MARCINIAK Andrzej 1 BUDZIŃSKI Zdzisław 2 MICHALSKA Jolanta 3 BOCZARSKI Jarosław 4 Hybrydowe układy zasilania pojazdów samochodowych w aspekcie bezpieczeństwa działań ratowniczych podczas wypadków drogowych WSTĘP Rozwój motoryzacji jako dziedziny gospodarki i techniki związany jest z bardzo intensywnym poszukiwaniem alternatywnych źródeł zasilania w stosunku do paliw płynnych. Wiele koncernów motoryzacyjnych upatruje swoje kierunki rozwoju w elektrycznym zasilaniu pojazdów samochodowych. Rozwiązaniem pośrednim pomiędzy klasycznymi układami zasilania, a pojazdami zasilanymi tylko prądem elektrycznym są hybrydowe układy zasilania tzn. połączenie układu zasilania spalinowego z układem zasilania elektrycznego. Rozwiązania te stosowane są od wielu lat w rosnącej skali. W ostatnim okresie tego typu układy zasilania aplikowane są nie tylko do pojazdów osobowych ale także do autobusów i innych pojazdów. Rozpatrując powyższe fakty z punktu widzenia ratowniczego, przedmiotowe pojazdy wyposażone są w urządzenia, które podczas wypadków drogowych mogą powodować zagrożenia dla ratowników i osób ratowanych. Zróżnicowane rozwiązania konstrukcyjne, autonomiczne i jednostkowe wytyczne przekazywane przez producentów utrudniają opracowanie jednolitej procedury działania ratowników z zachowaniem akceptowalnego poziomu bezpieczeństwa. 1. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA UKŁADÓW HYBRYDOWEGO ZASILANIA POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH Rozpatrując konfigurację układów napędowych w pojeździe hybrydowym można wyróżnić dwa podstawowe rodzaje systemów układu napędowego, układ szeregowy i równoległy. W niektórych przypadkach może wystąpić ich kombinacja. Szeregowe połączenie napędów to elektryczne przeniesienie napędu uzupełnione o akumulator stanowiący bufor energetyczny (Rys.1). Umożliwia on zmienny, stosownie do warunków ruchu, pobór mocy przy stałym jej dopływie z pracującego w ustalonych warunkach silnika spalinowego. Rozwiązanie takie jest proste konstrukcyjnie, ale wymaga zastosowania co najmniej dwóch maszyn elektrycznych o dużej mocy i co najważniejsze osiąga sprawność zaledwie porównywalną z napędem spalinowym [1]. Rys. 1. Schemat szeregowego napędu hybrydowego [1] 1 Szkoła Główna Służby Pożarniczej w Warszawie, Wydział Inżynierii Bezpieczeństwa Pożarowego, ul. Słowackiego 52/54, tel. 22 56 17 540 2 Szkoła Główna Służby Pożarniczej w Warszawie, Wydział Inżynierii Bezpieczeństwa Pożarowego, ul. Słowackiego 52/54, tel. 22 56 17 629 3 Szkoła Główna Służby Pożarniczej w Warszawie, Wydział Inżynierii Bezpieczeństwa Pożarowego, ul. Słowackiego 52/54, tel. 22 56 17 629 4 Szkoła Główna Służby Pożarniczej w Warszawie, Wydział Inżynierii Bezpieczeństwa Pożarowego, ul. Słowackiego 52/54, tel. 22 56 17 710 976
Szeregowy układ hybrydowy charakteryzuje się tym, że cała energia zespołu silnik spalinowy generator prądu, zwanego pierwotnym źródłem energii, jest zamieniana na energię elektryczną, a następnie na mechaniczną Pojazd o napędzie hybrydowym w konfiguracji szeregowej jest bardziej ekonomiczny, ale ma mniejszą moc od konfiguracji równoległej. Silnik spalinowy w układzie szeregowym może pracować w węższym zakresie prędkości obrotowych, dzięki czemu unika się gwałtownych zmian prędkości obrotowych i obciążenia silnika, a tym samym zwiększonej emisji toksycznych składników spalin. Kolejną zaletą układu szeregowego