航空鋰電池適航審定規章解讀及符合性方法研究

馬迎坤，邱弢

(中國民用航空適航審定中心西安航空器審定中心， 西安 710065)

0 引 言

航空蓄電池是民用飛機上的應急電源和輔助備用電源，用于保障機上重要儀表和關鍵系統在失去主供電能源時的正常運行和地面輔助發電機的啟動[1-3]。傳統客機廣泛使用鎳鎘電池作為蓄電池，但鎳鎘電池存在充放電電流小、能量密度低等缺點，限制了飛機性能的進一步提升。

相比而言，鋰離子電池(下文簡稱鋰電池)在上述性能方面有明顯優勢，民用飛機制造商開始嘗試在新產品上使用鋰離子電池[4-5]。其中，波音787飛機是全球第一款使用鋰離子蓄電池的運輸類民航客機。在對波音787飛機進行適航審定時，美國聯邦航空管理局(Federal Aviation Administration，簡稱FAA)認為機上安裝的可充電鋰電池是新穎獨特的設計，現行航空規章《運輸類飛機適航標準》[6]的安全要求不足，因此針對可充電鋰電池制定了專用條件25-359-SC，并列入波音787的審定基礎[7]。然而在2013年飛機投入運行不久就相繼發生多起鋰電池起火事故，并導致飛機停飛整改。這一事件暴露出民航業界對鋰電池的安全特性認識不足，在設計、驗證、審查和維護等環節缺乏足夠的經驗[8-9]。

中國擁有豐富的鋰礦產資源和完整的鋰電池產業鏈，是全球最大的鋰電池生產基地和消費市場，在交通運輸、消費電子、移動基站等領域，鋰電池都有廣泛的應用，裝機容量和技術水平居于全球領先地位。技術的進步和經驗的積累推動著國內鋰電池行業的安全性標準和驗證規范不斷完善。在安全性標準上，V.Ruiz等[10]、邵杰等[11]、楊杰等[12]和祝夏雨等[13]分別對鋰電池行業眾多現行標準進行解讀對比，并結合各自行業的實際經驗，對鋰電池的試驗驗證規范明確了改進方向；在驗證規范上，對于關鍵的鋰電池熱特性試驗和安全性評估方法，林深[14]和王莉等[15]通過深入研究，提出了新的思路。

在民用航空領域，對于鋰電池安全性標準和驗證規范的研究相對較少，吳浩文[16]、曹濤等[17]在參考借鑒國外局方審定經驗的基礎上，對航空蓄電池的適航規章和非充電鋰電池的專用條件進行了解讀；隋立軍等[9]則從規章角度出發，對鋰電池安裝提出了適航驗證要求。目前關于航空鋰電池符合性驗證方法的研究還是以參考和借鑒國外局方審定經驗為主，現有驗證方法在充分性、完整性和可追溯性上存在的問題未得到有效改進，相關技術標準的更新也相對滯后。

盡早利用我國鋰電池的產業優勢和技術實力，自主完善航空鋰電池相關規范，對于新技術的應用和國際標準話語權的提升都有促進作用。本文以波音787客機動力電池燃燒事故為例，分析航空鋰離子電池作為動力電池的安全性風險，從對現有規章條款和專用條件的解讀出發，借鑒鋰電池行業最新積累的驗證和使用經驗，針對航空動力鋰電池的環境試驗、電氣安全性測試、熱穩定性測試和功能安全性測試等符合性驗證試驗方法提出完善和改進方案。

1 鋰電池及其安全性風險

1.1 鋰電池性能

鋰離子電池是由正極材料、負極材料、隔膜、電解液和其他一些附件構成的。鋰電池的電解液與傳統電池(鉛酸電池、鎳鎘電池等)不同，為有機溶劑，電解質材料為無機陰離子鋰鹽，是離子導體、電子絕緣體。隔膜位于正負電極之間，起隔斷電子和透過離子的作用，使電子必須從外電路遷移，而離子則可以通過電解液移動，保證外電路有電流通過，防止電池內短路。鋰離子電池的正極材料一般選擇嵌鋰的金屬氧化物，常見的正極材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和鎳鈷錳酸鋰等，不同的正極材料使鋰電池在充放電功率、成本、高低溫穩定性、循環壽命、能量密度等性能上表現差異，因此需要根據應用場合的不同，選用不同性能的鋰電池。

