Masz hulajnogę elektryczną, rower elektryczny, deskorolkę elektryczną? Zadbaj o ochronę przeciwprzepięciową.

W powszechnym odczuciu pojazdy elektryczne są najtańszym sposobem przemieszczania się. Codziennie na ulicach polskich miast możemy zobaczyć mknące hulajnogi elektryczne, przejeżdżające samochody elektryczne czy dostawców jedzenia na rowerach elektrycznych. Z dnia na dzień jest ich coraz więcej. Są modne i popularne szczególnie wśród młodzieży. Największą zaletą jest minimalizowanie wysiłku fizycznego podczas jazdy. Korki uliczne, rosnące ceny paliw skłaniają do zakupu. Jak grzyby po deszczu pojawiają się sklepy oferujące różnego rodzaju elektryczne pojazdy.

Przepięcia elektryczne w pojazdach: Mniej znane, ale istotne zagrożenie

Można wymieniać bezsprzeczne zalety różnego rodzaju pojazdów zasilanych energią elektryczną, jednak trzeba też spojrzeć na wady. Wady, o których już nie tak często słyszymy lub nie chcemy usłyszeć. Ich wady i zjawiska związane z przepięciami, których nie możemy wyeliminować – razem w połączeniu tworzą łańcuch zdarzeń (czasami katastrofalnych) mogących prowadzić do pożaru.

Na wstępie należy uświadomić użytkowników pojazdów elektrycznych, iż przepięcia występują (czy tego chcemy, czy nie) i w większości przypadków nie zdajemy z tego sobie sprawy. Przepięć nie widać. Kiedy pojawia się przepięcie? Podczas zwarć (na przykład u naszego sąsiada), podczas włączania urządzeń do zasilania (na przykład lodówki, odkurzacza, ładowarki od telefonu komórkowego, zasilacza do laptopa itp.), podczas operacji łączeniowych w sieci energetycznej, podczas burz i występujących doziemnych wyładowań piorunowych.

Pożary pojazdów elektrycznych

Wszystkie e-pojazdy do napędu wykorzystują silniki elektryczne i baterie litowo-jonowe, które dostarczają niezbędnej energii do poruszania się. Bateria, która z racji wygody użytkowania powinna mieć jak największą pojemność stanowi obecnie największy problem. Niestety poza bezsprzecznymi zaletami baterii litowo-jonowych są też wady, które powinny zwrócić uwagę użytkownika i skłonić do podjęcia działań celem minimalizacji ryzyka pożaru w następstwie uszkodzenia układu ładowania — przeładowania ogniwa mogącego skutkować jego samozapłonem.

Ryzyko samozapłonu baterii litowo-jonowych jest ich największą wadą. Jej uszkodzenie, przebicie izolacji w większości przypadków powoduje pożar na skutek przepływu prądu zwarciowego, który może osiągnąć nawet 10 tysięcy amperów [4].

Przeglądając serwis internetowy YouTube, bez większego problemu można natknąć się na filmy oraz zdjęcia pokazujące pożary:

• skuterów elektrycznych podczas ładowania – patrz rys. 1, 2,
• hulajnóg elektrycznych podczas ładowania – patrz rys. 3,
• rowerów elektrycznych – patrz rys. 4 i 5.

a)

b)

c)

d)

Rys. 1. Kolejne etapy rozwoju pożaru skutera elektrycznego w mieszkaniu podczas procesu ładowania: a) ładowanie skutera elektrycznego — ładowarka leży na baterii, b) nagłe pojawienie się płomieni, c) 15 sekund później, d) 45 sekund od rozpoczęcia się pożaru – źródło YouTube [4]

a)

b)

c)

d)

e)

Rys. 2. Kolejne etapy rozwoju pożaru hulajnogi elektrycznej w mieszkaniu podczas procesu ładowania: a) hulajnoga elektryczna w mieszkaniu, b) nagły początek pożaru, c) gwałtowny wybuch, d) kilka sekund później rozwijają się płomienie, e) całkowite zadymienie pomieszczenia – źródło YouTube [5]

Rys. 3. Pożar roweru elektrycznego – źródło YouTube [6]

Rys. 4. Pożar roweru elektrycznego – źródło YouTube [7]

Liczba pożarów jednoznacznie wskazuje na wagę problemu, z którym należy się zmierzyć. Krajowe media w październiku 2020 roku obiegła informacja o pożarze w garażu podziemnym w Warszawie, który spowodował wyłączenie całego budynku z eksploatacji ze względu na popękane stropy. Do chwili obecnej nie wyjaśniono przyczyny pożaru. Jedne źródła mówią o wybuchu samochodu elektrycznego inne źródła o pożarze samochodu z silnikiem spalinowym. Bez względu na faktyczną przyczynę powstania pożaru sam fakt, iż spowodował on konieczność wyprowadzenia się lokatorów z całego budynku, powinien dać do myślenia w zakresie zabezpieczenia przeciwpożarowego i przeciwprzepięciowego – wycinek prasowy rys. 5a. Ciekawy jest również przypadek wybuchu hulajnogi elektrycznej w mieszkaniu, który skutkował wyrwaniem okien – wycinek prasowy rys. 5b.

