Akumulator litowo-jonowy SMC-S-018 do zastosowań w pojazdach startowych

Norma „ SMC-S-018 Akumulator litowo-jonowy do zastosowań w pojazdach startowych”, opublikowana przez Centrum Systemów Kosmicznych i Rakietowych (SMC) Dowództwa Kosmicznego Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych, opisuje wymagania i wytyczne dotyczące opracowywania, testowania, przechowywania, przetwarzania i użytkowania ogniw i akumulatorów litowo-jonowych do zastosowań w pojazdach startowych, w tym rakietach nośnych i stopniach górnych.

Zgodność z tą normą ma na celu zapewnienie wysokiej niezawodności produktu i odpowiedniej wydajności akumulatora w trakcie misji. Akumulatory litowo-jonowe to nowa technologia, która jak dotąd nie znalazła zastosowania w rakietach nośnych. Są one atrakcyjniejsze od powszechnie stosowanych baterii pierwotnych, ponieważ pełną wydajność elektryczną, w tym regulację napięcia i pojemność, można zweryfikować bezpośrednio w sprzęcie lotniczym przed użyciem. Oczekuje się, że normy te zostaną zaktualizowane w miarę użytkowania tych baterii i wyciągania wniosków dotyczących wyzwań technologii litowo-jonowej.

Niniejsza norma wraz z powiązanymi cytatami ma być stosowana przez odniesienie w stosownych specyfikacjach pojazdów startowych lub innych dokumentach w celu uwzględnienia wspólnych wymagań i praktyk niezbędnych do zapewnienia prawidłowego działania baterii podczas startów w kosmos.

Wymagania przedstawione w niniejszym dokumencie mają na celu uzupełnienie i wyjaśnienie zapisów normy MIL STD 1540E dotyczących stosowania akumulatorów litowo-jonowych w rakietach nośnych. Dodatkowo stanowisko startowe przygotowano w sposób, który nie koliduje z wymogami bezpieczeństwa systemu ani wymogami bezpieczeństwa zasięgu dotyczącymi stosowania akumulatorów litowo-jonowych w systemach zakończenia lotu. Jednakże w przypadku zamierzonego użycia akumulatorów litowo-jonowych na stanowiskach startowych lub w systemach zakończenia lotu należy zapoznać się z odpowiednią dokumentacją dotyczącą zasięgu.

Dodanie elektrolitu do ogniwa akumulatora oznacza aktywację ogniwa, a najwcześniej aktywowane ogniwo określa początek okresu eksploatacji ogniwa, modułu lub akumulatora. Ogniwa litowo-jonowe są aktywowane w zakładzie produkcyjnym podczas produkcji ogniw. Po aktywacji ogniwa litowo-jonowe przechodzą zazwyczaj kilka cykli ładowania/rozładowania w celu przygotowania powierzchni elektrod i ustabilizowania pojemności.

Akumulator to zespół ogniw lub modułów akumulatorowych połączonych szeregowo w celu zapewnienia żądanego napięcia i pojemności. Zazwyczaj ogniwa są fizycznie zintegrowane w pojedynczym zespole (lub baterii) lub w kilku oddzielnych zespołach (lub modułach) połączonych szeregowo. Akumulator może również zawierać elementy takie jak elektronika sterująca ładowaniem, bezpieczniki, filtry, rezystory izolacyjne, urządzenia obejściowe, grzałki, czujniki temperatury, termostaty, wyłączniki termiczne, regulatory termiczne i urządzenia zabezpieczające przed ciśnieniem. Urządzenia te służą do monitorowania stanu akumulatora i zapobiegania niebezpiecznym czynnościom związanym z jego eksploatacją, które mogą spowodować obrażenia ciała lub pogorszenie wydajności akumulatora.

Żywotność kalendarzowa ogniwa lub baterii to maksymalny okres czasu, w którym ogniwo lub bateria mogą być używane, liczony od daty produkcji najstarszego ogniwa w baterii.

Pojemność akumulatora mierzona jest w amperogodzinach i watogodzinach. Rzeczywista pojemność w amperogodzinach dla danych warunków jest równa całce prądu rozładowania od początku rozładowywania w pełni naładowanego akumulatora (tj. naładowanego do maksymalnego górnego limitu napięcia dozwolonego przy znamionowej szybkości ładowania i temperaturze) do osiągnięcia najniższego użytecznego limitu napięcia. Rzeczywista pojemność watogodzinowa dla danych warunków jest równa całce iloczynu prądu rozładowania i napięcia od początku rozładowywania całkowicie naładowanego akumulatora do momentu osiągnięcia najniższego użytecznego napięcia granicznego.