雖然不同種類的鋰電池性能也有較大差距，但是同現有的鎳鎘電池比較，鋰電池的明顯優勢表現在[18]：

(1) 高能量密度：現階段不同種類鋰電池單體的能量密度可以達到150～300 Wh/kg，且性能還在不斷提升，而鎳鎘電池的能量密度約為60 Wh/kg。

(2) 功率密度大，連續放電電流高：鋰電池的功率密度是鎳鎘電池的2倍以上，相同容量下，鋰電池充放電電流遠遠高于鎳鎘電池，采用鋰電池可以滿足更大的負載。

(3) 工作溫度范圍寬：鋰電池的工作溫度區間為充電0～60 ℃，放電-30～70 ℃；鎳鎘電池的工作溫度區間為充電0～45 ℃，放電-20～60 ℃。而鋰電池可以在更極端的環境下工作。

(4) 自放電率低，無記憶效應：鋰電池沒有記憶效應，自放電率比鎳鎘電池低50%以上，可以長時間保存，降低維護成本。

1.2 鋰電池安全性風險

鋰電池存儲了大量的能量，一旦電池發生安全性失效導致意外的能量釋放，則可能引發嚴重的事故。鋰電池安全性失效模式主要表現為燃燒爆炸、發熱起火、膨脹變形、漏氣漏液等，失效的核心原因是電池發生熱失控。目前發生的多起航空動力電池燃燒事故，根據調查顯示，其原因即為電池單體出現內短路，電流升高產生熱量并不斷積累，引發熱失控，最終導致整個電池系統失效并起火燃燒[4]。電池在過充電、過放電、短路或極端溫度下都有可能引發熱失控，且鋰電池含有活潑的鋰金屬物質和具有可燃性的有機電解液，一旦起火，對整機危害極大。因此大容量的鋰電池通常采用多重安全保護措施，鋰電池系統的典型結構如圖1所示[19]，除了電池單體，電池系統箱體內通常還要集成過流保險、熱管理裝置和電池管理系統等，從而實現監控電池單體狀態、預警安全風險、管理充放電電流、調節系統溫度等功能。

圖1 含電池控制單元的電池系統典型結構

2 鋰電池適航規章

2.1 條款解讀

在針對蓄電池進行適航審定時，現階段主要參考FAA針對機上安裝的可充電鋰電池制定的專用條件25-359-SC[7]。該專用條件包含9條具體要求，將航空規章《運輸類飛機適航標準》第25.1353條款的要求引申到鋰電池上，并做了進一步明確，各專用條件的要求和內涵解讀如下：

第一條對應25.1353(b)(1)條款，是針對電池單體溫度和壓力的要求。在預期的充放電過程中，要確保鋰電池系統內的電池單體發生自持的、不可控的溫度或壓力升高的概率為極微小(10-7)，在各種失效情況下，電池的安裝能夠防止其發生爆炸。

第二條則是針對鋰電池系統溫度和壓力的要求。無論鋰電池系統內發生何種故障，要確保系統發生自持的、不可控的溫度或壓力升高的概率為極不可能(10-9)。

第三條同25.1353(b)(3)條款的要求基本一致，是對電池排放易燃易爆或有毒氣體的要求。無論在正常使用過程中，還是系統失效時，要求鋰電池系統除通過專門的泄壓裝置以外，不得向外釋放爆炸性的或有毒的氣體或煙霧；要求鋰電池系統必須能夠承受由于失效而產生的壓力，或者能夠通過泄壓裝置安全的釋放壓力；鋰電池排放的物質達到一定濃度后，可能會引起燃燒、爆炸或具有毒性，因此要求鋰電池排放的氣體如果在飛機內聚集時，其濃度不致產生危害。

第四條是對鋰電池電解液防火的要求。由于鋰電池電解液可能為可燃液體，鋰電池系統及其安裝需要符合規章25.863條——可燃液體防火的要求。

第五條對應25.1353(b)(4)條款，規定了鋰電池排放物如果具有腐蝕性時，對機體結構和機載設備影響的要求。要求確保從鋰電池內排放的腐蝕性氣體或液體不得對鋰電池安裝位置附近的結構、系統、設備或電纜等造成重大安全損害，其設計保證水平要符合25.1309(b)的要求。

第六條參考25.1353(b)(5)條款對鎳鎘電池發生短路時的要求，明確了對鋰電池的要求。當鋰電池系統短路或電池單體發生內短路時，會產生很大的熱量，要求鋰電池的安裝能夠避免這些熱量對結構和關鍵系統產生危害。

第七條對應25.1353(b)(6)條款，是對鋰電池報警功能的要求。鋰電池系統本身必須具備自動的安全保護系統，這個系統可以通過溫度監測或故障檢測的方式控制充電電流的大小，或者能夠直接切斷充電電流，確保鋰電池充電時不會過熱超溫。