Rys. 5a. Warszawa, wybuch elektryka. Spłonęło 50 aut, blok zniszczony.
Źródło: https://wgospodarce.pl/informacje/86892-warszawa-wybuch-elektryka-splonelo-50-aut-blok-zniszczony (data pozyskania: 2023.05.08)

Rys. 5b. Wybuch hulajnogi elektrycznej w mieszkaniu
Źródło: Facebook TVN24.PL

Z punktu widzenia bezpieczeństwa najgroźniejszy jest dym, który zabija więcej ludzi niż ogień. Zdjęcia poklatkowe prezentowane w artykule jednoznacznie pokazują, iż palące się baterie litowo-jonowe powodują całkowite zadymienie pomieszczenia w ciągu kilkunastu sekund - pojedynczych minut od rozpoczęcia pożaru. Cechą wspólną wszystkich zdarzeń wydaje się proces ładowania baterii litowo-jonowych.

Jak gasić pożar baterii litowo-jonowej

Pożar pojazdu elektrycznego jest obecnie dużym wyzwaniem. Stosowanie wody lub gaśnic do tłumienia pożaru baterii litowo-jonowej w świetle zebranych materiałów wydaje się nieskuteczne – patrz rys. 6 i 7. Niedawno kraj obiegła informacja, iż samochód elektryczny dogaszany był przez jeden dzień – dopiero umieszczenie go w kontenerze z wodą pozwoliło opanować ponowne samozapłony ogniw litowo-jonowych — wycinek prasowy rys. 8.

a)

b)

Rys. 6. Nieskuteczność gaśnicy podczas gaszenia skutera elektrycznego zasilanego z baterii litowo-jonowej (a), powrót płomieni (b) – źródło YouTube [8]

a)

b)

c)

Rys. 7. Nieskuteczność wody podczas gaszenia pożaru baterii litowo-jonowej: a) pożar, b) użycie wody, c) brak widocznych rezultatów – źródło YouTube [9]

Rys. 8. Strażacy gasili elektroauto 21 godzin. „Trzeba było umieścić je w kontenerze z wodą”
Źródło: https://energetyka24.com/elektroenergetyka/wiadomosci/strazacy-gasili-elektroauto-21-godzin-trzeba-bylo-umiescic-je-w-kontenerze-z-woda (2023.05.08).

Skutecznym rozwiązaniem problemu przetestowanym przez ośrodek badawczy w Saragossie (Centro Zaragoza Instituto de Investigacion Sobre Vehiculos) przy współpracy ze Strażą Pożarną Saragossa wydaje się płachta gaśnicza (większa wersja koca gaśniczego) – rys. 8. Przeprowadzone badania wykazały, iż pożar baterii litowo-jonowych w ciągu 10 minut spowodował wzrost temperatury samochodu do 1080 °C – rys. 9. Zastosowanie wspomnianej wyżej dedykowanej płachty gaśniczej poskutkowało stłumieniem ognia i ograniczeniem temperatury do 107 °C (po kolejnych 10 minutach) – rys. 10. Zsunięcie płachty gaśniczej spowodowało ponowny samozapłon samochodu – rys. 11. Poprzez analogię do gaszenia mniejszych urządzeń można z powodzeniem wykorzystać koc gaśniczy, pamiętając o możliwości ponownego zapłonu gaszonego urządzenia po jego zdjęciu.

Rys. 8. Płachta gaśnicza wykorzystywana do gaszenia samochodów [10].

Rys. 9. Skutki pożaru baterii litowo-jonowej po 10 minutach od rozpoczęcia testów – źródło YouTube [11].

Rys. 10. Narzuta gaśnicza tłumiąca pożar baterii litowo-jonowych – źródło YouTube [11].

Rys. 11. Ponowny samozapłon samochodu po zsunięciu płachty gaśniczej – źródło YouTube [11].

Dlaczego palą się pojazdy elektryczne?

