Congresso SAE Brasil 2013 Painel de Veículos Elétricos e Híbridos Segurança Passiva e Primeiros Socorros de Veículos Elétricos e Híbridos Robson Macedo General Motors do Brasil Comissão Técnica de Segurança Veicular SAE Brasil
Agenda 1. Introdução Sistema Elétrico de VEHs. 2. Segurança Passiva de VEHs. Riscos de Veículos Elétricos em colisões. Efeitos da corrente elétrica no corpo humano. Requisitos de ensaios de colisão. Soluções existentes 3. Primeiros Socorros de VEHs. 4. Resumo. 2
Introdução Sistema Elétrico de VEH Veículo DESLIGADO. 3
Introdução Sistema Elétrico de VEH Veículo LIGADO. Circuito de baixa tensão é energizado. Classificação AC DC Baixa Tensão 15V RMS 30V 4
Introdução Sistema Elétrico de VEH Veículo LIGADO. Circuito de baixa tensão é energizado. Relés fecham o circuito de alta tensão. Classificação AC DC Baixa Tensão 15V RMS 30V 5
Introdução Sistema Elétrico de VEH Veículo LIGADO. Circuito de baixa tensão é energizado. Relés fecham o circuito de alta tensão. Circuito de alta tensão é energizado. Classificação AC DC Baixa Tensão Alta Tensão 15V RMS > 30V RMS 30V > 60V AC DC + - 6
Introdução Circuitos de Baixa e Alta Tensão Baixa Tensão Polo negativo da bateria é conectado à estrutura do veículo. Carroceria do atua como condutor (economia de cabos). Não há risco de choque elétrico. Aterramento Bateria 12V Carga Carroceria atua como condutor Alta Tensão Não há aterramento (cada polo possui condutor próprio). Presença de isolamento entre carroceria e circuito de alta tensão. Carroceria do veículo não atua como condutor. Há risco de choque elétrico quando em contato com componentes energizados com alta tensão. Isolamento Bateria Alta Tensão Cabos de Alta Tensão Isolamento Carroceria NÃO atua como condutor Carga 7
Introdução Sistemas Básicos de Segurança Passiva Estrutura com deformação programada Sistemas de retenção + + Sistema de detecção de colisão Sistema Elétrico Cabos de alta tensão? Bateria? 8
Introdução Ciclo de Desenvolvimento em Segurança Veicular DEMANDA: identificando o problema Estatísticas de acidentes Riscos aos ocupantes PESQUISA: entendendo as causas Reprodução de acidentes Efeitos nos ocupantes Quais os riscos envolvidos? 1 2 Quais os efeitos no ser humano? TECNOLOGIA: aplicando soluções Atendimento dos requisitos Inovação 4 3 REQUISITO: definindo critérios Especificações de desempenho Definição de conteúdo Quais as soluções e tecnologias existentes? Quais as especificações de segurança? 9
Segurança Passiva de VEHs 1) Demanda Principais riscos durante colisões Risco Elétrico Choque elétrico por contato direto do componente energizado. Choque por contato indireto com material condutor (carroceria). Princípio de incêndio por curto-circuito e/ou sobrecarga. Inversor Bateria Bateria, Cabos e Inversor Cabos de alta tensão Bateria Risco Químico Liberação de gases tóxicos. Liberação de líquidos tóxicos. Liberação de substâncias inflamáveis. 10
Segurança Passiva de VEHs 2) Pesquisa: Risco Elétrico Efeitos da Corrente Elétrica no Corpo Humano Dependem da amplitude e duração da corrente. Principais efeitos: Contração muscular. Aumento da pressão sanguínea. Distúrbio na condução dos impulsos cardíacos. Queimaduras na pele. Distúrbio funcional do controle respiratório. Paralisia dos músculos respiratórios. Danos no sistema nervoso de ativação dos músculos. Principal risco de morte: FIBRILAÇÃO VENTRICULAR. Fibrilação Ventricular Coração normal: 60-100 batidas/min Fibrilação ventricular: até 250 batidas/min 11
Segurança Passiva de VEHs 2) Pesquisa: Risco Elétrico Efeitos da Corrente Elétrica no Corpo Humano Correntes AC (< 100Hz /mão-pés)* Efeitos da AC3 + parada cardíaca, parada respiratória e queimaduras. Probabilidade de fibrilação ventricular: AC-4.1 = 5% AC-4.2 = 50% AC-4.3 > 50% Sem reação Sem risco de efeitos fisiológicos * Fonte: IEC TS 60479-1: Effects of current on human beings and livestocks (Part1) 60W 127V Provável contração muscular e dificuldade de respiração após mais de 2s. Interferência reversiva na formação do pulso cardíaco mas sem fibrilação ventricular. Sem risco de danos aos tecidos orgânicos. 12
