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波音787的锂电池风波

发布时间:2013-05-27  原作者:晨枫   点击数:

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  2013年4月25日,美国联邦航空署(简称FAA)正式批准了波音飞机公司关于波音787电池的修改方案,这为波音787重返蓝天打开了大门。波音公司已经开始对已经交付和已经下线但尚未交付的所有波音787进行修改,并由FAA核实。波音估计每架飞机需要5天时间来完成修改,到4月中,已有10架已经交付的波音787完成修改,另有9架待交付的波音787 也完成修改,预计5月中以前可以把所有已经交付和待交付的飞机完成修改。以后交付的飞机将直接采用修改后的锂电池。4月27日,埃塞俄比亚航空公司的一架波音787从首都亚的斯亚贝巴起飞,两小时后安全抵达肯尼亚的内罗毕,标志着波音787恢复飞行,如果不出意外,锂电池风波到此大体平息。当然,这不是一般的日常航班飞行,机上大部分乘客是波音和埃塞俄比亚航空公司的高官,还有大批新闻记者。

埃塞俄比亚航空公司的波音787进行了首次该机型复飞后的商业飞行

  风波开始于2013年1月7日,一架日航的波音787在波士顿娄根机场的停机坪上,机身后部的辅助动力电池发生过热,导致起火。机场消防队花了一个多小时才扑灭火焰。事后检查发现,不光电池和壳体严重损坏,泄漏的熔融电解质和炽热气体使得半米以外的机体结构也受到损坏。美国国家交通安全调查局(简称NTSB)的调查发现,局部钢结构有气化后冷凝的迹象,这说明局部温度有可能高达3000度。9天之后的1月16日,另一架全日空的波音787从山口往东京成田机场飞行,起飞后不久即将达到巡航高度时,飞行员在驾驶舱内闻到刺鼻的烟味,仪表板上警告灯也显示电池故障。飞机立刻在高松机场紧急降落,所幸机上129名乘客和8名机组人员通过紧急出口和充气滑梯安全逃生成功。事后检查发现,前机身驾驶舱下电子舱里的主电池过热烧毁,壳体严重损坏。

日航波音787后机身冒出浓烟

全日空波音787因电池起火而紧急降落

  日航和全日空立刻宣布所有波音787停飞, FAA也随即宣布所有美国注册的波音787停飞,这是1979年后FAA首次下令特定的民航客机停飞。在日本和美国相继停飞后,世界其他国家也迅速跟进。至此,全球波音787全部就地停飞,被迫散布在9个国家17个机场,其中最多的是东京成田,这里有日航和全日空的11架波音787。波音787的后续交付也全部停止。到4月中为止,波音积压了至少25架波音787不能交付,其中20架在华盛顿州的艾弗莱特工厂,另有5架在南卡罗莱纳州的查尔斯顿工厂。

烧毁的787锂电池

  波音787是全新一代的客机,波音刚开始交付才一年多。到一月停飞的时候,已经交付全日空17架,日航7架,印度航空6架,埃塞俄比亚航空4架,卡塔尔航空5架,美国联航6架,智利LAN航空3架,波兰LOT航空2架。波音787代表了波音的未来,被誉为“梦幻客机”。自从波音707时代以来,波音在民航客机世界过关斩将,在波音747时代达到顶峰,登上民航世界的王座。欧洲民航工业被打得溃不成军之后,联合起来,在70年代组建了空客,推出了成功的A300和其他客机。此后麦道和洛克希德逐步淡出,民航世界大体被波音和空客所瓜分。空客对波音最强大的挑战来自世界最大的A380客机,但波音另辟蹊径,推出波音787回应,用中型客机的远程点到点模式开拓新的市场,避开通过中心城市巨型机场中转的拥挤和转机。为了保证优秀的经济性,波音787采用了大量新技术,机体材料有50%为复合材料(相比之下,波音777只有12%),其他20%为铝,15%为钛,10%为钢,5%为其他材料。作为中型客机,波音787载客可达240-300人,巡航速度0.85马赫,航程则达惊人的14200-15200公里。这些指标在过去只有波音747和777那样的大型客机才可能达到。波音声称油耗降低20%,噪声降低60%,70%为美国制造。由于波音的信誉和承诺,在波音787还没有首飞的时候,就已经接到超过800架的订单。当然2008年后的世界性经济危机和波音787计划的一再拖延使波音的订单有所缩水,以后新增订货和取消订货部分相抵,至今订单依然没有超过900架。2012年的平均定购单价2.06亿美元。一般认为,波音需要卖出1100架波音787才能保本,但波音787的长期前景依然看好,一月以来波音的股票不跌反升。

