波音787鋰電池問題研究

（上海飛機(jī)制造有限公司情報(bào)檔案館，上海 200436）

1 鋰電池在飛機(jī)上的應(yīng)用

傳統(tǒng)客機(jī)使用鎳鎘電池，但由于鎳鎘電池存在體積大、重量大、蓄電量和放電電流不足、充電慢等缺點(diǎn)，波音、空客開始探索在波音787和A350上使用鋰電池。鋰電池和鎳鎘電池優(yōu)缺點(diǎn)的比較如表1所示[1]。

波音787是全球第一架使用鋰電池的民用飛機(jī)，但鋰電池在給波音787客機(jī)帶來諸多優(yōu)勢的同時(shí)，也暴露出了安全性差的缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面:

（1）鋰電池易爆炸。

（2）鈷酸鋰材料的鋰電池不能大電流放電。

（3）鋰電池需保護(hù)線路，防止電池被過充和過放電。

（4）生產(chǎn)要求條件高，成本高。

787鋰電池起火事故發(fā)生后，空客放棄了在A350飛機(jī)上采用鋰電池計(jì)劃，而是重新采用此前已在業(yè)界廣泛使用的并經(jīng)過充分驗(yàn)證的鎳鎘電池，鋰電池未來在飛機(jī)上應(yīng)用的可行性還有待重新驗(yàn)證。

2 波音787鋰電池的基本情況

波音787共配有2塊鋰電池，都是由日本GS湯淺公司生產(chǎn)并由法國泰雷茲公司組裝。一塊置于飛機(jī)尾端用于啟動APU（APU是飛機(jī)輔助動力裝置，獨(dú)立提供電力，以減少飛機(jī)對地面（機(jī)場）供電設(shè)備的依賴），2013年1月7日，在波士頓洛根機(jī)場出現(xiàn)火情的就是這塊啟動APU的電池；另一塊電池置于飛機(jī)前端駕駛艙，即主電池。雖被稱為主電池，但在平時(shí)飛行過程中很少用到這塊電池。主電池的作用是應(yīng)對緊急狀態(tài)，比如發(fā)電機(jī)全部停止工作時(shí)，主電池可用來控制飛機(jī)完成最基本的降落等操作。2013年1月16日，全日空波音787緊急迫降事件中，發(fā)生冒煙的就是這塊主電池。APU電池在主起落架后方、客艙門下方，主電池位于電氣和電子設(shè)備隔艙的前部，兩者的位置如圖1所示[2]。

表1 鋰電池和鎳鎘電池優(yōu)缺點(diǎn)比較

波音787主電池和APU電池均由8個(gè)鋰電池芯排成兩排，如圖2（a）所示。每個(gè)電池芯安裝有3個(gè)內(nèi)部電極繞組，每個(gè)電極繞組長838.19mm，每個(gè)繞組配有兩對電極（陽極和陰極）和分離器，除8個(gè)電池芯，電池監(jiān)視器、霍爾效應(yīng)電流傳感器、接觸器、電線等也是波音787主電池和APU電池的基本組成成分，如圖2（b）所示。波音787主電池和APU電池的基本參數(shù)如表2所示[3]。

3 波音787鋰電池問題回顧

3.1 事故回顧

2013年1月，波音連發(fā)兩起電池事故，暴露出了波音787鋰電池存在的缺陷，并使波音公司陷入787停飛危機(jī)。此后，波音對787的鋰電池進(jìn)行了改進(jìn)，使787得以復(fù)飛，但787復(fù)飛后不久就再次出現(xiàn)電池安全隱患，且至今波音仍未找出真正根治波音787電池安全問題的有效辦法。

3.2 FAA適航指令

事故發(fā)生后，F(xiàn)AA于2013年1月16日發(fā)布緊急適航指令，稱787使用的電池有潛在起火危險(xiǎn)，并要求暫時(shí)停飛這一型號的客機(jī)。2013年2月，F(xiàn)AA又發(fā)布了“Special conditions 25-359-SC”以加強(qiáng)對787電池適航審查的嚴(yán)格度，提高787電池的安全性。

