魏娟

【摘 要】介紹了當(dāng)前民用飛機蓄電池的主要功能和類型，對比分析了鎳鎘蓄電池和鋰離子蓄電池在功率密度、充放電特性、維護性、使用壽命、安全性、經(jīng)濟性以及適航性方面的差異，結(jié)果表明鋰離子蓄電池在功率密度和充/放電特性方面明顯占優(yōu)勢，而鎳鎘蓄電池電池由于其目前應(yīng)用時間長，在維護性、壽命、安全性、經(jīng)濟性和適航性等方面具有優(yōu)勢。

【關(guān)鍵詞】民機；鎳鎘蓄電池；鋰離子蓄電池

【Abstract】The function and category of batteries on civil aircraft are introduced in this article. The differences between Nickel-cadmium Battery and Lithium-Ion Battery on power density， charge/discharge characteristics， maintainability， service life， safety， economical efficiency and airworthiness are also analyzed. The result shows that the Lithium-Ion Battery has superior power density and charge/discharge characteristics， while Nickel-cadmium Battery is predominant in maintainability， service life， safety， economical efficiency and airworthiness based on its mature usage.

【Key words】Civil aircraft； Nickel-cadmium Battery； Lithium-Ion Battery

0 引言

航空蓄電池（以下簡稱蓄電池）是民用飛機上的應(yīng)急電源和輔助備用電源，其主要功能是：

1）在飛機主發(fā)電機和應(yīng)急發(fā)電機不能供電時，向保證飛機安全飛行必需的關(guān)鍵設(shè)備供電；

2）作為起動飛機主發(fā)動機或輔助發(fā)動機的起動電源；

3）航前、航后短時維護用電源。

隨著民航業(yè)的發(fā)展，蓄電池在民用飛機安全飛行中起著至關(guān)重要的作用，越來越引起人們的關(guān)注。由于不同類型的蓄電池電氣性能和使用條件不同，故在民用飛機設(shè)計初期時就應(yīng)結(jié)合飛機要求，給予蓄電池選型充分的重視和考慮。

1 不同類型蓄電池特點和應(yīng)用概述

目前，民用飛機上選用的蓄電池產(chǎn)品主要有鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池以及鋰離子蓄電池等。

鉛酸蓄電池負極為鉛，正極為二氧化鉛，電解質(zhì)為硫酸。其使用歷史久，但功率密度低，自放電較大，可能有漏液和酸霧產(chǎn)生，應(yīng)用逐漸減少，只在小型飛機或低能量需求時使用（例如飛控蓄電池）；免維護鉛酸蓄電池（也即閥控式蓄電池）對傳統(tǒng)鉛酸蓄電池進行了改進，在使用中不需要添加水，并改善了傳統(tǒng)蓄電池的缺點，但仍在低溫性能和大電流放電能力方面欠缺，因此應(yīng)用仍不廣泛。

鎳鎘蓄電池負極為鎘，正極為氧化鎳，電解質(zhì)為氫氧化鉀水溶液。其技術(shù)成熟，可靠性和安全性較高，作為主要的急用電源應(yīng)用于目前的絕大多數(shù)民用飛機上，應(yīng)用面廣泛。

鋰離子蓄電池負極是碳（石墨），正極是氧化鋰鈷等，采用有機電解質(zhì)。近年來作為新技術(shù)發(fā)展迅速，已被應(yīng)用于很多工業(yè)領(lǐng)域。由于不含鎘、鉛、汞等對環(huán)境有污染的元素，鋰離子蓄電池現(xiàn)在是一個快速成長中的“綠色”電池系統(tǒng)，憑借其額定電壓高，功率密度大的突出優(yōu)點，也逐步地引起了民用飛機領(lǐng)域的關(guān)注，并已作為主蓄電池應(yīng)用于最新的B787和A350上。但因B787于2013年初相繼出現(xiàn)的鋰離子蓄電池過熱失火問題導(dǎo)致飛機停飛整改，也使人們意識到其安全性問題不容小覷。本文主要對鎳鎘蓄電池和鋰離子蓄電池兩種類型的航空蓄電池主要電氣性能進行比較和分析。

2 鎳鎘蓄電池和鋰離子蓄電池對比分析

鋰離子蓄電池和鎳鎘蓄電池雖然都可作為主蓄電池應(yīng)用于民用飛機電源系統(tǒng)，但在功率密度與能量密度、充放電特性、適航性、維護貯存，安全性以及經(jīng)濟性方面有較大區(qū)別。

2.1 功率密度與能量密度

相比于鋰離子蓄電池，鎳鎘蓄電池的功率密度（單位重量電池放電時功率輸出能力）較低。鋰離子蓄電池重量更輕，其每千克功率近似是鎳鎘蓄電池的2倍。兩類蓄電池功率密度對比的數(shù)據(jù)參見表1。

