Αποφόρτιση μπαταρίας υψηλής τάσης Ηλεκτρικών και Υβριδικών οχημάτων

376

Η αποφόρτιση της μπαταρίας υψηλής τάσης αποτελεί κρίσιμο στάδιο στη συντήρηση, επισκευή και ασφαλή διαχείριση των ηλεκτρικών οχημάτων (EVs). Οι τεχνίτες υψηλής τάσης οφείλουν να κατανοούν πλήρως τη διαδικασία, τις απαιτήσεις και τους κινδύνους, ώστε να διασφαλίζεται η προστασία τόσο του ανθρώπινου δυναμικού όσο και του εξοπλισμού.

Η αποφόρτιση μιας μπαταρίας υψηλής τάσης HV (High Voltage) από ηλεκτρικό ή υβριδικό αυτοκίνητο είναι πολύ επικίνδυνη διαδικασία και δεν πρέπει να επιχειρείται από μη εξειδικευμένο άτομο. Οι HV μπαταρίες (συνήθως 200 – 800V) περιέχουν τεράστια αποθέματα ενέργειας, ικανά να προκαλέσουν ηλεκτροπληξία, πυρκαγιά ή έκρηξη. Σε κάποιες όμως περιπτώσεις η διαδικασία αποφόρτισης αποτελεί μία επιβεβλημένη διαδικασία.

Γενικά στοιχεία

Η διαδικασία αποφόρτισης εφαρμόζεται ιδιαίτερα στις μπαταρίες που οδηγούνται σε ανακύκλωση, μεταφορά ή σε κάποιες περιπτώσεις σε αποθήκευση.

Η αποφόρτιση στην πραγματικότητα μειώνει το ενεργειακό φορτίο της μπαταρίας και την καθιστά ασφαλέστερη σε περίπτωση καταστάσεων κινδύνου πυρκαγιάς της ίδιας της μπαταρίας.

Ενδιαφέρον είναι να σημειωθεί ότι μια μπαταρία HV ηλεκτρικού οχήματος με κατάσταση φόρτισης (SoC), (State of Charge) κάτω από 50% είναι λιγότερο πιθανό να πέσει σε κατάσταση θερμικής διαφυγής.

Ενώ με κατάσταση φόρτισης κάτω από το 25% SoC είναι απίθανο η μπαταρία να πέσει σε κατάσταση θερμικής διαφυγής ή να αναφλεγεί.

Για αυτόν ακριβώς τον λόγο έχει εκδοθεί και σχετική απόφαση του Υπουργείου Ναυτιλίας με θέμα: “Επιπρόσθετα μέτρα κατά την μεταφορά οχημάτων χρήσης εναλλακτικών καυσίμων (AFVs) με Ε/Γ- Ο/Γ και Φ/Γ-Ο/Γ πλοία” στην οποία ορίζεται ότι, στα ηλεκτρικά ή υβριδικά οχήματα που θα μεταφέρονται, το επίπεδο φόρτισης δεν θα πρέπει να υπερβαίνει το 40% της συνολικής χωρητικότητας φόρτισης της μπαταρίας.

Πότε και γιατί απαιτείται η αποφόρτιση της μπαταρίας HV;

Η αποφόρτιση της μπαταρίας HV κατά κανόνα γίνεται στις εξής περιπτώσεις:
• Συντήρηση ή επισκευή του συστήματος υψηλής τάσης
• Αφαίρεση της μπαταρίας από το όχημα
• Αντικατάσταση μονάδων ή κυψελών μπαταρίας
• Διαχείριση ατυχήματος ή φωτιάς (μεταφορά οχήματος ή μπαταρίας σε ασφαλές επίπεδο φόρτισης)
• Ανακύκλωση ή απόσυρση οχήματος και μπαταρίας HV
• Προληπτική ασφάλιση κατά τη μεταφορά ή αποθήκευση

Σημείωση: Η αποφόρτιση της μπαταρίας HV ιόντων λιθίου για μεταφορά/ανακύκλωση απαιτεί:

• Η μπαταρία να τοποθετείται σε ειδικό κουτί αποστολής (ADR compliant),
• Με προστασία από βραχυκύκλωμα, αδρανοποιημένη, και με σήμανση επικινδυνότητας UN3480 (μπαταρία λιθίου).

