Batteriepacks für Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung: Was sich auf den MIL-STD-Stufen ändert

Kurzantwort: "MIL-STD-konformer Batteriepack" ist keine prüfbare Spezifikation. Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsprogramme stützen sich tatsächlich auf drei getrennte, voneinander unabhängige Normen: MIL-STD-810 (Umwelt- und mechanische Robustheit), MIL-STD-461 (EMI/EMV) und MIL-STD-1275 (elektrische Fahrzeugsysteme). Jede ist eine Familie von Prüfmethoden mit anpassbaren Stufen, kein Zertifikat, das ein Pack entweder besitzt oder nicht. Welche Norm gilt und in welcher Stufe, hängt davon ab, wo das Pack eingesetzt wird: an einer Flugzeugzelle befestigt, an einen 24V/28V-Fahrzeugbus angeschlossen oder in einer HF-dichten Umgebung betrieben. Die Zellchemie legt die Obergrenze des Erreichbaren fest, noch bevor das Packdesign beginnt.

"MIL-STD-konform" ist keine echte Spezifikation

Ein Hauptauftragnehmer, eine Ausschreibung oder ein Systemingenieur im eigenen Unternehmen schreibt "MIL-STD-konformer Batteriepack" in ein Anforderungsdokument. Das klingt spezifisch. Ist es aber nicht.

MIL-STD-810, MIL-STD-461 und MIL-STD-1275 sind drei verschiedene Dokumente, die drei verschiedene Probleme behandeln. MIL-STD-810 regelt Umwelt- und mechanische Robustheit: Temperatur, Vibration, Schock, Feuchtigkeit, Höhe. MIL-STD-461 regelt elektromagnetische Störungen und Verträglichkeit: welches Rauschen die Elektronik des Packs auf die Plattform bringt und wie viel externe Störung es tolerieren muss. MIL-STD-1275 regelt elektrische Fahrzeugsysteme: Toleranz gegenüber Spannungsspitzen, Spannungseinbrüchen und Welligkeit auf 24V/28V-Bussen. Ein Pack, das gegen eine Norm qualifiziert ist, sagt nichts über die anderen beiden aus.

Keine der drei ist bestanden/nicht bestanden im Sinne einer UL-Listung. Jede ist eine Familie von Prüfmethoden, und jede Methode trägt mehrere Schweregrade, die das Programmbüro auswählt (oder "anpasst"), um sie an die tatsächliche Betriebsumgebung anzupassen. Das eigene Anpassungsprinzip von MIL-STD-810 (Life Cycle Environmental Profile, kurz LCEP) existiert genau deshalb, weil "nach MIL-STD-810 geprüft" ohne Nennung von Methode und Stufe einem Ingenieur fast nichts sagt. Ein Pack, das nach der Unterdruckmethode von 810 für eine Bodenfahrzeuganwendung geprüft wurde, und ein Pack, das nach der Höhenmethode derselben Norm für eine Luftfahrtanwendung geprüft wurde, sind beide technisch "nach 810 geprüft". Sie beweisen völlig unterschiedliche Dinge.

Das lohnt sich mit dem kommerziellen Zertifizierungsmodell zu vergleichen, auf dem Dan-Tech bereits arbeitet. CE, UN 38.3, RoHS und IEC 62133 sind die Normen, die Dan-Tech je Projekt einplant, wenn ein Projekt es verlangt, ein Sicherheits- und Transportpaket, kein Haltbarkeits- oder EMV-Paket. Jede davon erfüllt eine andere Aufgabe als jede MIL-STD. "MIL-STD-konform" ohne Nennung einer Norm, einer Methode und einer Stufe in eine Spezifikation zu schreiben, ist dieselbe Art technisch-leerer Formulierung wie "zertifiziert" zu schreiben, ohne zu nennen, wofür.

