飞机非充电式锂电池专用条件及符合性方法研究

2021-04-13于燕王伟张明

科技视界 2021年7期

于燕王伟张明

（1.中国商用飞机有限责任公司，上海 200126；2.中国民航大学适航学院，天津 300300；3.中国民航大学中欧学院，天津 300300）

0 前言

目前，随着非充电式锂电池技术的发展，其能量密度及荷电量得到逐步提高，由于还具有重量轻、放电曲线稳定、绿色环保等的优点[1]，飞机制造商业逐步将其运用到运输类飞机中。最典型的如空客公司将其应用到各个系列飞机的紧急定位发射器（ELT）中，当飞机受到巨大外力撞击或触水时，紧急定位发射器会自动开启并发射求救信号，相关的搜救组织可以根据该信号及时进行搜救。然而由于锂电池内部含有可燃性电解液，并且会在使用过程中产生锂金属，因此具有一定的危险性。2013 年7 月12 日，一架停放在伦敦希斯罗机场的波音787 飞机突然冒出浓烟，调查证明就是ELT 内的锂电池破损，造成了锂电池的过热导致的。 2020 年，实验室测试结果显示安装在空客系列飞机的ELT 上的非充电式锂电池缺乏对28 伏直流电或115 伏交流电的保护措施[2]，可能会导致热扩散和电池着火，因此FAA 接连发布了5 个适航指令（AD），要求必须在ELT 和终端块（Terminal block）之间安装二极管来对ELT 进行升级。由此可见，关注非充电式锂电池在飞机上使用的不安全因素，分析非充电式锂电池的适航条款及相关符合性验证方法是很有必要的。

1 空客C- 2 9 5 飞机介绍

C295 飞机是空中客车集团研制的多用途涡轮螺旋桨运输机，该型飞机坚固耐用，并且生命周期成本低，另外通用性强，有多种变体，如C295 预警机、C295空中加油机、C295 反潜巡逻机等，C-295 飞机由CN-235 飞机改装而来，保留了CN-235 飞机的基本特性，机上有85%的部件可与CN-235 通用，主要的修改是增加了六个新框架，使机舱的总长度增加了3 m，现在达到了12.69 m，可容纳乘员71 人，另外，机翼的燃料容量变大，机翼结构也得到了加强以承受新的重量。从性能的角度来看，CASA C-295 的巡航速度为260 KTAS，巡航高度为7620 m，航程为5400 kn，最大有效载荷为9 700 kg，最大飞行时间可达11 小时。C295 配备了两台加拿大普惠公司的PW127G 涡轮螺旋桨发动机，具有出色的操纵性能，优越的性能特点使得其可以使用短的且未完全准备好的跑道。

2 非充电锂电池及其安全性风险

锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂金属电池通常是不可充电的，且内含金属态的锂，锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。

非充电锂电池是一种高能化学原电池，俗称锂电池，由5 个基本组件组成：正、负极极片、隔膜、电解液、外包装。其中以金属锂为负极，固体盐类或溶于有机溶剂的盐类为电解质，金属氧化物或其他固体、液体氧化剂为正极活性物。

由于锂电池内部储存了大量的能量，且含有不稳定的金属锂及可燃性电解液，一旦发生故障，可能会引起火灾及爆炸，在飞机上造成严重的后果。目前，根据FAA 的研究报告，与非充电锂电池有关的已知潜在危险及失效模式如下：

（1）内部失效：一般来说，锂电池比镍镉或铅酸电池更容易遭受内部失效的影响，从而造成自我激励的温度和压力的升高。另外，金属锂还容易自燃，导致火灾或者爆炸。

（2）快速或不平衡放电：多电池组中单个电池的快速放电或者不平衡的放电可能会造成过热现象，从而导致不可控的排热状况，进而导致热事件或爆炸。

（3）可燃性：与镍镉和铅酸电池不同，锂电池的电化学系统中使用更高的能量和电流，以最大限度地储存能量，还使用极度易燃的液体电解质，一旦锂电池外壳破裂，电解质以及电极均可作为燃料，从而引发严重的火灾。

另外，关于锂电池的相关研究[3]表明锂电池还具有易膨胀变形、漏气漏液、线路短路等潜在安全风险。

3 F AA 审查专用条件分析

由于非充电式锂电池通过新的化学成分将更高的能量引入到飞机系统，并且电池组中的电池的互联引入了需要独特的设计考虑的故障模式，如热管理措施，以致FAA 认为，对于该设计特点，现有的适航规章没有包含足够的或者适当的安全标准。所以针对非充电式锂电池在飞机上的安装，FAA 于2016 年4 月22日，颁布了第一份正式的专用条件Special Conditions No.25-612-SC[4]，适用于湾流GVI 飞机，并列入了该飞机的审定基础。此后，FAA 也针对波音787 系列飞机、空客A350 系列飞机、达索航空猎鹰系列飞机等安装有非充电式锂电池的机型制定了锂电池审查专用条件。

