飛機非充電式鋰電池專用條件及符合性方法研究

于 燕 王 偉 張 明

（1.中國商用飛機有限責任公司，上海 200126；2.中國民航大學適航學院，天津 300300；3.中國民航大學中歐學院，天津 300300）

0 前言

目前，隨著非充電式鋰電池技術的發(fā)展，其能量密度及荷電量得到逐步提高， 由于還具有重量輕、放電曲線穩(wěn)定、綠色環(huán)保等的優(yōu)點[1]，飛機制造商業(yè)逐步將其運用到運輸類飛機中。 最典型的如空客公司將其應用到各個系列飛機的緊急定位發(fā)射器（ELT）中，當飛機受到巨大外力撞擊或觸水時，緊急定位發(fā)射器會自動開啟并發(fā)射求救信號，相關的搜救組織可以根據(jù)該信號及時進行搜救。 然而由于鋰電池內(nèi)部含有可燃性電解液，并且會在使用過程中產(chǎn)生鋰金屬，因此具有一定的危險性。2013 年7 月12 日，一架停放在倫敦希斯羅機場的波音787 飛機突然冒出濃煙，調(diào)查證明就是ELT 內(nèi)的鋰電池破損，造成了鋰電池的過熱導致的。 2020 年，實驗室測試結(jié)果顯示安裝在空客系列飛機的ELT 上的非充電式鋰電池缺乏對28 伏直流電或115 伏交流電的保護措施[2]，可能會導致熱擴散和電池著火，因此FAA 接連發(fā)布了5 個適航指令（AD），要求必須在ELT 和終端塊（Terminal block）之間安裝二極管來對ELT 進行升級。 由此可見，關注非充電式鋰電池在飛機上使用的不安全因素，分析非充電式鋰電池的適航條款及相關符合性驗證方法是很有必要的。

1 空客C- 2 9 5 飛機介紹

C295 飛機是空中客車集團研制的多用途渦輪螺旋槳運輸機，該型飛機堅固耐用，并且生命周期成本低，另外通用性強，有多種變體，如C295 預警機、C295空中加油機、C295 反潛巡邏機等，C-295 飛機由CN-235 飛機改裝而來，保留了CN-235 飛機的基本特性，機上有85%的部件可與CN-235 通用，主要的修改是增加了六個新框架， 使機艙的總長度增加了3 m，現(xiàn)在達到了12.69 m，可容納乘員71 人，另外，機翼的燃料容量變大， 機翼結(jié)構(gòu)也得到了加強以承受新的重量。 從性能的角度來看，CASA C-295 的巡航速度為260 KTAS，巡航高度為7620 m，航程為5400 kn，最大有效載荷為9 700 kg， 最大飛行時間可達11 小時。C295 配備了兩臺加拿大普惠公司的PW127G 渦輪螺旋槳發(fā)動機，具有出色的操縱性能，優(yōu)越的性能特點使得其可以使用短的且未完全準備好的跑道。

2 非充電鋰電池及其安全性風險

鋰電池大致可分為兩類： 鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰金屬電池通常是不可充電的，且內(nèi)含金屬態(tài)的鋰，鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的。

非充電鋰電池是一種高能化學原電池，俗稱鋰電池，由5 個基本組件組成：正、負極極片、隔膜、電解液、外包裝。其中以金屬鋰為負極，固體鹽類或溶于有機溶劑的鹽類為電解質(zhì)， 金屬氧化物或其他固體、液體氧化劑為正極活性物。

由于鋰電池內(nèi)部儲存了大量的能量，且含有不穩(wěn)定的金屬鋰及可燃性電解液，一旦發(fā)生故障，可能會引起火災及爆炸，在飛機上造成嚴重的后果。目前，根據(jù)FAA 的研究報告， 與非充電鋰電池有關的已知潛在危險及失效模式如下：

（1）內(nèi)部失效：一般來說，鋰電池比鎳鎘或鉛酸電池更容易遭受內(nèi)部失效的影響，從而造成自我激勵的溫度和壓力的升高。另外，金屬鋰還容易自燃，導致火災或者爆炸。

（2）快速或不平衡放電：多電池組中單個電池的快速放電或者不平衡的放電可能會造成過熱現(xiàn)象，從而導致不可控的排熱狀況，進而導致熱事件或爆炸。

（3）可燃性：與鎳鎘和鉛酸電池不同，鋰電池的電化學系統(tǒng)中使用更高的能量和電流，以最大限度地儲存能量，還使用極度易燃的液體電解質(zhì)，一旦鋰電池外殼破裂，電解質(zhì)以及電極均可作為燃料，從而引發(fā)嚴重的火災。

另外，關于鋰電池的相關研究[3]表明鋰電池還具有易膨脹變形、漏氣漏液、線路短路等潛在安全風險。

3 F AA 審查專用條件分析

由于非充電式鋰電池通過新的化學成分將更高的能量引入到飛機系統(tǒng)， 并且電池組中的電池的互聯(lián)引入了需要獨特的設計考慮的故障模式，如熱管理措施，以致FAA 認為，對于該設計特點，現(xiàn)有的適航規(guī)章沒有包含足夠的或者適當?shù)陌踩珮藴省?所以針對非充電式鋰電池在飛機上的安裝，F(xiàn)AA 于2016 年4 月22日， 頒布了第一份正式的專用條件Special Conditions No.25-612-SC[4]，適用于灣流GVI 飛機，并列入了該飛機的審定基礎。 此后，F(xiàn)AA 也針對波音787 系列飛機、空客A350 系列飛機、達索航空獵鷹系列飛機等安裝有非充電式鋰電池的機型制定了鋰電池審查專用條件。

