民用飛機(jī)蓄電池選型淺析

魏娟

【摘 要】介紹了當(dāng)前民用飛機(jī)蓄電池的主要功能和類型，對(duì)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(hù)性、使用壽命、安全性、經(jīng)濟(jì)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(shì)，而鎳鎘蓄電池電池由于其目前應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)，在維護(hù)性、壽命、安全性、經(jīng)濟(jì)性和適航性等方面具有優(yōu)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】民機(jī)；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(jiǎn)稱蓄電池）是民用飛機(jī)上的應(yīng)急電源和輔助備用電源，其主要功能是：

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

2）作為起動(dòng)飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)或輔助發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電源；

3）航前、航后短時(shí)維護(hù)用電源。

隨著民航業(yè)的發(fā)展，蓄電池在民用飛機(jī)安全飛行中起著至關(guān)重要的作用，越來(lái)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(jī)設(shè)計(jì)初期時(shí)就應(yīng)結(jié)合飛機(jī)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(diǎn)和應(yīng)用概述

目前，民用飛機(jī)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(fù)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(jī)或低能量需求時(shí)使用（例如飛控蓄電池）；免維護(hù)鉛酸蓄電池（也即閥控式蓄電池）對(duì)傳統(tǒng)鉛酸蓄電池進(jìn)行了改進(jìn)，在使用中不需要添加水，并改善了傳統(tǒng)蓄電池的缺點(diǎn)，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(fù)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(jī)上，應(yīng)用面廣泛。

鋰離子蓄電池負(fù)極是碳（石墨），正極是氧化鋰鈷等，采用有機(jī)電解質(zhì)。近年來(lái)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(duì)環(huán)境有污染的元素，鋰離子蓄電池現(xiàn)在是一個(gè)快速成長(zhǎng)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(diǎn)，也逐步地引起了民用飛機(jī)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(guò)熱失火問(wèn)題導(dǎo)致飛機(jī)停飛整改，也使人們意識(shí)到其安全性問(wèn)題不容小覷。本文主要對(duì)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(jìn)行比較和分析。

2 鎳鎘蓄電池和鋰離子蓄電池對(duì)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(jī)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(hù)貯存，安全性以及經(jīng)濟(jì)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(shí)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(duì)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(chǔ)存的能量）較大，平均輸出電壓高。表2是法國(guó)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(duì)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?cái)?shù)據(jù)較完整，可以看出各項(xiàng)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(chǎng)合。3類鋰離子蓄電池有如下充放電性能，參數(shù)對(duì)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(zhǎng)，能快速充放電等優(yōu)點(diǎn)，但安全性差；

2）鋰鎳氧較鋰鈷氧價(jià)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(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過(guò)電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達(dá)到負(fù)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(duì)電池進(jìn)行放電時(shí)，嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動(dòng)回正極。回正極的鋰離子越多，放電容量越高），即充放電率高，但制備困難；

3）鋰錳氧價(jià)格更為低廉，制備相對(duì)容易，而且其耐過(guò)充安全性能好，但其嵌鋰容量低，并且充放電時(shí)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(shí)容量可以達(dá)到標(biāo)稱容量的80%以上。使用壽命長(zhǎng)。

但需注意的是，鋰離子蓄電池在多次使用后，放電曲線會(huì)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(huì)嚴(yán)重影響電池性能。鋰離子蓄電池過(guò)度充放電會(huì)對(duì)正負(fù)極造成永久性損壞：過(guò)度放電導(dǎo)致負(fù)極碳片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，而塌陷會(huì)造成充電過(guò)程中鋰離子無(wú)法插入；過(guò)度充電使過(guò)多的鋰離子嵌入負(fù)極碳結(jié)構(gòu)，而造成其中部分鋰離子再也無(wú)法釋放出來(lái)。

故充電電流過(guò)大，速度過(guò)快和終止電壓控制點(diǎn)不當(dāng)，會(huì)造成鋰離子蓄電池容量不足，這實(shí)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(yán)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(jìn)行充電過(guò)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(jì)將更為復(fù)雜，要求更高。

2.3 維護(hù)性和使用壽命

2.3.1 維護(hù)性

鎳鎘蓄電池一般每隔2500個(gè)飛行小時(shí)例行檢查一次。維護(hù)期間要進(jìn)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(bǔ)充。免維護(hù)密封型鎳鎘蓄電池在B777上積累了相當(dāng)?shù)氖褂媒?jīng)驗(yàn)，與傳統(tǒng)鎳鎘蓄電池相比，已不再需要進(jìn)行電解液的補(bǔ)充和充放電的循環(huán)，但其性能和壽命會(huì)稍降。

