Литий-ионная батарея SMC-S-018 для применения в ракетах-носителях

Стандарт « SMC-S-018 Литий-ионные батареи для применения в ракетах-носителях», опубликованный Центром космических и ракетных систем (SMC) Космического командования ВВС США, описывает требования и рекомендации по разработке, тестированию, хранению, обработке и использованию литий-ионных элементов и батарей для применения в ракетах-носителях, включая ускорители и верхние ступени.

Соответствие этому стандарту направлено на обеспечение высокой надежности продукта для достижения надлежащей производительности аккумулятора во время выполнения миссии. Литий-ионные аккумуляторы — это новая технология, которая до сих пор мало применялась в ракетах-носителях. Они более привлекательны по сравнению с более распространенными первичными батареями, поскольку их полные электрические характеристики, включая регулировку напряжения и емкость, можно проверить непосредственно в бортовом оборудовании перед использованием. Ожидается, что эти стандарты будут обновляться по мере использования этих батарей и извлечения уроков, характерных для проблем литий-ионной технологии.

Настоящий стандарт вместе с соответствующими ссылками предназначен для использования в качестве ссылки в соответствующих спецификациях ракет-носителей или других документах для включения общих требований и практик, необходимых для обеспечения успешной работы аккумуляторных батарей во время космических запусков.

Приведенные здесь требования призваны дополнить и уточнить положения стандарта MIL STD 1540E относительно использования литий-ионных аккумуляторов в ракетах-носителях. Кроме того, стартовая площадка подготовлена ​​таким образом, чтобы не противоречить требованиям безопасности системы или требованиям безопасности дальности при использовании литий-ионных аккумуляторов в системах прекращения полета. Однако перед любым предполагаемым использованием литий-ионных батарей на стартовой площадке или в системах прекращения полета необходимо ознакомиться с соответствующей документацией по дальности полета.

Добавление электролита в элемент аккумуляторной батареи представляет собой активацию элемента, а наиболее ранняя активированная ячейка определяет начало срока службы элемента, модуля или батареи. Литий-ионные элементы активируются на производственном предприятии в процессе изготовления элементов. После активации литий-ионные элементы обычно проходят несколько циклов заряда/разряда для подготовки поверхности электродов и стабилизации емкости.

Аккумуляторная батарея представляет собой совокупность элементов или модулей батареи, электрически соединенных последовательно для обеспечения требуемого напряжения и емкости. Обычно элементы физически объединены в единую сборку (или батарею) или в несколько отдельных сборок (или модулей), соединенных последовательно. Аккумуляторная батарея может также включать в себя такие компоненты, как электроника управления зарядом, предохранители, фильтры, изоляционные резисторы, электрические байпасные устройства, нагреватели, датчики температуры, термостаты, термовыключатели, терморегуляторы и устройства сброса давления. Эти устройства используются для контроля состояния аккумулятора и предотвращения небезопасной эксплуатации аккумулятора, которая может нанести вред персоналу или ухудшить его характеристики.

Календарный срок службы элемента или батареи — это максимальный период времени, в течение которого элемент или батарея могут использоваться, определяемый с даты изготовления самого старого элемента в батарее.

Емкость аккумулятора измеряется в ампер-часах и ватт-часах. Фактическая емкость в ампер-часах для заданных условий равна интегралу тока разряда от начала разряда полностью заряженной батареи (т.е. заряженной до максимального верхнего предела напряжения, допустимого при номинальной скорости заряда и температуре) до достижения минимально допустимого предела напряжения. Фактическая емкость в ватт-часах для заданных условий равна интегралу произведения тока разряда на напряжение от начала разряда полностью заряженной батареи до достижения минимально допустимого предела напряжения.

Фактическая емкость аккумулятора должна быть указана в обеих единицах измерения, чтобы облегчить оценку энергетического баланса, тепловую оценку и сравнение различных типов аккумуляторов. Для литий-ионных элементов измеренная емкость может сильно зависеть от конечного напряжения заряда, предельного напряжения разряда, температуры во время заряда и разряда, а также тока, используемого во время заряда и разряда. Поэтому важно учитывать эти переменные при сравнении изменений емкости в течение жизненного цикла и выбирать значения на основе наихудшего варианта использования во время наземных операций (для зарядки) и эксплуатации (для разрядки).

Рабочая емкость аккумулятора измеряется в ампер-часах и ватт-часах. Он равен одному и тому же интегралу значений от начала разряда полностью заряженной батареи до достижения наименьшего используемого предела напряжения для режима управления зарядом и нагрузки. Однако для поддержания срока службы и соответствия минимальным ограничениям напряжения на шине верхние и нижние пределы напряжения могут быть более консервативными, чем те, которые допускаются конструкцией элемента. Поэтому рабочая емкость всегда меньше или равна фактической емкости элемента или батареи.

Номинальная емкость аккумулятора измеряется в ампер-часах и ватт-часах. Номинальная емкость аккумулятора указывается поставщиком аккумулятора или элемента питания и обычно меньше фактической емкости. Производители часто предусматривают избыточную емкость сверх номинального значения, чтобы компенсировать вариабельность партий и ожидаемые потери емкости в течение срока службы батареи.

Элемент аккумуляторной батареи представляет собой отдельное устройство в корпусе одного элемента, которое преобразует химическую энергию в электрическую энергию при характеристическом напряжении при разряде с номинальной скоростью. Элементы батареи обычно электрически соединяются последовательно для создания батареи нужного напряжения. Элементы батареи можно соединять последовательно или параллельно, создавая модуль для увеличения емкости, напряжения и силы тока за пределы возможностей элемента. В таких случаях модули соединяются последовательно, образуя батарею.

Конструкция ячейки учитывает факторы, которые обуславливают уникальные характеристики ячейки, включая размер и количество электродов, тип и пористость сепараторов, состав и объем электролита, тип активного материала в положительных и отрицательных электродах, сплав токосъемника, структуру выводов ячейки, а также устройства безопасности и теплопередачи внутри ячеек. Литий-ионные элементы обычно используют структуру с обмоткой, состоящую из одного длинного положительного и отрицательного электрода, или призматическую структуру, состоящую из чередующихся положительных и отрицательных пластин электродов.

Цикл заряда определяется как разряд значительной части номинальной емкости элемента или батареи с последующей зарядкой до исходного состояния заряда. Разряд может быть результатом электрического заряда или саморазряда элемента или батареи.

Срок службы аккумулятора — это время с момента завершения зарядки аккумулятора до момента, когда потребуется его подзарядка для компенсации потерь емкости из-за саморазряда.

Срок службы элемента или батареи — это максимальное количество циклов зарядки, которое элемент или батарея могут выдержать до наступления необратимой потери производительности. Срок службы может варьироваться в зависимости от области применения и должен быть проверен путем квалификационных испытаний.

Наша организация, которая на протяжении многих лет стремится оказывать поддержку предприятиям всех секторов посредством широкого спектра испытаний, измерений, анализа и оценочных исследований, имеет сильный штат сотрудников, которые внимательно следят за мировыми достижениями в области науки и технологий и постоянно совершенствуются. В этом контексте предприятиям также предоставляются услуги по тестированию в соответствии со стандартом «Литий-ионные аккумуляторы SMC-S-018 для применения в ракетах-носителях».