下面，將以FAA 于2020 年1 月7 日最新發(fā)布的針對空客C-295 飛機非充電式鋰電池審查的專用條件Special Conditions No.25-764-SC[5]為例，介紹并解讀非充電式鋰電池在飛機上安裝所需滿足的安全標準。 另外，需要說明的是，EASA 關于非充電式鋰電池的審查專用條件與該專用條件內(nèi)容及要求基本相同。

專用條件No.25-764-SC 用以替代第25-123 號修正案中的25.1353（b）（1）至（b）（4）條款，并列入該飛機的審定基礎，共包含8 條內(nèi)容：

（1）設計為在所有可預見的工作條件下可以維持安全的電池溫度和壓力，以防止起火和爆炸。

（2）設計時可防止自我激勵的、不可控制的溫度或壓力升高。

（3）在正常使用中或在電池失效時，不會釋放爆炸性或有毒氣體，這些爆炸性或有毒氣體可能會在飛機內(nèi)大量積聚。

（4）滿足§25.863 的要求。

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

（6）具有措施可以防止因鋰電池或其單個單元的任何失效而產(chǎn)生的大量熱量對飛機結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)造成災難性的后果。

（7）具有故障檢測和警告系統(tǒng)，以在故障影響飛機的安全運行時向機組發(fā)出警報。

（8）如果飛機的安全運行需要該電池的功能，則機組人員或維護人員應有方法可以確定電池的電量狀態(tài)。

專用條件1 要求電池組中的每個單個電池必須可以保持安全的溫度和壓力。專用條件2 闡述了相同的問題，但是是對于整個電池而言的，專用條件2 要求電池的設計應可以防止熱事件的傳播，例如相鄰電池間自我激勵的、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)量的失效是由于設計者無法控制的各種因素導致的。 因此，其他特殊條件旨在發(fā)生故障時可以保護飛機及其乘員。

專用條件3、7、8 是不言自明的，不做進一步解釋。

專用條件4 闡明了適用于非充電鋰電池裝置的第25.863 條 款對 易 燃 流 體 防 火 的 要 求，25.863 條 款適用于飛機上可能暴露于泄漏的易燃液體的區(qū)域。非充電鋰電池中的電解質(zhì)是易燃液體。

專用條件5 要求每個非充電鋰電池可能會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)，設備或電線，進而導致更嚴重的失效狀況。

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6 要求每個可充電鋰電池具有措施可以防止因鋰電池或其單個單元的任何失效而產(chǎn)生的大量熱量對飛機結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)造成的災難性的后果。滿足專用條件5 和6 的方法可能相同，但是它們是獨立的解決不同危害的要求。

對于專用條件7 和8，“飛機的安全運行。 ”定義為在失效或者其他的非正常狀況下可以持續(xù)的安全飛行和著陸。具有不可充電鋰電池的備用飛行儀表是飛機安全運行所需要的一個示例。

4 RTC A 符合性驗證測試方法分析

1995 年6 月23 日，美國航空無線電技術委員會（RTCA）頒布了RTCA DO-227 文件（鋰電池最低運行性能標準），目的是提供鋰電池在飛機上使用的指導，包括與鋰電池的設計、測試、應用、操作與存儲相關的需求與通用指南，為鋰電池的設計方、制造方以及使用者提供鋰電池的性能特征以及運行和環(huán)境限制。隨著鋰電池技術的進步，RTCA 也對該文件進行了更新，于2017 年9 月21 日頒布了RTCA DO-227A[6]（非充電鋰電池最低運行性能標準）， 適用對象僅為非充電鋰電池，提供了非充電鋰電池在飛機設備上使用所需滿足的一系列要求和測試評估標準。

RTCA 規(guī)定，對于飛機上使用非充電鋰電池的設備，總體上需要進行3 個層次的測試來驗證其性能是否滿足標準，分別是針對單個電池的測試、針對電池組的測試以及針對設備的測試，每部分測試又可分為功能性測試以及安全性測試，另外在各項測試開始之前還需進行環(huán)境測試，以確保在實際運行中可能會出現(xiàn)的環(huán)境條件下，設備的性能是良好的。

表1、2 及3 分別為針對單個電池、電池組以及設備的功能性測試以及安全性測試的項目和評估標準。

除此之外， 為了避免實驗的偶然性影響實驗結(jié)果，RTCA DO-227A 還對測試樣本以及各部分測試的順序做了詳細地說明。

從表1～表3 可以看出，每個測試項目，都需要關注鋰電池是否會出現(xiàn)泄漏，發(fā)泄，歪曲，起火，破裂的情況，以及其開路電壓的值，來判定電池是否通過測試。

5 結(jié)語

隨著非充電式鋰電池技術的不斷進步，未來在民航飛機上將得到越來越多的使用，國產(chǎn)大飛機也將在一些飛機設備中使用非充電式鋰電池供電。參考國外相關適航規(guī)章以及符合性測試方法，對我國運輸類飛機非充電式鋰電池審定條款的制定大有裨益。

表1 電池測試評估標準 代碼：F=失敗，A=允許

表2 電池組測試評估標準 代碼：F=失敗，A=允許