# 中央大學飛鼠號電力系統
## 2.1 太陽能光電系統
* **太陽能電池(solar cell)**為基本組成元件。
* **光電效應(photovoltaic effect)**為原理。
* 光電流的大小受**光照強度**影響，高照強度越強，有較高的短路電流。
* P-V曲線峰值:**最大功率點(Maximum Power Point,MPP)**，對應**最大功率點電壓VMPP**與**最大功率點電流IMPP**。
* **填充係數(Fill Factor,FF)**:定義太陽能電池好壞，最大輸出功率與短路電流和開路電壓之積的比值

* **光電轉換效率(η)**:
* PV模組的最大功率隨著溫度提升而減少

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## 2.2 最大功率點追蹤 MPPT
常見的用來進行 MPPT有以下幾種方法
1. Constant Voltage (CV)
最簡單的追蹤方法。事先量測太陽能電池在特定環境條件下的最大功率點電壓，調整工作電壓以直接匹配最大功率追蹤。
**缺點**:無法隨時反映最大功率點電壓雖光照與溫度的影響，使的工作點偏移。
2. Open Circuit Voltage Method
量測開路電壓，乘上經驗參數(通常為76%)來得到最大功率點電壓。
**缺點**:不能準確得到真正的最大功率點。
3. Perturb & Observe (P&O)
使用感測計不斷的量測PV系統輸出端的電壓與電流，來判斷輸出的功率相較於前一個周期的增減，藉此判斷該調整的方向(占空比的增或減)是否使工作點朝向MPP移動。
**優點**:能更準確找出MPP的位置以提高效率；電路不複雜，適合用在cubesat
**缺點**:上。由於P&O會不斷的嘗試調整轉換器的占空比，即使工作點達到MPP之後仍會不斷的在附近震盪，仍然會損失部分的功率。
4. Incremental Conductance (INC)
一樣量測工作點的電壓和電流，計算𝑑𝑃/𝑑𝑉的正或負，即工作點在P-V曲線上的斜率，來判斷工作點相對於P-V曲線的峰值 (MPP)。
**優點**:INC可在斜率接近0時停止調整占空比，不會如P&O一般在MPP附近震盪而損失能量，相較P&O能有更好的效率。
**缺點**:INC的應用電路較為複雜、造價更高；提升的效率在小型PV系統的應用
上也不明顯。

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## 2.4 直流-直流電轉換器(DC-DC Converter)
- 在穩壓器的選擇上由於衛星體積的限制，切換式直流-直流電轉換器是目前被廣為使用的選擇
- 可以分成以下三種:降壓轉換器(buck-converter)、升壓轉換器(boost-converter)、降壓-升壓轉換器
### 降壓轉換器
* [降壓轉換器](https://www.youtube.com/watch?v=l3omgC6OSOk)
- 藉由改變開關的占空比，我們可以控制轉換器的輸出電壓的大小(?)
- 由電感和電容所組成的低通濾波器(low-pass filter)將不連續的輸入電壓轉換為其平均值，即目標的輸出電壓
- 當開關接通時，輸入端的能量流向負載並且同時有部分能量儲存在電感
- 當開關切斷時，原先儲存的能量被釋放並且流向負載
- 降壓轉換器的變壓比介於0到1之間等同於開關的占空比。

### 升壓轉換器
* [升壓轉換器](https://www.youtube.com/watch?v=prdcMFQ4Bvk)
- 利用電感會限制電流大小並且儲存能量的特性
- 透過變化開關的占空比來改變電感的充放電週期，以間接調整輸出電壓的大小
- 當開關接通時，能量由輸入端流入電感並以輸入電壓𝑉𝑑進行充電
- 能量由電感流出至輸出端，此時電感的跨壓為輸出電壓與輸入電壓的差值*Vd − Vo*
### 降壓-升壓轉換器
- 串聯降壓轉換器與升壓轉換器，來得到一個可以提供平均輸出電壓高於或低於輸入電壓的電路

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## 2.5 EPS 架構 (朱:完全看不懂,蔡:me too)
- 關於電力的管理與分配，很大程度受到 EPS 的架構所影響
- 根據電力源輸出端使用 MPPT 或者直接能量傳輸(DET, direct energy transfer)設計，也做為 EPS 架構的其中一個分類項目
1. 分流調準(shunt regulation)：透過短路對應數量的 PV 電路，將 SA 提供的多餘的能量給排掉。
2. 串聯調準(series regulation)：SA 提供的電力會經過一個線性電力轉換器，連接到電源匯流排。
3. 開關線串(string switching)：根據需要使用的能量，透過開關控制將對應的線路連接到電源匯流排。
## 2.5.1 調準匯流排(Regulated bus)
- 典型的調準匯流排(簡寫為 BR)需要在三個面向具有有效的控制迴路
1. Solar Array 的輸出轉換
2. 電池組的充電與放電
3. 提供穩定的電壓給不同的供電模式
- 優點:
- 匯流排電壓並非受電池電壓箝制
- 兼容不能直接並聯的電池種類(如NiCd、NiH2)
- EPS 的熱分析更為簡單

