波音787的锂电池风波

万磁王

作者：晨枫

　　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

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　　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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　　由于缺乏适当的技术标准和认证依据，FAA在认证波音787的锂-离子电池时遇到很大的难题，最后制定了9条特别规定，最主要的是电池过热不得超过每1000万飞行小时1次，其他规定还包括在任何情况下不得有有毒烟雾进入机舱、不得发生电解液泄漏和不得损坏邻近机体结构等条款。如果说日航事故还可以用第一次偶然的小概率事件解释，9天后的全日空事故就难以用小概率事件来推托了。到那个时候，波音787的累积飞行小时才52000小时，已经发生两次过热。事实上，有毒烟雾、电解液泄漏和损坏邻近机体结构条款也没有得到满足。
　　波音在设计中采用很多手段，确保满足FAA的9条特别规定。波音为电池组设计了坚固、耐热的壳体，保证在起火的情况下，也能制止火灾蔓延。在试验中，波音高度加热壳体，可以导致一个电池芯过热，但无法使得电池芯之间发生连锁反应。GS-汤浅在短路试验中，往电池芯里打入铁钉以模拟最坏情况，也无法引起过热和连锁反应。波音的电池壳体还有泄放系统，万一电池过热，产生有毒烟雾，可以自动泄放出去，不致进入机舱。在波音的安全分析中，只有过度放电后的不当充电成为过热和连锁反应的唯一可能性。波音的充电控制系统十分复杂先进，NTSB的调查表明，事故期间，充电电压没有超过设计指标。NTSB在事故调查中也发现，多重迹象表明，两次事故中都有电池发生短路，说明铁钉试验没有反映实际上的最坏情况。另外，在这两起事故中，电池壳体都被烧毁。至少在1月16日的事故中，烟雾进入了驾驶舱。

NTSB人员在调查事故原因

　　波音787全面停飞后，波音紧急调集了300多工程师，分成10队人马，日夜奋战，集中攻关，力求尽快解决电池问题。三个月里，投入了20万小时的工作量。地面试验集中在6个星期里，累计60000小时。2月7日波音获得FAA特批，用一架预定交付中国南航的波音787从得克萨斯飞往华盛顿州的艾弗赖特工厂，稍后在华盛顿州海岸外空载飞行，用于科研和试验飞行。3月13日（一说22日），FAA批准了波音的初步修改方案。4月5日，波音用预定交付波兰LOT航空公司的第86架波音787验证最后修改方案，方案和试验结果得到FAA批准，此后FAA批准波音787复飞，这才有了埃塞俄比亚航空公司在4月27日的亚的斯亚贝巴到内罗毕的历史性飞行。
　　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。即使在引入空气后，由于空间有限，而且后续空气无法进入，燃烧也只持续了200毫秒就熄灭了。修改使得重量增加了60公斤，基本上抵消了锂-离子电池相比于镍镉电池的重量优势。

波音的修改方案为电池增加了很厚的保护外壳

　　但值得注意的是，波音的修改方案只涉及阻止火灾的蔓延，并没有达到确保不可能起火的本质安全。在所有已经发布的报告中，NTSB和波音都明确提到没有发现起火的原因。4月19日，波音负责787的主管莱利洛夫蒂斯承认：“我们有可能永远也不知道（电池起火的）根本原因，只能从别的方面杜绝起火的可能。”永远也不知道起火的根本原因，因而不能从根源上杜绝起火可能，这是波音787电池风波中挥之不去的一片阴影。在另一方面，波音787的锂电池还有众多没有达到起火但足够恼人的故障。按照设计，锂电池放电过度而导致电压偏低的话，将不能再充电，必须换下来，送回工厂复苏。由于很多设计时没有考虑到的因素，比如尽管机上总电门已经关闭，地勤加油时打开油箱盖，油量表就自动跳动，开始耗电；行李舱门没有关紧，舱内灯也将一直亮着，不断耗电。由于这些因素，波音787电池过度放电的现象很频繁，送回工厂复苏的频率大大高于波音预计，全日空17架飞机在一年里已经换过几十次电池。波音是知道这些的，但这是在地面，不影响飞行安全，所以波音没有报告FAA，直到停飞后才爆出来。当然，波音没有违规，这些已知原因和电池起火也不能直接相连，但毕竟增加了人们对波音787锂电池的疑虑。

