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

6.2 Безопасность

6.2.1 Общие положения

Изготовитель аккумуляторных батарей обязан обеспечить безопасность персонала и оборудования на всех этапах разработки, изготовления, сборки, обработки, хранения и транспортировании (см. [13]).

Должны быть определены и осуществлены все меры предосторожности для предотвращения непреднамеренного сброса давления из отдельного аккумулятора или собранной комбинации аккумуляторов.

Потенциально опасные условия, опасные процедуры должны быть идентифицированы таким образом, чтобы персонал мог легко их обнаруживать.

Безопасность аккумуляторных батарей следует обеспечивать в двух условиях применения:

a) использование по назначению;

b) обоснованно прогнозируемое неправильное применение.

Аккумуляторы и батареи должны быть изготовлены таким образом, чтобы их конструкция обеспечивала их безопасную работу как при использовании по назначению, так и в случаях обоснованно прогнозируемого неправильного применения.

Предполагается, что неправильное применение аккумуляторов или батарей приведет к прекращению их работы, при этом они не должны представлять значительных опасностей. Предполагается, что аккумуляторы и батареи, используемые по назначению, должны быть не только безопасными, но и сохранять работоспособность по всем параметрам.

Руководствуясь принципами по ГОСТ Р 57149, изготовитель обязан провести соответствующий анализ рисков с учетом всего жизненного цикла батареи.

Типичная опасная ситуация, вызванная ЛИАБ, становится общеизвестной; тем не менее, конструкцию или интерфейс ЛИАБ следует анализировать конкретно в каждом отдельном случае из-за отличий архитектуры системы, цепочки поставок или химического состава согласно ГОСТ Р МЭК 62133-2.

ЛИА и ЛИАБ классифицируют по их химическому составу (электроды, электролит) и внутренней конструкции (бобинные, спиральные, укладка в стопку).

ЛИАБ изготавливают различных форм. Следует учитывать все соответствующие аспекты безопасности на этапе проектирования батареи, включая тот факт, что они значительно различаются в зависимости от конкретной литиевой системы, выходной мощности и конфигурации батареи.

Следующие принципы обеспечения безопасности являются общими при проектировании всех ЛИА и ЛИАБ:

- конструкция батареи должна препятствовать аномальному подъему температуры выше критического значения, определенного изготовителем;

- конструкцией должен быть предусмотрен контроль роста температуры внутри аккумулятора или батареи, например путем ограничения тока;

- конструкцией аккумулятора и батареи должна быть предусмотрена возможность сброса избыточного внутреннего давления или предотвращения резкого механического разрушения в условиях транспортирования;

- конструкция аккумулятора и батареи должна обеспечивать предотвращение случаев короткого замыкания при нормальных условиях транспортирования и использования по назначению;

- аккумуляторные батареи, в состав которых входят аккумуляторы или последовательно соединенные цепочки аккумуляторов, соединенные параллельно, должны быть оснащены эффективными средствами для предотвращения возможности появления опасных обратных токов (например, диодами, предохранителями и т.п.) по ГОСТ Р МЭК 62281;

- в соответствии с ГОСТ Р 52925 для аккумуляторных батарей необходимо обеспечить выполнение следующих процедур:

      - мониторинг рабочих  характеристик  аккумуляторной  батареи во время

полета КА по орбите с целью обеспечения возможности  своевременного  начала

выполнения  операций,  предусмотренных  для этапа конца срока эксплуатации,

пока батарея готова к их выполнению;

      - оценка   риска   образования   обломков   после   окончания   срока

эксплуатации. Данную  процедуру  допускается  объединить  с  оценкой  риска

разрыва  аккумуляторов  или  батареи  в  течение  рабочего  периода   срока

эксплуатации.

6.2.2 Определения видов потенциальных опасностей

Виды потенциальных опасностей

В настоящем пункте приведены определения возможных потенциальных опасностей, возникающих при обработке батареи.

Вид потенциальной опасности определяют на основе результатов оценки риска и анализа риска.

Пример процедуры оценки риска представлен в приложении 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 батареи, приводящее к утрате защиты ее внутренних компонентов;

g) дым.

6.2.3 Технические требования

Ниже приведены требования к обеспечению безопасности при разработке конструкции аккумуляторной батареи.

Анализ рисков для всего периода эксплуатации является предварительным этапом разработки ЛИАБ.

АВПКО следует проводить для всех видов конструкции батарей.

В общий анализ отказов и надежности батареи со своими видами отказов следует включать все защитные устройства элементов (такие как разрывная пластина, УПТ, ПТК, предохранители и переключатели, реле, байпасы и диоды), входящие в состав батареи, так как они увеличивают число сценариев ее отказа.