Proces ładowania baterii litowo-jonowych wymaga stosowania dedykowanych układów (najczęściej scalonych) specjalnie zaprojektowanych, tak aby zabezpieczyć je na wypadek uszkodzenia, przeładowania, zbyt głębokiego rozładowania, przekroczenia wartości prądu granicznego. W przypadku, gdy zostaną przekroczone graniczne wartości, może nastąpić niekontrolowany wzrost temperatury poszczególnych ogniw. Baterie litowo-jonowe (ze względu na obecność związków litu) pozbawione warstwy ochronnej ulegają samozapłonowi w obecności tlenu atmosferycznego. Bezpośrednią przyczyną niebezpiecznego zjawiska jest zwiększenie temperatury ogniwa lub drastyczne przeładowanie ogniwa, które prowadzi do dekompozycji jego elementów składowych określanej jako efekt „thermal runaway” [12]. Proces ten jest silnie egzotermiczny i samopodtrzymujący się. Przekroczenie temperatury granicznej ogniwa powoduje stopienie folii wewnętrznej, co z kolei doprowadza do gwałtownego spalania związków litu. Mechanizm ten jednoznacznie skłania do zwrócenia uwagi na wartości graniczne prądów poszczególnych ogniw.

Słabym punktem układów ładowania jest ich stosunkowo niska odporność na przepięcia. Należy zwrócić uwagę, iż w przypadku ogniw litowo-jonowych wymagana jest precyzja doboru granicznych wartości zabezpieczeń na poziomie 4,25 V +/- 50 mV – układ pomiaru napięcia ogniwa w członie zabezpieczającym przed przeładowaniem [13]. Układ scalony kontrolujący proces ładowania zbudowany jest z kilku modułów logicznych, układu komparatorów i wzmacniaczy operacyjnych. Maksymalne napięcie pracy typowych układów to 24 V [13]. Producenci deklarują wytrzymałość na wyładowania elektrostatyczne, zapominając jednak o problemie przepięć [13]. Słabym punktem z punktu widzenia wytrzymałości udarowej układu wydaje się sam układ cyfrowy i wymagane zewnętrzne tranzystory Mosfet, które de fakto są jedynymi elementami oddzielającymi ogniwa litowo-jonowe od wejścia układu zasilania – patrz rys. 12. Odporność układu na przepięcia ogranicza wytrzymałość samych tranzystorów oraz niezawodność działania układu kontrolującego proces ładowania. Uszkodzenie tranzystorów w większości przypadków prowadzi do zwarcia pomiędzy drenem i źródłem – następuje wówczas bezpośrednie połączenie źródła zasilania z baterią litowo-jonową bez jakiejkolwiek kontroli prądu co prowadzi do przeładowania ogniw. Brak odpowiedniego wysterowania bramki tranzystora lub jej zwarcie do zasilania może spowodować przeładowanie ogniw litowo-jonowych. W obu tych przypadkach może dojść do termicznego uszkodzenia izolacji ogniw i samozapłonu.

Mając powyższe na uwadze, należy zainteresować się ochroną przed uszkodzeniami układów scalonych kontrolujących procesy ładowania baterii litowo-jonowych, jak również nad ochroną tranzystorów wykonawczych typu Mosfet z nimi współpracujących.

Rys. 12. Układ aplikacyjny układu scalonego DW01-P stosowanego do kontroli procesu ładowania baterii litowo-jonowych [13]

Jak chronić pojazdy elektryczne od przepięć?

Po pierwsze – przepięć nie widać. Po drugie — przepięcia występują, czy tego chcemy, czy nie. Po trzecie — w większości przypadków nie zdajemy z tego sobie sprawy, iż kilkukrotne narażenie na przepięcia (początkowo niegroźne) powoduje nadwyrężenie izolacji i może być przyczyną problemów opisanych wcześniej.

Normy z zakresu minimalnej odporności urządzeń powszechnego użytku na przepięcia zakładają (w dużym uproszczeniu), iż powinny one wytrzymać do 2,5 kV przez bardzo krótki moment (kategoria II wg. PN-HD 60364-4-443:2016 [15]). Wniosek z tego jest jeden. Jeśli w naszej sieci zasilającej – tej, z której ładujemy nasze hulajnogi (i nie tylko) pojawi się napięcie większe, niż 2,5 kV może dojść do uszkodzenia urządzenia, przeładowania baterii, a nawet do pożaru. Mając na uwadze przykłady przytoczone wcześniej, które pokazują skalę zagrożenia, warto pomyśleć o ochronie przeciwprzepięciowej. Nie tylko w pojazdach elektrycznych.