Rzeczywistą pojemność akumulatora należy podawać w obu jednostkach, aby ułatwić ocenę bilansu energetycznego, ocenę termiczną i porównanie różnych typów akumulatorów. W przypadku ogniw litowo-jonowych zmierzona pojemność może w dużym stopniu zależeć od napięcia końcowego ładowania, granicznego napięcia rozładowania, temperatury podczas ładowania i rozładowywania oraz prądu stosowanego podczas ładowania i rozładowywania. Dlatego też istotne jest uwzględnienie tych zmiennych przy porównywaniu zmian pojemności w cyklu życia i wybór wartości w oparciu o najgorszy scenariusz użytkowania podczas operacji naziemnych (ładowania) i pracy (rozładowywania).

Pojemność baterii mierzona jest w amperogodzinach i watogodzinach. Jest ona równa tej samej całce wartości od początku rozładowywania całkowicie naładowanego akumulatora do momentu osiągnięcia najniższej użytecznej granicy napięcia dla warunków ładowania i obciążenia. Aby jednak utrzymać cykl życia i spełnić minimalne limity napięcia magistrali, górne i dolne limity napięcia mogą być bardziej konserwatywne niż te dozwolone przez konstrukcję ogniwa. Dlatego pojemność robocza jest zawsze mniejsza lub równa rzeczywistej pojemności ogniwa lub akumulatora.

Pojemność znamionową akumulatora mierzy się w amperogodzinach i watogodzinach. Pojemność znamionowa akumulatora podawana jest przez dostawcę akumulatora lub ogniwa i zazwyczaj jest mniejsza od pojemności rzeczywistej. Producenci często zapewniają większą pojemność niż znamionowa, aby zrekompensować zmienność partii i przewidywane straty pojemności w trakcie eksploatacji akumulatora.

Ogniwo baterii to pojedyncze urządzenie umieszczone w obudowie z jedną celą, które podczas rozładowywania z nominalną szybkością zamienia energię chemiczną na energię elektryczną o określonym napięciu. Ogniwa baterii są zwykle łączone szeregowo w celu utworzenia baterii o żądanym napięciu. Ogniwa baterii można łączyć szeregowo lub równolegle, tworząc moduł zwiększający pojemność, napięcie i natężenie prądu poza ograniczenia ogniwa. W takich przypadkach moduły łączy się szeregowo, tworząc baterię.

Konstrukcja ogniwa bierze pod uwagę czynniki wpływające na wyjątkową wydajność ogniwa, w tym rozmiar i liczbę elektrod, rodzaj i porowatość separatorów, skład i objętość elektrolitu, rodzaj materiału aktywnego w elektrodach dodatnich i ujemnych, stop kolektora prądu, strukturę zacisków ogniwa oraz urządzenia zabezpieczające i przenoszące ciepło wewnątrz ogniw. Ogniwa litowo-jonowe zazwyczaj wykorzystują strukturę nawiniętą składającą się z pojedynczej, długiej, dodatniej i ujemnej elektrody lub strukturę pryzmatyczną składającą się z naprzemiennie ułożonych dodatnich i ujemnych płytek elektrod.

Cykl ładowania definiuje się jako rozładowanie znacznej części nominalnej pojemności ogniwa lub akumulatora, a następnie ponowne naładowanie do początkowego stanu naładowania. Rozładowanie może być wynikiem ładowania elektrycznego lub samorozładowania ogniwa lub akumulatora.

Czas ładowania akumulatora to czas od momentu zakończenia ładowania do momentu, w którym konieczne jest ponowne naładowanie w celu skompensowania strat pojemności spowodowanych samorozładowaniem.

Cykl życia ogniwa lub akumulatora to maksymalna liczba cykli ładowania, jakie ogniwo lub akumulator może zapewnić, zanim nastąpi nieodwracalna utrata wydajności. Żywotność cyklu może się różnić w zależności od zastosowania i powinna zostać zweryfikowana poprzez testy kwalifikacyjne.

Nasza organizacja, która od lat stara się wspierać przedsiębiorstwa z każdej branży, realizując szeroką gamę badań testowych, pomiarowych, analitycznych i ewaluacyjnych, dysponuje silną kadrą, która uważnie śledzi rozwój nauki i techniki na świecie oraz nieustannie się doskonali. W tym kontekście świadczone są również usługi testowe dla przedsiębiorstw zgodnie z normą „SMC-S-018 Akumulator litowo-jonowy do zastosowań w pojazdach startowych”.