Die drei Normen im Vergleich

Bevor sich am Packdesign überhaupt etwas ändert, besteht die erste Aufgabe darin, zu identifizieren, welche der drei Normen das Programm tatsächlich regelt und welche konkreten Methoden und Stufen darin. Das wird von der Plattform und der Betriebsumgebung bestimmt, nicht von der pauschalen Annahme, dass "militärisch" "alle drei" bedeutet.

MIL-STD-810: Umwelt und Mechanik

MIL-STD-810 ist das, was die meisten Ingenieure meinen, wenn sie "MIL-STD" ohne Näheres sagen. Für einen Batteriepack sind typischerweise diese Methoden relevant: 501/502 (Lagerung und Betrieb bei hoher und niedriger Temperatur), 503 (Thermoschock), 507 (Feuchtigkeit), 514 (Vibration), 516 (Schock und Fallprüfung) und 500 (Höhe und Unterdruck). Es ist eine reine Norm für mechanische und thermische Robustheit, sonst nichts. Sie sagt nichts über elektrisches Rauschen oder Fahrzeugbus-Verhalten aus.

MIL-STD-461: EMI/EMV

MIL-STD-461 regelt elektromagnetische Störungen und elektromagnetische Verträglichkeit. Für einen Batteriepack sind typischerweise diese Methoden relevant: CE102 und RE102 (leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen, also welches Rauschen das BMS und die Schaltelektronik des Packs auf die Plattform bringen) sowie CS101 und RS103 (leitungsgebundene und abgestrahlte Störfestigkeit, wie viel externe Störung das Pack tolerieren muss, ohne sich fehlerhaft zu verhalten). Diese Norm betrifft Rauschen, nicht Temperatur oder Vibration, und ein Pack, das jede 810-Methode bestanden hat, könnte trotzdem klar an 461 scheitern, wenn Schaltfrequenz und Layout des BMS nicht mit Blick auf EMV entworfen wurden.

MIL-STD-1275: Elektrische Fahrzeugsysteme

MIL-STD-1275 ist enger gefasst und nur relevant, wenn das Pack aus dem 24V- oder 28V-Bordnetz eines Fahrzeugs lädt oder direkt Strom in dieses einspeist. Sie definiert die Toleranz gegenüber Spannungsspitzen, Spannungseinbrüchen und Welligkeit auf diesem Bus. Ein plattformmontiertes Pack, das nie mit einem Fahrzeugbus in Berührung kommt, etwa in eine Flugzeugzelle eingebaut oder eine eigenständige Kommunikationseinheit, hat überhaupt keinen Grund, 1275-Anforderungen zu tragen.

Auf Anwendungsfälle bezogen: Ein plattformmontiertes Pack in einem Gehäuse (Drohne, feste Kommunikationseinheit) ist in erster Linie eine 810-Angelegenheit. Ein Pack, das in das Bordnetz eines Bodenfahrzeugs integriert ist, ist zusätzlich zu 810 eine 1275-Angelegenheit. Ein Pack, das in Nähe aktiver HF-Ausrüstung, Radar, Störsendern, dichten Avionikschränken betrieben wird, ist eine 461-Angelegenheit, unabhängig davon, ob es plattformmontiert oder fahrzeugintegriert ist. Die meisten realen Programme benötigen mindestens zwei der drei, und es lohnt sich, diese Annahme zu prüfen, bevor standardmäßig alle drei in ein Beschaffungsdokument geschrieben werden.

Was sich tatsächlich am Pack ändert

Die Norm zu benennen ist Schritt eins. Was sie tatsächlich mit dem Packdesign macht, und was sie kostet, liegt in der eigentlichen Technik.