第八條要求安裝動力鋰電池的飛機需要具備電池荷電狀態的指示和報警功能，可以向機組人員實時提供電池的準確狀態信息，且當電量低于簽派要求時，可以向機組告警。

第九條是對持續適航文件的要求。鋰電池的使用、保養和維護同傳統鎳鎘電池存在較大差別，因此持續適航文件必須包含如下信息：鋰電池充電間隔等正確的保養信息，確保鋰電池的電量不會過快衰減；電池備件的存儲要求，防止電池備件長期不合理存放導致電量過快衰減；維修和更換鋰電池的程序和要求等。

專用條件25-359-SC主要覆蓋4方面安全性要求：①規章25.1353條中對蓄電池性能和安裝的一些通用性要求；②由于鋰電池電解液具有可燃性，鋰電池及其安裝應滿足適航規章中可燃液體防火相關條款的要求；③對鋰電池的過度充放電提出專門的要求；④對鋰電池的保養和維護提出專門的要求。

2.2 符合性驗證試驗方法

2015年，FAA發布咨詢通告AC20-184《飛機可充電鋰電和電池系統試驗和安裝指南》[20]，明確了機載可充電鋰電池的典型適航要求，并引用航空無線電委員會(Radio Technical Commission for Aeronautics,簡稱RTCA)DO-311[21]和RTCA DO-160G[22]等標準作為可接受的驗證試驗方法。而標準中引用的驗證規范體系形成于2010年之前，同鋰電池行業飛速發展的狀況不相適應。目前在航空鋰電池的試驗驗證和適航審查等環節存在諸多問題[8]，主要表現為：

(1) 在試驗驗證環節，針對鋰電池的安全性驗證不夠充分，試驗判據不夠清晰明確，特別是對熱失控的設計缺陷未能進行充分驗證。

(2) 在安全性分析環節，由于驗證不完整，使得分析方法、數據來源和假設缺乏依據，不能充分評估鋰電池內短路可能產生的嚴重后果，從而未能針對鋰電池明確足夠的設計保證水平。

(3) 在審查環節，由于驗證環節缺乏可追溯性，審查過程也就難以識別驗證環節的遺漏。

因此鋰電池驗證試驗的完整性、充分性、可追溯性是適航審查關注的重點。

2.3 符合性驗證試驗方法改進建議

國內外主要標準化組織，如國際標準化組織(International Organization for Standardization，簡稱ISO)、歐洲經濟委員會(Economic Commission for Europe,簡稱ECE)、中華人民共和國國家標準(GB)和RTCA等規范體系中，關于鋰電池系統的技術要求包含多種機械安全性測試、環境安全性測試和電氣安全性測試項目，如表1所示，但是各行業在對鋰電池進行此類驗證時，在試驗樣本的狀態、試驗參數設置、符合性判定依據等方面均有所差異，得到的結論也不盡相同[10-13,22-24]。在未來的研究中，應注重逐步形成更加明確的試驗方法，提高驗證試驗的充分性和可重復性。波音787鋰電池事故也體現出已有標準對熱失控等關鍵故障的模擬和驗證在充分性和完整性上還存在不足。特別需要關注的是鋰電池系統的循環壽命、狀態監控、安全保護、故障診斷等性能和功能，它們將直接影響到電池系統的安全性，并且隨著技術的不斷進步，此類安全性功能的作用也愈發顯著。目前標準更新的趨勢也表明行業已更加注重系統層級的安全性能和功能的驗證。相比而言，RTCA DO-311A《可充電鋰電池最低運行性能標準》(以下簡稱DO-311A)的驗證方法主要還是針對電池單體的性能驗證，雖對電池系統的安全性功能和在飛機上的安裝提出了一系列要求，但在標準中并未給出明確的驗證方法。此外，現有驗證方法的判據還比較寬泛，多為描述性語言，如“無泄漏”“不起火”“不爆炸”等，缺乏可量化的指標，符合性驗證試驗方法研究的一個重要方向便是將電池的危害程度細化。因此，借鑒不同體系的鋰電池安全性標準和測試方法，可以為DO-311A標準航空鋰電池適航符合性驗證試驗方法提供有益補充。

表1 驗證標準體系試驗項目對標

2.3.1 環境試驗

在廣泛應用于鋰電池安全性測試的項目中，振動、沖擊、碰撞、濕熱循環、浸水、溫度沖擊、鹽霧和高海拔等環境試驗項目，可參照DO-160G《機載設備的環境條件和試驗程序》(以下簡稱DO-160G)進行試驗，但其通過性判據除了要求在試驗完成后鋰電池系統功能正常，無泄漏、外殼不破裂，電池不起火、不爆炸等，還應增加對試驗后電池絕緣電阻值的明確要求。不同狀態的鋰電池，其試驗結果會有所不同，例如鋰電池的荷電狀態(State of Charge,簡稱SOC)對測試結果就有較大的影響，不同的鋰電池安全性測試標準中，對試驗樣品的SOC有不同的規定，一般要求取50%～100%之間。而DO-160G中并未規定鋰電池試驗件的SOC，實際測試時，應當選取不同荷電狀態的鋰電池進行試驗，以確保環境試驗結果具有普遍性。

