SMC-S-018 litiumjonbatteri för uppskjutningsfordon

Publicerad av U.S. Air Force Space Commands Space and Missile Systems Center (SMC) "SMC-S-018-standarden, ”Litiumjonbatterier för bärraketstillämpningar”, beskriver krav och riktlinjer för utveckling, testning, lagring, bearbetning och användning av litiumjonceller och batterier för bärraketstillämpningar, inklusive boosters och övre steg.

Överensstämmelse med denna standard syftar till att säkerställa en produkt med hög tillförlitlighet för att uppnå korrekt batteriprestanda under uppdraget. Litiumjonbaserade batterier är en framväxande teknik som hittills har haft liten användning i uppskjutningsfarkoster. De är attraktiva jämfört med mer vanligt förekommande primärbatterier eftersom fullständig elektrisk prestanda, inklusive spänningsreglering och kapacitet, kan verifieras direkt i flyghårdvaran före användning. Det förväntas att dessa standarder kommer att uppdateras allt eftersom dessa batterier används och lärdomar specifika för utmaningarna med litiumjontekniken dras.

Denna standard, tillsammans med tillhörande hänvisningar, är avsedd att användas som referens i tillämpliga specifikationer för uppskjutningsfordon eller andra dokument för att inkludera vanliga krav och praxis som är nödvändiga för att säkerställa framgångsrik batteridrift under rymduppskjutningar.

Kraven här är avsedda att komplettera och förtydliga vad som anges i MIL STD 1540E angående användning av litiumjonbatterier i uppskjutningsfarkoster. Dessutom har uppskjutningsplatsen förberetts på ett sätt som inte strider mot systemsäkerhetskrav eller krav på räckviddssäkerhet för användning av litiumjonbatterier i flygavslutningssystem. Emellertid måste lämplig räckviddsdokumentation konsulteras för all avsedd användning av litiumjonbatterier i uppskjutningsplatser eller flygavslutningssystem.

Tillsats av elektrolyt i en battericell utgör cellaktivering, och den tidigaste cellen som aktiveras avgör början på cellens, modulens eller batteriets livslängd. Litiumjonceller aktiveras i tillverkningsanläggningen under cellproduktionen. Efter aktivering genomgår litiumjonceller vanligtvis flera laddnings-/urladdningscykler för att konditionera elektrodernas yta och stabilisera kapaciteten.

Ett batteri är en samling battericeller eller moduler som är elektriskt seriekopplade för att ge en önskad spänning och kapacitet. Vanligtvis är celler fysiskt integrerade i en enda enhet (eller batteri) eller i flera separata enheter (eller moduler) som är seriekopplade. Batteriet kan också innehålla komponenter som laddningsstyrningselektronik, säkringar, filter, isoleringsmotstånd, elektriska bypass-enheter, värmare, temperatursensorer, termostater, termiska brytare, termiska regulatorer och tryckavlastningsanordningar. Dessa enheter används för att övervaka batteriets hälsa och förhindra osäker användning av batteriet som kan skada personal eller försämra batteriets prestanda.

Kalenderlivslängden för en cell eller ett batteri är den maximala tidsperiod som cellen eller batteriet får användas, definierad från tillverkningsdatumet för den äldsta cellen i batteriet.

Batterikapacitet mäts i enheterna amperetimmar och wattimmar. Den faktiska amperetimmarskapaciteten för ett givet tillstånd är lika med integralen av urladdningsströmmen från början av urladdningen av ett fulladdat batteri (dvs. laddat till den maximala övre spänningsgränsen som tillåts under den nominella laddningshastigheten och temperaturen) tills den lägsta användbara spänningsgränsen uppnås. Den faktiska wattimmarskapaciteten för ett givet tillstånd är lika med integralen av produkten av urladdningsströmmen och spänningen från början av urladdningen av ett fulladdat batteri tills den lägsta användbara spänningsgränsen uppnås.

Faktisk batterikapacitet bör anges i båda enheterna för att underlätta bedömningar av energibalans, termiska bedömningar och jämförelse av olika batterityper. För litiumjonceller kan den uppmätta kapaciteten vara starkt beroende av slutspänningen, urladdningsspänningsgränsen, temperaturen under laddning och urladdning samt strömmen som används under laddning och urladdning. Därför är det viktigt att behålla dessa variabler när man jämför kapacitetsförändringar över livscykeln och välja värden baserat på värsta tänkbara användning under markoperationer (för laddning) och tjänstgöring (för urladdning).

Batteriets driftskapacitet mäts i enheterna amperetimmar och wattimmar. Det är lika med samma integral av värdena från början av urladdningen av ett fulladdat batteri tills den lägsta användbara spänningsgränsen uppnås för driftladdningskontroll och belastningsförhållanden. För att bibehålla livslängden och uppfylla minimigränserna för bussspänning kan dock övre och nedre spänningsgränser vara mer konservativa än de som tillåts av cellkonstruktionen. Därför är driftskapaciteten alltid mindre än eller lika med cellens eller batteriets faktiska kapacitet.

Nominell batterikapacitet mäts i enheterna amperetimmar och wattimmar. Den nominella batterikapaciteten anges av batteri- eller cellleverantören och är vanligtvis lägre än den faktiska kapaciteten. Tillverkare tillhandahåller ofta överkapacitet utöver det nominella värdet för att kompensera för batchvariationer och förväntade kapacitetsförluster under batteriets livslängd.

En battericell är en enda enhet i ett enda cellhölje som omvandlar kemisk energi till elektrisk energi med en karakteristisk spänning när den urladdas med en nominell hastighet. Battericeller är vanligtvis elektriskt seriekopplade för att skapa ett batteri med önskad spänning. Battericeller kan kopplas i serie eller parallellt för att skapa en modul för att öka kapacitet, spänning och strömkapacitet utöver cellens gränser. I sådana fall seriekopplas modulerna för att bilda ett batteri.

Celldesign tar hänsyn till faktorer som resulterar i unik cellprestanda, inklusive storlek och antal elektroder, separatorernas typ och porositet, elektrolytens sammansättning och volym, typ av aktivt material i de positiva och negativa elektroderna, strömavtagarens legering, cellens terminalstruktur samt säkerhets- och värmeöverföringsanordningar i cellerna. Litiumjonceller använder vanligtvis en lindad struktur bestående av en enda, lång, positiv och negativ elektrod eller en prismatisk struktur bestående av alternerande positiva och negativa elektrodplattor.

En laddningscykel definieras som urladdning av en betydande del av cellens eller batteriets nominella kapacitet följt av återladdning till det ursprungliga laddningstillståndet. Urladdning kan vara ett resultat av elektrisk laddning eller självurladdning av cellen eller batteriet.

Ett batteris laddningstid är tiden från det att batteriet är klart tills det att det behöver laddas om för att kompensera för kapacitetsförluster på grund av självurladdning.

En cells eller ett batteris livslängd är det maximala antalet laddningscykler som cellen eller batteriet kan leverera innan irreversibla prestandaförluster uppstår. Livslängden kan variera beroende på tillämpning och bör verifieras genom kvalificeringstestning.

Vår organisation, som i åratal har försökt stödja företag från alla sektorer med ett brett utbud av test-, mät-, analys- och utvärderingsstudier, har en stark personalstyrka som noggrant följer utvecklingen i världen inom vetenskap och teknik och ständigt förbättrar sig. I detta sammanhang tillhandahålls även testtjänster till företag i enlighet med standarden ”SMC-S-018 Litiumjonbatteri för bärraketstillämpningar”.