波音787的鋰電池風波

2023年12月4日發(fā)(作者：星座英語)

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2013年4月25日，美國聯(lián)邦航空署（簡稱FAA）正式批準了波音飛機公司關于波音787電池的修改案，這為波音787重返藍天打開了大門。波音公司已經開始對已經交付和已經下線但尚未交付的所有波音787進行修改，并由FAA核實。波音估計每架飛機需要5天時間來完成修改，到4月中，已有10架已經交付的波音787完成修改，另有9架待交付的波音787 也完成修改，預計5月中以前可以把所有已經交付和待交付的飛機完成修改。以后交付的飛機將直接采用修改后的鋰電池。4月27日，埃塞俄比亞航空公司的一架波音787從首都亞的斯亞貝巴起飛，兩小時后安全抵達肯尼亞的羅畢，標志著波音787恢復飛行，如果不出意外，鋰電池風波到此大體平息。當然，這不是一般的日常航班飛行，機上大部分乘客是波音和埃塞俄比亞航空公司的高官，還有大批新聞記者。

埃塞俄比亞航空公司的波音787進行了首次該機型復飛后的商業(yè)飛行

風波開始于2013年1月7日，一架日航的波音787在波士頓婁根機場的停機坪上，機身后部的輔助動力電池發(fā)生過熱，導致起火。機場消防隊花了一個多小時才撲滅火焰。事后檢查發(fā)現(xiàn)，不光電池和殼體重損壞，泄漏的熔融電解質和熾熱氣體使得半米以外的機體結構也受到損壞。美國交通安全調查局（簡稱NTSB）的調查發(fā)現(xiàn)，局部鋼結構有氣化后冷凝的跡象，這說明局部溫度有可能高達3000度。9天之后的1月16日，另一架全日空的波音787從山口往東京成田機場飛行，起飛后不久即將達到巡航高度時，飛行員在駕駛艙聞到刺鼻的煙味，儀表板上警告燈也顯示電池故障。飛機立刻在高松機場緊急降落，所幸機上129名乘客和8名機組人員通過緊急出口和充氣滑梯安全逃生成功。事后檢查發(fā)現(xiàn)，前機身駕駛艙下電子艙里的主電池過熱燒毀，殼體重損壞。

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日航波音787后機身冒出濃煙

全日空波音787因電池起火而緊急降落

日航和全日空立刻宣布所有波音787停飛， FAA也隨即宣布所有美國注冊的波音787停飛，這是1979年后FAA首次下令特定的民航客機停飛。在日本和美國相繼停飛后，世界其他也迅速跟進。至此，全球波音787全部就地停飛，被迫散布在9個17個機場，其中最多的是東京成田，這里有日航和全日空的11架波音787。波音787的后續(xù)交付也全部停止。到4月中為止，波音積壓了至少25架波音787不能交付，其中20架在華盛頓州的艾弗萊特工廠，另有5架在南卡羅萊納州的查爾斯頓工廠。

燒毀的787鋰電池

波音787是全新一代的客機，波音剛開始交付才一年多。到一月停飛的時候，已經交付全日空17架，日航7架，印度航空6架，埃塞俄比亞航空4架，卡塔爾航空5架，美國聯(lián)航6架，智利LAN航空3架，波蘭LOT航空2架。波音787代表了波音的未來，被譽為“夢幻客機”。自從波音707時代以來，波音在民航客機世界過關斬將，在波音747時代達到頂峰，登上民航世 頁腳 .