联邦调查人员检查787起火部位

  除了低油耗的先进涡扇发动机和复合材料机体、机翼,波音787还是第一架高度电气化的客机,用电动系统完成很多传统上由液压系统完成的动作,并提供先进的机上环境和娱乐系统,改善旅客的体验。比如说,波音787的机窗不再使用传统的塑料拉板,而是使用电控改变透明度的液晶,用开关控制“开窗/关窗”。比如说,尽管外面光线仍然很亮,远程越洋航线为帮助旅客调整时差,还是需要在相当于目的地时间夜间的时候关窗,中心遥控关窗解决了个别不自觉的乘客开窗而影响其他乘客的问题。高度电气化使得波音787上的用电量比传统客机大为提高,但这不是波音787电池的难题,因为飞行中的用电是由发动机驱动的发电机提供的。两次电池起火都不在电池放电工作期间,日航787是在停机坪上“无所事事”期间,全日空787是在空中飞行期间。电池用于在地面和空中启动发动机,或者在地面发动机停车后提供地面辅助作业用电。换句话说,这对飞行是死重。为了以最小的空间和重量实现最大的蓄电量和放电电流,波音选用了先进的锂电池,这可以节约重量30%。实际上波音787有两组锂电池,一前一后,各重约28.5公斤,各含有8个4伏的电池芯,串列后达到32伏电压,可提供75安培-小时的电力。

787的锂电池安装位置

  传统客机使用镍镉电池。相比于锂电池,镍镉电池的体积大、重量大、蓄电量和放电电流不足、充电慢。与更大的波音777的镍镉电池相比,波音787的锂-离子电池采用8芯,电压达到32伏,而波音777的镍镉电池采用20芯,电压才24伏;后者重量48.5公斤,但放电电流只有16安培-小时(波音787的两个锂-离子电池加起来可达150安培-小时)。另外,镍镉电池有记忆效应,如果长期充满电,可用容量会越来越小,需要定期深度放电然后再深度充电。镍镉电池的使用已经越来越少了,锂电池在笔记本电脑里大量使用,在一些新的电动汽车里也开始使用,事实上已经全面取代了镍镉电池。但新技术有新问题。锂电池容易起火,笔记本电脑甚至手机里锂电池莫名其妙着火的事情多有发生。更有甚者,一架美国UPS的波音747-400F货机在装运锂电池时,货舱起火,在迪拜坠机;另一架韩国韩亚航空的波音747-400F在太平洋上空也遇到同样噩运。两次坠机前,机组在最后失去联系之前都报告机舱里发生浓烟烈火。

GS-汤浅锂电池内部的8个电池芯

  锂的化学性质比较暴烈,而且一旦起火很难扑灭。锂电池在过度放电后,再次充电时会充不进去,电能不能转换为储藏的电化学能,反而转化为热能,造成电池过热。更糟糕的是,锂过热后有温度飞升的问题,也就是说,一旦温度达到一定程度,锂会自身产生热,导致温度进一步升高,直至起火。这个问题对于钴酸锂类型的锂-离子电池尤其严重,因为导致温度飞升的临界温度较低。波音采用的正是采用钴酸锂的锂-离子电池,由日本GS-汤浅公司制造。NTSB的调查发现,在日航电池事件中,火焰首先在6号电池芯发生,然后蔓延到其他电池芯,温度高达253度,而钴酸锂的燃点是190度。应该指出,在前述锂电池起火导致货机坠机的事件里,那是锂-金属电池。锂-离子电池要安全一些,但依然有自身的安全问题。锂-离子电池为了提高效率,需要把电池芯紧密放置,这样一旦起火,很容易蔓延,发生连锁反应。由于锂和水会发生激烈反应,电解液不能用阻燃性好的水基,而是用阻燃性较差的非水基。另外,长期反复充放电后,金属锂会析出,成为细微的金属颗粒,时间久了,可能促成电极之间的短路。更糟糕的是,即使不在充电中,锂电池也有可能发生过热,甚至起火,起火原因经常不明。两起导致波音747货机坠毁的锂-金属电池起火事件到现在依然没有确认起火原因。2006年为波音787制造充电系统的Securaplane公司在亚利桑那州图桑的厂房里测试同为GS-汤浅制造的锂-离子电池,发生过热,导致电解液外泄和厂房起火,1000平方米的厂房付之一炬。波音声称这是电池测试设置不当,不是电池和充电系统的原因;当地消防队认为起火原因不明,Securaplane则不回应媒体的询问。

单组电池芯

NTSB调查发现电池有内部短路的迹象

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