重磅!鈷酸鋰電池，這次真的上天了!

圖：我國航天科技集團(tuán)八院：張懿

電源是航天器在廣袤太空中持續(xù)運(yùn)行的重要支撐。在嫦娥五號(hào)任務(wù)中，我國航天科技集團(tuán)八院811所承擔(dān)了著陸器、上升器、軌道器、返回器4個(gè)平臺(tái)中軌道器、著陸器及上升器電源產(chǎn)品的研制任務(wù)。電源系統(tǒng)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(wù)，我國航天科技集團(tuán)八院811所研制人員卯足了馬力，電源控制器比功率國內(nèi)最高、國際領(lǐng)先，鋰離子蓄電池航天應(yīng)用比能量最高，太陽電池陣面積比功率國內(nèi)最高，是他們交出的滿意的答卷。

這是怎么做到的？研制人員自有秘笈。

適應(yīng)多器多飛行階段的多個(gè)狀態(tài)

嫦娥五號(hào)任務(wù)包括運(yùn)載發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月運(yùn)行、月面下降、月面工作、月面上升、交會(huì)對(duì)接、環(huán)月等待、月地轉(zhuǎn)移和再入回收11個(gè)階段，著陸器、上升器、軌道器、返回器在飛行狀態(tài)中有多種組合和分離方式，電源如何以最佳的狀態(tài)適應(yīng)多器多飛行階段的多個(gè)狀態(tài)，研制人員開展了變革。

電源控制器是探測器電源系統(tǒng)的大腦，為解決在嫦娥五號(hào)四器飛行過程中能源緊張、重量資源受限的問題，控制器經(jīng)歷了一次從PCU到PCDU的升級(jí)。

從PCU到PCDU，在于從單一功能向多功能的升級(jí)。在嫦娥三號(hào)、嫦娥四號(hào)任務(wù)中，電源控制器只包括功率調(diào)節(jié)模塊，嫦娥五號(hào)則集中了功率調(diào)節(jié)模塊、配電模塊、火工品控制模塊、智能接口單元等幾個(gè)功能，這是探月工程的首次應(yīng)用，嫦娥五號(hào)電源產(chǎn)品主任設(shè)計(jì)師鄭磊介紹道。

而在單機(jī)內(nèi)部，也經(jīng)歷了一次脫胎換骨的變革，研制人員在參考國外相關(guān)技術(shù)資料、權(quán)衡相關(guān)利弊后，大膽挑戰(zhàn)，國內(nèi)首創(chuàng)多個(gè)高度集成化技術(shù)，讓電源控制器比功率達(dá)到國內(nèi)最高、國際領(lǐng)先水平，實(shí)現(xiàn)了性能的跨越性的提升。

嫦娥五號(hào)電源產(chǎn)品技術(shù)負(fù)責(zé)人徐澤峰說，針對(duì)原先電路板集成密度不高的問題，我們經(jīng)過多次試驗(yàn)，摒棄了當(dāng)時(shí)國內(nèi)衛(wèi)星型號(hào)普遍采用的直插式工藝，首次采用了大規(guī)模表貼式工藝，這個(gè)首次引領(lǐng)了該技術(shù)在后續(xù)其他型號(hào)應(yīng)用的新局面；同時(shí)，在模塊間創(chuàng)新性采用信號(hào)母板、印制板載流技術(shù)和匯流條優(yōu)化等措施，實(shí)現(xiàn)了模塊電纜的高度集成，大幅度減少了體積和重量。通過和嫦娥三號(hào)產(chǎn)品的比較可以看到，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；原先布滿了密密麻麻導(dǎo)線的電路板，現(xiàn)在整齊地分布著寥寥幾條清晰的線路，產(chǎn)品密度得到了提高；而單機(jī)的模塊數(shù)量，則從原先的5個(gè)成功壓縮為2個(gè)，體積達(dá)到了嫦娥三號(hào)控制器體積的1/3。這些技術(shù)，在后續(xù)實(shí)現(xiàn)了二十多個(gè)專利的授權(quán)。

