ECDU for EIS-Based SmallSat Battery Diagnostics: Concept Design
Stankevičius, Tautvydas |
Suzdalev, Ivan | Recenzentas / Rewiewer |
Pitrėnas, Aurelijus | Darbo gynimo komisijos pirmininkas / Thesis Defence Board Chairman |
Darbo gynimo komisijos narys / Thesis Defence Board Member | |
Darbo gynimo komisijos narys / Thesis Defence Board Member | |
Darbo gynimo komisijos narys / Thesis Defence Board Member | |
Darbo gynimo komisijos narys / Thesis Defence Board Member | |
Darbo gynimo komisijos narys / Thesis Defence Board Member |
Šiame darbe pateikiamas elektrodinaminės diagnostikos įrenginio (EDĮ), naudojančio elektrocheminės impedanso spektroskopiją (EIS) realaus laiko akumuliatorių diagnostikai SmallSat misijose, konceptualus projektas ir preliminarus įvertinimas. Kadangi galios sistemų, ypač akumuliatorių, gedimai sudaro apie 11 % SmallSat misijų nesėkmių, labai svarbu turėti kompaktiškas ir ekonomiškas diagnostikos priemones, galinčias padidinti akumuliatorių patikimumą ir prailginti misijų trukmę. Siūlomas ECDU siekia stebėti ličio jonų akumuliatorių darbinės būklės rodiklį (State of Health, SoH) analizuojant elektrocheminius parametrus, tokius kaip elektrolito varža, krūvio perdavimo varža ir kietosios elektroliitinės sandūros (SEI) varža, gautus iš EIS matavimų. Darbe apžvelgiamos pažangiausios žemėje taikomos EIS technologijos ir nustatomos jų ribos kosminėms taikomos dėl dydžio, sudėtingumo ar nesugebėjimo dirbti su didelėmis srovėmis. Pasiūlytas hibridinis EIS matavimo metodas leidžia atlikti diagnostiką elementų lygiu ir izoliuoti gedimus. Spartinto senėjimo bandymai su „Panasonic NCR18650B” akumuliatoriais parodė aiškias elektrocheminių parametrų ir akumuliatorių senėjimo koreliacijas, ypač po 100 ciklų, kai elektrocheminiai procesai stabilizuojasi. Eksperimentinė sistema su STM32H5 mikrovaldikliu ir ADS127L11 ADC patvirtino ECDU koncepcijos įgyvendinamumą - ji sėkmingai užfiksavo EIS spektrus, nepaisant dažnio diapazono ir signalų apdorojimo apribojimų. Konstrukcijoje naudojami komerciniai komponentai, lengva radiacinė apsauga ir FRAM atmintis, kad būtų patenkinti SmallSat reikalavimai. Planuojant EIS matavimus optimaliomis įkrovos (SoC) sąlygomis, ECDU užtikrina patikimą diagnostiką. Šis darbas padeda pamatus naujam, mažų sąnaudų sprendimui, skirtam pagerinti SmallSat akumuliatorių patikimumą; ateityje bus siekiama pažangesnio signalų apdorojimo, patikimesnių SoH algoritmų ir erdvinių kvalifikacinių bandymų.
This thesis presents the conceptual design and preliminary evaluation of an Electrochemical Diagnostics Unit (ECD utilizing Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) for real-time battery diagnostics in SmallSat missions. With power system failures particularly battery-related issues accounting for 11% of SmallSat mission failures there is a critical need for compact cost-effective diagnostic tools to enhance battery reliability and mission longevity. The proposed ECDU aims to monitor the State of Health (SoH) of Lithium-Ion batteries by analyzing electrochemical parameters such as electrolyte resistance, charge transfer resistance and solid electrolyte interphase resistance obtained from EIS measurements. The study reviews state-of-the-art terrestrial EIS technologies identifying their limitations for space applications due to size, complexity or inability to handle large currents. A hybrid EIS measurement approach is proposed enabling cell-level diagnostics and fault isolation. Accelerated battery cycling experiments using Panasonic NCR18650B cells demonstrate clear correlations between electrochemical parameters and battery aging particularly after 100 cycles when electrochemical processes stabilize. An experimental setup with a STM32H5 microcontroller and ADS127L11 ADC validates the feasibility of the ECDU successfully capturing EIS spectra despite limitations in frequency range and signal processing. The design leverages commercial off-the-shelf components, lightweight radiation shielding and FRAM memory to meet SmallSat constraints. By scheduling EIS measurements during optimal State of Charge conditions the ECDU ensures reliable diagnostics. This work lays the foundation for a novel, low cost solution to improve SmallSat battery, reliability with future efforts focusing on enhanced signal processing, robust SoH algorithms and space qualification testing.