GB-T 43927-2024 航天器用鋰離子蓄電池組安全設計與控制要求

ICS49.035CCSV76中華人民共和國國家標準GB/T43927—2024航天器用鋰離子蓄電池組安全設計與控制要求SafetydesignandcontrolrequirementsforspacecraftLi-ionbatteries2024-04-25發(fā)布2024-08-01實施國家市場監(jiān)督管理總局國家標準化管理委員會ⅠGB/T43927—2024前言 Ⅲ1范圍 12規(guī)范性引用文件 13術語、定義和縮略語 13.1術語和定義 13.2縮略語 24安全性設計總體要求 25安全性設計和控制一般要求 35.1故障容限設計 35.2最小風險設計 35.3鑒定和安全性檢驗驗證 35.4驗收檢驗驗證 36安全性設計與控制詳細要求 36.1單體蓄電池安全性設計和控制 36.2元器件安全性設計和控制 46.3絕緣安全性設計和控制 46.4安全間距設計和控制 46.5接地安全性設計和控制 46.6機械裝配安全性設計和控制 46.7電氣裝配安全性設計和控制 56.8防開路安全設計和控制 56.9結構安全性設計和控制 56.10熱設計控制 66.11抗輻照安全設計和控制 66.12防靜電安全設計和控制 66.13單體蓄電池匹配性設計 66.14蓄電池組監(jiān)測參數(shù)設計 66.15蓄電池組充電安全性設計和控制 66.16蓄電池組均衡設計和控制 76.17蓄電池組放電安全管理 76.18蓄電池組工作溫度安全管理 76.19蓄電池組使用安全管理 76.20蓄電池組儲存安全措施 8ⅡGB/T43927—20246.21蓄電池組運輸安全措施 87蓄電池組安全性驗證要求 8參考文獻 9ⅢGB/T43927—2024本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分:標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別專利的責任。本文件由全國宇航技術及其應用標準化技術委員會(SAC/TC425)提出并歸口。本文件起草單位:上?？臻g電源研究所、上海交通大學。1GB/T43927—2024航天器用鋰離子蓄電池組安全設計與控制要求1范圍本文件規(guī)定了航天器用鋰離子蓄電池組的安全性設計總體要求、安全性設計與控制一般要求、安全性設計與控制詳細要求及安全性驗證要求。本文件適用于衛(wèi)星、空間站等航天器用鋰離子蓄電池組(以下簡稱“蓄電池組”)。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中,注日期的引用文件,僅該日期對應的版本適用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB2894安全標志及其使用導則3術語、定義和縮略語3.1術語和定義下列術語和定義適用于本文件。安全性safety產(chǎn)品具有的不導致人員傷亡、裝備損壞、財產(chǎn)損失或不危及人員健康和環(huán)境的能力。危險hazard可能導致的事故狀態(tài)。3.1.3風險risk某一危險的危險可能性和危險嚴重性的綜合度量。3.1.4電氣間隙clearance兩個導電部件之間在空氣中的最短距離。[來源:GB/T4943.1—2022,3.3.12.1]3.1.5電氣間距electricaldistance兩個有絕緣涂覆層的帶電導體涂覆層之間測得的最短空間距離。3.1.6并聯(lián)塊cellpackage蓄電池組中通過并聯(lián)獲得合適容量的兩個或兩個以上的單體蓄電池組成結構體。2GB/T43927—20243.1.7雙重絕緣doubleinsulation由基本絕緣和附加絕緣構成的絕緣。[來源:GB4943.1—2022,3.3.5.2]降額derating元器件使用中承受的應力低于其額定值。3.1.9過充電overcharge完全充電的蓄電池或電池組的繼續(xù)充電。