jest zasięg może być duży przy małym zespole silnik generator. Dla uzyskania wyższej sprawności konieczne jest zastosowanie równoległego układu napędowego (Rysunek 2).W takim rozwiązaniu moc jest przekazywana z silnika spalinowego do kół przez układ mechaniczny. Akumulator może pobierać moc z mechanicznego układu napędowego (wykorzystując do tego generator/silnik elektryczny), bądź też ją do niego doprowadzać. Rys. 2. Schemat równoległego napędu hybrydowego [1] Zastosowanie bezstopniowej przekładni mechanicznej umożliwia wykorzystanie silnika spalinowego pracującego w warunkach ustalonych. Warunki te mogą być optymalizowane w celu osiągnięcia minimum zużycia paliwa, emisji składników toksycznych, hałaśliwości lub drgań. Znacznie bardziej złożona regulacja takiego układu równoległego wymusza zastosowanie sterowania mikroprocesorowego. Efektem jest zmniejszenie emisji substancji toksycznych. W porównaniu z pojazdem z układem napędowym szeregowym w pojeździe z zastosowanym układem równoległym występują następujące zalety: - pojazd ma do dyspozycji większą moc niż zainstalowany silnik spalinowy, ponieważ oba silniki mogą dostarczać energię jednocześnie, - nie jest konieczne zbudowanie generatora do ładowania baterii, - większa sprawność energetyczna. Równoległy układ hybrydowy charakteryzuje się tym, że jedynie część energii silnika spalinowego, przeznaczona do ładowania akumulatorów, zostaje przeznaczona na energię elektryczną. Natomiast zasadnicza część energii silnika spalinowego jest przenoszona przez zespoły mechaniczne, bezpośrednio do kół jezdnych pojazdu. W niektórych typach równoległych układów napędowych jest przewidziane sprzęgło do rozłączania silników spalinowego i elektrycznego [1]. Istnieją również rozwiązania konstrukcyjne, w których silnik spalinowy jest połączony bezpośrednio ze specjalną przekładnią mechaniczną, w wyniku czego silniki spalinowy i elektryczny są połączone równolegle. 1.1. Charakterystyka spalinowo-elektrycznego układu zasilania pojazdu hybrydowego W hybrydowych pojazdach samochodowych spalinowy układ zasilania praktycznie nie różni się od klasycznych układów napędu i z punktu widzenia działań ratowniczych można go traktować zgodnie z przyjętymi dotychczas procedurami ratowniczymi. Drugi elektryczny zespół napędowy wymaga tutaj krótkiej charakterystyki pod kątem rozwiązań technicznych oraz stosowanych systemów zabezpieczeń. 977
Na poniższym rysunku umieszczono podstawowe elementy elektrycznego zespołu zasilania na przykładzie samochodu osobowego TOYOTA PRIUS. 1. Akumulator kwasowy silnika spalinowego i instalacji auta 12V 2. Zestaw ogniw hybrydowych (łącznie 210 VDC) 3. Przewody wysokiego napięcia w izolacji koloru pomarańczowego 4. Przetwornica 5. Silnik spalinowy 6. Silnik elektryczny 7. Prądnica ładująca akumulator hybrydowy Rys. 3. Podstawowe elementy elektrycznego zespołu zasilania (Toyota Prius) [5] Samochód jest gotowy do jazdy po umieszczeniu kluczyka elektronicznego w gnieździe i naciśnięciu przycisku POWER, przy równoczesnym naciskaniu pedału hamulca. Silnik spalinowy nie pracuje w sposób ciągły, lecz jest uruchamiany i zatrzymywany w zależności od sygnałów sterowania z komputera pojazdu. Należy zwrócić uwagę, że gdy świeci się lampka kontrolna stanu gotowości READY w zestawie wskaźników, oznacza to, że pojazd jest gotowy do jazdy nawet wtedy, gdy silnik spalinowy nie pracuje i nie słychać