4月20日，中國(guó)第一艘貨運(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)最重要的分系統(tǒng)之一，被譽(yù)為“天舟之心”，中國(guó)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。

電池開箱檢查

  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。神舟七號(hào)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(hào)是中國(guó)航天史上的第一次�！笆状问褂玫蛙壐邏轰囯�，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(chǎng)的首次發(fā)射，我們還針對(duì)鋰電池做了專門的發(fā)射場(chǎng)適應(yīng)性驗(yàn)證工作，為的就是確保萬(wàn)無(wú)一失�！碧熘垡惶�(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，未來(lái)的空間站要專門做個(gè)艙來(lái)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(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)飛的最久，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�！案鼡Q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)。
  最強(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�！碧熘垡惶�(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(shuō)，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(hào)的充電控制器可謂“最強(qiáng)電源控制大腦”。