注:超過制造商規(guī)定的某一極限的充電行為亦為過充電。[來源:GB/T2900.41—2008,482-05-44]過放電overdischarge當蓄電池或電池組完全放電后強制進行的放電過程。短路shortcircuit蓄電池兩極短接的現(xiàn)象。3.2縮略語下列縮略語適用于本文件。FME(C)A:故障模式與影響(危害性)分析(FailureModesandEffectsandCriticalityAnalysis)。AIT:總裝、集成與測試(Assembly,IntegrationandTesting)。4安全性設計總體要求安全性設計總體要求主要包括以下內容。a)應通過設計消除已知的危險或將風險降低到可接受程度。b)應采用安全設計措施,如冗余、故障-安全設計、系統(tǒng)防護、防護裝置等,使不能消除的危險所導致的風險降低到可接受的水平。c)從設計上應對有害物質、危險作業(yè)等采取隔離措施。d)從設計上應采取措施避免工作人員受到危險化學藥品、電擊、高低溫及有毒氣體的傷害。e)應采取能消除由惡劣環(huán)境條件(如溫度、壓力、噪聲、沖擊、過載、振動、靜電和有害射線等)所導致的危險,或將其風險降低到可接受水平的設計,而且應根據(jù)誘導環(huán)境、自然環(huán)境和使用特性的最壞情況的聯(lián)合發(fā)生,留有設計余量;對使用和維護過程中人為差錯可能導致的風險,在設計時予以充分考慮,并采取消除措施。f)在裝配、使用、維護和修理說明書中應給出警告和注意事項,并符合GB2894的有關規(guī)定。g)采用新的設計方法、新材料、新工藝和試驗技術時,應尋求最小風險。3GB/T43927—20245安全性設計和控制一般要求5.1故障容限設計產(chǎn)品設計應允許一定數(shù)量的故障和(或)人為操作差錯的出現(xiàn),防止因系統(tǒng)功能或操作差錯而導致災難或嚴重危險。5.2最小風險設計在設計上應消除危險,若不能消除已知危險,應通過設計方案的選擇和設計優(yōu)化將有關風險降低到可接受程度,具體要求如下:a)關系到最小風險設計領域的風險(如結構、材料相容性、易燃性等)應受到安全設計特性的控制;b)應依據(jù)斷裂控制原理對結構失效具有災難性或嚴重性后果的結構、緊固件、機械負載通道進行設計;c)結構安全系數(shù)應按極限負載確定,并能適應于極限負載;d)安全裕度的確定應根據(jù)環(huán)境條件最壞組合情況;e)選擇材料時應保證消除或控制與材料特性(如:毒性、耐腐蝕性、抗輻射性等)有關的各種危險,若不能實現(xiàn),產(chǎn)品設計應提供必要的措施控制與材料特性有關的危險事件;f)蓄電池組設計應開展FME(C)A分析,當不同風險水平與應用需要抉擇時,應選擇在滿足任務性能需求的同時呈現(xiàn)最小風險。5.3鑒定和安全性檢驗驗證應用于航天器上的蓄電池組應事先經(jīng)鑒定試驗、安全性試驗和壽命試驗,驗證其能夠滿足任務要求。5.4驗收檢驗驗證應用于航天器上的蓄電池組應通過驗收級試驗。6安全性設計與控制詳細要求6.1單體蓄電池安全性設計和控制單體蓄電池安全性設計和控制滿足以下要求:a)單體蓄電池應選用熱穩(wěn)定好、安全性高的正負極材料、電解液和隔膜;b)單體蓄電池應采用全密封結構設計,漏率不大于(1.0×10-7)Pa·m3/s;c)單體蓄電池應采用正極限量設計,負極容量過量設計;d)單體蓄電池隔膜應完全包覆負極片、負極片完全包絡正極片;e)單體蓄電池殼體、泄壓閥和密封結構應采用耐電解液腐蝕的材料,并有一定的耐壓力安全系數(shù),保證其在整個壽命周期內不發(fā)生破裂和泄漏;f)單體蓄電池應具備故障容限設計,任何故障模式不應產(chǎn)生危險情況;g)單體蓄電池生產(chǎn)線應有嚴格的多余物、溫度、濕度控制措施及缺陷檢測;h)單體蓄電池應放置在可控的溫度和濕度環(huán)境中,防止性能退化和(或)表面腐蝕。