these de magister - Université des Sciences et de la Technologie d

République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Université des Sciences et de la Technologie d’Oran
MOHAMED BOUDIAF
Faculté De Génie Électrique
Département D’Électronique
École doctorale Des Techniques et Applications Spatiales
Option : Instrumentation Spatiale
THESE DE MAGISTER
Thème
Présenté par
Melle DELLA KRACHAI Saidia
SOUTENUE Le : 04/01/2010
DEVANT LE JURY COMPOSÉ DE :
Année universitaire : 2009/2010
Mr B.BELMEKKI
PRÉSIDENT (Professeur, USTO)
Mr A.BOUDGHENE STAMBOULI
EXAMINATEUR (Professeur, USTO)
Mr N.BOUGHANMI
EXAMINATEUR (Maître de conférence, USTO)
Mr M.BEKHTI
PROMOTEUR (Maître de recherche, CTS)
Mr A.BOUDJEMAI
INVITE (Chargé de recherche, CTS)
Etude et Développement d’un Outil D’aide à la
Conception de Sous Système Energie De Bord
D’un Microsatellite

Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des acronymes
Introduction générale ………………………………………………………………………... i
Chapitre 1 DESCRIPTION GENERALE SUR LES SATELLITES
1.1. Introduction …………………………………………………………………………....
1
1.2. L’anatomie des satellites……………………………………….................................
1
1.3. Le satellite Algérien ALSAT-1…………………………………………………………
7
1.3.1. Lancement d’ALSAT-1……………………………………………………………
7
1.3.2. Mission d’ALSAT-1……………………………………………………………….
7
1.3.3. Caractéristiques d’ALSAT-1………………………………………………………
8
1.4. Classification des satellites……………………………………………………………..
9
Chapitre2 ARCHITECTURE DE SOUS SYSTEME ENERGIE DE
BORD D’UN MICROSATELLITE
2.1. Introduction……………………………………………………………………………..
10
2.2. Panneaux Solaires……………………………………………………………………
10
2.2.1. Cellules Solaires……………………………………….....
11
2.2.1.1. Caractéristiques(I-V) des cellules solaires………………………………….
11
2.2.1.2. Influence de la température sur les cellules solaires………………………..
12
2.2.1.3. Distance Solaire……………………………………………………………..
13
2.2.1.4. Angle d’incidence…………………………………………………………...
14
2.2.1.5. Dégradation de rayonnement……………………………………………….
14
2.2.1.6. Comparaison entre les cellules en Si et GaAs………………………………
15
2.3. Unité de stockage………………………………………………………………………..
17
2.3.1. Performance de la batterie NiCd ………………………………………………….
18
2.4. Régulateur de charge de la batterie(BCR) …………………………………
21
2.4.1. Topologies du régulateur de charge de la batterie …………………………….
22
2.4.1.1 Convertisseur abaisseur (Buck)……………………………………………..
22
2.4.1.2. Convertisseur élévateur (Boost) ……………………………………………
24
2.4.1.2. Convertisseur abaisseur-élévateur (Buck-Boost) …………………………..
27
2.5. Module de conditionnement de la puissance (PCM) …………………………………..
30
2.6. Module de distribution de puissance (PDM) …………………………………………..
30
2.6.1. Le câblage………………………………………………………………………….
31
2.6.2. Les fusibles………………………………………………………………………...
31
2.6.3. Les commutateurs de puissance…………………………………………………...
31
2.6.3.1. Le commutateur à transistor bipolaire……………………………………..
32
2.6.3.2. Le commutateur à transistor FET………………………………………….
33
2.7. Surveillance et contrôle ……………………………………………….………………..
34
2.8. Conclusion………………………………………………………………………………
35
SOMMAIRE

Chapitre 3 DIMENSIONNEMENT DE SOUS SYSTEME
ENERGIE DE BORD D’ALSAT -1
3.1. Introduction …………………………………………………………………………....
36
3.2. Dimensionnement de sous système énergie de bord d’ ALSAT-1………………………...
37
3.2.1. Panneaux solaires……………………………………………………………………..
37
3.2.2. Stockage d’énergie (batterie NiCd)…………………………………………………...
40
3.2.3. Régulateur de charge de batterie (BCR)………………………………………………
41
3.3. Résultats et discussions……………………………………………………………………
50
Chapitre4 CONCEPTION DES REGULATEURS DE CHARGE DE
BATTERIE (BCR)
4.1. Introduction……………………………………………………………………………..
54
4.2. Résultats de simulations du convertisseur de type Buck …………………………………
54
4.3. Résultats de simulations du convertisseur de type Boost ………………………………
60
4.4. Résultats de simulations du convertisseur de type Buck-Boost ………………………..
64
4.5. Comparaison entre les trois topologies et le choix du meilleur convertisseur ……………
66
Conclusion générale………………………………………………………………………………iv
Bibliographie
Annexes

