ГОСТ Р 59196-2020 (ИСО 17546:2016). Национальный стандарт Российской Федерации. Батареи литий-ионные для космических аппаратов. Оценка жизненного цикла

5.2 Безопасность

5.2.1 Общие положения

В данном подразделе приведена информация о явлениях, представляющих опасность для незащищенных аккумуляторов, а также снабженных устройствами безопасности. Регламентированы параметры, проверку которых проводят в процессе проведения испытаний на безопасность.

Испытания на безопасность, которые должны подтвердить устойчивость ЛИАБ к одновременным отказам двух элементов, защищающих от катастрофической опасности, выполняют в рамках программы квалификационных испытаний и повторяют для каждой новой приобретенной партии той же батареи (см. [5]).

5.2.2 Определения и контроль потенциальных опасностей

Виды потенциальных опасностей

В настоящем пункте приведены возможные потенциальные опасности для одиночных аккумуляторов, подвергаемых обработке (см. приложение C).

К потенциальным опасностям в настоящем стандарте согласно ГОСТ Р МЭК 62133-2 (см. также [11]) отнесены:

a) возгорание;

b) разрыв/взрыв;

c) утечка электролита аккумулятора;

d) сброс давления;

e) прогорание вследствие воздействия чрезмерно высоких внешних температур;

f) образование разрывов корпуса ЛИАБ, приводящее к утрате защиты ее внутренних компонентов;

g) дым.

Защитные устройства как средства контроля опасностей

Для контроля опасностей аккумулятор должен быть оснащен определенными защитными устройствами. Несмотря на то, что эти устройства представляют собой надежную защиту для отдельных аккумуляторов, необходимо провести оценку возможности их использования в составе многоэлементных батарей. Для многоэлементных батарей установку защитных устройств реализуют на уровне модуля или батареи. Далее представлены типичные примеры защитных устройств контроля потенциальных опасностей.

Плавкий электрический предохранитель

Плавкий электрический предохранитель - защитное устройство, имеющее металлическую вставку, расплавляющуюся под воздействием тепла, выделяемого при чрезмерном повышении тока в цепи, что вызывает запирание ограничителя(ей) тока, и, таким образом, приводит к разрыву или открытию цепи (см. [7]). Блокирующие ограничители тока (внешне сбрасываемые) также могут быть защитными устройствами вместо предохранителей.

Устройство прерывания тока (УПТ)

УПТ активируется при образовании избыточного давления внутри аккумулятора, что, как правило, происходит в случае перезаряда аккумулятора и повышения значений напряжения до 5 В и более.

Устройство с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ПТК)

Полимерный или керамический элемент, который имеет очень низкое сопротивление и проводит электричество с очень небольшими потерями, пока не будет достигнут критический диапазон температуры или тока. При достижении установленного критического диапазона внутреннее сопротивление ПТК <1> увеличивается экспоненциально, препятствуя прохождению тока от приложенного напряжения. Увеличение сопротивления, как правило, составляет пять-шесть порядков в диапазоне температур 25 °C. При охлаждении ниже критического температурного диапазона сопротивление устройства ПТК восстанавливается до своего прежнего значения (см. [7]).

--------------------------------

<1> Особенностью ПТК, которую следует учитывать при использовании, является то, что при прохождении тока сверх определенного значения ПТК начинает разогреваться, что приводит к аналогичным последствиям прерывания тока, как и при превышении температуры окружающей среды. В связи с этим ПТК может быть использован как предохранитель по току, но с низкими временными характеристиками.

Тепловой предохранитель

Тепловой предохранитель - электрический элемент с плавкой вставкой, который проводит ток, пока его температура ниже критической пороговой температуры. Как только эта пороговая температура превышена, тепловой предохранитель необратимо перестает проводить ток, как правило, из-за плавления элемента автоматического выключателя, что приводит к высвобождению пружинки, размыкающей цепь (см. [7]).

Шунтирующее устройство

Шунтирующее устройство используют для необратимого шунтирования блока или секции аккумуляторов на уровне батареи при выходе значений напряжения или температуры за пределы рабочих диапазонов.

Вентиляционная пробка/разрывная мембрана

Для предотвращения резкого механического разрушения корпуса батареи большинство аккумуляторов оснащены механизмом (клапаном) щадящего сброса внутреннего давления. Как правило, этот клапан представляет собой специально ослабленную часть корпуса аккумулятора, которая взламывается до появления разрывов. Организацию утечки до разрыва, также используют для предотвращения риска резкого механического разрушения корпуса аккумулятора.

