Основными условиями злоупотребления, которые вызывают опасные условия в литий-ионных ячейках, являются результатом избыточного, внешнего и внутреннего короткого замыкания, чрезмерного разряда, высоких температур и структурных проблем.
Исследования показали, что условия перезарядки могут привести к осаждению литиевого металла, который может создавать внутренние шорты в ячейке и разрушение электролита, что может привести к увеличению внутреннего давления. Электролит в литий-ионных ячейках содержит легковоспламеняющиеся органические растворители, и в условиях высокого напряжения они разлагаются, что приводит к образованию газов (окиси углерода, двуокиси углерода и других продуктов газообразного разложения). Это может привести к избыточному давлению внутри ячейки, что приведет к дыму и пламени, если газы не вентилируются доброжелательно. Другой большой опасностью, которая существует с некоторыми катодными оксидами переходных металлов, является эволюция кислорода в условиях перенапряжения. Это происходит из-за неустойчивости структуры оксида переходного металла при высоких напряжениях, вызывающих выделение кислорода. Наличие кислорода и легковоспламеняющихся газов при высоких напряжениях вызывает чрезмерное давление газа внутри ячеек, что может привести к вентиляции пламенем. Литий-ионные элементы не должны заряжаться до напряжения, превышающего напряжение, рекомендованное поставщиком. Литий-ионные батареи требуют специального зарядного устройства или универсального «умного» зарядного устройства, которое распознает химический состав батареи. Сценарий зарядки и зарядное оборудование следует оценивать как часть процесса оценки и утверждения конструкции батареи. Окончательное тестирование должно относиться к батарее и зарядному устройству как к единице или системе. Многие Li-Ion-ячейки имеют встроенные устройства прерывания тока (CID), которые помогают защитить ячейку от перезарядки.
Короткие замыкания являются прямым соединением между положительным и отрицательным контактами ячейки и / или аккумулятора. Они могут быть сгенерированы сбоем, внешним по отношению к ячейке, или отказом, внутренним для ячейки. Внешние замыкания могут быть вызваны неправильными соединениями между положительными и отрицательными клеммами ячейки и / или аккумулятора, проводящими электролитами пути утечки в батарее, сломанными и / или ослабленными соединениями внутри батареи или структурными отказами, нагрузками, испытываемыми аккумулятором или сбои в оборудовании, питаемом от батареи. Внешние шорты литий-ионных элементов могут приводить к очень сильным всплескам тока, которые вызывают высокие давления внутри ячейки, что приводит к выпуску и взрыву. Наружные шорты предотвращаются различными способами. Многие литий-ионные ячейки имеют встроенные устройства прерывания тока (CID), которые срабатывают из-за внутреннего давления при токах, значительно меньших тока тока короткого замыкания батареи, что предотвращает дальнейший разряд через внешнюю короткую и безопасную батарею при возникновении коротких замыканий. Если эта возможность не встроена в ячейку, ее необходимо устранить на уровне батареи. Прерываниями могут быть предохранители, выключатели, термические выключатели или другие эффективные устройства. В некоторых ячейках также есть устройства с положительным температурным коэффициентом (PTC), которые используются для ограничения высоких импульсов тока, вызванных батареей / батареей при внешнем коротком состоянии. Однако при использовании серийных последовательностей или параллельных / серийных конструкций они могут не обеспечивать такую же защиту, как в независимых ячейках. Как PTC, так и CID могут выходить из строя при воздействии высоких напряжений из-за других сбоев. Рекомендуется использовать байпасные диоды для предотвращения этих сбоев. Максимальное количество ячеек в серии без байпасного диода зависит от используемой ячейки и определяется путем тестирования. Для предотвращения коротких замыканий между утечкой электролита и корпуса батареи все внутренние поверхности металлических батарейных шкафов должны иметь анодированную отделку или быть покрыты неэлектропроводящей, устойчивой к электролиту краской. Клеточные клеммы должны быть защищены от контакта с другими проводящими поверхностями. Поверхности клемм аккумулятора на внешней стороне корпуса аккумулятора также нуждаются в защите от случайного моста. Батарейные клеммы, которые проходят через металлические батарейные шкафы, должны быть изолированы от корпуса изоляционной муфтой или другими эффективными средствами. Поверхности клемм аккумулятора, которые проходят внутри корпуса батареи, должны быть изолированы герметизирующими материалами, чтобы предотвратить непреднамеренный контакт с другими проводниками внутри корпуса, а также для предотвращения утечки утечками электролита. Провода внутри корпуса батареи должны быть изолированы, удерживаться от контакта с клеммами ячейки, защищены от натирания и физически ограничены движением из-за вибрации или налета. Внутренние шорты вызваны металлическими заусенцами, несоосностью, отказом сепаратора или другими средствами прямого контакта между положительным и отрицательным материалами внутри батарейного элемента. Тестирование способности батарейного отсека и соединений для управления разностью 500 В без утечки тока рекомендуется обнаруживать скрытые шорты в цепи аккумулятора.
