ГОСТ Р 59196-2020 (ИСО 17546:2016). Национальный стандарт Российской Федерации. Батареи литий-ионные для космических аппаратов. Оценка жизненного цикла
5 Аккумулятор
5.1 Рабочие характеристики
5.1.1 Общие положения
В настоящем подразделе приведено описание электрохимических рабочих характеристик одиночного аккумулятора с учетом требований других стандартов.
В каждом пункте установлены требования, соответствие которым следует проверять, когда конкретные аккумуляторы предназначены для применения в батареях для КА.
Аккумулятор, который входит в состав батареи, определяют как составляющий аккумулятор.
Размеры аккумулятора, например малого или большого формата, определяют с учетом [1] и ГОСТ Р МЭК 62281.
В настоящем стандарте приведены рекомендуемые параметры для квалификационных испытаний, требования по обеспечению гарантии качества летных аккумуляторов.
5.1.2 Терминология
Для понимания требований, предъявляемых при оценке характеристик аккумуляторов, используют следующие термины и определения.
Рабочая зона аккумулятора - условия при заряде и разряде, в которых работает аккумулятор в пределах диапазонов напряжения, тока и температур, установленных изготовителем аккумулятора. Пример графического изображение рабочей зоны аккумулятора представлен на рисунке 2 [1].
T1 - T2 - диапазон низких температур; T2 - T3 - стандартный
диапазон температур; T3 - T4, T4 - T5 - диапазоны
высоких температур
Рисунок 2 - Пример представления рабочей зоны аккумулятора
(см. [2])
Максимальный ток заряда с точки зрения обеспечения безопасности - Максимальный ток заряда в рабочей зоне аккумулятора, который установлен изготовителем аккумулятора в целях обеспечения безопасности (см. [2]).
Пределы тока заряда для обеспечения необходимого уровня рабочих характеристик аккумулятора - Пределы тока заряда <1> в рабочей зоне аккумулятора, которые установлены изготовителем аккумулятора в целях обеспечения рабочих характеристик. Указанные пределы не должны превышать значения максимального тока заряда.
--------------------------------
<1> Пределы могут быть разные в разных частях рабочей зоны.
5.1.3 Требования по обеспечению гарантии качества
Аккумулятор должен быть изготовлен в соответствии с требованиями программы менеджмента качества, содержание которой регламентируется Рекомендацией ООН (см. приложение E).
Приемочные испытания на уровне аккумуляторов проводят до их установки в летное оборудование с батарейным питанием.
Программа приемочных испытаний литий-ионных аккумуляторов в качестве обязательного минимума включает в себя следующее:
a) проверку внешнего вида;
b) проверку герметичности;
c) измерение размеров и массы;
d) измерение НРЦ;
e) испытания на саморазряд, а также определение емкости или энергии;
f) проверку внутреннего сопротивления.
В составе приемочных испытаний должны быть проведены испытания на воздействие внешних факторов, такие как виброустойчивость, циклическое изменение температуры, а также испытания устройств безопасности, таких как УПТ/ПТК и т.п. Критерии соответствия для всех испытаний устанавливает изготовитель батареи.
Анализ тенденций данных испытаний (см. [4])
В процессе проведения приемочных испытаний по всем последовательным партиям производства следует контролировать основные рабочие параметры, такие, как сохраняемость заряда, емкость или энергию, напряжение при максимальной нагрузке и сопротивление с целью выявления возможного ухудшения рабочих характеристик аккумуляторов вследствие непредвиденной замены используемых материалов или изменения процесса производства аккумуляторов (анализ тенденций).
Также проводят дополнительные испытания, например проверку:
a) напряжения замкнутой цепи;
b) устойчивости при циклировании и вибрации;
c) устойчивости к воздействию циклического изменения температуры;
d) устойчивости к воздействию ионизирующих излучений космического пространства;
e) внутреннего сопротивления;
f) испытания при входном контроле;
g) электрические испытания на длительное циклирование.
Для проверки применимости материалов необходимо проведение испытаний на дегазацию/газопоглощение. Любой аккумулятор с любыми признаками утечки электролита считают не прошедшим эту проверку.
Следует проверить дату изготовления аккумуляторов, предназначенных для летного использования, и убедиться в том, что сроки, указанные в перечне сроков хранения для изделий с ограниченным сроком службы, не превышены.
Допуски измерения параметров представлены в приложении A.
5.1.4 Квалификационные испытания аккумуляторов
В соответствии с 5.2.1 стандартные квалификационные испытания аккумуляторов включают в себя функциональные испытания (эксплуатационные, устойчивость при циклировании), испытания на устойчивость к воздействию условий окружающей среды (виброустойчивость, температурные, термовакуумные, воздействие ионизирующего излучения), а также испытания на безопасность, или другие испытания, проведение которых необходимо при использовании определенных видов аппаратуры или для определенных условий использования аккумулятора (см. [5], [9], [10]).
Пример квалификационных испытаний аккумуляторов приведен в приложении B.
Для использования аккумуляторов в условиях космоса критически важными являются значения параметров, проверку которых выполняют в процессе проведения испытаний на герметичность, безопасность, устойчивость к воздействию механических внешних факторов, ионизирующего излучения, циклирования, температуры, а также термовакуумных испытаний. Ниже приведено описание типичных методов испытаний и установлены критерии оценки результатов испытаний. Методы оценки данных не ограничиваются приведенным описанием.
Испытания на герметичность (газовыделение)
В рамках проведения приемочных испытаний каждый аккумулятор/батарею подвергают испытанию на герметичность.
