于 燕 王 偉 張 明

（1.中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200126；2.中國民航大學(xué)適航學(xué)院，天津 300300；3.中國民航大學(xué)中歐學(xué)院，天津 300300）

0 前言

目前，隨著非充電式鋰電池技術(shù)的發(fā)展，其能量密度及荷電量得到逐步提高， 由于還具有重量輕、放電曲線穩(wěn)定、綠色環(huán)保等的優(yōu)點(diǎn)[1]，飛機(jī)制造商業(yè)逐步將其運(yùn)用到運(yùn)輸類飛機(jī)中。 最典型的如空客公司將其應(yīng)用到各個(gè)系列飛機(jī)的緊急定位發(fā)射器（ELT）中，當(dāng)飛機(jī)受到巨大外力撞擊或觸水時(shí)，緊急定位發(fā)射器會自動開啟并發(fā)射求救信號，相關(guān)的搜救組織可以根據(jù)該信號及時(shí)進(jìn)行搜救。 然而由于鋰電池內(nèi)部含有可燃性電解液，并且會在使用過程中產(chǎn)生鋰金屬，因此具有一定的危險(xiǎn)性。2013 年7 月12 日，一架停放在倫敦希斯羅機(jī)場的波音787 飛機(jī)突然冒出濃煙，調(diào)查證明就是ELT 內(nèi)的鋰電池破損，造成了鋰電池的過熱導(dǎo)致的。 2020 年，實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果顯示安裝在空客系列飛機(jī)的ELT 上的非充電式鋰電池缺乏對28 伏直流電或115 伏交流電的保護(hù)措施[2]，可能會導(dǎo)致熱擴(kuò)散和電池著火，因此FAA 接連發(fā)布了5 個(gè)適航指令（AD），要求必須在ELT 和終端塊（Terminal block）之間安裝二極管來對ELT 進(jìn)行升級。 由此可見，關(guān)注非充電式鋰電池在飛機(jī)上使用的不安全因素，分析非充電式鋰電池的適航條款及相關(guān)符合性驗(yàn)證方法是很有必要的。

1 空客C- 2 9 5 飛機(jī)介紹

C295 飛機(jī)是空中客車集團(tuán)研制的多用途渦輪螺旋槳運(yùn)輸機(jī)，該型飛機(jī)堅(jiān)固耐用，并且生命周期成本低，另外通用性強(qiáng)，有多種變體，如C295 預(yù)警機(jī)、C295空中加油機(jī)、C295 反潛巡邏機(jī)等，C-295 飛機(jī)由CN-235 飛機(jī)改裝而來，保留了CN-235 飛機(jī)的基本特性，機(jī)上有85%的部件可與CN-235 通用，主要的修改是增加了六個(gè)新框架， 使機(jī)艙的總長度增加了3 m，現(xiàn)在達(dá)到了12.69 m，可容納乘員71 人，另外，機(jī)翼的燃料容量變大， 機(jī)翼結(jié)構(gòu)也得到了加強(qiáng)以承受新的重量。 從性能的角度來看，CASA C-295 的巡航速度為260 KTAS，巡航高度為7620 m，航程為5400 kn，最大有效載荷為9 700 kg， 最大飛行時(shí)間可達(dá)11 小時(shí)。C295 配備了兩臺加拿大普惠公司的PW127G 渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)，具有出色的操縱性能，優(yōu)越的性能特點(diǎn)使得其可以使用短的且未完全準(zhǔn)備好的跑道。

2 非充電鋰電池及其安全性風(fēng)險(xiǎn)

鋰電池大致可分為兩類： 鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰金屬電池通常是不可充電的，且內(nèi)含金屬態(tài)的鋰，鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的。

非充電鋰電池是一種高能化學(xué)原電池，俗稱鋰電池，由5 個(gè)基本組件組成：正、負(fù)極極片、隔膜、電解液、外包裝。其中以金屬鋰為負(fù)極，固體鹽類或溶于有機(jī)溶劑的鹽類為電解質(zhì)， 金屬氧化物或其他固體、液體氧化劑為正極活性物。

由于鋰電池內(nèi)部儲存了大量的能量，且含有不穩(wěn)定的金屬鋰及可燃性電解液，一旦發(fā)生故障，可能會引起火災(zāi)及爆炸，在飛機(jī)上造成嚴(yán)重的后果。目前，根據(jù)FAA 的研究報(bào)告， 與非充電鋰電池有關(guān)的已知潛在危險(xiǎn)及失效模式如下：

