民用飞机蓄电池选用权衡研究

刘虔

【摘 要】蓄电池是民用飞机电源系统的独立应急备份电源。目前，常用的蓄电池产品主要有镍镉蓄电池、铅酸蓄电池以及锂电池等。本文针对民机常用的蓄电池做权衡研究，为民机设计时蓄电池的选用提供依据。

【关键词】民用飞机；镍铬蓄电池；锂电池

中图分类号： TM912 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）19-0208-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.19.094

Study on the selection of battery for civil aircraft

LIU Qian

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute， Electrical Integration Department， Shanghai 201210， China）

【Abstract】battery is an independent emergency backup power supply for civil aircraft power system. At present， most commonly used battery products include nickel cadmium batteries， lead-acid batteries and lithium batteries. This paper deals with the balance of batteries commonly used by civil aircraft， and provides a basis for selection of batteries for civil aircraft design.

【Key words】Civil aircraft；Nickel-cadmium battery；Lead-acid battery

0 引言

目前，在民用飞机上，蓄电池作为系统独立的应急备份电源，当飞机电源系统失去主供电能源时，保证重要仪表和关键系统能够正常运行。另外，飞机蓄电池还可用于地面起动辅助发电机。在大多数飞机上，主要有两类蓄电池，用于系统供电的主蓄电池和APU蓄电池，和飞控系统专用的飞控蓄电池。

民用飞机上可选用的蓄电池产品有镍镉蓄电池、铅酸蓄电池和锂电池。其中镍镉蓄电池技术成熟，可靠性和安全性较高，作为主蓄电池应用于目前的绝大多数民用飞机上。而铅酸蓄电池由于能量密度较低应用较少，在部分机型中，铅酸蓄电池作为飞控蓄电池为飞控系统供电。近年来，锂电池技术发展迅速，已被应用于很多工业领域。由于锂电池不含重金属，对环境污染小，能量密度大等优势，也引气民用航空领域的关注，并已作为主蓄电池应用于最新的B787和A350上。

1 锂电池和镍镉蓄电池权衡分析

蓄电池系统通常由蓄电池、蓄电池控制器、相关接触器、保险丝等部分构成。其中蓄电池和蓄电池接触器是系统的核心部件，蓄电池控制器会根据电源系统构型，判断蓄电池的工作状态。蓄电池控制器通过测量和控制蓄电池的输出电压、充放电电流和蓄电池温度实现对蓄电池的控制和保护。另外，蓄电池控制器还会将测量的相关数值传递给机上其他系统，用于系统显示。

通常，飞机对蓄电池系统有如下的要求：

（1）为了操作和维护方便，蓄电池电路中，需设置相应的接触器和控制开关；

（2）蓄电池控制器，需要监测和控制蓄电池的充电电流，以保证蓄电池的快速充电的同时不损坏蓄电池内电源模块；

（3）蓄电池的安装设计应该考虑给维护人员足够的维护空间，方便快速拆卸和安装；

（4）由于蓄电池工作时会因为化学反应产生气体：镍铬电池在工作时会分解水产生氢气和氧气，锂电池工作时也会因为发热导致蓄电池内气体膨胀。因此，需要对蓄电池设计相应的通风管道，以便气体能够排出，消除安全隐患。

（5）蓄电池系统需要满足CCAR-25 1353适航条款的各项要求。

现阶段，民用飞机上常用的主蓄电池/APU蓄电池多为镍镉蓄和锂电池电池。两者的功率密度、充放电特性等各个方面有较大区别，本文将对此进行分析，为民机设计时蓄电池的选用提供依据。

1.1 能量密度

本节中选择了四种有代表性的电池作比较：Saft公司的ULM505CH镍镉蓄电池和日本GS Yuassa公司的3种锂离子电池，对比结果详见表1。

由表1可见，锂钴、锂锰离子、锂磷酸铁电池的重量能量密度是镍镉蓄电池的2倍，锂钴电池的体积能量密度是镍镉蓄电池的1.5倍，可以看出，锂电池在能量密度上要远大于镍铬电池。