界的座。歐洲民航工業(yè)被打得潰不成軍之后，聯(lián)合起來，在70年代組建了空客，推出了成功的A300和其他客機。此后麥道和洛克希德逐步淡出，民航世界大體被波音和空客所瓜分。空客對波音最強大的挑戰(zhàn)來自世界最大的A380客機，但波音另辟蹊徑，推出波音787回應，用中型客機的遠程點到點模式開拓新的市場，避開通過中心城市巨型機場中轉的擁擠和轉機。為了保證優(yōu)秀的經濟性，波音787采用了大量新技術，機體材料有50%為復合材料（相比之下，波音777只有12%），其他20%為鋁，15%為鈦，10%為鋼，5%為其他材料。作為中型客機，波音787載客可達240-300人，巡航速度0.85馬赫，航程則達驚人的14200-15200公里。這些指標在過去只有波音747和777那樣的大型客機才可能達到。波音聲稱油耗降低20%，噪聲降低60%，70%為美國制造。由于波音的信譽和承諾，在波音787還沒有首飛的時候，就已經接到超過800架的訂單。當然2008年后的世界性經濟危機和波音787計劃的一再拖延使波音的訂單有所縮水，以后新增訂貨和取消訂貨部分相抵，至今訂單依然沒有超過900架。2012年的平均定購單價2.06億美元。一般認為，波音需要賣出1100架波音787才能保本，但波音787的長期前景依然看好，一月以來波音的股票不跌反升。

聯(lián)邦調查人員檢查787起火部位

除了低油耗的先進渦扇發(fā)動機和復合材料機體、機翼，波音787還是第一架高度電氣化的客機，用電動系統(tǒng)完成很多傳統(tǒng)上由液壓系統(tǒng)完成的動作，并提供先進的機上環(huán)境和娛樂系統(tǒng)，改善旅客的體驗。比如說，波音787的機窗不再使用傳統(tǒng)的塑料拉板，而是使用電控改變透明度的液晶，用開關控制“開窗/關窗”。比如說，盡管外面光線仍然很亮，遠程越洋航線為幫助旅客調整時差，還是需要在相當于目的地時間夜間的時候關窗，中心遙控關窗解決了個別不自覺的乘客開窗而影響其他乘客的問題。高度電氣化使得波音787上的用電量比傳統(tǒng)客機大為提高，但這不是波音787電池的難題，因為飛行中的用電是由發(fā)動機驅動的發(fā)電機提供的。兩次電池起火都不在電池放電工作期間，日航787是在停機坪上“無所事事”期間，全日空787是在空中飛行期間。電池用于在地面和空中啟動發(fā)動機，或者在地面發(fā)動機停車后提供地面輔助作業(yè)用電。換句話說，這對飛行是死重。為了以最小的空間和重量實現(xiàn)最大的蓄電量和放電電流，波音選用了先進的鋰電池，這可以節(jié)約重量30%。實際上波音787有兩組鋰電池，一前一后，各重約28.5公斤，各含有8個4伏的電池芯，串列后達到32伏電壓，可提供75安培-小時的電力。

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787的鋰電池安裝位置

傳統(tǒng)客機使用鎳鎘電池。相比于鋰電池，鎳鎘電池的體積大、重量大、蓄電量和放電電流不足、充電慢。與更大的波音777的鎳鎘電池相比，波音787的鋰-離子電池采用8芯，電壓達到32伏，而波音777的鎳鎘電池采用20芯，電壓才24伏；后者重量48.5公斤，但放電電流只有16安培-小時（波音787的兩個鋰-離子電池加起來可達150安培-小時）。另外，鎳鎘電池有記憶效應，如果長期充滿電，可用容量會越來越小，需要定期深度放電然后再深度充電。鎳鎘電池的使用已經越來越少了，鋰電池在筆記本電腦里大量使用，在一些新的電動汽車里也開始使用，事實上已經全面取代了鎳鎘電池。但新技術有新問題。鋰電池容易起火，筆記本電腦甚至手機里鋰電池莫名其妙著火的事情多有發(fā)生。更有甚者，一架美國UPS的波音747-400F貨機在裝運鋰電池時，貨艙起火，在迪拜墜機；另一架國亞航空的波音747-400F在太平洋上空也遇到同樣噩運。兩次墜機前，機組在最后失去聯(lián)系之前都報告機艙里發(fā)生濃煙烈火。