鋰離子蓄電池是免維護(hù)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(jìn)行電解液加滿和其他的維護(hù)計(jì)劃。

然而由于采用鋰離子蓄電池的B787機(jī)型仍處于運(yùn)營(yíng)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(jì)、制造和保養(yǎng)技術(shù)相對(duì)成熟，配合著定期檢查維護(hù)任務(wù)其使用壽命較長(zhǎng)，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(guò)程中若發(fā)生過(guò)充電、深度放電或大電流放電時(shí)，會(huì)造成電池的損壞或降低使用壽命。需要嚴(yán)格地控制這類情況出現(xiàn)，使充放電過(guò)程中正負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)不發(fā)生不可逆的變化，才可保護(hù)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(jì)性和適航性

2.4.1 安全性

鎳鎘蓄電池在大量機(jī)型上積累了相當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)、制造、取證、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，有機(jī)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(jì)。并且目前民用飛機(jī)上使用的鎳鎘蓄電池設(shè)計(jì)，能充分符合CCAR25部1353條款對(duì)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(guò)壓充電可能會(huì)帶來(lái)鋰電池永久性損壞，終止充電電壓精度允差為±1%，這將帶來(lái)繁重的蓄電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)及適航審定工作量，具有相當(dāng)?shù)墓こ田L(fēng)險(xiǎn)。

另外，鋰離子蓄電池不含鎘、鉛、汞等對(duì)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(yán)格的條例來(lái)保證防火安全性。一般來(lái)說(shuō)，鋰電池系統(tǒng)的安全性考慮需要通過(guò)下列設(shè)計(jì)滿足：

1）設(shè)置安全排氣口；

2）含有機(jī)械安全裝置；

3）使用傳統(tǒng)型熔斷保護(hù)；

4）內(nèi)置式保護(hù)電路，防止蓄電池過(guò)充和過(guò)放；

5）外部保護(hù)電路，現(xiàn)在常用固態(tài)開關(guān)實(shí)現(xiàn)；

6）使用CAN總線等與飛機(jī)其他系統(tǒng)通訊實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。

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

1）相對(duì)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(lái)的防火安全性考慮；

3）適航風(fēng)險(xiǎn)。FAA針對(duì)Boeing787的鋰電池安裝問(wèn)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(jì)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(jià)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(shì)體現(xiàn)在后期較低的維護(hù)要求，可省去維護(hù)費(fèi)用。由于近年來(lái)工業(yè)屆對(duì)混合電動(dòng)汽車關(guān)注的增長(zhǎng)而導(dǎo)致鋰離子蓄電池價(jià)格快速下降，其價(jià)格預(yù)期在3～5年內(nèi)可以與鎳鎘蓄電池價(jià)格相當(dāng)。同時(shí)，蓄電池的成本還需要與實(shí)際航空公司運(yùn)營(yíng)要求的更換頻率相結(jié)合考慮。

2.4.3 適航性

民用飛機(jī)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(jì)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(jī)載設(shè)備方面保證主機(jī)系統(tǒng)的安全性，便于適航管理，為那些重要的和通用的機(jī)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(duì)適航性方面，鎳鎘蓄電池有著豐富成熟的適航取證經(jīng)驗(yàn)，對(duì)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(duì)B787飛機(jī)鋰離子蓄電池發(fā)布了兩個(gè)專用條件，民機(jī)適航取證經(jīng)驗(yàn)有限并且符合性要求高，對(duì)民用飛機(jī)制造商/主機(jī)廠而言存在一定的適航性風(fēng)險(xiǎn)。

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(shì)，而鎳鎘蓄電池電池由于其目前應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)，在維護(hù)性、壽命、安全性和經(jīng)濟(jì)性等方面具有優(yōu)勢(shì)。考慮到實(shí)際工程應(yīng)用的可行性、安全性、經(jīng)濟(jì)性及適航工作量，現(xiàn)階段民用飛機(jī)宜采用技術(shù)相對(duì)成熟的鎳鎘蓄電池作為獨(dú)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(jì)、電解液提純等制備工藝技術(shù)發(fā)展之后，會(huì)有更為廣泛的應(yīng)用。

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[責(zé)任編輯：湯靜]