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揚(yáng)州冠豐電力設(shè)備有限公司

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天舟升空 中國(guó)空間電源邁向“鋰電時(shí)代”

2017-4-25  閱讀(227)

4月20日,中國(guó)*艘貨運(yùn)飛船天舟一號(hào)發(fā)射升空。電源分系統(tǒng)作為天舟一號(hào)zui重要的分系統(tǒng)之一,被譽(yù)為“天舟之心”,*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。

  載人航天的鋰電時(shí)代

  中國(guó)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。高壓無(wú)線(xiàn)核相儀神舟七號(hào)伴隨衛(wèi)星曾開(kāi)創(chuàng)載人航天使用鋰電的歷史,但在低軌高壓大容量鋰電領(lǐng)域,擁有 2700W功率的天舟一號(hào)是中國(guó)航天*的*次。“使用低軌高壓鋰電,也是為日后空間站打基礎(chǔ)”。中國(guó)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。

  天舟一號(hào)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(hào)待發(fā)段轉(zhuǎn)內(nèi)電開(kāi)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(chǔ)存電能,并通過(guò)電池放電補(bǔ)充負(fù)載的峰值功耗。

  鋰電的安全性向來(lái)是大家關(guān)注的焦點(diǎn)。天舟一號(hào)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(kāi)路失效,而不影響其供電能力和充放電循環(huán)壽命。

  “作為載人航天在海南發(fā)射場(chǎng)的發(fā)射,我們還針對(duì)鋰電池做了專(zhuān)門(mén)的發(fā)射場(chǎng)適應(yīng)性驗(yàn)證工作,為的就是確保*。”天舟一號(hào)鋰電主管設(shè)計(jì)師白羽說(shuō)。

  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(hào)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,高壓無(wú)線(xiàn)核相儀未來(lái)的空間站要專(zhuān)門(mén)做個(gè)艙來(lái)放電池。所以我們開(kāi)展了鋰電的應(yīng)用,并在貨船上首飛,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(duì)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(duì)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(zhuān)家涂浡透露,天宮一號(hào)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(hào)飛的zui久,在軌飛了一個(gè)月,天宮一號(hào)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(jiǎn)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(shuō)。

  zui強(qiáng)電源控制大腦

  “由于天舟一號(hào)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(duì)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(hào)充電控制器主管設(shè)計(jì)師朱超說(shuō)。

  66個(gè)電池單體,每個(gè)都要參與到充電控制中。朱超說(shuō),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(dòng)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(guò)發(fā)送對(duì)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(hào)充電控制器的復(fù)雜性不僅體現(xiàn)在對(duì)電池單體的管理上,更體現(xiàn)在工作模式上。它既要滿(mǎn)足各機(jī)組在獨(dú)立工作模式下正常工作,又要滿(mǎn)足各機(jī)組重構(gòu)交叉工作模式下正常工作。朱超介紹說(shuō),高壓無(wú)線(xiàn)核相儀僅充電控制器一臺(tái)單機(jī)的軟件行數(shù)達(dá)近30000行,重量超過(guò)了16kg,大家都形象地稱(chēng)它為“胖子”單機(jī)。龐大的電池單體數(shù)量和多條充電曲線(xiàn)條件下各機(jī)組間工作的交叉重疊,天舟一號(hào)的充電控制器可謂“zui強(qiáng)電源控制大腦”。



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