行星、衛星探測器用移動供電平臺電源系統技術研究

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，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技術，開展移動供電平臺電源系統方案論證，對能源系統的功能、工作原理和工作模式進行分析，對技術途徑進行初步探討，并針對后續工作給出建議。

1 移動供電平臺電源系統任務需求分析

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外的移動操作車補充能量，或者應對其它突發事故進行緊急救援，其電源系統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：可移動作業車/器/機器人。

月面移動作業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。

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展而進行迭代。

(3)續航時間能力(t0)：指能源補給車/器的續航能力，以一定的速度可以連續工作的時間，續航里程=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。

移動作業車/器/機器人指標能力體系：

(1) 任務支承能力：移動作業車的重要指標，決定著移動作業車/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展而進行迭代。

(3) 靈活移動能力：指移動作業車在各種地形、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) 連續作業時間能力：指移動作業車可以連續完成設定任務的能力，單位為h,該指標受移動作業車所攜帶的能源、工作環境等因素影響。

(5) 可靈活接收外部供能力：指移動作業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境的影響。艙內裝有無線電接收和發送設備、遙控儀器、供電系統、溫度控制系統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，并采用電力驅動，續航最大可達到約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拓撲分析

(1)可移動能源補給車/器電源系統拓撲

針對月面移動能源補給的任務需要，移動能源補給車/器能源系統拓撲要滿足后續月面科研、探測等的移動作業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包括發電單元、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)可移動作業車/器/機器人電源系統拓撲

針對月面多任務、不同場景下的可移動作業任務需要，可移動作業車/器/機器人電源系統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車/器/機器人供電需求，系統拓撲要具有接口簡便、受電靈活、適應力強的特點。

可移動作業車/器/機器人電源系統包括發電單元(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航時間為48 h，作業時段為tLa，比能量不小于300 W/kg，由于作業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)續航時間48 h；(3)作業時段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 可移動作業車/器/機器人

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

作業車/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航時間為30 min，作業時段為tLa，作業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 移動作業車電源系統指標

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，為了增加連續作業能力和靈活移動能力，為移動作業車系統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設計

能源補給車及移動作業車電源系統設計采用不調節母線系統設計，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)。系統配置如表3 所示。

圖5 能源補給及移動作業車模型圖

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主要由燃料電池包、儲能包、電源控制器及遠場無線發射器等模塊組成。移動作業車電源系統主要由儲能包、近場無線接收器及遠場無線接收器等模塊組成。移動供電平臺系統組成框圖見圖6 所示。

圖6 移動平臺電源系統組成框圖

3.4 能源補給車電源系統設計

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

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分配，生成一次調節母線，完成整個電源系統內部參數遙測和對外遙控指令的執行功能。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車的儲能包中，以滿足本地后續用電需求。

3.5 移動作業車電源系統設計

移動作業車電源系統負責對移動裝置提供動力，同時滿足移動作業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車的儲能包中，以滿足本地后續用電需求。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車的儲能包中，以滿足本地后續用電需求。

4 地面演示驗證

通過對行星、衛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，為后續月面真實環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車產品照片

5 結論

通過對行星、衛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，為后續對行星、衛星探測器用工程應用打下了堅實的基礎。