我國航天器電源系統先后經歷了鎘鎳電池時代、氫鎳電池時代。神舟七號伴隨衛星曾開創載人航天首次使用鋰電的歷史。

我國第一艘貨運飛船天舟一號則首次使用低軌高壓大容量鋰電。這標志著我國空間電源走向鋰電時代。

載人航天的鋰電時代

“天舟一號首次使用低軌高壓鋰電，并達到了2700瓦功率，開啟了載人航天空間電源的鋰電時代。”天舟一號貨運飛船系統副總設計師陳啟忠介紹。

天舟一號電源分系統采用3機組鋰離子蓄電池組，每組由22個單體串聯組成，共使用單體66個。

該系統從天舟一號待發段轉內電開始工作，在飛船進入陰影區時負責提供整船所需的全部電能。在光照區，電源分系統迅速儲存電能，并通過電池放電來補充負載的峰值功耗。

鋰電的安全性向來是專家討論和關注的熱點。據天舟一號電源分系統主任設計師王娜介紹，圍繞鋰電池自身的可靠性和安全性，航天科技集團八院811所做了大量試驗和驗證工作，包括不同溫度的特性試驗、壽命試驗和充電策略的驗證等。

為了確保飛船的用電可靠性和安全性，設計人員刻苦攻關，創新性地提出了多個解決方案。最終，系統能夠保證每個機組在電池單體短路或開路失效的情況下，不影響其供電能力和充放電循環壽命。

“除此之外，我們還針對鋰電池做了專門的發射場適應性驗證工作，為的就是確保萬無一失。”811所天舟一號鋰電主管設計師白羽說。

最強電源控制大腦

“由于天舟一號電源分系統采用全新的鋰離子電池，其充電方式和控制策略相對以往的氫鎳電池均發生了根本性變化，同時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品正是為了適應全新的技術狀態而研制的。”天舟一號充電控制器主管設計師朱超說。

為了增加電源充電控制的可靠性，811所的設計人員采用主備份軟件限壓充電控制為主、硬件電壓控制為輔的雙冗余設計。簡單說，就是66個電池單體都要參與到充電控制中。

要管理好66個單體的充電控制，同時還要兼顧每個單體過溫保護、過壓保護、故障隔離以及均衡控制，難度不小。“為確保電池單體參與充電控制的可靠性，我們設計的故障診斷能自動隔離有故障的電池單體，同時我們為每個單體都設置了注入指令，如果某單體出現故障，也可發送對應指令使該單體不參與控制，66個單體相當于有了66道防護墻。”朱超說。

天舟一號充電控制器的復雜性不僅僅體現在對電池單體的管理上，更體現在工作模式上。它既要滿足各機組在獨立工作模式下正常工作，又要滿足各機組重構交叉工作模式正常工作。僅充電控制器一臺單機的軟件行數達近3萬，體積重量都不小，大家都形象地稱它為“胖子”單機。龐大的電池單體數量和多條充電曲線條件下各機組間工作的交叉重疊，天舟一號的充電控制器可謂是最強電源控制大腦。