馬力君，張 明，童喬凌，李智錚，盧嘉承，宋相毅，趙 健

(1.中電科藍天科技股份有限公司，天津 300384；2.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094；3.武漢理工大學自動化學院，湖北武漢 430070)

我國探月工程四期的總目標是在2030 年前后研制建設月球科研站基本型，為國際月球科研站選址和初步建設提供支撐[1]。

由于月球表面是真空狀態(tài)，月球科研站的各項勘察、建設、科學探測等工作離不開各類輪系、腳系及混合系統(tǒng)的車器機器人等月面可移動的運輸和操作工具的保障支持。

本文調研國外月球表面及火星表面的移動平臺電源系統(tǒng)技術，開展移動供電平臺電源系統(tǒng)方案論證，對能源系統(tǒng)的功能、工作原理和工作模式進行分析，對技術途徑進行初步探討，并針對后續(xù)工作給出建議。

1 移動供電平臺電源系統(tǒng)任務需求分析

1.1 移動平臺功能需求

移動平臺一：可移動能源補給車/器。

月面能源補給車/器的主要功能是給遠離駐留區(qū)外的移動操作車補充能量，或者應對其它突發(fā)事故進行緊急救援，其電源系統(tǒng)需求具備大容量能量貯存能力，即具有較大的能量密度[2]。

移動平臺二：可移動作業(yè)車/器/機器人。

月面移動作業(yè)車主要功能是在距離駐留一定距離外，完成巡視、勘探及其它月面科研任務。它既可以全時候、全地形連續(xù)工作，也可以在特定時間段內間歇工作。由于需求其電源系統(tǒng)能長時間提供不間斷電源，故需具備較低的能耗。

1.2 移動供電平臺電源系統(tǒng)應用場景分析

移動平臺在月球科研站的應用主要包括兩類，即可移動能源補給車/器和可移動作業(yè)車/器/機器人。

兩類移動平臺的工作任務差異導致其電源系統(tǒng)設計目標也完全不同，其中能源補給車需要提供更多能源，而移動操作車需要盡可能長時間不間斷作業(yè)。

表1 為移動供電平臺任務差異表。

表1 移動供電平臺任務差異表

能源補給車/器的任務是給移動操作車/器/機器人進行能源補給，即兩者之間需要進行能源傳輸。為了能夠滿足月球科研站任務實際場景應用需求，實現全浸式的技術場景演示，需要開展能源補給車和移動操作車之間的交互驗證。

1.3 移動供電平臺初步指標能力體系分析

可移動能源補給車/器指標能力體系：

(1) 供電補給能力：能源補給車/器的核心指標，決定是否具有移動能源補給的前提條件，采用比能量指標，單位Wh/kg。

(2) 儲能類型：能源補給車/器的能源類型，可以是光伏電源、燃料電源、蓄電池、溫差電池等，該類型可以根據貯能技術的發(fā)展而進行迭代。

(3)續(xù)航時間能力(t0)：指能源補給車/器的續(xù)航能力，以一定的速度可以連續(xù)工作的時間，續(xù)航里程=額定速度×t0，單位為h，該指標與速度、路況、載重等因素相關。

(4)作業(yè)時段能力：衡量能源補給車/器可出勤工作的時段能力，表明其可在月晝工作、月夜工作，或者不受月晝月夜都可以全時段出勤工作，無單位，分別采用tLd，tLn，tLa符號來表示。

(5)能量補給能力：指能源補給車/器所攜帶的可用于給外部補給的總電能，單位為kWh。

(6) 最快補給時間(tmin)：指能源補給車/器給補給對象儲能單元完成充電所需要的最短時間，單位為h，該指標與補給對象所攜帶儲能單元的容量、能量補給車輸出功率、線路及環(huán)境溫度等因素相關。

(7)補給方式能力：指能源補給車/器給補給對象提供可充電接口的能力，包括有線接口、近場無線接口、遠場無線接口等形式，無單位。

移動作業(yè)車/器/機器人指標能力體系：

(1) 任務支承能力：移動作業(yè)車的重要指標，決定著移動作業(yè)車/器/機器人的任務工作支承能力，采用的單位為比能量單位Wh/kg。

(2) 儲能類型：能源補給車/器的能源類型，可以是光伏電源、燃料電源、蓄電池、溫差電池等，該類型可以根據貯能技術的發(fā)展而進行迭代。

(3) 靈活移動能力：指移動作業(yè)車在各種地形、各種時間段以不同速度完成不同任務時的機動能力，無單位。

(4) 連續(xù)作業(yè)時間能力：指移動作業(yè)車可以連續(xù)完成設定任務的能力，單位為h,該指標受移動作業(yè)車所攜帶的能源、工作環(huán)境等因素影響。