Mechanik

Die Schock- und Vibrationsmethoden von 810 (514, 516) treiben das Gehäusedesign in Richtung vergossener oder conformal beschichteter Innenteile, vibrationsfester Befestigungshardware statt Standardbefestigungen sowie Befestigungsauswahl und Anzugsdrehmomente, die unter anhaltender Vibration halten, statt nur einen einzelnen Falltest zu überstehen. Das Gehäuse eines kommerziellen Packs ist darauf ausgelegt, Zellen und BMS bei normaler Handhabung zu schützen. Ein vibrationsqualifiziertes Gehäuse ist darauf ausgelegt, jede interne Verbindung über ein definiertes Vibrationsprofil hinweg für die Lebensdauer des Programms intakt zu halten.

Thermik

Die Temperaturmethoden von 810 (501/502) erweitern den Betriebsbereich, den das Pack überstehen muss, nicht nur den eigenen Nennbereich der Zelle, sondern auch den von BMS, Steckverbindern und jeglicher Vergussmasse daneben. Das bedeutet in der Regel, mehr thermische Reserve sowohl auf Zell- als auch auf BMS-Ebene einzuplanen, was in der Praxis gegen die nutzbare Kapazität abgewogen werden muss: Ein Pack, das für einen breiteren Temperaturschwankungsbereich Reserve hält, lässt sich am oberen Ende seiner Entladekurve typischerweise nicht so stark ausreizen wie eines, das nur für Laborbedingungen ausgelegt ist.

EMI-Abschirmung

461 ändert das Gehäuse (Abschirmwirkung, nicht nur Wetterfestigkeit), die Steckverbinder (gefilterte oder abgeschirmte Steckverbindertypen statt offener kommerzieller), die Kabelführung (abgeschirmte Strecken, kontrollierte Schleifenflächen) und das BMS selbst (Wahl der Schaltfrequenz und Leiterplattenlayout-Entscheidungen, die gezielt dafür sorgen, dass leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen unter den vom Programm festgelegten CE102/RE102-Grenzwerten bleiben).

Wahl des Steckverbinders

Das kommerzielle Steckverbinderprogramm von Dan-Tech, XT60, XT90, AS150U und Harting Han MPC30/MPC60 für Smart-BMS-Varianten, funktioniert gut für ein Laborpack, ein Industriesystem oder ein Programm, das noch keine EMV- oder Vibrationsanforderung erreicht hat. Sobald sowohl Vibration (810) als auch EMI (461) im Spiel sind, muss die Steckverbinderklasse typischerweise zu etwas mit Verriegelungsmechanismus, Umweltdichtung und in den Steckverbinderkörper integrierter Abschirmung wechseln, den Rundsteckverbinderfamilien mit Verriegelung, die in der Verteidigungs- und Fahrzeugintegrationshardware allgemein verbreitet sind. Das ist ein branchenweites Muster, keine Aussage über eine bestimmte Teilenummer, die Dan-Tech heute führt; der richtige Steckverbinder für ein MIL-STD-eingeplantes Programm wird als Teil des Projektumfangs dieses Programms ausgewählt und qualifiziert.

BMS-Kommunikationsprotokoll

Ein kommerzielles Pack kommuniziert typischerweise über UART oder I2C, einfach, kostengünstig, gut geeignet für eine Laborintegration. Die Smart-BMS-Packs von Dan-Tech unterstützen bereits CAN-Bus und RS-485 neben UART, dieselben Schnittstellen, die in der Fahrzeug- und Verteidigungsintegration verbreiteter sind, wo mehrere Systeme einen Bus teilen und deterministische, störfeste Kommunikation benötigen. Der Wechsel zu CAN oder RS-485 für ein MIL-STD-eingeplantes Programm bedeutet auch, dass die Dokumentation und Nachverfolgbarkeit, die die BMS-Schnittstelle tragen muss, zunimmt: Nachrichtendefinitionen, Timing-Verhalten und Fehlermodus-Dokumentation, die eine kommerzielle UART-Verbindung nie benötigte.

