B787-800飛機鋰電池起火事故原因及分析

陳農田，李俊輝，王志宏，滿永政

(1.中國民用航空飛行學院航空工程學院，四川 德陽 618307；2.中國民用航空飛行學院民航安全工程學院，四川 德陽 618307)

飛機電池作為應急電源，向少數重要設備提供電能，保證飛機能安全起飛與降落，其性能和安全性對飛行有重要的影響。鋰電池在電子產品方面的應用廣泛，在民用航空載運工具上也得到應用。鋰電池雖已得到廣泛應用，但在使用過程中還有一定的缺陷和風險：一方面內部隔膜容易因破損造成電池短路，引發電池熱失控；另一方面在過度充電時，負極材料表面上形成鋰枝晶，尖銳的枝晶刺穿隔膜易導致短路，引發熱失控[1]。

近年來，人們針對航空鋰電池的安全特性開展了系列研究。謝松等[2]從應用進程、技術瓶頸及前景等角度出發，闡述鋰離子電池在民用航空領域的應用，認為電池的安全性是制約推廣應用的一大障礙；H.Joe[3]研究了鋰電池火災特性，強調建立電池火災防控計劃很重要；劉春明等[4]研究了波音787(簡稱B787)飛機用鋰電池的故障原因，著重分析電池起火原因，并給出預防建議。隋立軍等[5]以運輸類飛機適航標準為依據，探討鋰離子電池在民航飛機上的適航驗證要求。美國聯邦航空局(FAA)在對B787飛機進行適航審定時，針對運行類飛機適航標準的不足，專門就鋰離子電池的安全問題制定了25-359-SC標準[6]。美國國家運輸安全委員會(NTSB)指出，民航業界對鋰離子電池的安全特性還認知不足，在設計、驗證、審查和維護等方面都缺乏足夠的經驗。

國內外雖對航空鋰電池安全特性或災害風險進行了分析，但鮮有專門針對航空鋰電池起火事故的致險調查與規律分析。本文作者選取B787-800飛機發生的3起典型鋰電池起火事故，從事故發生地、故障部位、事故原因及安全建議等方面進行詳細對比分析，系統總結B787鋰電池起火事故影響態勢，重點從民航飛機鋰電池制造、監管和運營全過程的角度，提出可吸取的經驗教訓和可行性建議。

1 B787-800電池系統組成及原理

鋰電池在飛機上的應用經歷了不同發展歷程，從2011年B787采用鋰電池裝機開始，鋰電池在航空領域的應用出現了第一個高潮[7]。

民用飛機電源系統一般由主電源、輔助電源、二次電源及應急電源等構成[8]。飛機鋰電池系統工作原理的簡單結構見圖1。

圖1 飛機鋰電池系統工作原理

電池控制盒主要用于對電池產生的電源進行分配管理。電池監控單元(BMU)由主監控組件BMU1、BMU2和輔助監控組件BMU3、BMU4[9]等4個部分組成。飛機鋰電池系統內部結構見圖2。

圖2 飛機鋰電池系統內部結構

2 B787-800鋰電池起火事故調查

2.1 鋰電池起火事故概要

2013年1月，波音B787-800連續發生兩起鋰電池事故，促使波音公司停飛B787飛機，調查事故原因，并針對電池的缺陷進行改進。在通過了FAA適航審定后，B787得以復飛，但在2013年7月，在倫敦再次出現鋰電池起火事故[10]。

2.2 鋰電池起火動力學與熱力學機理

鋰電池內部存在大量電化學與化學反應，隨著反應的發生，產生大量的熱量與小分子氣體，導致電池過熱與過壓；溫度上升的同時加速了副反應，產生更多的熱和氣體產物，使電池處于自加熱狀態，即熱失控[11]。熱的作用和副反應導致的熱失控，是B787-800飛機電池起火的主要原因之一[12]。鋰電池中的電解液經揮發和分解，可能會破壞釋壓功能，泄漏出來的氣體遇熱可能會產生反應，導致發生火災。揮發出的氣體主要為CO2、C2H4、CH4等，還有PF5等有毒氣體[13]。