(5) 可靈活接收外部供能力：指移動作業(yè)車接收可充電接口的能力，包括有線接口、近場無線接口、遠場無線接口等形式，無單位。

圖1 為移動供電平臺指標能力體系圖。

圖1 移動供電平臺指標能力體系圖

2 移動供電平臺電源系統(tǒng)方案設計

2.1 國內外技術研究進展

(1)國外研究進展

Lunokhod1 是歷史上第一輛月球探測車(圖2)，由前蘇聯研制，質量約756 kg，長約2.94 m，寬約1.96 m。車體結構分為兩部分：上部分是儀器艙，下部分是自動行走底盤。儀器艙是由鎂合金制成的密封艙，保證儀表在月面工作時不受月面環(huán)境的影響。艙內裝有無線電接收和發(fā)送設備、遙控儀器、供電系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)以及各種科學儀器的電子部分，還載有四臺全景攝像機；自動行走底盤下裝有8 組驅動輪。Lunokhod1 的主要工作模式是地面遙控操作，地面工作小組根據圖像來控制月球車。由于當時微電子技術的限制，其運動控制系統(tǒng)很簡單，只有1 和2 km/h兩個速度檔。

圖2 Lunokhod1月球探測車

Sojourner 火星探測車(圖3)由美國噴氣推進實驗室(JPL)研制[3]，于1997 年由“Mars Pathfinder”(火星探路者)號飛船攜帶，Sojourner 采用搖臂-轉向架結構，六輪獨立驅動，前后四輪轉向。每個驅動輪裝有一個驅動電機，每個角輪裝有一個轉向電機。Sojourner 質量約11.5 kg，長為630 mm，寬480 mm，車輪直徑為13 cm，其上裝有不銹鋼防滑齒。Sojourner可在各種復雜的地形中行駛，特別是軟沙地。車的前后都有獨立的轉向機構，其最大速度為0.4 m/min。探測車由一個0.2 m 的砷化鎵太陽電池供電，共有13(行)×18 個電池片，每個電池片的尺寸為2 cm×4 cm。對于火星探路者著陸器，其正午在著陸點北緯19.5°的位置，太陽電池產生的峰值功率約15 W。漫游車裝有9 個Li/SOCl2蓄電池，可提供300 Wh 的電能。

圖3 Sojourner 火星探測車

2004 年登陸火星的Spirit(勇氣號)與Opportunity(機遇號)火星探測車兩者結構相同，與Sojourner 結構類似，Spirit 六輪獨立驅動，前后四輪具有轉向功能。電機控制采用PWM 伺服控制，控制方式為速度控制。驅動電機安裝有編碼器，用于測量車輪的行駛里程；轉向電機裝有編碼器和電位計，用于測量轉向實際角度；其它傳感器的安裝也和Sojourner 類似。

2022 年3 月份，豐田曾宣布與日本宇宙航空研究機構(JAXA)聯手開發(fā)未來能夠在月球上運動的燃料電池六輪月球車。這款月球車正式定名“Lunar Cruiser”[4](圖4)。與之前被美國帶上月球的月球車不一樣，豐田Lunar Cruiser 是一款標準定義的工程車，必須具備反復使用，質量可靠等功能。Lunar Cruise 的車身長度超過6 m，內部空間約13 m2，可搭載兩名宇航員，緊急情況下可容納4 人。該車將搭載使用燃料電池和太陽電池板組成的復合能源系統(tǒng)，并采用電力驅動，續(xù)航最大可達到約16 000 km。

圖4 Lunar Cruiser 月球車

表2 為Lunar Cruiser 主要指標。

表2 Lunar Cruiser主要指標

(2)國內研究進展

2018 年“嫦娥四號”著陸于月球背面艾特肯盆地區(qū)域，實現了人類歷史上首次月背軟著陸，并釋放了“玉兔二號”月面巡視器進行巡視探測。2020 年，“嫦娥五號”實現了我國首次月球表面采樣返回，為我國后續(xù)載人航天活動進行了技術積淀。2021 年，“天問一號”探測器成功抵達環(huán)火軌道，在停泊軌道上經過了3 個月的探測，于2021 年5 月15 日進入艙與環(huán)繞器分離、著陸。2021 年5 月25 日，“祝融號”火星車從著陸平臺沿梯子駛下著陸平臺到達火星表面展開巡視探測，這標志著我國成為全球第一個在首次火星任務中圓滿完成“繞、落、巡”的國家。目前“嫦娥四號”已完成初樣產品研制，移動供電平臺采用體制是太陽陣與蓄電池組的傳統(tǒng)方案，月面最大移動供電平臺功率在1 200 W 左右，最小移動供電平臺功率在300 W 左右。

