Zagrożenie pożarowe układów ładowania baterii litowo-jonowych – ochrona przeciwprzepięciowa
Fire hazard of lithium-ion battery charging systems – surge protection
![Pożar pojazdu na stacji ładowania samochodów elektrycznych, źródło: YouTube [1] ](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/202209/zagrozenie-pozarowe-ukladow-ladowania-baterii-litowo-jonowych-rys.jpg)
Pożar pojazdu na stacji ładowania samochodów elektrycznych, źródło: YouTube [1]
W obecnych czasach codziennie spotykamy się z pojazdami elektrycznymi różnego rodzaju. W większości z nich stosowane są baterie litowo-jonowe. Służą one do magazynowania energii i umożliwiają napędzanie tych pojazdów. Poza bezsprzecznymi zaletami baterie litowo-jonowe mają też wady, które powinny zwrócić uwagę użytkownika i skłonić do podjęcia działań w celu minimalizacji ryzyka pożaru w następstwie uszkodzenia układu ładowania – przeładowania ogniwa, mogącego skutkować jego samozapłonem.
Zobacz także
dr inż. Marta Żurek-Mortka, mgr inż. Andrzej Gospodarczyk, dr inż. Andrzej Majcher, Marcin Kozak Przegląd wybranych metod diagnozowania stanu akumulatorów litowo-jonowych
Funkcjonalność pojazdów elektrycznych jest często oceniana z perspektywy zasięgu oraz szybkości ładowania baterii, w porównaniu z szybkością uzupełniania paliwa w pojazdach spalinowych.
Funkcjonalność pojazdów elektrycznych jest często oceniana z perspektywy zasięgu oraz szybkości ładowania baterii, w porównaniu z szybkością uzupełniania paliwa w pojazdach spalinowych.
DEHN POLSKA sp. z o.o. Skuteczność zintegrowanych systemów ochrony przed przepięciami o częstotliwości sieciowej (POP) w instalacjach niskiego napięcia
Powszechna obecność wrażliwych urządzeń elektronicznych we współczesnych instalacjach niskiego napięcia modyfikuje wymagania w zakresie ich ochrony. Podczas gdy zagrożenia wywołane przejściowymi wyładowaniami...
Powszechna obecność wrażliwych urządzeń elektronicznych we współczesnych instalacjach niskiego napięcia modyfikuje wymagania w zakresie ich ochrony. Podczas gdy zagrożenia wywołane przejściowymi wyładowaniami atmosferycznymi są powszechnie uwzględniane w procesach projektowych, poważny problem eksploatacyjny stanowią długotrwałe wzrosty napięcia o częstotliwości sieciowej. Tradycyjne ograniczniki chroniące przed przepięciami atmosferycznymi i łączeniowymi (SPD) okazują się wobec nich nieskuteczne....
Ewimar Sp. z o.o. Nowe ograniczniki przepięć do systemów automatyki i nie tylko
Już wkrótce gama produktów z firmy Ewimar, zostanie wzbogacona o nowe produkty ochrony przeciwprzepięciowej, dedykowane do linii zasilających, linii pomiarowych oraz transmisyjnych.
Już wkrótce gama produktów z firmy Ewimar, zostanie wzbogacona o nowe produkty ochrony przeciwprzepięciowej, dedykowane do linii zasilających, linii pomiarowych oraz transmisyjnych.
W artykule:
|
StreszczenieW artykule zostały zaprezentowane skutki pożarów baterii litowo-jonowych powszechnie stosowanych w samochodach, skuterach, rowerach, hulajnogach elektrycznych. Wystąpiły one w większości przypadków podczas procesu ładowania. Mechanizmy, które do nich doprowadziły, są różne, niemniej jednak zagrożenie i potencjalne duże straty powinny skłonić do właściwej ochrony przeciwprzepięciowej sieci zasilających układy ładowania. W artykule zaprezentowano zalecane metody ochrony przeciwprzepięciowej układów elektronicznych wykorzystywanych w ładowarkach baterii litowo-jonowych zasilanych z sieci elektroenergetycznej. AbstractThe article presents the effects of fires of lithium-ion batteries commonly used in cars, scooters, bicycles and electric scooters. They occurred in most cases during the loading process. The mechanisms that led to them are different, but nevertheless the threat and potential large losses should prompt for proper surge protection systems. The article presents the recommended anti-overvoltage methods of electronic systems used in chargers of lithium-ion batteries supplied from the power grid.