GS-湯淺鋰電池部的8個電池芯

鋰的化學性質比較暴烈，而且一旦起火很難撲滅。鋰電池在過度放電后，再次充電時會充不進去，電能不能轉換為儲藏的電化學能，反而轉化為熱能，造成電池過熱。更糟糕的是，鋰過熱后有溫度飛升的問題，也就是說，一旦溫度達到一定程度，鋰會自身產生熱，導致溫度進一步升高，直至起火。這個問題對于鈷酸鋰類型的鋰-離子電池尤其重，因為導致溫度飛升的臨界溫度較低。波音采用的正是采用鈷酸鋰的鋰-離子電池，由日本GS-湯淺公司制造。NTSB的調查發(fā)現(xiàn)，在日航電池事件中，火焰首先在6號電池芯發(fā)生，然后蔓延到其他電池芯，溫度高達253度，而鈷酸鋰的燃點是190度。應該指出，在前述鋰電池起火導致貨機墜機的事件里，那是鋰-金屬電池。鋰-離子電池要安全一些，但依然有自身的安全問題。鋰-離子電池為了提高效率，需要把電池芯緊密放置，這樣一旦起火，很容易蔓延，發(fā)生連鎖反應。由于鋰和水會發(fā)生激烈反應，電解液不能用阻燃性好的水基，而是用阻燃性較差的非水基。另外，長期反復充放電后，金屬鋰會析出，成為細微的金屬顆粒，時間久了，可能促成電極之間的短路。更糟糕的是，即使不在充電中，鋰電池也有可能發(fā)生過熱，甚至起火，起火原因經常不明。兩起導致波音747貨機墜毀的鋰-金屬電池起火事件到現(xiàn)在依然沒有確認起火原因。2006年為波音787制造充電系統(tǒng)的Securaplane公司在亞利桑那州圖桑的廠房里測試同為GS-湯淺制造的鋰-離子電池，發(fā)生過熱，導致電解液外泄和廠房起火，1000平米的廠房付之一炬。波音聲稱這是電池測試設置不當，不是電池和充電系統(tǒng)的原因；當?shù)叵狸犝J為起火原因不明，Securaplane則不回應媒體的詢問。

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單組電池芯

NTSB調查發(fā)現(xiàn)電池有部短路的跡象

由于缺乏適當?shù)募夹g標準和認證依據，F(xiàn)AA在認證波音787的鋰-離子電池時遇到很大的難題，最后制定了9條特別規(guī)定，最主要的是電池過熱不得超過每1000萬飛行小時1次，其他規(guī)定還包括在任情況下不得有有毒煙霧進入機艙、不得發(fā)生電解液泄漏和不得損壞鄰近機體結構等條款。如果說日航事故還可以用第一次偶然的小概率事件解釋，9天后的全日空事故就難以用小概率事件來推托了。到那個時候，波音787的累積飛行小時才52000小時，已經發(fā)生兩次過熱。事實上，有毒煙霧、電解液泄漏和損壞鄰近機體結構條款也沒有得到滿足。

波音在設計中采用很多手段，確保滿足FAA的9條特別規(guī)定。波音為電池組設計了堅固、耐熱的殼體，保證在起火的情況下，也能制止火災蔓延。在試驗中，波音高度加熱殼體，可以導致一個電池芯過熱，但無法使得電池芯之間發(fā)生連鎖反應。GS-湯淺在短路試驗中，往電池芯里打入鐵釘以模擬最壞情況，也無法引起過熱和連鎖反應。波音的電池殼體還有泄放系統(tǒng)，萬一電池過熱，產生有毒煙霧，可以自動泄放出去，不致進入機艙。在波音的安全分析中，只有過度放電后的不當充電成為 頁腳 .