jego odgłosu. Pojazd może być wyposażony w układ zdalnego rozpoznawania kluczyka elektronicznego, pozwalający na uruchomienie napędu przyciskiem POWER bez konieczności wsuwania kluczyka do gniazda [5]. Działanie pojazdu Gdy świeci się lampka kontrolna stanu gotowości READY, silnik spalinowy może zostać w dowolnej chwili uruchomiony lub zatrzymany. Nigdy nie należy zakładać, że napęd jest wyłączony, na podstawie jedynie tego, że silnik spalinowy nie pracuje. Należy zwracać uwagę na stan lampki kontrolnej READY. Napęd jest wyłączony, gdy lampka kontrolna stanu gotowości READY nie świeci się. Pojazd może być napędzany: - tylko silnikiem elektrycznym, - tylko silnikiem spalinowym, - równocześnie silnikiem elektrycznym i silnikiem spalinowym. Sposób napędzania pojazdu określa komputer pojazdu, minimalizując zużycie paliwa i emisję toksycznych składników spalin. Kierowca nie ma wpływu na automatyczny wybór sposobu napędzania pojazdu. 1.2. Akumulator hybrydowego zespołu napędowego i akumulator 12V. W pojazdach tego typu zainstalowany jest wysokonapięciowy akumulator hybrydowego zespołu napędowego oraz akumulator niskonapięciowy 12V. Stosowany do tego celu akumulator elektrycznego zespołu napędowego składa się z hermetycznie zamkniętych ogniw niklowo - wodorkowych (NiMH), akumulator 12V jest typowym akumulatorem kwasowo - ołowiowym. 978
Charakterystyka akumulatora hybrydowego zespołu napędowego. Akumulator NiMH znajduje się w metalowej obudowie Obudowa akumulatora jest izolowana od instalacji wysokiego napięcia i od zewnątrz powleczona wykładziną. Akumulator składa się z niskonapięciowych ogniw (7,2V) niklowo - wodorkowych (NiMH) połączonych szeregowo, co w efekcie daje ok. 200V napięcia wyjściowego. Każde z ogniw jest szczelnie zamknięte w obudowie z tworzywa sztucznego. Jako elektrolit stosuje się wodorotlenki potasu i sodu. Elektrolit jest w postaci żelu i jest absorbowany przez płytki elektrod, co w większości przypadków powinno eliminować groźbę wycieku w razie wypadku. Każda z cel posiada instalację odpowietrzającą, zapobiegającą zbieraniu się gazów na skutek przeładowania akumulatora. Urządzenia zasilane przez akumulator NiMH. Silnik elektryczny, Prądnica, Elektryczna sprężarka w układzie klimatyzacji, Falownik zespołu napędowego, Inne urządzenia w zależności od rozwiązań technicznych i marki pojazdu Akumulator 12V. W pojeździe znajduje się również akumulator 12V. Zasila on energią urządzenia instalacji elektrycznej, analogicznie jak w przypadku zwykłego samochodu z napędem spalinowym. Ujemny biegun akumulatora połączony jest z masą pojazdu. 1.3. Zabezpieczenia przed porażeniem prądem o wysokim napięciu Akumulator hybrydowego zespołu napędowego zasila urządzenia elektryczne prądem stałym o wysokim napięciu. Biegnące od akumulatora do falownika przewody wysokiego napięcia poprowadzone są pod podłogą, w środkowej części pojazdu. Zarówno pasażerowie, jak i ekipy ratownicze są chronieni przed porażeniem przez szereg zabezpieczeń, które tworzą wspólny system zabezpieczenia przed porażeniem prądem o wysokim napięciu [5]. System zabezpieczenia przed porażeniem prądem o wysokim napięciu: Bezpiecznik wysokiego napięcia, przerywający obwód wewnątrz akumulatora hybrydowego zespołu napędowego. Przewody wysokiego napięcia są połączone z akumulatorem za pośrednictwem dwóch normalnie otwartych przekaźników. Po wyłączeniu napędu przekaźniki