運輸類飛機非充電式鋰電池系統安裝專用條件研究

吳浩文

摘 要：從運輸類飛機適航的視角來看，非充電式鋰電池系統的安裝被視為一種新穎獨特設計特征，目前還不具備充分針對性的適航規章要求。本文研究了非充電式鋰電池在運輸類飛機上的應用和存在的安全性風險，研究和解讀了FAA對此項設計特征制定的專用條件，以期在國內民機適航工作中參考借鑒。

關鍵詞：運輸類飛機 適航 非充電式 鋰電池 專用條件

中圖分類號：U468 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（b）-0023-02

1 非充電式鋰電池引發的事件

2013年7月12日，倫敦希思羅機場塔臺的工作人員從一架停放在機場的波音787客機上發現有煙霧冒出，機場消防接到通知后隨即趕到現場，并向飛機噴灑水和泡沫。消防員在登機后發現客艙后部煙霧濃烈，并在客艙頂部內飾板上發現有著火跡象。消防員首先試圖采用了Halon滅火器滅火，但無法奏效，隨后改用水才熄滅明火。事件發生后，英國航空事故調查局AAIB迅速介入調查，初步技術調查表明，客機后機身位置遭受高熱量損傷，而損傷部位是飛機應急定位發射機ELT和相關系統導線的安裝位置，除此以外沒有其他設備。事件發生時飛機處于斷電狀態。各種線索都將事件原因指向了ELT設備內部安裝的鋰電池。波音787飛機配置了Honeywell公司的ELT，為了滿足適航規章要求對應急情況下必須具備獨立于飛機供電系統的電源，因此在ELT內安裝了鋰電池。深入調查發現，ELT的鋰電池有破損痕跡，無論是鋰電池破損后的泄露還是外部電路短路，都可能造成鋰電池的過熱狀態，并引發自燃和火災。因此這是一起典型的由非充電式鋰電池引起的航空器地面事故。

2 非充電式鋰電池在運輸類飛機上的應用和安全性風險

波音787飛機應急定位發射機ELT內采用的是一種非充電式鋰電池，全稱鋰-二氧化錳電池（Lithium-manganese dioxide，Li-MnO2）。這是一種較新型的鋰金屬電池，特殊工藝的二氧化錳為正極，高電位、高比能量的金屬鋰為負極活性物質，電解液采用導電性能良好的有機電解質溶液。這類電池具有重量輕、能量密度高、放電曲線穩定、綠色環保等優點，但不允許充電。優異的性能使非充電式鋰電池在運輸類飛機的機載系統中得到廣泛應用，目前的應用范圍涉及以下幾類。

駕駛艙和航空電子系統，如顯示器、全球定位系統、駕駛艙語音記錄器、飛行參數記錄器、水下定位信標、導航計算機、集成式航電計算機、衛星網絡和通信系統、通信管理單元、遠程監控電子現場可更換單元等。

客艙安全、娛樂和通信設備，包括應急定位發射機、救生筏、逃生滑梯、安全帶安全氣囊、客艙管理系統、以太網交換機、多媒體服務器、機上無線網絡系統、機載娛樂系統、衛星電視、遙控器、和手持式裝置等。

貨艙區域的系統，包括貨艙門控制、傳感器、視頻監控設備、和安保系統等。

然而，此類鋰電池由于儲存了很大的能量，且含有鋰金屬物質和可燃性電解液，因此也存在很高的可燃性，有引起火災和爆炸的風險。目前，根據鋰電池在運輸類飛機上的安裝和設計特征，識別出潛在的危害和失效模式，主要包括內部失效、快速或不平衡放電、易燃性。

內部失效：一般來說，相比于鎳鎘或鉛酸蓄電池，鋰電池更容易受到內部失效的影響，譬如電路短路等。內部失效造成的鋰電池過熱會引發“熱失控”現象，也就是鋰電池放熱致使電池自身內部的溫度和壓力快速上升。由于金屬鋰可以被點燃，從而可能引起鋰電池自燃甚至爆炸。

快速或不平衡放電：多電池組中一塊電池的快速放電或不平衡放電導致的電池過熱狀態，如果產生了足夠熱量，會使得相鄰電池也進入熱失控狀態，容易形成不可控的通風環境，進而導致整個電池組過熱或爆炸。

易燃性：與鎳鎘和鉛酸蓄電池不同，鋰電池的電化學系統具有更高的能量和電流，從而能夠最大限度地配置金屬鋰中存儲的電量。同時，鋰電池中還使用了極度易燃的液體電解質。如果電池外殼遭到破壞，可燃性電解液和鋰金屬將成為火源引起火災。