鋰離子蓄電池能量密度（單位重量電池所儲存的能量）較大，平均輸出電壓高。表2是法國Saft公司生產(chǎn)的ULM505CH 鎳鎘蓄電池和日本GS Yuassa湯淺綜合電池管理系統(tǒng)公司生產(chǎn)的3種鋰離子蓄電池的對比數(shù)據(jù)。

由表2可見，鋰離子蓄電池的能量密度大大高于鎳鎘蓄電池，其中鋰鈷電池數(shù)據(jù)較完整，可以看出各項能量密度均很大。

2.2 充/放電特性

相比于鎳鎘蓄電池，鋰離子蓄電池有較高的充放電率，適用于高密度需求的場合。3類鋰離子蓄電池有如下充放電性能，參數(shù)對比見表3。

1）鋰鈷氧為正極的鋰離子蓄電池具有開路電壓高，循環(huán)壽命長，能快速充放電等優(yōu)點，但安全性差；

2）鋰鎳氧較鋰鈷氧價格低廉，性能與鋰鈷氧相當(dāng)，具有較優(yōu)秀的嵌鋰性能（當(dāng)對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當(dāng)對電池進行放電時，嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高），即充放電率高，但制備困難；

3）鋰錳氧價格更為低廉，制備相對容易，而且其耐過充安全性能好，但其嵌鋰容量低，并且充放電時尖晶石結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定易使蓄電池性能不穩(wěn)。

由表3可見，鋰離子蓄電池自放電小，每月在10%以下。工作溫度范圍寬為-20℃～60℃。循環(huán)性能優(yōu)越、可快速充放電、充放電率高，輸出功率大。一般情況下，以1C速率充電時容量可以達到標(biāo)稱容量的80%以上。使用壽命長。

但需注意的是，鋰離子蓄電池在多次使用后，放電曲線會發(fā)生改變，鋰離子蓄電池雖然不存在記憶效應(yīng)，但是充電不當(dāng)會嚴重影響電池性能。鋰離子蓄電池過度充放電會對正負極造成永久性損壞：過度放電導(dǎo)致負極碳片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，而塌陷會造成充電過程中鋰離子無法插入；過度充電使過多的鋰離子嵌入負極碳結(jié)構(gòu)，而造成其中部分鋰離子再也無法釋放出來。

故充電電流過大，速度過快和終止電壓控制點不當(dāng)，會造成鋰離子蓄電池容量不足，這實際是電池的部分電極活性物質(zhì)沒有得到充分反應(yīng)就停止充電，這種充電不足的現(xiàn)象隨著循環(huán)次數(shù)的增加而加劇。

因此鋰電池需要嚴格的充/放電控制，以防止其發(fā)生失控或不可逆的物理或化學(xué)變化。相比于只需要進行充電過程控制的鎳鎘蓄電池，且其充電控制技術(shù)已非常成熟，鋰電池的充/放電控制器設(shè)計將更為復(fù)雜，要求更高。

2.3 維護性和使用壽命

2.3.1 維護性

鎳鎘蓄電池一般每隔2500個飛行小時例行檢查一次。維護期間要進行充放電循環(huán)以保持單元電池的平衡。鎳鎘蓄電池的電解液需要補充。免維護密封型鎳鎘蓄電池在B777上積累了相當(dāng)?shù)氖褂媒?jīng)驗，與傳統(tǒng)鎳鎘蓄電池相比，已不再需要進行電解液的補充和充放電的循環(huán)，但其性能和壽命會稍降。

鋰離子蓄電池是免維護的，每月的自放電率（參見表3）低于鎳鎘蓄電池，除容量檢查外，不需要進行電解液加滿和其他的維護計劃。

然而由于采用鋰離子蓄電池的B787機型仍處于運營初期階段，而A350鑒于B787鋰離子蓄電池風(fēng)波而中途改為鎳鎘蓄電池裝備，所以大部分航空公司還不熟悉這種蓄電池的維修保養(yǎng)。

2.3.2 使用壽命

鎳鎘蓄電池設(shè)計、制造和保養(yǎng)技術(shù)相對成熟，配合著定期檢查維護任務(wù)其使用壽命較長，一般為6-8年（見表3）。

部分鋰離子蓄電池使用壽命低于鎳鎘蓄電池，另一部分則高于鎳鎘蓄電池。鋰離子蓄電池在充電或放電過程中若發(fā)生過充電、深度放電或大電流放電時，會造成電池的損壞或降低使用壽命。需要嚴格地控制這類情況出現(xiàn)，使充放電過程中正負極材料的結(jié)構(gòu)不發(fā)生不可逆的變化，才可保護鋰離子蓄電池的循環(huán)次數(shù)和使用壽命。

