航天科技八院承担货运飞船电源分系统实现突破

我国航天器电源系统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。

我国第一艘货运飞船天舟一号则首次使用低轨高压大容量锂电。这标志着我国空间电源走向锂电时代。

载人航天的锂电时代

“天舟一号首次使用低轨高压锂电，并达到了2700瓦功率，开启了载人航天空间电源的锂电时代。”天舟一号货运飞船系统副总设计师陈启忠介绍。

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。

该系统从天舟一号待发段转内电开始工作，在飞船进入阴影区时负责提供整船所需的全部电能。在光照区，电源分系统迅速储存电能，并通过电池放电来补充负载的峰值功耗。

锂电的安全性向来是专家讨论和关注的热点。据天舟一号电源分系统主任设计师王娜介绍，围绕锂电池自身的可靠性和安全性，航天科技集团八院811所做了大量试验和验证工作，包括不同温度的特性试验、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，设计人员刻苦攻关，创新性地提出了多个解决方案。最终，系统能够保证每个机组在电池单体短路或开路失效的情况下，不影响其供电能力和充放电循环寿命。

“除此之外，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。”811所天舟一号锂电主管设计师白羽说。

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。

为了增加电源充电控制的可靠性，811所的设计人员采用主备份软件限压充电控制为主、硬件电压控制为辅的双冗余设计。简单说，就是66个电池单体都要参与到充电控制中。

要管理好66个单体的充电控制，同时还要兼顾每个单体过温保护、过压保护、故障隔离以及均衡控制，难度不小。“为确保电池单体参与充电控制的可靠性，我们设计的故障诊断能自动隔离有故障的电池单体，同时我们为每个单体都设置了注入指令，如果某单体出现故障，也可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。”朱超说。

天舟一号充电控制器的复杂性不仅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正常工作。仅充电控制器一台单机的软件行数达近3万，体积重量都不小，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是最强电源控制大脑。