电池本身的设计修改，但并不能完全去除起火隐患

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　　波音是民航客机界的老大，对于飞机上所有系统的安全规范和设计过程有成熟的经验。波音在波音787设计过程中对锂电池的本质安全问题是如何考虑的，这是一个很有意思的问题。当然，波音达到了FAA的要求，波音的修改也通过了FAA这一关，但FAA正在面临自己过关的难题。在FAA的9条特别规定中，唯独没有在任何情况下电池不得起火这一条。除了燃油在发动机的燃烧室里，飞机上任何东西不得起火，这是很基本的。或许FAA认为这是不言自明的，或者FAA有难言之隐。FAA的9条特别规定不是凭空想出来的，而是和航空工业及电池工业的专家协商后制定的。即使不在充电状态下，锂电池也有“莫名其妙”起火的前科。两次锂电池起火导致货机坠机时，都不在充电状态。媒体中广为报道的手机、笔记本电脑锂电池起火事件中，也不在充电状态。赛斯纳飞机公司在研制CJ4公务喷气机时，采用锂电池，后来发现起火问题无法解决，只好回到镍镉电池。空客用于和波音787竞争的A350XWB在设计中也采用锂电池，但波音787一出事，马上宣布将改用镍镉电池。因为现在改太晚，首飞飞机依然采用锂电池，但到相关认证是将换用镍镉电池。在这样的情况下，FAA如果规定在任何情况下不能起火，电池厂家和波音可能无法证明能满足这一规定，这也就判了锂电池死刑。

电池的制造商GS-汤浅在调查期间也备受压力

　　锂电池一旦起火，也很难扑灭，所以FAA根本没有规定一旦起火，要在多少时间内扑灭，而是规定了壳体的耐热要求和电解液、烟雾的泄放要求，暗含了容许存在电池着火的可能性，尽管这个可能性必须极端小。
　　在FAA和工业界合作制定适航标准的作法受到质疑时，人们发现了更加令人吃惊的事情。FAA不光没有足够的人力制定规则，实际上也没有足够的人力主持和监督认证试验。在波音787的认证全过程中，有950人参与各步骤，只有40人是FAA的自己人，其余是具有FAA认证资格的航空工业从业人员，其中大多为波音的工作人员。这些人三分之二是全职，其余为兼职。换句话说，波音人员实际上主导适航标准的制定，负责批准测试程序，主持测试过程，批准测试结果。当然，FAA坚持说最后的发布认证来自FAA自己人。同样，锂电池的风险分析来自GS-汤浅，这是锂电池的专家，有制造14000个大功率锂电池的经验。
　　FAA倒不是偷懒，也不是和工业界沆瀣一气，而是新技术在不断涌现，FAA不能等到新技术都成熟了才总结标准、批准适航，总是要面对没有先例的事情的，比如波音787的复合材料机身就是另外一个例子。另一方面，FAA自己是不设计也不制造飞机的，没有直接的知识和经验，缺乏相关人才。在历史上，FAA有可能从别的飞机公司找人，交叉认证，保持独立性和中立性。但美国在50年代还有波音、洛克希德、道格拉斯、康奈尔等民航客机公司，现在只有波音一家硕果仅存了，到工业界找人就只有找波音。FAA对认证资格的管理还是很严格的，确保最大的独立性和中立性，认证人员公然作弊的事情至少没有报道。但人毕竟是人，在可能要了东家命的事情上，网开一面还是铁面无情就是一念之差的事情。在没有确切的事实证明不能开适航证的情况下，或许不致于对东家寄托身家性命的新技术提出过于严苛的要求，但什么才是合理而不是过于严苛的要求呢？2月7日，NTSB宣布将调查波音的设计过程和FAA的认证过程。这将是一个很长的过程，人们只有耐心等待，但结果或许对民航界产生深远影响。
　　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，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。

对于革命性的波音787来说，电池问题并不会对该机的光明未来造成太大影响

　　换回镍镉电池可以避开很多锂电池的烦恼，但这不仅增加重量，还需要重新设计电池舱，以提供足够的空间，这是不可忍受的大动干戈。这样的修改需要FAA重新认证。锂电池修改导致的重量增加必将影响耗油。对于用户来说，安全性提高当然是欢迎的，但由此而来的耗油增加和赢利下降违反了波音的承诺，官司随之而来是可以想象的。停飞造成的直接经济损失更是一件头痛事。已经交付的飞机被停飞，航班需要取消，或者临时调用别的飞机来填空。用波音767、777甚至747都可以填补，但油耗上的损失可能会找波音“报销”。还有航空公司按照预计交付时间，已经安排了航班，像挪威航空班机公司（Norwegian Air Shuttle）预计用全波音787的机队在5月开通到纽约和曼谷的航线，现在只好“鼓励”旅客推迟出行时间，对于不依不饶的旅客可能最后只有要求波音补偿了。
　　在整个电池风波里，空客一面警觉地注视事态发展，适时宣布改回镍镉电池，另一方面没有推波助澜，而是兔死狐悲地宣称“谁都会出问题，我们也不例外”。空客倒是在说实话，不久前A380刚出了发动机涡轮盘破碎、击穿机匣和机翼的大事。A350XWB换回镍镉电池是一个聪明的举动。现在设计定型了，但还没有首飞。修改有点晚，但还不是太晚。更重要的是，空客立刻赢得安全分，同时在锂电池最终成熟的时候，已经预留了换回来的空间和接口，到时候可以作为一个改进用在新型号上，或者作为升级用在已经交付的飞机上。面子、里子两不误。EAA（欧洲相应于FAA的机构）对于锂电池的适航条款也将是值得关注的看点。

首架A350XWB已完成喷漆，即将试飞