3 非充電式鋰電池的專用條件

當前，通用的電池安裝適航要求落實在運輸類飛機適航規章§25.1353（b）（1）-（4）款中，相對于鋰電池的技術特點，該條款的制定年代較早，因此從適航標準的角度，非充電式鋰電池被視為是一項新穎獨特的設計特征。美國聯邦航空局FAA認為，有必要通過制定專用條件來建立與現有適航標準等效的安全水平，并在后續規章制定中進行針對性的修訂。2016年4月22日，FAA編制了第一份正式的專用條件“Special Conditions No.25-612-SC，Gulfstream Aerospace Corporation， Gulfstream GVI Airplane； Non-Rechargeable Lithium Battery Installations”，適用對象為灣流GVI飛機。經過一年征求意見，專用條件于2017年4月22日正式生效。隨后FAA還對波音737-8系列、波音747-8系列、波音787-9系列、空客A350系列、空客A380-800系列、灣流G280、Embraer ERJ 170-200 LR、Embraer ERJ 190-300等具有非充電式鋰電池安裝設計特征的機型制定了同等要求的專用條件。

專用條件中定義的非充電式鋰電池系統不僅包括電池本身，還包括電池的保護電路、監控電路、告警電路，其他的電池內部或外部硬件，以及可能需要的通風設施和封裝設備。考慮到鋰電池的組合模式和封裝形式、所包含的化學成分，較高的能量密度、引入的新失效模式，FAA認為非充電式鋰電池系統需要特殊的設計考慮，如過熱、防火等問題，因此將專用條件的具體要求編寫為以下8條。

專用條件替代修正案25-123中§25.1353（b）（1）-（4），要求每個非充電式鋰電池系統的安裝必須：（1）在所有可預期的飛機運行環境下，使電池保持安全的溫度和壓力，以防止電池著火和爆炸。（2）防止發生自發激勵的、不可控制的溫度或壓力升高的情況。（3）正常工作時，或發生故障時，從任何電池逸出的易爆或有毒氣體，在飛機內的積聚量不得達到危險程度。（4）滿足運輸類飛機適航規章§25.863的要求。（5）可能溢出的腐蝕性液體或氣體，均不得損傷周圍結構或鄰近的系統、設備或電線，從而不會導致失效等級為較大（Major）或更嚴重的失效狀態。（6）有措施防止電池或某個單體電池故障時所發出的最大熱量危及飛機結構或系統。（7）具有失效敏感和警告系統，當電池故障影響飛機繼續安全運行時向飛行機組發出警告。（8）如果電池功能是飛機安全運行所需的功能，飛行機組和維修人員應具有能夠判定電池剩余電量的措施。endprint

專用條件1要求，非充電式鋰電池中的每個單獨電池應設計成，能夠保持安全的溫度和壓力。專用條件2提出了同樣的要求，但針對的是整個電池系統。專用條件2要求電池系統的設計應能防止電池發熱的擴散，如自發激勵的、不可控制的溫度或壓力升高的情況，不應從單體電池向鄰近電池擴散。

專用條件1和2旨在確保非充電式鋰電池系統及其中單體電池的設計能夠消除潛在的不可控失效。當然，設計中無法杜絕或控制所有的危險因素，必定會產生一定數量的故障，那么后續幾條專用條件的目標就是在這些失效狀態發生時保護飛機和乘員的安全。

專用條件3、7和8的要求不言自明，無需進一步解讀。

專用條件4明確指出，§25.863條款的可燃液體防火要求適用于非充電式鋰電池系統的安裝。§25.863條款適用于可能暴露在可燃液體滲漏影響下的飛機區域。非充電式鋰電池包含的電解質即屬于該條款涉及到的可燃液體。

專用條件5要求非充電式鋰電池系統溢出的腐蝕性液體或氣體均不得損傷周圍結構或鄰近的系統、設備或電線。專用條件6要求每個非充電式鋰電池系統的安裝必須具有措施防止電池或某個單體電池故障時發出的最大熱量危及飛機結構或系統。表明符合以上兩條專用條件要求的方法可以是相同的，但這兩條是針對不同危害的、相互獨立的要求，專用條件5針對腐蝕性液體和氣體，而專用條件6針對熱量。

此外，修正案25-123仍然適用于除非充電式鋰電池系統外的其它種類電池系統的安裝。

4 結語

非充電式鋰電池在運輸類飛機上的應用前景廣闊，在可預期的未來，中國自主研發的大飛機上也將采用非充電式鋰電池設計特征。適航當局和工業界都已關注到其發展趨勢和可能面臨的安全性風險，也意識到目前針對性適航要求的缺失和不完備。因此，研究和解讀FAA制定的專用條件在當前境況下尤為必要，可以在借鑒和參考國外局方成熟適航經驗的基礎上，推動國內運輸類飛機適航工作的發展。

參考文獻

[1] The United Kingdom AAIB，Air Accident Investigations Branch Bulletin S5/2013[Z].2013.

[2] FAA Special Conditions No. 25-612-SC，Gulfstream Aerospace Corporation， Gulfstream GVI Airplane： Non-Rechargeable Lithium Battery Installations[Z].2016.

[3] FAA，Amendment FAR 25-123[Z].2008

[4] 中國民用航空局，運輸類飛機適航標準CCAR-25-R4[S].2016.endprint