2.3.2 電氣安全性測試

電氣安全性測試主要包括外部短路試驗、過充電試驗和過放電試驗。這三項試驗廣泛應用于評估電池單體在短路、過度充電或深度放電情況下的安全性，要求電池單體在試驗過程中不起火、不爆炸。不過隨著電池系統功能和設計的逐步完善，通過系統層級的安全保護功能可以有效防止單體電濫用的發生，因此進行系統層級的功能安全性驗證比現有的針對單體的電氣安全性驗證更有意義。

2.3.3 熱穩定性試驗

熱穩定性試驗是用于評估鋰電池高溫穩定性和安全性的重要試驗。為了使熱穩定性試驗完整、充分并具有可重復性，參考國內外研究組織對熱穩定性試驗方法進行的探索，建議進行3種類型的熱穩定性試驗[19]：第一類試驗是通過高溫加熱或直接燃燒的方式，評估鋰電池在高溫下的穩定性，要求鋰電池在高溫下不發生爆炸；第二類試驗是通過逐步升溫的方式緩慢加熱鋰電池，直至引發電池熱失控，從而確定電池熱失控的溫度；第三類試驗是熱失控乘員保護分析驗證試驗，根據鋰電池熱失控機理和觸發方式的最新研究成果，明確對鋰電池采用針刺或加熱的方式引發熱失控(如圖2所示)，進而評估鋰電池系統對熱失控的監測功能，并要求鋰電池系統可以在危險發生前一定時間提供報警信號，以便機組采取相應措施。

(a) 針刺

2.3.4 功能安全性驗證

功能安全性驗證的目的是確定電池系統功能安全要求的完整性和正確性，確保滿足規章和專用條件的安全要求。目前鋰離子電池系統的安全性功能通過電池管理系統(Battery Management System,簡稱BMS)實現，其功能主要包括：

(1) 監測電池系統內總電壓、總電流，單體電壓、單體電流和內部溫度等狀態參數。

(2) 對電池系統進行故障診斷，并對具體故障內容進行處理，如告警、故障保護等。

(3) 具有防止電池系統過充電、過放電、過溫、過流等保護功能。

(4) 具有SOC估算功能，并能達到精度要求。

鋰電池系統的安全性功能需要分別通過對應的試驗檢驗：

(1) 狀態參數測量精度檢測。將電池系統按照正常工作要求安裝，連接檢測電壓、電流、溫度等參數的檢測設備，將BMS的監測結果同檢測設備檢測的對應數據進行比較。

(2) 故障診斷功能驗證。通過模擬系統建立故障項目觸發條件，根據BMS的故障診斷結果進行功能確認。

(3) 安全防護功能驗證。使電池系統處于過溫、過充電、過放電、過流甚至短路狀態時，BMS能夠進入安全狀態，提供降溫、限流、斷電等安全保護措施，并提供報警信號或降級的提示信息給機組成員。

(4) 將電池系統按照正常工作要求安裝，測試不同環境溫度條件下電池系統的SOC，并同BMS的估算結果進行對比，計算系統估算精度。

電池的安全性試驗不是完全孤立的，應當要求同一試驗樣本完成環境試驗后，依然能夠通過功能安全性試驗的驗證，以此作為判定滿足25.1309(e)條款連續安全使用的標準；同一試驗項目，選擇不同狀態的電池(如不同的荷電狀態、循環壽命狀態、儲存狀態等)，或設定不同的試驗參數(如過充放電的電流、電壓，升溫速率等)，結果也會不盡相同，需要通過全面的驗證，確定合理的試驗參數，覆蓋盡可能多的試驗件狀態。所有的安全性試驗結論相互驗證，共同保障對適航條款的符合性。

3 結 論

(1) 為保證符合性驗證的充分性，應針對不同狀態(壽命狀態、荷電狀態、儲存狀態等)，選擇合理的試驗參數進行試驗驗證，并形成規范的試驗方法。

(2) 相比單體電池的驗證，符合性驗證試驗應特別注重對鋰電池進行系統層級的電氣安全性和功能安全性的驗證，并根據不同試驗的結果相互印證鋰電池對條款的符合性。

(3) 為了確保鋰電池的熱穩定性和安全性，應開展充分的熱穩定性試驗，通過三種類型的熱穩定性試驗全面評估鋰電池單體和系統的高溫穩定性和安全性。

此外，現有驗證標準的判據還比較寬泛，多為描述性的語言，缺乏可量化的指標，因此將電池的危害程度細化也是未來驗證方法研究的一個重要方向。