Bateria de íons de lítio SMC-S-018 para aplicações em veículos de lançamento

A norma “ SMC-S-018 Bateria de íon-lítio para aplicações em veículos de lançamento”, publicada pelo Centro de Sistemas Espaciais e de Mísseis (SMC) do Comando Espacial da Força Aérea dos EUA, descreve os requisitos e diretrizes para o desenvolvimento, teste, armazenamento, processamento e uso de células e baterias de íon-lítio para aplicações em veículos de lançamento, incluindo propulsores e estágios superiores.

A conformidade com esta norma visa garantir um produto de alta confiabilidade para atingir o desempenho adequado da bateria durante a missão. Baterias de íons de lítio são uma tecnologia emergente que tem sido pouco utilizada em veículos de lançamento até o momento. Elas são atraentes em relação às baterias primárias mais comumente usadas porque o desempenho elétrico completo, incluindo regulação de tensão e capacidade, pode ser verificado diretamente no hardware de voo antes do uso. Espera-se que esses padrões sejam atualizados à medida que essas baterias forem usadas e lições específicas sobre os desafios da tecnologia de íons de lítio forem aprendidas.

Esta norma, juntamente com citações associadas, deve ser usada como referência em especificações aplicáveis ​​de veículos de lançamento ou outros documentos para incluir requisitos e práticas comuns necessários para garantir a operação bem-sucedida da bateria durante lançamentos espaciais.

Os requisitos aqui visam ampliar e esclarecer o que está declarado no MIL STD 1540E sobre o uso de baterias de íons de lítio em veículos de lançamento. Além disso, o local de lançamento foi preparado de forma a não entrar em conflito com os requisitos de segurança do sistema ou com os requisitos de segurança de alcance para o uso de baterias de íons de lítio em sistemas de terminação de voo. No entanto, a documentação de alcance apropriada deve ser consultada para qualquer uso pretendido de baterias de íons de lítio em locais de lançamento ou sistemas de término de voo.

Adicionar eletrólito a uma célula de bateria constitui ativação da célula, e a primeira célula ativada determina o início da vida útil da célula, módulo ou bateria. As células de íons de lítio são ativadas na unidade de fabricação durante a produção das células. Após a ativação, as células de íons de lítio normalmente passam por vários ciclos de carga/descarga para condicionar a superfície dos eletrodos e estabilizar a capacidade.

Uma bateria é um conjunto de células ou módulos de bateria conectados eletricamente em série para fornecer uma voltagem e capacidade desejadas. Normalmente, as células são fisicamente integradas em um único conjunto (ou bateria) ou em vários conjuntos separados (ou módulos) conectados em série. A bateria também pode incluir componentes como componentes eletrônicos de controle de carga, fusíveis, filtros, resistores de isolamento, dispositivos de bypass elétrico, aquecedores, sensores de temperatura, termostatos, interruptores térmicos, controladores térmicos e dispositivos de alívio de pressão. Esses dispositivos são usados ​​para monitorar a saúde da bateria e evitar operação insegura da bateria que pode causar danos ao pessoal ou danificar o desempenho da bateria.

A vida útil de uma célula ou bateria é o período máximo de tempo que a célula ou bateria pode ser usada, definido a partir da data de fabricação da célula mais antiga da bateria.

A capacidade da bateria é medida em unidades de amperes-hora e watts-hora. A capacidade real de amperes-hora para uma determinada condição é igual à integral da corrente de descarga desde o início da descarga de uma bateria totalmente carregada (ou seja, carregada até o limite máximo de tensão superior permitido pela taxa de carga e temperatura nominais) até que o limite mínimo de tensão utilizável seja atingido. A capacidade real de watts-hora para uma determinada condição é igual à integral do produto da corrente de descarga e da tensão desde o início da descarga de uma bateria totalmente carregada até que o limite mínimo de tensão utilizável seja atingido.

A capacidade real da bateria deve ser declarada em ambas as unidades para facilitar avaliações de balanço energético, avaliações térmicas e comparação de diferentes tipos de bateria. Para células de íons de lítio, a capacidade medida pode depender fortemente da tensão de fim de carga, do limite de tensão de descarga, da temperatura durante o carregamento e o descarregamento e da corrente usada durante o carregamento e o descarregamento. Portanto, é importante manter essas variáveis ​​ao comparar mudanças de capacidade ao longo da vida útil do ciclo e selecionar valores com base no pior caso de uso durante operações em solo (para carregamento) e serviço (para descarga).

A capacidade operacional da bateria é medida em unidades de amperes-hora e watts-hora. É igual à mesma integral dos valores desde o início da descarga de uma bateria totalmente carregada até que o limite mínimo de tensão utilizável seja atingido para controle de carga em serviço e condições de carga. Entretanto, para manter a vida útil do ciclo e atender aos limites mínimos de tensão do barramento, os limites de tensão superior e inferior podem ser mais conservadores do que aqueles permitidos pelo projeto da célula. Portanto, a capacidade operacional é sempre menor ou igual à capacidade real da célula ou bateria.

A capacidade nominal da bateria é medida em unidades de amperes-hora e watts-hora. A capacidade nominal da bateria é fornecida pelo fornecedor da bateria ou célula e geralmente é menor que a capacidade real. Os fabricantes geralmente fornecem capacidade excedente acima do valor nominal para compensar a variabilidade do lote e as perdas de capacidade esperadas ao longo da vida útil da bateria.

Uma célula de bateria é um dispositivo único dentro de um único invólucro de célula que converte energia química em energia elétrica a uma voltagem característica quando descarregada a uma taxa nominal. As células de bateria geralmente são conectadas eletricamente em série para criar uma bateria com a voltagem desejada. As células da bateria podem ser conectadas em série ou em paralelo para criar um módulo para aumentar a capacidade, a tensão e a corrente além dos limites da célula. Nesses casos, os módulos são conectados em série para formar uma bateria.

O design da célula leva em conta fatores que resultam em desempenho único da célula, incluindo o tamanho e o número de eletrodos, o tipo e a porosidade dos separadores, a composição e o volume do eletrólito, o tipo de material ativo nos eletrodos positivos e negativos, a liga do coletor de corrente, a estrutura do terminal da célula e os dispositivos de segurança e transferência de calor dentro das células. As células de íons de lítio normalmente usam uma estrutura enrolada que consiste em um único eletrodo longo, positivo e negativo, ou uma estrutura prismática que consiste em placas de eletrodos positivos e negativos alternados.

Um ciclo de carga é definido como a descarga de uma parte significativa da capacidade nominal da célula ou bateria, seguida pela recarga até o estado inicial de carga. A descarga pode ser resultado de carga elétrica ou autodescarga da célula ou bateria.

A vida útil da carga de uma bateria é o tempo desde o momento em que a carga da bateria é concluída até que seja necessária uma recarga para compensar as perdas de capacidade devido à autodescarga.

O ciclo de vida de uma célula ou bateria é o número máximo de ciclos de carga que a célula ou bateria pode fornecer antes que ocorram perdas irreversíveis de desempenho. O ciclo de vida pode variar de acordo com a aplicação e deve ser verificado por testes de qualificação.

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