波音787锂离子电池

1、从波音从波音787锂离子电池问题中总锂离子电池问题中总 结出其可靠性的问题结出其可靠性的问题 摘要 波音波音787Dreamliner电池故障问题电池故障问题 模型建立仿真演示结论展望简介 摘要摘要 2013年1月16日，因为波音787Dreamliners两架飞机出 现了不确定的锂离子电池故障而被要求全面停飞。随后调 查研究的报告被发布在NTSB(全国运输安全委员会)真实报 道，以及3月15日波音在日本举行的新闻发布会，NTSB同 时也在华盛顿举行了听证会，但是他们都没有认识到这些 事故的主要原因。这篇论文讨论了关于锂离子电池的限制 性，以及锂离子电池的可靠性评估和在波音787电池故障 的安

2、全问题。 介绍 波音波音787Dreamliner电池故障问题电池故障问题 原因 介绍介绍 结论展望仿真演示简介 波音787，又称梦想飞机，是一种中型双发动机宽体中远程飞机，它第一 次商业飞行开始于2011年后期。在2013年1月16日因为出现了锂离子电池故障， 因此世界各地的787被全面要求停止一切飞行。一场对这个为飞机上提供后备 电力，同时在飞机发动是提供动力的锂离子电池的安全问题的小组被迅速成立。 这次事故使航空工业的名声受到了损害，并且对波音公司和他们的供应商造成 了极大的财政损失。全日本航空公司报道，在2012年5月至12月至少有10个电 池被返厂，原因是因为这些电池突然异常的低电压

3、或者异常现象。 2012年12月4日，一架联合公司的航班因为其仪表板的模板上出现电弧而 被迫紧急降落在新奥尔良，最初这起故障被认为是机械上的正常现象，但是最 后才发现，此事故是由于出现在电源板母版上的电弧引起的。 2012年12月13日，一架卡塔尔航线的飞机也因为同样的问题而被迫降落。 几天后，联合航空公司确认另外一架波音787同样遇到了电气问题。 2013年1月9日，还有另外一起故障被报道出来，刹车诊断系统错误报警。 而这些故障真正引起了大量关注是因为两起灾难性的电池故障，他们出现的时 间间隔仅仅十天在2013年的1月。 介绍介绍 结论展望仿真演示简介原因 2013年1月7日， 787客机正

4、常降落在洛根国际机场，173名乘客和11 名机组人员已下机。一名机务人员。一名技术人员发现APU（auxiliary power unit）辅助电力系统出现故障， 15分钟后发现驾驶舱和客舱有轻烟， 并通知了马萨诸塞港务局。第一时间的汇报阻止了这场事故，电池只是起 了一个鼓包，但电池燃烧事故真的发生了。 模型建立仿真演示结论展望简介 摘要摘要 介绍介绍 结论展望仿真演示简介原因 2013年1月16日，一架从山口宇部机场飞往羽田机场的全日空波音787客机 机舱内冒烟，在高松机场紧急降落。驾驶舱出现了电池警报，并且客舱的 乘客都闻到一股浓浓的焦糊味，于是飞机紧急迫降。日本的检查员宣布， 可能是辅助

5、电池系统排线不当，并进一步考虑其他系统安装是否正确。 介绍介绍 结论展望仿真演示简介原因 波音787，1月份十天其次事故回顾。 锂离子电池在商业航空中的应用锂离子电池在商业航空中的应用 结论展望仿真演示简介原因 锂离子电池在商业航空电子设备中的应用锂离子电池在商业航空电子设备中的应用 新技术，例如锂离子电池系统，在安装到飞机上之前，必须要经过 联邦航空管理局(FAA)检验才可以使用。而因为如今小飞机越来越多， 小飞机上应用的为镍镉电池，因此美国联邦航空管理局颁布了管理镍 镉电池的法规。然而，FAA现有的法规被认为不足以全面概括锂离子电 池可能出现的各种风险，因为他们对锂离子电池的故障调查经验，