Die Zellwahl setzt die Obergrenze

Nichts davon funktioniert, wenn die darunterliegende Zelle das Zielumfeld physisch nicht überstehen kann. Zellchemie und -format legen eine Temperatur-, Höhen- und Vibrationsobergrenze fest, noch bevor das Pack darum herum überhaupt entworfen wird, und das ist eine Entscheidung, die zu Beginn eines Programms getroffen wird, nicht nachträglich festgelegt.

Die Bandbreite bei den realen Bezugsquellen von Dan-Tech ist real und hier relevant. Die zylindrische Molicel-M65A-Zelle, um die Dan-Tech High-Energy-Density-Packs der M65A-Serie baut, ist bis zu -40 °C entladungsfähig spezifiziert. Die zylindrische Amprius-SA17-Zelle, die in Packs der SA17-Serie von Dan-Tech verwendet wird, ist bei derselben Spezifikation auf -20 °C ausgelegt, ein echter Unterschied von 20 °C zwischen zwei Zellen im selben 21700-Format und ähnlicher Energiedichteklasse. Die zylindrische Reliance-RS60-Zelle, verwendet in Packs der RS60-Serie von Dan-Tech, teilt sich die -40 °C-Untergrenze der M65A, trägt aber am oberen Ende eine thermische Abschaltung bei 80 °C, eine lastabhängige Grenze aus Reliances eigenen Entladeratentests (dauerhaft sicher bei 50A Entladung) statt einer einfachen Umgebungsobergrenze derselben Art wie die -20 °C- und -40 °C-Untergrenzen oben. Keine dieser Zahlen ist abstrakt besser oder schlechter; es sind Randbedingungen, die entweder zum tatsächlichen Betriebsumfeld eines Programms passen oder nicht.

Die Samsung INR21700-50S, die neben der Molicel INR21700-P50B in den Drone-Series-A-Packs von Dan-Tech bezogen wird, trägt keine unabhängig veröffentlichte Zyklenlebensdauerzahl wie die Amprius-Zellen; die verlässliche Zahl dort ist die Pack-Ebene-Zahl (1.000 Zyklen bei 80% DoD, 25 °C), keine eigenständige Zellaussage. Das ist eine reale Einschränkung, die man kennen sollte, bevor ein Programm sich auf eine bestimmte Zellwert-Zahl stützt, die noch nicht existiert.

Kundenseitig bereitgestellte Zellen ändern diese Rechnung anders. Dan-Tech kann das Pack um eine Zelle herum bauen, die der Kunde bereits bezieht und qualifiziert, aber die eigenen Daten der Zelle, oder deren Fehlen, legen fest, was das fertige Pack tatsächlich nachweisen kann. Ein Datenblatt dürftiger oder unverifizierter Qualität begrenzt den Qualifizierungsumfang des Packs, unabhängig davon, wie gut das Pack selbst darum herum konstruiert ist.

Wo MIL-STD in das Zertifizierungsmodell von Dan-Tech passt

CE, UN 38.3, RoHS und IEC 62133 sind die kommerziellen Zertifizierungen, die Dan-Tech für ein Pack einplant, wenn ein Projekt es verlangt. Nicht "von der Stange zertifiziert", denn jedes Dan-Tech-Pack ist individuell gefertigt, und Zertifizierung ist nichts, was sich an einen Katalogeintrag heftet. Sie wird je Projekt eingeplant und durchgeführt, mit eigener Dokumentation, Prüfzeit und Kosten, nur wenn das jeweilige Projekt sie benötigt.

MIL-STD funktioniert genauso, nur eine Ebene höher. Es ist zusätzliche, projektbezogene Qualifizierungsarbeit, kein Häkchen, das standardmäßig über dem üblichen Zertifizierungspaket liegt. Ein Programm, das MIL-STD-810-Methode 514 auf einer bestimmten Vibrationsstufe benötigt, bekommt diese Methode für dieses Programm eingeplant, geprüft und dokumentiert. Es ist nichts, das ein Pack "mitbringt".