- 缺點:
- 增加了電池充、放電轉換器，擁有較高的成本以及重量
- BDR的設計需要有能力負荷在地蝕情況下負載的電力使用峰值

## 2.5.2 非調準匯流排
- 非調準匯流排的電壓由電池組的電壓所主導

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## 3.2 EPS結構設計
- 為採用 MPPT 的非調準匯流排架構
- 包含三組獨立的最大功率追蹤器/電池充電控制器將太陽能板輸出的電力轉換成電池充電壓，並分配給電池組與主匯流排
- 主匯流排有 Kill switch 負責在衛星彈射前切斷連結電池組與負載端的電力
- 電力次系統也收集各個主要電力介面的電壓與電流資料，透過 I2C 通訊界面傳送給衛星電腦

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## 3.3 電力源設計
### 3.3.1太陽光電的考量
* 發電量的計算採用**最惡劣(worst case)**的條件，即考量太陽能電池運作在高溫環境，並同時受到輻射損害而衰減，以確保系統在整個任務周期內能夠提供足夠的功率給衛星使用。

#### 太陽能板設計
* 任務所使用的 AzurSpace 3G30A型號 太陽能電池
* 太陽光電系統(PV)由數片太陽能板並聯，而單一太陽能板則是由數片太陽能電池串聯組成。
* 以衛星姿態能讓太陽能板朝向太陽光方向為前提，可以假設太陽能電池在衛星軌道上收到的光照強度不變，因此只需要考慮**溫度**的影響。
#### 發電量分析
1. 飛鼠號「軌道高度」為500公里高的太陽同步軌道。根據軌道參數使用STK計算，衛星「繞行地球一圈的時間」約為94.74分鐘；其中「日照時間」約為 59.04分鐘，「背光時間」約為35.3分鐘。
2. 用以下公式計算發電能力:
飛鼠號ex:
- 飛鼠號會在日照時改變姿態使得太陽能板朝向太陽直射方向，因此可以假設𝑐𝑜𝑠𝜃保持為 1
3. 加入光照週期，算出每圈軌道平均P
#### 電力預算(Power Budget)
* 軌道平均電力預算，列出各個次系統在正常運作時的功率(nominal power），加入工作週期(duty cycle)，得出每圈軌道的平均功率(average power)，並與發電量做比較。如下表(飛鼠號)
- 保險起見加入額外 30%的餘量

### 3.3.2電池單元
* **背光**或**地蝕**時，所有的用電都將來自於衛星的電池組。
* 電池組必須有足夠的容量以提供夜側時的用電
* 基於電池壽命的考量，電池組的「**最大放電深度(Depth of discharge)**」，不應超過總電池容量的30%。
#### 電池組容量需求估算
* 電池組容量(W∗h)≥背光面平均功率(W)∗背光時間(h)÷最大放電深度(%)
飛鼠號EX:=9(W)∗0.588(h)÷30%=17.65(W∗h)
#### SOC(State of Charge)(忘記定義是甚麼了 救救我!!)分析
* definition: the level of charge of an electric battery relative to its capacity
* 根據不同模式列出需要運作的次系統，如下圖表。(專題課應該有做過)
* 當衛星電腦偵測到電池電量達到運作模式切換的閾值時，會自動調整衛星各次系統的工作模式符合對應的運作模式設計，如下圖。
* STK做「SOC變化模擬」，要能一直上升並到100%
* 