Литий-ионные ячейки при симулированных внутренних коротких условиях могут проявлять вентиляцию, огонь, дым и переходить в тепловое убегание. Небольшие деформации ячеек под давлением гидравлической губки от 20 до 50 фунтов на квадратный дюйм в минуту, вызывающие мягкие шорты, приводили к утечке электролита и меньшим повышениям температуры (максимальная температура составляла 45 ° C). Быстрое и тяжелое измельчение (давление гидравлической губки более 200 фунтов на квадратный дюйм в минуту) привело к выпуску и дыму. По возможности, внутренние шорты должны быть предотвращены с помощью процедур контроля качества; Однако включение устройств защиты от короткого замыкания на внешних элементах и аккумуляторах может остановить распространение других опасностей, если произойдет редкое внутреннее короткое замыкание. Батареи для пилотируемых применений экранируются на предмет допусков на внутренние шорты, используя метод вибрационного скрининга, рассмотренный ниже в разделе 8.
С точки зрения батареи высокая температура возникает, когда рабочая температура батареи или ячейки превышает верхний температурный предел технических характеристик производителя. Клетки LiIon, подвергнутые очень высокотемпературным условиям (около 130-190 ° C в зависимости от химического состава), могут выделять дым и вызывать тепловое убегание, сопровождающееся огнем и / или вытеснением содержимого банки через вентиляционные отверстия в ячейке. Дополнительной проблемой высокой температуры для батарей и ячеек является максимальная безопасная температура прикосновения, если они будут обрабатываться экипажем. Внутренние причины высокой температуры, приводящие к термическому убеганию, можно контролировать с помощью шорт; Путем включения ПТК, которые прерывают ток до достижения опасной температуры; Путем включения сепаратора отключения, который вызывает расплавление среднего слоя трехслойного сепаратора при высоких температурах и прерывает электрохимические реакции в ячейке; И управляя ячейкой в пределах нагрузки, установленных изготовителем. Теплоотводы, тепловые шунты и активные контуры охлаждения также могут использоваться для удаления избыточного тепла из внутренних или внешних источников. Термический анализ или тестирование батареи в ожидаемой окружающей среде должны проводиться для проверки температуры батареи в ожидаемых рабочих условиях.
Условия избыточной разрядки приводят к электроосаждению меди на катоде, что приводит к образованию условия короткого замыкания при последующем заряде ячейки. В большинстве случаев overdischarge является доброкачественным и приводит к мертвой клетке. Дисперсия напряжения между ячейками в цепочке может происходить в течение срока службы батареи. В строковой конфигурации наличие слабой ячейки может вызвать дисбаланс напряжения, а также привести к переразряженной ячейке. Во время последующей струйной зарядки без контроля уровня на уровне ячеек или мониторинга или контроля со средней строкой неуравновешенные ячейки могут привести к перезарядке некоторых ячеек, особенно если слабая ячейка имеет мягкую короткую из-за ее избыточного разряда.
