重量比能量高至195Wh/kg 钴酸锂电池为嫦娥五号护航

电源是航天器在广袤太空中持续运行的重要支撑。在嫦娥五号任务中，中国航天科技集团八院811所承担了着陆器、上升器、轨道器、返回器4个平台中轨道器、着陆器及上升器电源产品的研制任务。电源系统由电源控制器、锂离子蓄电池组及太阳电池阵组成，为了确保以最好的性能保障此次任务，中国航天科技集团八院811所研制人员卯足了马力，“电源控制器比功率国内最高、国际领先，锂离子蓄电池航天应用比能量最高，太阳电池阵面积比功率国内最高”，是他们交出的满意的答卷。

这是怎么做到的?研制人员自有秘笈。

适应多器多飞行阶段的多个状态

嫦娥五号任务包括运载发射、地月转移、近月制动、环月运行、月面下降、月面工作、月面上升、交会对接、环月等待、月地转移和再入回收11个阶段，着陆器、上升器、轨道器、返回器在飞行状态中有多种组合和分离方式，电源如何以最佳的状态适应多器多飞行阶段的多个状态，研制人员开展了变革。

电源控制器是探测器电源系统的“大脑”，为解决在嫦娥五号四器飞行过程中能源紧张、重量资源受限的问题，控制器经历了一次从PCU到PCDU的升级。

“从PCU到PCDU，在于从单一功能向多功能的升级。在嫦娥三号、嫦娥四号任务中，电源控制器只包括功率调节模块，嫦娥五号则集中了功率调节模块、配电模块、火工品控制模块、智能接口单元等几个功能，这是探月工程的首次应用”，嫦娥五号电源产品主任设计师郑磊介绍道。

而在单机内部，也经历了一次脱胎换骨的变革，研制人员在参考国外相关技术资料、权衡相关利弊后，大胆挑战，国内首创多个高度集成化技术，让电源控制器比功率达到国内最高、国际领先水平，实现了性能的跨越性的提升。

嫦娥五号电源产品技术负责人徐泽峰说，“针对原先电路板集成密度不高的问题，我们经过多次试验，摒弃了当时国内卫星型号普遍采用的直插式工艺，首次采用了大规模表贴式工艺，这个首次引领了该技术在后续其他型号应用的新局面;同时，在模块间创新性采用信号母板、印制板载流技术和汇流条优化等措施，实现了模块电缆的高度集成，大幅度减少了体积和重量。”通过与嫦娥三号产品的对比可以看到，原先的正面直插式工艺被换成了双面贴片，电路板集成密度大大提高;原先布满了密密麻麻导线的电路板，现在整齐地分布着寥寥几条清晰的线路，产品密度得到了提高;而单机的模块数量，则从原先的5个成功压缩为2个，体积达到了嫦娥三号控制器体积的1/3。这些技术，在后续实现了二十多个专利的授权。

按照嫦娥五号的工作模式，在抵达月球轨道后，着陆器和上升器的组合体与轨道器和返回器的组合体分离，着陆器和上升器落到月球表面，开展月面采集样本工作。

充分考虑到此次月面执行任务的时间及电源产品的工作模式后，按照总体的方案，研制人员在着陆器和上升器组合体的能源设计上做了优化。徐泽峰说，“着陆器的电源产品包括太阳电池阵和电源控制器，上升器的电源产品包括太阳电池阵、电源控制器以及锂离子蓄电池。分离之前，在飞行阶段和月面阶段光照期，着陆器的太阳电池电路承担起了为组合体供电的责任;而当组合体在月面阶段分离后，上升器迅速转换角色，由太阳电池电路在光照期为自身供电。而在非光照期，着陆器和上升器共用一组锂离子蓄电池，由该蓄电池为组合体提供电源。”

关键词：聚能

助力四器组合的“绕、落、回”终极目标

在月球探测任务中，探测器所需能源较传统卫星紧张的多。嫦娥五号为四器组合体设计，且需一次性完成“绕、落、回”三个目标，所需能源更是超过了我国任何一项月球探测、深空探测任务。因此，提高太阳电池阵和锂离子蓄电池组的能源供给能力，是研制人员需要解决的重要问题。

“为了提高太阳电池阵发电功率，我们给自己设定了目标，在太阳电池阵的正面，确保贴片面积达到最大化”，嫦娥五号太阳电池电路技术负责人陈城介绍道。

但在探月任务中太阳电池帆板面积受到严重的限制，同时，不同于普通卫星，探测器本身的构型决定了帆板的不规则形状，嫦娥五号的太阳电池帆板有三角形和多边形等多种形状。基板面积小，且奇形怪状，怎么办?

“一般的卫星型号，我们设计太阳电池电路时仅采用单一尺寸的太阳电池。针对嫦娥五号，我们打破常规思路，采用多种尺寸的电池进行混合布片，让布片效率达到了91%以上，这比常规产品高了5%-10%。同时，还要选择最高效率的太阳电池，嫦娥三号和嫦娥四号的太阳电池光电转换效率分别为28.6%和30.84%，嫦娥五号达到了31%以上”。经过不懈努力，嫦娥五号太阳电池板单位面积下的输出功率不仅在产品研制时，即使在现在，都为国内最高水平。

比能量是锂离子蓄电池的一大性能指标，数值越高，单位体积或重量可以存储的能量越多。攻关伊始，国内锂离子蓄电池单体的比能量最高为155Wh/kg，国际上最高为165Wh/kg。针对嫦娥五号锂离子蓄电池产品使用寿命短，放电深度高的特点，研制人员在仔细分析了技术指标的可行性、查阅了大量的文献资料、调研了锂电企业的技术资料后，制定了攻关方案。“我们选用了比能量更高的钴酸锂正极材料和石墨负极材料、选用了高分子量的粘结剂材料降低粘结剂用量、并优化极片配方提高活性物质的含量”，嫦娥五号锂离子蓄电池主管设计师王晓锐说道。轻描淡写的介绍，背后是大量的工艺试验，新的电极材料、新的材料配比，与过去完全不同的各项理化参数导致混粉、制浆等工序的工艺发生很大变化，但研制人员一步一个脚印，踏踏实实地验证了每一道工序。经过8个月的努力，他们将蓄电池的重量比能量提高至195Wh/kg。这个数值，为目前航天用锂离子蓄电池比能量最高值。