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      重磅!鈷酸鋰電池,這次真的上天了!

      發(fā)布時(shí)間:2020-11-26   發(fā)布人:山東埃爾派粉體科技有限公司

        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(wù)中,中國航天科技集團八院811所承擔了著(zhù)陸器、上升器、軌道器、返回器4個(gè)平臺中軌道器、著(zhù)陸器及上升器電源產(chǎn)品的研制任務(wù)。電源系統由電源控制器、鋰離子蓄電池組及太陽(yáng)電池陣組成,為了確保以最好的性能保障此次任務(wù),中國航天科技集團八院811所研制人員卯足了馬力,“電源控制器比功率國內最高、國際領(lǐng)先,鋰離子蓄電池航天應用比能量最高,太陽(yáng)電池陣面積比功率國內最高”,是他們交出的滿(mǎn)意的答卷。

        這是怎么做到的?研制人員自有秘笈。

        適應多器多飛行階段的多個(gè)狀態(tài)

        嫦娥五號任務(wù)包括運載發(fā)射、地月轉移、近月制動(dòng)、環(huán)月運行、月面下降、月面工作、月面上升、交會(huì )對接、環(huán)月等待、月地轉移和再入回收11個(gè)階段,著(zhù)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)適應多器多飛行階段的多個(gè)狀態(tài),研制人員開(kāi)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(guò)程中能源緊張、重量資源受限的問(wèn)題,控制器經(jīng)歷了一次從PCU到PCDU的升級。

        “從PCU到PCDU,在于從單一功能向多功能的升級。在嫦娥三號、嫦娥四號任務(wù)中,電源控制器只包括功率調節模塊,嫦娥五號則集中了功率調節模塊、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用”,嫦娥五號電源產(chǎn)品主任設計師鄭磊介紹道。

        而在單機內部,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、權衡相關(guān)利弊后,大膽挑戰,國內首創(chuàng )多個(gè)高度集成化技術(shù),讓電源控制器比功率達到國內最高、國際領(lǐng)先水平,實(shí)現了性能的跨越性的提升。

        嫦娥五號電源產(chǎn)品技術(shù)負責人徐澤峰說(shuō),“針對原先電路板集成密度不高的問(wèn)題,我們經(jīng)過(guò)多次試驗,摒棄了當時(shí)國內衛星型號普遍采用的直插式工藝,首次采用了大規模表貼式工藝,這個(gè)首次引領(lǐng)了該技術(shù)在后續其他型號應用的新局面;同時(shí),在模塊間創(chuàng )新性采用信號母板、印制板載流技術(shù)和匯流條優(yōu)化等措施,實(shí)現了模塊電纜的高度集成,大幅度減少了體積和重量。”通過(guò)與嫦娥三號產(chǎn)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;原先布滿(mǎn)了密密麻麻導線(xiàn)的電路板,現在整齊地分布著(zhù)寥寥幾條清晰的線(xiàn)路,產(chǎn)品密度得到了提高;而單機的模塊數量,則從原先的5個(gè)成功壓縮為2個(gè),體積達到了嫦娥三號控制器體積的1/3。這些技術(shù),在后續實(shí)現了二十多個(gè)專(zhuān)利的授權。

        按照嫦娥五號的工作模式,在抵達月球軌道后,著(zhù)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(zhù)陸器和上升器落到月球表面,開(kāi)展月面采集樣本工作。

        充分考慮到此次月面執行任務(wù)的時(shí)間及電源產(chǎn)品的工作模式后,按照總體的方案,研制人員在著(zhù)陸器和上升器組合體的能源設計上做了優(yōu)化。徐澤峰說(shuō),“著(zhù)陸器的電源產(chǎn)品包括太陽(yáng)電池陣和電源控制器,上升器的電源產(chǎn)品包括太陽(yáng)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(zhù)陸器的太陽(yáng)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后,上升器迅速轉換角色,由太陽(yáng)電池電路在光照期為自身供電。而在非光照期,著(zhù)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(wù)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(gè)目標,所需能源更是超過(guò)了我國任何一項月球探測、深空探測任務(wù)。因此,提高太陽(yáng)電池陣和鋰離子蓄電池組的能源供給能力,是研制人員需要解決的重要問(wèn)題。

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

        但在探月任務(wù)中太陽(yáng)電池帆板面積受到嚴重的限制,同時(shí),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(yáng)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?

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

        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(guān)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(chǎn)品使用壽命短,放電深度高的特點(diǎn),研制人員在仔細分析了技術(shù)指標的可行性、查閱了大量的文獻資料、調研了鋰電企業(yè)的技術(shù)資料后,制定了攻關(guān)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、并優(yōu)化極片配方提高活性物質(zhì)的含量”,嫦娥五號鋰離子蓄電池主管設計師王曉銳說(shuō)道。輕描淡寫(xiě)的介紹,背后是大量的工藝試驗,新的電極材料、新的材料配比,與過(guò)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(fā)生很大變化,但研制人員一步一個(gè)腳印,踏踏實(shí)實(shí)地驗證了每一道工序。經(jīng)過(guò)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)數值,為目前航天用鋰離子蓄電池比能量最高值。

        埃爾派位于山東省濰坊市安丘市先進(jìn)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)園,擁有逾50000平方米的機械生產(chǎn)基地和現代化的管理制度,自成立以來(lái),牢記“以粉體技術(shù)開(kāi)創(chuàng )先進(jìn)材料的未來(lái)”的使命,秉承“合規篤信,和合共生”的價(jià)值觀(guān),制定了“不求所有,但求所用”的人才戰略,與多所高等院校合作簽署“產(chǎn)學(xué)研”發(fā)展計劃。

        由埃爾派自主研制的粉碎機、分級機,以及顆粒整形、包覆、修飾等關(guān)鍵技術(shù)的突破,打破了國外技術(shù)壁壘,填補了國內行業(yè)空白,大大推進(jìn)了醫藥、食品、化工、礦物、新材料、固廢處理等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級。先后榮獲科技部“科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng )新基金”、“山東省首批瞪羚企業(yè)”、“山東省隱形冠軍企業(yè)”、“高新技術(shù)企業(yè)”、“中國專(zhuān)利山東明星企業(yè)”等榮譽(yù)稱(chēng)號。

        從問(wèn)題咨詢(xún)到方案設計,埃爾派為客戶(hù)提供最專(zhuān)業(yè)的解答和最全面的解決辦法,并協(xié)助客戶(hù)擬定施工方案,為客戶(hù)提供最專(zhuān)業(yè)的“保姆級”私人訂制服務(wù)。埃爾派已服務(wù)超過(guò)3000家海內外客戶(hù),銷(xiāo)路遍布亞、非、歐、美與大洋洲的100多個(gè)國家和地區,歸納統計了上萬(wàn)種物料的超微粉碎分級解決方案,贏(yíng)得了客戶(hù)們的廣泛贊譽(yù)。

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