下面，将以FAA 于2020 年1 月7 日最新发布的针对空客C-295 飞机非充电式锂电池审查的专用条件Special Conditions No.25-764-SC[5]为例，介绍并解读非充电式锂电池在飞机上安装所需满足的安全标准。另外，需要说明的是，EASA 关于非充电式锂电池的审查专用条件与该专用条件内容及要求基本相同。

专用条件No.25-764-SC 用以替代第25-123 号修正案中的25.1353（b）（1）至（b）（4）条款，并列入该飞机的审定基础，共包含8 条内容：

（1）设计为在所有可预见的工作条件下可以维持安全的电池温度和压力，以防止起火和爆炸。

（2）设计时可防止自我激励的、不可控制的温度或压力升高。

（3）在正常使用中或在电池失效时，不会释放爆炸性或有毒气体，这些爆炸性或有毒气体可能会在飞机内大量积聚。

（4）满足§25.863 的要求。

（5）可能会溢出的腐蚀性液体或气体不会损坏周围结构或相邻系统，设备或电线，从而产生更加严重的后果。

（6）具有措施可以防止因锂电池或其单个单元的任何失效而产生的大量热量对飞机结构或系统造成灾难性的后果。

（7）具有故障检测和警告系统，以在故障影响飞机的安全运行时向机组发出警报。

（8）如果飞机的安全运行需要该电池的功能，则机组人员或维护人员应有方法可以确定电池的电量状态。

专用条件1 要求电池组中的每个单个电池必须可以保持安全的温度和压力。专用条件2 阐述了相同的问题，但是是对于整个电池而言的，专用条件2 要求电池的设计应可以防止热事件的传播，例如相邻电池间自我激励的、不可控制的温度或者压力的升高。

专用条件1 和2 旨在确保电池可以消除潜在的无法控制的故障。但是，一定数量的失效是由于设计者无法控制的各种因素导致的。因此，其他特殊条件旨在发生故障时可以保护飞机及其乘员。

专用条件3、7、8 是不言自明的，不做进一步解释。

专用条件4 阐明了适用于非充电锂电池装置的第25.863 条款对易燃流体防火的要求，25.863 条款适用于飞机上可能暴露于泄漏的易燃液体的区域。非充电锂电池中的电解质是易燃液体。

专用条件5 要求每个非充电锂电池可能会溢出的腐蚀性流体或气体不得损坏周围的结构或邻近的系统，设备或电线，进而导致更严重的失效状况。

专用条件5 解决腐蚀性流体和气体的问题，而专用条件6 解决热量的问题。专用条件6 要求每个可充电锂电池具有措施可以防止因锂电池或其单个单元的任何失效而产生的大量热量对飞机结构或系统造成的灾难性的后果。满足专用条件5 和6 的方法可能相同，但是它们是独立的解决不同危害的要求。

对于专用条件7 和8，“飞机的安全运行。 ”定义为在失效或者其他的非正常状况下可以持续的安全飞行和着陆。具有不可充电锂电池的备用飞行仪表是飞机安全运行所需要的一个示例。

4 RTC A 符合性验证测试方法分析

1995 年6 月23 日，美国航空无线电技术委员会（RTCA）颁布了RTCA DO-227 文件（锂电池最低运行性能标准），目的是提供锂电池在飞机上使用的指导，包括与锂电池的设计、测试、应用、操作与存储相关的需求与通用指南，为锂电池的设计方、制造方以及使用者提供锂电池的性能特征以及运行和环境限制。随着锂电池技术的进步，RTCA 也对该文件进行了更新，于2017 年9 月21 日颁布了RTCA DO-227A[6]（非充电锂电池最低运行性能标准），适用对象仅为非充电锂电池，提供了非充电锂电池在飞机设备上使用所需满足的一系列要求和测试评估标准。

RTCA 规定，对于飞机上使用非充电锂电池的设备，总体上需要进行3 个层次的测试来验证其性能是否满足标准，分别是针对单个电池的测试、针对电池组的测试以及针对设备的测试，每部分测试又可分为功能性测试以及安全性测试，另外在各项测试开始之前还需进行环境测试，以确保在实际运行中可能会出现的环境条件下，设备的性能是良好的。

表1、2 及3 分别为针对单个电池、电池组以及设备的功能性测试以及安全性测试的项目和评估标准。

除此之外，为了避免实验的偶然性影响实验结果，RTCA DO-227A 还对测试样本以及各部分测试的顺序做了详细地说明。

从表1～表3 可以看出，每个测试项目，都需要关注锂电池是否会出现泄漏，发泄，歪曲，起火，破裂的情况，以及其开路电压的值，来判定电池是否通过测试。