Segurança Passiva de VEHs 2) Pesquisa: Risco Elétrico Efeitos da Corrente Elétrica no Corpo Humano Correntes AC (< 100Hz /mão-pés)* Prevenção de efeitos nocivos Isolamento mínimo: 2 ma = 0,002 A = 0,002 V Ω 500 Ω V * Fonte: IEC TS 60479-1: Effects of current on human beings and livestocks (Part1) 13
Segurança Passiva de VEHs 2) Pesquisa: Risco Elétrico Efeitos da Corrente Elétrica no Corpo Humano Correntes DC (mão-pés)* Parada cardíaca, parada respiratória e queimaduras. Probabilidade de fibrilação ventricular: DC-4.1 = 5% DC-4.2 = 50% DC-4.3 > 50% Reação muscular involuntária. Distúrbios reversíveis na formação e condução do pulso cardíaco. Sem risco de danos aos tecidos orgânicos. Leve formigamento durante transição (liga/desliga) Contração muscular involuntária durante transição (liga/desliga). Efeitos fisiológicos não prejudiciais Carregador de Smartphone * Fonte: IEC TS 60479-1: Effects of current on human beings and livestocks (Part1) 14
Segurança Passiva de VEHs 2) Pesquisa: Risco Elétrico Efeitos da Corrente Elétrica no Corpo Humano Correntes DC (mão-pés)* Prevenção de efeitos nocivos Isolamento mínimo: 10 ma = 0,010 A = 0,010 V Ω 100 Ω V * Fonte: IEC TS 60479-1: Effects of current on human beings and livestocks (Part1) 15
Segurança Passiva de VEHs 2) Pesquisa: Risco Elétrico Impedância / Resistência (kω) Impedância do corpo humano Impedâncias internas parciais (normalizada pelo trajeto mão-pé) 9,9 C 10,0 6,1 Cabeça Pé Esquerdo/Direito... 63% Ambos pés... 37% Impedância Total Z pele1 + Z interna + Z pele2 Impedância da Pele Malha resistiva e capacitiva. Impedância depende da tensão, frequência, área de contato, umidade e temperatura da pele. Baixa Freq. Alta Freq. 1,3 Mão Mão Esquerda/Direita... 95% M D 14,1 P D 5,1 8,7 P E M E Mão Pé Esquerdo/Direito... 100% Ambas mãos /Ambos pés... 28% Pé Pé Esquerdo/Direito... 102% Fonte: IEC TS 60479-1: Effects of current on human beings and livestocks (Part1) Impedância total do trajeto mão-pé (grandes superfícies de contato) 8 Resistência 7 Impedância 6 5 4 3 2 1 0 5% 50% 95% Ruptura da pele 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Tensão (V) 16 500 Ω
Segurança Passiva de VEHs 3) Requisito Ensaios de colisão requeridos para veículos elétricos Frontal Lateral Traseiro FMVSS305 Peso bruto < 4,5 t 40km/h em 1,6 km Tensão de trabalho: DC: maior que 60V AC: maior que 30V ECE R94&95 Peso bruto < 2,5 t Categoria M1 Tensão de trabalho: DC: maior que 60V AC: maior que 30V TRIAS 17-2 Determinados tipos de veículos equipados com motores operados por energia elétrica. 48 km/h -30 / 0 / +30 54 km/h 90 CMDB 56 km/h 40% ODB 50 km/h 90 MDB 80 km/h 70% Overlap RMDB 17
Segurança Passiva de VEHs 3) Requisito Carga Verificação pós-teste Rolagem Estática 0 180 270 90 Tensão entre cabo negativo e estrutura Tensão entre cabo positivo e estrutura Tensão entre cabos positivos e negativos Resistência de isolamento V1 V2 Vb Ri Medir com multímetro entre 5 a 60s após o teste Medir com multímetro em até 15min após o teste Vazamento de eletrólito Verificar e coletar se necessário Retenção da bateria Verificar por inspeção visual Medição tensão entre cabos Medição resistência de isolamento + Inversor Cabos de alta tensão Vb V2 V1 + Armazenador de Energia - - R 0 Armazenador de Energia V1 + - R 0 V2 + Armazenador de Energia - Estrutura do veículo 18
Segurança Passiva de VEHs 3) Requisito Avaliação de desempenho Descrição Item verificado Vazamento de eletrólito FORA do compartimento de passageiros DENTRO do compartimento de passageiros < 5,0 litros < 7% e < 5,0 litros Não é permitido Retenção dos sistemas de conversão e armazenamento Retenção de baterias e componentes Todas as ancoragens devem permanecer vinculadas à estrutura do veículo. Isolamento elétrico e proteção contra choques Resistência de isolamento (Ri) 500Ω/V (AC e DC) SEM sistema de monitoramento 100Ω/V (DC) COM sistema de monitoramento 500Ω/V (AC e DC) Sistemas AC e DC combinados 100Ω/V(DC) e 500Ω/V (AC) Sistemas AC e DC Separados Tensão entre os cabos (V1,V2 e Vb) 30V (AC) 60V (DC) Monitoramento de Isolação Elétrica Verificação do painel de perda de isolação Painel deve emitir aviso em caso de perda de isolação. Não aplicável Energia Acumulada Energia total acumulada pelos cabos de alta voltagem Não aplicável < 2,0 J 19
