运输类飞机非充电式锂电池系统安装专用条件研究

吴浩文

摘 要：从运输类飞机适航的视角来看，非充电式锂电池系统的安装被视为一种新颖独特设计特征，目前还不具备充分针对性的适航规章要求。本文研究了非充电式锂电池在运输类飞机上的应用和存在的安全性风险，研究和解读了FAA对此项设计特征制定的专用条件，以期在国内民机适航工作中参考借鉴。

关键词：运输类飞机 适航 非充电式 锂电池 专用条件

中图分类号：U468 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（b）-0023-02

1 非充电式锂电池引发的事件

2013年7月12日，伦敦希思罗机场塔台的工作人员从一架停放在机场的波音787客机上发现有烟雾冒出，机场消防接到通知后随即赶到现场，并向飞机喷洒水和泡沫。消防员在登机后发现客舱后部烟雾浓烈，并在客舱顶部内饰板上发现有着火迹象。消防员首先试图采用了Halon灭火器灭火，但无法奏效，随后改用水才熄灭明火。事件发生后，英国航空事故调查局AAIB迅速介入调查，初步技术调查表明，客机后机身位置遭受高热量损伤，而损伤部位是飞机应急定位发射机ELT和相关系统导线的安装位置，除此以外没有其他设备。事件发生时飞机处于断电状态。各种线索都将事件原因指向了ELT设备内部安装的锂电池。波音787飞机配置了Honeywell公司的ELT，为了满足适航规章要求对应急情况下必须具备独立于飞机供电系统的电源，因此在ELT内安装了锂电池。深入调查发现，ELT的锂电池有破损痕迹，无论是锂电池破损后的泄露还是外部电路短路，都可能造成锂电池的过热状态，并引发自燃和火灾。因此这是一起典型的由非充电式锂电池引起的航空器地面事故。

2 非充電式锂电池在运输类飞机上的应用和安全性风险

波音787飞机应急定位发射机ELT内采用的是一种非充电式锂电池，全称锂-二氧化锰电池（Lithium-manganese dioxide，Li-MnO2）。这是一种较新型的锂金属电池，特殊工艺的二氧化锰为正极，高电位、高比能量的金属锂为负极活性物质，电解液采用导电性能良好的有机电解质溶液。这类电池具有重量轻、能量密度高、放电曲线稳定、绿色环保等优点，但不允许充电。优异的性能使非充电式锂电池在运输类飞机的机载系统中得到广泛应用，目前的应用范围涉及以下几类。

驾驶舱和航空电子系统，如显示器、全球定位系统、驾驶舱语音记录器、飞行参数记录器、水下定位信标、导航计算机、集成式航电计算机、卫星网络和通信系统、通信管理单元、远程监控电子现场可更换单元等。

客舱安全、娱乐和通信设备，包括应急定位发射机、救生筏、逃生滑梯、安全带安全气囊、客舱管理系统、以太网交换机、多媒体服务器、机上无线网络系统、机载娱乐系统、卫星电视、遥控器、和手持式装置等。

货舱区域的系统，包括货舱门控制、传感器、视频监控设备、和安保系统等。

然而，此类锂电池由于储存了很大的能量，且含有锂金属物质和可燃性电解液，因此也存在很高的可燃性，有引起火灾和爆炸的风险。目前，根据锂电池在运输类飞机上的安装和设计特征，识别出潜在的危害和失效模式，主要包括内部失效、快速或不平衡放电、易燃性。

内部失效：一般来说，相比于镍镉或铅酸蓄电池，锂电池更容易受到内部失效的影响，譬如电路短路等。内部失效造成的锂电池过热会引发“热失控”现象，也就是锂电池放热致使电池自身内部的温度和压力快速上升。由于金属锂可以被点燃，从而可能引起锂电池自燃甚至爆炸。

快速或不平衡放电：多电池组中一块电池的快速放电或不平衡放电导致的电池过热状态，如果产生了足够热量，会使得相邻电池也进入热失控状态，容易形成不可控的通风环境，进而导致整个电池组过热或爆炸。

易燃性：与镍镉和铅酸蓄电池不同，锂电池的电化学系统具有更高的能量和电流，从而能够最大限度地配置金属锂中存储的电量。同时，锂电池中还使用了极度易燃的液体电解质。如果电池外壳遭到破坏，可燃性电解液和锂金属将成为火源引起火灾。

