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打造“天舟之心”中國空間電源邁向“鋰電時代”

發布時間:2018-12-29

       中新網上海4月20日電 (潘佳音 鄭瑩瑩)4月20日,中國第一艘貨運飛船天舟一號發射升空。電源分系統作為天舟一號最重要的分系統之一,被譽為“天舟之心”,中國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“鋰電時代”的意義。


電池開箱檢查 金智峰 攝
       載人航天的鋰電時代
       中國載人航天電源先后經歷了鎘鎳電池時代、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鋰電的歷史,但在低軌高壓大容量鋰電領域,擁有2700W功率的天舟一號是中國航天史上的第一次。“首次使用低軌高壓鋰電,也是為日后空間站打基礎”。中國載人航天工程貨運飛船系統副總設計師陳啟忠介紹。
       天舟一號電源分系統采用3機組鋰離子蓄電池組,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,并通過電池放電補充負載的峰值功耗。
       鋰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,圍繞鋰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。

       為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。


船罩轉運后進火箭總裝廠房 金智峰 攝
       “作為載人航天在海南發射場的首次發射,我們還針對鋰電池做了專門的發射場適應性驗證工作,為的就是確保萬無一失。”天舟一號鋰電主管設計師白羽說。
       為后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,但也為后續空間站建造做準備,一是減重,二是從空間上為飛行器做貢獻,“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。所以我們開展了鋰電的應用,并首次在貨船上首飛,也是為后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涂浡透露,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,“但空間站以后是10年到15年,鋰電正常壽命5年到8年,包括單機產品也就10年左右,那怎么辦?修。”
       他介紹,這個“修”并非簡單拆了,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?怎么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”,涂浡說。
       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,充電控制器作為新研產品正是為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,為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,同時設計人員為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道防護墻”。
       天舟一號充電控制器的復雜性不僅體現在對電池單體的管理上,更體現在工作模式上。它既要滿足各機組在獨立工作模式下正常工作,又要滿足各機組重構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的軟件行數達近30000行,重量超過了16kg,大家都形象地稱它為“胖子”單機。龐大的電池單體數量和多條充電曲線條件下各機組間工作的交叉重疊,天舟一號的充電控制器可謂“最強電源控制大腦”。

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