|
Zagrożenie pożarowe
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. Wszystkie te urządzenia do napędu wykorzystują silniki elektryczne i baterie litowo-jonowe, które dostarczają niezbędnej energii do poruszania się. Niestety wiele osób dostrzega tylko zalety tych rozwiązań technicznych, zapominając o ich wadach.
Ryzyko samozapłonu baterii litowo-jonowych jest ich największą wadą. Uszkodzenie baterii, przebicie izolacji w większości przypadków powoduje pożar na skutek przepływu prądu zwarciowego, który może osiągnąć nawet 10 kA [4]. Przeglądając serwis internetowy YouTube bez większego problemu można natknąć się na filmy oraz zdjęcia pokazujące pożary:
- samochodów elektrycznych podczas ich ładowania (rys. 1.),
- autobusów elektrycznych podczas postoju i ładowania baterii (rys. 2. i 3.),
- skuterów elektrycznych podczas ładowania (rys. 4.),
- hulajnóg elektrycznych podczas ładowania (rys. 5.),
- rowerów elektrycznych (rys. 6. i 7.).
Rys. 1. Kolejne etapy pożaru stacji ładowania samochodów elektrycznych; źródło: YouTube [1]
Rys. 2. Kolejne etapy rozwoju pożaru autobusu elektrycznego podczas postoju i prawdopodobnie ładowania we Francji: a) początek pożaru, b) pożar w fazie rozwoju, c) pożar rozwinięty, d) mały wybuch na dachu autobusu; źródło: YouTube [2]
Rys. 3. Kolejne etapy rozwoju pożaru autobusu elektrycznego podczas postoju na terenie kampusu uniwersyteckiego i procesu ładowania: a) autobusy elektryczne zaparkowane na terenie kampusu uniwersyteckiego, b) początek pożaru, c) płomienie wydostają się na zewnątrz, d) pożar w pełni rozwinięty, e) płomienie zajęły kolejne autobusy zaparkowane obok, f) skutki pożaru; źródło: YouTube [3]
Rys. 4. 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]
Rys. 5. 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. 6. Pożar roweru elektrycznego; źródło: YouTube [6]
Rys. 7. Pożar roweru elektrycznego; źródło: YouTube [7]
Liczba uwiecznionych zdarzeń jednoznacznie wskazuje na wagę problemu, z którym należy się zmierzyć. Osoby chętne do obejrzenia prezentowanych materiałów mogą skorzystać z linków do filmów w serwisie YouTube, które znajdziemy w spisie literatury. Najbardziej spektakularny jak dotychczas film został nagrany w maju 2020 r. przez kamerę monitoringu. Pokazuje on od samego początku rozwój, poszczególne etapy i skutki pożaru samochodu elektrycznego podczas procesu ładowania (rys. 1.).
Krajowe media w październiku 2020 r. 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 – 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 na temat zabezpieczenia przeciwpożarowego i przeciwprzepięciowego.
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 czy kilku minut od rozpoczęcia pożaru. Cechą wspólną wszystkich zdarzeń wydaje się być proces ładowania baterii litowo-jonowych.
Jak się chronić przed skutkami pożaru baterii litowo-jonowej
Pożar pojazdu elektrycznego jest obecnie dużym wyzwaniem. Stosowanie wody lub gaśnic do tłumienia pożaru baterii litowo-jonowej w świetle zebranych materiałów wykazuje brak skutecznego działania gaśniczego tych środków (rys. 8. i 9.). Stosowanie gaśnic przeznaczonych do gaszenia urządzeń pod napięciem również nie pozwoliło stłumić pożaru (rys. 3f) – wykorzystano kilkadziesiąt gaśnic bez pozytywnego zakończenia.