圖1 波音787主電池和APU電池的位置Fig.1 Boyin 787Main and auxiliary power unit battery locations

圖2 波音787主電池和APU電池的組成Fig.2 787 Main and auxiliary power unit exemplar battery

表2 波音787主電池和APU電池的基本參數(shù)

表3 FAA對787電池適航審查的9條要求

3.3 NTSB對787電池問題的調(diào)查

NTSB對787電池事故發(fā)生經(jīng)過和發(fā)生原因進(jìn)行了調(diào)查，并對787電池內(nèi)外部情況、電池各組成部分性能、適航取證情況進(jìn)行了檢查。2013年3月7日，NTSB發(fā)布中期報(bào)告，公布了對787電池的檢測結(jié)果，但沒有公布787電池出現(xiàn)故障的真正原因。2014年11月21日，NTSB把事故原因確定為電池芯熱失控，并向FAA提出了15條安全建議，向波音公司提出了2條安全建議，向湯淺公司提出了1條安全建議[3]，如表4所示[4]。

表4 NTSB對FAA、波音公司和湯淺公司提出的安全建議

3.4 波音對787電池問題的分析結(jié)果

事故發(fā)生后，波音組織公司內(nèi)、外部專家對787電池存在的問題進(jìn)行了分析。根據(jù)波音的分析結(jié)果，其認(rèn)為電池故障對787電池區(qū)域和功能的損害有限，787電池發(fā)生故障的原因是過熱傳導(dǎo)和電解泄露[5]。

4 波音787鋰電池改進(jìn)措施

4.1 波音787電池改進(jìn)歷程

波音在事故發(fā)生的第一時(shí)間就組織技術(shù)團(tuán)隊(duì)對787電池進(jìn)行分析，為盡早完成787電池的改進(jìn)和實(shí)現(xiàn)787復(fù)飛贏得了時(shí)間，并在第一時(shí)間啟動了對波音787電池的改進(jìn)，這與波音強(qiáng)大的人力資源儲備和位于華盛頓的787飛行控制中心（OCC）所發(fā)揮的作用密不可分。

4.2 波音787電池改進(jìn)方案

波音787電池改進(jìn)方案包括以下4個(gè)層面[6]。

4.2.1 改進(jìn)電池設(shè)計(jì)特性以阻止故障發(fā)生，并可對故障進(jìn)行隔離

（1）波音為更好地將電池中的每個(gè)電池芯與其他電池芯及電池盒相隔離，在每個(gè)電池芯周圍包裹了電絕緣層，即使發(fā)生故障時(shí)也可使每個(gè)電池芯與其他電池芯及電池盒相絕緣。安裝在上方、下方及電池芯之間的絕緣層和隔熱層將幫助阻止電池芯的熱量互相影響。電池芯之間的空隙增加，降低了連鎖反應(yīng)的可能性。（2）波音對電池內(nèi)部的電線套管和線束進(jìn)行升級，以增強(qiáng)抗熱和防損傷能力，新的緊固件將把連通8個(gè)電池芯的金屬條連接起來，這些緊固件采用鎖閉機(jī)構(gòu)。（3）波音更改容納電池芯和電池管理組件的框架，底部增加的排水孔可以使水汽從電池里排出，側(cè)面較大的孔可以讓電池在失效時(shí)向外排氣，從而減少對其他電池部件的影響。

4.2.2 控制充電電壓，防止過度充電

波音公司、泰雷茲公司和湯淺公司將787充電系統(tǒng)進(jìn)一步精細(xì)化，以精確控制充電電壓，防止過度充電，降低最高充電電壓和提高最低放電電壓。這一目標(biāo)通過重新設(shè)計(jì)電池系統(tǒng)中的兩件設(shè)備，即電池監(jiān)控組件和充電器來實(shí)現(xiàn)。此外，波音還對充電器進(jìn)行調(diào)整以使充電循環(huán)更加平順，從而降低電池在充電過程中承受的壓力。

