运输类飞机锂离子电池系统专用条件分析

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 引言

相比于飞机上传统使用的镍镉蓄电池，锂电池具有能量密度高、工作电压高、自放电率低、循环寿命长、充放电效率高[1]等优点，民机制造商逐步将锂电池应用于飞行面板和航空电子系统，如显示器、全球定位系统；客舱安全、娱乐和通信设备以及货物区域系统。波音公司首次在波音787 飞机上将锂离子电池用作主电池以及辅助动力电池， 为此FAA 美国联邦航空管理局在2007年制定了适航审查专用条件25-359-SC[2]，并列入其审定基础，此后，随着更多的新设计的飞机使用锂电池作为动力电池，FAA 也针对不同机型颁布了不同的专用条件，如2018年3月16日针对本田飞机公司HA-420 飞机颁布了专用条件No.23-287-SC；2019年7月22日针对庞巴迪DHC-8 系列飞机颁布专用条件等No. 25-19-09-SC 等。 本文将介绍FAA 于2020年10月23日最新颁布的针对达索公司的改装后的猎鹰900 飞机锂电池的审查专用条件。

1 猎鹰900 飞机及其锂离子电池系统概述

猎鹰900 飞机是法国达索公司研制的喷气式远程公务机，配备有3 台霍尼韦尔TFE731-60 发动机，两台在机身后部两侧，一台安在垂直尾翼基部。 飞行里程超过8046 km，最高速度可达447 节。 猎鹰900机身两侧各有12 个舷窗，最多可载客19 人，最大起飞重量为20638 kg， 采用后掠式下单翼， 后掠式垂尾，中置水平尾翼的构型。 芝加哥喷气机集团对这款飞机进行了改装， 使用了Midcontinent Instrument 公司生产的TS835 可充电锂电池作为备用电池。TS835 具有4.5 安倍小时的电池容量， 利用先进的NanoPhosphate 锂离子技术——一种能量存储解决方案，与金属氧化物锂离子化学电池相比，具有更高的安全性和滥用耐受性， 并且比传统铅酸设计轻63%，平均预期寿命为8年。 在正常运行期间，TS835 锂电池利用来自飞机主要能量供应的输入能量对内部电池单元进行充电和/或保持充电状态。 一旦飞机主要能源丧失，TS835 将自动为相关的外部负载供电，且不会中断。

2 飞机锂离子电池系统安全风险

锂离子电池中含有大量的活泼的锂金属物质和具有可燃性的有机电解液，并且随着锂离子电池的体积和重量越来越大，其散热性和稳定性变差，在飞机上一旦出现意外，将会有很严重的事故发生。目前，根据锂离子电池在飞机上的设计和安装特征，参考国内外相关研究报告[1-3]，归纳出主要的安全风险包括过度充电、过度放电/不平衡放电、内部失效、漏气漏液等。

过度充电：在电池过度充电状态下，锂离子电池内部持续的反应加热更容易形成不稳定的金属锂，金属锂的自燃性将导致自我激励式的起火甚至是爆炸，由于运输类飞机锂电池容量大， 含有更多的电解液，过度充电导致的起火与爆炸将带来严重的后果。

过度放电/不平衡放电： 锂离子电池过度放电时会导致电池电极的腐蚀， 从而会导致电池容量下降，并且这种损伤是无法通过充电来恢复的，另外，多电池组中的部分电池的过度放电或者不平衡放电会导致整个处于过热状态，并且很有可能会导致相邻的电池过热，进而导致整个电池组的过热或者起火。

内部失效：一般说来，相比于传统的镍铬蓄电池，锂电池更容易发生内部短路或者断路的现象，导致内部失效。 电池发生内部短路后， 随着温度的不断升高， 电池内部的正极、负极和电解液之间的各种反应接连发生， 包括电解液的分解反应、负极与电解液的反应，这些反应可能会造成内部过热，引起电池内部温度和压力快速上升，导致不可控制的后果。

漏气漏液：锂电池泄露后，其中含有的电解液或其他物质排放到飞机内部，达到一定浓度时，可能会引起腐蚀，起火，爆炸或者具有毒性，影响飞机结构或者飞机成员的安全。

3 猎鹰900 飞机锂离子电池审定专用条件分析

由于芝加哥喷气机集团对猎鹰900 飞机进行了改型， 使用了TS835 可充电锂电池作为备用电池，FAA认为该电池具有新颖或不寻常的设计特点， 于是在对该机型进行补充型号合格证书审定时，FAA 根据适航规章21.16 的规定于2020年10月23日颁布了9 条专用条件No.25-776-SC[4]来代替修正案25-123 中的§25.1353（b）（1）至（b）（4），并纳入该机型的审定基础：

（1）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，以防止火灾和爆炸。

（2）可防止自我激励的、不可控制的温度或压力升高，并可以自动控制每个电池的充电速率，以防止不利的工作条件，如电池不平衡充电、回充、过度充电和过热。

（3） 无论是在正常使用中还是在电池失效时，不会释放爆炸性或有毒气体，防止爆炸性或有毒气体会在飞机内积聚大量。

（4）满足条款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的灾难性的后果。

（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）具有监视和警告功能。 如果飞机的安全运行需要该电池的功能，则当它的荷电量降至可允许水平以下时，系统会向机组发出警报。

（9）具有一种在温度过高或者电池故障的情况下自动与其充电源断开连接的方法。

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 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 和8 是不言自明的，FAA 此次不做进一步的解释。

专用条件4 阐明了适用于可充电锂电池装置的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。

专用条件5 要求每个可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9 要求可充电锂电池具有“自动”控制充电速率以及脱开充电源的功能，由于锂电池充电时化学反应的快速特性，手动干预无法及时或有效地缓解与电池有关的风险。

4 结语

相比于飞机上传统使用的镍铬或铅酸蓄电池，锂电池具有能量密度高、功率密度大等优点，随着锂电池技术的发展， 在飞机上得到广泛应用是大势所趋。如今工业界和适航当局都意识到锂电池在飞机上使用存在一定的安全风险， 现有的适航条款还不完备，参考国内外相关报告及FAA 制定的专用条件， 对推进锂电池在飞机上的安全应用及国内适航工作的开展具有很大的意义。