2.4 安全性、經(jīng)濟性和適航性

2.4.1 安全性

鎳鎘蓄電池在大量機型上積累了相當(dāng)?shù)脑O(shè)計、制造、取證、運營和維護經(jīng)驗，有機載集成充電控制器、溫度監(jiān)控以及防火防爆等相關(guān)安全性設(shè)計。并且目前民用飛機上使用的鎳鎘蓄電池設(shè)計，能充分符合CCAR25部1353條款對應(yīng)的最低安全性要求。

如前文所述，鋰電池的充電放電控制邏輯比其他蓄電池要求更高，理論上充電器硬件可以相同，但由于過壓充電可能會帶來鋰電池永久性損壞，終止充電電壓精度允差為±1%，這將帶來繁重的蓄電池系統(tǒng)設(shè)計及適航審定工作量，具有相當(dāng)?shù)墓こ田L(fēng)險。

另外，鋰離子蓄電池不含鎘、鉛、汞等對環(huán)境有污染的元素，是綠色環(huán)保的電池。但由于鋰離子蓄電池電解液具有可燃性，需要遵循更嚴格的條例來保證防火安全性。一般來說，鋰電池系統(tǒng)的安全性考慮需要通過下列設(shè)計滿足：

1）設(shè)置安全排氣口；

2）含有機械安全裝置；

3）使用傳統(tǒng)型熔斷保護；

4）內(nèi)置式保護電路，防止蓄電池過充和過放；

5）外部保護電路，現(xiàn)在常用固態(tài)開關(guān)實現(xiàn)；

6）使用CAN總線等與飛機其他系統(tǒng)通訊實現(xiàn)監(jiān)測。

總結(jié)下來，鋰離子蓄電池在實際航空工程應(yīng)用中可預(yù)期的新安全性問題有：

1）相對于鎳鎘蓄電池需要更加復(fù)雜的充/放電控制邏輯；

2）可燃性電解液帶來的防火安全性考慮；

3）適航風(fēng)險。FAA針對Boeing787的鋰電池安裝問題已發(fā)布了專用條件No. NM375 Special Conditions No. 25-359-SC等（見2.4.3節(jié)分析）。

2.4.2 經(jīng)濟性

鋰電池目前比其他蓄電池都昂貴，大概是鎳鎘蓄電池的三倍。主要因素為：

1）正極材料LiCoO2的價格高，其中Co（鈷）為稀缺資源；

2）電解質(zhì)體系提純困難。

如2.3.1節(jié)所述，鋰離子蓄電池優(yōu)勢體現(xiàn)在后期較低的維護要求，可省去維護費用。由于近年來工業(yè)屆對混合電動汽車關(guān)注的增長而導(dǎo)致鋰離子蓄電池價格快速下降，其價格預(yù)期在3～5年內(nèi)可以與鎳鎘蓄電池價格相當(dāng)。同時，蓄電池的成本還需要與實際航空公司運營要求的更換頻率相結(jié)合考慮。

2.4.3 適航性

民用飛機上裝備的蓄電池需要滿足適航要求（最低標(biāo)準(zhǔn)），主要為CCAR25部1353條款中關(guān)于鎳鎘/鉛酸蓄電池的安裝、設(shè)計要求，以及TSO技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。TSO技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定是FAA為從機載設(shè)備方面保證主機系統(tǒng)的安全性，便于適航管理，為那些重要的和通用的機載設(shè)備制定的適航標(biāo)準(zhǔn)。鎳鎘蓄電池和鋰離子蓄電池分別適用的FAA TSO種類有：

故針對適航性方面，鎳鎘蓄電池有著豐富成熟的適航取證經(jīng)驗，對條款的理解已經(jīng)很充分；而鋰離子蓄電池因近年才發(fā)布了TSO技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，并且FAA已針對B787飛機鋰離子蓄電池發(fā)布了兩個專用條件，民機適航取證經(jīng)驗有限并且符合性要求高，對民用飛機制造商/主機廠而言存在一定的適航性風(fēng)險。

3 結(jié)論

鋰離子蓄電池在功率密度和充/放電特性方面明顯占優(yōu)勢，而鎳鎘蓄電池電池由于其目前應(yīng)用時間長，在維護性、壽命、安全性和經(jīng)濟性等方面具有優(yōu)勢?？紤]到實際工程應(yīng)用的可行性、安全性、經(jīng)濟性及適航工作量，現(xiàn)階段民用飛機宜采用技術(shù)相對成熟的鎳鎘蓄電池作為獨立的應(yīng)急電源。待鋰離子蓄電池的充放電控制技術(shù)、可燃性電解液的防火安全性設(shè)計、電解液提純等制備工藝技術(shù)發(fā)展之后，會有更為廣泛的應(yīng)用。

【參考文獻】

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[責(zé)任編輯：湯靜]