При выборе между различными уровнями риска, связанными с используемыми материалами, значениями энергоемкости, электрической конфигурацией (сложностью электрической схемы), количеством имеющейся энергии и условиями применения, следует выбирать вариант, представляющий минимальный риск при одновременном обеспечении эксплуатационных требований к полетному заданию.

Отказоустойчивость

Анализ отказоустойчивости батареи следует проводить в рамках анализа ее конструкции.

Батареи и их системы должны быть безопасны в соответствии с ГОСТ Р 57149, так как при их разработке делают выбор в пользу соответствующих конструктивных особенностей или устройств безопасности, в совокупности обеспечивающих их работоспособность и отказоустойчивость, позволяющих исключить возможность возникновения опасностей.

Поскольку аккумуляторы/батареи, изготовленные на основе лития, обладают высокой удельной энергоемкостью и, соответственно, высоким потенциалом опасности, они должны иметь двойной запас отказоустойчивости по отношению ко всем видам катастрофических отказов.

Определение катастрофического отказа: опасность считают катастрофической, если ее последствия могут быть отнесены к одной из следующих категорий:

- потеря жизни, опасность для жизни или повреждения, приводящие к полной инвалидности, либо получению профессиональных заболеваний, потеря интерфейсного элемента системы пилотируемого полета;

- утрата оборудования стартового комплекса или утрата системы;

- долгосрочное вредное воздействие на окружающую среду.

Большинство электролитов на основе лития являются токсичными, коррозионно- и пожароопасными. Проведение соответствующих испытаний по проверке партий ЛИА на устойчивость к определенным видам неправильного использования следует считать контролем опасности, зависящим от конструкции элемента, величины энергоемкости, электрической конфигурации (сложности электрической схемы), количества имеющейся энергии и условиями применения. Отказ аккумулятора считают одним из видов отказов (см. [5]).

Средства контроля опасности (см. [5])

В конструкции батареи должны быть предусмотрены защитные устройства для контроля потенциальных опасностей.

При проектировании батарей следует учитывать структурную целостность аккумуляторов и корпусов батарей, возможность образования газа, давления и/или утечки электролита, предотвращение коротких замыканий и обратных токов, возможность разогрева батарей до высоких температур, переразряда, необходимость обеспечения правильным методом заряда. Оценку безопасности батарей проводят с учетом анализа возможностей ее защитных устройств.

Предотвращение перегрузок по току

Каждая батарея с высокой удельной энергией, используемая в качестве источника питания, должна быть оснащена соответствующим устройством защиты от перегрузки по току.

Защитные устройства должны переходить в положение разомкнутой цепи, если батарея разряжается с чрезмерной скоростью (например, предохранитель или реле), или ток должен ограничиваться до безопасного уровня (например, ПТК). Батареи должны быть защищены от перегрузки по току в заземляющем проводе каждой силовой последовательной цепи. Каждая отдельная цепь должна быть защищена.

Если батарея имеет ответвления для обеспечения разных выходных напряжений, то каждая ветвь должна быть защищена устройством защиты от перегрузки по току.

Защита от превышения напряжения

Каждая аккумуляторная батарея должна быть оснащена интегрированными устройствами защиты от превышения напряжения (перезаряда), которые обеспечивают отключение батареи от зарядного устройства или шунтируют ток для предотвращения перезаряда каждого из аккумуляторов.

Защитная функция должна срабатывать автоматически без участия оператора, когда функция защиты (при наличии) активирована.

Например, защита от перенапряжения, установленная внутри батареи, может формировать сигнал контроля напряжения, передаваемого в КА таким образом, что контроллер КА выполняет прекращение заряда. Защита от перенапряжения может представлять собой комбинацию электронного оборудования (электронных схем) батареи и КА.

Управление температурой/током

Батарея должна иметь конструкцию, предотвращающую возможность формирования условий анормального роста температуры.

Там, где это необходимо, следует обеспечить наличие устройств ограничения тока до безопасного уровня в процессе заряда и разряда.

Изоляция и проводка

Сопротивление изоляции между положительным выводом и внешними металлическими поверхностями батареи, за исключением поверхностей электрических контактов, зависит от конструкции батареи и устанавливается изготовителем.

Внутренняя проводка и ее изоляция должны быть достаточными для того, чтобы выдерживать максимальный ожидаемый ток [например, используя правила снижения номинальных характеристик для проводов (см. [12])] и соответствовать требованиям по рабочему напряжению и температуре.

Провода должны быть проложены таким образом, чтобы между соединителями всегда были обеспечены достаточные воздушный зазор и длина пути тока утечки.

