魏 娟
(上海飞机设计研究院，中国 上海201210)
【摘 要】介绍了当前民用飞机蓄电池的主要功能和类型，对比分析了镍镉蓄电池和锂离子蓄电池在功率密度、充放电特性、维护性、使用寿命、安全性、经济性以及适航性方面的差异，结果表明锂离子蓄电池在功率密度和充/放电特性方面明显占优势，而镍镉蓄电池电池由于其目前应用时间长，在维护性、寿命、安全性、经济性和适航性等方面具有优势。
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关键词 民机；镍镉蓄电池；锂离子蓄电池
Analysis for Battery Category Selection of Civil Aircraft
WEI Juan
(Shanghai Aircraft Design and Research Institute， Shanghai 201210， China)
【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
航空蓄电池（以下简称蓄电池）是民用飞机上的应急电源和辅助备用电源，其主要功能是：
1）在飞机主发电机和应急发电机不能供电时，向保证飞机安全飞行必需的关键设备供电；
2）作为起动飞机主发动机或辅助发动机的起动电源；
3）航前、航后短时维护用电源。
随着民航业的发展，蓄电池在民用飞机安全飞行中起着至关重要的作用，越来越引起人们的关注。由于不同类型的蓄电池电气性能和使用条件不同，故在民用飞机设计初期时就应结合飞机要求，给予蓄电池选型充分的重视和考虑。
1 不同类型蓄电池特点和应用概述
目前，民用飞机上选用的蓄电池产品主要有铅酸蓄电池、镍镉蓄电池以及锂离子蓄电池等。
铅酸蓄电池负极为铅，正极为二氧化铅，电解质为硫酸。其使用历史久，但功率密度低，自放电较大，可能有漏液和酸雾产生，应用逐渐减少，只在小型飞机或低能量需求时使用（例如飞控蓄电池）；免维护铅酸蓄电池（也即阀控式蓄电池）对传统铅酸蓄电池进行了改进，在使用中不需要添加水，并改善了传统蓄电池的缺点，但仍在低温性能和大电流放电能力方面欠缺，因此应用仍不广泛。
镍镉蓄电池负极为镉，正极为氧化镍，电解质为氢氧化钾水溶液。其技术成熟，可靠性和安全性较高，作为主要的急用电源应用于目前的绝大多数民用飞机上，应用面广泛。
锂离子蓄电池负极是碳（石墨），正极是氧化锂钴等，采用有机电解质。近年来作为新技术发展迅速，已被应用于很多工业领域。由于不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素，锂离子蓄电池现在是一个快速成长中的“绿色”电池系统，凭借其额定电压高，功率密度大的突出优点，也逐步地引起了民用飞机领域的关注，并已作为主蓄电池应用于最新的B787和A350上。但因B787于2013年初相继出现的锂离子蓄电池过热失火问题导致飞机停飞整改，也使人们意识到其安全性问题不容小觑。本文主要对镍镉蓄电池和锂离子蓄电池两种类型的航空蓄电池主要电气性能进行比较和分析。
2 镍镉蓄电池和锂离子蓄电池对比分析
锂离子蓄电池和镍镉蓄电池虽然都可作为主蓄电池应用于民用飞机电源系统，但在功率密度与能量密度、充放电特性、适航性、维护贮存，安全性以及经济性方面有较大区别。
2.1 功率密度与能量密度
相比于锂离子蓄电池，镍镉蓄电池的功率密度(单位重量电池放电时功率输出能力)较低。锂离子蓄电池重量更轻，其每千克功率近似是镍镉蓄电池的2倍。两类蓄电池功率密度对比的数据参见表1。
锂离子蓄电池能量密度(单位重量电池所储存的能量)较大，平均输出电压高。表2是法国Saft公司生产的ULM505CH 镍镉蓄电池和日本GS Yuassa汤浅综合电池管理系统公司生产的3种锂离子蓄电池的对比数据。