6、来 自于其他行业，如便携式电子设备以及电子汽车。 波音787梦想飞机利用两个完全相同的锂离子电池飞机在地面时扮 演启动辅助电力系统，或者扮演备用电力系统。而锂离子电池因为其 本身具有更高的能量密度和更长的使用周期而被选做飞机的电池系统。 锂离子电池由锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极 和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌 入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处 于富锂状态；放电时则相反。一般采用含有锂元素的材料作为电极。 锂离子电池在商业航空中的应用锂离子电池在商业航空中的应用 结论展望仿真演示简介 原因 锂的化学性质比较暴

7、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。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

8、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。 锂离子电池在商业航空中的应用锂离子电池在商业航空中的应用 结论展望仿真演示简介原因 电池管理系统(BMS)，被纳入许多电池设计之中，完成对电 池的监测以及维持安全工作环境。BMS在电池中，是为了防止锂 离子电池出现过度充放电，或者在过高或者过低温度下工作。因 此，在某些电池滥用的条件下，施加电压限制，温度限制，以及 额外的过充故障安全措施，可以有效的减少电池出现故障的风险。 即便拥有保护设备，商用电池仍然会发出气体，并被点燃， 发生爆炸，

9、例如电池内部故障，如锂在阳极上的堆积，导致内部 短路。内部发生短路常见的还包括制造缺陷，在过低温下充电， 此外在保养和使用电池时，有机械冲撞可能导致电极变形或是刺 穿隔离膜。 原因 分析 根本原因分析根本原因分析 根本原因分析根本原因分析 结论展望仿真演示简介原因 2013年1月18日，媒体普遍报道日本交通运输局研究员英世杉对 事故的研究，他表示，波音787的锂离子电池一直工作的电压超过了 波音公司所给的建议电压。但是这一理论后来被否定掉了，原因是 在飞机起飞到迫降，飞行记录的数据显示，电压从未高过限制电压。 2013年1月21日，美国和日本组成的调查团对电池制造商GS- Yuasa展开调查，

10、调查团对电池质量可能出现的问题进行调查，例如： 电池中引入颗粒污染物或者电池组中的单元格连接错误，但是到了 2013年1月28日，经过各种调查，并未发现GS-Yuasa有任何严重的质 量问题。 后来通过利用X射线计算机断层扫描，数字摄片，拆装检查对电 池组进行故障分析。显示出整个电池组出现了不同程度的热损伤， 而一个位于侧面的电池外包出现严重热损伤。这表明热失控起源于 其中一个电池单元，然后开始蔓延到其他电池单元。电池组底部上 的突起部可能是电池外壳破裂是喷射出高温液体。 根本原因分析根本原因分析 结论展望仿真演示简介原因 飞行数据记录器于2013年1月7日收集的数据，在电池起火前给电池一 个

11、限制条件。美国国建交通运输管理委员会（NTSB），向公众展示一 组飞机辅助动力装置在关闭前20分钟到关闭后10分钟的数据。这些在 飞机上以不同测量方式和不同系统收集了363个数据，但是只有两个直 流馈电的负载电流和APU电池直流总线电压与辅助电池直接相关。个别 电池组，电压是有BMS进行监控，飞行数据记录器上没有关于它的数 据，由于总线电压是所有有线电池单元的总和，所以总线电压下降， 不能识别出哪个电池单元第一个出现短路。每个电池单元的电压和温 度在未来必须要记录在飞行数据记录器中，这将对故障分析工作起到 相当大的作用。并且，每个电池单元的电压测量必须实时测量，这样 就可以方便隔离单元格，并方

12、便其故障传播。 根本原因分析根本原因分析 结论展望仿真演示简介原因 根本原因分析根本原因分析 结论展望仿真演示简介原因 根本原因分析根本原因分析 结论展望仿真演示简介原因 如图给出了电池的电压和电流的可用数据 ，是由电池充电器在整 个过程中测量的。这些 数据可以分为3个区域，如图2，电压32V一 直保持不变，直到10时4分30秒是下降了1V，给出了一个放点事件 和两个充电事件，正如图1中的第一个框图所强调的那样。电压不变 通常代表一个恒定的电压下的涓流充电。而放电过程由APU提示， 紧跟着的充电事件使电池进入完全充电状态。 在2区电压维持在32V，但是电压在10时08分33秒到10时19分39