2.3 起火事故原因分析

對比這3起事故的調查報告，可得出事故發生的直接原因是鋰電池內部發生短路，從而導致熱失控，電池中的能量非受控釋放，然后熱擴散到其他相鄰的電池單元，最終導致整個電池單元失效。研究事故調查報告，可以找出3起相同起因事故的不同之處。

2014年9月24日由日本運輸安全委員會(JTSB)公布的事故調查報告，詳細介紹了電池遭受破壞的過程，但并不能確定內部短路的確切機理。JTSB根據內部短路情況，列舉出3個原因：鋰枝晶、金屬碎片污染及隔膜損壞，但并沒有對安全評估和燃燒介質進行說明。

2014年12月1日由JTSB公布的事故調查報告，僅闡述了電池起火冒煙是由于電池短路導致熱失控并擴展到相鄰電池單元，原因是波音公司沒有貫徹設計要求以及FAA在適航審定過程中不嚴格，其他方面的原因沒有描述。

在2015年8月19日的調查報告中，英國航空事故調查局(AAIB)吸取前面的調查經驗，指出應急定位發射器(ELT)電池內纏繞的導線是短路的誘發條件，并且解釋導線纏繞是ELT在生產組裝時安裝不當所導致。AAIB還指出，合成材料樹脂和飛機蒙皮是燃燒傳播的燃料和媒介，并認為ELT在審定過程中，安全評估不合格。

B787-800飛機發生的3起典型鋰離子電池起火事故原因調查分析結果見表1。

表1 2013年B787-800飛機典型鋰電池起火事故原因調查分析

2.4 鋰電池起火事故安全建議分析

根據這3起鋰電池起火事故的調查分析，相關機構發布了安全預防性建議[14]，主要包括：①鋰離子電池的改進，需要考慮到所有短路導致的熱失控突發現象；②強化適航審定的要求，并與相關部門針對電池失效模式、有毒氣體的排放和預防進行合作。全日空航空公司的事故發生后，波音公司采取了一系列防控措施，如清除電池故障的潛在因素；防止電池單元之間的熱擴散、緩解熱失控帶來的危害，防止電池泄漏，避免出現冒煙和起火[15]等。針對美國波士頓APU電池起火事故，NTSB未能找出確切起因，但提出了預防建議。

B787-800飛機發生的3起典型鋰電池起火事故安全建議對比見表2。

表2 B787-800飛機典型鋰電池起火事故安全建議

波音公司對B787-800進行了系列安全改進，所用鋰電池的外殼得到加強，增強了鋰電池的絕緣和耐熱能力，提高了飛機鋰電池的安全性[16]。由于暫時未找到起火的根本原因，在鋰電池起火事故有效措施方面，還有待研究。

3 結論

對3起B787-800飛機鋰電池起火典型事故原因進行調查分析，可得出飛機鋰電池發生事故的共性原因主要包括：①單只電池因短路而造成的熱失控；②由于電池組的絕緣隔離較差，導致單只電池熱失控產生的熱量傳導到其他電池，最終導致整個電池組起火；③在航空器適航審定過程中，缺乏對航空鋰電池失效帶來的危險的安全性評估。

針對B787-800飛機鋰電池起火事故的特性和原因，為民航飛機鋰電池熱安全管控提供參考建議：①對鋰電池結構設計進行改進，在電池單元之間進行絕緣隔離，對整個電池進行阻火隔離；②控制充電電壓，防止過充電引起的電池故障；③針對制造商，要加強制造工藝，嚴格適航審定，制定鋰電池破壞性測試方法，保障電池的高質量、高性能；④改進和提升電池外殼設計、制造水平，針對鋰電池失效來防控電池過熱，避免對飛機安全運行的影響。