運(yùn)輸類飛機(jī)鋰離子電池系統(tǒng)專用條件分析

于 燕 王 偉 張 明

（1.中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200126；

2.中國民航大學(xué)適航學(xué)院，天津 300300；3.中國民航大學(xué)中歐學(xué)院，天津 300300）

0 引言

相比于飛機(jī)上傳統(tǒng)使用的鎳鎘蓄電池，鋰電池具有能量密度高、工作電壓高、自放電率低、循環(huán)壽命長、充放電效率高[1]等優(yōu)點(diǎn)，民機(jī)制造商逐步將鋰電池應(yīng)用于飛行面板和航空電子系統(tǒng)，如顯示器、全球定位系統(tǒng)；客艙安全、娛樂和通信設(shè)備以及貨物區(qū)域系統(tǒng)。波音公司首次在波音787 飛機(jī)上將鋰離子電池用作主電池以及輔助動(dòng)力電池， 為此FAA 美國聯(lián)邦航空管理局在2007年制定了適航審查專用條件25-359-SC[2]，并列入其審定基礎(chǔ)，此后，隨著更多的新設(shè)計(jì)的飛機(jī)使用鋰電池作為動(dòng)力電池，F(xiàn)AA 也針對(duì)不同機(jī)型頒布了不同的專用條件，如2018年3月16日針對(duì)本田飛機(jī)公司HA-420 飛機(jī)頒布了專用條件No.23-287-SC；2019年7月22日針對(duì)龐巴迪DHC-8 系列飛機(jī)頒布專用條件等No. 25-19-09-SC 等。 本文將介紹FAA 于2020年10月23日最新頒布的針對(duì)達(dá)索公司的改裝后的獵鷹900 飛機(jī)鋰電池的審查專用條件。

1 獵鷹900 飛機(jī)及其鋰離子電池系統(tǒng)概述

獵鷹900 飛機(jī)是法國達(dá)索公司研制的噴氣式遠(yuǎn)程公務(wù)機(jī)，配備有3 臺(tái)霍尼韋爾TFE731-60 發(fā)動(dòng)機(jī)，兩臺(tái)在機(jī)身后部?jī)蓚?cè)，一臺(tái)安在垂直尾翼基部。 飛行里程超過8046 km，最高速度可達(dá)447 節(jié)。 獵鷹900機(jī)身兩側(cè)各有12 個(gè)舷窗，最多可載客19 人，最大起飛重量為20638 kg， 采用后掠式下單翼， 后掠式垂尾，中置水平尾翼的構(gòu)型。 芝加哥噴氣機(jī)集團(tuán)對(duì)這款飛機(jī)進(jìn)行了改裝， 使用了Midcontinent Instrument 公司生產(chǎn)的TS835 可充電鋰電池作為備用電池。TS835 具有4.5 安倍小時(shí)的電池容量， 利用先進(jìn)的NanoPhosphate 鋰離子技術(shù)——一種能量存儲(chǔ)解決方案，與金屬氧化物鋰離子化學(xué)電池相比，具有更高的安全性和濫用耐受性， 并且比傳統(tǒng)鉛酸設(shè)計(jì)輕63%，平均預(yù)期壽命為8年。 在正常運(yùn)行期間，TS835 鋰電池利用來自飛機(jī)主要能量供應(yīng)的輸入能量對(duì)內(nèi)部電池單元進(jìn)行充電和/或保持充電狀態(tài)。 一旦飛機(jī)主要能源喪失，TS835 將自動(dòng)為相關(guān)的外部負(fù)載供電，且不會(huì)中斷。

2 飛機(jī)鋰離子電池系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)

鋰離子電池中含有大量的活潑的鋰金屬物質(zhì)和具有可燃性的有機(jī)電解液，并且隨著鋰離子電池的體積和重量越來越大，其散熱性和穩(wěn)定性變差，在飛機(jī)上一旦出現(xiàn)意外，將會(huì)有很嚴(yán)重的事故發(fā)生。目前，根據(jù)鋰離子電池在飛機(jī)上的設(shè)計(jì)和安裝特征，參考國內(nèi)外相關(guān)研究報(bào)告[1-3]，歸納出主要的安全風(fēng)險(xiǎn)包括過度充電、過度放電/不平衡放電、內(nèi)部失效、漏氣漏液等。

過度充電：在電池過度充電狀態(tài)下，鋰離子電池內(nèi)部持續(xù)的反應(yīng)加熱更容易形成不穩(wěn)定的金屬鋰，金屬鋰的自燃性將導(dǎo)致自我激勵(lì)式的起火甚至是爆炸，由于運(yùn)輸類飛機(jī)鋰電池容量大， 含有更多的電解液，過度充電導(dǎo)致的起火與爆炸將帶來嚴(yán)重的后果。

過度放電/不平衡放電： 鋰離子電池過度放電時(shí)會(huì)導(dǎo)致電池電極的腐蝕， 從而會(huì)導(dǎo)致電池容量下降，并且這種損傷是無法通過充電來恢復(fù)的，另外，多電池組中的部分電池的過度放電或者不平衡放電會(huì)導(dǎo)致整個(gè)處于過熱狀態(tài)，并且很有可能會(huì)導(dǎo)致相鄰的電池過熱，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)電池組的過熱或者起火。

內(nèi)部失效：一般說來，相比于傳統(tǒng)的鎳鉻蓄電池，鋰電池更容易發(fā)生內(nèi)部短路或者斷路的現(xiàn)象，導(dǎo)致內(nèi)部失效。 電池發(fā)生內(nèi)部短路后， 隨著溫度的不斷升高， 電池內(nèi)部的正極、負(fù)極和電解液之間的各種反應(yīng)接連發(fā)生， 包括電解液的分解反應(yīng)、負(fù)極與電解液的反應(yīng)，這些反應(yīng)可能會(huì)造成內(nèi)部過熱，引起電池內(nèi)部溫度和壓力快速上升，導(dǎo)致不可控制的后果。

