ISO/TR 20891:2020 宇宙システム—宇宙電池—リチウムイオン電池の飛行中の健康評価のためのガイドライン | ページ 2

※一部、英文及び仏文を自動翻訳した日本語訳を使用しています。

序文

ISO (国際標準化機構) は、国家標準化団体 (ISO メンバー団体) の世界的な連合体です。国際規格の作成作業は通常、ISO 技術委員会を通じて行われます。技術委員会が設立された主題に関心のある各会員団体は、その委員会に代表される権利を有します。政府および非政府の国際機関も ISO と連携してこの作業に参加しています。 ISO は、電気技術の標準化に関するあらゆる事項について、国際電気標準会議 (IEC) と緊密に協力しています。

この文書の作成に使用される手順と、そのさらなる保守を目的とした手順は、ISO/IEC 指令第 1 Part に記載されています。特に、さまざまなタイプの ISO 文書に必要なさまざまな承認基準に注意する必要があります。この文書は、ISO/IEC 指令Part の編集規則に従って起草されました ( www.iso.org/directives を参照)

この文書の要素の一部が特許権の対象となる可能性があることに注意してください。 ISO は、かかる特許権の一部またはすべてを特定する責任を負わないものとします。文書の作成中に特定された特許権の詳細は、序論および/または受け取った特許宣言の ISO リストに記載されます ( www.iso.org/patents を参照)

本書で使用されている商号は、ユーザーの便宜のために提供された情報であり、推奨を構成するものではありません。

規格の自主的な性質、適合性評価に関連する ISO 固有の用語と表現の意味、および貿易の技術的障壁 (TBT) における世界貿易機関 (WTO) 原則への ISO の準拠に関する情報については、以下を参照してください。 www.iso.org/iso/foreword.html

この文書は、ISO/TC 20 技術委員会、航空機および宇宙船、SC 14 分科会、宇宙システムおよび運用によって作成されました。

導入

バッテリーの充電と放電のサイクルは 100% 効率的ではなく、各サイクルで副反応が発生し、最終的には蓄積してバッテリーの性能低下を引き起こす可能性があります。ミッション中にバッテリーの性能がどのように変化するかを理解することは重要なテーマです。また、バッテリーの現在の SoH を正確に判断することは、次のような多くの状況で不可欠です。

  • 異常の早期発見を可能にするためのバッテリー性能の定期的な評価(実際の性能と予測された性能を比較することによって)。
  • 適切なエネルギーを確保するためのアラームしきい値の設定。
  • 宇宙船の不動態化および/または軌道離脱戦略を危険にさらす可能性のあるバッテリーの異常の検出。
  • 当初の目標寿命を超えたミッション延長に関する決定。
  • 異常発生時に宇宙船の残存能力を評価する。
  • バッテリーメーカーにフィードバックして、性能予測を改善します。

ただし、さまざまな要因により、飛行中のステータスを適切に評価することは多くの場合困難です。

  • 飛行電気負荷プロファイルは、バッテリー性能モデルおよびバッテリーの SoH を特徴付けるために使用される負荷プロファイルとは大きく異なります。たとえば、最も重要なパラメータである利用可能なバッテリーの総容量は、バッテリーの完全放電による単純な測定は宇宙船の運用上の安全性に反するため、飛行中に直接アクセスすることはできません。
  • テレメトリからアクセスできるデータの品質が低い場合があります。テレメトリの解像度や精度が不十分であること、電流や電圧などの関連パラメータ間の同期が欠如していること、負荷消費の変動が大きく、高レベルのノイズが発生していること、データが適切でない形式で配信されていることなどがあります。加工しやすいなど。
  • 飛行中のバッテリーは、通常、認定または受け入れ時のテスト条件とは大きく異なる方法で動作します。その結果、寿命の初期に飛行中の評価が行われていない場合、現在の飛行中の状態と入手可能な地上試験データとを直接比較することは困難になる可能性があり、いずれにしても初期の飛行中の状態との比較よりも困難になる可能性があります。飛行飛行行動。
  • バッテリーは、異なる時間スケールの広い帯域幅の時変条件下で動作します。たとえば、ヒーター回路の切り替えと、ドリフト軌道を持つ LEO 衛星の充電プロファイルおよび日食の長さの変化です。軌道や季節のドリフトによってもたらされる低周波変動は、傾向の計算と複数の軌道の平均化のために考慮されます。
  • 健康状態を導き出すためのデータ処理は簡単ではなく、通常はモデルの経年変化パラメータを特定することによって実行されます。したがって、このモデルの代表性が重要な問題となります。さらに、優れたモデルを使用しても、結果が常に満足できるとは限りません。

したがって、飛行中のバッテリーの健全性評価を実行するために現在使用されている、または想定されている手段に関する詳細な情報を提供し、宇宙船の製造者、運用管理者、およびバッテリーの製造業者にそれを容易にする推奨事項を提供することが興味深いことがわかっています。これがこの文書の主題です。