(3)發(fā)展趨勢分析

目前國內外對于移動供電平臺指標體系沒有具體的報道，但從移動平臺的任務背景需求，需要移動供電平臺具有一定范圍的移動能力、一定時段的工作能力、適應一定地形的作業(yè)能力，同時還要具有靈活的供電能力，及不受地形限制的能源補給能力。

2.2 移動供電平臺電源系統(tǒng)拓撲分析

(1)可移動能源補給車/器電源系統(tǒng)拓撲

針對月面移動能源補給的任務需要，移動能源補給車/器能源系統(tǒng)拓撲要滿足后續(xù)月面科研、探測等的移動作業(yè)單元或遠離基地的固定單元提供靈活的能源補給需求。系統(tǒng)拓撲要具有接口通用性強，使用方便、接口方便靈活、兼容性強的特點，可匹配月球、火星及其它類似的深空任務的能源補給場合需求。

移動能源補給電源系統(tǒng)包括發(fā)電單元、儲能單元、電源控制及配電管理器、無線傳能單元(可選配)及其它形式的供電接口單元構成。

(2)可移動作業(yè)車/器/機器人電源系統(tǒng)拓撲

針對月面多任務、不同場景下的可移動作業(yè)任務需要，可移動作業(yè)車/器/機器人電源系統(tǒng)拓撲技術要滿足月面科研、探測等各種任務場景下可移動作業(yè)車/器/機器人供電需求，系統(tǒng)拓撲要具有接口簡便、受電靈活、適應力強的特點。

可移動作業(yè)車/器/機器人電源系統(tǒng)包括發(fā)電單元(可選配)、儲能單元、電源控制及配電管理器、無線受能單元(可選配)及其它形式的供電接口單元構成。

2.3 移動供電平臺電源系統(tǒng)主要性能指標

2.3.1 可移動能源補給車/器

根據能源補給車的能力體系指標需求，并鑒于無以前指標可參考，初步定義能源補給車的續(xù)航時間為48 h，作業(yè)時段為tLa，比能量不小于300 W/kg，由于作業(yè)時間不受月晝月夜影響可全時段工作，能源補給車要具有供電及保熱能力，對目前典型的月面移動目標可在1 h 完成能源補給，同時要具有無線充電能力。

能源補給車/器技術要求如下：(1)供電補給能力≥48 kWh；(2)續(xù)航時間48 h；(3)作業(yè)時段tla；(4)能量補給比能量≥300 W/kg；(5)能源補給車要具有供電及保熱能力；(6)最快補給時間≤1 h；(7)最大補給功率≥1 000W；(8)補給方式能力：無線傳能能力。

2.3.2 可移動作業(yè)車/器/機器人

根據移動作業(yè)車/器/機器人的能力體系指標需求，結合當下及后續(xù)工程應用需求，初步定義移動作業(yè)車/器/機器人的貯能單元比能量不小于200 W/kg，為了提升連續(xù)作業(yè)能力和靈活移動能力，為系統(tǒng)配置無線接收能力。

作業(yè)車/器/機器人技術要求如下：(1)貯能單元比能量≥200 W/kg；(2)具備近場無線接收功能。

3 地面演示驗證樣機設計

3.1 地面驗證演示指標

3.1.1 能源補給車電源系統(tǒng)指標

受地面演示驗證場地的大小制約因素影響，同時考慮時間進度、經費等因素制約，地面演示中的能源補給車的續(xù)航時間為30 min，作業(yè)時段為tLa，作業(yè)時間不受月晝月夜影響可全時段工作，能源補給車要具有供電及保熱能力，同時要具有遠場無線充電能力。

3.1.2 移動作業(yè)車電源系統(tǒng)指標

同樣結合考慮地面演示面積的大小和時間進度制約因素影響，結合目前已有的成熟技術解決方案，為了增加連續(xù)作業(yè)能力和靈活移動能力，為移動作業(yè)車系統(tǒng)配置近場能量接收能力和遠場接收能力。

