Lítium-iónová batéria SMC-S-018 pre aplikácie v nosných raketách

Norma „ SMC-S-018 Lítium-iónová batéria pre aplikácie v nosných raketách“, ktorú vydalo Centrum pre vesmírne a raketové systémy (SMC) Vesmírneho veliteľstva vzdušných síl USA, opisuje požiadavky a pokyny pre vývoj, testovanie, skladovanie, spracovanie a používanie lítium-iónových článkov a batérií pre aplikácie v nosných raketách vrátane posilňovačov a horných stupňov.

Cieľom súladu s touto normou je zabezpečiť vysoko spoľahlivý produkt na dosiahnutie správneho výkonu batérie počas misie. Lítium-iónové batérie sú novou technológiou, ktorá sa doteraz v nosných raketách len málo využívala. Sú atraktívne oproti bežnejšie používaným primárnym batériám, pretože kompletný elektrický výkon vrátane regulácie napätia a kapacity je možné overiť priamo v letovom hardvéri pred použitím. Očakáva sa, že tieto normy sa budú aktualizovať s používaním týchto batérií a získavaním poznatkov špecifických pre výzvy lítium-iónovej technológie.

Táto norma spolu s príslušnými citáciami je určená na použitie formou odkazu v príslušných špecifikáciách nosných rakiet alebo iných dokumentoch, aby zahŕňala bežné požiadavky a postupy potrebné na zabezpečenie úspešnej prevádzky batérií počas štartov do vesmíru.

Tieto požiadavky majú doplniť a objasniť to, čo je uvedené v norme MIL STD 1540E týkajúce sa používania lítium-iónových batérií v nosných raketách. Okrem toho bolo miesto štartu pripravené spôsobom, ktorý nie je v rozpore s bezpečnostnými požiadavkami systému ani s bezpečnostnými požiadavkami na dosah pri používaní lítium-iónových batérií v systémoch ukončenia letu. V prípade akéhokoľvek zamýšľaného použitia lítium-iónových batérií v systémoch na štartovacích miestach alebo na ukončenie letu je však potrebné preštudovať si príslušnú dokumentáciu o dolete.

Pridanie elektrolytu do batériového článku predstavuje aktiváciu článku a najskorší aktivovaný článok určuje začiatok životnosti článku, modulu alebo batérie. Lítium-iónové články sa aktivujú vo výrobnom závode počas ich výroby. Po aktivácii lítium-iónové články zvyčajne prechádzajú niekoľkými cyklami nabíjania/vybíjania, aby sa upravila povrch elektród a stabilizovala kapacita.

Batéria je zostava batériových článkov alebo modulov elektricky zapojených do série, aby poskytovali požadované napätie a kapacitu. Články sú typicky fyzicky integrované do jednej zostavy (alebo batérie) alebo do niekoľkých samostatných zostáv (alebo modulov) zapojených do série. Batéria môže tiež obsahovať komponenty, ako je elektronika na riadenie nabíjania, poistky, filtre, izolačné odpory, elektrické bypassové zariadenia, ohrievače, teplotné senzory, termostaty, tepelné spínače, tepelné regulátory a zariadenia na poistné ventily. Tieto zariadenia sa používajú na monitorovanie stavu batérie a na zabránenie nebezpečnej prevádzke batérie, ktorá by mohla poškodiť personál alebo poškodiť jej výkon.

Kalendárna životnosť článku alebo batérie je maximálna doba, počas ktorej je možné článok alebo batériu používať, definovaná od dátumu výroby najstaršieho článku v batérii.

Kapacita batérie sa meria v jednotkách ampérhodín a watthodín. Skutočná kapacita v ampérhodinách za daných podmienok sa rovná integrálu vybíjacieho prúdu od začiatku vybíjania plne nabitej batérie (t. j. nabitej na maximálny horný limit napätia povolený pri menovitom nabíjacom rýchlosti a teplote) až do dosiahnutia najnižšieho použiteľného limitu napätia. Skutočná kapacita vo watthodinách za daných podmienok sa rovná integrálu súčinu vybíjacieho prúdu a napätia od začiatku vybíjania plne nabitej batérie až do dosiahnutia najnižšej použiteľnej hranice napätia.