Was korrekt ist zu sagen: Dan-Tech plant und führt MIL-STD-Qualifizierung je Projekt durch, dasselbe Modell wie bei UN 38.3 oder IEC 62133. Was nie korrekt ist und in Dan-Techs eigenen Materialien nicht auftaucht: "unsere Packs sind MIL-STD-zertifiziert" oder "MIL-STD-konforme Packs", Punkt, ohne zugehöriges Projekt. Diese Ehrlichkeit muss für alle drei Normen gelten, nicht nur für die eine (810), die Wettbewerbsinhalte am häufigsten ansprechen; 461 und 1275 werden weit öfter übersprungen, und das übersprungen werden macht die Aussage nicht richtiger.

Eine Checkliste zur Anforderungsdefinition, bevor Sie es spezifizieren

Bevor "MIL-STD-konform" in ein Beschaffungsdokument gelangt, lohnt es sich, zuerst vier Dinge zu klären:

• Welche Norm tatsächlich gilt, und welche konkreten Methoden und Stufen, nicht standardmäßig das gesamte Dokument. Bestimmt durch die tatsächliche Betriebsumgebung der Plattform (luftgestützt, fahrzeugintegriert, HF-dicht), nicht durch die Annahme, dass "Verteidigungsprogramm" alle drei Normen mit voller Schwere bedeutet.
• Was es an Kosten und Vorlaufzeit hinzufügt, sobald eingeplant, gegenüber einem Standard-Kommerzialpack. Qualifizierungsprüfungen, Dokumentation und jede Komponentensubstitution (Steckverbinder, Verkabelung) verursachen alle echten Zeit- und Kostenaufwand, den ein Katalogpack nicht hat.
• Ob die gewählte Zellchemie bereits vorgibt, welche Stufen erreichbar sind, noch bevor Packdesign-Arbeit beginnt. Ein Temperatur- oder Höhenziel, das die Zelle selbst nicht überstehen kann, lässt sich nicht durch besseres Packdesign lösen.
• Welche Dokumentation die Qualifizierung erzeugen muss und wer sie abzeichnet. Das eigene Qualitätssystem eines Hauptauftragnehmers, ein Programmbüro oder eine interne Systemtechnik-Prüfung können für dieselbe Prüfmethode ganz unterschiedliche Dokumentationsanforderungen haben.

Wichtige Entscheidungen

• MIL-STD ist drei Normen, nicht eine: 810 (Umwelt/Mechanik), 461 (EMI/EMV) und 1275 (elektrische Fahrzeugsysteme). "MIL-STD" ohne eine dieser drei zu nennen, ist keine Spezifikation.
• Kommerzielle Zertifizierung (CE, UN 38.3, RoHS, IEC 62133) wird je Projekt in ein Pack eingeplant, genau wie MIL-STD; keine von beiden ist eine Garantie auf Katalogebene. MIL-STD ist zusätzlicher Projektumfang, der auf jede kommerzielle Zertifizierung aufsetzt, die ein Programm benötigt, kein Katalogmerkmal.
• Zellchemie und -format legen die erreichbare Temperatur-, Höhen- und Vibrationsobergrenze fest, noch bevor das Packdesign beginnt, egal ob die Zelle aus Dan-Techs eigener Beschaffung oder vom Kunden stammt.
• Zertifizierung, einschließlich jedes MIL-STD-Umfangs, wird je Projekt definiert und durchgeführt. Sie wird nie auf einer Katalogseite behauptet, und dieses Gespräch findet statt, wenn die tatsächlichen Anforderungen vorliegen.

Häufig gestellte Fragen

Ist ein "MIL-STD-zertifizierter Batteriepack" eine reale Produktkategorie?

Nein. MIL-STD-810, -461 und -1275 sind Familien von Prüfmethoden mit anpassbaren Schweregraden, keine Zertifizierungen, die ein fertiges Pack standardmäßig trägt. Ein Pack wird gegen bestimmte benannte Methoden und Stufen für ein bestimmtes Programm qualifiziert, nicht abstrakt "MIL-STD-zertifiziert".