Структурные опасности могут быть результатом механических, химических и термических напряжений, которые снижают целостность или функциональные возможности ячеек и батарей. Это может привести к поломке корпусов, уплотнений, монтажных провизий и внутренних компонентов, что может привести к внутренним шортам и беспрепятственному перемещению батареи. Конструкция батарей тестируется на вибрацию и удар, подходящие для ожидаемой окружающей среды. Материалы, используемые в конструкциях батарей, не должны деградировать, если они открыты друг другу. Следует учитывать эффекты возможного теплового расширения.
Основными злоупотреблениями, которые вызывают опасные условия в литий-ионных полимерных клетках, являются результатом избыточного заряда, внутренних и внешних коротких замыканий и высоких температур. Они очень похожи на те, что обсуждались выше для жидких литий-ионных элементов. Однако полимерные литий-ионные элементы имеют дополнительную проблему с утечкой электролита в условиях злоупотребления. Утечка электролита может привести к короткому замыканию, коррозии и химическому воздействию. Основным контролем утечки электролита является контроль над условиями злоупотребления, перечисленными выше.
Требования к батарее
СОЗДАННЫЙ ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ ПРОЕКТ
Этот раздел ориентирован на проектировщиков батарей, которые будут использоваться в оборудовании для экипажа или в системах экипажа и грузовых транспортных средствах. Все батареи спроектированы или изготовлены батареи для контроля применимых опасностей, и эти конструкции должны быть пересмотрены до сертификации для полета. Специфические требования к конструкции и проверке батареи зависят от химического состава батареи, ее емкости, сложности, зарядки и применения. Существуют основные требования для всех конструкций батарей и приложений, которые должны соблюдаться. Эти обязательные требования перечислены в этом разделе.
Обзор требований к батарее
Ниже приводится краткое изложение требований к батарее для экипажей миссий в соответствии с космическим центром NASA Johnson. Для получения последних требований см. Веб-сайт панели проверки безопасности (PSRP). Специфические требования к конструкции и проверке батареи зависят от химического состава батареи, ее емкости, сложности, зарядки и применения. Существуют основные требования для всех конструкций батарей и приложений, которые необходимо соблюдать.
Оценка и одобрение дизайна батареи
Каждая батарея, ее программа проверки по проверке, планы использования ее на орбите и ее обработка после полета оцениваются и утверждаются инженерами аккумуляторных батарей применимого Управления энергетических систем или Группой по обзору безопасности полезной нагрузки до сертификации на полет этого Как можно раньше на этапе проектирования батареи или приложения с батарейным питанием. Прошлый опыт показал, что если оценка батареи не происходит до тех пор, пока конструкция не будет полностью завершена (или завершена); Изменения в дизайне часто требовались. Утверждение конструкции батареи для конкретного оборудования не будет рассматриваться как общая сертификация. Для каждой конфигурации оборудования необходимо получить разрешение на использование батареи. Процесс получения оценки и утверждения дизайна батареи от АО подробно описан в EA-CWI-033. В идеале дизайн батареи и ее программа экранирования будут завершены и одобрены по завершении критического обзора проекта или эквивалентной фазы проекта. Необходимо рассмотреть следующие вопросы:
• элементы управления опасностью батареи адекватно рассматриваются в соответствии с директивами АО-20793
• план скрининга клеток или планшетных батарей соответствует требованиям к директивам АО-20793
• Планы использования на орбите и положения об удалении по орбите или возврате неиспользуемых ячеек или аккумуляторных батарей
• надлежащим образом выполняется план обработки после вылета и удаления батареи
Утверждение аккумуляторной батареи
Утверждение батареи полезной нагрузки является лишь частью общей процедуры утверждения безопасности полезной нагрузки. полезная нагрузка
Провайдеры для МКС должны следовать «обзору безопасности полезной нагрузки и представлению данных
Требования, «NSTS / ISS 13830, представить полезную нагрузку для обзора.
