SMC-S-018 Lithium-Ionen-Batterie für Trägerraketenanwendungen

Der vom Space and Missile Systems Center (SMC) des U.S. Air Force Space Command veröffentlichte Standard „ SMC-S-018 Lithium-Ionen-Batterie für Trägerraketenanwendungen“ beschreibt die Anforderungen und Richtlinien für die Entwicklung, Prüfung, Lagerung, Verarbeitung und Verwendung von Lithium-Ionen-Zellen und -Batterien für Trägerraketenanwendungen, einschließlich Booster und Oberstufen.

Die Einhaltung dieser Norm soll ein Produkt mit hoher Zuverlässigkeit gewährleisten, um während der Mission eine ordnungsgemäße Batterieleistung zu erzielen. Bei Batterien auf Lithium-Ionen-Basis handelt es sich um eine neue Technologie, die in Trägerraketen bislang kaum Verwendung findet. Sie sind gegenüber den häufiger verwendeten Primärbatterien attraktiv, da die volle elektrische Leistung, einschließlich Spannungsregelung und Kapazität, vor der Verwendung direkt in der Flughardware überprüft werden kann. Es wird erwartet, dass diese Standards im Zuge der Verwendung dieser Batterien und der daraus resultierenden Erkenntnisse zu den spezifischen Herausforderungen der Lithium-Ionen-Technologie aktualisiert werden.

Dieser Standard soll zusammen mit den zugehörigen Zitaten als Referenz in geltenden Trägerraketenspezifikationen oder anderen Dokumenten verwendet werden, um allgemeine Anforderungen und Vorgehensweisen aufzunehmen, die für einen erfolgreichen Batteriebetrieb bei Weltraumstarts erforderlich sind.

Die hier aufgeführten Anforderungen sollen die Angaben in MIL STD 1540E hinsichtlich der Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien in Trägerraketen ergänzen und präzisieren. Darüber hinaus wurde der Startplatz so vorbereitet, dass er nicht im Widerspruch zu den Anforderungen an die Systemsicherheit oder die Reichweitensicherheit für den Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien in Flugabbruchsystemen steht. Bei der beabsichtigten Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien in Start- oder Flugabbruchsystemen müssen jedoch entsprechende Reichweitendokumentationen konsultiert werden.

Das Hinzufügen von Elektrolyt zu einer Batteriezelle stellt eine Zellaktivierung dar und die früheste Zellaktivierung bestimmt den Beginn der Lebensdauer der Zelle, des Moduls oder der Batterie. Lithium-Ionen-Zellen werden während der Zellproduktion in der Produktionsanlage aktiviert. Nach der Aktivierung durchlaufen Lithium-Ionen-Zellen typischerweise mehrere Lade-/Entladezyklen, um die Oberfläche der Elektroden zu konditionieren und die Kapazität zu stabilisieren.

Eine Batterie ist eine Anordnung von Batteriezellen oder -modulen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, um eine gewünschte Spannung und Kapazität bereitzustellen. Normalerweise sind Zellen physisch in einer einzigen Baugruppe (oder Batterie) oder in mehreren separaten Baugruppen (oder Modulen) integriert, die in Reihe geschaltet sind. Die Batterie kann außerdem Komponenten wie Ladesteuerelektronik, Sicherungen, Filter, Trennwiderstände, elektrische Bypass-Geräte, Heizgeräte, Temperatursensoren, Thermostate, Thermoschalter, Wärmeregler und Druckentlastungsgeräte enthalten. Diese Geräte dienen dazu, den Zustand der Batterie zu überwachen und einen unsicheren Betrieb der Batterie zu verhindern, der Personen schaden oder die Batterieleistung beeinträchtigen könnte.

Die kalendarische Lebensdauer einer Zelle oder Batterie ist der maximale Zeitraum, in dem die Zelle oder Batterie verwendet werden darf, definiert ab dem Herstellungsdatum der ältesten Zelle in der Batterie.

Die Batteriekapazität wird in Amperestunden und Wattstunden gemessen. Die tatsächliche Amperestundenkapazität für einen gegebenen Zustand ist gleich dem Integral des Entladestroms vom Beginn der Entladung einer vollständig geladenen Batterie (d. h. geladen bis zur maximal zulässigen Obergrenze der Spannung bei Nennladestrom und -temperatur) bis zum Erreichen der niedrigsten nutzbaren Spannungsgrenze. Die tatsächliche Wattstundenkapazität für einen bestimmten Zustand ist gleich dem Integral des Produkts aus Entladestrom und Spannung vom Beginn der Entladung einer vollständig geladenen Batterie bis zum Erreichen der niedrigsten nutzbaren Spannungsgrenze.