Отключающий сепаратор

Активация отключающего сепаратора происходит при нагреве аккумулятора до определенной температуры, что приводит к расплавлению среднего полиэтиленового слоя трехслойного разделителя.

В аккумуляторах больших размеров в качестве уровней защиты применены отключающие сепараторы, клапаны и плавкие перемычки от электрода. Активация отключающего сепаратора происходит при достижении температуры приблизительно 130 °C. Расплавление плавкой перемычки происходит при определенных значениях тока, что позволяет исключить риск возникновения опасной ситуации в условиях внешнего короткого замыкания. Срабатывание клапана, как правило, происходит при давлении более 1,03 МПа, и в некоторых случаях клапан может служить уровнем защиты от возникновения аварийной ситуации, при этом, как правило, после сброса давления аккумуляторы утрачивают свою работоспособность.

5.2.3 Испытание на безопасность

Обязательные испытания на безопасность на уровне аккумуляторов проводят для обеспечения соответствия условиям международных перевозок батарей, установленных [1]. В руководстве по испытаниям и критериям указаны цель и аспекты испытаний.

При квалификационных испытаниях, применяемых для КА, некоторые испытания на безопасность, такие как вибрация и удар, представленные в [1]), объединяют или включают в качестве эквивалентных условий испытания. Поскольку для проверки и оценки безопасности системы на уровне батареи или целиком КА, требуются оценка и отчет по токсикологии, необходимо проведение разрушающего физического анализа (РФА) с анализом электролитов (см. [9]).

Важные аспекты проведения испытаний

Некоторые ЛИА или ЛИАБ могут взрываться в процессе проведения испытаний, если параметры испытаний находятся вне пределов значений параметров, заложенных в конструкции аккумулятора: в основном при перезаряде или превышении температурных диапазонов.

Особое значение имеет обеспечение защиты персонала от разлетающихся фрагментов, воздействия силы взрыва, неожиданного выброса тепла, шума, являющихся последствиями таких взрывов.

Площадки для испытаний следует надлежащим образом проветривать для обеспечения защиты персонала от возможного воздействия вредных испарений и газов.

В качестве дополнительной меры предосторожности во время проведения испытаний следует осуществлять постоянный мониторинг температуры на поверхности корпуса аккумуляторной батареи.

Весь персонал, участвующий в проведении испытаний ЛИАБ, должен пройти инструктаж и знать, что никогда не следует приближаться к литиевой батарее, если ее температура достигает 90 °C, и прикасаться к ней, если температура поверхности превышает 45 °C.

Для обеспечения гарантии защиты все испытания следует проводить в защищенном помещении, отделенном от операторов (см. [2]).

Испытание при пониженном атмосферном давлении (T1)

Испытание проводят с целью определения прочности аккумулятора/батареи к воздействию низкого давления во время транспортирования воздушным транспортом путем оценки целостности и герметичности. В случае использования в КА данное испытание должно быть объединено с термовакуумными испытаниями.

Температурное циклирование (T2)

Испытание проводят с целью проверки прочности аккумулятора/батареи к воздействию температур от минус 40 °C до 72 °C при транспортировании. Для батарей, предназначенных для использования в КА (поскольку используется более широкий диапазон температур, чем диапазон температур квалификационных испытаний), температурное циклирование проводят отдельно от квалификационных испытаний.

Испытание на виброустойчивость (T3)

Испытание проводят с целью оценки прочности аккумуляторных батарей к воздействию вибраций при транспортировании.

Для квалификации батарей, предназначенных для использования в условиях космоса, требуется применение гораздо более жесткого уровня вибронагрузок. Поэтому испытание на виброустойчивость в соответствии с требованиями (см. [1]) проводят совместно с квалификационными испытаниями на виброустойчивость. Для определения длительности испытания требуется провести расчет допустимых усталостных напряжений.

При проверке батарей, предназначенных для использования в КА, испытание на виброустойчивость также выполняет функцию отбраковочного испытания, предназначенного для исключения риска внутреннего короткого замыкания. Данное испытание проводят, как правило, на уровне конфигурации аккумуляторной батареи с применением условий внутренней среды КА с учетом коэффициентов усиления, приведенных в [10].