3.1.1 で与えられた定義に従って、健康状態を評価することで、バッテリーが予想どおりに、またはおそらく予想よりも良く動作することを確認できることを強調することが重要です。これは、たとえ一部の方法やその実装に当てはまる可能性があるとしても、いかなる種類の「絶対的な老化」の評価を提供したり、さらなる進化を予測したりすることを目的としたものではありません。

重要本書の電子ファイルには、本書を正しく理解するために役立つと考えられる色が使用されています。したがって、ユーザーはこのドキュメントをカラー プリンタを使用して印刷することを検討する必要があります。

1 スコープ

この文書は、飛行中のリチウムイオン宇宙電池の健全性状態を評価するさまざまな方法に関する詳細情報を提供し、この評価を容易にするための電池サプライヤー、宇宙船メーカー、および運用者への推奨事項を提供します。

2 規範的参照

以下の文書は、その内容の一部またはすべてがこの文書の要件を構成する形で本文中で参照されています。日付が記載された参考文献については、引用された版のみが適用されます。日付のない参照については、参照文書の最新版 (修正を含む) が適用されます。

  • ISO 17546, 宇宙システム — 宇宙船用リチウムイオン電池 — 設計および検証要件

3 用語、定義、および略語

3.1 用語と定義

この文書の目的としては、ISO 17546 および以下に示されている用語と定義が適用されます。

ISO と IEC は、標準化に使用する用語データベースを次のアドレスで維持しています。

3.1.1

バッテリーの状態

バッテリーの状態。ミッション開始と同時にパフォーマンスの量と劣化速度の両方が予測値以下であれば正常です。

3.2 略語

ADCアナログデジタルコンバーター
ボル人生の始まり
C.C.C定電流
cv定電圧
国防総省放電の深さ
電気化学インピーダンス分光法
電磁波起電力 (開回路電圧とも呼ばれます)
EoC充電終了
EoCV充電終了電圧
EoD退院の終わり
EoDV放電終止電圧
EoL人生の終わり
ESA欧州宇宙機関
ジオ静止地球軌道
レオ地球低軌道
NCAニッケル・コバルト・アルミニウム(リチウムイオン正極組成)
ニブム非侵入型のバッテリー状態監視
SoC充電状態
SoH健康状態
RTL往復損失

参考文献

1Liaw BY, 「リチウム イオン セルのモデリング - 単純な等価回路モデル アプローチ」、 Solid State Ionics 、17, 835-839
2Chen M.、「稼働時間と IV パフォーマンスを予測できる正確な電池モデル」、 IEEE Transactions on Energy Conversion 、2, 504-511
3Knauff M.、McLaughlin J.、Dafis C.、Niebur D.、Singh P.、Kwatny H. 他、「ハイブリッド パワー システム テストベッド用のリチウムイオン電池の Simulink モデル」、ASNE インテリジェント シップの議事録シンポジウム、2007
4Dudley GJ 他、「Sony 18650HC リチウムイオンセルの電気/熱モデル」、European Space Power Conference 2005, ストレーザ、イタリア
5Eddahech A.、Briat O.、Vinassa JM.、「定電圧充電フェーズに基づくリチウムイオン電池の健康状態の判定」
6Eddahech A.、« Modélization du vieillissement et détermination de l'état de santé de Batterys li-ion pour application vehicule électrique et hybride »、論文、ボルドー大学、12 月 12 日。 2013 (フランス語)
7Barré Anthony, Deguilhem Benjamin, Grolleau Sébastien, Gérard Mathias, Suard Frédéric, Riu Delphine, 「自動車用途におけるリチウムイオン電池の劣化メカニズムと推定に関するレビュー」、 Journal of Power Sources 241 (2013) 680-689
8ガジェウスキー L.、他。 「Non-Intrusive Battery Health Monitoring」、European Space Power Conference 2016, テッサロニキ、ギリシャ
9曽根 裕也 他「宇宙での 11 年間の運用後の黎明衛星に使用されるリチウムイオン二次電池の内部インピーダンス」、European Space Power Conference 2016, テッサロニキ、ギリシャ

Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.

The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives ).

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents ).

Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not constitute an endorsement.

For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see www.iso.org/iso/foreword.html .

This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 20, Aircraft and space vehicles, Subcommittee SC 14, Space systems and operations.

Introduction

The charge and discharge cycle of a battery is not 100 % efficient, with each cycle side reactions can occur that eventually accumulate and cause degradation of the battery's performance. Understanding how the battery’s performance changes throughout the mission is a subject of importance; and accurate determination of the battery’s current SoH is essential in a large number of situations, for example:

  • the routine assessment of battery performance to allow early detection of anomalies (by comparing its actual versus predicted performance);
  • the setting of alarm thresholds to ensure adequate energy;
  • detection of battery anomalies that can put at risk the spacecraft passivation and/or de-orbiting strategy;
  • decisions regarding mission extension beyond initial target life;
  • evaluating the remaining capability of a spacecraft upon occurrence of an anomaly;
  • feedback to the battery manufacturer to improve the performance predictions.