Benötige ich MIL-STD-810, -461 und -1275, oder nur eine davon?

Das hängt von der Plattform ab. Ein Pack, das in einem Gehäuse ohne Fahrzeugbusanschluss und ohne HF-dichte Umgebung montiert ist, benötigt möglicherweise nur 810. Ein Pack, das ein 24V/28V-Fahrzeugbordnetz speist, kommt mit 1275 hinzu. Ein Pack, das in Nähe von Radar, Störsendern oder dichten Avioniksystemen betrieben wird, kommt mit 461 hinzu. Die meisten realen Programme benötigen zwei der drei, und die Annahme zu prüfen, bevor man von allen drei ausgeht, spart sowohl Kosten als auch Vorlaufzeit.

Wie hängt MIL-STD-810 mit der Robustheitsprüfung zusammen, die bei kommerziellen Drohnenpacks verwendet wird?

MIL-STD-810H fungiert als Robustheits-Benchmark auch außerhalb militärischer Programme, wobei jedoch üblicherweise nur professionelle und taktische Drohnenpacks danach geprüft werden, nicht kommerzielle Drohnen allgemein; siehe wie professionelle Drohnenpacks häufig gegen MIL-STD-810H validiert werden, um zu sehen, wie dieselbe Norm in einem UAV-Kontext auftaucht, auf anderen angepassten Stufen, als sie ein Verteidigungsprogramm spezifizieren würde.

Ersetzt eine MIL-STD-Anforderung CE, UN 38.3, RoHS oder IEC 62133?

Nein. MIL-STD-Anforderungen kommen zusätzlich zu jeder kommerziellen Sicherheits- und Transportzertifizierung hinzu, die ein Programm benötigt, nicht als Ersatz dafür. Ein Pack muss unabhängig von jedem darüber gelegten MIL-STD-Umfang weiterhin seine Transport- und Sicherheitsanforderungen erfüllen.

Kann ich eine kundenseitig bereitgestellte Zelle in einem MIL-STD-eingeplanten Pack verwenden?

Ja, Dan-Tech baut regelmäßig Packs um kundenseitig bereitgestellte Zellen. Das eigene Datenblatt der Zelle, oder dessen Fehlen, legt fest, was das fertige Pack nachweisen kann, sodass eine dürftig dokumentierte Kundenzelle den Qualifizierungsumfang begrenzt, egal wie das Pack selbst konstruiert ist.

Was kostet es, eine MIL-STD-Anforderung zu einem Pack hinzuzufügen?

Das hängt vollständig davon ab, welche Norm, welche Methoden und welche Stufen, plus welche Dokumentation die Qualifizierung erzeugen muss. Es gibt keine feste Zahl, die sich pauschal nennen lässt; sie wird gegen die tatsächliche Anforderung eingeplant, sobald diese existiert.

Was Dan-Tech macht: Dan-Tech Energy, Hersteller individueller Li-Ion-Batteriepacks mit Produktion in Deutschland und den USA, baut Packs mit Zellen von Amprius, Molicel, Reliance und Samsung oder mit vom Kunden bereitgestellten eigenen Zellen. Zertifizierung, einschließlich jedes MIL-STD-810-, -461- oder -1275-Umfangs, wird je Projekt definiert und durchgeführt, nicht auf einer Katalogseite behauptet.

Wenn Ihr Programm eine MIL-STD-Anforderung trägt und Sie wissen müssen, was sich dadurch tatsächlich ändert, bevor sie in ein Beschaffungsdokument gelangt, planen Sie die Anforderungen Ihres Packs in der ToolBox. Für die Zellfamilien und Packkonfigurationen, auf die dieser Beitrag verweist, siehe Dan-Techs Katalog für Lithium-Ionen-Batteriepacks.