（1）內(nèi)部失效：一般來說，鋰電池比鎳鎘或鉛酸電池更容易遭受內(nèi)部失效的影響，從而造成自我激勵的溫度和壓力的升高。另外，金屬鋰還容易自燃，導(dǎo)致火災(zāi)或者爆炸。

（2）快速或不平衡放電：多電池組中單個(gè)電池的快速放電或者不平衡的放電可能會造成過熱現(xiàn)象，從而導(dǎo)致不可控的排熱狀況，進(jìn)而導(dǎo)致熱事件或爆炸。

（3）可燃性：與鎳鎘和鉛酸電池不同，鋰電池的電化學(xué)系統(tǒng)中使用更高的能量和電流，以最大限度地儲存能量，還使用極度易燃的液體電解質(zhì)，一旦鋰電池外殼破裂，電解質(zhì)以及電極均可作為燃料，從而引發(fā)嚴(yán)重的火災(zāi)。

另外，關(guān)于鋰電池的相關(guān)研究[3]表明鋰電池還具有易膨脹變形、漏氣漏液、線路短路等潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 F AA 審查專用條件分析

由于非充電式鋰電池通過新的化學(xué)成分將更高的能量引入到飛機(jī)系統(tǒng)， 并且電池組中的電池的互聯(lián)引入了需要獨(dú)特的設(shè)計(jì)考慮的故障模式，如熱管理措施，以致FAA 認(rèn)為，對于該設(shè)計(jì)特點(diǎn)，現(xiàn)有的適航規(guī)章沒有包含足夠的或者適當(dāng)?shù)陌踩珮?biāo)準(zhǔn)。 所以針對非充電式鋰電池在飛機(jī)上的安裝，F(xiàn)AA 于2016 年4 月22日， 頒布了第一份正式的專用條件Special Conditions No.25-612-SC[4]，適用于灣流GVI 飛機(jī)，并列入了該飛機(jī)的審定基礎(chǔ)。 此后，F(xiàn)AA 也針對波音787 系列飛機(jī)、空客A350 系列飛機(jī)、達(dá)索航空獵鷹系列飛機(jī)等安裝有非充電式鋰電池的機(jī)型制定了鋰電池審查專用條件。

下面，將以FAA 于2020 年1 月7 日最新發(fā)布的針對空客C-295 飛機(jī)非充電式鋰電池審查的專用條件Special Conditions No.25-764-SC[5]為例，介紹并解讀非充電式鋰電池在飛機(jī)上安裝所需滿足的安全標(biāo)準(zhǔn)。 另外，需要說明的是，EASA 關(guān)于非充電式鋰電池的審查專用條件與該專用條件內(nèi)容及要求基本相同。

專用條件No.25-764-SC 用以替代第25-123 號修正案中的25.1353（b）（1）至（b）（4）條款，并列入該飛機(jī)的審定基礎(chǔ)，共包含8 條內(nèi)容：

（1）設(shè)計(jì)為在所有可預(yù)見的工作條件下可以維持安全的電池溫度和壓力，以防止起火和爆炸。

（2）設(shè)計(jì)時(shí)可防止自我激勵的、不可控制的溫度或壓力升高。

（3）在正常使用中或在電池失效時(shí)，不會釋放爆炸性或有毒氣體，這些爆炸性或有毒氣體可能會在飛機(jī)內(nèi)大量積聚。

（4）滿足§25.863 的要求。

（5）可能會溢出的腐蝕性液體或氣體不會損壞周圍結(jié)構(gòu)或相鄰系統(tǒng)，設(shè)備或電線，從而產(chǎn)生更加嚴(yán)重的后果。

（6）具有措施可以防止因鋰電池或其單個(gè)單元的任何失效而產(chǎn)生的大量熱量對飛機(jī)結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)造成災(zāi)難性的后果。

（7）具有故障檢測和警告系統(tǒng)，以在故障影響飛機(jī)的安全運(yùn)行時(shí)向機(jī)組發(fā)出警報(bào)。

（8）如果飛機(jī)的安全運(yùn)行需要該電池的功能，則機(jī)組人員或維護(hù)人員應(yīng)有方法可以確定電池的電量狀態(tài)。

專用條件1 要求電池組中的每個(gè)單個(gè)電池必須可以保持安全的溫度和壓力。專用條件2 闡述了相同的問題，但是是對于整個(gè)電池而言的，專用條件2 要求電池的設(shè)計(jì)應(yīng)可以防止熱事件的傳播，例如相鄰電池間自我激勵的、不可控制的溫度或者壓力的升高。

