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重磅!鈷酸鋰電池,這次真的上天了!

2020.12.3 新聞中心 12/3每日一新

電源是航天器在廣袤太空中持續運行的重要支撐。在嫦娥五號任務中,中國航太科技集團八院811所承擔了著陸器、上升器、軌道器、返回器4個平臺中軌道器、著陸器及上升器電源產品的研製任務。電源系統由電源控制器、鋰離子蓄電池組及太陽電池陣組成,為了確保以最好的性能保障此次任務,中國航太科技集團八院811所研製人員卯足了馬力,電源控制器比功率國內最高、國際領先,鋰離子蓄電池航太應用比能量最高,太陽電池陣面積比功率國內最高,是他們交出的滿意的答卷。

這是怎麼做到的?研製人員自有秘笈。

適應多器多飛行階段的多個狀態

嫦娥五號任務包括運載發射、地月轉移、近月制動、環月運行、月面下降、月面工作、月面上升、交會對接、環月等待、月地轉移和再入回收11個階段,著陸器、上升器、軌道器、返回器在飛行狀態中有多種組合和分離方式,電源如何以最佳的狀態適應多器多飛行階段的多個狀態,研製人員開展了變革。

電源控制器是探測器電源系統的大腦,為解決在嫦娥五號四器飛行過程中能源緊張、重量資源受限的問題,控制器經歷了一次從PCUPCDU的升級。

PCUPCDU,在於從單一功能向多功能的升級。在嫦娥三號、嫦娥四號任務中,電源控制器只包括功率調節模組,嫦娥五號則集中了功率調節模組、配電模組、火工品控制模組、智慧介面單元等幾個功能,這是探月工程的首次應用,嫦娥五號電源產品主任設計師鄭磊介紹道。

而在單機內部,也經歷了一次脫胎換骨的變革,研製人員在參考國外相關技術資料、權衡相關利弊後,大膽挑戰,國內首創多個高度集成化技術,讓電源控制器比功率達到國內最高、國際領先水準,實現了性能的跨越性的提升。

嫦娥五號電源產品技術負責人徐澤峰說,針對原先電路板集成密度不高的問題,我們經過多次試驗,摒棄了當時國內衛星型號普遍採用的直插式工藝,首次採用了大規模表貼式工藝,這個首次引領了該技術在後續其他型號應用的新局面;同時,在模組間創新性採用信號主機板、印製板載流技術和匯流條優化等措施,實現了模組電纜的高度集成,大幅度減少了體積和重量。通過與嫦娥三號產品的對比可以看到,原先的正面直插式工藝被換成了雙面貼片,電路板集成密度大大提高;原先佈滿了密密麻麻導線的電路板,現在整齊地分佈著寥寥幾條清晰的線路,產品密度得到了提高;而單機的模組數量,則從原先的5個成功壓縮為2個,體積達到了嫦娥三號控制器體積的1/3。這些技術,在後續實現了二十多個專利的授權。

按照嫦娥五號的工作模式,在抵達月球軌道後,著陸器和上升器的組合體與軌道器和返回器的組合體分離,著陸器和上升器落到月球表面,開展月面採集樣本工作。

充分考慮到此次月面執行任務的時間及電源產品的工作模式後,按照總體的方案,研製人員在著陸器和上升器組合體的能源設計上做了優化。徐澤峰說,著陸器的電源產品包括太陽電池陣和電源控制器,上升器的電源產品包括太陽電池陣、電源控制器以及鋰離子蓄電池。分離之前,在飛行階段和月面階段光照期,著陸器的太陽電池電路承擔起了為組合體供電的責任;而當組合體在月面階段分離後,上升器迅速轉換角色,由太陽電池電路在光照期為自身供電。而在非光照期,著陸器和上升器共用一組鋰離子蓄電池,由該蓄電池為組合體提供電源。

助力四器組合的繞、落、回終極目標

在月球探測任務中,探測器所需能源較傳統衛星緊張的多。嫦娥五號為四器組合體設計,且需一次性完成繞、落、回三個目標,所需能源更是超過了我國任何一項月球探測、深空探測任務。因此,提高太陽電池陣和鋰離子蓄電池組的能源供給能力,是研製人員需要解決的重要問題。

為了提高太陽電池陣發電功率,我們給自己設定了目標,在太陽電池陣的正面,確保貼片面積達到最大化,嫦娥五號太陽電池電路技術負責人陳城介紹道。

但在探月任務中太陽電池帆板面積受到嚴重的限制,同時,不同于普通衛星,探測器本身的構型決定了帆板的不規則形狀,嫦娥五號的太陽電池帆板有三角形和多邊形等多種形狀。基板面積小,且奇形怪狀,怎麼辦?

一般的衛星型號,我們設計太陽電池電路時僅採用單一尺寸的太陽電池。針對嫦娥五號,我們打破常規思路,採用多種尺寸的電池進行混合布片,讓布片效率達到了91%以上,這比常規產品高了5%-10%。同時,還要選擇最高效率的太陽電池,嫦娥三號和嫦娥四號的太陽電池光電轉換效率分別為28.6%30.84%,嫦娥五號達到了31%以上。經過不懈努力,嫦娥五號太陽電池板單位面積下的輸出功率不僅在產品研製時,即使在現在,都為國內最高水準。

比能量是鋰離子蓄電池的一大性能指標,數值越高,單位體積或重量可以存儲的能量越多。攻關伊始,國內鋰離子蓄電池單體的比能量最高為155Wh/kg,國際上最高為165Wh/kg。針對嫦娥五號鋰離子蓄電池產品使用壽命短,放電深度高的特點,研製人員在仔細分析了技術指標的可行性、查閱了大量的文獻資料、調研了鋰電企業的技術資料後,制定了攻關方案。我們選用了比能量更高的鈷酸鋰正極材料和石墨負極材料、選用了高分子量的粘結劑材料降低粘結劑用量、並優化極片配方提高活性物質的含量,嫦娥五號鋰離子蓄電池主管設計師王曉銳說道。輕描淡寫的介紹,背後是大量的工藝試驗,新的電極材料、新的材料配比,與過去完全不同的各項理化參數導致混粉、制漿等工序的工藝發生很大變化,但研製人員一步一個腳印,踏踏實實地驗證了每一道工序。經過8個月的努力,他們將蓄電池的重量比能量提高至195Wh/kg。這個數值,為目前航太用鋰離子蓄電池比能量最高值。