打造“天舟之心”中國空間電源邁向“锂電時代”

2018-12-29    行业资讯  

       中新网上海4月20日电 (潘佳音 郑莹莹)4月20日,中国第一艘货运飞船天舟一号发射升空。电源分系统作为天舟一号最重要的分系统之一,被誉为“天舟之心”,中国航天科技集團公司上海航天技術研究院的研發人員揭秘了其邁向“锂電時代”的意義。


电池开箱检查 金智峰 摄
       載人航天的锂電時代
       中國載人航天電源先後經曆了镉鎳電池時代、氫鎳電池時代。神舟七號伴隨衛星曾開創載人航天首次使用锂電的曆史,但在低軌高壓大容量锂電領域,擁有2700W功率的天舟一號是中國航天史上的第一次。“首次使用低軌高壓锂電,也是爲日後空間站打基礎”。中國載人航天工程貨運飛船系統副總設計師陳啓忠介紹。
       天舟一號電源分系統采用3機組锂離子蓄電池組,每組由22個單體串聯組成,共使用單體66個,它的使命從天舟一號待發段轉內電開始,同時在飛船進入陰影區時提供整船所需的全部電能,在光照區儲電能,並通過電池放電補充負載的峰值功耗。
       锂電的安全性向來是大家關注的焦點。天舟一號電源分系統主任設計師王娜告知,圍繞锂電池自身的可靠性和安全性,研發人員做了大量的試驗和驗證工作,包括不同溫度下的特性試驗、壽命試驗和充電策略的驗證等。

       爲了確保飛船的用電可靠性和安全性,在故障模式下,設計人員使每個機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壽命。


船罩转运后进火箭总装厂房 金智峰 摄
       “作爲載人航天在海南發射場的首次發射,我們還針對锂電池做了專門的發射場適應性驗證工作,爲的就是確保萬無一失。”天舟一號锂電主管設計師白羽說。
       爲後續空間站建造打基礎
       上海航天技術研究院電源分系統項目管理人員吳彥妮告知,天舟一號電源分系統大部分還是繼承第二代技術,但也爲後續空間站建造做准備,一是減重,二是從空間上爲飛行器做貢獻,“如果是用第二代氫鎳電池,未來的空間站要專門做個艙來放電池。所以我們開展了锂電的應用,並首次在貨船上首飛,也是爲後續空間站任務奠定基礎。”
       她介紹,目前單艙只要實現飛行器內部的供電,對接時要實現兩艙之間的能量平衡;到了空間站,多個飛行器組合要聯合供電,更需要多艙段間的平衡,這對電源系統智能化管理提出更大挑戰。
       另外,上海航天空間電源專家塗浡透露,天宮一號以前的電源系統是不更換的。神舟飛船系列種,神舟十一號飛的最久,在軌飛了一個月,天宮一號設計壽命兩年,在軌飛行了四年半,“但空間站以後是10年到15年,锂電正常壽命5年到8年,包括單機産品也就10年左右,那怎麽辦?修。”
       他介紹,這個“修”並非簡單拆了,而是從地面判斷,電池何時衰變嚴重,再安排貨運飛船將新的電池送上去。“更換時斷哪些電不影響宇航員生存?怎麽確保新換的電池是好的?這一系列工作,都是目前仍在摸索的課題”,塗浡說。
       最強電源控制大腦
       “由于天舟一號電源分系統采用全新的锂離子電池,其充電方式和控制策略相對以往的氫鎳電池均發生了根本性變化,同時還增加了均衡控制電路和電池單體等采集電路,充電控制器作爲新研産品正是爲了適應全新的技術狀態而研制的。”天舟一號充電控制器主管設計師朱超說。
       66個電池單體,每個都要參與到充電控制中。朱超說,爲確保電池單體參與充電控制的可靠性,設計的故障診斷功能能自動隔離有故障的電池單體,同時設計人員爲每個單體都設置了注入指令,如果某單體出現故障,也可通過發送對應指令使該單體不參與控制,“66個單體,相當于有了66道防護牆”。
       天舟一号充电控制器的复杂性不仅体现在对电池单体的管理上,更体现在工作模式上。它既要满足各机组在独立工作模式下正常工作,又要满足各机组重构交叉工作模式下正常工作。朱超介绍说,仅充电控制器一台单机的软件行数达近30000行,重量超过了16kg,大家都形象地称它为“胖子”单机。庞大的电池单体数量和多条充电曲线条件下各机组间工作的交叉重叠,天舟一号的充电控制器可谓“最強電源控制大腦”。