專用條件1 和2 旨在確保電池可以消除潛在的無法控制的故障。 但是，一定數(shù)量的失效是由于設(shè)計(jì)者無法控制的各種因素導(dǎo)致的。 因此，其他特殊條件旨在發(fā)生故障時(shí)可以保護(hù)飛機(jī)及其乘員。

專用條件3、7、8 是不言自明的，不做進(jìn)一步解釋。

專用條件4 闡明了適用于非充電鋰電池裝置的第25.863 條 款對 易 燃 流 體 防 火 的 要 求，25.863 條 款適用于飛機(jī)上可能暴露于泄漏的易燃液體的區(qū)域。非充電鋰電池中的電解質(zhì)是易燃液體。

專用條件5 要求每個(gè)非充電鋰電池可能會溢出的腐蝕性流體或氣體不得損壞周圍的結(jié)構(gòu)或鄰近的系統(tǒng)，設(shè)備或電線，進(jìn)而導(dǎo)致更嚴(yán)重的失效狀況。

專用條件5 解決腐蝕性流體和氣體的問題，而專用條件6 解決熱量的問題。專用條件6 要求每個(gè)可充電鋰電池具有措施可以防止因鋰電池或其單個(gè)單元的任何失效而產(chǎn)生的大量熱量對飛機(jī)結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)造成的災(zāi)難性的后果。滿足專用條件5 和6 的方法可能相同，但是它們是獨(dú)立的解決不同危害的要求。

對于專用條件7 和8，“飛機(jī)的安全運(yùn)行。 ”定義為在失效或者其他的非正常狀況下可以持續(xù)的安全飛行和著陸。具有不可充電鋰電池的備用飛行儀表是飛機(jī)安全運(yùn)行所需要的一個(gè)示例。

4 RTC A 符合性驗(yàn)證測試方法分析

1995 年6 月23 日，美國航空無線電技術(shù)委員會（RTCA）頒布了RTCA DO-227 文件（鋰電池最低運(yùn)行性能標(biāo)準(zhǔn)），目的是提供鋰電池在飛機(jī)上使用的指導(dǎo)，包括與鋰電池的設(shè)計(jì)、測試、應(yīng)用、操作與存儲相關(guān)的需求與通用指南，為鋰電池的設(shè)計(jì)方、制造方以及使用者提供鋰電池的性能特征以及運(yùn)行和環(huán)境限制。隨著鋰電池技術(shù)的進(jìn)步，RTCA 也對該文件進(jìn)行了更新，于2017 年9 月21 日頒布了RTCA DO-227A[6]（非充電鋰電池最低運(yùn)行性能標(biāo)準(zhǔn)）， 適用對象僅為非充電鋰電池，提供了非充電鋰電池在飛機(jī)設(shè)備上使用所需滿足的一系列要求和測試評估標(biāo)準(zhǔn)。

RTCA 規(guī)定，對于飛機(jī)上使用非充電鋰電池的設(shè)備，總體上需要進(jìn)行3 個(gè)層次的測試來驗(yàn)證其性能是否滿足標(biāo)準(zhǔn)，分別是針對單個(gè)電池的測試、針對電池組的測試以及針對設(shè)備的測試，每部分測試又可分為功能性測試以及安全性測試，另外在各項(xiàng)測試開始之前還需進(jìn)行環(huán)境測試，以確保在實(shí)際運(yùn)行中可能會出現(xiàn)的環(huán)境條件下，設(shè)備的性能是良好的。

表1、2 及3 分別為針對單個(gè)電池、電池組以及設(shè)備的功能性測試以及安全性測試的項(xiàng)目和評估標(biāo)準(zhǔn)。

除此之外， 為了避免實(shí)驗(yàn)的偶然性影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，RTCA DO-227A 還對測試樣本以及各部分測試的順序做了詳細(xì)地說明。

從表1～表3 可以看出，每個(gè)測試項(xiàng)目，都需要關(guān)注鋰電池是否會出現(xiàn)泄漏，發(fā)泄，歪曲，起火，破裂的情況，以及其開路電壓的值，來判定電池是否通過測試。

5 結(jié)語

隨著非充電式鋰電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來在民航飛機(jī)上將得到越來越多的使用，國產(chǎn)大飛機(jī)也將在一些飛機(jī)設(shè)備中使用非充電式鋰電池供電。參考國外相關(guān)適航規(guī)章以及符合性測試方法，對我國運(yùn)輸類飛機(jī)非充電式鋰電池審定條款的制定大有裨益。

表1 電池測試評估標(biāo)準(zhǔn) 代碼：F=失敗，A=允許

表2 電池組測試評估標(biāo)準(zhǔn) 代碼：F=失敗，A=允許