Испытание на ударное воздействие (T4)

Испытание проводят на уровне конфигурации батареи с целью оценки прочности к воздействию тряски при транспортировании. Для квалификации батарей, предназначенных для использования в условиях космоса, требуется применение гораздо более высокого уровня ускорения ударной нагрузки. Поэтому испытания на виброустойчивость (см. [1]) проводят совместно с квалификационными ударными испытаниями.

Испытания на внешнее короткое замыкание (T5)

Типичные отказы: случайное закорачивание на токовыводах; сильный удар/отказ защитных устройств, если используют.

Уровень аккумулятора: воздействие на аккумулятор внешнего жесткого короткого замыкания при контролируемых условиях.

Условия проведения испытаний на внешнее короткое замыкание установлены правилами [1] (например, сопротивление внешней цепи менее чем 0,1 Ом при (55 +/- 2) °C).

Испытания на внутреннее короткое замыкание (воздействие вибрации/раздавливание) (T6)

Наличие загрязнений (металлических заусенцев, частиц, пыли), попадающих внутрь аккумуляторов (дефект изготовления), как правило, является причиной внутреннего короткого замыкания вследствие вибрации, моделируемого посредством грубого механического воздействия путем тряски или раздавливания аккумуляторов. Условия испытаний выбирают в зависимости от формы корпуса или размера аккумулятора.

Если сборку батарей производят из ЛИА, изготовленных в других странах, то следует использовать только аккумуляторы, прошедшие испытания на соответствие [1] у оригинального изготовителя аккумуляторов.

Испытание (T7) избыточно, допускается не проводить <1>

--------------------------------

<1> Перечень всех испытаний T1 - T8 для обеспечения безопасности при транспортировании приведен в [1]. Ряд испытаний допускается проводить только на отдельных аккумуляторах или только на батареях определенных конфигураций. Например, проводить испытание на перезаряд (T7) для аккумуляторов лишено смысла, т.к. подобная ситуация на стадии транспортирования может произойти только при наличии параллельно соединенных аккумуляторов или секций (т.е. батареях) при повреждении одного из аккумуляторов.

Испытание на переразряд (T8)

Типичные отказы: отказ (в оборудовании) отключения по низкому напряжению; отказ платы защиты.

Условия испытания: каждый аккумулятор следует подвергнуть принудительному разряду при температуре окружающей среды путем последовательного подключения его к источнику питания с начальным током, равным максимальному току разряда, указанному изготовителем.

Необязательные испытания

Нижеперечисленные испытания являются рекомендуемыми и необязательными.

a) Испытания при высокой температуре и нагреве до сброса давления

Определение допуска на температуру аккумулятора, а также температур теплового разгона.

Следует оснастить испытуемые аккумуляторы контрольно-измерительными приборами для измерения температуры и давления.

b) Испытания на сброс давления и на воздействие разрывного внутреннего давления (только для аккумуляторов, оснащенных системой сброса давления)

Требования к конструкции: отношение величины внутреннего давления, вызывающего сброс, к величине внутреннего давления, вызывающее разрыв, должно быть не менее 3,0.

Испытание на сброс давления проводят на двух корпусах аккумуляторов, прошедших циклические испытания под давлением, и одном корпусе аккумулятора, для которого циклические испытания под давлением не проводились.

1) Повышают давление внутри корпусов аккумуляторов до значения P_нач, МПа (изб.) <1>, где P_нач - начальное давление.

2) Выдерживают корпусы аккумуляторов 1 мин.

3) Проверяют отсутствие разрушения разрывных мембран.

4) Увеличивают давление в корпусах аккумуляторов на 0,05 МПа (изб.) <1>.

5) Выдерживают корпусы аккумуляторов 1 мин. Если в течение этого времени на разрывных мембранах образуется разрыв, то фиксируют значение давления как P_сбр, МПа (изб.) <1>.

--------------------------------

<1> МПа (изб.) означает избыточное давление над атмосферным.

6) При отсутствии разрывов повторяют действия 4) и 5) до срабатывания разрывных мембран.

7) Фиксируют значение давления в момент срабатывания разрывных мембран.

Критерии оценки: на разрывной мембране должно отсутствовать образование разрывов при давлении менее или равном 0,5 МПа. Давление срабатывания разрывных мембран P_сбр должно более чем в три раза превышать P_нач.