Τύποι – Κατηγορίες αποφόρτισης

Η αποφόρτιση ανάλογα με τα χαρακτηριστικά της μπορεί να ταξινομηθεί ως εξής:
• Ελεγχόμενη (Controlled Discharge): Πραγματοποιείται με τη χρήση ειδικών συσκευών και υπό ελεγχόμενες συνθήκες με στόχο τη διατήρηση της ασφάλειας και τη μέγιστη ανακύκλωση ενέργειας.
• Έκτακτη (Emergency Discharge): Σε περιπτώσεις ατυχήματος ή σοβαρής βλάβης. Χρειάζεται ταχεία αποφόρτιση για αποτροπή ηλεκτροπληξίας ή φωτιάς.
• Προγραμματισμένη αποφόρτιση (Scheduled or Preventive Discharge): Όταν γνωρίζουμε εκ των προτέρων ότι θα γίνει συντήρηση ή μεταφορά της μπαταρίας.
• Παθητική αποφόρτιση (Passive): Αφήνεται να αποφορτιστεί φυσικά με την πάροδο του χρόνου (σπάνια προτείνεται λόγω καθυστέρησης, κινδύνων και ζημιάς της μπαταρίας).

Εργαλεία και συσκευές αποφόρτισης

Η διαδικασία απαιτεί χρήση εξειδικευμένων οργάνων και συσκευών όπως:
• Συσκευές αποφόρτισης HV (High Voltage Battery Discharge Tools): Διαθέτουν ηλεκτρονικό έλεγχο και αντιστάσεις υψηλής ισχύος. Επίσης διαθέτουν ενσωματωμένο έλεγχο θερμοκρασίας και παρακολούθηση τάσης. (Αφαίρεση της μπαταρίας από το όχημα).

Σημείωση: Οι συσκευές αποφόρτισης μπορεί να χρησιμοποιούνται και για την φόρτιση της μπαταρίας HV

• Ειδικά διαγνωστικά εργαλεία κατασκευαστή

Ενεργοποιούν την αποφόρτιση μέσω λογισμικού ή BMS (Battery Management System). (Δεν απαιτείται αφαίρεση μπαταρίας)

• Πολύμετρα Κατηγορίας CAT III ή CAT IV

Για μέτρηση τάσης και επιβεβαίωση πλήρους αποφόρτισης.
Παρατήρηση: Οι κατηγορίες μέτρησης, οργάνων CAT I, CAT II, CAT III και CAT IV αναφέρονται στο επίπεδο προστασίας που παρέχει το όργανο μέτρησης απέναντι σε παροδικές υπερτάσεις (transients) που μπορεί να προκύψουν στο κύκλωμα λόγω σφαλμάτων, βραχυκυκλώματος ή άλλων φαινομένων. Όσο υψηλότερη είναι η κατηγορία, τόσο πιο επικίνδυνο είναι το ηλεκτρικό περιβάλλον – και τόσο πιο αυστηρές οι απαιτήσεις ασφάλειας του οργάνου σύμφωνα με το διεθνές πρότυπο IEC 61010-1.

• Θωρακισμένα καλώδια και συνδέσμους HV Connectors καταλληλά για αποφόρτιση μπαταριών HV
• Ηλεκτρονικοί προσομοιωτές φορτίου – ελεγχόμενες αντιστάσεις φορτίου (resistive load banks)

Σημείωση:
Οι αντιστάσεις αποφόρτισης (resistor bank, dummy load), συνδέονται με την υψηλή τάση HV της μπαταρίας και μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε θερμική :
Π.χ. 2 x 10Ω 5kW αντιστάσεις σε σειρά ή παράλληλα.
Αντοχή σε θερμοκρασία έως 300°C (με ανεμιστήρα ή ψύκτρα).

Μέτρα ασφαλείας

Η εργασία σε συστήματα υψηλής τάσης Ηλεκτρικών ή Υβριδικών οχημάτων μπορεί να είναι θανατηφόρα. Μόνο εξειδικευμένος τεχνίτης, Κατηγορίας 2 σύμφωνα με την εθνική νομοθεσία μπορεί να πραγματοποίηση διαδικασία αποφόρτισης μπαταριών HV. Τα προτεινόμενα βασικά μέτρα προστασίας απαιτούν:

• Απομόνωση συστήματος HV με τον διακόπτη HV, (Service Disconnect ή Manual Service Disconnect – MSD)
• Πιστοποίηση τεχνίτη οχημάτων υψηλής τάσης Κατηγορίας 2
• Μέσα Ατομικής προστασίας (ΜΑΠ) που σύμφωνα με την εθνική νομοθεσία περιλαμβάνει:

α. μονωτικά γάντια (ΕΝ 60903),
β. συλλογή εργαλείων με μόνωση για υψηλή τάση (ΕΝ 60903),
γ. παπούτσια ασφαλείας (ΕΝ 60903),
δ. μάσκα προσώπου (ΕΝ 166),
ε. φορητή θερμική κάμερα για τον έλεγχο θερμοκρασίας των συσσωρευτών,
στ. ποδιά με ειδική μόνωση υψηλής τάσης (ΕΝ 60903)
η. Στον εξοπλισμό του τεχνίτη οχημάτων υψηλής τάσης Κατηγορίας 2 προστίθενται και γάντια με αντοχή σε μηχανικά χτυπήματα όταν αυτός εκτελεί εργασίες σε μπαταρίες οχημάτων υψηλής τάσης.
• Εφαρμογή του διεθνούς κανόνα “Lockout/Tagout” (LOTO) – αυτό σημαίνει “Κλείδωμα” του διακόπτη ενεργοποίησης και “Σήμανση” προσοχής για την αποτροπή τυχαίας ενεργοποίησης
• Επαλήθευση μηδενικής τάσης στο κύκλωμα πριν την έναρξη εργασιών
• Κατάλληλη γείωση της συσκευής αποφόρτισης
• Παρακολούθηση θερμοκρασίας κυψελών κατά την αποφόρτιση

Επιπλέον Σημεία Προσοχής

• Μην επιχειρείται αποφόρτιση χωρίς προηγούμενη εκπαίδευση.
• Καταγραφή της διαδικασίας και των μετρήσεων είναι απαραίτητη για λόγους ελέγχου και τεκμηρίωσης.
• Σε περιπτώσεις θερμικής διαφυγής (thermal runaway) απαγορεύεται οποιαδήποτε επέμβαση. Το όχημα απομονώνεται και ειδοποιούνται οι αρχές διάσωσης – πυροσβεστική υπηρεσία.
• Αν η μπαταρία πρόκειται να αποθηκευτεί, διατηρείται σε κατάσταση αποφόρτισης στο 30%-50% SoC (State of Charge).

Διαδικασία αποφόρτισης μπαταρίας HV

Μια σύντομη ματιά στην δομή της μπαταρίας θα βοηθήσει να γίνει κατανοητή καλύτερα η διαδικασία αποφόρτισης η οποία μπορεί να γίνει όπως αναφέρθηκε είτε ανά μονάδα συστοιχίας κυψελών (modules) είτε σε ολόκληρη την μπαταρία. Η επιλογή της διαδικασίας εξαρτάται από το είδος, την δομή και τα χαρακτηριστικά της μπαταρίας, από τον εξοπλισμό που διαθέτουμε και από τις οδηγίες του κατασκευαστή.

Μια τυπική συνδεσμολογία αποφόρτισης της μπαταρίας υψηλής τάσης περιλαμβάνει με την σειρά που αναφέρονται τα παρακάτω δομικά στοιχεία συνδεσμολογίας:

• Μπαταρία υψηλής τάσης HV / μονάδα συστοιχίας κυψελών (Modules) που θα αποφορτισθούν

Η τάση είναι ανάλογη της αρχιτεκτονικής της μπαταρίας και των προδιαγραφών του οχήματος (π.χ. 300V, 400V, 800V DC)
• Διακόπτης υψηλής τάσης MSD (Manual Service Disconnect)

Βρίσκεται σε διάφορες θέσεις του οχήματος (μπροστά ή πίσω) ανάλογα με τον κατασκευαστή και είναι προσβάσιμος για τεχνικούς. Χρησιμοποιείται για να διακόπτει την υψηλής τάση της μπαταρίας από το υπόλοιπο όχημα ώστε να αποσυνδεθεί ή αφαιρεθεί η μπαταρία εάν αυτό απαιτείται.

• Συσκευή αποφόρτισης – HV Discharge Tool
Πιστοποιημένη συσκευή αποφόρτισης είτε του εμπορίου, είτε η προτεινόμενη από τον κατασκευαστή με καταναλωτές για φορτία υψηλής ισχύος – αντιστάσεις αποφόρτισης. Συνδέεται στην μπαταρία HV για την αποφόρτιση σύμφωνα με τις οδηγίες χρήσης. Περιλαμβάνει μία σειρά από όργανα αυστηρού ελέγχου και καταγραφής τις διαδικασίας αποφόρτισης.

Η διαδικασία αποφόρτισης απαιτεί συνεχή έλεγχο θερμοκρασίας της μπαταρίας. Μπορεί να διαρκεί από λίγα λεπτά έως ώρες, ανάλογα την τάση και την ενέργεια της μπαταρίας.

Επιβεβαιώνουμε πλήρη αποφόρτιση όταν η τάση γίνει <30V ή και περισσότερο ή αν πέσει το ρεύμα <1Α, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά της μπαταρίας και τις οδηγίες του κατασκευαστή.
Ο χρόνος αποφόρτισης εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά της μπαταρίας.

Επιπλέον σημεία προσοχής

H αποθήκευση της ενέργειας από τη συσκευή δεν ενδείκνυται – πρέπει να υπάρχει ασφαλής εκτόνωση και έλεγχος προς τους καταναλωτές – αντιστάσεις.