4.2.3 加強(qiáng)制造、運(yùn)行和測試工藝，以確保電池及其組件擁有最高水平的質(zhì)量和性能

波音與787綜合電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)供應(yīng)商泰雷茲公司和電池制造商湯淺公司共同合作，發(fā)展和建立增強(qiáng)制造標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法，以進(jìn)一步降低電池芯和整個(gè)電池在運(yùn)營中出現(xiàn)問題的可能性。

4.2.4 針對發(fā)生概率低的電池失效，采用新的電池外部封套，阻止任何水平的電池過熱影響到飛機(jī)和乘客

電池箱被安裝在一個(gè)由不銹鋼制成的封套中，這個(gè)封套可以將電池與電子設(shè)備艙中的其他設(shè)備隔離開來，還可以確保封套內(nèi)不會著火，為電池系統(tǒng)增加了另一層保護(hù)。封套上設(shè)有一個(gè)直接排氣口，可將電池氣體直接排到飛機(jī)之外，不僅有效泄放有毒煙霧，還確保電解液受熱膨脹后不會溢到其他部分，引起連鎖反應(yīng)，而是把熱源帶出機(jī)外。最重要的是，新的殼體不但隔熱，還阻絕了空氣，具有窒息火災(zāi)作用。在波音試驗(yàn)中，電解液被有意釋放，殼體受到強(qiáng)烈加熱，但由于缺乏空氣，殼體內(nèi)無法引起燃燒和溫度飛升，即使在引入空氣后，由于空間有限且后續(xù)空氣無法進(jìn)入，燃燒也只持續(xù)了200ms就熄滅了。同時(shí)，波音在電子設(shè)備艙中采用了新的鈦合金固定裝置，以確保電池外部封套獲得合適的支撐。

4.3 波音787電池改進(jìn)存在的問題

改進(jìn)后，波音787電池的殼體得到極大加強(qiáng)，隔離和耐熱能力都得到了增強(qiáng)。然而，波音787更換新電池并復(fù)飛后，仍然再次出現(xiàn)電池問題。其原因是波音的修改方案只涉及阻止火災(zāi)蔓延，并沒有達(dá)到確保不可能起火的本質(zhì)安全[5]。在所有已經(jīng)發(fā)布的報(bào)告中，NTSB和波音都明確提到?jīng)]有發(fā)現(xiàn)起火的原因。2013年4月19日，波音負(fù)責(zé)787的主管萊利洛夫蒂斯承認(rèn):“我們有可能永遠(yuǎn)也不知道（電池起火的）根本原因，只能從別的方面預(yù)防起火?！庇肋h(yuǎn)也不知道起火的根本原因，因而不能從根源上杜絕起火可能，這是波音787電池風(fēng)波中揮之不去的一片陰影。

另一方面，波音787的鋰電池還有眾多沒有引起起火但足夠惱人的故障。例如，按照設(shè)計(jì)，如果鋰電池放電過度而導(dǎo)致電壓偏低將不能再充電，必須換下后送回工廠復(fù)蘇。由于很多在設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮到的因素，比如盡管機(jī)上總電門已經(jīng)關(guān)閉，地勤加油時(shí)打開油箱蓋，油量表就自動跳動并開始耗電；行李艙門沒有關(guān)緊，艙內(nèi)燈也將一直亮著并不斷耗電。由于上述因素，波音787電池過度放電現(xiàn)象頻繁，送回工廠復(fù)蘇的頻率大大高于波音的預(yù)計(jì)。

5 客戶反應(yīng)及應(yīng)對措施

由于停飛給航空公司造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，波蘭航空、全日空航空、日本航空、印度航空等都向波音公司提出索賠[7]，這給波音造成了巨大財(cái)政壓力。波音一般以在未來購買飛機(jī)時(shí)給予折扣和現(xiàn)金賠付兩種方式來應(yīng)對索賠，在未來購買飛機(jī)時(shí)給予折扣是波音首選的賠償方式，而航空公司則更希望得到波音的現(xiàn)金賠償。