Introduction Générale
Sous Système Energie De Bord D’un Microsatellite
i
Introduction Générale
L’une des tendances fortes de ces dernières années c’est le développement de
l’observation de la Terre depuis l’espace et aussi des services spatiaux (navigation,
météorologie, télécommunications et sans doute bientôt du tourisme suborbital).
Les images et plus largement les données obtenues depuis l’espace présentent de nombreux
intérêts : elles sont souvent globales, comparables, continues, répétées, durables et précises.
Elles deviennent un complément indispensable des données recueillies au sol dont on ne
pourra jamais se passer. Le modèle qu’a construit progressivement l’humanité, et qu’ont
enrichies les sciences du XXème siècle nous permet de mieux comprendre notre planète. Les
sciences et technologies spatiales ont un rôle à jouer dans cette édification. Observer la Terre
dans son ensemble, c’est pouvoir corréler des phénomènes distants et prendre des mesures
simultanées sur de grandes étendues. Le recul que nous donnent les satellites sur leurs
perchoirs célestes permet aujourd’hui d’enrichir notre connaissance du fonctionnement de la
Terre déjà nourrie par des années de recherche et de collectes de données sur Terre.
Grâce à cette combinaison du travail sur le terrain et depuis l’espace, les climatologues
peuvent étudier les changements globaux, les météorologues déterminer l’origine des
ouragans, les océanologues comprendre les grands courants marins et leur influence, les
géologues étudier la déformation des sols suite à l’activité humaine … Chacun de ces sujets
nous entraîne vers des préoccupations plus larges, celles du devenir de notre planète.
Comment notre planète va-t-elle évoluer, quels risques court-elle ? Quel impact notre mode
de vie a-t-il sur cette terre qui semble être la seule à pouvoir aujourd’hui nous accueillir ?
Nous le saurons grâce à une meilleure connaissance de ce système.
Aux scientifiques, l’espace apporte sa pierre à la compréhension de la circulation des vents, du
changement du climat, du comportement des océans, de l’évolution des calottes glaciaires, des
grandes migrations… Aux organismes internationaux, aux gouvernements, l’espace permet
aujourd’hui de mieux gérer et peut-être un jour d’anticiper les catastrophes naturelles, les
épidémies, de gérer les situations de crises, circonscrire des incendies, gérer la déforestation,

Introduction Générale
Sous Système Energie De Bord D’un Microsatellite
ii
suivre la désertification… Aux acteurs des transports, de contrôler le trafic aérien, le dégazage
des bateaux… A nous tous enfin, avec une révolution technologique qui s’est déjà amorcée,
l’espace offre des services pour trouver son chemin, communiquer sans frontière, sécuriser ses
loisirs, organiser ses vacances … A L’ensemble de ces communautés d’utilisateurs directs ou
indirects, l’espace offre aujourd’hui un véritable ensemble d’outils pour voir, anticiper et
comprendre.
Le travail présenté dans ce mémoire s’insère dans le cadre des recherches menées dans
le domaine de l’instrumentation spatiale. Dans ce large domaine, nous nous sommes plus
particulièrement intéressés au sous système énergie de bord d’un microsatellite qui est le
système le plus critique dans un vaisseau spatial dont donné que tous les autres sous systèmes
nécessitent de l’énergie.
Ce sous système consiste à assurer l'alimentation du satellite en énergie. Dans la plupart des
applications, on utilise des cellules photovoltaïques qui convertissent l'énergie de la lumière du
Soleil en électricité.
Les cellules solaires sont regroupées soit sur la « peau » du satellite pour les satellites spinnés,
soit sur des panneaux, en général déployables.
L'énergie produite par les cellules solaires est stockée dans des batteries d'accumulateurs de
différentes technologies, la plus récente dite lithium ion offrant un bon rapport
poids/performances.
L'énergie électrique, qu'elle provienne directement des panneaux solaires ou des batteries, est
distribuée aux équipements du bord via un système de régulation qui fournit en général du
courant continu sous une tension constante.
Ce mémoire est devisé en quatre chapitres :
Le premier chapitre de ce mémoire est consacré à une description générale sur
les satellites avec une présentation du projet Algérien " ALSAT-1 ".
Le deuxième chapitre concerne l’architecture de sous système énergie de bord
d’un satellite : Le générateur solaire, l’unité de stockage d’énergie (batterie),
module de charge de la batterie avec une étude des trois topologies du
convertisseur continu – continu (Buck, Boost et Buck-Boost) , module de
conditionnement et le module de distribution et de protection.