odcinają przepływ prądu z akumulatora hybrydowego zespołu napędowego do falownika. Po rozłączeniu styków przekaźników w akumulatorze zespołu napędowego, w układzie jeszcze przez 5 minut utrzymuje się wysokie napięcie. Oba przewody wysokiego napięcia są izolowane względem masy pojazdu, co sprawia, że w przypadku normalnej eksploatacji dotknięcie nadwozia nie grozi porażeniem. Czujnik przebicia izolacji pojazdu stale kontroluje, czy podczas jazdy nie nastąpiło przebicie wysokiego napięcia do masy. W przypadku usterki, komputer pojazdu powoduje zapalenie lampki sygnalizacyjnej w zestawie wskaźników oraz wyświetlenie komunikatu na ekranie centralnego wyświetlacza LCD. W przypadku kolizji pojazdu, w wyniku której dojdzie do zadziałania czołowych poduszek powietrznych, spowoduje to otwarcie styków przekaźników akumulatora hybrydowego zespołu napędowego, przerywając doprowadzanie wysokiego napięcia. 979
Rys. 4. Rozwiązanie awaryjnego rozłącznika baterii akumulatorów w układzie wysokiego Napięcia [5] 2. ZAGROŻENIA ZWIĄZANE Z ELEKTRYCZNYM ZESPOŁEM NAPEDOWYM ORAZ ZASADY BEZPIECZEŃSTWA PODCZAS PROWADZENIA DZIAŁAŃ RATOWNICZYCH W PRZYPADKU ZDARZEŃ DROGOWYCH Pojazdy hybrydowe mogą spowodować liczne zagrożenia podczas prowadzenia akcji ratowniczogaśniczej, najważniejsze z nich to: 1. Porażenie prądem z układu zasilania zespołu elektrycznego. 2. Skażenie okrytych części ciała elektrolitem z akumulatora hybrydowego 3. Trujące opary wydobywające się z akumulatora 4. Problem ze skutecznym gaszeniem pożaru ogniw akumulatora Po przybyciu na miejsce wypadku, w którym uczestniczy samochód z napędem hybrydowym, ekipy ratownicze powinny postępować według standardowych procedur. Działania ratunkowe muszą prowadzić z uwzględnieniem zamieszczonych poniżej wskazówek dotyczących czynności przygotowawczych, unieruchomienia pojazdu, sposobów gaszenia pożaru, uwalniania pasażerów, neutralizacji wycieków, udzielania pomocy medycznej. Główne wskazówki dotyczące bezpieczeństwa prowadzenia działań ratowniczych Nigdy nie należy zakładać, że napęd pojazdu jest wyłączony, na podstawie jedynie tego, że silnik spalinowy nie pracuje. Unieruchomienie pojazdu Należy zastosować kliny pod koła i uruchomić hamulec postojowy. Nacisnąć przycisk parkowania P i sprawdzić, czy zaświeciła się lampka kontrolna w przycisku. Wyłączenie zasilania elektrycznego (akumulatora hybrydowego zespołu napędowego, zasilania poduszek powietrznych oraz pompy paliwa). Nacisnąć przycisk POWER i sprawdzić, czy zgasła lampka READY w zestawie wskaźników. Po wyjęciu kluczyka elektronicznego z pojazdu trzeba przenieść go na odległość co najmniej 5m od pojazdu, później odłączyć akumulator 12V. Jeśli nie ma dostępu do przycisku POWER, należy odłączyć akumulator 12V, wyjąć bezpiecznik HEV (w kolorze żółtym, 20A) w komorze silnika. Jeżeli którakolwiek z opisanych czynności nie może zostać wykonana, dalsze działania należy prowadzić ze szczególną ostrożnością, ponieważ układ wysokiego napięcia, poduszki powietrzne lub pompa paliwowa mogą być nadal zasilane. Po odcięciu dopływu prądu jeszcze przez 5 minut podtrzymywane jest zasilanie układu wysokiego napięcia, a przez 90 s zasilanie układu poduszek powietrznych. Nie wolno dotykać, odsłaniać ani przecinać pomarańczowych przewodów lub urządzeń zasilanych wysokim napięciem. Stabilizacja pojazdu. Pojazd należy podeprzeć w 4 punktach pod przednimi i tylnymi słupkami nadwozia. Nie podkładać podpór pod przewody wysokiego napięcia, układ wydechowy ani zbiornik paliwa. 980