Стандартизованный отчет о контроле за опасными явлениями, форма АО 1230 будет представлена для документирования всех опасностей для полезной нагрузки, в том числе связанных с батареей опасностей. Уникальные отчеты об опасности могут потребоваться, если выбранные батареи не соответствуют требованиям, изложенным в форме 1230 АО, приведенной ниже. Дополнительные руководящие принципы для полезных нагрузок содержатся в «Политике безопасности и требованиях к полезной нагрузке с использованием системы космического транспорта», NSTS 1700.7 и «Политика безопасности и требования к полезной нагрузке с использованием Международной космической станции», NSTA 1700.7 Addendum. Все аккумуляторные батареи, использующие последовательные и параллельные комбинации, нуждаются в уникальном отчете об опасности, и всем ячейкам полезной нагрузки необходимо пройти указанные тесты приемочного скрининга.
Обзор процесса проверки безопасности полезной нагрузки
Организация Payload (PO) в конечном итоге будет нести ответственность за предоставление надлежащих данных испытаний и информации / сертификации производителей, которая поддерживает выбор конкретной химии батареи в соответствии с текущими версиями NSTS / ISS 1700.7, NSTS / ISS 1700.7. Добавление ISS и NSTS / ISS 13830. Перед выбором батареи ПО должен связаться с панелью проверки безопасности полезной нагрузки и запросить информацию о предыдущих полетах химикатов-кандидатов, используемых в полезных нагрузках, с аналогичными требованиями к хранению энергии. Если рассматриваемые батареи имеют предварительную историю безопасности, может потребоваться меньшее тестирование, или пределы требуемых испытаний могут быть скорректированы в соответствии с известными недостатками. PSRP определяет тип и количество данных, которые должны быть предоставлены. PSRP также порекомендует подходящие батареи, если это запросит ПО. В ПО может также потребоваться, чтобы инженер батареи АКБ проводил различные проверки, необходимые для определения состояния безопасности батареи. Это зависит от наличия инженера-батареи батареи, соответствующих испытательных установок и финансирования проектов. ПО может также запросить совещание по техническому обмену безопасности (TIM) перед официальным обзором безопасности фазы 0/1, чтобы обсудить требования к хранению энергии в полезной нагрузке и какие химические элементы батареи рассматриваются.
Отказоустойчивость
Отказоустойчивость батареи будет оцениваться как часть оценки дизайна батареи и ее утверждения. Для целей дискуссий по отказоустойчивости NPR 8705.2 определяет «катастрофическую опасность» как опасность, которая может повлечь за собой: отключение или смертельный урон персонала или потерю космического аппарата и наземных средств или потерю транспортного средства. Допустимые некатастрофические режимы отказа для различных батарей были идентифицированы и могут быть надлежащим образом контролированы конструкцией батареи. Подводя итог, NPR 8705.2 требует, чтобы все батареи были устойчивы к отказам от двух сбоев для катастрофического отказа. Требование о допуске с двумя отказами, когда батарея выдерживает любые два надежных режима отказа, не вызывая каких-либо катастрофических опасностей и ни одного отказа, не вызывая критических опасностей, также является разумным инженерным подходом к приложениям для экипажей космических полетов. Исторически это требование вытекает из NSTS 1700.7 и его соответствующего Приложения ISS. Эти документы укрепили требования к допуску с двумя отказами в качестве обоснованного инженерного подхода к пилотируемым космическим полетам. В рамках этого требования были установлены допустимые уровни отказов для батарей и должны быть включены в требования к конструкции батареи. Приоритет снижения опасности будет оцениваться как часть оценки дизайна батареи, утверждения и сертификации батареи. Батареи и их системы должны быть неотъемлемо безопасными благодаря выбору соответствующих конструктивных особенностей или использованию соответствующих предохранительных устройств, так как отказоустойчивые / отказобезопасные комбинации устраняют опасность.