Внутренние соединения должны обладать механической прочностью, позволяющей выдерживать условия обоснованно прогнозируемого неправильного использования.

Прямая защита от случайного закорачивания

До момента установки в КА у аккумуляторной батареи концевые токовыводы или электрические вилки соединителя должны быть изолированы, защищены или оснащены устройством, обеспечивающим эффективную защиту от случайного закорачивания.

Следует использовать силовые переключатели готового изделия, позволяющие предотвратить случайное включение аккумуляторной батареи. В цепях заземления не следует использовать устройства отключения.

Сброс давления

Корпус батареи и аккумуляторы должны быть оснащены механизмами сброса давления или иметь конструкцию, позволяющую выполнять сброс избыточного внутреннего давления при достижении определенных величин и со скоростями, которые обеспечивают предотвращение образования разрывов, взрыва или самовозгорания. Если для крепления аккумулятора во внешнем корпусе применяют герметизацию, то тип герметика или метод герметизации не должны приводить ни к нагреву батареи во время нормальной работы, ни к препятствию сброса давления.

Клапаны аккумулятора или батареи не должны блокироваться, если сброс давления рассматривают как средство обеспечения их устойчивости к отказам. Если герметизация необходима, то следует сделать так, чтобы она не препятствовала сбросу давления и не влияла отрицательно на терморегулирование батареи.

Устройство канала для сброса токсичных, коррозионно-активных и/или горючих продуктов, высвобождающихся в результате сброса давления, должно быть выполнено таким образом, чтобы обеспечивалась возможность предотвращения образования разрывов или неуправляемого сброса давления, кроме тех случаев, когда сброс давления вообще не предусмотрен. Для предотвращения образования разрывов корпус аккумуляторной батареи в сборе должен быть оснащен функциональным механизмом сброса давления.

Требования к температурам поверхностей, к которым возможно прикосновение экипажа

Аппаратура, к которой экипаж может прикасаться, должна иметь температуру поверхности для постоянного контакта не выше 45 °C, предупреждающие надписи для температур поверхности от 45 °C до 50 °C и должна предусматривать защитные меры для температур поверхности выше 50 °C.

При необходимости прикосновения членами экипажа к батарее или аккумуляторам в процессе выполнения процедуры заряда/разряда они должны быть оборудованы дополнительной защитой для предотвращения повышения температуры выше указанного предела в 45 °C, даже если температура окружающей среды приближается к 45 °C.

Если к батареям или аккумуляторам невозможно прикоснуться непосредственно, но они расположены вблизи поверхности, к которой требуется прикасаться, то должны быть предусмотрены средства управления температурой, чтобы предотвратить передачу чрезмерного тепла батареи или аккумулятора на поверхность касания.

Контакты токовыводов

Токовыводы, расположенные на внешней поверхности батареи, должны иметь четкую маркировку полярности. Контактная поверхность токовыводов должна иметь размер и форму, позволяющие выдерживать максимально возможный ток. При необходимости отгрузки батареи типы ее электрических соединителей следует также указывать на схемах документа электрического интерфейса.

Для предотвращения неправильного подключения батареи изготовитель обязан предусмотреть в электрических соединителях различные ключи или использовать другие средства.

Внешние поверхности контактов токовыводов следует выполнять из электропроводящих материалов, обладающих хорошей механической прочностью и устойчивостью к коррозии. Контакты токовыводов должны быть расположены таким образом, чтобы свести к минимуму опасность возникновения короткого замыкания.

6.2.4 Испытания на безопасность

До начала транспортирования должны быть проведены обязательные испытания на безопасность на уровне батарей в соответствии с требованиями, установленными в [1]. Руководство по испытаниям и критерии, содержащиеся в нем, определяют цель и аспекты испытаний.

С учетом космических квалификационных испытаний некоторые испытания на безопасность, такие как вибрация и удар, приведенные в [1], должны быть объединены или включены в качестве эквивалентных условий испытания.

 

Важные аспекты проведения испытаний Некоторые ЛИАБ могут взрываться в процессе проведения испытаний. Особое значение имеет обеспечение защиты персонала от разлетающихся фрагментов, воздействия силы взрыва, неожиданного выброса тепла, шума, являющихся следствием таких взрывов. Площадки для испытаний следует хорошо 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 батареи. Весь персонал, участвующий в проведении испытаний ЛИАБ, должен пройти инструктаж и знать, что никогда не следует приближаться к литиевой батарее, если температура ее поверхности достигает 90 °C, и прикасаться к ней, если температура поверхности превышает 45 °C (см. [2]). В целях безопасности все испытания следует проводить в защищенном помещении, отделенном от операторов (см. [2]).

