La norma “ SMC-S-018 Batería de iones de litio para aplicaciones en vehículos de lanzamiento”, publicada por el Centro de Sistemas Espaciales y de Misiles (SMC) del Comando Espacial de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, describe los requisitos y las directrices para el desarrollo, las pruebas, el almacenamiento, el procesamiento y el uso de celdas y baterías de iones de litio para aplicaciones en vehículos de lanzamiento, incluidos los propulsores y las etapas superiores.
El cumplimiento de esta norma tiene como objetivo garantizar un producto de alta confiabilidad para lograr un rendimiento adecuado de la batería durante la misión. Las baterías basadas en iones de litio son una tecnología emergente que hasta la fecha ha tenido poco uso en vehículos de lanzamiento. Son atractivos frente a las baterías primarias más comúnmente utilizadas porque el rendimiento eléctrico completo, incluida la regulación de voltaje y la capacidad, se puede verificar directamente en el hardware de vuelo antes de su uso. Se espera que estas normas se actualicen a medida que se utilicen estas baterías y se aprendan lecciones específicas sobre los desafíos de la tecnología de iones de litio.
Esta norma, junto con las citas asociadas, está destinada a ser utilizada como referencia en las especificaciones de vehículos de lanzamiento aplicables u otros documentos para incluir requisitos y prácticas comunes necesarios para garantizar el funcionamiento exitoso de la batería durante los lanzamientos espaciales.
Los requisitos aquí establecidos tienen como objetivo ampliar y aclarar lo establecido en MIL STD 1540E con respecto al uso de baterías de iones de litio en vehículos de lanzamiento. Además, el sitio de lanzamiento se ha preparado de manera que no entre en conflicto con los requisitos de seguridad del sistema o los requisitos de seguridad de alcance para el uso de baterías de iones de litio en sistemas de terminación de vuelo. Sin embargo, se debe consultar la documentación de alcance adecuada para cualquier uso previsto de baterías de iones de litio en sitios de lanzamiento o sistemas de terminación de vuelo.
La adición de electrolito a una celda de batería constituye la activación de la celda, y la primera celda activada determina el comienzo de la vida útil de la celda, el módulo o la batería. Las celdas de iones de litio se activan en la planta de fabricación durante la producción de celdas. Después de la activación, las celdas de iones de litio normalmente pasan por varios ciclos de carga/descarga para acondicionar la superficie de los electrodos y estabilizar la capacidad.
Una batería es un conjunto de celdas o módulos de batería conectados eléctricamente en serie para proporcionar un voltaje y una capacidad deseados. Normalmente, las celdas están integradas físicamente en un único conjunto (o batería) o en varios conjuntos separados (o módulos) conectados en serie. La batería también puede incluir componentes tales como electrónica de control de carga, fusibles, filtros, resistencias de aislamiento, dispositivos de derivación eléctrica, calentadores, sensores de temperatura, termostatos, interruptores térmicos, controladores térmicos y dispositivos de alivio de presión. Estos dispositivos se utilizan para monitorear el estado de la batería y evitar un funcionamiento inseguro de la misma que podría dañar al personal o perjudicar el rendimiento de la batería.
La vida útil de una celda o batería es el período máximo de tiempo que se permite utilizar la celda o batería, definido a partir de la fecha de fabricación de la celda más antigua de la batería.
La capacidad de la batería se mide en unidades de amperios-hora y vatios-hora. La capacidad real en amperios-hora para una condición dada es igual a la integral de la corriente de descarga desde el comienzo de la descarga de una batería completamente cargada (es decir, cargada hasta el límite máximo de voltaje superior permitido según la tasa de carga y la temperatura nominales) hasta que se alcanza el límite de voltaje utilizable más bajo. La capacidad real de vatios-hora para una condición dada es igual a la integral del producto de la corriente de descarga y el voltaje desde el comienzo de la descarga de una batería completamente cargada hasta que se alcanza el límite de voltaje utilizable más bajo.
La capacidad real de la batería debe indicarse en ambas unidades para facilitar las evaluaciones del balance energético, las evaluaciones térmicas y la comparación de diferentes tipos de baterías. Para las celdas de iones de litio, la capacidad medida puede depender en gran medida del voltaje de final de carga, el límite de voltaje de descarga, la temperatura durante la carga y la descarga, y la corriente utilizada durante la carga y la descarga. Por lo tanto, es importante mantener estas variables al comparar los cambios de capacidad a lo largo del ciclo de vida y seleccionar valores basados en el peor de los casos de uso durante las operaciones terrestres (para carga) y en servicio (para descarga).
La capacidad de funcionamiento de la batería se mide en unidades de amperios-hora y vatios-hora. Es igual a la misma integral de los valores desde el inicio de la descarga de una batería completamente cargada hasta que se alcanza el límite de voltaje utilizable más bajo para el control de carga de trabajo y condiciones de carga. Sin embargo, para mantener el ciclo de vida y cumplir con los límites mínimos de voltaje del bus, los límites de voltaje superior e inferior pueden ser más conservadores que los permitidos por el diseño de la celda. Por lo tanto, la capacidad operativa es siempre menor o igual a la capacidad real de la celda o batería.
La capacidad nominal de la batería se mide en unidades de amperios-hora y vatios-hora. La capacidad nominal de la batería la proporciona el proveedor de la batería o celda y, generalmente, es menor que la capacidad real. Los fabricantes a menudo proporcionan un exceso de capacidad por encima del valor nominal para compensar la variabilidad del lote y las pérdidas de capacidad esperadas durante la vida útil de la batería.
Una celda de batería es un dispositivo único dentro de una carcasa de una sola celda que convierte la energía química en energía eléctrica a un voltaje característico cuando se descarga a una velocidad nominal. Las celdas de la batería generalmente están conectadas eléctricamente en serie para crear una batería del voltaje deseado. Las celdas de la batería se pueden conectar en serie o en paralelo para crear un módulo para aumentar la capacidad, el voltaje y la capacidad de corriente más allá de los límites de la celda. En tales casos, los módulos se conectan en serie para formar una batería.
El diseño de la celda tiene en cuenta factores que dan como resultado un rendimiento único de la celda, incluidos el tamaño y la cantidad de electrodos, el tipo y la porosidad de los separadores, la composición y el volumen del electrolito, el tipo de material activo en los electrodos positivos y negativos, la aleación del colector de corriente, la estructura de los terminales de la celda y los dispositivos de seguridad y transferencia de calor dentro de las celdas. Las celdas de iones de litio generalmente utilizan una estructura enrollada que consiste en un único electrodo largo, positivo y negativo, o una estructura prismática que consiste en placas de electrodos positivos y negativos alternadas.
Un ciclo de carga se define como la descarga de una parte significativa de la capacidad nominal de la celda o batería seguida de una recarga al estado de carga inicial. La descarga puede ser el resultado de una carga eléctrica o de una autodescarga de la celda o batería.
La vida útil de una batería es el tiempo transcurrido desde que se completa la carga de la batería hasta que se necesita recargarla para compensar las pérdidas de capacidad debido a la autodescarga.
El ciclo de vida de una celda o batería es el número máximo de ciclos de carga que la celda o batería puede proporcionar antes de que se produzcan pérdidas de rendimiento irreversibles. El ciclo de vida puede variar según la aplicación y debe verificarse mediante pruebas de calificación.
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