Segurança Passiva e Primeiros Socorros 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

Congresso SAE Brasil 2013

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.

Introdução

Sistema Elétrico de VEH

Introdução

Sistema Elétrico de VEH

• Veículo

LIGADO

.

• Circuito de baixa tensão é energizado.

Classificação AC DC

Baixa Tensão ≤ 15V

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

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 ≤ 15V RMS ≤ 30V Alta Tensão > 30V RMS > 60V

+

-

DC

AC

Introdução

Circuitos de Baixa e Alta Tensão

Bateria 12V Aterramento

Carroceria atua como condutor

Isolamento

Isolamento Bateria

Alta Tensão

Carroceria NÃO atua como condutor

Cabos de Alta Tensão

Carga

Carga

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.

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.

Introdução

Sistemas Básicos de Segurança Passiva

Estrutura com

deformação programada

Sistemas de retenção

Sistema de detecção de

colisão

+

+

Sistema Elétrico

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

REQUISITO: definindo critérios

 Especificações de desempenho  Definição de conteúdo

TECNOLOGIA: aplicando soluções

 Atendimento dos requisitos  Inovação

2

4

3

1

Quais as

especificações

de segurança?

Quais os

efeitos no ser

humano?

Quais

os riscos

envolvidos?

Quais as

soluções e tecnologias

existentes?

Cabos de alta

tensão

Bateria

Inversor

Risco Químico

• Liberação de gases tóxicos. • Liberação de líquidos tóxicos.

• Liberação de substâncias inflamáveis.

Bateria

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.

Bateria, Cabos

e Inversor

Segurança Passiva de VEHs

1) Demanda

Segurança Passiva de VEHs

2) Pesquisa: Risco Elétrico

Efeitos da Corrente Elétrica no Corpo Humano

• Dependem da amplitude e duração da

corrente.

• Principais efeitos:

 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

Segurança Passiva de VEHs

2) Pesquisa: Risco Elétrico

Efeitos da Corrente Elétrica no Corpo Humano

Correntes AC (< 100Hz /mão-pés)*

Sem risco de efeitos fisiológicos Sem

reação

60W

• 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% • 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

Segurança Passiva de VEHs

2) Pesquisa: Risco Elétrico

Efeitos da Corrente Elétrica no Corpo Humano

Prevenção de efeitos nocivos

2 𝑚𝐴 = 0,002 𝐴 = 0,002

𝑉

Ω

→

𝟓𝟎𝟎 𝜴 𝑽

Isolamento mínimo:

Correntes AC (< 100Hz /mão-pés)*

Segurança Passiva de VEHs

2) Pesquisa: Risco Elétrico

Efeitos da Corrente Elétrica no Corpo Humano

Correntes DC (mão-pés)*

• Contração muscular involuntária

durante transição (liga/desliga).

• Efeitos fisiológicos não prejudiciais

Leve formigamento durante transição (liga/desliga)

• 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.

Carregador de Smartphone

Segurança Passiva de VEHs

2) Pesquisa: Risco Elétrico

Efeitos da Corrente Elétrica no Corpo Humano

Correntes DC (mão-pés)*

10 𝑚𝐴 = 0,010 𝐴 = 0,010

𝑉

Ω

→

𝟏𝟎𝟎 𝜴 𝑽

Isolamento mínimo:

Segurança Passiva de VEHs

2) Pesquisa: Risco Elétrico

Impedância do corpo humano

5,1 14,1 1,3 9,9 6,1 10,0 8,7 M_D M_E P_D P_E C _{Cabeça  Pé}  Esquerdo/Direito ... 63%  Ambos pés... 37% Mão  Mão  Esquerda/Direita ... 95% Mão  Pé  Esquerdo/Direito ... 100%  Ambas mãos /Ambos pés.... 28%

Pé  Pé

 Esquerdo/Direito ... 102%

Impedâncias internas parciais (normalizada pelo trajeto mão-pé)

Impedância da Pele  Malha resistiva e capacitiva.  Impedância depende da tensão,

frequência, área de contato, umidade e temperatura da pele.

Baixa Freq. Alta Freq.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Im p edân cia / Resist ência (k Ω )

Impedância total do trajeto mão-pé (grandes superfícies de contato)

Ruptura da pele 95% 50% 5% Resistência Impedância Z_pele1 Z_pele2 Z_interna + + Impedância Total 𝟓𝟎𝟎 Ω

Segurança Passiva de VEHs

3) Requisito

Ensaios de colisão requeridos para veículos elétricos

FMVSS305

• Peso bruto < 4,5 t • 40km/h em 1,6 km • Tensão de trabalho:

─ DC: maior que 60V ─ AC: maior que 30V

Frontal

Lateral

Traseiro

48 km/h -30° / 0° / +30° 54 km/h 90° CMDB 80 km/h 70% Overlap RMDB 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

equipa-dos com motores operados por energia elétrica.

Rolagem Estática

Tensão entre cabo negativo e estrutura V1

Medir com multímetro entre 5 a 60s

após o teste

Medir com multímetro em até 15min após o teste Tensão entre cabo positivo e estrutura V2

Tensão entre cabos positivos e negativos Vb

Resistência de isolamento Ri

Vazamento de eletrólito Verificar e coletar se necessário Retenção da bateria Verificar por inspeção visual

Segurança Passiva de VEHs

3) Requisito

Verificação pós-teste

+

+

-

_-

Cabos de alta tensão

Medição tensão entre cabos

Armazenador de Energia V1’

+

-

+

-

Segurança Passiva de VEHs

3) Requisito

Avaliação de desempenho

Descrição

Item verificado

Vazamento de eletrólito

FORA do compartimento de

passageiros < 5,0 litros < 7% e < 5,0 litros DENTRO do compartimento

de passageiros 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) SEMsistema de monitoramento

≥ 500Ω/V (AC e DC) Sistemas AC e DC combinados ≥ 100Ω/V (DC)

COM sistema de monitoramento

≥ 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

Segurança Passiva de VEHs

4) Tecnologia

Proteção elétrica: colisão

Interface usuário Unidade de Armazenamento Desconexão/ Conexão Manual

Bateria

Cabos de alta tensão

Disparo airbags

Barramento de dados

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.

Colisão frontal e traseira

Colisão lateral

Conceito de projeto: proteção dos cabos

Motriz/Geradora Cabos de alta tensão

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

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 não-elétrico.

• Retenção e integridade da bateria:

 Integridade: emprego de aço de alta resistência ao redor da bateria.  Retenção: ancoragem em travessas e

Primeiros Socorros de VEHs

Ficha de Resgate

Primeiros Socorros de VEHs

Opções de

desligamento

 Cortes dos cabos de alta

tensão (laranjas) devem

ser evitados.

Cortes a serem

evitados

 Por precaução é solicitado

assumir que os cabos de

alta tensão sempre

estejam energizados.

 Desconexão manual do fusível de

proteção

 Rápida identificação dos

componentes e cabos energizados

com alta tensão.

Primeiros Socorros de VEHs

Etiquetas de aviso: cabo de Primeiros Socorros

Indica a localização do cabo de Primeiros Socorros

 Cabos de alta tensão são

identificados pela cor

laranja.

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.

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

significati-vamente as chances de acidentes por choque elétrico ou contaminação

quí-mica.

•

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.

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.