Rys. 8. Nieskuteczność gaśnicy podczas gaszenia skutera elektrycznego zasilanego z baterii litowo-jonowej: a) gaszenie skutera przez policjanta, b) powrót płomieni; źródło: YouTube [8]
Rys. 9. Nieskuteczność wody podczas gaszenia pożaru baterii litowo-jonowej: a) pożar, b) użycie wody, c) brak widocznych rezultatów; źródło: YouTube [9]
Skutecznym rozwiązaniem problemu, przetestowanym przez ośrodek badawczy w Saragossie (Centro Zaragoza Instituto de Investigacion Sobre Vehiculos) przy współpracy z miejscową strażą pożarną, wydaje się zastosowanie płachty gaśniczej (większa wersja koca gaśniczego).
Rys. 10. Płachta gaśnicza wykorzystywana do gaszenia samochodów [10]
Przeprowadzone badania wykazały, że pożar baterii litowo-jonowych w ciągu 10 minut spowodował wzrost temperatury samochodu do 1080°C (rys. 11.). Zastosowanie wspomnianej wyżej płachty gaśniczej poskutkowało stłumieniem ognia i ograniczeniem temperatury do 107°C – po kolejnych 10 minutach (rys. 12.). Zsunięcie płachty gaśniczej spowodowało ponowny samozapłon samochodu (rys. 13.). Poprzez analogię do gaszenia mniejszych urządzeń można z powodzeniem wykorzystać koc gaśniczy, pamiętając o możliwości ponownego zapłonu gaszonego urządzenia po jego zdjęciu.
Rys. 11. Skutki pożaru baterii litowo-jonowej po 10 minutach od rozpoczęcia testów; źródło: YouTube [11]
Rys. 12. Narzuta gaśnicza tłumiąca pożar baterii litowo-jonowych; źródło: YouTube [11]
Rys. 13. Ponowny samozapłon samochodu po zsunięciu płachty gaśniczej; źródło: YouTube [11]
Układy ładowania baterii litowo-jonowych
Proces ładowania baterii litowo-jonowych wymaga stosowania 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 (rys. 14.).
Rys. 14. Schemat funkcjonalny układu scalonego kontrolującego proces ładowania baterii litowo-jonowych [13]
Maksymalne napięcie pracy typowych układów to 24 V [13]. Producenci deklarują wytrzymałość na wyładowania elektrostatyczne, zapominając jednak o problemie przepięć [13]. Słabym punktem układu, z punktu widzenia wytrzymałości udarowej, wydaje się sam układ cyfrowy i wymagane zewnętrzne tranzystory Mosfet, które de facto są jedynymi elementami oddzielającymi ogniwa litowo-jonowe od wejścia układu zasilania (rys. 15.). Odporność układu na przepięcia ogranicza wytrzymałość samych tranzystorów oraz niezawodność działania układu kontrolującego proces ładowania.
Rys. 15. Układ aplikacyjny układu scalonego DW01-P, stosowanego do kontroli procesu ładowania baterii litowo-jonowych [13]
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 ochroną tranzystorów wykonawczych typu Mosfet z nimi współpracujących.
Zagrożenie przepięciowe
Chcąc prawidłowo i skutecznie zabezpieczyć pojazd elektryczny podczas ładowania, należy na wstępie wymienić potencjalne źródła zagrożeń, przed którymi musimy się chronić, a są to mianowicie:
- bezpośrednie wyładowanie piorunowe w elementy instalacji ładowania pojazdów elektrycznych,
- wyładowanie piorunowe w sąsiadujące ze stacją ładowania instalacje, urządzenia, budynki,
- przepięcia łączeniowe występujące na skutek przełączeń, zwarć i innych stanów przejściowych występujących w sieci elektroenergetycznej zasilającej stację ładowania.
Obserwując potencjalne skutki zniszczeń, warto zainwestować w ochronę, a nie liczyć na ubezpieczenie od szkód spowodowanych pożarem. Należy również liczyć się z koniecznością zapłaty za szkody, które pojazd elektryczny może wyrządzić w mieniu innych osób lub podmiotów.