過熱和連鎖反應的唯一可能性。波音的充電控制系統(tǒng)十分復雜先進，NTSB的調查表明，事故期間，充電電壓沒有超過設計指標。NTSB在事故調查中也發(fā)現(xiàn)，多重跡象表明，兩次事故中都有電池發(fā)生短路，說明鐵釘試驗沒有反映實際上的最壞情況。另外，在這兩起事故中，電池殼體都被燒毀。至少在1月16日的事故中，煙霧進入了駕駛艙。

NTSB人員在調查事故原因

波音787全面停飛后，波音緊急調集了300多工程師，分成10隊人馬，日夜奮戰(zhàn)，集中攻關，力求盡快解決電池問題。三個月里，投入了20萬小時的工作量。地面試驗集中在6個星期里，累計60000小時。2月7日波音獲得FAA特批，用一架預定交付中國南航的波音787從得克薩斯飛往華盛頓州的艾弗賴特工廠，稍后在華盛頓州海岸外空載飛行，用于科研和試驗飛行。3月13日（一說22日），F(xiàn)AA批準了波音的初步修改案。4月5日，波音用預定交付波蘭LOT航空公司的第86架波音787驗證最后修改案，案和試驗結果得到FAA批準，此后FAA批準波音787復飛，這才有了埃塞俄比亞航空公司在4月27日的亞的斯亞貝巴到羅畢的歷史性飛行。

波音的修改案是多面的。殼體得到極大的加強，增加隔離和耐熱能力。電池芯之間的空隙增加，并增加阻隔層，降低連鎖反應的可能性。接線和安裝件加強防火能力，一旦發(fā)生火災也不至于很快就被毀壞。充電系統(tǒng)進一步精細化，精確控制充電電壓，防止過度充電。泄放管直接通向機外，不僅有效泄放有毒煙霧，還確保電解液受熱膨脹后不會溢出到其他部分，引起連鎖反應，而是把熱源帶出機外。最重要的是，新的殼體不光隔熱，還阻絕空氣。燃燒的三要素是燃料、溫度和空氣。如果沒有空氣存在，燃燒是不能持續(xù)的。新殼體有效地阻絕了空氣，具有窒息火災的作用。在波音的試驗中，電解液被有意釋放，殼體受到強烈加熱，但由于缺乏空氣，殼體無法引起燃燒和溫度飛升。即使在引入空氣后，由于空間有限，而且后續(xù)空氣無法進入，燃燒也只持續(xù)了200毫秒就熄滅了。修改使得重量增加了60公斤，基本上抵消了鋰-離子電池相比于鎳鎘電池的重量優(yōu)勢。

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波音的修改案為電池增加了很厚的保護外殼

但值得注意的是，波音的修改案只涉及阻止火災的蔓延，并沒有達到確保不可能起火的本質安全。在所有已經發(fā)布的報告中，NTSB和波音都明確提到沒有發(fā)現(xiàn)起火的原因。4月19日，波音負責787的主管萊利洛夫蒂斯承認：“我們有可能永遠也不知道（電池起火的）根本原因，只能從別的面杜絕起火的可能。”永遠也不知道起火的根本原因，因而不能從根源上杜絕起火可能，這是波音787電池風波中揮之不去的一片陰影。在另一面，波音787的鋰電池還有眾多沒有達到起火但足夠惱人的故障。按照設計，鋰電池放電過度而導致電壓偏低的話，將不能再充電，必須換下來，送回工廠復。由于很多設計時沒有考慮到的因素，比如盡管機上總電門已經關閉，地勤加油時打開油箱蓋，油量表就自動跳動，開始耗電；行艙門沒有關緊，艙燈也將一直亮著，不斷耗電。由于這些因素，波音787電池過度放電的現(xiàn)象很頻繁，送回工廠復的頻率大大高于波音預計，全日空17架飛機在一年里已經換過幾十次電池。波音是知道這些的，但這是在地面，不影響飛行安全，所以波音沒有報告FAA，直到停飛后才爆出來。當然，波音沒有違規(guī)，這些已知原因和電池起火也不能直接相連，但畢竟增加了人們對波音787鋰電池的疑慮。

電池本身的設計修改，但并不能完全去除起火隱患

波音是民航客機界的老大，對于飛機上所有系統(tǒng)的安全規(guī)和設計過程有成熟的經驗。波音在波音787設計過程中對鋰電池的本質安全問題是如考慮的，這是一個很有意思的問題。當然，波音達到了FAA的要求，波音的修改也通過了FAA這一關，但 頁腳 .

