民用飛機蓄電池選用權衡研究

劉虔

【摘 要】蓄電池是民用飛機電源系統的獨立應急備份電源。目前，常用的蓄電池產品主要有鎳鎘蓄電池、鉛酸蓄電池以及鋰電池等。本文針對民機常用的蓄電池做權衡研究，為民機設計時蓄電池的選用提供依據。

【關鍵詞】民用飛機；鎳鉻蓄電池；鋰電池

中圖分類號： TM912 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）19-0208-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.19.094

Study on the selection of battery for civil aircraft

LIU Qian

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute， Electrical Integration Department， Shanghai 201210， China）

【Abstract】battery is an independent emergency backup power supply for civil aircraft power system. At present， most commonly used battery products include nickel cadmium batteries， lead-acid batteries and lithium batteries. This paper deals with the balance of batteries commonly used by civil aircraft， and provides a basis for selection of batteries for civil aircraft design.

【Key words】Civil aircraft；Nickel-cadmium battery；Lead-acid battery

0 引言

目前，在民用飛機上，蓄電池作為系統獨立的應急備份電源，當飛機電源系統失去主供電能源時，保證重要儀表和關鍵系統能夠正常運行。另外，飛機蓄電池還可用于地面起動輔助發電機。在大多數飛機上，主要有兩類蓄電池，用于系統供電的主蓄電池和APU蓄電池，和飛控系統專用的飛控蓄電池。

民用飛機上可選用的蓄電池產品有鎳鎘蓄電池、鉛酸蓄電池和鋰電池。其中鎳鎘蓄電池技術成熟，可靠性和安全性較高，作為主蓄電池應用于目前的絕大多數民用飛機上。而鉛酸蓄電池由于能量密度較低應用較少，在部分機型中，鉛酸蓄電池作為飛控蓄電池為飛控系統供電。近年來，鋰電池技術發展迅速，已被應用于很多工業領域。由于鋰電池不含重金屬，對環境污染小，能量密度大等優勢，也引氣民用航空領域的關注，并已作為主蓄電池應用于最新的B787和A350上。

1 鋰電池和鎳鎘蓄電池權衡分析

蓄電池系統通常由蓄電池、蓄電池控制器、相關接觸器、保險絲等部分構成。其中蓄電池和蓄電池接觸器是系統的核心部件，蓄電池控制器會根據電源系統構型，判斷蓄電池的工作狀態。蓄電池控制器通過測量和控制蓄電池的輸出電壓、充放電電流和蓄電池溫度實現對蓄電池的控制和保護。另外，蓄電池控制器還會將測量的相關數值傳遞給機上其他系統，用于系統顯示。

通常，飛機對蓄電池系統有如下的要求：

（1）為了操作和維護方便，蓄電池電路中，需設置相應的接觸器和控制開關；

（2）蓄電池控制器，需要監測和控制蓄電池的充電電流，以保證蓄電池的快速充電的同時不損壞蓄電池內電源模塊；

（3）蓄電池的安裝設計應該考慮給維護人員足夠的維護空間，方便快速拆卸和安裝；

（4）由于蓄電池工作時會因為化學反應產生氣體：鎳鉻電池在工作時會分解水產生氫氣和氧氣，鋰電池工作時也會因為發熱導致蓄電池內氣體膨脹。因此，需要對蓄電池設計相應的通風管道，以便氣體能夠排出，消除安全隱患。

（5）蓄電池系統需要滿足CCAR-25 1353適航條款的各項要求。

現階段，民用飛機上常用的主蓄電池/APU蓄電池多為鎳鎘蓄和鋰電池電池。兩者的功率密度、充放電特性等各個方面有較大區別，本文將對此進行分析，為民機設計時蓄電池的選用提供依據。

1.1 能量密度

本節中選擇了四種有代表性的電池作比較：Saft公司的ULM505CH鎳鎘蓄電池和日本GS Yuassa公司的3種鋰離子電池，對比結果詳見表1。

由表1可見，鋰鈷、鋰錳離子、鋰磷酸鐵電池的重量能量密度是鎳鎘蓄電池的2倍，鋰鈷電池的體積能量密度是鎳鎘蓄電池的1.5倍，可以看出，鋰電池在能量密度上要遠大于鎳鉻電池。