1.2 充/放電特性

表2是镍铬电池和锂电池充放电特性的对比，可以看出。镍铬电池的化学性能较为稳定，锂电池则有较高的充放电效率。由表2可见，锂离子电池自放电在每月在10%以下，优于镍铬电池。锂电池工作温度范围宽为-20℃～60℃，尽管比镍铬电池稍差，但是也能满足民用航空的基本要求。锂电池可快速充放电，一般情况下，1个单位时间可以充到额定容量的80%以上。

需要注意的是，锂电池由于化学性能比较活跃，放电曲线会在多次充放电之后发生改变。另外，锂电池尽管不存在记忆特性，但是过度充放电会对锂电池造成不可逆的永久损伤。因此，锂电池对配套的电池控制器要求也会更高。

1.3 维护性和使用寿命对比

1.3.1 维护性

根据民用飞机的使用经验，一般地，每隔2500个飞行小时需要对镍铬电池进行一次例行检查和返修，返修工作需要将镍铬电池内的蓄电池单元进行维护，通过充放电循环以保证蓄电池单元的电压；同时需要对蓄电池单元内的电解液进行补充。

在B777飞机上，使用了一种免维护密封型镍镉蓄电池。与传统的镍镉蓄电池相比，免维护密封型镍镉蓄电池在蓄电池生命周期内不需要进行维护，但是，免维护密封型镍镉蓄电池的性能和寿命较传统镍铬电池会稍有下降。

锂离子电池是免维护的。除了飞机使用中例行的容量检查之外，一般不需要单独为锂电池维护制定维护计划；而且，锂电池相较镍镉蓄电池有着更低额放电率，因此可以储存更长的时间。目前，市场上仅有A350和B787飞机使用锂电池，多数航空公司在维护数据和维护经验上均有欠缺，因此实际运营中可能存在保养不当等问题。

1.3.2 使用寿命

镍镉蓄电池的设计、制造和保养技术均比较成熟。一般的，按照规定的定期检查计划进行保养的镍铬电池寿命约为6-8年。

由于锂离子的使用机型较新，尚未有较详实的经验数据。一般的，锂电池容量会随着电池使用而下降，实际使用中，锂电池深度放电会导致锂电池使用寿命大大降低，在实际使用中需要尽量避免。。

1.4 安全性、经济性分析和适用标准对比

1.4.1 安全性

现有的大量机型中，对于镍镉蓄电池的设计、制造、取证和使用经验比较丰富。通过蓄电池充电器、温度监控等措施，可以充分的满足CCAR-25 1353适航条款的各项要求。

由于锂电池的充电放电率较镍铬电池更高，产生的热量也更多。因此，需要更加可靠的蓄电池充电器以实现对锂电池工作状态更精确的控制。按照设计经验，锂电池充电器需要控制的电压精度需小于1%，这将为蓄电池系统的设计和适航审定工作提出更高要求，也具有更大的工程风险。另外，由于锂离子化学性能活泼，电池的电解液具有可燃性。这也为锂电池系统的安装提出更高的要求。现在已知的实际航空工程应用中，需要注意的安全性问题有：

1.4.2 经济性

由于锂电池正极材料为LiCoO2，其中含有的钴元素价格较高。另外，现有工艺上对锂电池电解质的提存比较困难。导致在目前市场上，锂电池的价格大概是镍镉蓄电池的三倍。考虑到在全生命周期内，锂电池的维护特性会由于镍铬电池，而且锂电池的重量更轻，会节省飞机运营成本。锂电池的经济性总体上优于镍镉电池。

1.4.3 标准规范方面的考虑

现阶段，锂电池和镍铬电池均有对应的技术条款：TSO-C179和TSO-C173。另外锂离子电池还有专用的适航条款：No.25-380-SC和No.25-359-SC。而蓄电池控制器则没有适用的技术条款。

2 总结

本文针对民用飞机常用的镍镉蓄电池和锂电池的选用做权衡研究，从功率密度及能量密度、充/放电特性、维护性和使用寿命以及安全性、经济性分析和适用标准四个方面作了全面比较，为民机研制时的蓄电池选择提供依据。

【参考文献】

[1]中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准.

[2]王家捷，王永红，穆举国，等.航空镉镍蓄电池的应用前景 电池工业，2002.10.

[3]杜珺，梁晓瑜.锂电池航空运输安全风险管理研究.安全與环境学报，2012.12.