飛機鋰電池火災控制策略淺析

崔紅偉 戰京景 赫世棟

摘 要：鋰電池以重量輕、蓄電量大的特點得到廣泛應用，飛機上使用鋰電池作為應急蓄電池組或者航空運輸鋰電池的過程中，火災時有發生，造成巨大損失，嚴重影響飛機飛行安全。本文通過對鋰電池火災特點和滅火劑滅火效果進行研究，得到針對飛機不同部位鋰電池火災的控制方法，對飛機防火系統設計及安全運行具有一定的指導意義。

關鍵詞：防火系統；鋰電池火災；飛機安全；控制策略

1.引言

近幾年，鋰電池以小的空間和輕重量實現大的蓄電量和放電電流優勢得到市場青睞。在小型電子設備（筆記本電腦、手機、照相機等），交通工具（電動車、電動汽車、混合動力汽車等）和航空器（航空器的應急照明和發動機以及 APU等部位）中得到了廣泛應用，目前我國鋰電池市場規模每年擴展40%，已經躍居世界第三位。

鋰電池優點眾多，但同時，鋰電池也十分危險，非常容易發生火災爆炸。據FAA的報道，1991年至2018年間，144起空難是由航空器鋰電池（包括航空器使用的和運輸的鋰電池）引起，因此，飛機鋰電池火災控制研究十分迫切而重要。

2.鋰電池火災特點及滅火劑研究

通過建立鋰電池燃燒試驗模型，如圖1所示，通過大量試驗，結果表明鋰電池火災具有如下特點：

①爆燃性

鋰電池自身是一個封閉的系統，當環境溫度過高，其吸收熱量，發生放熱反應，使內部溫度升高，同時生成的熱會逐漸積聚，使放熱反應加速，鋰過熱后有溫度飛升的問題。也就是說，一旦溫度達到一定程度，鋰會自身產生熱，導致溫度進一步升高，直至起火。自加速反應產生的氣體使電池內壓急劇升高進而發展為爆燃。

②復燃性

目前航空器使用的哈龍1211和1301滅火劑僅能熄滅噴出的電解液火災，但不能抑制電池內部的放熱反應，因此表面上火情已被撲滅，但內部的放熱反應使電池溫度的升高仍會使其復燃。因此，一旦鋰電池發生燃爆，其火勢將得不到控制，極有可能導致機毀人亡。

通過選取典型的滅火劑進行鋰電池火災滅火特性試驗[1]，滅火劑分為水基和非水基兩大類，水基滅火劑以液柱形式釋放，非水基滅火劑以霧狀形式釋放。

試驗表明：

①水可以有效熄滅燃燒的電解液，同時可以有效阻止熱失控的發生；

②水基滅火劑具有較好的冷卻效果，滅火劑使用量的越多，溫度降低的越多；

③非水基滅火劑只有較小的冷卻能力，并且，非水基滅火劑使用量的大小，對冷卻效果影響不明顯；

④哈龍1211和1301可以有效熄滅燃燒的電解液，但卻不能阻止熱失控，滅火過程中，會發生多次復燃。

3.鋰電池火災控制策略

3.1 客艙鋰電池火災控制

飛機客艙的鋰電池火災主要由旅客隨身攜帶的筆記本電腦、手機、移動充電電源等引發，對于此類火災的發生，可以及時被機組人員及旅人發現，因此，只要滅火控制措施有效，方法得當，就可以有效控制火情[2]。

飛機客艙中應同時設置有數量相當的哈龍類滅火器和水類滅火器。當便攜式鋰電池設備發生火災時，如火勢較小，可以直接使用水類滅火器進行滅火和抑熱；當火勢較大時，可先使用哈龍滅火器進行火勢控制，熄滅表面火，待火勢較小時，再使用水類滅火器進行抑熱控制，阻止復燃。

3.2 貨艙鋰電池火災控制

根據民機貨艙的種類（A、B、C、E類）[3]不同，特征不同，針對性開展貨艙鋰電池火災控制設計。

（1）A類貨艙

運輸的鋰離子電池充電量盡量小，最好控制在30%電量以下[4]；在A級貨艙運輸鋰離子電池時，應在貨艙內布置相應數量的哈龍類手提滅火瓶及水類滅火瓶；當發生火災時，先用哈龍滅火瓶熄滅表面火，再利用水類滅火瓶控制熱失控，防止復燃，直到火災完全熄滅。

（2）B類貨艙

運輸的鋰離子電池充電量盡量小，最好控制在30%電量以下；在B級貨艙運輸鋰離子電池時，應在貨艙內布置煙霧探測裝置，并且同時布置相應數量的哈龍類手提滅火瓶及水類滅火瓶；當煙霧探測裝置報警后，立即前往貨艙內查看火情，并利用手提滅火瓶進行滅火（哈龍先，水類后）。

