運輸類飛機非充電式鋰電池系統(tǒng)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(tǒng)的安裝被視為一種新穎獨特設(shè)計特征，目前還不具備充分針對性的適航規(guī)章要求。本文研究了非充電式鋰電池在運輸類飛機上的應(yīng)用和存在的安全性風(fēng)險，研究和解讀了FAA對此項設(shè)計特征制定的專用條件，以期在國內(nèi)民機適航工作中參考借鑒。

關(guān)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(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（b）-0023-02

1 非充電式鋰電池引發(fā)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(fā)現(xiàn)有煙霧冒出，機場消防接到通知后隨即趕到現(xiàn)場，并向飛機噴灑水和泡沫。消防員在登機后發(fā)現(xiàn)客艙后部煙霧濃烈，并在客艙頂部內(nèi)飾板上發(fā)現(xiàn)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(fā)生后，英國航空事故調(diào)查局AAIB迅速介入調(diào)查，初步技術(shù)調(diào)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(yīng)急定位發(fā)射機ELT和相關(guān)系統(tǒng)導(dǎo)線的安裝位置，除此以外沒有其他設(shè)備。事件發(fā)生時飛機處于斷電狀態(tài)。各種線索都將事件原因指向了ELT設(shè)備內(nèi)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(guī)章要求對應(yīng)急情況下必須具備獨立于飛機供電系統(tǒng)的電源，因此在ELT內(nèi)安裝了鋰電池。深入調(diào)查發(fā)現(xiàn)，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(tài)，并引發(fā)自燃和火災(zāi)。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(yīng)用和安全性風(fēng)險

波音787飛機應(yīng)急定位發(fā)射機ELT內(nèi)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(zhì)，電解液采用導(dǎo)電性能良好的有機電解質(zhì)溶液。這類電池具有重量輕、能量密度高、放電曲線穩(wěn)定、綠色環(huán)保等優(yōu)點，但不允許充電。優(yōu)異的性能使非充電式鋰電池在運輸類飛機的機載系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，目前的應(yīng)用范圍涉及以下幾類。

駕駛艙和航空電子系統(tǒng)，如顯示器、全球定位系統(tǒng)、駕駛艙語音記錄器、飛行參數(shù)記錄器、水下定位信標(biāo)、導(dǎo)航計算機、集成式航電計算機、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和通信系統(tǒng)、通信管理單元、遠程監(jiān)控電子現(xiàn)場可更換單元等。

客艙安全、娛樂和通信設(shè)備，包括應(yīng)急定位發(fā)射機、救生筏、逃生滑梯、安全帶安全氣囊、客艙管理系統(tǒng)、以太網(wǎng)交換機、多媒體服務(wù)器、機上無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、機載娛樂系統(tǒng)、衛(wèi)星電視、遙控器、和手持式裝置等。

貨艙區(qū)域的系統(tǒng)，包括貨艙門控制、傳感器、視頻監(jiān)控設(shè)備、和安保系統(tǒng)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(zhì)和可燃性電解液，因此也存在很高的可燃性，有引起火災(zāi)和爆炸的風(fēng)險。目前，根據(jù)鋰電池在運輸類飛機上的安裝和設(shè)計特征，識別出潛在的危害和失效模式，主要包括內(nèi)部失效、快速或不平衡放電、易燃性。

內(nèi)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(nèi)部失效的影響，譬如電路短路等。內(nèi)部失效造成的鋰電池過熱會引發(fā)“熱失控”現(xiàn)象，也就是鋰電池放熱致使電池自身內(nèi)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(dǎo)致的電池過熱狀態(tài)，如果產(chǎn)生了足夠熱量，會使得相鄰電池也進入熱失控狀態(tài)，容易形成不可控的通風(fēng)環(huán)境，進而導(dǎo)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(xué)系統(tǒng)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(zhì)。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(zāi)。

3 非充電式鋰電池的專用條件

當(dāng)前，通用的電池安裝適航要求落實在運輸類飛機適航規(guī)章§25.1353（b）（1）-（4）款中，相對于鋰電池的技術(shù)特點，該條款的制定年代較早，因此從適航標(biāo)準(zhǔn)的角度，非充電式鋰電池被視為是一項新穎獨特的設(shè)計特征。美國聯(lián)邦航空局FAA認為，有必要通過制定專用條件來建立與現(xiàn)有適航標(biāo)準(zhǔn)等效的安全水平，并在后續(xù)規(guī)章制定中進行針對性的修訂。2016年4月22日，F(xiàn)AA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(jīng)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(shè)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(tǒng)不僅包括電池本身，還包括電池的保護電路、監(jiān)控電路、告警電路，其他的電池內(nèi)部或外部硬件，以及可能需要的通風(fēng)設(shè)施和封裝設(shè)備?？紤]到鋰電池的組合模式和封裝形式、所包含的化學(xué)成分，較高的能量密度、引入的新失效模式，F(xiàn)AA認為非充電式鋰電池系統(tǒng)需要特殊的設(shè)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(tǒng)的安裝必須：（1）在所有可預(yù)期的飛機運行環(huán)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(fā)生自發(fā)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(fā)生故障時，從任何電池逸出的易爆或有毒氣體，在飛機內(nèi)的積聚量不得達到危險程度。（4）滿足運輸類飛機適航規(guī)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(jié)構(gòu)或鄰近的系統(tǒng)、設(shè)備或電線，從而不會導(dǎo)致失效等級為較大（Major）或更嚴(yán)重的失效狀態(tài)。（6）有措施防止電池或某個單體電池故障時所發(fā)出的最大熱量危及飛機結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)。（7）具有失效敏感和警告系統(tǒng)，當(dāng)電池故障影響飛機繼續(xù)安全運行時向飛行機組發(fā)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(yīng)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(yīng)設(shè)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(tǒng)。專用條件2要求電池系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)能防止電池發(fā)熱的擴散，如自發(fā)激勵的、不可控制的溫度或壓力升高的情況，不應(yīng)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(tǒng)及其中單體電池的設(shè)計能夠消除潛在的不可控失效。當(dāng)然，設(shè)計中無法杜絕或控制所有的危險因素，必定會產(chǎn)生一定數(shù)量的故障，那么后續(xù)幾條專用條件的目標(biāo)就是在這些失效狀態(tài)發(fā)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(tǒng)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(qū)域。非充電式鋰電池包含的電解質(zhì)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(tǒng)溢出的腐蝕性液體或氣體均不得損傷周圍結(jié)構(gòu)或鄰近的系統(tǒng)、設(shè)備或電線。專用條件6要求每個非充電式鋰電池系統(tǒng)的安裝必須具有措施防止電池或某個單體電池故障時發(fā)出的最大熱量危及飛機結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)。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(tǒng)外的其它種類電池系統(tǒng)的安裝。

4 結(jié)語

非充電式鋰電池在運輸類飛機上的應(yīng)用前景廣闊，在可預(yù)期的未來，中國自主研發(fā)的大飛機上也將采用非充電式鋰電池設(shè)計特征。適航當(dāng)局和工業(yè)界都已關(guān)注到其發(fā)展趨勢和可能面臨的安全性風(fēng)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(dāng)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(jīng)驗的基礎(chǔ)上，推動國內(nèi)運輸類飛機適航工作的發(fā)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(biāo)準(zhǔn)CCAR-25-R4[S].2016.endprint