Ves16 Li-ion cell for satellites Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

yflK 52 (15)

S. Remy, D. Prevot, D. Reulier Saft, Space and Defense Division, France, Poitiers

Dr. F. Vigier Saft, Lithium Battery Division, France, Poitiers

VES16 LI-ION CELL FOR SATELLITES

At a period when LEO satellite market is growing, as well as mission life time requirements, Saft has designed a new Li-ion cell aiming to answer those demanding requirements. This development is conducted with the support and partnership of CNES French agency. This VES16 cell combines benefits and heritage of low capacity MPS Li-ion cells, and advantages of Nickel oxide base Li-ion chemistry of VES100-140-180 cells. After a period of cycling evaluation of the cell with slight electrochemistry differences, an optimized cell design has been frozen and is submitted to a large qualification plan, including characterisations, environmental tests, and life time demonstrations.

This paper presents the main BOL characteristics and performances achieved during the qualification program, including electrical, thermal and mechanical characterisations. It will also detail the expected lifetime data, and the key results obtained on VES16 cell in LEO mission cycling configuration. A specific paragraph also includes results in GEO cycling configuration, to highlight that the cell can be also proposed on geostationary spacecraft.

VES16 cell qualification process according european standart. The VES16 space cells (Fig. 1) has been designed to endorse the following qualification process, described in Fig. 2.

Fig. 1

The qualification process, covering all mandatory space key relevant requirements, has been divided in 5 separated qualification work packages, described below.

Electrical characterisations. The electrical characterisation starts from the interface controls (physical dimensions, mass, center of gravity...). It includes electrical cells behaviours from capacity, energy, impedance, internal resistance, electromotrix force (emf) through different temperatures, states of charge, charge and discharge current rates.

Mechanical characterizations. The mechanical design of the cell has been sized by reuse of proven concepts,

mechanical simulations, and then evaluation tests. From strain gage monitoring to analyse the mechanical stresses into the structure, to vibration and shock loads, followed by destructive & physical analysis (DP A), the cell has been exhaustively mechanically characterised.

Thermal characterizations. The thermal design (dissipations curves versus SoC, thermal inertia, thermo neutral potential.) have been studied and measured by tests. The thermal behaviour of VES16 cells is supposed to be scaly similar to largest cells (VES100, 140 and 180). Some characterisation using vacuum, adiabatic chamber have been set-up to evaluate the thermal dissipations under different electrical tests conditions.

Life Tests characterizations. Known as key data for space applications, the performances during cycling over years have been covered by the VES16 qualification process. Some life tests have been launched in LEO conditions in real and accelerated conditions, at different temperatures and rates. Other life tests have been launched in GEO configuration, at different depth of discharge (DOD).

Then some calendar life tests have been started to demonstrate the ability of the cell to sustain years of storage without impacting the available ability to cycle.

Safety. Some safety tests have been started (overcharge, overdischarge, hard short circuit.) to estimate the behaviour of the cell in worst and non expected used conditions. That kind of tests also allows us to get authorisation for road, boat and air transport conditions from the governmental institutions.

VES16 cells design. The VES16 is a space designed Li-ion cell based on Nickel family electrochemistry (NCA for nickel Cobalt aluminium), similar to the large Satellite VES100, 140, 180 cells, which gives its key interest to this new cell. Its interface is a D size = 33 mm, length = 600 mm). The capacity of the cell is above 4.5Ah, with a minimum of 16 Wh @ 20°C. The cell includes its own integrated safety device (called circuit breaker), and also a vent for extreme overpressure.

The negative terminal is on the top of the circuit breaker, whereas the stainless steel can is at the positive polarity.

Решетневскце чтения

VES16 cell qualification

Electrical

Characterisation @ T°

Mechanical

Vibration

Thermal

T/V

Life Tests

LEO real time

Safety

Overcharge

Characterisation@ various C

Shock

Dissipation

GEO real time Overdischarge

Impedance, Int. Res.