3.2 移動供電平臺電源系統(tǒng)設計

能源補給車及移動作業(yè)車電源系統(tǒng)設計采用不調節(jié)母線系統(tǒng)設計，以儲能動力蓄電池輸出作為一次母線輸出，完成對車上設備和車上的動力提供電能(圖5)。系統(tǒng)配置如表3 所示。

圖5 能源補給及移動作業(yè)車模型圖

表3 移動平臺單機配置表

3.3 主要組成模塊

能源補給車電源系統(tǒng)主要由燃料電池包、儲能包、電源控制器及遠場無線發(fā)射器等模塊組成。移動作業(yè)車電源系統(tǒng)主要由儲能包、近場無線接收器及遠場無線接收器等模塊組成。移動供電平臺系統(tǒng)組成框圖見圖6 所示。

圖6 移動平臺電源系統(tǒng)組成框圖

3.4 能源補給車電源系統(tǒng)設計

能源補給車電源系統(tǒng)負責對移動動力部分的供電，同時完成對移動作業(yè)車的能量補充功能。

3.4.1 燃料電池包模塊

燃料電池模塊是能源補給車的主能源，能源補給車的能源主要由燃料電池包模塊負責(圖7)。其主要技術指標如下：(1)類型為PEM 燃料電池；(2)燃料為H2-O2；(3)額定功率為1 000 W；(4)工作時間為1 h。

圖7 燃料電池結構圖

3.4.2 儲能包模塊

儲能包模塊是能源補給車的輔助能源，負責提供瞬時峰值功率，并為燃料電池的初始啟動提供能源。其主要技術指標如下：(1)容量≥50 Ah；(2)電池組電壓為40～60 V；(3)能量≥1.5 kWh；(4)電池充放電倍率≥1C，并能夠進行5C大倍率脈沖放電。

3.4.3 電源控制器模塊

電源控制器模塊完成燃料電池和鋰離子電池組的功率調節(jié)分配，生成一次調節(jié)母線，完成整個電源系統(tǒng)內部參數遙測和對外遙控指令的執(zhí)行功能。其主要技術指標如下：(1)母線輸出電壓：40～60 V；(2)功率不低于1 kW；(3)可調整的能源類型：燃料電池和蓄電池。

3.4.4 遠場無線發(fā)射器

遠場無線接收器模塊負責將遠方傳遞的能量變換并存貯到移動作業(yè)車的儲能包中，以滿足本地后續(xù)用電需求。

3.5 移動作業(yè)車電源系統(tǒng)設計

移動作業(yè)車電源系統(tǒng)負責對移動裝置提供動力，同時滿足移動作業(yè)車其它負載的用電需求。

3.5.1 近場無線接收器模塊

近場無線接收器模塊負載接入外部的駐留區(qū)或其它能源補給，并將接入的能源高效變換并存貯到移動作業(yè)車的儲能包中，以滿足本地后續(xù)用電需求。其主要技術指標如下：(1)接收功率不低于1 kW；(2)距離不小于10 cm；(3)接收端輸出電壓為48～60 V。

3.5.2 儲能包模塊

儲能包模塊是能源補給車的輔助能源，負責提供瞬時峰值功率，并為燃料電池的初始啟動提供能源。其主要技術指標如下：(1)容量≥50 Ah；(2)電池組電壓為40～60 V；(3)電池充放電倍率≥1C，并能夠進行5C大倍率脈沖放電。

3.5.3 遠場無線接收器模塊

遠場無線接收器模塊負責將遠方傳遞的能量變換并存貯到移動作業(yè)車的儲能包中，以滿足本地后續(xù)用電需求。

4 地面演示驗證

通過對行星、衛(wèi)星探測器用兩類移動供電平臺樣車研制，通過能源補給車[圖8(a)]與移動作業(yè)車[圖8(b)]多場景、交互式、多工況的能源交互演示驗證，為后續(xù)月面真實環(huán)境的應用提供前期驗證及在軌策略方案預訂提供依據。

圖8 能源補給車和移動作業(yè)車產品照片

5 結論

通過對行星、衛(wèi)星探測器用的兩類應用場景需求進行了梳理，針對兩大類型的移動供電平臺不同任務特點、工作模塊、供電特點進行了較全面分析，并首次提出兩大類移動供電平臺的指標體系，通過研制兩大類的典型樣機，并經過多場景、全工況、交互浸入式的全實物物理演示驗證，為后續(xù)對行星、衛(wèi)星探測器用工程應用打下了堅實的基礎。