FAA正在面臨自己過關的難題。在FAA的9條特別規(guī)定中，唯獨沒有在任情況下電池不得起火這一條。除了燃油在發(fā)動機的燃燒室里，飛機上任東西不得起火，這是很基本的。或FAA認為這是不言自明的，或者FAA有難言之隱。FAA的9條特別規(guī)定不是憑空想出來的，而是和航空工業(yè)及電池工業(yè)的專家協(xié)商后制定的。即使不在充電狀態(tài)下，鋰電池也有“莫名其妙”起火的前科。兩次鋰電池起火導致貨機墜機時，都不在充電狀態(tài)。媒體中廣為報道的手機、筆記本電腦鋰電池起火事件中，也不在充電狀態(tài)。賽斯納飛機公司在研制CJ4公務噴氣機時，采用鋰電池，后來發(fā)現(xiàn)起火問題無法解決，只好回到鎳鎘電池。空客用于和波音787競爭的A350XWB在設計中也采用鋰電池，但波音787一出事，馬上宣布將改用鎳鎘電池。因為現(xiàn)在改太晚，首飛飛機依然采用鋰電池，但到相關認證是將換用鎳鎘電池。在這樣的情況下，F(xiàn)AA如果規(guī)定在任情況下不能起火，電池廠家和波音可能無法證明能滿足這一規(guī)定，這也就判了鋰電池死刑。

電池的制造商GS-湯淺在調查期間也備受壓力

鋰電池一旦起火，也很難撲滅，所以FAA根本沒有規(guī)定一旦起火，要在多少時間撲滅，而是規(guī)定了殼體的耐熱要求和電解液、煙霧的泄放要求，暗含了容存在電池著火的可能性，盡管這個可能性必須極端小。

在FAA和工業(yè)界合作制定適航標準的作法受到質疑時，人們發(fā)現(xiàn)了更加令人吃驚的事情。FAA不光沒有足夠的人力制定規(guī)則，實際上也沒有足夠的人力主持和監(jiān)督認證試驗。在波音787的認證全過程中，有950人參與各步驟，只有40人是FAA的自己人，其余是具有FAA認證資格的航空工業(yè)從業(yè)人員，其多為波音的工作人員。這些人三分之二是全職，其余為兼職。換句話說，波音人員實際上主導適航標準的制定，負責批準測試程序，主持測試過程，批準測試結果。當然，F(xiàn)AA堅持說最后的發(fā)布認證來自FAA自己人。同樣，鋰電池的風險分析來自GS-湯淺，這是鋰電池的專家，有制造14000個大功率鋰電池的經驗。

FAA倒不是偷懶，也不是和工業(yè)界沆瀣一氣，而是新技術在不斷涌現(xiàn)，F(xiàn)AA不能等到新技術都成熟了才總結標準、批準適航，總是要面對沒有先例的事情的，比如波音787的復合材料機身就是另外一個例子。另一面，F(xiàn)AA自己是不設計也不制造飛機的，沒有直接的知識和經驗，缺乏相關人才。在歷史上，F(xiàn)AA有可能從別的飛機公司找人，交叉認證，保持獨立性和中立性。但美國在50年代還有波音、洛克希德、道格拉斯、康奈爾等民航客機公司，現(xiàn)在只有波音一家碩果僅存了，到工業(yè)界找人就只有找波音。FAA對認證資格的管理還是很格的，確保最大的獨立性和中立性，認證人員公然作弊的事情至少沒有報道。但人畢竟是人，在可能要了東家命的事情上，網開一面還是鐵面無情就是一念之差的事情。在沒有確切的事實證明不能開適航證的情況下，或不致于對東家寄托身家性命的新技術提出過于苛的要求，但什么才是合理而不是過于苛的要求呢？2月7日，NTSB宣布將調查波音的設計過程和FAA的認證過程。這將是一個很長的過程，人們只有耐心等待，但結果或對民航界產生深遠影響。