（3）C類貨艙

在C級貨艙運輸鋰離子電池時，應在貨艙內布置煙霧探測裝置，并且設置一套貨艙固定式滅火系統，用于飛機前貨艙和后貨艙的滅火。當貨艙煙霧探測系統探測到貨艙出現火災，并向機組人員發出告警后，機組人員啟動滅火系統進行滅火。滅火系統包括2個高速滅火瓶和2個低速滅火瓶，當滅火系統啟動后，2個高速滅火瓶首先工作，噴出滅火劑使貨艙內迅速達到滅火濃度，撲滅火災；2個低速滅火瓶再以較低速度向艙內補充滅火劑，使艙內滅火劑保持一定的濃度，持續較長時間，保證火災不出現復燃。

高速滅火瓶和低速滅火瓶都充填1301滅火劑，滅火劑的劑量根據艙內容積和通風情況進行計算確定。每個滅火瓶設置一個釋放栓頭，滅火瓶釋放栓頭通過電爆管控制開啟；滅火瓶上設置溫壓傳感器監測瓶內溫度與壓力，用于檢測滅火瓶出現的泄漏故障；設置1個滅火瓶安全釋放口，當滅火瓶內壓力達到安全釋放壓力時，安全膜片破裂，滅火瓶泄壓，防止滅火瓶內壓力過高對瓶體及環境造成危害。

根據滅火瓶充填狀態及系統布置情況，對滅火系統進行性能計算，確定每管段管徑，保證滅火噴嘴的壓力及噴射流量；通過對滅火劑噴射后貨艙滅火劑濃度場進行仿真分析，確定每個滅火噴嘴的安裝位置及噴口噴射方向。通過上述設計，使高速滅火瓶噴射后艙內滅火劑滿足體積濃度6%，持續0.5s的最低要求，低速滅火瓶噴射后艙內滅火劑滿足體積濃度3%，持續75min的要求。

當貨艙內運輸有鋰離子電池，并且發生火情后，機組人員除了按照飛行手冊執行滅火操作，應立即返航或就近著陸，徹底檢查火情。

建議運輸鋰離子電池時，將電池放置于C級貨艙，并控制鋰電池的充電量，同時可以考慮適當增大滅火系統的滅火體積濃度（滅火劑濃度在8%左右更為有利）。

（4）E類貨艙

因為E級貨艙沒有設置滅火系統，并且沒有人員可以到達的通道，因此， E級貨艙禁止運輸鋰離子電池。

3.3 電子設備艙鋰電池火災控制

鋰離子電池組用于在地面和空中啟動發動機，或者在地面發動機停車后提供地面輔助作業用電，多安裝于飛機電子設備艙，因此，對電子設備艙的有效探測是減小鋰離子電池防火的重點。

以空客A380飛機為例[5]，A380的電子設備艙采用的煙霧探測器由西門子公司研制。利用將探測器安裝在通風管路上，使得發生火災早期產生的煙霧主動進入探測器，實現變被動為主動，發現早期的火災。

當煙霧探測裝置報警后，機械師立即前往電子設備艙內查看火情，確認火災后，首先切斷相應區域電源，利用手提滅火瓶進行滅火（哈龍先，水類后）。

3.4 APU艙鋰電池火災控制

當鋰離子電池組安裝于APU艙時，雖然APU艙本身固有探測系統（氣動式火警探測器）及固定式滅火系統（哈龍1301），但是，由于APU艙本身的氣流量較大，其滅火系統只會在0.5s的時間保持滅火劑濃度6%，對于鋰離子電池組的火災，只能短時熄滅表面火，不能保持對火勢的長時間抑制，因此，無法進行有效滅火。

波音公司對安裝于APU艙的鋰離子電池組專門設計了一個密封殼體，將鋰離子電池組放置其中，如圖2所示。

新的殼體不光隔熱，還阻絕空氣。燃燒的三要素是燃料、溫度和空氣。如果沒有空氣存在，燃燒是不能持續的。新殼體有效地阻絕了空氣，具有窒息火災的作用。在波音的試驗中，電解液被有意釋放，殼體受到強烈加熱，但由于缺乏空氣，殼體內無法引起燃燒和溫度飛升。即使在引入空氣后，由于空間有限，而且后續空氣無法進入，燃燒也只持續了200毫秒就熄滅了。

4 結論

鋰電池火災特性爆裂而易復燃，目前，還沒有哪一種滅火劑可以在短時間內完全對其控制。徹底解決鋰電池火災對飛機危險的辦法有兩個：一是從鋰電池本身進行研究，找到其著火的真正原因，并加以解決；二是研發出新的滅火劑或滅火方法可以完全控制其燃燒。本文的控制策略只在以上兩個方法得到解決之前的過渡，在短期內對保證鋰電池的使用，保證飛機的運行安全，具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]Fire Safety Highlights. By： FAA 2013.

[2]Laptop computer fire extinguishment .FAA. 2012.

[3]CCAR-25-R4，中國民用航空規章第25部運輸類飛機適航標準.

[4]運輸散裝鋰電池的可燃程度評估，FAA. 2010.

[5]A380 Technical training manual maintenance course .2009 AIRBUS.

作者簡介：崔紅偉（1982-）男，漢族，河北保定人，研究生學歷，

中級職稱，從事航空防火系統研究，現就職于天津航空機電有限公司淺析飛機.