However, it is often difficult to properly assess the in-flight status, due to various factors:

  • Flight electrical load profiles differ significantly to load profiles used to characterize battery performance models and the battery’s SoH; for example, the total available battery capacity, which is the most important parameter, is not directly accessible during flight since its simple measurement by full discharge of the battery goes against the spacecraft operational safety.
  • The quality of the accessible data from telemetry is sometimes poor: insufficient telemetry resolution and/or accuracy, lack of synchronization between related parameters like current and voltage, possibly large load consumption fluctuations introducing a high level of noise, delivery of data under a form not easy to process, etc.
  • The battery is operating in flight in a way that is generally very different from the test conditions at qualification or acceptance. As a consequence, if no in-flight assessment has been made at the beginning of life, the direct comparison between current in-flight status and available ground testing data can be difficult and in any case more difficult than a comparison with the initial in-flight behaviour.
  • The battery is operated under time variant conditions in a large bandwidth of different time scales, e.g. switching heater circuits vs. variations of the charge profile and eclipse length for a LEO satellite with drifting orbit. Low frequency variations introduced by drifting orbits or seasons are considered for the computation of trends and averaging over several orbits.
  • The processing of data to derive the health status is not straightforward and is usually performed by identifying the ageing parameters of a model. Therefore, the representativeness of this model is a key issue. In addition, even with a good model, the results are not always satisfactory.

Therefore, it has been found of interest to provide detailed information about the means currently used or envisioned to perform in-flight battery health assessment and to make recommendations to spacecraft builders, operation managers and batteries manufacturers that would make it easier. This is the subject of this document.

It is important to highlight that, according to the definition given in 3.1.1, assessing the health status allows to verify that the battery behaves as well as or possibly better than anticipated. It is not aimed at providing an evaluation of any sort of “absolute ageing” nor to predict further evolution, even if this can be the case with some methods and their on-board implementation.

IMPORTANT The electronic file of this document contains colours which are considered to be useful for the correct understanding of the document. Users should therefore consider printing this document using a colour printer.

1 Scope

This document provides detailed information on the various methods of assessing the health status of lithium-ion space batteries in flight and makes recommendations to battery suppliers, spacecraft manufacturers and operators to ease this assessment.

2 Normative references

The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.

  • ISO 17546, Space systems — Lithium ion battery for space vehicles — Design and verification requirements

3 Terms, definitions and abbreviated terms

3.1 Term and definitions

For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 17546 and the following apply.

ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:

3.1.1

battery health

state of the battery, which is healthy if both the amount and the rate of degradation of its performance are lower than or equal to the predicted ones at the same time into the mission

3.2 Abbreviated terms

ADCanalogue to digital converter
BoLbeginning of life
CCconstant current
cvconstant voltage
DoDdepth of discharge
EISelectrochemical impedance spectroscopy
EMFelectro-motive force (a.k.a. open circuit voltage)
EoCend of charge
EoCVend of charge voltage
EoDend of discharge
EoDVend of discharge voltage
EoLend of life
ESAEuropean Space Agency
GEOgeostationary earth orbit
LEOlow earth orbit
NCAnickel cobalt aluminium (lithium-ion cathode composition)
NIBHMnon-Intrusive battery health monitoring
SoCstate of charge
SoHstate of health
RTLround trip loss

Bibliography

1Liaw B.Y., Modeling of lithium ion cells - A simple equivalent-circuit model approach", Solid State Ionics, 175 (2004), 835-839
2Chen M., Accurate Electrical Battery Model Capable of Predicting Runtime and I-V Performance", IEEE Transactions on Energy Conversion, 21 (2006), 504-511
3Knauff M., McLaughlin J., Dafis C., Niebur D., Singh P., Kwatny H. et al., Simulink Model of a Lithium-Ion Battery for the Hybrid Power System Testbed," Proceedings of the ASNE Intelligent Ships Symposium, 2007
4Dudley G.J., et al."Electrical/thermal model of a Sony 18650HC li-ion cell", European Space Power Conference 2005, Stresa, Italy
5Eddahech A., Briat O., Vinassa J-M., “Determination of lithium-ion battery state-of-health based on constant-voltage charge phase
6Eddahech A., « Modélisation du vieillissement et détermination de l’état de santé de batteries lithium-ion pour application véhicule électrique et hybride », thesis, Bordeaux University, 12 Dec. 2013 (in French)
7Barré Anthony, Deguilhem Benjamin, Grolleau Sébastien, Gérard Mathias, Suard Frédéric, Riu Delphine, “A review on lithium-ion battery ageing mechanisms and estimations for automotive applications”, Journal of Power Sources 241 (2013) 680-689
8Gajewski L., et al. “Non-Intrusive Battery Health Monitoring”, European Space Power Conference 2016, Thessaloniki, Greece
9Sone Y., et al. “Internal impedance of the Lithium-ion secondary cells used for Reimei satellite after the eleven years operation in space”, European Space Power Conference 2016, Thessaloniki, Greece