Rys. 5. Stabilizacja pojazdu [2] Dostęp do ofiar wypadku/ rozmontowanie pojazdu Usuwanie szyb czy drzwi wykonuje się, stosując typowe dla innych pojazdów procedury. Wszystkie osoby znajdujące się wewnątrz samochodu należy chronić przed odłamkami szkła z szyb pojazdu. Dla zapewnienia tej ochrony może być konieczne wejście ratownika do wnętrza samochodu. Drzwi mogą być usuwane standardowymi narzędziami ratowniczymi: ręcznymi, elektrycznymi lub hydraulicznymi. Wybór najbardziej właściwej techniki usuwania drzwi będzie uzależniony od rodzaju i charakteru uszkodzeń konstrukcji nadwozia pojazdu. W niektórych sytuacjach lepszym rozwiązaniem może okazać się odkształcenie nadwozia w celu ułatwienia dostępu i demontażu zawiasów. Przewody wysokiego napięcia, oznaczone kolorem pomarańczowym, łączą akumulator hybrydowego zespołu napędowego z falownikiem, oraz falownik z silnikiem elektrycznym. Są poprowadzone przez środkową część podłogi więc w tych obszarach nie powinno się wykonywać cięć ratowniczych. Rys. 6. Widok przewodów łączących akumulator z falownikiem i silnikiem elektrycznym Pożar samochodu Gaszenie pożaru należy przeprowadzać zgodnie ze standardowymi procedurami. Jako środek gaśniczy może być używana woda. W zależności od okoliczności kierujący akcją gaśniczą podejmuje decyzję o gaszeniu ofensywnym lub defensywnym akumulatora hybrydowego zespołu napędowego: Gaszenie ofensywne 981
Aby zapobiec zapaleniu się ogniw niklowo wodorkowych akumulatora hybrydowego zespołu napędowego ( najczęściej umieszczanych w obszarze bagażnika) konieczne jest intensywne podawanie wody z możliwie bezpiecznej odległości, aby nie dopuścić do jego rozgrzania powyżej temperatury zapłonu. Gaszenie defensywne W przypadku zaistnienia konieczności defensywnego gaszenia pożaru ( rozpoczęło się spalanie ogniw NiMH) ratownicy powinni podawać prądy wody w obronie w obszarach możliwych do ugaszenia. W przypadku pożaru ogniw woda nie jest skutecznym środkiem gaśniczym. Podczas wypalania należy przy użyciu strumienia wody chronić odsłonięte elementy oraz kierować dym w bezpieczną stronę. Ogniwa akumulatora NiMH ulegają szybkiemu spalaniu. Pozostają jedynie popiół oraz wykonane ze stopów metali elektrody. Wycieki z akumulatorów W samochodach z napędem hybrydowym znajdują się takie same płyny eksploatacyjne, jak w innych samochodach, za wyjątkiem akumulatora hybrydowego zespołu napędowego, który zawiera elektrolit NiMH. Elektrolit ten jest silnie alkaliczny (ph=13,5), co sprawia, że jest niebezpieczny w zetknięciu ze skórą. Jednakże elektrolit ten jest wchłaniany przez płytki elektrod w ogniwach i dlatego w warunkach normalnych nie ulega wyciekowi nawet po pęknięciu obudowy akumulatora. Uszkodzenie w wyniku kolizji lub wypadku drogowego metalowej obudowy akumulatora zespołu napędowego, jak również plastikowych obudów jego ogniw jest mało prawdopodobne. Jednakże w przypadku zaistnienia takiej sytuacji podobnie jak do neutralizacji kwasu z akumulatora ołowiowego używany jest roztwór sody, także do neutralizacji elektrolitu NiMH można używać roztworu kwasu bornego lub octu. Przy usuwaniu wycieków elektrolitu NiMH należy stosować następujące ochronny osobiste: - okulary ochronne lub przeciwbryzgową osłonę na twarz, nie wolno stosować osłon składanych, - gumowe, lateksowe