Generación Solar y Envejecimiento de Baterías Li-Ion

A 1 ua, la irradiancia solar total es S₀ = 1.361 W/m². Las celdas espaciales III-V de triple unión (GaInP/GaAs/Ge) convierten ~30 % de la luz en electricidad (hasta 34 %, frente al ~20 % del silicio). Descontando guías, interruptores y márgenes en un cubo de 50 mm, el modelo del repositorio adopta a inicio de vida η = 0,28 y factor de empaquetado p = 0,60.

En un cubo 1P en rotación libre (A_tot = 150 cm², área media de Cauchy Ā_proj = 37,5 cm²), la generación diurna es P̄_sun = 0,86 W (0,71–0,86 W con cinco o seis caras), rindiendo P̄ ≈ 0,54–0,55 W de media orbital a 525 km SSO (f_e = 0,36–0,375). Apuntar una sola cara de 25,0 cm² al Sol reduce la potencia diurna a 0,57 W al dejar cinco caras a oscuras; incluso la diagonal espacial (√3·a² = 43,3 cm²) apenas suma un 15 %.

Superar las celdas fijadas al chasis (~1,5–2,4 W medios en un 1U con dos celdas de 30,18 cm² por cara, o 4,3–5,2 W en un 3U) exige alas desplegables orientadas al Sol. Paneles articulados elevan un 3P sobre 10 W, mientras un 3U de doble ala alcanza 26–34 W pico BOL (16,5–21,8 W medios) y un 6U de cuatro alas genera 58–68 W pico BOL (37,0–43,5 W medios) para ruedas de reacción y banda X.

Más del 90 % de los pequeños satélites acoplan paneles solares a baterías Li-ion mediante seguidores MPPT, control de carga, líneas reguladas de 3,3 V y 5,0 V (desde un bus 1S de 3,6–3,7 V en 1P o 2S de 8,2 V / 14,8 V en CubeSats) e interruptores limitados en corriente. Los interruptores de separación y el pasador RBF desenergizan el vehículo en el desplegador, mientras la limitación por canal aísla bloqueos SEL.

Cerrar el balance orbital exige que la generación diurna cubra el consumo al Sol (P_load·t_sun) más la energía en eclipse (P_load·t_ecl) dividida por η_bat ≈ 0,90. En la lista de referencia 1P —OBC (15 mW), receptor UHF continuo (30 mW), magnetómetro/IMU (10 mW), EPS (8 mW), magnetopares (60 mW al 15 %), carga útil (120 mW al 10 %) y transmisor UHF de 0,5 W RF al 40 % PA (1.250 mW DC al 4 %)— la media es 134 mW, extrayendo ~4 % de DoD sobre 1,85 Wh.

Ese margen es sensible a picos no escalados: subir el transmisor UHF del 4 % al 10 % añade 75 mW (+56 % de carga), sumado a pérdidas térmicas y por radiación en celdas GaAs. En vuelo, Grizu-263A coordinó 0,75 W diurnos (~0,46–0,55 W medios) frente a 1,5 W activos, confirmando la regla de reservar ≥15–20 % de margen preliminar y modular estrictamente la transmisión.

A 525 km (período de 95,1 min, ~15,14–15,15 órbitas/día), un satélite afronta ~5.530 eclipses anuales. Las celdas comerciales cilíndricas 18650 (150–270 Wh/kg, 3,6 V) y bolsas LiPo (150–200 Wh/kg, 3,7 V) solo toleran 300–800 ciclos profundos al 80–100 % de DoD, mientras el LiFePO₄ (~60–90 Wh/kg, 3,2 V) cede energía específica por seguridad térmica.

Operar varios años en LEO exige limitar el DoD por eclipse (P_ecl·t_ecl / E_nom): 0,45 W durante 35,7 min (0,268 Wh) representan un 2,9 % de DoD en una 18650 de 2.500 mAh (9,25 Wh) o un 12,1 % en una LiPo de 600 mAh (2,22 Wh). Rebajar la carga final de 4,20 V a 4,10 V cede ~10 % de capacidad inicial pero casi duplica los ciclos hasta el 80 % de salud (SoH) al frenar la capa SEI.

En el modelo ilustrativo de lib/physics/battery.ts a 20 °C y 4,10 V, un DoD del 15–20 % rinde ~7.700–12.100 ciclos LEO (~1,4–2,2 años hasta 80 % SoH) y DoD ≤ 12 % supera 15.000 ciclos (>2,7 años), frente a solo ~3.840 ciclos (~0,7 años) cargando a 4,20 V con 20 % de DoD.

Las celdas Li-ion con ánodo de grafito descargan entre −20 y +60 °C, pero solo admiten carga entre 0 y +45 °C. Bajo 0 °C, la lenta intercalación deposita dendritas irreversibles de litio metálico, degradando capacidad y arriesgando cortocircuitos. Como un 1P de 250 g (τ_th ≈ 56 min) cae a ≈ −11 °C en eclipse a 550 km —y el modelo de SMOG-1 restringió la carga a la mitad del tramo diurno—, la EPS requiere inhibición por termistor y calefactor Kapton de 0,3–0,5 W que eleve la celda sobre +2 °C.

Empaquetar el acumulador en placas 1P de 42 × 42 mm impone límites mecánicos y magnéticos. Una celda 18650 (Ø 18 × 65 mm, 45–48 g) no cabe horizontal en 1P —solo vertical en 1,5P–3P— y su envase de acero niquelado retiene dipolos que perturban el PMAC. Las bolsas LiPo (2,0–5,5 Wh) son casi amagnéticas, pero deben prensarse entre placas de FR-4 o aluminio con precarga para evitar hinchamiento a 0 atm.

Entre las 32 anomalías verificadas de CubeSats y PocketQubes de la monografía SQ-R-004, las baterías iniciaron el 33,3 % (7 de 21) de los fallos de materiales, solo tras los desplegables (47,6 %), haciendo obligatorios el ciclado TVAC y la verificación de protecciones térmicas antes del vuelo.