由表2可见，锂离子蓄电池的能量密度大大高于镍镉蓄电池，其中锂钴电池数据较完整，可以看出各项能量密度均很大。
2.2 充/放电特性
相比于镍镉蓄电池，锂离子蓄电池有较高的充放电率，适用于高密度需求的场合。3类锂离子蓄电池有如下充放电性能，参数对比见表3。
１）锂钴氧为正极的锂离子蓄电池具有开路电压高，循环寿命长，能快速充放电等优点，但安全性差；
2）锂镍氧较锂钴氧价格低廉，性能与锂钴氧相当，具有较优秀的嵌锂性能（当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高），即充放电率高，但制备困难；
3）锂锰氧价格更为低廉，制备相对容易，而且其耐过充安全性能好，但其嵌锂容量低，并且充放电时尖晶石结构不稳定易使蓄电池性能不稳。
由表3可见，锂离子蓄电池自放电小，每月在10%以下。工作温度范围宽为-20℃～60℃。循环性能优越、可快速充放电、充放电率高，输出功率大。一般情况下，以1C速率充电时容量可以达到标称容量的80%以上。使用寿命长。
但需注意的是，锂离子蓄电池在多次使用后，放电曲线会发生改变，锂离子蓄电池虽然不存在记忆效应，但是充电不当会严重影响电池性能。锂离子蓄电池过度充放电会对正负极造成永久性损坏：过度放电导致负极碳片层结构出现塌陷，而塌陷会造成充电过程中锂离子无法插入；过度充电使过多的锂离子嵌入负极碳结构，而造成其中部分锂离子再也无法释放出来。
故充电电流过大，速度过快和终止电压控制点不当，会造成锂离子蓄电池容量不足，这实际是电池的部分电极活性物质没有得到充分反应就停止充电，这种充电不足的现象随着循环次数的增加而加剧。
因此锂电池需要严格的充/放电控制，以防止其发生失控或不可逆的物理或化学变化。相比于只需要进行充电过程控制的镍镉蓄电池，且其充电控制技术已非常成熟，锂电池的充/放电控制器设计将更为复杂，要求更高。
2.3 维护性和使用寿命
2.3.1 维护性
镍镉蓄电池一般每隔2500个飞行小时例行检查一次。维护期间要进行充放电循环以保持单元电池的平衡。镍镉蓄电池的电解液需要补充。免维护密封型镍镉蓄电池在B777上积累了相当的使用经验，与传统镍镉蓄电池相比，已不再需要进行电解液的补充和充放电的循环，但其性能和寿命会稍降。
锂离子蓄电池是免维护的，每月的自放电率（参见表3）低于镍镉蓄电池，除容量检查外，不需要进行电解液加满和其他的维护计划。
然而由于采用锂离子蓄电池的B787机型仍处于运营初期阶段，而A350鉴于B787锂离子蓄电池风波而中途改为镍镉蓄电池装备，所以大部分航空公司还不熟悉这种蓄电池的维修保养。
2.3.2 使用寿命
镍镉蓄电池设计、制造和保养技术相对成熟，配合着定期检查维护任务其使用寿命较长，一般为6-8年（见表3）。
部分锂离子蓄电池使用寿命低于镍镉蓄电池，另一部分则高于镍镉蓄电池。锂离子蓄电池在充电或放电过程中若发生过充电、深度放电或大电流放电时，会造成电池的损坏或降低使用寿命。需要严格地控制这类情况出现，使充放电过程中正负极材料的结构不发生不可逆的变化，才可保护锂离子蓄电池的循环次数和使用寿命。
2.4 安全性、经济性和适航性
2.4.1 安全性
镍镉蓄电池在大量机型上积累了相当的设计、制造、取证、运营和维护经验，有机载集成充电控制器、温度监控以及防火防爆等相关安全性设计。并且目前民用飞机上使用的镍镉蓄电池设计，能充分符合CCAR25部1353条款对应的最低安全性要求。
如前文所述，锂电池的充电放电控制逻辑比其他蓄电池要求更高，理论上充电器硬件可以相同，但由于过压充电可能会带来锂电池永久性损坏，终止充电电压精度允差为±1%，这将带来繁重的蓄电池系统设计及适航审定工作量，具有相当的工程风险。