4GB/T43927—20246.2元器件安全性設計和控制元器件安全性設計和控制滿足以下要求:a)應從合格供應商目錄和合格產(chǎn)品目錄中選用元器件,并優(yōu)先選用有宇航應用經(jīng)歷的元器件,沒有宇航應用經(jīng)歷的元器件應經(jīng)過充分的考核評價和有效的應用驗證后使用,不應選用禁用元器件;b)蓄電池組電連接器、導線等元器件應進行降額設計,滿足Ⅰ級降額要求;c)導線的截面尺寸、韌度和撓性應能提供安全的電流負載能力和強度,不應選用過細導線;d)蓄電池組電連接器應采用防差錯設計;e)蓄電池組功率輸出正端和功率輸出負端使用同一電連接器的,應采用孔式電連接器,功率輸出正端和功率輸出負端應留有足夠的安全間隔;f)在設計和操作上應有相應的措施,防止電連接器帶電插拔時發(fā)生意外短路、打火等事故。6.3絕緣安全性設計和控制絕緣安全性設計和控制滿足以下要求。a)應選取經(jīng)過驗證的成熟度等級高的絕緣安全設計方法,并應具有良好的工藝實施性。b)絕緣材料選用應根據(jù)產(chǎn)品壽命周期按最壞工況設計,應有絕緣性能及耐壓能力,其絕緣壽命、抗電強度、耐熱強度、機械強度的選擇應符合產(chǎn)品使用環(huán)境要求。c)單體蓄電池殼體和蓄電池組結構間、單體蓄電池殼體與熱敏電阻間、導線束固定部位、導線束與金屬結構件等接觸部位應進行雙重絕緣設計。d)在常溫常壓下用不低于100V兆歐表檢測時(當蓄電池組最高工作電壓大于100V,選用兆歐表電壓應大于蓄電池組最高工作電壓),單體蓄電池殼體與蓄電池組結構、電加熱器、溫度傳感器間絕緣電阻應不小于100MΩ;蓄電池組結構與電連接器各接點、電加熱器、溫度傳感器間絕緣電阻應不小于20MΩ。e)蓄電池組表面帶電部分應采取絕緣保護措施,不應出現(xiàn)裸露的帶電部位。f)對于電壓超過60V的蓄電池組,對操作人員和使用人員可觸及的絕緣應有機械強度和電氣強度或采用安全防護隔離等措施,以減少與危險電壓接觸的可能性。6.4安全間距設計和控制蓄電池組內帶電導體之間、帶電導體與金屬結構之間應設計足夠的電氣間隙和電氣間距,電氣間隙和電氣間距應滿足有關的國家標準和行業(yè)標準。6.5接地安全性設計和控制蓄電池組應進行絕緣和導熱安裝,蓄電池組結構應采用20kΩ~100kΩ電阻與航天器結構地連接。6.6機械裝配安全性設計和控制機械裝配安全性設計和控制滿足以下要求。a)裝配前應對單體蓄電池、零部件進行檢查,確保外觀完好、無損傷、無多余物。b)應對單體蓄電池采取安全防范措施,防止單體蓄電池損傷、打火和短路。c)單體蓄電池的裝配或固封不應影響泄氣閥或爆破片。d)螺紋連接緊固后,螺紋尾端外露長度應為1.5倍螺距,最大不超過1.5倍螺距的3.2mm。5GB/T43927—2024e)螺紋緊固應進行力矩量化,并進行防松處理;對相鄰零部件接觸面有接觸電阻要求的螺紋緊固安裝不應采取螺紋敷涂膠的防松動方式。f)有接觸電阻要求的接觸面不應涂導熱硅脂。g)零部件和緊固件應無可見的毛刺或磨損的邊緣。h)蓄電池組組裝時,應采取防范措施控制多余物進入蓄電池組內。6.7電氣裝配安全性設計和控制電氣裝配安全性設計和控制滿足以下要求:a)在裝配過程中應確保蓄電池組中的單體蓄電池無反接或短路;b)蓄電池組內部電連接應采用低阻抗連接方式,固定應牢固可靠,并滿足飛行環(huán)境的要求;c)采用連接片焊接進行單體蓄電池串并聯(lián)的蓄電池組,連接片應使用低熱量輸入的焊接方式(如超聲波焊、電阻焊、激光焊)將蓄電池焊牢,防止虛焊、脫落;d)帶電焊點或金屬附件不應有毛刺、尖端和銳角,表面圓滑光潔;e)用緊固件壓緊的電氣連接應按力矩要求進行緊固,并進行防松處理;f)除接地裝置外,緊固件不應做電氣連接導通使用;g)電連接器壓接或者焊接導線時不應對接觸件造成損傷,安裝時應防止機械損傷,不應損傷電連接器鍍層或造成機械結構變形;h)電連接器上焊接的導線應保留一定的彎曲半徑,防止焊點根部有過應力;i)對于壓接連接式電連接器,安裝壓接件至絕緣體時應確認導線絕緣層插入到絕緣體安裝孔內一定深度,以防止溫度變化導致絕緣層收縮出現(xiàn)導線線芯裸露;j)設計時應留有走線位置,采用機械固定或環(huán)氧膠粘