13、秒 出现波动，这个过程在没有其他数据的情况下不能确定是否意味着 未来即将出现故障，因为相同的电流波动也发生在其他零件上，这 种现象可能是正常的。 根本原因分析根本原因分析 结论展望仿真演示简介原因 根本原因分析根本原因分析 结论展望仿真演示简介原因 Zone III，如图3所示，给出了电池在10时20分0秒到10时22分56秒 的数据。在10时21分9秒APU电池的总线电压从32V下降到31V，同 一时间显示出电流为负，表明电池不是出现了一个放点过程就是 出现了软短路。从10时21分04秒到10时21分07秒，电池电压几乎 增加至45安在持续大约4秒钟，然而电压却从31V下降到30V，这 种现

14、象对于电池来说是异常的，因为通常电压的增加或者不变电 流都会保持一个相对恒定的值。在10时21分08秒，电池切换到放 电模式，电流为-3安，并在10时21分09秒APU电池总线电压下降 至29V，在10时21分10秒时电压增加到31V而电流没有变。预警系 统的信息表明，APU电池在10时21分15秒出现故障。数据显示， APU电池在故障预警后仍让在继续运行，在10时21分30秒，电压 从31V下降到28V，并在10时21分37秒时APU电池总线电压三次下 降到0V又回到28V，而电流在0A到-5A波动。 根本原因分析根本原因分析 结论展望仿真演示简介原因 电池电压突然降到4V是电池中一个单元出

15、现初始启动点短路，启动点 的短路将导致这个电池单元的电压迅速下降接近0V。梦想飞机电池组电 压是各个电池单元电压之和。因此，表明钴酸锂电池的一个单元短路将会 造成系统电压从32V下降2.5-4V（取决于其充电状态）。 而着火发生的时间仍然是未知的，然而，从数据中可以看出APU关断 的时间。此外，可以从工作人员发现电池冒烟可以估算其开始冒烟的时间。 然而这却没有得到一个很好的合理解释，根据其中期报告： 机组人员和乘客在10点20分全部下飞机，此时他（飞机维修员）和客 舱清洁员进入飞机，不久其中一个清洁员给维修员报告，一股电气烧焦的 气味和厌恶从客舱尾部传出。维修员随后观察到APU供电系统出现出现

16、功 率损耗，并且已经自动关机，确认飞机的电力系统关闭后，维修员打开 APU并且把主电池开关打到“关闭”位置。根据后来报告总结，驾驶舱语 音记录器记录到一些APU停止工作的声音，具体而言就是驾驶舱风扇停止 运转了，在10时24分10秒机舱内出现烟雾报告。 根本原因分析根本原因分析 结论展望仿真演示简介原因 基于现有的数据，10时21分04秒发生异常事件。与此对应APU电 池出现4秒钟的电流尖峰，正常情况下正电流应该对应充电状态，电压 应该增加，然而电压在这段时间却出现了下降。 根据现有的数据和记录，两个烟雾探测器位于飞机尾部，正好处 于APU电池处，但是却没有报告出电池故障所产生的烟雾。机组人员

17、报 告发现烟雾为10时21分50秒，而系统是在10时23分10秒才全面关闭。 是什么原因导致电流激增并发生火灾。 推荐 推荐推荐 推荐推荐 简介原因结论展望推荐 保证电池的可靠性和安全性的一个重要挑战是要建立一个有用的标 准以及一些鉴定试验。波音公司指出，电池中的每个组件单独测试超过 5000小时，包括电池在各种恶略条件下进行的测试。波音公司还指出， 在实验室的电源系统进行了测试也超过25000小时。然而，电池故障时 间完全挑战了用来证明在航空航天系统的电池组的安全性的标准和检测 标准。内部短路测试被列入波音电池起火风险的评估，但行业标准规定 的试验并不能准确地模仿真正的内部短路。对于这些系统