另外，锂离子蓄电池不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素，是绿色环保的电池。但由于锂离子蓄电池电解液具有可燃性，需要遵循更严格的条例来保证防火安全性。一般来说，锂电池系统的安全性考虑需要通过下列设计满足：
１）设置安全排气口；
2）含有机械安全装置；
3）使用传统型熔断保护；
4）内置式保护电路，防止蓄电池过充和过放；
5）外部保护电路，现在常用固态开关实现；
6）使用CAN总线等与飞机其他系统通讯实现监测。
总结下来，锂离子蓄电池在实际航空工程应用中可预期的新安全性问题有：
１）相对于镍镉蓄电池需要更加复杂的充/放电控制逻辑；
2）可燃性电解液带来的防火安全性考虑；
3）适航风险。FAA针对Boeing787的锂电池安装问题已发布了专用条件No. NM375 Special Conditions No. 25-359-SC等（见2.4.3节分析）。
2.4.2 经济性
锂电池目前比其他蓄电池都昂贵，大概是镍镉蓄电池的三倍。主要因素为：
１）正极材料LiCoO2的价格高，其中Co（钴）为稀缺资源；
2）电解质体系提纯困难。
如2.3.1节所述，锂离子蓄电池优势体现在后期较低的维护要求，可省去维护费用。由于近年来工业届对混合电动汽车关注的增长而导致锂离子蓄电池价格快速下降，其价格预期在3~5年内可以与镍镉蓄电池价格相当。同时，蓄电池的成本还需要与实际航空公司运营要求的更换频率相结合考虑。
2.4.3 适航性
民用飞机上装备的蓄电池需要满足适航要求（最低标准），主要为CCAR25部1353条款中关于镍镉/铅酸蓄电池的安装、设计要求，以及TSO技术标准规定。TSO技术标准规定是FAA为从机载设备方面保证主机系统的安全性，便于适航管理，为那些重要的和通用的机载设备制定的适航标准。镍镉蓄电池和锂离子蓄电池分别适用的FAA TSO种类有：
１）TSO-C173：镍镉与铅酸蓄电池；
2）TSO-C179：可重复充电的锂离子单体电池和锂离子蓄电池。
另外，针对B787上锂离子蓄电池，FAA发布了以下适航专用条件：
１）专用条件No.25-380-SC；
2）专用条件No. 25-359-SC。
故针对适航性方面，镍镉蓄电池有着丰富成熟的适航取证经验，对条款的理解已经很充分；而锂离子蓄电池因近年才发布了TSO技术标准规定，并且FAA已针对B787飞机锂离子蓄电池发布了两个专用条件，民机适航取证经验有限并且符合性要求高，对民用飞机制造商／主机厂而言存在一定的适航性风险。
3 结论
锂离子蓄电池在功率密度和充/放电特性方面明显占优势，而镍镉蓄电池电池由于其目前应用时间长，在维护性、寿命、安全性和经济性等方面具有优势。考虑到实际工程应用的可行性、安全性、经济性及适航工作量，现阶段民用飞机宜采用技术相对成熟的镍镉蓄电池作为独立的应急电源。待锂离子蓄电池的充放电控制技术、可燃性电解液的防火安全性设计、电解液提纯等制备工艺技术发展之后，会有更为广泛的应用。
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参考文献
（上接第99页）［１］朱新宇.民航飞机电气系统[M].西南交通大学出版社，2012.
［２］Ian Moir， Allan Seabridge. Aircraft Systems Mechanical， electrical， and Avionics Subsystems Integration[M]. John Wiley &Sons， Ltd. 2008.
［３］The British Standard. BS EN 2570: 1996. Aerospace Series. Nickel-Cadmium Batteries-Technical Specification[S].
［责任编辑：汤静］