lub nitrylowe rękawice ochronne, - fartuch ochronny odpowiedni do wycieków alkalicznych, - buty gumowe. WNIOSKI Pojazdy hybrydowe stanowią w obecnej chwili istotny procent samochodów poruszających się po polskich drogach. Wraz z rozwojem technologii powstają nowe zagrożenia dla ratowników działających w zdarzeniach drogowych. Główne zagrożenia dla ratowników to funkcjonowanie elektrycznego zespołu napędowego po zaistnieniu uszkodzeń pojazdu. Najistotniejsze elementy na które należy zwrócić tutaj uwagę to: 1. W chwili obecnej brak jednolitych zasad oznakowania pojazdów z napędem hybrydowym. Należałoby wprowadzić system jednoznacznie rozpoznawalny dla wszystkich służb ratowniczych. 2. Ze względu na wprowadzanie różnych rozwiązań konstrukcyjnych układów hybrydowych w różnych markach pojazdów konieczne jest wprowadzenie jednolitego manualnego elementu rozłączającego baterie akumulatorów elektrycznego zespołu napędowego. Jest to jeden z głównych elementów decydujących o bezpieczeństwie osób ratowanych i ratowników. 3. W przypadku pożaru pojazdu z napędem hybrydowym pojawia się problem z doborem skutecznego środka gaśniczego. Występuje dość ograniczony dostęp do ogniw i zatrzymanie procesu ich spalania za pomocą tradycyjnych środków gaśniczych jest praktycznie niemożliwe. 4. Konieczne jest prowadzenie badań oraz opracowanie procedur dla ratowników w przypadku działań w środowisku wody i wilgoci. W związku z powyższym należy rozważyć czy w tego typu przypadkach nie byłoby wskazane wprowadzenie do zastosowania sprzętu i ochron dielektrycznych, chociażby na etapie rozpoznania i wstępnych działań ratowniczych. 982
Streszczenie W przedmiotowym artykule scharakteryzowano hybrydowe układy zasilania stosowane obecnie w pojazdach samochodowych. Podczas wypadków i zdarzeń drogowych może wystąpić szereg zagrożeń dla osób ratowanych i samych ratowników. W chwili obecnej brakuje jednolitych procedur i wytycznych w kierunku bezpieczeństwa prowadzenia działań ratowniczych. Duże zróżnicowanie rozwiązań technicznych wymusza konieczność wprowadzenia ujednoliconych rozwiązań w zakresie bezpieczeństwa W artykule poddano także pod rozważania propozycje usystematyzowania rozwiązań w zakresie skuteczności i bezpieczeństwa prowadzenia działań ratowniczych w wypadkach drogowych z udziałem tego typu pojazdów. Hybrid power systems of motor vehicles with regard to safety of rescue operations during road accidents Abstract In the present article the hybrid power systems currently used in motor vehicles are described. While accidents and traffic events may occure a number of threats to persons rescued and rescuers themselves. In the current lack of uniform procedures and guidelines for the security of conducting rescue operations. Large diversity of technical solutions enforces the need for a unified security solutions in the article were also under consideration of proposals for structuring solutions for the efficacy and safety of conducting rescue operations in road accidents involving such vehicles. BIBLIGRAFIA 1. Merkisz J., Pielecha I., Alternatywne paliwa i układy napędowe pojazdów, WPP, Poznań 2004r. 2. Morris B., Techniki ratownictwa drogowego HOLMATRO, Delta Service, Zielonka 2004r. 3. Szumanowski A., Akumulacja energii w pojazdach, WkiŁ, Warszawa 1984. 4. Watson., Ratownictwo w wypadkach drogowych. 5. Instrukcja eksploatacji samochodu TOYOTA PRIUS 983