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天舟升空 中国空间电源迈向“锂电时代”
2017-04-21 17:20:45
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”，中国航天科技集团公司上海航天技术研究院的研发人员揭秘了其迈向“锂电时代”的意义。
锂离子电池
载人航天的锂电时代
中国载人航天电源先后经历了镉镍电池时代、氢镍电池时代。神舟七号伴随卫星曾开创载人航天首次使用锂电的历史，但在低轨高压大容量锂电领域，拥有2700W功率的天舟一号是中国航天史上的第一次。“首次使用低轨高压锂电，也是为日后空间站打基础”。中国载人航天工程货运飞船系统副总设计师陈启忠介绍。
电池开箱检查
天舟一号电源分系统采用3机组锂离子蓄电池组，每组由22个单体串联组成，共使用单体66个，它的使命从天舟一号待发段转内电开始，同时在飞船进入阴影区时提供整船所需的全部电能，在光照区储存电能，并通过电池放电补充负载的峰值功耗。
锂电的安全性向来是大家关注的焦点。天舟一号电源分系统主任设计师王娜告知，围绕锂电池自身的可靠性和安全性，研发人员做了大量的试验和验证工作，包括不同温度下的特性试验、寿命试验和充电策略的验证等。
为了确保飞船的用电可靠性和安全性，在故障模式下，设计人员使每个机组能承受电池单体的短路或开路失效，而不影响其供电能力和充放电循环寿命。
船罩转运后进火箭总装厂房
“作为载人航天在海南发射场的首次发射，我们还针对锂电池做了专门的发射场适应性验证工作，为的就是确保万无一失。”天舟一号锂电主管设计师白羽说。
为后续空间站建造打基础
上海航天技术研究院电源分系统项目管理人员吴彦妮告知，天舟一号电源分系统大部分还是继承第二代技术，但也为后续空间站建造做准备，一是减重，二是从空间上为飞行器做贡献，“如果是用第二代氢镍电池，未来的空间站要专门做个舱来放电池。所以我们开展了锂电的应用，并首次在货船上首飞，也是为后续空间站任务奠定基础。”
她介绍，目前单舱只要实现飞行器内部的供电，对接时要实现两舱之间的能量平衡；到了空间站，多个飞行器组合要联合供电，更需要多舱段间的平衡，这对电源系统智能化管理提出更大挑战。
另外，上海航天空间电源专家涂浡透露，天宫一号以前的电源系统是不更换的。神舟飞船系列种，神舟十一号飞的最久，在轨飞了一个月，天宫一号设计寿命两年，在轨飞行了四年半，“但空间站以后是10年到15年，锂电正常寿命5年到8年，包括单机产品也就10年左右，那怎么办？修。”
他介绍，这个“修”并非简单拆了，而是从地面判断，电池何时衰变严重，再安排货运飞船将新的电池送上去。“更换时断哪些电不影响宇航员生存？怎么确保新换的电池是好的？这一系列工作，都是目前仍在摸索的课题”，涂浡说。
最强电源控制大脑
“由于天舟一号电源分系统采用全新的锂离子电池，其充电方式和控制策略相对以往的氢镍电池均发生了根本性变化，同时还增加了均衡控制电路和电池单体等采集电路，充电控制器作为新研产品正是为了适应全新的技术状态而研制的。”天舟一号充电控制器主管设计师朱超说。
66个电池单体，每个都要参与到充电控制中。朱超说，为确保电池单体参与充电控制的可靠性，设计的故障诊断功能能自动隔离有故障的电池单体，同时设计人员为每个单体都设置了注入指令，如果某单体出现故障，也可通过发送对应指令使该单体不参与控制，“66个单体，相当于有了66道防护墙”。
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“最强电源控制大脑”。
