Development of an FPGA Based Battery Management System for Space Applications

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiges Batteriemanagementsystem (BMS) entwickelt, gebaut und auf Strahlungstoleranz getestet. Das Institut für Technische Thermodynamik am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt ein BMS für den Einsatz auf Kleinsatelliten. Die bisher getesteten Systeme erfüllen zwar die Anforderungen momentaner Missionen, sie beinhalten jedoch Komponenten, deren Strahlungshärte in Bezug auf zukünftige Missionen nicht zufriedenstellend ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zuerst die jährlichen Strahlendosen auf typischen Orbits errechnet. Auf der Suche nach einer BMS-Architektur mit höherer Strahlungstoleranz und Unterstützung für diverse Batteriechemien wurden mehrere Komponenten durch einen FPGA auf Silicon-on-Insulator-Basis ersetzt - diese Halbleitertechnologie ist durch ihren Aufbau inhärent strahlungsresistenter als Alternativen. Um das Balancing eines bezüglich der Chemie und Spannungen variablen Batteriestacks zu ermöglichen mussten weitere Komponenten und Verschaltungskonzepte identifiert und simuliert werden. Die entworfene Schaltung wurde dann in eine sechslagigen Platine umgesetzt und gebaut. Zusätzlich zu diesem Gesamtsystem wurden kritische, neue Komponenten auf weiteren Platinen separat getestet. Im Anschluss wurden ein Konzept sowie Hardware für einen TID-Strahlungstest mit einer Kobalt-60-Gammaquelle ausgearbeitet. Im Test haben der gewählte FPGA und die dafür nötigen Oszillatoren bis 154 krad keine Funktionsausfälle gezeigt. Der Flash-Speicher, der die Konfiguration für den FPGA enthält, konnte bis etwa 76 krad nutzbar. Für das Balancing der Batteriezellen verwendete Optokoppler zeigten übermäßige Degradation ab 5 krad, was weitere Arbeit an diesem Schaltungsteil nötig macht.