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## 3.4 電力管理與次系統控制
### 3.4.1 電池充電與MPPT
* 使用[LT3652](https://pse.is/4sm38u)來進行電池充電與 MPP 追蹤
* [CC-CV](https://pse.is/4rvww6)模式充電(Constant Current - Constant Volta)
* 使用[LT3652](https://pse.is/4sm38u)(切換式[降壓轉換器](https://www.youtube.com/watch?v=l3omgC6OSOk))，實現「**電池充電控制**「和「**MPPT**」
* 有教**電感**和**電容**的選擇
### 3.4.3 電力分配
#### 次系統電力分配
* 飛鼠號EPS在各轉換器輸出端與次系統的電力介面之間搭載有控制開關以進行次系統的電力分配。
* 使用[G3VM-31HR](https://pse.is/4shz3e) [固態繼電器(Solid State Relay,SSR)](https://pse.is/4spkvb)作為開關元件。
#### 斷電重啟電路
* 發生問題且不能透過「軟體還原」來解決的情況 ，此時需要進行整個衛星系統的「硬體還原」，亦即將所有次系統的供電切斷一段時間再重新恢復供電。
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## 4.1 電力效能與控制
* 電力調準與控制:使用「**實驗室電源**」替代「**太陽能板或電池**」輸出作為**穩定的電源輸入**。
* 功率量測；使用EPS工程體搭載的「**電壓/電流感測計、三用電表**」來進行檢查。
* 電力重啟:使用「**示波器**」來監控**電壓**的變化。

### 4.1.1 電力調準與電力分配控制
* 測試所有具有**電力調準功能**的**切換式直流-直流轉換器**是否正常運作，並且能藉由**功率開關**進行**電力分配控制**。
* 測試將使用「**電子負載**」模擬衛星消耗功率。
* 「**電力調準**」:使用**電子負載**連接單一負載介面，逐步增加負載的電流，測試輸出電壓與設計數值的誤差。如下圖。

### 4.1.2 MPPT電池充電器
測試**MPPT電池充電器[LT3652](https://pse.is/4sm38u)**:
* 使用**電子負載**調整至**CV**模式以**模擬電池組**。
* 由於LT3652會感測負載端的電壓以判斷是否有正確連接到電池組或者電池組電壓過低需要進行預充電(低電流充電模式 )，需並聯一組實驗室電源以提供初始電壓

測試**MPPT**:
* 測試方式為確認在調整可變電阻的電阻值比例後，輸入電壓會的電阻值比例後，輸入電壓會隨之改變。

[LT3652](https://pse.is/4sm38u)在電池充電控制的部分採用[CC-CV](https://pse.is/4rvww6)的模式
### 4.1.4 總體電力效能
* 𝑃𝑙𝑜𝑎𝑑𝑠為各負載的功率；𝑃𝑃𝑉為太陽光電系統提供的輸入功率；𝑃𝐶𝐻𝐺與𝑃𝐷𝑆𝐺分別為電池組充電和放電的功率。

- 針對幾種以電池組作為電力源的任務模式(PHX、SAFE、SCI)，同時改變輸入的電池組電壓下的轉換效率。
- 幾乎所有情況下的轉換效率都大於 95%
- 電池組的電壓在同樣負載條件下對轉換效率的影響不大

- 對應不同電池電壓與輸出功率下的電力轉換效率
- 總體的能量轉換效率約在 84~87%之間
- 電池組電壓對應的轉換效率並沒有發現明顯的關聯性
- 充電功率對應的轉換效率，同樣也找不出明顯的關聯性
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## 4.2 資料收集與通訊

### 4.2.2 類比-數位轉換器
* [類比-數位轉換器](https://pse.is/4thbwx)將檢測EPS各種「**類比**」形式的連續數據，轉化為「**數位**」形式的離散訊號，傳給CDH。
* 飛鼠號搭載[AD7998類比-數位轉換器](https://pse.is/4llgzq)

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## MinXss的EPS結構

* [MOSFET](https://pse.is/4qdycm)
* [NA3221]()

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## 參考資料
[low-pass filter](https://www.analog.com/en/design-center/glossary/low-pass-filter.html)
[降壓轉換器](https://www.youtube.com/watch?v=l3omgC6OSOk)
[升壓轉換器](https://www.youtube.com/watch?v=prdcMFQ4Bvk)
[General Purpose Input/Output(GPIO) Introduction](https://ithelp.ithome.com.tw/articles/10241686)
[LT3652](https://pse.is/4sm38u)
[G3VM-31HR](https://pse.is/4shz3e)
[固態繼電器](https://pse.is/4spkvb)
[CC-CV](https://pse.is/4rvww6)
[類比-數位轉換器](https://pse.is/4thbwx)
[AD7998類比-數位轉換器](https://pse.is/4llgzq)
[MOSFET](https://pse.is/4qdycm)

## 目前問題
1. 為何調整 PV 模組輸出端串接的直流-直流轉換器的占空比(Duty ratio)可以改變 PV 模組的工作電壓
2. 匯流排的調準
3. 晶片的電路圖看不太懂(ex 圖25)
4. 反相施密特觸發器效果跟原理