Ochrona przeciwprzepięciowa stacji ładowania pojazdów elektrycznych
Pojazdy elektryczne mogą być ładowane na otwartym terenie, wewnątrz budynków jak również w mieszkaniach. We wszystkich przedstawionych wypadkach przyłącze zasilające układ ładowania pojazdu elektrycznego narażone jest na znaczne wartości przepięć na wejściu układu ładowania. W zależności od lokalizacji terminala ładującego ochrona przed przepięciami realizowana jest na podstawie zapisów norm PN-EN 60364-4-443 [15], PN-EN 60364-5-534 [16]. W przypadku, gdy znajduje się ona w strefie LPZ0A, należy zastosować ogranicznik przepięć typu 1, dla którego prąd impulsowy (Iimp) nie powinien być mniejszy niż 12,5 kA. Stosowanie ogranicznika przepięć, w którym głównym elementem jest warystor, może skutkować brakiem koordynacji energetycznej z warystorami umieszczonymi na wejściu układu ładowania. Zdecydowanie zaleca się stosować w tym miejscu ogranicznik typu 1, zbudowany na bazie iskiernika – taki, w którym producent deklaruje prawidłową koordynację z urządzeniem końcowym, spełniającym wymagania normy PN-EN 61000-4-5 [17]. Niezapewnienie właściwej koordynacji skutkuje uszkodzeniem chronionego urządzenia, pomimo zainstalowania na jego zaciskach ogranicznika typu 1, zbudowanego tylko w oparciu o warystor. W przypadku, gdy część kabli wychodzi poza strefę LPZ0B, należy je wyposażyć w ogranicznik typu 1, z zastrzeżeniami opisanymi powyżej (rys. 16.).
Rys. 16. Przykład prawidłowej ochrony zewnętrznej stacji ładowania pojazdów elektrycznych, zgodnie ze strefową koncepcją ochrony (LPZ)
Szczegółowo problem koordynacji energetycznej opisano w artykule dotyczącym skuteczności ochrony przeciwprzepięciowej w sieciach elektroenergetycznych z równolegle łączonymi warystorowymi ogranicznikami przepięć [18]. W przypadku, gdy cała stacja ładowania oraz doprowadzone do niej kable zasilające znajdują się w strefie LPZ0B, należy zastosować ograniczniki typu 2 (rys. 17.).
Rys. 17. Przykład prawidłowej ochrony wewnątrzbudynkowej stacji ładowania pojazdów elektrycznych, zgodnie ze strefową koncepcją ochrony (LPZ)
Dobierając i rozmieszczając ograniczniki przepięć, należy pamiętać o zapisach normy PN-HD 60364-5-53:2016-02 [19] (pkt 534.4.9). Norma stanowi, iż w przypadku, gdy odległość pomiędzy ogranicznikiem przepięć a chronionym urządzeniem jest większa niż 10 metrów, należy zainstalować dodatkowy ogranicznik przepięć – najbliżej jak to możliwe chronionego urządzenia (zachowując relację Up<Uw, gdzie: Up – napięciowy poziom ochrony ogranicznika przepięć, Uw – napięcie udarowe chronionego urządzenia). Takie wymaganie po raz kolejny zmusza do stosowania ogranicznika typu 1 skoordynowanego energetycznie z urządzeniem końcowym. Opisany w ww. normie warunek nie jest wystarczający do zapewnienia właściwej koordynacji zewnętrznych i wewnętrznych ograniczników przepięć (znajdujących się w module elektronicznym stacji ładowania pojazdów elektrycznych).
W większości przypadków grupy terminali do ładowania samochodów elektrycznych połączone są również ze sobą za pomocą przewodów sygnałowych. Na rysunkach 16. i 17. linie sygnałowe oznaczono kolorem żółtym. Za ich pomocą odbywa się komunikacja z głównym terminalem rozliczeniowym. W żadnym wypadku nie należy zapominać o liniach telekomunikacyjnych, projektując system ochrony przeciwprzepięciowej. Zaleca się stosować ograniczniki przepięć kategorii D1 lub D2 dla linii przechodzących pomiędzy strefami LPZ0 i LPZ1 oraz C1 lub C2 dla obwodów sygnałowych przechodzących pomiędzy strefami LPZ1 i wyżej.
