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重量比能量高至195Wh/kg 钴酸锂电池为嫦娥五号护航

北极星储能网  来源:文汇报  作者:史博臻 缪新培  2020/11/26 8:39:50  我要投稿  

北极星储能网讯:电源是航天器在广袤太空中持续运行的重要支撑。在嫦娥五号任务中,中国航天科技集团八院811所承担了着陆器、上升器、轨道器、返回器4个平台中轨道器、着陆器及上升器电源产品的研制任务。电源系统由电源控制器、锂离子蓄电池组及太阳电池阵组成,为了确保以最好的性能保障此次任务,中国航天科技集团八院811所研制人员卯足了马力,“电源控制器比功率国内最高、国际领先,锂离子蓄电池航天应用比能量最高,太阳电池阵面积比功率国内最高”,是他们交出的满意的答卷。

这是怎么做到的?研制人员自有秘笈。

关键词:变革

适应多器多飞行阶段的多个状态

嫦娥五号任务包括运载发射、地月转移、近月制动、环月运行、月面下降、月面工作、月面上升、交会对接、环月等待、月地转移和再入回收11个阶段,着陆器、上升器、轨道器、返回器在飞行状态中有多种组合和分离方式,电源如何以最佳的状态适应多器多飞行阶段的多个状态,研制人员开展了变革。

电源控制器是探测器电源系统的“大脑”,为解决在嫦娥五号四器飞行过程中能源紧张、重量资源受限的问题,控制器经历了一次从PCU到PCDU的升级。

“从PCU到PCDU,在于从单一功能向多功能的升级。在嫦娥三号、嫦娥四号任务中,电源控制器只包括功率调节模块,嫦娥五号则集中了功率调节模块、配电模块、火工品控制模块、智能接口单元等几个功能,这是探月工程的首次应用”,嫦娥五号电源产品主任设计师郑磊介绍道。

而在单机内部,也经历了一次脱胎换骨的变革,研制人员在参考国外相关技术资料、权衡相关利弊后,大胆挑战,国内首创多个高度集成化技术,让电源控制器比功率达到国内最高、国际领先水平,实现了性能的跨越性的提升。

嫦娥五号电源产品技术负责人徐泽峰说,“针对原先电路板集成密度不高的问题,我们经过多次试验,摒弃了当时国内卫星型号普遍采用的直插式工艺,首次采用了大规模表贴式工艺,这个首次引领了该技术在后续其他型号应用的新局面;同时,在模块间创新性采用信号母板、印制板载流技术和汇流条优化等措施,实现了模块电缆的高度集成,大幅度减少了体积和重量。”通过与嫦娥三号产品的对比可以看到,原先的正面直插式工艺被换成了双面贴片,电路板集成密度大大提高;原先布满了密密麻麻导线的电路板,现在整齐地分布着寥寥几条清晰的线路,产品密度得到了提高;而单机的模块数量,则从原先的5个成功压缩为2个,体积达到了嫦娥三号控制器体积的1/3。这些技术,在后续实现了二十多个专利的授权。

按照嫦娥五号的工作模式,在抵达月球轨道后,着陆器和上升器的组合体与轨道器和返回器的组合体分离,着陆器和上升器落到月球表面,开展月面采集样本工作。

充分考虑到此次月面执行任务的时间及电源产品的工作模式后,按照总体的方案,研制人员在着陆器和上升器组合体的能源设计上做了优化。徐泽峰说,“着陆器的电源产品包括太阳电池阵和电源控制器,上升器的电源产品包括太阳电池阵、电源控制器以及锂离子蓄电池。分离之前,在飞行阶段和月面阶段光照期,着陆器的太阳电池电路承担起了为组合体供电的责任;而当组合体在月面阶段分离后,上升器迅速转换角色,由太阳电池电路在光照期为自身供电。而在非光照期,着陆器和上升器共用一组锂离子蓄电池,由该蓄电池为组合体提供电源。”

关键词:聚能

助力四器组合的“绕、落、回”终极目标

在月球探测任务中,探测器所需能源较传统卫星紧张的多。嫦娥五号为四器组合体设计,且需一次性完成“绕、落、回”三个目标,所需能源更是超过了我国任何一项月球探测、深空探测任务。因此,提高太阳电池阵和锂离子蓄电池组的能源供给能力,是研制人员需要解决的重要问题。

“为了提高太阳电池阵发电功率,我们给自己设定了目标,在太阳电池阵的正面,确保贴片面积达到最大化”,嫦娥五号太阳电池电路技术负责人陈城介绍道。

但在探月任务中太阳电池帆板面积受到严重的限制,同时,不同于普通卫星,探测器本身的构型决定了帆板的不规则形状,嫦娥五号的太阳电池帆板有三角形和多边形等多种形状。基板面积小,且奇形怪状,怎么办?

“一般的卫星型号,我们设计太阳电池电路时仅采用单一尺寸的太阳电池。针对嫦娥五号,我们打破常规思路,采用多种尺寸的电池进行混合布片,让布片效率达到了91%以上,这比常规产品高了5%-10%。同时,还要选择最高效率的太阳电池,嫦娥三号和嫦娥四号的太阳电池光电转换效率分别为28.6%和30.84%,嫦娥五号达到了31%以上”。经过不懈努力,嫦娥五号太阳电池板单位面积下的输出功率不仅在产品研制时,即使在现在,都为国内最高水平。

比能量是锂离子蓄电池的一大性能指标,数值越高,单位体积或重量可以存储的能量越多。攻关伊始,国内锂离子蓄电池单体的比能量最高为155Wh/kg,国际上最高为165Wh/kg。针对嫦娥五号锂离子蓄电池产品使用寿命短,放电深度高的特点,研制人员在仔细分析了技术指标的可行性、查阅了大量的文献资料、调研了锂电企业的技术资料后,制定了攻关方案。“我们选用了比能量更高的钴酸锂正极材料和石墨负极材料、选用了高分子量的粘结剂材料降低粘结剂用量、并优化极片配方提高活性物质的含量”,嫦娥五号锂离子蓄电池主管设计师王晓锐说道。轻描淡写的介绍,背后是大量的工艺试验,新的电极材料、新的材料配比,与过去完全不同的各项理化参数导致混粉、制浆等工序的工艺发生很大变化,但研制人员一步一个脚印,踏踏实实地验证了每一道工序。经过8个月的努力,他们将蓄电池的重量比能量提高至195Wh/kg。这个数值,为目前航天用锂离子蓄电池比能量最高值。


原标题:突破多个“首次应用”,他们为嫦娥奔月打造强劲电源

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