固等,導線束的固定應有應力釋放措施;k)電纜線束應平行綁扎,不應有直角彎折的走線設計,電纜(導線)的彎曲最小半徑應不小于電纜(導線)直徑的5倍;l)不應將導線(束)布設、粘固在元器件上,對于粗線束應設置固定支架、固定孔、固定夾等用于綁扎固定;m)導線需穿過結構或金屬零件時,穿孔應采用倒角設計,穿孔部分導線應使用套管、薄膜等絕緣材料進行包覆,并點膠固定;n)功率、信號等線束不應布設在焊點尖端和金屬尖端上,不應與金屬零件等直接接觸,接觸部位應進行雙重絕緣處理;o)導線或線束不應靠近發(fā)熱元器件,不應作為機械支撐使用;p)應采取措施防止元器件在裝配、包裝、運輸過程中受到損傷、污染或受潮。6.8防開路安全設計和控制蓄電池組應采取多個單體蓄電池串并聯(lián)設計,采用多個單體蓄電池并聯(lián)的蓄電池組應根據(jù)任務要求決定是否采用by-pass裝置防開路設計措施。6.9結構安全性設計和控制結構安全性設計和控制滿足以下要求:a)產(chǎn)品設計時應采取措施減小應力集中,應選擇韌性好、對應力集中不敏感的材料;b)產(chǎn)品設計時應選用目錄內或經(jīng)過試驗驗證和飛行考核的材料,不應選用禁用材料;c)蓄電池組部件應有足夠的強度和剛度,能經(jīng)受環(huán)境試驗考核,應具有規(guī)定的安全裕度;d)對振動敏感電子元器件和零部件應采取單獨局部隔振措施,振動源應采取單獨的隔振,以防發(fā)生共振;6GB/T43927—2024e)結構件棱角應進行倒角處理,不應有毛刺、尖端和銳角;f)蓄電池組結構應滿足任務或應用的所有環(huán)境條件,包括:發(fā)射/著陸、運輸、操作環(huán)境,產(chǎn)品的固有頻率應滿足航天器設計建造規(guī)范要求;g)結構設計應經(jīng)過結構力學分析和試驗驗證,證明結構設計滿足力學環(huán)境條件和接口要求。6.10熱設計控制熱設計控制滿足以下要求:a)蓄電池組熱設計應使得在期望的環(huán)境條件下,單體蓄電池維持在最佳的溫度范圍且保持較好的溫度一致性;b)蓄電池組溫度監(jiān)測點應優(yōu)先設置在單體蓄電池的典型表面,溫度監(jiān)測點位置和數(shù)量應滿足在正常條件下溫度監(jiān)測要求以及異常條件下安全保護需求;c)蓄電池組應進行熱仿真分析、熱試驗,用以評估和驗證蓄電池組熱設計的有效性。6.11抗輻照安全設計和控制應按照航天器抗輻射設計要求,針對選用元器件、單體蓄電池和原材料等進行適應性分析、設計,必要時進行輻照劑量測試,耐輻照劑量不應低于任務環(huán)境的劑量要求。6.12防靜電安全設計和控制應選用低靜電敏感的元器件,對于自身帶有電子控制或均衡設備的蓄電池組應進行靜電防護與控制。蓄電池組結構間、元器件外殼與蓄電池組結構間搭接應具有最小電阻設計,搭接電阻應滿足航天器設計建造規(guī)范要求。6.13單體蓄電池匹配性設計同一蓄電池組應采用相同材料、相同生產(chǎn)工藝并經(jīng)過相同測試條件篩選后的同批次單體蓄電池,單體蓄電池性能參數(shù)的匹配應以保證蓄電池組性能、循環(huán)壽命和安全等為原則,包括單體蓄電池(并聯(lián)塊)6.14蓄電池組監(jiān)測參數(shù)設計在地面與在軌運行過程中應對蓄電池組電壓、溫度、充電電流、放電電流、單體蓄電池(并聯(lián)塊)電壓等參數(shù)進行監(jiān)測,監(jiān)測電路設計應防止因監(jiān)測電路之間的電流差異造成不同單體蓄電池(并聯(lián)塊)間荷電態(tài)不平衡,也應防止監(jiān)測電路電流過大造成蓄電池組能量的過度損耗。