Поскольку батареи / батареи на основе лития имеют высокий удельный энергетический и опасный потенциал, они должны быть, по меньшей мере, двухкомпонентными, стойкими к любому катастрофическому сбою, если более жесткие требования не продиктованы предыдущими разделами. Большинство электролитов на основе лития представляют собой коррозионные, токсичные или воспламеняющиеся опасности. При надлежащем тестировании с проверкой партии допускаемость литиевых клеток к определенным типам злоупотреблений может считаться контролем за опасностью, зависящей от конструкции ячеек, емкости, сложности, зарядки и применения. Сбой ячейки считается одним из сбоев.
Аккумуляторы GFE / CFE / полезной нагрузки / экипажа (не критические)
Большинство некритичных устройств включают калькуляторы, камеры, мультиметры, магнитофоны и другие, которые уже сертифицированы для полета и перечислены для отказа от подробного тестирования. В большинстве случаев они относятся к типу кнопок.
Хотя для аккумуляторов практически нет требований, допустимый уровень отказа классифицируется как «мягкий» сбой. То есть любой отказ допустим, если не может быть обеспечен достоверный отказ за пределами оборудования или части критического оборудования. Анализ этого нераспространения должен быть документирован и добавлен к соответствующему пакету данных безопасности.
Управление опасностью
Конструкция батареи включает в себя элементы управления для потенциальной опасности батареи. Вопросы конструкции батареи должны быть отнесены к структурной целостности корпусов ячеек и батарей; Возможность генерации газа, давления и / или утечки электролита; Предотвращение коротких замыканий и циркулирующих токов; Возможность высокой температуры батареи; чрезмерной разрядки; И обеспечение надлежащих методов зарядки. Оценка аккумуляторной батареи будет оценивать элементы управления батареей.
Литий-ионные батареи должны заряжаться специальным зарядным устройством или универсальным «умным» зарядным устройством, которое распознает химический состав батареи. Зарядное устройство следует оценивать в нормальных условиях эксплуатации, чтобы понять его характеристики и проверить его безопасность. Батареи должны пройти инженерную оценку, чтобы определить характеристики системы. Батарея должна быть устойчивой к двум отказам и, следовательно, должна иметь как минимум два уровня безопасности для любого данного опасного состояния. Батареи должны иметь защиту от перезарядки и сверхразряда, а также защиту от перегрузки (плавкого предохранителя) и / или перегрева (термопредохранителя). Коммерческие цилиндрические ячейки 18650 имеют три уровня защиты. Это PTC (Positive Temperature Coefficient), CID (Current Interrupt Device) и разделитель выключения.
Литература
1. M. Kaufman, Sidman. A.G.
A practical guide to calculating circuits in electronics. Directory. In 2 tons:
Trans. From the English / Ed. F.N. Pokrovsky.
Moscow: Energoatomizdat, 1991.
2. Tereshchuk R.M. and etc.
Small-sized equipment. Directory radio amateurs.
K.: Naukova Dumka, 1975.
3. Sena L.A.
Units of physical quantities and their dimensions.
Training and reference manual. 3rd ed., Revised. And additional.
M.: Science. Ch. Ed. Fiz.-mat. Lit., 1988.
4. Deordiev S.S.
Batteries and care for them.
К.: Technique, 1985.
5. Electrical reference book.
In 3 tons of T.2. Electrotechnical products and devices / under the total. Ed. Professors
MPEI (Chapter I. IN Orlov), etc. 7 ed. 6 ref. And additional.
Moscow: Energoatomizdat, 1986.
6. Digital and analog integrated circuits.
Directory. Under red.S.V. Yakubovsky.
M.: Radio and Communication, 1990.
7. Semushkin S.
Sources of current and their application. "Radio", 1978. №2, 3.
8. Wexler GS
Calculation of power supply devices.
К.: Technique, 1978.
9. Lisovsky F.V., Kalugin I.K.
English-Russian Dictionary of Radioelectronics. 2 nd ed., Revised. And additional. OK. 63,000
Terms.
M.: Rus. Lang., 1987.
10. Bagotsky VS, Skundin AM
Chemical sources of current.
Moscow: Energoizdat, 1981.
11. Crompton T.
Primary sources of current.
M.: the world, 1986.