Podsumowanie
Pojazdy elektryczne stają się nieodzownym elementem naszego codziennego życia. Bez względu na to, czy jesteśmy ich aktywnymi użytkownikami, czy też obserwatorami, należy znać zagrożenia, których możemy być bezpośrednimi uczestnikami. Poza zaletami zawsze są też mniej lub bardziej widoczne wady – przygotowując się na taką ewentualność, ograniczymy potencjalne niekorzystne ich skutki. Pamiętajmy, że ubezpieczenie nie jest gwarancją pokrycia wszystkich poniesionych strat. Problem jest szczególnie ważny, gdyż większość nowych inwestycji wyposażonych jest w urządzenia i systemy elektroniczne wrażliwe na przepięcia. Rosnące zainteresowanie pojazdami elektrycznymi, rządowy plan budowy w większych aglomeracjach infrastruktury do ładowania pojazdów elektrycznych jednoznacznie wskazuje kierunki rozwoju w niedalekiej przyszłości. Od inżynierów i projektantów będzie się wymagało realizacji powierzonych zadań w sposób w pełni profesjonalny i zgodny z aktualną wiedzą techniczną.
Należy zwrócić uwagę na fakt, iż do większości pożarów dochodzi w momencie ładowania baterii. W szczególności konieczna wydaje się ochrona przeciwprzepięciowa układów ładowania wszystkich typów pojazdów elektrycznych, jeśli takie będą ładowane w garażu podziemnym lub – co gorsza – w naszym mieszkaniu.
Literatura:
- China electric vehicle explode while charging, https://www.youtube.com/watch?v=u2F9HKZ5VzA
- An Electric Bus Caught Fire After Battery Explosion in Paris. https://www.youtube.com/watch?v=5r-yN8SugWM
- South China Morning Post, www.scmp.com - Electric bus bursts into flames, sets nearby vehicles on fire in China. https://www.youtube.com/watch?v=T71cVhxG_v4
- Shocking Electric Scooter Fire Explosion While Charging Inside Room, https://www.youtube.com/watch?v=HBUGEFErXxA
- Electric Scooter Explodes during Charging, https://www.youtube.com/watch?v=WOwhah8AifU CCTV+, Beijing, Chiny, lipiec 2018
- Electric bike caught fire #shorts (1080p_30fps_H264-128kbit_AAC), https://www.youtube.com/shorts/7HF__zBi1Co
- Secutronic technology Electric Bike explodes in Fire (Brand New) (1280p_30fps_VP9-160kbit_Opus), https://www.youtube.com/shorts/hU7iZ3tRgWo
- Electric car catches fire, burns passenger, https://www.youtube.com/watch?v=Bqwh4yUyJuE CGTN Ganzhou City, Chiny 2018
- Electric scooter caught fire during charging | pure ev scooter on fire, https://www.youtube.com/watch?v=7hZY8Y6DRlA
- Płachta gaśnicza SPG https://padtex.lv/car-fire-blanket/
- Centro Zaragoza Instituto de Investigacion Sobre Vehiculos, Centro Zaragoza tests the Bridgehill Fire Blanket on an electric vehicle https://www.youtube.com/watch?v=yO8cVWOqZcg
- https://icpt.pl/plonace-ogniwa/
- https://cdn.sparkfun.com/assets/learn_tutorials/2/5/1/DW01-P_DataSheet_V10.pdf
- https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic2508825.html
- 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.
- 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.
- PN-EN 61000-4-5:2014-10. Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Część 4-5: Metody badań i pomiarów. Badanie odporności na udary.
- J. Wiater, Skuteczność ochrony przeciwprzepięciowej w sieciach elektroenergetycznych z równolegle łączonymi warystorowymi ogranicznikami przepięć, Wiadomości Elektrotechniczne 88 (6): 5–8. doi:10.15199/74.2020.6.1.
- PN-HD 60364-5-53:2016-02. Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 5-53: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Aparatura rozdzielcza i sterownicza.