波音787不僅是技術上的創(chuàng)新，還是生產管理上的創(chuàng)新。波音外包生產已經有日子了，每年外包生產耗資280億美元，涉及全世界5400多個工廠，至少50萬從業(yè)人員。波音每年外包生產7.83億個部件，其中4億個用于波音737系列，310萬個用于波音767系列，300萬個用于波音777系列，600萬個用于波音747-8系列，波音787系列則有230萬個，但這個數(shù)字將隨著波音787生產的加速而急劇增加。即使在1月中旬波音787停飛后，波音依然以每月5架的速度在繼續(xù)生產波音787，計劃逐步增速到每月7架，最終達到每月10架。2013年底之前，依然計劃交付60-70架波音787。電池風波可能使波音破費4-7億美元，但這對于波音的帳面來說其實不是什么了不起的開銷。波音的問題在于維持波音787的生產節(jié)奏和質量控制， 頁腳 .

只有快速穩(wěn)定的交貨，才能保證贏利。問題是波音787采用外包件的程度大大高于以往，比如鋰電池就是一級外包到法國泰利斯，二級外包才到日本GS-湯淺。大圍、多層次外包導致質量管理松弛，供應鏈漫長，技術改進的反饋機制遲緩。質量問題還沒有從日航和全日空電池起火的原因中排除。

對于革命性的波音787來說，電池問題并不會對該機的光明未來造成太大影響

換回鎳鎘電池可以避開很多鋰電池的煩惱，但這不僅增加重量，還需要重新設計電池艙，以提供足夠的空間，這是不可忍受的大動干戈。這樣的修改需要FAA重新認證。鋰電池修改導致的重量增加必將影響耗油。對于用戶來說，安全性提高當然是歡迎的，但由此而來的耗油增加和贏利下降違反了波音的承諾，官司隨之而來是可以想象的。停飛造成的直接經濟損失更是一件頭痛事。已經交付的飛機被停飛，航班需要取消，或者臨時調用別的飛機來填空。用波音767、777甚至747都可以填補，但油耗上的損失可能會找波音“報銷”。還有航空公司按照預計交付時間，已經安排了航班，像挪威航空班機公司（Norwegian Air Shuttle）預計用全波音787的機隊在5月開通到紐約和曼谷的航線，現(xiàn)在只好“鼓勵”旅客推遲出行時間，對于不依不饒的旅客可能最后只有要求波音補償了。

在整個電池風波里，空客一面警覺地注視事態(tài)發(fā)展，適時宣布改回鎳鎘電池，另一面沒有推波助瀾，而是兔死狐悲地宣稱“誰都會出問題，我們也不例外”。空客倒是在說實話，不久前A380剛出了發(fā)動機渦輪盤破碎、擊穿機匣和機翼的大事。A350XWB換回鎳鎘電池是一個聰明的舉動。現(xiàn)在設計定型了，但還沒有首飛。修改有點晚，但還不是太晚。更重要的是，空客立刻贏得安全分，同時在鋰電池最終成熟的時候，已經預留了換回來的空間和接口，到時候可以作為一個改進用在新型號上，或者作為升級用在已經交付的飛機上。面子、里子兩不誤。EAA（歐洲相應于FAA的機構）對于鋰電池的適航條款也將是值得關注的看點。

首架A350XWB已完成噴漆，即將試飛

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