漏氣漏液：鋰電池泄露后，其中含有的電解液或其他物質(zhì)排放到飛機(jī)內(nèi)部，達(dá)到一定濃度時(shí)，可能會(huì)引起腐蝕，起火，爆炸或者具有毒性，影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)或者飛機(jī)成員的安全。

3 獵鷹900 飛機(jī)鋰離子電池審定專用條件分析

由于芝加哥噴氣機(jī)集團(tuán)對(duì)獵鷹900 飛機(jī)進(jìn)行了改型， 使用了TS835 可充電鋰電池作為備用電池，F(xiàn)AA認(rèn)為該電池具有新穎或不尋常的設(shè)計(jì)特點(diǎn)， 于是在對(duì)該機(jī)型進(jìn)行補(bǔ)充型號(hào)合格證書審定時(shí)，F(xiàn)AA 根據(jù)適航規(guī)章21.16 的規(guī)定于2020年10月23日頒布了9 條專用條件No.25-776-SC[4]來代替修正案25-123 中的§25.1353（b）（1）至（b）（4），并納入該機(jī)型的審定基礎(chǔ)：

（1）在所有可預(yù)見的工作條件下可以維持安全的電池溫度和壓力，以防止火災(zāi)和爆炸。

（2）可防止自我激勵(lì)的、不可控制的溫度或壓力升高，并可以自動(dòng)控制每個(gè)電池的充電速率，以防止不利的工作條件，如電池不平衡充電、回充、過度充電和過熱。

（3） 無論是在正常使用中還是在電池失效時(shí)，不會(huì)釋放爆炸性或有毒氣體，防止爆炸性或有毒氣體會(huì)在飛機(jī)內(nèi)積聚大量。

（4）滿足條款25.863 的要求。

（5）可能會(huì)溢出的腐蝕性液體或氣體不會(huì)損壞周圍結(jié)構(gòu)或相鄰系統(tǒng)，設(shè)備或電線，從而產(chǎn)生更加嚴(yán)重的后果。

（6）具有措施可以防止因鋰電池或其單個(gè)單元的任何失效而產(chǎn)生的大量熱量對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)造成的災(zāi)難性的后果。

（7）具有故障檢測(cè)和警告系統(tǒng)，以在故障影響飛機(jī)的安全運(yùn)行時(shí)向機(jī)組發(fā)出警報(bào)。

（8）具有監(jiān)視和警告功能。 如果飛機(jī)的安全運(yùn)行需要該電池的功能，則當(dāng)它的荷電量降至可允許水平以下時(shí)，系統(tǒng)會(huì)向機(jī)組發(fā)出警報(bào)。

（9）具有一種在溫度過高或者電池故障的情況下自動(dòng)與其充電源斷開連接的方法。

專用條件1 要求電池組中的每個(gè)單個(gè)電池必須可以保持安全的溫度和壓力。專用條件2 要求電池的設(shè)計(jì)應(yīng)可以防止熱事件的傳播，例如相鄰電池間自我激勵(lì)的、不可控制的溫度或者壓力的升高。

專用條件1 和2 旨在確保電池可以消除潛在的無法控制的故障。 但是，一定數(shù)量的失效是由于設(shè)計(jì)者無法控制的各種因素導(dǎo)致的。 因此，其他特殊條件旨在發(fā)生故障時(shí)可以保護(hù)飛機(jī)及其乘員。

專用條件3、7 和8 是不言自明的，F(xiàn)AA 此次不做進(jìn)一步的解釋。

專用條件4 闡明了適用于可充電鋰電池裝置的25.863 條款對(duì)易燃流體防火的要求，25.863 條款適用于飛機(jī)上可能暴露于泄漏的易燃液體的區(qū)域。

專用條件5 要求每個(gè)可充電鋰電池可能會(huì)溢出的腐蝕性流體或氣體不得損壞周圍的結(jié)構(gòu)或鄰近的系統(tǒng)，設(shè)備或電線，進(jìn)而導(dǎo)致更嚴(yán)重的失效狀況。專用條件6 要求每個(gè)可充電鋰電池具有措施可以防止因鋰電池或其單個(gè)單元的任何失效而產(chǎn)生的大量熱量對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)造成的災(zāi)難性的后果專用條件5解決腐蝕性流體和氣體的問題，而專用條件6 解決熱量的問題。

專用條件9 要求可充電鋰電池具有“自動(dòng)”控制充電速率以及脫開充電源的功能，由于鋰電池充電時(shí)化學(xué)反應(yīng)的快速特性，手動(dòng)干預(yù)無法及時(shí)或有效地緩解與電池有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語

相比于飛機(jī)上傳統(tǒng)使用的鎳鉻或鉛酸蓄電池，鋰電池具有能量密度高、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，隨著鋰電池技術(shù)的發(fā)展， 在飛機(jī)上得到廣泛應(yīng)用是大勢(shì)所趨。如今工業(yè)界和適航當(dāng)局都意識(shí)到鋰電池在飛機(jī)上使用存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)， 現(xiàn)有的適航條款還不完備，參考國內(nèi)外相關(guān)報(bào)告及FAA 制定的專用條件， 對(duì)推進(jìn)鋰電池在飛機(jī)上的安全應(yīng)用及國內(nèi)適航工作的開展具有很大的意義。