B787-800飞机锂电池起火事故原因及分析

陈农田，李俊辉，王志宏，满永政

(1.中国民用航空飞行学院航空工程学院，四川 德阳 618307；2.中国民用航空飞行学院民航安全工程学院，四川 德阳 618307)

飞机电池作为应急电源，向少数重要设备提供电能，保证飞机能安全起飞与降落，其性能和安全性对飞行有重要的影响。锂电池在电子产品方面的应用广泛，在民用航空载运工具上也得到应用。锂电池虽已得到广泛应用，但在使用过程中还有一定的缺陷和风险：一方面内部隔膜容易因破损造成电池短路，引发电池热失控；另一方面在过度充电时，负极材料表面上形成锂枝晶，尖锐的枝晶刺穿隔膜易导致短路，引发热失控[1]。

近年来，人们针对航空锂电池的安全特性开展了系列研究。谢松等[2]从应用进程、技术瓶颈及前景等角度出发，阐述锂离子电池在民用航空领域的应用，认为电池的安全性是制约推广应用的一大障碍；H.Joe[3]研究了锂电池火灾特性，强调建立电池火灾防控计划很重要；刘春明等[4]研究了波音787(简称B787)飞机用锂电池的故障原因，着重分析电池起火原因，并给出预防建议。隋立军等[5]以运输类飞机适航标准为依据，探讨锂离子电池在民航飞机上的适航验证要求。美国联邦航空局(FAA)在对B787飞机进行适航审定时，针对运行类飞机适航标准的不足，专门就锂离子电池的安全问题制定了25-359-SC标准[6]。美国国家运输安全委员会(NTSB)指出，民航业界对锂离子电池的安全特性还认知不足，在设计、验证、审查和维护等方面都缺乏足够的经验。

国内外虽对航空锂电池安全特性或灾害风险进行了分析，但鲜有专门针对航空锂电池起火事故的致险调查与规律分析。本文作者选取B787-800飞机发生的3起典型锂电池起火事故，从事故发生地、故障部位、事故原因及安全建议等方面进行详细对比分析，系统总结B787锂电池起火事故影响态势，重点从民航飞机锂电池制造、监管和运营全过程的角度，提出可吸取的经验教训和可行性建议。

1 B787-800电池系统组成及原理

锂电池在飞机上的应用经历了不同发展历程，从2011年B787采用锂电池装机开始，锂电池在航空领域的应用出现了第一个高潮[7]。

民用飞机电源系统一般由主电源、辅助电源、二次电源及应急电源等构成[8]。飞机锂电池系统工作原理的简单结构见图1。

图1 飞机锂电池系统工作原理

电池控制盒主要用于对电池产生的电源进行分配管理。电池监控单元(BMU)由主监控组件BMU1、BMU2和辅助监控组件BMU3、BMU4[9]等4个部分组成。飞机锂电池系统内部结构见图2。

图2 飞机锂电池系统内部结构

2 B787-800锂电池起火事故调查

2.1 锂电池起火事故概要

2013年1月，波音B787-800连续发生两起锂电池事故，促使波音公司停飞B787飞机，调查事故原因，并针对电池的缺陷进行改进。在通过了FAA适航审定后，B787得以复飞，但在2013年7月，在伦敦再次出现锂电池起火事故[10]。

2.2 锂电池起火动力学与热力学机理

锂电池内部存在大量电化学与化学反应，随着反应的发生，产生大量的热量与小分子气体，导致电池过热与过压；温度上升的同时加速了副反应，产生更多的热和气体产物，使电池处于自加热状态，即热失控[11]。热的作用和副反应导致的热失控，是B787-800飞机电池起火的主要原因之一[12]。锂电池中的电解液经挥发和分解，可能会破坏释压功能，泄漏出来的气体遇热可能会产生反应，导致发生火灾。挥发出的气体主要为CO2、C2H4、CH4等，还有PF5等有毒气体[13]。

2.3 起火事故原因分析

对比这3起事故的调查报告，可得出事故发生的直接原因是锂电池内部发生短路，从而导致热失控，电池中的能量非受控释放，然后热扩散到其他相邻的电池单元，最终导致整个电池单元失效。研究事故调查报告，可以找出3起相同起因事故的不同之处。

2014年9月24日由日本运输安全委员会(JTSB)公布的事故调查报告，详细介绍了电池遭受破坏的过程，但并不能确定内部短路的确切机理。JTSB根据内部短路情况，列举出3个原因：锂枝晶、金属碎片污染及隔膜损坏，但并没有对安全评估和燃烧介质进行说明。

2014年12月1日由JTSB公布的事故调查报告，仅阐述了电池起火冒烟是由于电池短路导致热失控并扩展到相邻电池单元，原因是波音公司没有贯彻设计要求以及FAA在适航审定过程中不严格，其他方面的原因没有描述。

在2015年8月19日的调查报告中，英国航空事故调查局(AAIB)吸取前面的调查经验，指出应急定位发射器(ELT)电池内缠绕的导线是短路的诱发条件，并且解释导线缠绕是ELT在生产组装时安装不当所导致。AAIB还指出，合成材料树脂和飞机蒙皮是燃烧传播的燃料和媒介，并认为ELT在审定过程中，安全评估不合格。

B787-800飞机发生的3起典型锂离子电池起火事故原因调查分析结果见表1。

表1 2013年B787-800飞机典型锂电池起火事故原因调查分析

2.4 锂电池起火事故安全建议分析

根据这3起锂电池起火事故的调查分析，相关机构发布了安全预防性建议[14]，主要包括：①锂离子电池的改进，需要考虑到所有短路导致的热失控突发现象；②强化适航审定的要求，并与相关部门针对电池失效模式、有毒气体的排放和预防进行合作。全日空航空公司的事故发生后，波音公司采取了一系列防控措施，如清除电池故障的潜在因素；防止电池单元之间的热扩散、缓解热失控带来的危害，防止电池泄漏，避免出现冒烟和起火[15]等。针对美国波士顿APU电池起火事故，NTSB未能找出确切起因，但提出了预防建议。

B787-800飞机发生的3起典型锂电池起火事故安全建议对比见表2。

表2 B787-800飞机典型锂电池起火事故安全建议

波音公司对B787-800进行了系列安全改进，所用锂电池的外壳得到加强，增强了锂电池的绝缘和耐热能力，提高了飞机锂电池的安全性[16]。由于暂时未找到起火的根本原因，在锂电池起火事故有效措施方面，还有待研究。

3 结论

对3起B787-800飞机锂电池起火典型事故原因进行调查分析，可得出飞机锂电池发生事故的共性原因主要包括：①单只电池因短路而造成的热失控；②由于电池组的绝缘隔离较差，导致单只电池热失控产生的热量传导到其他电池，最终导致整个电池组起火；③在航空器适航审定过程中，缺乏对航空锂电池失效带来的危险的安全性评估。

针对B787-800飞机锂电池起火事故的特性和原因，为民航飞机锂电池热安全管控提供参考建议：①对锂电池结构设计进行改进，在电池单元之间进行绝缘隔离，对整个电池进行阻火隔离；②控制充电电压，防止过充电引起的电池故障；③针对制造商，要加强制造工艺，严格适航审定，制定锂电池破坏性测试方法，保障电池的高质量、高性能；④改进和提升电池外壳设计、制造水平，针对锂电池失效来防控电池过热，避免对飞机安全运行的影响。