按照嫦娥五號(hào)的工作模式，在抵達(dá)月球軌道后，著陸器和上升器的組合體和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，開展月面采集樣本工作。

充分考慮到此次月面執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間及電源產(chǎn)品的工作模式后，按照總體的方法，研制人員在著陸器和上升器組合體的能源設(shè)計(jì)上做了優(yōu)化。徐澤峰說，著陸器的電源產(chǎn)品包括太陽電池陣和電源控制器，上升器的電源產(chǎn)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(dān)起了為組合體供電的責(zé)任；而當(dāng)組合體在月面階段分離后，上升器迅速轉(zhuǎn)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供應(yīng)電源。

助力四器組合的繞、落、回終極目標(biāo)

在月球探測任務(wù)中，探測器所需能源較傳統(tǒng)衛(wèi)星緊張的多。嫦娥五號(hào)為四器組合體設(shè)計(jì)，且需一次性完成繞、落、回三個(gè)目標(biāo)，所需能源更是超過了我國任何一項(xiàng)月球探測、深空探測任務(wù)。因此，提高太陽電池陣和鋰離子蓄電池組的能源供給能力，是研制人員要解決的重要問題。

為了提高太陽電池陣發(fā)電功率，我們給自己設(shè)定了目標(biāo)，在太陽電池陣的正面，確保貼片面積達(dá)到最大化，嫦娥五號(hào)太陽電池電路技術(shù)負(fù)責(zé)人陳城介紹道。

但在探月任務(wù)中太陽電池帆板面積受到嚴(yán)重的限制，同時(shí)，不同于普通衛(wèi)星，探測器本身的構(gòu)型決定了帆板的不規(guī)則形狀，嫦娥五號(hào)的太陽電池帆板有三角形和多邊形等多種形狀?；迕娣e小，且奇形怪狀，怎么辦？

一般的衛(wèi)星型號(hào)，我們?cè)O(shè)計(jì)太陽電池電路時(shí)僅采用單一尺寸的太陽電池。針對(duì)嫦娥五號(hào)，我們打破常規(guī)思路，采用多種尺寸的電池進(jìn)行混合布片，讓布片效率達(dá)到了91%以上，這比常規(guī)產(chǎn)品高了5%-10%。同時(shí)，還要選擇最高效率的太陽電池，嫦娥三號(hào)和嫦娥四號(hào)的太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率分別為28.6%和30.84%，嫦娥五號(hào)達(dá)到了31%以上。經(jīng)過不懈努力，嫦娥五號(hào)太陽電池板單位面積下的輸出功率不僅在產(chǎn)品研制時(shí)，即使在現(xiàn)在，都為國內(nèi)最高水平。

比能量是鋰離子蓄電池的一大性能指標(biāo)，數(shù)值越高，單位體積或重量可以存儲(chǔ)的能量越多。攻關(guān)伊始，國內(nèi)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(duì)嫦娥五號(hào)鋰離子蓄電池產(chǎn)品使用壽命短，放電深度高的特點(diǎn)，研制人員在仔細(xì)分析了技術(shù)指標(biāo)的可行性、查閱了大量的文獻(xiàn)資料、調(diào)研了鋰電公司的技術(shù)資料后，制定了攻關(guān)方法。我們選用了比能量更高的鈷酸鋰正極材料和石墨負(fù)極材料、選用了高分子量的粘結(jié)劑材料降低粘結(jié)劑用量、并優(yōu)化極片配方提高活性物質(zhì)的含量，嫦娥五號(hào)鋰離子蓄電池主管設(shè)計(jì)師王曉銳說道。輕描淡寫的介紹，背后是大量的工藝試驗(yàn)，新的電極材料、新的材料配比，和過去完全不同的各項(xiàng)理化參數(shù)導(dǎo)致混粉、制漿等工序的工藝發(fā)生很大變化，但研制人員一步一個(gè)腳印，踏踏實(shí)實(shí)地驗(yàn)證了每一道工序。經(jīng)過8個(gè)月的努力，他們將蓄電池的重量比能量提高至195Wh/kg。這個(gè)數(shù)值，為目前航天用鋰離子蓄電池比能量最高值。