STRATOSPHERE2016/Energieversorgung

Energieversorgung für Ballonmissionen mit Raspberry Pi und APRS

Auf dieser Seite werden sammeln Details zum Konzept der Energieversorgung der Sonde unseres Stratosphärenballon-Projekts für andere ähnliche Projekte dokumentieren.

Überblick

In unserer Sonde befinden sich 1 - 3 Kleinrechner vom Typ Raspberry Pi sowie ein Transceiver-Modul Dorji DRA818V. Die Rechner benötigen 5.0 - 5.2 V DC mit je 100 - 300 mA.

Das Sendemodul benötigt im Ruhezustand 60 mA, beim Senden lt. Datenblatt 450 mA (0.5W) bzw. 750 mA (1W). Da das Sendemodul für den Betrieb an Lithium-Ionen-Zellen gedacht ist, beträgt die empfohlene Versorgungsspannung nur 3.3 - 4.5V, maximal.

Sie kann also nicht direkt mit der 5V-Versorgung der Raspberries verbunden werden.

Man könnte mit einer Diode oder einem Spannungsteiler aus den 5 V eine geeignete Spannung für das Dorji-Modul ableiten. Allerdings verbraucht dies die fast die Hälfte der gesamten Energie, wenn es mit 1 W sendet (0,75 A * 4V = 3 W vs. 0,6 A für drei RBPi * 5 V = 3 W). Wenn man 1 V bei 0,75A "verbrät", sind das trivialerweise alleine schon 0,75 W Verlustleistung.

Daher verwenden wir grob folgendes Energiekonzept:

1. 8 Lithium-Batterien vom Typ ENERGIZER L91 Ultimate Lithium, die bis zu 3500 mAh Kapazität liefert und bis -40 Grad Celsius arbeiten soll. 2. zwei unabhängige Step-Down-Wandler auf Basis des LM2596S, die sich in einem weiten Bereich einstellen lassen.

Daraus erzeugen wir 5 V +/- für die Raspberry Pis und 4 V für das Transceiver-Modul.

Die Nutzung dieser Wandler hat ferner den Vorteil, dass sie die Batterien wirklich bis zum Ende nutzen können, da die Eingangsspannung nur ein paar Volt über der Ausgangsspannung liegen muss. Die Zellen haben zudem eine recht flache Entladekurve.

Ferner ist die nutzbare Kapazität gerade bei tiefen Temperaturen (wir rechnen mit bis zu -40 Grad im Innern der gedämmten Box) höher, wenn der Entladestrom niedriger ist. Ein Step-Down-Wandler verringert den Entladestrom.

Ein PDF des Schaltplans der Energieversorgung findet sich hier.

Messungen und potentielle Probleme

Ein Nachteil von DC/DC-Wandlern ist, dass sie ein Störsignal erzeugen, man also keine ganz reine Gleichspannung erhält. Ferner gibt es Wandlungsverluste. Solche Störsignale sind besonders beim Empfang von Funksignalen problematisch. Wir senden jedoch aus dem Ballon lediglich, da wir wegen der hohen Position soviele APRS-Stationen empfangen werden, dass wir nicht auf "Funkpausen" warten können.

Ob diese Störungen uns noch Probleme bereiten, wird sich in den nächsten Tagen klären; evtl. werden wir noch Entstörmaßnahmen einbauen.

Die Störungen liegen zudem im Bereich von 50 kHz, sodass sie sehr weit vom von uns genutzen 2m-Band entfernt sind.

Anbei ein paar "rohe" Messdaten und Beobachtungen mit relativ einfachen und nicht geeichten Messmitteln ;-)

Aufbau

Je ein 10 Ihm / 2 W Metallschichtwiderstand am Ausgang Frische Li-Batterien nach Spezifikation Raumtemperarur ca. 30 Grad Nach ca. 45 min Betriebszeit:

Batterien ca. 40 Grad warm

Ergebnisse

Ausgang: 4,01 V RMS / 10 Ohm = 0,401 A => 1,6 W 5,04 V RMS / 10 Ohm = 0,503 A => 2,54 W

Eingang: 11,52V DC 0,47A

=> 5,41 W

Wirkungsgrad: 76,5 % (schlechter als gedacht)

Vermutlich wegen Unterschied DC/Top vs. RMS im Ausgang sowie Verluste im Batteriehalter und Leitungen.

Denkbar sind auch Abweichungen beim Referenzwiderstand (haben nur 5% Genauigkeit).

Nachgenessen; 5,04 V RMS / 10 Ohm tatsächlich; 0,506 A (aber Messgerät evtl. sehr ungenau in diesem Bereich)

4,01 RMS - 0,4 A, aber 0,341 A im Bereich bis 400 mA Kabel etc.

Mit diesen Werten:

4,01 V * 0,341 A = 1,37 W

1,37 W + 2,54 W / 5,41 W = 72 %

Bei 100 % Duty-Cycle (den wir aber nicht haben) ca. 4 h Betrieb, je nachdem, wie stark die Abkühlung der Batterie durch ihre Erwärmung kompensiert wird.

Kapazität 3500 mAH oder weniger

Ergebnis: Tatsächliche Last noch einmal messen, wenn Zusammenbau fertig.

Eventuell eine Kamera weglassen

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