運輸類飛機鋰離子電池系統(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 引言

相比于飛機上傳統(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，民機制造商逐步將鋰電池應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、娛樂和通信設備以及貨物區(qū)域系統(tǒng)。波音公司首次在波音787 飛機上將鋰離子電池用作主電池以及輔助動力電池， 為此FAA 美國聯邦航空管理局在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，此后，隨著更多的新設計的飛機使用鋰電池作為動力電池，FAA 也針對不同機型頒布了不同的專用條件，如2018年3月16日針對本田飛機公司HA-420 飛機頒布了專用條件No.23-287-SC；2019年7月22日針對龐巴迪DHC-8 系列飛機頒布專用條件等No. 25-19-09-SC 等。 本文將介紹FAA 于2020年10月23日最新頒布的針對達索公司的改裝后的獵鷹900 飛機鋰電池的審查專用條件。

1 獵鷹900 飛機及其鋰離子電池系統(tǒng)概述

獵鷹900 飛機是法國達索公司研制的噴氣式遠程公務機，配備有3 臺霍尼韋爾TFE731-60 發(fā)動機，兩臺在機身后部兩側，一臺安在垂直尾翼基部。 飛行里程超過8046 km，最高速度可達447 節(jié)。 獵鷹900機身兩側各有12 個舷窗，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，中置水平尾翼的構型。 芝加哥噴氣機集團對這款飛機進行了改裝， 使用了Midcontinent Instrument 公司生產的TS835 可充電鋰電池作為備用電池。TS835 具有4.5 安倍小時的電池容量， 利用先進的NanoPhosphate 鋰離子技術——一種能量存儲解決方案，與金屬氧化物鋰離子化學電池相比，具有更高的安全性和濫用耐受性， 并且比傳統(tǒng)鉛酸設計輕63%，平均預期壽命為8年。 在正常運行期間，TS835 鋰電池利用來自飛機主要能量供應的輸入能量對內部電池單元進行充電和/或保持充電狀態(tài)。 一旦飛機主要能源喪失，TS835 將自動為相關的外部負載供電，且不會中斷。

2 飛機鋰離子電池系統(tǒng)安全風險

鋰離子電池中含有大量的活潑的鋰金屬物質和具有可燃性的有機電解液，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，在飛機上一旦出現意外，將會有很嚴重的事故發(fā)生。目前，根據鋰離子電池在飛機上的設計和安裝特征，參考國內外相關研究報告[1-3]，歸納出主要的安全風險包括過度充電、過度放電/不平衡放電、內部失效、漏氣漏液等。

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

過度放電/不平衡放電： 鋰離子電池過度放電時會導致電池電極的腐蝕， 從而會導致電池容量下降，并且這種損傷是無法通過充電來恢復的，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導致整個處于過熱狀態(tài)，并且很有可能會導致相鄰的電池過熱，進而導致整個電池組的過熱或者起火。

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

漏氣漏液：鋰電池泄露后，其中含有的電解液或其他物質排放到飛機內部，達到一定濃度時，可能會引起腐蝕，起火，爆炸或者具有毒性，影響飛機結構或者飛機成員的安全。

3 獵鷹900 飛機鋰離子電池審定專用條件分析

由于芝加哥噴氣機集團對獵鷹900 飛機進行了改型， 使用了TS835 可充電鋰電池作為備用電池，FAA認為該電池具有新穎或不尋常的設計特點， 于是在對該機型進行補充型號合格證書審定時，FAA 根據適航規(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），并納入該機型的審定基礎：

（1）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，以防止火災和爆炸。

（2）可防止自我激勵的、不可控制的溫度或壓力升高，并可以自動控制每個電池的充電速率，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，不會釋放爆炸性或有毒氣體，防止爆炸性或有毒氣體會在飛機內積聚大量。

（4）滿足條款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構或相鄰系統(tǒng)，設備或電線，從而產生更加嚴重的后果。

（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生的大量熱量對飛機結構或系統(tǒng)造成的災難性的后果。

（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）具有監(jiān)視和警告功能。 如果飛機的安全運行需要該電池的功能，則當它的荷電量降至可允許水平以下時，系統(tǒng)會向機組發(fā)出警報。

（9）具有一種在溫度過高或者電池故障的情況下自動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單個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 和8 是不言自明的，FAA 此次不做進一步的解釋。

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。

專用條件5 要求每個可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構或鄰近的系統(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生的大量熱量對飛機結構或系統(tǒng)造成的災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”控制充電速率以及脫開充電源的功能，由于鋰電池充電時化學反應的快速特性，手動干預無法及時或有效地緩解與電池有關的風險。

4 結語

相比于飛機上傳統(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，隨著鋰電池技術的發(fā)展， 在飛機上得到廣泛應用是大勢所趨。如今工業(yè)界和適航當局都意識到鋰電池在飛機上使用存在一定的安全風險， 現有的適航條款還不完備，參考國內外相關報告及FAA 制定的專用條件， 對推進鋰電池在飛機上的安全應用及國內適航工作的開展具有很大的意義。