 

Испытание при пониженном атмосферном давлении (T1)

Испытание проводят с целью проверки прочности ЛИАБ к воздействию низкого давления во время транспортирования воздушным транспортом, путем оценки целостности и герметичности. В случае использования в КА испытание должно быть объединено с термовакуумными испытаниями.

Температурные испытания (T2)

Испытание проводят с целью проверки прочности ЛИАБ к воздействию предполагаемых температурных условий при транспортировании (см. [1]). Данный диапазон температур не считается рабочим диапазоном температур батареи.

Для батарей, предназначенных для использования в КА (поскольку используется более широкий диапазон температур, чем диапазон температур квалификационных испытаний), температурное испытание проводят отдельно от квалификационных испытаний.

Испытание на виброустойчивость (T3)

Испытание проводят с целью проверки 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 (см. [1]) проводят совместно с квалификационными испытаниями на виброустойчивость. Для определения длительности испытания следует провести расчет напряжения усталости.

При проверке батарей, предназначенных для использования в КА, испытание на виброустойчивость также выполняет функцию отбраковочного испытания, предназначенного для исключения риска внутреннего короткого замыкания.

Испытание на ударное воздействие (T4)

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

Испытания на внешнее короткое замыкание (T5)

Типичные неисправности: случайное закорачивание на токовыводах; сильный удар/отказ теплового предохранителя.

Уровень батареи: внешнее жесткое короткое замыкание намеренно накладывают на батарею при контролируемых условиях.

Условия проведения испытаний на внешнее короткое испытание зависят от конструкции и модели аккумуляторов и батарей.

Испытание (T6) 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, испытание на раздавливание (T6) для батарей проводить нецелесообразно, так как батареи собирают из аккумуляторов, которые должны соответствовать критериям испытания T6.

 

Испытания на перезаряд (T7)

Типичные неисправности: сбой в работе зарядного устройства <2>, отказ платы защиты.

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

<2> В случае зарядного устройства, интегрированного с батареей.

 

Уровень батареи: проверка функций защиты от перезаряда/перенапряжения.

При проведении испытаний (см. [1]) число и состояние испытуемых аккумуляторов и батарей каждого типа, подлежащих проверке, должно соответствовать требованиям испытаний летной конфигурации оборудования.

Батареи, не оснащенные собственной защитой от перезаряда и защита которых обеспечивается только в батарейной сборке, которая обеспечивает такую защиту, не подпадают под требования данного испытания.

Если аккумуляторы, прошедшие все необходимые испытания, с помощью электрического соединения объединяют в батарейную сборку, в которой содержание лития во всех анодах при полном заряде в совокупности составляет более 500 г, или в случае использования ЛИАБ, энергоемкость которой составляет более 6200 Вт·ч, то проводить испытания такой батареи в сборе не требуется, если она оснащена системой мониторинга и способна предотвращать короткие замыкания и переразряд аккумуляторов/батарей, входящих в ее состав, а также перегрев и перезаряд батарейной сборки.

Методика проведения испытаний

Изготовитель батареи, особенно крупногабаритных батарей, обязан предоставить процедуру испытания, предусматривающую проверку возможности перезаряда в зависимости от конструкции и модели. Испытание не следует проводить на летных образцах, чтобы избежать дополнительной деградации.

Специальные условия

Меньшая выборка (см. [7])

Допускается использование уменьшенного числа испытуемых образцов для оценки безопасности, проводимой с целью внесения изменений в конструкцию батарей, ранее прошедших испытания в таких же условиях, которые будут применены и для предстоящих испытаний, или при использовании батарей, ранее прошедших испытания, в новых системах или применениях.

Альтернативные испытуемые образцы

При проведении некоторых испытаний в качестве испытуемых образцов для крупногабаритных батарей могут быть использованы отдельные аккумуляторы, подсекции и/или частично собранные батареи. Использование альтернативных образцов и их конфигураций для испытаний подлежит согласованию с изготовителем батареи.

Многократное использование испытательных образов.

Для проведения испытаний на безопасность используют образцы, прошедшие испытания на устойчивость к воздействиям внешних факторов, таких как ударные испытания, испытания на виброустойчивость и испытания на влагостойкость, не вызывающие разряда батареи или при условии, что батарею подзаряжают до ее полной емкости. Допускается изменение последовательности испытаний на образцах одной выборки, например, испытания на короткое замыкание.

Описание необходимой информации для проверки безопасности системы

Для проверки и оценки безопасности системы на уровне батареи или целиком КА, требуются оценка и отчет о токсичности, включая наличие паспортов безопасности используемых материалов, необходимо проведение РФА с анализом электролитов.