1.2 充/放電特性

表2是鎳鉻電池和鋰電池充放電特性的對比，可以看出。鎳鉻電池的化學性能較為穩定，鋰電池則有較高的充放電效率。由表2可見，鋰離子電池自放電在每月在10%以下，優于鎳鉻電池。鋰電池工作溫度范圍寬為-20℃～60℃，盡管比鎳鉻電池稍差，但是也能滿足民用航空的基本要求。鋰電池可快速充放電，一般情況下，1個單位時間可以充到額定容量的80%以上。

需要注意的是，鋰電池由于化學性能比較活躍，放電曲線會在多次充放電之后發生改變。另外，鋰電池盡管不存在記憶特性，但是過度充放電會對鋰電池造成不可逆的永久損傷。因此，鋰電池對配套的電池控制器要求也會更高。

1.3 維護性和使用壽命對比

1.3.1 維護性

根據民用飛機的使用經驗，一般地，每隔2500個飛行小時需要對鎳鉻電池進行一次例行檢查和返修，返修工作需要將鎳鉻電池內的蓄電池單元進行維護，通過充放電循環以保證蓄電池單元的電壓；同時需要對蓄電池單元內的電解液進行補充。

在B777飛機上，使用了一種免維護密封型鎳鎘蓄電池。與傳統的鎳鎘蓄電池相比，免維護密封型鎳鎘蓄電池在蓄電池生命周期內不需要進行維護，但是，免維護密封型鎳鎘蓄電池的性能和壽命較傳統鎳鉻電池會稍有下降。

鋰離子電池是免維護的。除了飛機使用中例行的容量檢查之外，一般不需要單獨為鋰電池維護制定維護計劃；而且，鋰電池相較鎳鎘蓄電池有著更低額放電率，因此可以儲存更長的時間。目前，市場上僅有A350和B787飛機使用鋰電池，多數航空公司在維護數據和維護經驗上均有欠缺，因此實際運營中可能存在保養不當等問題。

1.3.2 使用壽命

鎳鎘蓄電池的設計、制造和保養技術均比較成熟。一般的，按照規定的定期檢查計劃進行保養的鎳鉻電池壽命約為6-8年。

由于鋰離子的使用機型較新，尚未有較詳實的經驗數據。一般的，鋰電池容量會隨著電池使用而下降，實際使用中，鋰電池深度放電會導致鋰電池使用壽命大大降低，在實際使用中需要盡量避免。。

1.4 安全性、經濟性分析和適用標準對比

1.4.1 安全性

現有的大量機型中，對于鎳鎘蓄電池的設計、制造、取證和使用經驗比較豐富。通過蓄電池充電器、溫度監控等措施，可以充分的滿足CCAR-25 1353適航條款的各項要求。

由于鋰電池的充電放電率較鎳鉻電池更高，產生的熱量也更多。因此，需要更加可靠的蓄電池充電器以實現對鋰電池工作狀態更精確的控制。按照設計經驗，鋰電池充電器需要控制的電壓精度需小于1%，這將為蓄電池系統的設計和適航審定工作提出更高要求，也具有更大的工程風險。另外，由于鋰離子化學性能活潑，電池的電解液具有可燃性。這也為鋰電池系統的安裝提出更高的要求。現在已知的實際航空工程應用中，需要注意的安全性問題有：

1.4.2 經濟性

由于鋰電池正極材料為LiCoO2，其中含有的鈷元素價格較高。另外，現有工藝上對鋰電池電解質的提存比較困難。導致在目前市場上，鋰電池的價格大概是鎳鎘蓄電池的三倍。考慮到在全生命周期內，鋰電池的維護特性會由于鎳鉻電池，而且鋰電池的重量更輕，會節省飛機運營成本。鋰電池的經濟性總體上優于鎳鎘電池。

1.4.3 標準規范方面的考慮

現階段，鋰電池和鎳鉻電池均有對應的技術條款：TSO-C179和TSO-C173。另外鋰離子電池還有專用的適航條款：No.25-380-SC和No.25-359-SC。而蓄電池控制器則沒有適用的技術條款。

2 總結

本文針對民用飛機常用的鎳鎘蓄電池和鋰電池的選用做權衡研究，從功率密度及能量密度、充/放電特性、維護性和使用壽命以及安全性、經濟性分析和適用標準四個方面作了全面比較，為民機研制時的蓄電池選擇提供依據。

【參考文獻】

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