3 非充电式锂电池的专用条件

当前，通用的电池安装适航要求落实在运输类飞机适航规章§25.1353（b）（1）-（4）款中，相对于锂电池的技术特点，该条款的制定年代较早，因此从适航标准的角度，非充电式锂电池被视为是一项新颖独特的设计特征。美国联邦航空局FAA认为，有必要通过制定专用条件来建立与现有适航标准等效的安全水平，并在后续规章制定中进行针对性的修订。2016年4月22日，FAA编制了第一份正式的专用条件“Special Conditions No.25-612-SC，Gulfstream Aerospace Corporation， Gulfstream GVI Airplane； Non-Rechargeable Lithium Battery Installations”，适用对象为湾流GVI飞机。经过一年征求意见，专用条件于2017年4月22日正式生效。随后FAA还对波音737-8系列、波音747-8系列、波音787-9系列、空客A350系列、空客A380-800系列、湾流G280、Embraer ERJ 170-200 LR、Embraer ERJ 190-300等具有非充电式锂电池安装设计特征的机型制定了同等要求的专用条件。

专用条件中定义的非充电式锂电池系统不仅包括电池本身，还包括电池的保护电路、监控电路、告警电路，其他的电池内部或外部硬件，以及可能需要的通风设施和封装设备。考虑到锂电池的组合模式和封装形式、所包含的化学成分，较高的能量密度、引入的新失效模式，FAA认为非充电式锂电池系统需要特殊的设计考虑，如过热、防火等问题，因此将专用条件的具体要求编写为以下8条。

专用条件替代修正案25-123中§25.1353（b）（1）-（4），要求每个非充电式锂电池系统的安装必须：（1）在所有可预期的飞机运行环境下，使电池保持安全的温度和压力，以防止电池着火和爆炸。（2）防止发生自发激励的、不可控制的温度或压力升高的情况。（3）正常工作时，或发生故障时，从任何电池逸出的易爆或有毒气体，在飞机内的积聚量不得达到危险程度。（4）满足运输类飞机适航规章§25.863的要求。（5）可能溢出的腐蚀性液体或气体，均不得损伤周围结构或邻近的系统、设备或电线，从而不会导致失效等级为较大（Major）或更严重的失效状态。（6）有措施防止电池或某个单体电池故障时所发出的最大热量危及飞机结构或系统。（7）具有失效敏感和警告系统，当电池故障影响飞机继续安全运行时向飞行机组发出警告。（8）如果电池功能是飞机安全运行所需的功能，飞行机组和维修人员应具有能够判定电池剩余电量的措施。endprint

专用条件1要求，非充电式锂电池中的每个单独电池应设计成，能够保持安全的温度和压力。专用条件2提出了同样的要求，但针对的是整个电池系统。专用條件2要求电池系统的设计应能防止电池发热的扩散，如自发激励的、不可控制的温度或压力升高的情况，不应从单体电池向邻近电池扩散。

专用条件1和2旨在确保非充电式锂电池系统及其中单体电池的设计能够消除潜在的不可控失效。当然，设计中无法杜绝或控制所有的危险因素，必定会产生一定数量的故障，那么后续几条专用条件的目标就是在这些失效状态发生时保护飞机和乘员的安全。

专用条件3、7和8的要求不言自明，无需进一步解读。

专用条件4明确指出，§25.863条款的可燃液体防火要求适用于非充电式锂电池系统的安装。§25.863条款适用于可能暴露在可燃液体渗漏影响下的飞机区域。非充电式锂电池包含的电解质即属于该条款涉及到的可燃液体。

专用条件5要求非充电式锂电池系统溢出的腐蚀性液体或气体均不得损伤周围结构或邻近的系统、设备或电线。专用条件6要求每个非充电式锂电池系统的安装必须具有措施防止电池或某个单体电池故障时发出的最大热量危及飞机结构或系统。表明符合以上两条专用条件要求的方法可以是相同的，但这两条是针对不同危害的、相互独立的要求，专用条件5针对腐蚀性液体和气体，而专用条件6针对热量。

此外，修正案25-123仍然适用于除非充电式锂电池系统外的其它种类电池系统的安装。

4 结语

非充电式锂电池在运输类飞机上的应用前景广阔，在可预期的未来，中国自主研发的大飞机上也将采用非充电式锂电池设计特征。适航当局和工业界都已关注到其发展趋势和可能面临的安全性风险，也意识到目前针对性适航要求的缺失和不完备。因此，研究和解读FAA制定的专用条件在当前境况下尤为必要，可以在借鉴和参考国外局方成熟适航经验的基础上，推动国内运输类飞机适航工作的发展。

参考文献

[1] The United Kingdom AAIB，Air Accident Investigations Branch Bulletin S5/2013[Z].2013.

[2] FAA Special Conditions No. 25-612-SC，Gulfstream Aerospace Corporation， Gulfstream GVI Airplane： Non-Rechargeable Lithium Battery Installations[Z].2016.

[3] FAA，Amendment FAR 25-123[Z].2008

[4] 中国民用航空局，运输类飞机适航标准CCAR-25-R4[S].2016.endprint