangsspannungsbereich (bis zur Entladeschlusspannung des Akkus)
  • Ausreichend hoher Ausgangsstrom, um die Nutzlast zu betreiben

Wegen der Forderung nach hoher Effizienz kamen nur Schaltregler in Frage. Da die Batteriespannung in jedem Fall oberhalb der 3,3V Ausgangsspannung liegt, benötigen wir einen „Buck“ oder „StepDown“ Regler. Wir hatten bereits im FichtenFieldday-Lötprojekt „FAniLCD“ den Regler LTC3525 kennengelernt, allerdings liefert dieser nur 65mA. Der Hersteller Linear bietet in der LTC31xx-Familie einen Abwärtsregler, der alle geforderten Kriterien erfüllt und bis zu 800mA Ausgangsstrom liefert.

Da ähnliche Regler von anderen Herstellern noch schlechter lötbar sind, entschieden wir uns für den LTC3560 im handlichen TSOT-23 Gehäuse.

  • Modell: LTC3560 von Linear Technologies
  • Eingangsspannung: Vout bis 5,5V
  • Ausgangsstrom: 800mA
  • Gewicht: 0,2 g
  • Temperaturbereich: -40°C bis 85°C
  • Besonderheiten: Bis zu 95% Effizienz
  • Bezugsquelle: Farnell
  • Preis: 4,00 €

Ein Gedanke zu „Stromversorgung

  1. Koess

    Diskussion der Messwerte:

    Es waere schoen, wenn in dem Diagramm Werte fuer die Zeitachse eingetragen wuerden,
    um an Hand der APRS-Daten eine bessere Zuordnung der Messwerte zur Hoehe der Nutzlast
    zu bekommen.

    Aussentemperatursensor:
    Die Nacharbeiten an der Aussentraegerplatine haben deutlichen Erfolg gebracht!
    So differiert die Aussentemperaturmessung in der kaeltesten Luftschicht "nur"
    um 4 grad ( -44 / -48 ). Dies ist bei der Art der Montage und der Art der
    Luftanstroemung sicher ein guter Wert!
    Die tatsaechliche Temperatur duerfte in 11 - 12 km Hoehe bei ca. -50 grad
    gelegen haben.
    Bei weiterem Anstieg zeigt sich allerdings die Problematik der Aussentemperaturmessung:
    Beim Aufstieg liegt der Sensor im verwirbelten Windschatten der Platine bei moderater
    Aufstiegsgeschwindigkeit. Sobald nun aber der Ballon geplatzt ist, aendert sich dies
    ploetzlich: Nun ist der Ballon zunaechst im freien Fall, kaum gebremst durch eine
    duenne Luft. Dadurch wird der Sensor durch eine scharfe Luftstroemung angestroemt
    bis sich der Fallschirm oeffnet. (Ist bei der "nach-oben-Camera" zu erkennen, wann
    der Fallschirm aufgeht?) Im Ergebnis erscheint dadurch ein Temperatursprung von ca.
    10 grad aufzutreten.

    Beim Temperatursensor des Feuchtesensors ist allerdings eine offensichtliche
    Begrenzung des Messwertes vorhanden. Damit sind diese Temperaturdaten nur bis
    -40 grad verwendbar.

    Luftdrucksensor:
    Es waere schoen, wenn Luftdruckwerte an der y-Achse angebracht wuerden.
    Der Luftdruck beim Platzen des Ballons duerfte in 19km Hoehe etwa bei 100 hPa
    gelegen haben. Immerhin zeigt die Kurve, dass bereits morgens vor dem Start
    der Luftdruck gesunken ist, aber nach dem Heimkommen des Teams kaum mehr
    veraendert war. Auch ist deutlich erkennbar, dass der Bergungsort deutlich
    hoeher lag, als die Ham Radio (ca. 1950m ?)

    Temperatur des Ladungssensors ist offensichtlich ausgefallen, jedoch sicher nicht
    durch mechanische oder Umwelt-Einfluesse, denn der Ausfall ist erst nach der
    Landung eingetreten.

    Innentemperatur:
    Die Ausfaelle der beiden Cameras fuehren zu einer reduzierten Verlustleistung
    und damit zu einem Abfall der Temperatur. Warum sind die Cameras ausgefallen?
    Temperaturprobleme? Batteriespannung?
    Habt Ihr Strategien, um solche Ausfaelle in Zukunft zu vermeiden?
    Werden Bilder / Videos der Cameras demnaechst veroeffentlicht?

    Werden Telemetriedaten (GPS) demnaechst veroeffentlicht?

    Haben die Solarzellen deutlich zur Stromversorgung beigetragen?
    Eine ueberschlaegige Rechnung ergibt, dass Ihr 500mV*800mA = 400mW bekommt.
    Bei einer Akkuspannung von 3.3V ergaebe dies nach Abzug von Wandlungsverlusten
    einen Ladestrom von vielleicht 100mA - genug, um eine Notstromversorgung fuer
    wichtige Komponenten zu ermoeglichen (sofern wenigstens tagsueber Sonne auf die
    Solarzellen faellt.)
    Waere es sinnvoll, starke Verbraucher (z.B. Cameras) nach der Landung abzuschalten,
    um die fuer das Verfolgerteam wichtigen Telemetriedaten APRS und Baken moeglichst
    lange weiter mit Strom versorgen zu koennen, sofern zusaetzlich HF Module dazu
    gebaut wuerden? Manche GPS Empfaenger ermoeglichen zum Einsparen von Strom,
    das Modul periodisch in einen Schlafzustand zu versetzen, weil GPS RX relativ
    viel Strom benoetigen.

    Fliegt Eure Nutzlast demnaechst wieder einmal bei einer Ballonmission mit?

    Insgesamt aber Gratulation zu Eurem grossen Erfolg! Schliesslich war dies ein
    Startversuch fuer Euch, die Ihr mehr oder weniger Laien auf diesem Gebiet gewesen seid.
    Bei Eurem Projekt zeigt sich, dass eine gruendliche Vorbereitung der wichtigste
    Schritt zu einem guten Erfolg ist!

    73 de DB1MRK

Schreibe einen Kommentar