Критерии: максимальная эквивалентная скорость утечки гелия не должна превышать 1,0·10-6 Па·м3/с.
Испытания на безопасность
Чтобы исключить возможность ситуации воспламенения или возгорания, каждый аккумулятор проверяют испытаниями на воздействие перезаряда, переразряда и сверхтока (испытание на короткое замыкание).
Температурные/термовакуумные испытания (см. [5])
Испытания аккумуляторов должны проходить в условиях среды, которые максимально приближены к условиям эксплуатации. Температурные условия среды являются фактором, в существенной степени влияющим на работу аккумуляторов. Квалификационный диапазон температур должен охватывать диапазон температур, воздействующих при орбитальном полете, и обеспечивать достаточную нагрузку на корпус для проверки сохранения герметичности аккумулятора. Для проверки надежности герметичности уплотнения испытания аккумуляторов проводят также в условиях вакуума.
Испытания на воздействие механических внешних факторов
При испытании на воздействие механических внешних факторов, включая испытания на воздействие синусоидальных и случайных вибраций и ударных нагрузок, должны быть учтены все возможные режимы полета.
В таблицах 2 - 4 представлены примеры уровней воздействия механических внешних факторов в условиях окружающей среды для аккумуляторов.
При задании значений характеристик механических воздействующих факторов применяют величину ускорения свободного падения на поверхности Земли, имеющую обозначение "g", за стандартное значение которой принимают 9,8 м/с2.
Таблица 2
Синусоидальная вибрация
Ось | Квалификация | |
Частота, Гц | Амплитуда/Ускорение | |
Все оси | 5 - 22 | 20 мм (удвоенная) |
22 - 100 | 20 g | |
Частота колебаний: 2 октавы/мин.
Таблица 3
Случайная вибрация
Ось | Частота, Гц | Уровень |
По длине аккумулятора. Ось Z аккумулятора | 20 - 50 | +6 дБ/окт. |
50 - 300 | 0,2 g2/Гц | |
300 - 450 | +12 дБ/окт. | |
450 - 700 | 1,0 g2/Гц | |
700 - 1000 | -19,43 дБ/окт. | |
1000 - 2000 | -3 дБ/окт. | |
| Всего (СКЗ) | 23,68 g |
В плоскости аккумулятора. Поперечное сечение. Оси X и Y для прямоугольной формы | 20 - 50 | +6 дБ/окт. |
50 - 100 | 0,1 g2/Гц | |
100 - 150 | +17,1 дБ/окт. | |
150 - 250 | 1,0 g2/Гц | |
250 - 284 | -12 дБ/окт. | |
284 - 500 | 0,6 g2/Гц | |
500 - 783 | -12 дБ/окт. | |
783 - 1000 | 0,1 g2/Гц | |
1000 - 2000 | -3 дБ/окт. | |
| Всего (СКЗ) | 21,19 g |
Продолжительность: 180 с для каждой оси.
Таблица 4
Ударная нагрузка
Ось | Частота, Гц | Ускорение, м/с2 |
Все оси | 200 | 24 g |
1400 | 4,200 g | |
4000 | 4,200 g |
Три раза для каждой оси в обоих направлениях <1>.
--------------------------------
<1> "В обоих направлениях" добавлено в связи с тем, что испытания на воздействие должны охватывать все возможные режимы полета.
Испытания на воздействие ионизирующего излучения
Аккумуляторы должны быть подвергнуты воздействию суммарной дозы поглощенного ионизирующего излучения, по величине не менее ожидаемой во время полета.
Испытание на долговечность при циклировании
Испытание на долговечность при циклировании проводят с целью проверки рабочих характеристик партии и определения срока службы в условиях полета.
Испытания на долговечность при циклировании для проверки рабочих характеристик партии должны быть включены в анализ тенденций партий. Изготовитель обязан предусмотреть проведение репрезентативных ресурсных испытаний с применением ускоренных условий для тока и длительности циклов. Значение снижения общей энергоемкости (или емкости) аккумулятора должно быть определено после установленного числа циклов. Ниже приведен пример методики испытаний.
Для приемки партии: 100% ГР:
1) температура Tбат, °C, (Tокр.сред/Tбат), определяется изготовителем батареи (как правило, при температуре окружающей среды);
2) ПТ - ПН; ток заряда 0,5C, А/НКЗ: Vз, В, определяется изготовителем;
3) ПТ; ток разряда 0,5 C, А, до НКР: Vр, В, определяется изготовителем.
До начала ресурсных испытаний и после каждого 100-го цикла выполняют стандартное измерение емкости.
5.1.5 Модели для анализа
Изготовитель аккумулятора обязан предоставить сборщику батарей полную информацию по всем нижеперечисленным параметрам, основанную на информации для оценки конструкции батареи от изготовителя аккумуляторов (при наличии).
Модели должны быть соотнесены с экспериментальными данными, полученными при наземной отработке и на орбите (при наличии).
a) Тепловыделение и тепловая модель
Предназначена для оценки конструкции батареи с точки зрения распределения и отвода тепла <2>.
--------------------------------
<2> Тепловая модель включает в себя распределение градиента температур внутри аккумуляторной батареи в зависимости от режимов заряда-разряда и выделение тепла на конструктив КА.
b) Структурная модель
Предназначена для оценки прочности и устойчивости конструктивного исполнения батареи.
c) Модель долговечности (старения)
Предназначена для оценки сохранения рабочих характеристик батареи на определенном уровне на протяжении всего срока службы.
Подписаться на обновления