Die tatsächliche Batteriekapazität sollte in beiden Einheiten angegeben werden, um die Beurteilung der Energiebilanz, die thermische Beurteilung und den Vergleich verschiedener Batterietypen zu erleichtern. Bei Lithium-Ionen-Zellen kann die gemessene Kapazität stark von der Ladeschlussspannung, der Entladespannungsgrenze, der Temperatur beim Laden und Entladen sowie dem beim Laden und Entladen verwendeten Strom abhängen. Daher ist es wichtig, diese Variablen bei der Gegenüberstellung von Kapazitätsänderungen über die Zykluslebensdauer beizubehalten und Werte basierend auf der Worst-Case-Nutzung während des Bodenbetriebs (zum Laden) und im Betrieb (zum Entladen) auszuwählen.

Die Betriebskapazität der Batterie wird in Amperestunden und Wattstunden gemessen. Sie ist gleich dem Integral der Werte vom Beginn der Entladung einer vollständig geladenen Batterie bis zum Erreichen der niedrigsten nutzbaren Spannungsgrenze für betriebsmäßige Laderegelung und Lastbedingungen. Um jedoch die Zyklenlebensdauer aufrechtzuerhalten und die Mindestgrenzen für die Busspannung einzuhalten, können die oberen und unteren Spannungsgrenzen konservativer sein als die durch das Zelldesign zulässigen. Daher ist die Betriebskapazität immer kleiner oder gleich der tatsächlichen Kapazität der Zelle oder Batterie.

Die Nennkapazität einer Batterie wird in Amperestunden und Wattstunden gemessen. Die Nennkapazität einer Batterie wird vom Batterie- oder Zellenhersteller angegeben und ist normalerweise geringer als die tatsächliche Kapazität. Hersteller bieten häufig eine Überkapazität über dem Nennwert an, um Chargenschwankungen und zu erwartende Kapazitätsverluste über die Lebensdauer der Batterie hinweg auszugleichen.

Eine Batteriezelle ist ein einzelnes Gerät in einem einzelnen Zellgehäuse, das bei Nennentladung chemische Energie in elektrische Energie mit einer charakteristischen Spannung umwandelt. Um eine Batterie mit der gewünschten Spannung zu erzeugen, werden Batteriezellen normalerweise elektrisch in Reihe geschaltet. Batteriezellen können in Reihe oder parallel geschaltet werden, um ein Modul zu erstellen, mit dem Kapazität, Spannung und Stromkapazität über die Grenzen der Zelle hinaus erhöht werden können. Dabei werden die Module in Reihe geschaltet und bilden so eine Batterie.

Das Zelldesign berücksichtigt Faktoren, die zu einer einzigartigen Zellleistung führen, darunter Größe und Anzahl der Elektroden, Art und Porosität der Separatoren, Zusammensetzung und Volumen des Elektrolyten, Art des aktiven Materials in den positiven und negativen Elektroden, Stromkollektorlegierung, Zellanschlussstruktur sowie Sicherheits- und Wärmeübertragungsvorrichtungen innerhalb der Zellen. Lithium-Ionen-Zellen verwenden typischerweise eine gewickelte Struktur, die aus einer einzelnen langen positiven und negativen Elektrode besteht, oder eine prismatische Struktur, die aus abwechselnd positiven und negativen Elektrodenplatten besteht.

Ein Ladezyklus ist definiert als die Entladung eines erheblichen Teils der Nennkapazität der Zelle oder Batterie, gefolgt von einer Wiederaufladung auf den ursprünglichen Ladezustand. Eine Entladung kann durch elektrische Aufladung oder Selbstentladung der Zelle bzw. Batterie entstehen.

Die Ladelebensdauer einer Batterie ist die Zeitspanne vom Abschluss des Ladevorgangs bis zum erforderlichen erneuten Aufladen, um den Kapazitätsverlust durch Selbstentladung auszugleichen.

Die Zyklenlebensdauer einer Zelle oder Batterie ist die maximale Anzahl an Ladezyklen, die die Zelle oder Batterie durchführen kann, bevor irreversible Leistungsverluste auftreten. Die Zykluslebensdauer kann je nach Anwendung unterschiedlich sein und sollte durch Qualifikationstests überprüft werden.

Unsere Organisation, die seit Jahren versucht, Unternehmen aus allen Branchen mit einer breiten Palette von Test-, Mess-, Analyse- und Bewertungsstudien zu unterstützen, verfügt über einen starken Mitarbeiterstamm, der die Entwicklungen in der Welt der Wissenschaft und Technologie aufmerksam verfolgt und sich ständig verbessert. In diesem Zusammenhang werden für Unternehmen auch Prüfdienstleistungen nach der Norm „SMC-S-018 Lithium-Ionen-Batterie für Trägerraketenanwendungen“ angeboten.