Batterijen vervangen in de ruimte

Functie van de batterijen
Alle elektrische stroom op het ISS wordt opgewekt via de zonnepanelen van het station, die zonlicht omzetten in elektrische energie. In tijden dat het ISS echter door de ‘orbitale nacht’ gaat, kunnen de zonnepanelen geen energie meer produceren. Als zodanig is het noodzakelijk dat het ISS energie opslaat in batterijen, die het vervolgens kan gebruiken om zijn systemen van stroom te voorzien tijdens periodes van duisternis. Elke 1,5u maakt het ISS een rondje om de aarde, waarvan 45 minuten in het zonlicht is. Tijdens deze periode worden de batterijen opgeladen via de zonnepanelen en de batterijen worden ontladen terwijl ze de belastingen van het station voeden tijdens de periode van 45 minuten duisternis per baan.

De nikkel-waterstof (Ni-H2) batterijen
In totaal heeft het ISS acht afzonderlijke voedingskanalen, waarbij elk kanaal drie batterijen heeft – hoewel één batterij wordt beschouwd als een ‘reeks’ van twee afzonderlijke batterijeenheden die met elkaar zijn verbonden, wat in feite neerkomt op zes batterijen per kanaal, en dus 48 batterijen op ISS in totaal. Elk van de oude batterijen is van het type nikkel-waterstof (Ni-H2), die vanwege hun lange levensduur doorgaans altijd in ruimtetoepassingen zijn gebruikt, omdat ze bestand zijn tegen een groot aantal ontladingscycli zonder grote verslechtering. Bovendien zijn Ni-H2 batterijen niet gevoelig voor overladen en tegenstroom, waardoor ze goede veiligheidseigenschappen hebben.

Een nadeel van Ni-H2 batterijen is echter dat ze gevoelig zijn voor “batterijgeheugen”, waar de batterij een deel van zijn capaciteit kan verliezen als deze niet volledig opgeladen en ontladen wordt tijdens elke cyclus. Om deze reden wordt er regelmatig “batterijconditionering” uitgevoerd op het ISS, om te voorkomen dat er batterijgeheugen ontstaat. Elk van de Ni-H2 batterijen van het station bestaat uit 38 afzonderlijke cellen (76 cellen per string van twee batterijen), waarbij elke cel bestaat uit een drukvat met gasvormige waterstof dat is opgeslagen tot 1.200 psi, dat wordt gegenereerd tijdens het laadproces zelf. De oudste batterijen op het station zijn nu ongeveer 10 jaar oud en bereiken het einde van hun ontwerplevensduur.

Lithium-ion (Li-ion) batterijen
Dit betekent dat vervangende batterijen nodig zijn om het ISS te behouden tot de huidige geplande pensioendatum van 2024. Ni-H2 batterijen worden nu echter beschouwd als oude technologie, aangezien de meeste systemen van het station eind jaren tachtig werden ontworpen en begin jaren negentig. Het ISS-programma heeft daarom besloten om de batterijen van het station tijdens het vervangingsproces te moderniseren door over te stappen op moderne lithium-ion (Li-ion) batterijen. Deze batterijtypen werken via lithiumionen die tijdens het laadproces tussen elektroden bewegen, in plaats van waterstofgas onder druk zoals gebruikt in Ni-H2 batterijen.

Als gevolg hiervan zijn Li-ion batterijen veel lichter en kleiner dan Ni-H2 batterijen, omdat ze geen drukvatcontainers nodig hebben voor de opslag van waterstofgas, wat betekent dat Li-ion batterijen een zeer hoge energiedichtheid hebben in vergelijking met Ni-H2 batterijen. Dit heeft veel voordelen voor het ISS-programma, omdat het betekent dat slechts één enkele Li-ion batterij de functie van twee van de vorige Ni-H2 batterijen kan vervangen. Dit betekent op zijn beurt dat slechts de helft van het aantal Li-ion batterijen (24) nodig is om alle Ni-H2 batterijen van het station (48) te vervangen, wat ook het aantal vereiste lanceringen halveert. Li-ion batterijen zijn ook niet gevoelig voor batterijgeheugen, waardoor het niet nodig is om de batterij te conditioneren. Li-ion batterijen hebben echter enkele nadelen, namelijk het feit dat ze veel gevoeliger zijn voor overladen, wat moet worden voorkomen via accubeheer- en beveiligingssystemen. Bovendien hebben Li-ion batterijen doorgaans een kortere levensduur dan Ni-H2 batterijen, omdat ze niet zoveel laad- / ontlaadcycli kunnen doorstaan ​​voordat ze merkbare achteruitgang ondergaan. De ISS Li-ion batterijen zijn echter ontworpen voor 60.000 cycli en een levensduur van tien jaar. Bovendien zullen ze celbalancering en instelbare laadspanningstechnologie bevatten om hun levensduur te maximaliseren.

Li-ion batterijen hebben in het verleden opmerkelijke problemen ervaren, in de vorm van oververhitting en “thermische runaway”. De Li-ion batterijen die op het ISS zullen worden gebruikt, zijn weliswaar vervaardigd door hetzelfde bedrijf (GS Yuasa), maar zijn ontworpen met lessen die zijn getrokken uit de problemen, en hebben strenge ruimtecertificeringstests doorstaan. In het bijzonder bevatten de ISS Li-ion batterijen twee regelingen tegen thermische runaway, spannings- en temperatuurbewaking van individuele cellen, circuitbeveiliging en foutisolatie van individuele cellen en thermische hittebarrières tussen celpakketten.

Qua constructie bevat elke ISS Li-ion batterij 30 afzonderlijke cellen, verpakt in een doos die dezelfde afmetingen en montage-interfaces behoudt als de vorige Ni-H2 batterijen, maar met een aanzienlijk lager gewicht (430 pond in plaats van 740 pond). Een enkele Li-ion batterij vervangt de functies van twee Ni-H2 batterijen, maar aangezien twee Ni-H2 batterijen in een ‘string’ met elkaar zijn verbonden en als één batterij worden beschouwd, betekent dit dat adapterplaten ook nodig zijn. Dit om de enkele Li-ion batterij aan te sluiten op de bestaande aansluitingen voor de onnodige tweede batterij in elke string en zo het circuit te voltooien.