在交付方面，2013年3月28日，波音787重啟交付。從2013年到2015年，波音交付了65/114/135架波音787，而從首架波音787交付（2011年9月25日）到事故發(fā)生前的2012年12月底，波音共交付49架波音787。在訂單方面，波音787出現(xiàn)電池問題后，波音仍于2013年獲得183架訂單，即便是在事故剛發(fā)生不久的2月，美國航空仍訂購了42架波音787，可見其對波音787的信心。在波音787復(fù)飛后，訂單量再次出現(xiàn)增長趨勢，2013年全年共獲得183架訂單，與2012年相比不減反升（波音787在2012年獲得的訂單僅為50架）。但在2014年上半年，波音787的訂單量明顯減少，這可能與波音787復(fù)飛后再次發(fā)生電池故障有關(guān)。表5為波音787歷年來的訂單情況[8]。

從表5可以看出，787電池問題并未給波音787的交付量和訂單量帶來太大影響。

表5 波音787歷年來的訂單情況

6 結(jié)束語

從波音應(yīng)對787電池問題的方式方法中，我們可以看出，第一時(shí)間原則、注重溝通和信息公開、積極配合調(diào)查、在處理問題過程中與供應(yīng)商間的積極合作等都是應(yīng)對磨合期問題的方式方法。在解決技術(shù)問題時(shí)，則要從設(shè)計(jì)和制造工藝兩方面入手，且在面對某項(xiàng)新技術(shù)無法在短時(shí)間內(nèi)徹底根治時(shí)，可采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施來降低事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

[1]電子產(chǎn)品世界.鋰電池和鎳氫電池的區(qū)別[EB/OL].[2015-04-14]. http://m.eepw.com.cn/m/display/id/272532.

The World of Electronic Products. Difference between lithium batteries and nickel cadmium batteries[EB/OL].[2015-04-14]. http://m.eepw.com.cn/m/display/id/272532.

[2]NTSB. Interim factual report [EB/OL].[2013-3-7]. http://www.ntsb.gov/investigations/AccidentReports/Reports/DCA13IA037-interimfactual-report.pdf.

[3]NTSB. NTSB Recommends Process Improvements for Certifying Lithium-ion Batteries as it Concludes its Investigation of the 787 Boston Battery Fire Incident[EB/OL].[2014-12-1].http://www.ntsb.gov/news/press-releases/Pages/PR20141201.aspx.

[4]NTSB. Aircraft Incident Report[EB/OL].[2014-12-1].http://app.ntsb.gov/doclib/reports/2014/AIR1401.pdf.

[5]晨楓.波音787的鋰電池風(fēng)波[EB/OL].[2013-5-27]. http://www.afwing.com/encyclopaedia/boeing-787-lithium-battery_2.html.

Cheng Feng.Boeing 787 battery trouble [EB/OL].[2013-5-27]. http://www.afwing.com/encyclopaedia/boeing-787-lithium-battery_2.html.

[6]波音公司. 787電池解決方案[EB/OL].[2013-4-23]. http://zhan.renren.com/kejizhimei?tagId=108244&page=5&checked=true.

Boeing.Boeing 787 battery improvement solution[EB/OL].[2013-4-23].http://zhan.renren.com/kejizhimei?tagId=108244&page=5&checked=true.

[7]曾憶茗.波音787停運(yùn)或引發(fā)全球索賠潮[EB/OL].[2013-2-6]. http://www.qianzhan.com/indynews/detail/242/130206-d3c1a215.html.

Zeng Yiming.787’s grounding would cause worldwide claim for boeing[EB/OL].[2013-2-6]. http://www.qianzhan.com/indynews/detail/242/130206-d3c1a215.html.

[8]Boeing.Orders and deliveries[EB/OL].[2015-12-22]. http://www.boeing.com/commercial/#/orders-deliveries.