Skutočná kapacita batérie by mala byť uvedená v oboch jednotkách, aby sa uľahčilo posúdenie energetickej bilancie, tepelné posúdenie a porovnanie rôznych typov batérií. V prípade lítium-iónových článkov môže byť nameraná kapacita silne závislá od koncového napätia nabíjania, limitu vybíjacieho napätia, teploty počas nabíjania a vybíjania a prúdu používaného počas nabíjania a vybíjania. Preto je dôležité zachovať tieto premenné pri porovnávaní zmien kapacity počas životného cyklu a vybrať hodnoty na základe najhoršieho prípadu využitia počas pozemnej prevádzky (pre nabíjanie) a prevádzky (pre vybíjanie).

Prevádzková kapacita batérie sa meria v jednotkách ampérhodín a watthodín. Rovná sa rovnakému integrálu hodnôt od začiatku vybíjania plne nabitej batérie až do dosiahnutia najnižšej použiteľnej hranice napätia pre riadenie nabíjania a podmienky zaťaženia. Avšak na zachovanie životnosti cyklu a splnenie minimálnych limitov napätia zbernice môžu byť horné a dolné limity napätia konzervatívnejšie ako tie, ktoré povoľuje konštrukcia článku. Preto je prevádzková kapacita vždy menšia alebo rovná skutočnej kapacite článku alebo batérie.

Menovitá kapacita batérie sa meria v jednotkách ampérhodín a watthodín. Menovitá kapacita batérie je uvedená dodávateľom batérie alebo článku a zvyčajne je nižšia ako skutočná kapacita. Výrobcovia často poskytujú nadmernú kapacitu nad menovitú hodnotu, aby kompenzovali variabilitu šarží a očakávané straty kapacity počas životnosti batérie.

Batériový článok je samostatné zariadenie v puzdre jedného článku, ktoré pri vybíjaní nominálnou rýchlosťou premieňa chemickú energiu na elektrickú energiu s charakteristickým napätím. Batériové články sú zvyčajne elektricky zapojené do série, aby vytvorili batériu s požadovaným napätím. Batériové články je možné zapojiť sériovo alebo paralelne, čím sa vytvorí modul na zvýšenie kapacity, napätia a prúdovej kapacity nad rámec limitov článku. V takýchto prípadoch sú moduly zapojené sériovo a tvoria batériu.

Konštrukcia článku zohľadňuje faktory, ktoré vedú k jedinečnému výkonu článku, vrátane veľkosti a počtu elektród, typu a pórovitosti separátorov, zloženia a objemu elektrolytu, typu aktívneho materiálu v kladných a záporných elektródach, zliatiny zberača prúdu, štruktúry terminálov článku a bezpečnostných zariadení a zariadení na prenos tepla v článkoch. Lítium-iónové články zvyčajne používajú navinutu štruktúru pozostávajúcu z jednej dlhej kladnej a zápornej elektródy alebo prizmatickú štruktúru pozostávajúcu zo striedajúcich sa kladných a záporných elektródových dosiek.

Nabíjací cyklus je definovaný ako vybitie významnej časti nominálnej kapacity článku alebo batérie, po ktorom nasleduje opätovné nabitie do počiatočného stavu nabitia. Vybíjanie môže byť výsledkom elektrického náboja alebo samovybíjania článku alebo batérie.

Životnosť batérie je čas od úplného nabitia batérie až po potrebu jej opätovného nabitia, aby sa kompenzovali straty kapacity spôsobené samovybíjaním.

Životnosť článku alebo batérie je maximálny počet nabíjacích cyklov, ktoré článok alebo batéria dokáže vykonať predtým, ako dôjde k nezvratným stratám výkonu. Životnosť sa môže líšiť v závislosti od aplikácie a mala by sa overiť kvalifikačnými skúškami.

Naša organizácia, ktorá sa už roky snaží podporovať podniky zo všetkých sektorov širokou škálou testovacích, meracích, analytických a hodnotiacich štúdií, má silný personál, ktorý pozorne sleduje svetový vývoj v oblasti vedy a techniky a neustále sa zlepšuje. V tejto súvislosti sa podnikom poskytujú aj testovacie služby v súlade s normou „SMC-S-018 Lítium-iónová batéria pre aplikácie v nosných raketách“.