DPA

Capacity

LEO accelerated

Ext. short

EmfvsSoC

Thermoneutral potential GEO accelerated

Storage @ T°& SOC

Over T°

Radiation Test

Fig. 2

Fig. 3

A three layer separator is separating both electrodes, the positive NCA electrode, and the graphite negative electrode. The cell is filled with a LiPF6 based electrolyte.

Qualification results. All the qualification results of the qualification plan art. 2) will be presented during the conference. They are not exhaustive and their final consolidated version will be included in the final qualification report of the VES16 cell.

Battery concepts. A associated range of battery has been designed to embed the VES16 cell from small configurations (4S bus, 3P capacity) to large configurations (10S and more whatever the capacity is). The typical battery configuration is presented in Fig. 3, 4.

Fig. 4

VES16 cell design is the result of Saft electrochemical high level Li-ion experts, combined with more than 50 years of space requirements cells & batteries heritage.

The development and qualification of the VES16 cells is a key axis of Saft strategy to address demanding long life LEO and small GEO missions, using a reliable and high performances Li-ion cell, in a building blocks autonomous battery system. The BOL characteristics and results of already achieved life tests allow us to demonstrate the ability of the VES16 cell to be the relevant candidate for those space missions.

Системы управления, космическая навигация и связь

С. Реми, Д. Прево, Д. Рейльер Французский концерн Saft, управление по космическим исследованиям и безопасности, Франция, Пуатье

Ф. Вигьер

Французский концерн Saft, управление по разработке литиевых батарей, Франция, Пуатье ЛИТИЕВО-ИОННЫЕ БАТАРЕИ VES16 ДЛЯ СПУТНИКОВ

Рассматриваются электрические, тепловые и механические параметры литиево-ионных батарей, зафиксированные в период программы испытаний. Подробно представлены данные по ожидаемому сроку эксплуатации, а также основные рабочие характеристики литиево-ионных батарей VES16, полученные в период испытаний во время проведения циклической миссии LEO. Результаты, полученные во время проведения испытаний миссии GEO, подтвердили пригодность батарей для использования на космических кораблях на геосинхронной околоземной орбите.

© Remy S., Prevot D., Reulier D., Vigier F., 2012

УДК 621.311.69

Р. В. Балакирев, М. Н. Волочаев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

ИМИТАТОР ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Разработан и исследован имитатор резистивного датчика температуры аккумуляторной батареи, предназначенный для тестирования бортовой системы контроля.

При автономных и комплексных испытаниях систем электроснабжения космического аппарата, накопителем электроэнергии в которых является аккумуляторная батарея (АБ), используется имитатор АБ. В его состав, помимо силовых каналов, имитирующих зарядные и разрядные характеристики реальной аккумуляторной батареи для тестирования бортовой системы контроля АБ, входит устройство, имитирующее резистивные датчики температуры, встроенные в корпус АБ космического аппарата. Особенностью датчиков температуры является их относительно низкое сопротивление, которое изменяется в диапазоне от 100 до 120 Ом.

Известны цифровые потенциометры, выпускаемые, например, фирмой Analog Devices, в которых минимальное значение сопротивления составляет 1 кОм, что не позволяет их использовать в устройстве имитации.

С целью обеспечения требуемого диапазона и точности регулирования сопротивления имитатора датчика температуры авторами разработано устройство (см. рисунок), принцип работы которого заключается в следующем: требуемое значение сопротивления с компьютера подается на микроконтроллер, где это значение преобразуется в код, который по трехпроводной шине данных поступает на последовательные регистры, количество которых определяется требуемой дискретностью регулирования сопротивления.

Выходы регистра управляют 8-ю ключами, входящими в состав резистивной матрицы таким образом, что сопротивление меняется в диапазоне от некоторого Я0 до Я1 с шагом АЯ/(2" - 1) Ом, где АЯ - диапазон регулирования сопротивления, п - разрядность регистра. В качестве ключей используются электромеханические реле.

Структурная схема имитатора резистивного датчика температуры