6.15蓄電池組充電安全性設計和控制蓄電池組充電安全性設計和控制滿足以下要求:a)蓄電池組采用恒流轉恒壓的充電控制方式時,恒流轉恒壓充電轉換點應根據(jù)蓄電池特點及制造商使用要求進行合理選擇,防止出現(xiàn)充電轉換點選擇過高影響蓄電池壽命或充電轉換點選擇過低不能完成充電等情況;b)充電時蓄電池組內單體蓄電池(并聯(lián)塊)電壓不應超過制造商的設計范圍;c)蓄電池組最大充電電流與蓄電池溫度緊密相關,充電電流大小應依據(jù)蓄電池組工作溫度的高低進行設計,充電電流不應超出當前蓄電池溫度下的最大允許充電電流;d)應采取冗余充電控制措施防止蓄電池過充電,采用硬件和軟件過壓充電保護措施,當單體蓄電池(并聯(lián)塊)電壓或蓄電池組電壓超過設定值時,斷開蓄電池組充電;e)在軌運行期間,應依據(jù)蓄電池組在軌性能變化趨勢,以航天器能量平衡和蓄電池組安全為前7GB/T43927—2024提,實時調整蓄電池組充放電控制參數(shù);f)應為中高軌道或太陽同步晨昏軌道蓄電池組設50%~70%荷電態(tài)在0℃~10℃溫度范圍內貯存,不應對蓄電池組長期浮充電;g)用于充電控制的設備,電路設計和控制策略等應經(jīng)評定和(或)試驗驗證,使其安全性和可靠性滿足任務要求。6.16蓄電池組均衡設計和控制蓄電池組應采取均衡管理措施,采用硬件和(或)軟件均衡控制技術或均衡裝置,通過連續(xù)或斷續(xù)的均衡調節(jié),使蓄電池組內各串聯(lián)單體蓄電池(并聯(lián)塊)的電壓差異小于設定值,設定值的選取應以蓄電池組試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)。均衡電路和均衡裝置安全性和可靠性應經(jīng)評定和試驗驗證,不應對單體蓄電池(并聯(lián)塊)造成短路等危害。6.17蓄電池組放電安全管理蓄電池組放電安全管理滿足以下要求:a)蓄電池組應嚴格限制過電壓或過電流放電,應進行過放保護設計(如采用欠壓或過流保護措施等),當單體蓄電池(并聯(lián)塊)電壓或蓄電池組電壓低于預定閾值時,應進行報警或斷開放電開關停止蓄電池組放電,當放電電流超過預定閾值時,應進行過流報警或保護;b)用于放電控制的設備,電路設計和控制策略等應經(jīng)評定和(或)試驗驗證,使其安全性和可靠性滿足任務要求;c)應采取防短路保護措施,防止因外部短路而造成電池組形成放電短路回路。6.18蓄電池組工作溫度安全管理蓄電池組工作溫度安全管理滿足以下要求:a)蓄電池組工作溫度應控制在制造商規(guī)定的范圍內,防止溫度過高導致蓄電池組壽命降低或爆炸起火;b)應通過溫度報警、過溫保護設計等手段,防止蓄電池組在超過上限充電溫度條件下充電和超過上限放電溫度條件下放電;c)應通過合理設計或采用合適的安全裝置防止蓄電池溫度超過臨界值及溫度異常上升;d)蓄電池組工作時,同一模塊內單體蓄電池之間溫差應不大于3℃,同組蓄電池的不同模塊之間溫差應不大于5℃。6.19蓄電池組使用安全管理蓄電池組使用安全管理滿足以下要求。a)蓄電池組應維持在可控的溫度、濕度和潔凈度環(huán)境中,并防止水凝結及進入多余物。b)航天器AIT測試過程中,應監(jiān)測蓄電池組和單體蓄電池(并聯(lián)塊)電壓、電流和蓄電池組溫度,以檢測單體蓄電池(并聯(lián)塊)的任何異常。c)航天器AIT測試過程中,應監(jiān)視蓄電池組荷電態(tài),動態(tài)計算蓄電池組容量是否滿足下一階段測試功率需求,防止在測試中造成蓄電池組過放電。d)應防止蓄電池組長期處于高溫環(huán)境和高荷電狀態(tài);當蓄電池組使用間隙較長時,荷電態(tài)應保持在標稱電量的50%~70%,溫度在-5℃~30℃,且應斷開蓄電池組與其他設備連接。e)當蓄電池組連接其他設備時,應定期對單體蓄電池(并聯(lián)塊)電壓進行監(jiān)測,當單體蓄電池(并聯(lián)塊)之間電壓差異大于設定值時,應進行均衡處理;當單體蓄電池(并聯(lián)塊)電壓低于設定值時,應進行補充電。8GB/T43927—2024f)蓄電池組操作和使用風險應在使用說明書中說明,并提供給用戶,或在蓄電池組箱體上通過醒目的標志或標簽直接警示。蓄電池組操作和使用方法應最大程度地降低對人員和航天器的危害。6.20蓄電池組儲存安全措施蓄電池組儲存安全措施滿足以下要求。a)當蓄電池組不使用時,應放置在低溫環(huán)境中,并保持合適的荷電態(tài),不應在