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天舟升空 中國空間電源邁向“鋰電時(shí)代”

2017-04-21 17:20:45

4月20日，中國第一艘貨運(yùn)飛船天舟一號發(fā)射升空。電源分系統(tǒng)作為天舟一號最重要的分系統(tǒng)之一，被譽(yù)為“天舟之心”，中國航天科技集團(tuán)公司上海航天技術(shù)研究院的研發(fā)人員揭秘了其邁向“鋰電時(shí)代”的意義。

鋰離子電池

載人航天的鋰電時(shí)代

中國載人航天電源先后經(jīng)歷了鎘鎳電池時(shí)代、氫鎳電池時(shí)代。神舟七號伴隨衛(wèi)星曾開創(chuàng)載人航天首次使用鋰電的歷史，但在低軌高壓大容量鋰電領(lǐng)域，擁有2700W功率的天舟一號是中國航天史上的第一次。“首次使用低軌高壓鋰電，也是為日后空間站打基礎(chǔ)”。中國載人航天工程貨運(yùn)飛船系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師陳啟忠介紹。

電池開箱檢查

天舟一號電源分系統(tǒng)采用3機(jī)組鋰離子蓄電池組，每組由22個(gè)單體串聯(lián)組成，共使用單體66個(gè)，它的使命從天舟一號待發(fā)段轉(zhuǎn)內(nèi)電開始，同時(shí)在飛船進(jìn)入陰影區(qū)時(shí)提供整船所需的全部電能，在光照區(qū)儲存電能，并通過電池放電補(bǔ)充負(fù)載的峰值功耗。

鋰電的安全性向來是大家關(guān)注的焦點(diǎn)。天舟一號電源分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師王娜告知，圍繞鋰電池自身的可靠性和安全性，研發(fā)人員做了大量的試驗(yàn)和驗(yàn)證工作，包括不同溫度下的特性試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)和充電策略的驗(yàn)證等。

為了確保飛船的用電可靠性和安全性，在故障模式下，設(shè)計(jì)人員使每個(gè)機(jī)組能承受電池單體的短路或開路失效，而不影響其供電能力和充放電循環(huán)壽命。

船罩轉(zhuǎn)運(yùn)后進(jìn)火箭總裝廠房

“作為載人航天在海南發(fā)射場的首次發(fā)射，我們還針對鋰電池做了專門的發(fā)射場適應(yīng)性驗(yàn)證工作，為的就是確保萬無一失。”天舟一號鋰電主管設(shè)計(jì)師白羽說。

為后續(xù)空間站建造打基礎(chǔ)

上海航天技術(shù)研究院電源分系統(tǒng)項(xiàng)目管理人員吳彥妮告知，天舟一號電源分系統(tǒng)大部分還是繼承第二代技術(shù)，但也為后續(xù)空間站建造做準(zhǔn)備，一是減重，二是從空間上為飛行器做貢獻(xiàn)，“如果是用第二代氫鎳電池，未來的空間站要專門做個(gè)艙來放電池。所以我們開展了鋰電的應(yīng)用，并首次在貨船上首飛，也是為后續(xù)空間站任務(wù)奠定基礎(chǔ)?！?

她介紹，目前單艙只要實(shí)現(xiàn)飛行器內(nèi)部的供電，對接時(shí)要實(shí)現(xiàn)兩艙之間的能量平衡；到了空間站，多個(gè)飛行器組合要聯(lián)合供電，更需要多艙段間的平衡，這對電源系統(tǒng)智能化管理提出更大挑戰(zhàn)。

另外，上海航天空間電源專家涂浡透露，天宮一號以前的電源系統(tǒng)是不更換的。神舟飛船系列種，神舟十一號飛的最久，在軌飛了一個(gè)月，天宮一號設(shè)計(jì)壽命兩年，在軌飛行了四年半，“但空間站以后是10年到15年，鋰電正常壽命5年到8年，包括單機(jī)產(chǎn)品也就10年左右，那怎么辦？修。”

他介紹，這個(gè)“修”并非簡單拆了，而是從地面判斷，電池何時(shí)衰變嚴(yán)重，再安排貨運(yùn)飛船將新的電池送上去。“更換時(shí)斷哪些電不影響宇航員生存？怎么確保新?lián)Q的電池是好的？這一系列工作，都是目前仍在摸索的課題”，涂浡說。

最強(qiáng)電源控制大腦

“由于天舟一號電源分系統(tǒng)采用全新的鋰離子電池，其充電方式和控制策略相對以往的氫鎳電池均發(fā)生了根本性變化，同時(shí)還增加了均衡控制電路和電池單體等采集電路，充電控制器作為新研產(chǎn)品正是為了適應(yīng)全新的技術(shù)狀態(tài)而研制的。”天舟一號充電控制器主管設(shè)計(jì)師朱超說。

66個(gè)電池單體，每個(gè)都要參與到充電控制中。朱超說，為確保電池單體參與充電控制的可靠性，設(shè)計(jì)的故障診斷功能能自動隔離有故障的電池單體，同時(shí)設(shè)計(jì)人員為每個(gè)單體都設(shè)置了注入指令，如果某單體出現(xiàn)故障，也可通過發(fā)送對應(yīng)指令使該單體不參與控制，“66個(gè)單體，相當(dāng)于有了66道防護(hù)墻”。

天舟一號充電控制器的復(fù)雜性不僅體現(xiàn)在對電池單體的管理上，更體現(xiàn)在工作模式上。它既要滿足各機(jī)組在獨(dú)立工作模式下正常工作，又要滿足各機(jī)組重構(gòu)交叉工作模式下正常工作。朱超介紹說，僅充電控制器一臺單機(jī)的軟件行數(shù)達(dá)近30000行，重量超過了16kg，大家都形象地稱它為“胖子”單機(jī)。龐大的電池單體數(shù)量和多條充電曲線條件下各機(jī)組間工作的交叉重疊，天舟一號的充電控制器可謂“最強(qiáng)電源控制大腦”。