Segurança Passiva de VEHs 4) Tecnologia Proteção elétrica: colisão Unidade de Armazenamento Colisão frontal e traseira Cabos de alta tensão Bateria Interface usuário Disparo airbags Colisão lateral Airbag ECU Gerenciador de Estado Desconexão/ Conexão Manual Barramento de dados Conceito de projeto: proteção dos cabos Desligamento automático (HV shut-down): Colisões em que há acionamento dos airbags. Colisões de menor severidade, sem acionamento dos airbags mas que oferecem riscos ao isolamento elétrico. Unidade Motriz/Geradora Cabos de alta tensão Bateria Zona de deformação Célula de segurança Zona de deformação 20
Segurança Passiva de VEHs 4) Tecnologia Proteção elétrica: sobrecarga e curto-circuito Sensores de tensão e corrente monitoram ocorrências: Curto-circuito Perda de isolação Perda de potência Sobrecarga Fusível Principal de Proteção Sensores de Tensão e corrente 21
Segurança Passiva de VEHs 4) Tecnologia Retenção e integridade de baterias Estrutura de veículo NÃO-ELÉTRICO Elaborada para minimizar as deformações sofridas pelo habitáculo. Emprego de materiais de alta resistência em torno do habitáculo (gerenciamento da deformação). Zonas de deformação programada. Aço de alta resistência Estrutura de veículo ELÉTRICO Aplicam-se os mesmos critérios do veículo nãoelétrico. Retenção e integridade da bateria: Integridade: emprego de aço de alta resistência ao redor da bateria. Retenção: ancoragem em travessas e regiões estruturadas. 22
Primeiros Socorros de VEHs 23
Primeiros Socorros de VEHs Ficha de Resgate Legenda Exclusivo para VEH 24
Primeiros Socorros de VEHs Cortes a serem evitados Por precaução é solicitado assumir que os cabos de alta tensão sempre estejam energizados. Opções de desligamento Botão START/STOP Desconexão manual do fusível de proteção Cortes dos cabos de alta tensão (laranjas) devem ser evitados. 25
Primeiros Socorros de VEHs Etiquetas de aviso: cabo de Primeiros Socorros Rápida identificação dos componentes e cabos energizados com alta tensão. Cabos de alta tensão são identificados pela cor laranja. Indica a localização do cabo de Primeiros Socorros 26
Primeiros Socorros de VEHs Corte do Cabo de Primeiros Socorros O cabo de Primeiros Socorros deve ser cortado antes de qualquer atividade de desencarceramento. Ao cortar o cabo, os relés do módulo de gerenciamento de estado são abertos, desconectando os cabos de alta tensão. 27
Resumo Devido às características do seu sistema de tração, quando envolvidos em uma colisão, os veículos elétricos e híbridos podem oferecer riscos de choques elétricos, princípio de incêndio e contaminação química. Entretanto, os requisitos de desempenho existentes (EUA e União Europeia) foram desenvolvidos com o propósito de minimizar as consequências destes riscos. As tecnologias empregadas no desligamento automático pós-impacto e na manutenção da integridade da bateria são as principais ferramentas disponíveis para o atendimento destes requisitos. Quando utilizadas de forma adequada, tais ferramentas reduzem significativamente as chances de acidentes por choque elétrico ou contaminação química. Os Primeiros Socorros de veículos elétricos e híbridos também apresentam algumas particularidades. É preciso que os socorristas conheçam seus detalhes e passem por treinamento adequado. Decisões e ações equivocadas podem colocar em risco tanto a vida da vítima quanto a do próprio socorrista. 28
Obrigado por sua atenção! Contato: robson.macedo@gm.com Referências: SAE J1766 Recommended Practice for Electric and Hybrid Electric Vehicle Battery Systems Crash. SAE J2344 Guidelines for Electric Vehicle Safety. SAE J2464 Electric Vehicle Battery Abuse Testing. SAE J2929 Electric and Hybrid Vehicle Propulsion Battery System Safety Standard - Lithium-based Rechargeable Cells. IEC TS 60479-1 Effects of current on human beings and livestock: General Aspects. FMVSS305 Electric-Powered Vehicles: Electrolyte Spillage and Electrical Shock Protection. ECE R94-02 Annex 11 Protection of the Occupants in the Event of a Frontal Collision. ECE R95-03 Annex 9 Protection of the Occupants in the Event of a Lateral Collision. TRIAS 17-2 Test for Protection of Occupants Against High Voltage In Electric Vehicles and Hybrid Electric Vehicles After Collision.