锂电池在航空领域的应用再现曙光

摘要: 能量密度更大、循环寿命更长、安全性更高的大功率高性能锂电池一直是高性能电池技术发展的目标。尽管4年前波音78

11-17 02:45 首页 航空维修与工程

能量密度更大、循环寿命更长、安全性更高的大功率高性能锂电池一直是高性能电池技术发展的目标。尽管4年前波音787的锂电池风波为锂电池在航空领域的应用留下了阴影,但随着近年来锂电池技术的日益成熟,以及各类飞机制造商对于飞机性能的卓越追求,锂电池技术又逐渐开始重新投入商业运营,似乎在航空领域又迎来了发展的春天。

法在过去30年里,锂电池技术取得了极大的进展,包括新的正极、更安全的隔膜材料、更好的电芯组装工艺等。与镍镉电池和铅酸电池相比,锂电池具有能量密度高,工作电压高,自放电率低,循环寿命长,充放电效率高,工作温度范围宽、环境污染小等特点,是现代高性能电池的发展方向。

随着锂电池性能的大幅提升,应用范围也从民用消费领域扩展到了航空航天领域。锂电池在民用航空领域最早应用于公务机上,但使用时间很短,应用范围也不广。而以2011年采用锂电池的波音787投入运营为标志,锂电池在航空领域的应用出现了第一个高潮,但随后发生的事故使锂电池的应用出现了停顿。然而,业界对于此项技术的探索并未停止。经过空客公司A350飞机一年半的低调试验,民用飞机领域中的锂电池终于度过了其幼年期,并被证实具有很好的技术价值。锂电池技术在A350客机上的验证和使用,预示着它将在民用航空领域具有广泛的应用前景。同时,最近完成取证的贝尔505“喷气突击队员”X直升机也使用了锂电池技术。更为值得关注的是波音公司即将启动的新中型客机(NMA)项目也很可能会采用锂电池技术。由此可见,锂电池技术在航空领域或将再次迎来发展的春天。


锂电池在航空领域的应用

锂电池在民用飞机的应用经历坎坷。2010年4月,赛斯纳在“奖状”CJ4公务机上采用了锂电池。2011年10月,由于锂电池在地面起火,FAA要求该机采用镍镉电池或酸性电池取代锂电池。但真正使锂电池在民用航空领域被暂停使用的导火索应该是2013年1月7日和1月16日波音787飞机的两起起火事故。

 

锂电池在民用航空领域的应用


波音787飞机锂电池事故


波音公司在使用先进的大容量高功率锂电池方面较为领先,其波音787于2011年就将锂离子电池作为主电池及辅助动力装置电池装机使用,成为了全球首款在飞机关键系统中采用锂电池技术的民用客机。


但是在2013年1月7-16日短短的10天时间内,波音787连续发生了7起事故(包括电池起火、燃油泄漏、计算机故障、驾驶舱玻璃出现裂纹等),使得全球当时已经投入运营的50架波音787全部停飞,当时波音787的累计飞行小时仅为52000h。虽然电池事故的根本原因经过后续调查仍未确定,但波音公司还是改进了其锂离子电池系统的设计。

波音提出的电池改进方案包括:重新设计充电器;保持原有的两个32V的锂离子主蓄电池,但重新设计了电池布局,并增加了电池芯间的空隙,以保证在任何一个单元发生故障和过热时,能够快速吸收热量,降低发生连锁反应而造成电池热击穿的可能;重新设计电池金属包裹外壳以消除电池过热引起着火的可能性。该金属外壳上设有排水孔、排气孔,当电池盒中的电解液温度过高以及产生烟雾时,可及时将电解液排出。


实际上,波音的修改方案只涉及阻止火灾的蔓延,并没有从根本上杜绝起火的可能性。 


A350上的锂电池应用为该技术重开市场之门

空客公司原本计划采用由法国电池制造商Saft公司提供的锂离子电池作为其A350型飞机的启动和备用电源,但由于波音787飞机锂电池起火事故的根本原因尚无法确定,公众及航空公司对于锂离子电池安全性存疑。2013年2月,空客公司经过评估,舍弃了锂电池方案,重新采用了已获得充分验证并广泛使用的镍镉电池。空客表示,当时担心的并不是锂电池的技术问题,而是波音787事故后引起适航条例调整所带来的不确定性。尤其担心EASA随后也会引用类似FAA的特别规定。因此,首批交付的15架A350客机均采用了镍镉电池。虽然这批飞机的重量有所增加,但是有效降低了安全风险,保证了项目的顺利开展。


然而,空客公司并未停止与Saft公司的锂电池技术合作,他们借鉴波音787飞机电池事故调查结果,继续推进锂电池在A350客机上的应用。2015年底,空客交付巴西LATAM(当时称为TAM)航空公司编号为MSN24的A350飞机时,已悄无声息地换为了锂电池。对此,空客并未大肆宣传,是怕勾起大家对2013年波音787事故的回忆。


对于空客A350飞机来说,改回采用锂电池并不复杂。因为787电池事故发生时,A350飞行测试程序已确定,再对电池进行更换为时已晚,因此,实际上A350首飞飞机仍然采用的锂电池。另外,EASA也并未引用FAA针对锂电池的特别规定。同时,电池制造商表示,A350使用的锂电池比2010年波音787使用的那款要稳定得多,是首次依照A级设计标准设计的,也就是十亿飞行小时不超过一次事故。2016年1月,MSN24飞机顺利投入使用。目前投入运营的空客A350中大概有50架使用了锂电池。


采用锂电池的主要好处首先是减重约80kg;其次是锂电池的日常维护间隔为每两年一次,而镍镉电池的维修间隔是4-6个月;再有则是提高了系统控制能力,机组人员将收到更为详细的电池状态信息,电池管理系统发现异常将做出相应反应,不需要增加额外的监视系统。电池制造商表示,如果空客答应客户重新选择,他们可对A350飞机上早期使用的镍镉电池进行更换。


由此可见,锂电池在A350客机上的成功应用,有可能使锂电池技术在民用航空领域的应用重现光明。


锂电池可作为电动垂直起降飞机(eVTOL)的动力


得益于自动化工业的快速发展,锂电池技术达到了一个新的高点,可以满足小型短程飞机的动力需求。目前,锂电池可以为电动垂直起降飞机(eVTOL)的原型机提供足够动力,但是要达到商业应用还需要更大的发展,预计最早也要到本世纪20年代早期才可商业化应用。优步公司目前正在完成锂电池的这一使命。因为有些设计中锂电池在技术上已经达到要求,但是要在航空领域中获得实际应用,还有很长的路要走。


优步公司设定了锂电池的短期发展目标:在2023年四座的eVTOL投入生产,采用能量密度为350 W?h /kg的锂电池,充电时在15min内电量可从30%达到90%,循环寿命周期内充电次数达到500次,成本400美元/ kW?h。而未来长远发展设想是,新型的锂电池循环寿命周期内充电次数由2028年的1000次提高到2032年的2000次,而到2030年成本可降到200美元/ kW?h。


最近空客位于硅谷的创新中心A3公司在Vahana电动垂直起降的飞机上使用的锂电池能量密度已经达到300 W?h /kg以上,该机将在今年晚些时候飞行。


锂电池技术的发展与电动飞机的需求越来越接近,但是作为锂电池关键性能指标的能量密度却仅仅以每年5%的速度在提高,仍在限制着应用锂电池的飞机的量级。锂电池通常的目标是能量密度达400 W?h /kg,这就可以满足很多飞机的需求。当然,实现更高的能量密度预计需要新的化学介质,目前还有很大的差距。


锂电池在民用航空领域的发展前景


大容量高功率锂电池在民用航空领域的使用经验表明,锂电池的能量密度、充电次数、循环寿命周期、安全和成本等是电池的重要指标,其中能量密度尤为关键。目前,有多家公司尝试采用化学方式提高电池的能量密度,主要成果见表1。

锂电池的能量密度发展趋势表明,现阶段最高水平的锂离子电池的重量能量密度和体积能量密度分别达到了400 W?h /kg和1000 W?h /L,很难再有很大发展,未来锂离子电池必须朝着锂金属电池的方向发展,才能满足多种航空器的使用要求。

 

锂电池能量密度发展趋势


目前,民用飞机大量采用镍镉电池,相比于锂电池,具有体积大、重量大、蓄电量和放电电流不足、充电慢等缺点。随着锂电池技术的成熟和性能的提高,高性能大容量锂电池将进一步满足新一代多电民用飞机的电能需求,减轻飞机的重量,推动各民机制造商逐步将其用于飞机应急照明、驾驶舱语音记录仪、飞行数据记录仪、记录仪独立电源、备用或应急电源、主电源和辅助动力装置电源等机载系统。随着新材料的不断出现,锂电池技术将继续发展和成熟,凭借其优越的性能,大容量高功率锂电池在航空领域将拥有更广阔的应用前景。      

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