18、的测试时间很 短，而波音又是对故障分布仅仅进行了假设。 在钉刺试验中，使用尖头金属棒渗透到外部的一个单元格，短的一 个或多个层的阴极和阳极等。值得注意的是，在钉刺试验中，提供了一 个热通路传热从电池单元，减少灾难性的热失控。而一个真正的内部短 路，所产生的热积聚在电池单元内， 推荐推荐 简介原因结论展望推荐 但是这个测试需要拆卸电池单元，将镍颗粒放在电池电极的层与层 之间，并施加力引起的短路，但是，这并不能准确地模仿一个封闭的电 池的内部短路。桑迪亚国家实验室的研究人员和美国国家航空航天局和 国家可再生能源实验室之间的联合协作开发的短路测试，可以被触发， 而电池单元仍然完好。这是一个改进了现有

19、的测试，但所有的方法都需 要外力或预加热对电池单元引起短路。发展创造内部短路的方法从一般 航天途径是可取的。 随着航空业越来越多的设计，制造和控制的外包， 产生了新的挑战。 大约70%的787外包给全球一级供应商，然后其中又有好多外包给了其 他级的供应商。虽然一个多层供应链可以降低成本和开发时间，但是随 着复杂性的增加，使得产品的质量在供应链中难以控制。所以严格的监 控和组件可靠性措施必须继续加以完善，为飞机制造商提供高品质以及 可靠的产品。 推荐推荐 简介原因结论展望推荐 波音787不仅是技术上的创新，还是生产管理上的创新。波音外包生 产已经有日子了，每年外包生产耗资280亿美元，涉及全世界

20、5400多 个工厂，至少50万从业人员。波音每年外包生产7.83亿个部件，其中 4亿个用于波音737系列，310万个用于波音767系列，300万个用于波 音777系列，600万个用于波音747-8系列，波音787系列则有230万个， 但这个数字将随着波音787生产的加速而急剧增加。即使在1月中旬波 音787停飞后，波音依然以每月5架的速度在继续生产波音787，计划 逐步增速到每月7架，最终达到每月10架。2013年底之前，依然计划 交付60-70架波音787。电池风波可能使波音破费4-7亿美元，但这对 于波音的帐面来说其实不是什么了不起的开销。波音的问题在于维持 波音787的生产节奏和质量控制

21、，只有快速稳定的交货，才能保证赢 利。问题是波音787采用外包件的程度大大高于以往，比如锂电池就 是一级外包到法国泰利斯，二级外包才到日本GS-汤浅。大范围、多 层次外包导致质量管理松弛，供应链漫长，技术改进的反馈机制迟缓。 质量问题还没有从日航和全日空电池起火的原因中排除。 补充补充 简介原因结论展望推荐 锂离子电池与镍镉电池对比锂离子电池与镍镉电池对比 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4

22、8.5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

23、后失去联系之前都报告机舱里发生浓烟烈火。 补充补充 简介原因结论展望推荐 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

24、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。 简介原因结论展望推荐 波音的修改方案是多方面的。壳体得到极大的加强，增加隔离 和耐热能力。电池芯之间的空隙增加，并增加阻隔层，降低连 锁反应的可能性。接线和安装件加强防火能力，一旦发生火灾 也不至于很快就被毁坏。充电系统进一步精细化，精确控制充 电电压，防止过度充电。泄放管直接通向机外，不仅有效泄放 有毒烟雾，还确保电解液受热膨胀后不会溢出到其他部分，引 起连锁反应，而是把热源带出机外。最重要的是，新的壳体不 光隔热，还阻绝空气。燃烧的三要素是燃料、温度和空气。如 果没有空气存在，燃烧是不能持续的。新壳体有效地阻绝了空 气，具有窒息火灾的作用。在波音的试验中，电解液被有意释 放，壳体受到强烈加热，但由于缺乏空气，壳体内无法引起燃 烧和温度飞升。即使