Nowa, prawidłowo zaprojektowana i wykonana instalacja elektryczna powinna zakładać zabezpieczenie przeciwprzepięciowe – patrz rys.13. Większość z nas nie jest biegła w zakresie niezbędnym do sprawdzenia, czy posiadamy zainstalowane ograniczniki przepięć, czy instalacja elektryczna w rzeczywistości nas zabezpieczy. Dlatego też warto zainstalować ogranicznik przepięć typu 3 w postaci np.: przejściówki ograniczającej przepięcia lub listwy przeciwprzepięciowej – patrz rys. 14. W handlu dostępnych jest wiele listw przeciwprzepięciowych, nie mniej jednak w większości jakość pozostawia wiele do życzenia. Czasami listwa przeciwprzepięciowa jest nią tylko z nazwy. Cena takiego urządzenia jest porównywalna ze zwykłym rozgałęziaczem, a przecież nie o to chodzi.

Markowe listwy przeciwprzepięciowe:

• posiadają układ co najmniej 3 elementów do ograniczania przepięć,
• mają wbudowany filtr przeciwzakłóceniowy eliminujący przepięcia o charakterze przejściowym,
• posiadają optyczny wskaźnik uszkodzenia,
• przebadane są na zgodność z normą PN-EN 61643-11,
• mają zadeklarowaną klasę probierczą T3.

Rys. 13. Ochrona przeciwprzepięciowa w typowej sieci zasilającej (TN-C-S) wg norm PN-HD 60364-4-443 [15], PN-HD 60364-5-534 [16] i PN-EN 62305-4 [22].

Rys. 14. Ogranicznik typu 3 wykorzystywany do ochrony układu ładowania hulajnogi elektrycznej od przepięć.
Źródło: https://auto-dzban.pl/pytania-czytelnikow/jak-prawidlowo-ladowac-hulajnoge-elektryczna/

Rys. 15. Przykład listwy ograniczającej przepięcia

Literatura:

[1] China electric vehicle explode while charging.
[2] An Electric Bus Caught Fire After Battery Explosion in Paris.
[3] South China Morning Post www.scmp.com - Electric bus bursts into flames, sets nearby vehicles on fire in China.
[4] Shocking Electric Scooter Fire Explosion While Charging Inside Room.
[5] Electric Scooter Explodes during Charging. CCTV+, Beijing, Chiny, Lipiec 2018 roku
[6] Electric bike caught fire #shorts (1080p_30fps_H264-128kbit_AAC)
[7] Secutronic technology Electric Bike explodes in Fire (Brand New) (1280p_30fps_VP9-160kbit_Opus)
[8] Electric car catches fire, burns passenger, CGTN Ganzhou City, Chiny 2018
[9] Electric scooter caught fire during charging | pure ev scooter on fire.
[10] Płachta gaśnicza SPG
[11] Centro Zaragoza Instituto de Investigacion Sobre Vehiculos. Centro Zaragoza tests the Bridgehill Fire Blanket on an electric vehicle
[12] https://icpt.pl/plonace-ogniwa/ 
[13] https://cdn.sparkfun.com/assets/learn_tutorials/2/5/1/DW01-P_DataSheet_V10.pdf 
[14] https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic2508825.html 
[15] PN-HD 60364-4-443:2016-03. Instalacje elektryczne niskiego napięcia — Część: 4-443: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa — Ochrona przed zaburzeniami napięciowymi i zaburzeniami elektromagnetycznymi — Ochrona przed przejściowymi przepięciami atmosferycznymi lub łączeniowymi.
[16] PN-HD 60364-5-534:2016-04. Instalacje elektryczne niskiego napięcia — Część 5-534: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego — Odłączanie izolacyjne, łączenie i sterowanie — Urządzenia do ochrony przed przejściowymi przepięciami.
[17] PN-EN 61000-4-5:2014-10. Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) - Część 4-5: Metody badań i pomiarów — Badanie odporności na udary.
[18] Wiater J.: Skuteczność ochrony przeciwprzepięciowej w sieciach elektroenergetycznych z równolegle łączonymi warystorowymi ogranicznikami przepięć. Wiadomości Elektrotechniczne, Wiadomości Elektrotechniczne, 88 (6): 5–8. doi:10.15199/74.2020.6.1.
[19] PN-HD 60364-5-53:2016-02. Instalacje elektryczne niskiego napięcia — Część 5-53: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego — Aparatura rozdzielcza i sterownicza.
[20] https://wgospodarce.pl/informacje/86892-warszawa-wybuch-elektryka-splonelo-50-aut-blok-zniszczony (2023.05.08).
[21] https://energetyka24.com/elektroenergetyka/wiadomosci/strazacy-gasili-elektroauto-21-godzin-trzeba-bylo-umiescic-je-w-kontenerze-z-woda 
[22] PN-EN 62305-4. Ochrona odgromowa — Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach