خودروهای برقی بسیاری از اجزای آشنای یک خودرو را همچنان با خود دارند؛ ترمز، فرمان، صندلی، کمربند ایمنی، ساختار بدنه و تجهیزات دید در یک خودروی برقی نیز باید الزامات ایمنی مربوط به خود را برآورده کنند. تفاوت اصلی زمانی آشکار میشود که سیستم محرکه الکتریکی، مدارهای ولتاژ بالا و مجموعه باتری به خودرو اضافه میشوند. در اینجا علاوه بر خطرهای متداول یک وسیله نقلیه، موضوعاتی مانند شوک الکتریکی، اتصال کوتاه، افزایش دمای باتری، آتشسوزی، آسیب مکانیکی سیستم ذخیره انرژی و رفتار سیستم الکتریکی پس از تصادف نیز باید مورد توجه قرار گیرند.
به همین دلیل، ارزیابی ایمنی یک خودروی برقی را نمیتوان به یک «آزمون باتری» خلاصه کرد. ایمنی باید در چند سطح بررسی شود: خود خودرو، سیستم محرکه الکتریکی، مدار ولتاژ بالا، سیستم ذخیره انرژی قابل شارژ یا REESS، نحوه نصب و حفاظت از باتری و عملکرد مجموعه در شرایط عادی، شرایط خطا و برخی شرایط حادثه. استانداردها و مقررات فنی برای این خطرها الزامات و روشهای ارزیابی مشخصی تعریف میکنند تا عملکرد ایمنی محصول بر اساس معیارهای فنی قابل ارزیابی باشد.
آیا خودرو برقی از نظر ایمنی با خودرو بنزینی کاملاً متفاوت است؟
نه. بخش بزرگی از اصول ایمنی خودرو همچنان مشترک است. یک خودروی برقی نیز باید از نظر موضوعاتی مانند ترمز، فرمان، میدان دید، حفاظت از سرنشین، صندلی و کمربند ایمنی و بسیاری از الزامات دیگر ارزیابی شود. تفاوت در این است که قوای محرکه الکتریکی مجموعهای از خطرها و Failure Modeهای دیگری را وارد خودرو میکند که در خودروی مجهز به موتور احتراق داخلی یا وجود ندارند یا شکل متفاوتی دارند.
برای مثال، در یک خودروی برقی انرژی قابل توجهی در مجموعه باتری ذخیره شده و بخشهایی از سیستم با ولتاژ بالا کار میکنند. در شرایط تعریفشده، راننده، سرنشین و سایر افراد نباید در معرض تماس خطرناک با بخشهای برقدار قرار گیرند. در صورت بروز خطا یا آسیب نیز طراحی باید الزامات حفاظتی مربوط را برآورده کند. از طرف دیگر، باتری یا REESS باید در برابر مجموعهای از تنشهای مکانیکی، الکتریکی و حرارتی که در الزامات مربوط تعریف شدهاند رفتار قابل قبول داشته باشد. بنابراین EV Safety را بهتر است لایهای اضافه بر الزامات عمومی ایمنی خودرو بدانیم، نه جایگزینی برای آنها.
سیستم ولتاژ بالا چرا به الزامات ایمنی جداگانه نیاز دارد؟
یکی از تفاوتهای اساسی خودرو برقی، وجود High Voltage System است. در مقررات مرتبط، ولتاژ بالا تعریف فنی مشخصی دارد و اجزایی مانند باتری کششی، کابلهای ولتاژ بالا، اینورتر، موتور الکتریکی و تجهیزات مرتبط میتوانند بخشی از این سیستم باشند. هدف اصلی در طراحی ایمن این است که افراد در شرایط تعریفشده در معرض تماس خطرناک با بخشهای برقدار قرار نگیرند و خرابی عایق یا آسیب سیستم نیز به شکل کنترلنشده به خطر الکتریکی منجر نشود.
به همین دلیل، مفاهیمی مانند حفاظت در برابر تماس مستقیم و غیرمستقیم، مقاومت عایقی، حفاظت اجزای ولتاژ بالا، اتصال الکتریکی مناسب بخشهای رسانا و کنترل وضعیت سیستم در الزامات ایمنی خودروهای برقی مطرح میشوند. UN Regulation No. 100 یا UN R100 یکی از مقررات مهم این حوزه است و الزامات مرتبط با خودروهای مجهز به قوای محرکه الکتریکی و سیستمهای ذخیره انرژی قابل شارژ را در دامنه کاربرد خود پوشش میدهد.
REESS چیست و چرا در ایمنی خودرو برقی اهمیت دارد؟
در مقررات خودروهای برقی زیاد با اصطلاح REESS روبهرو میشویم که مخفف Rechargeable Electrical Energy Storage System است. در بسیاری از خودروهای برقی، مجموعه باتری کششی بخش اصلی این سیستم است، اما استفاده از اصطلاح REESS کمک میکند الزامات فقط به یک فناوری یا ساختار مشخص باتری محدود نشوند.
REESS مقدار قابل توجهی انرژی را در خود ذخیره میکند و باید در شرایط مختلف رفتار ایمنی قابل قبول داشته باشد. این موضوع فقط به کیفیت سلول باتری مربوط نیست؛ نحوه طراحی Pack، اتصالات الکتریکی، مدیریت حرارتی، حفاظت مکانیکی، سیستم مدیریت باتری و نحوه نصب مجموعه در خودرو همگی میتوانند بر نتیجه نهایی اثر بگذارند. به همین دلیل، در ارزیابی ایمنی نمیتوان صرفاً مشخصات سلول یا ظرفیت باتری را بررسی کرد و درباره ایمنی کل سیستم نتیجه گرفت. UN R100 نیز در دامنه الزامات مربوط به REESS، شرایط و معیارهای مشخصی را برای ارزیابی این سیستمها در نظر میگیرد.
باتری خودرو برقی در برابر چه خطرهایی ارزیابی میشود؟
باتری خودرو در طول عمر خود فقط با یک شرایط ثابت روبهرو نیست. ارتعاش ناشی از حرکت خودرو، تغییرات دما، بارهای مکانیکی، شارژ و دشارژ، احتمال اتصال کوتاه و شرایط غیرعادی سیستم میتوانند باتری را تحت تنش قرار دهند. به همین دلیل، ارزیابی ایمنی REESS مجموعهای از سناریوهای مختلف را دربر میگیرد و نوع آزمونها و معیارهای پذیرش باید از مقرره یا استاندارد مورد استناد استخراج شوند.
هدف این ارزیابیها الزاماً این نیست که باتری در برابر هر شرایط نامحدودی بدون آسیب باقی بماند؛ مقرره یا استاندارد، شرایط آزمون و معیار قابل قبول را تعریف میکند. این تمایز مهم است، زیرا عباراتی مانند «باتری ضدآتش» یا «کاملاً ایمن در تصادف» از نظر مهندسی بیش از حد کلی هستند. سؤال فنیتر این است که سیستم تحت کدام شرایط استانداردشده ارزیابی شده و چه معیارهایی را برآورده کرده است.
Thermal Runaway چیست و چرا درباره آن زیاد صحبت میشود؟
یکی از موضوعات مهم در ایمنی باتریهای لیتیومیونی Thermal Runaway یا فرار حرارتی است. در شرایط مشخص، افزایش دمای یک سلول میتواند واکنشهایی ایجاد کند که گرمای بیشتری تولید میکنند و کنترل دمای سلول را دشوار میسازند. اگر این رویداد یا اثرات آن از یک سلول به سلولهای مجاور گسترش پیدا کند، موضوع Thermal Propagation نیز مطرح میشود.
در طراحی سیستم باتری، هدف فقط کاهش احتمال آغاز چنین رویدادی نیست؛ تشخیص شرایط غیرعادی، مدیریت حرارتی، طراحی Pack و اقداماتی که احتمال یا پیامد گسترش حرارتی را کاهش میدهند نیز اهمیت دارند. Thermal Runaway و Thermal Propagation از موضوعات مهم توسعه ایمنی باتری هستند و الزامات مرتبط با رفتار حرارتی REESS نیز با توسعه فناوری و مقررات تکامل پیدا میکنند.
این نکته نشان میدهد مقررات خودروهای برقی نیز ثابت نمیمانند. با افزایش تجربه صنعت، توسعه فناوری و تغییر الزامات، روشهای ارزیابی و معیارها میتوانند اصلاح شوند؛ بنابراین برای یک پروژه واقعی باید نسخه و Series of Amendments مقرره موردنظر مشخص باشد و نمیتوان صرفاً به عبارت کلی «مطابق R100» اکتفا کرد.
مدیریت حرارتی باتری چه نقشی در ایمنی دارد؟
دما میتواند بر عملکرد، عمر و ایمنی باتری خودرو اثر بگذارد. سیستم مدیریت حرارتی برای کنترل شرایط حرارتی سلولها و Pack در محدودههای موردنظر طراحی میشود و در خودروهای برقی بخشی مهم از معماری باتری و سیستم انرژی محسوب میشود.
اما مدیریت حرارتی فقط خنککردن باتری در هوای گرم نیست. سیستم باید متناسب با طراحی خودرو بتواند در شرایط مختلف کاری، وضعیت حرارتی مجموعه را مدیریت کند و اطلاعات دمایی نیز میتوانند یکی از ورودیهای سیستم مدیریت باتری باشند. عملکرد نامناسب این بخش ممکن است بر توان قابل استفاده، شارژ، عمر باتری و در شرایط شدید بر ایمنی سیستم اثر بگذارد. به همین دلیل، طراحی حرارتی و استراتژیهای کنترلی باتری باید همراه با طراحی الکتریکی و مکانیکی مجموعه دیده شوند.
در تصادف چه اتفاقی برای سیستم ولتاژ بالا میافتد؟
ایمنی خودرو برقی با جلوگیری از تصادف تمام نمیشود. اگر برخورد رخ دهد، علاوه بر حفاظت معمول از سرنشینان باید وضعیت سیستم الکتریکی نیز مورد توجه قرار گیرد. آسیب به باتری یا اجزای ولتاژ بالا میتواند خطرهایی مانند تماس با بخشهای برقدار، آسیب مکانیکی باتری و در برخی شرایط خطرهای حرارتی یا آتشسوزی ایجاد کند. به همین دلیل، وضعیت سیستم ولتاژ بالا و مجموعه ذخیره انرژی پس از برخورد یکی از موضوعات مهم در ایمنی خودروهای الکتریکی است.
مقررات مرتبط با ایمنی برخورد خودروهای مجهز به قوای محرکه الکتریکی میتوانند علاوه بر الزامات سازهای، معیارهایی درباره ایمنی الکتریکی پس از برخورد نیز داشته باشند. برای نمونه، UN Regulation No. 153 در دامنه کاربرد خود موضوع یکپارچگی سیستم سوخت و ایمنی قوای محرکه الکتریکی در برخورد از عقب را پوشش میدهد. این موضوع دوباره نشان میدهد که EV Safety یک آزمون منفرد نیست و مجموعهای از الزامات خودرو، سیستم الکتریکی و ذخیره انرژی باید در کنار یکدیگر دیده شوند.
آیا آتشسوزی خودرو برقی با خودرو احتراقی متفاوت است؟
هر دو نوع خودرو میتوانند در شرایط مختلف دچار آتشسوزی شوند، اما ماهیت انرژی ذخیرهشده و نحوه مدیریت برخی حوادث در آنها یکسان نیست. در یک باتری لیتیومیونی آسیبدیده، افزایش دما، انتشار گازها و امکان بروز یا بازگشت برخی واکنشهای حرارتی میتواند بر نحوه مدیریت حادثه اثر بگذارد. به همین دلیل، دستورالعملهای امدادی و اطلاعات اختصاصی خودرو برای نیروهای امدادی اهمیت دارند.
با این حال، وجود تفاوت در نوع خطرها نباید به نتیجهگیری کلی مانند «خودرو برقی ذاتاً آتشگیرتر است» منجر شود. مقایسه ریسک آتشسوزی میان فناوریهای مختلف نیازمند داده، تعریف دقیق نوع حادثه، فناوری مورد استفاده و شرایط بهرهبرداری است. مسئله مهندسی این است که خطرهای خاص هر فناوری شناخته شوند و برای پیشگیری، کنترل و مدیریت آنها راهکارها و الزامات مناسب در نظر گرفته شوند.
شارژ خودرو هم بخشی از ایمنی الکتریکی است
خودرو برقی بخشی از زمان خود را در ارتباط با یک منبع انرژی خارجی میگذراند و به همین دلیل ایمنی فقط هنگام رانندگی مطرح نیست. اتصال خودرو به تجهیزات شارژ، انتقال توان، وضعیت کانکتورها، کنترل دما و عملکرد سیستم در شرایط خطا نیز باید در طراحی ایمن در نظر گرفته شوند. مقررات و استانداردهای مرتبط بسته به سیستم، نوع شارژ و بازار میتوانند الزامات متفاوتی برای این حوزه داشته باشند.
این موضوع همچنین نشان میدهد چرا ارزیابی ایمنی EV باید در سطح سیستم انجام شود. یک باتری که الزامات مرتبط با خود را برآورده کرده است، اگر با سیستم شارژ، کابل، کانکتور یا کنترل الکترونیکی نامناسب یکپارچه شود، بهتنهایی تضمینکننده ایمنی کل خودرو نیست. همانطور که در خودروهای احتراقی عملکرد یک قطعه بهتنهایی تعیینکننده ایمنی کل خودرو نیست، در خودرو برقی نیز تعامل میان اجزا اهمیت دارد.
BMS چه نقشی در ایمنی باتری دارد؟
Battery Management System یا BMS یکی از اجزای کلیدی سیستم باتری است. BMS اطلاعاتی مانند ولتاژ، جریان و دما را پایش میکند و بر اساس معماری سیستم میتواند در مدیریت شارژ و دشارژ، حفاظت از باتری و تشخیص شرایط غیرعادی نقش داشته باشد. بنابراین ایمنی باتری فقط نتیجه طراحی مکانیکی Pack یا انتخاب سلول مناسب نیست؛ لایههای الکترونیکی و نرمافزاری نیز در کنترل سیستم نقش دارند.
این مسئله یکی از تفاوتهای مهم خودروهای جدید با نگاه سنتی به آزمون خودرو است. بخشی از رفتار ایمنی محصول به الگوریتمها، سنسورها و تصمیمهای سیستم کنترل وابسته شده است و یک تغییر نرمافزاری میتواند در برخی شرایط روی عملکرد سیستم اثر بگذارد. در نتیجه، هنگام تعریف Configuration محصول برای ارزیابی، نسخه سختافزار و نرمافزار مرتبط نیز میتواند اهمیت داشته باشد.
UN R100 چیست؟
UN Regulation No. 100 یکی از مهمترین مقررات بینالمللی مرتبط با ایمنی خودروهای مجهز به قوای محرکه الکتریکی است. این Regulation الزامات مرتبط با Electric Power Train و REESS را در دامنه کاربرد خود پوشش میدهد و در طول زمان از طریق اصلاحات مقرراتی توسعه یافته است.
بنابراین در یک پروژه واقعی عبارت «R100» بهتنهایی اطلاعات کافی برای برنامهریزی آزمون یا ارزیابی نیست. باید مشخص شود کدام Series of Amendments، کدام نسخه و کدام بخش مقرره برای خودرو یا REESS موردنظر قابل اعمال است. اگر با ساختار نامگذاری UN Regulations و تفاوت اصطلاحهای UNECE، ECE و UN آشنا نیستید، مقاله «استاندارد UNECE چیست؟ ارتباط مقررات UN با استانداردهای خودرو در ایران» در دانشنامه تات این موضوع را با جزئیات بیشتری توضیح میدهد.
استانداردهای خودرو برقی در ایران چه جایگاهی دارند؟
با ورود فناوریهای جدید به صنعت خودرو، الزامات مربوط به خودروهای الکتریکی نیز در مجموعه استانداردهای خودرو اهمیت بیشتری پیدا کردهاند. در الزامات خودرو در ایران نیز موضوعاتی مرتبط با ایمنی الکتریکی و فناوریهای قوای محرکه جدید مطرح هستند. با این حال، همان قاعدهای که درباره سایر استانداردهای خودرو وجود دارد اینجا نیز برقرار است: وجود نام یک استاندارد در یک فهرست بهتنهایی برای نتیجهگیری درباره Applicability و وضعیت اجرای آن کافی نیست.
رده خودرو، نوع قوای محرکه، مشخصات سیستم و دامنه کاربرد استاندارد باید بررسی شوند و در کنار آن وضعیت و زمان اجرای الزام نیز اهمیت دارد. برای مشاهده استانداردهای مرتبط و بررسی وضعیت اجرای آنها میتوانید از جدول استانداردهای ۱۲۲گانه خودرو در وبسایت تات استفاده کنید. این موضوع بهخصوص برای پروژههایی که محصول آنها قرار است در آینده وارد بازار شود مهم است، زیرا برنامه توسعه باید الزامات قابل اعمال در زمان ورود محصول به فرآیند تأیید یا عرضه را نیز در نظر بگیرد.
آیا ایمنی باتری به معنی ایمنی خودرو برقی است؟
نه. این دو مفهوم ارتباط نزدیکی دارند اما یکسان نیستند. یک Battery Pack میتواند مجموعهای از آزمونهای مرتبط با خود را پشت سر بگذارد، اما خودرو همچنان باید از نظر نحوه نصب باتری، حفاظت مکانیکی، معماری ولتاژ بالا، سیستم کنترل، شارژ، رفتار در تصادف و سایر الزامات قابل اعمال ارزیابی شود. از طرف دیگر، همان خودرو همچنان باید الزامات عمومی ایمنی مانند ترمز، فرمان، دید، صندلی و حفاظت سرنشین را نیز برآورده کند.
به همین دلیل، بهتر است ایمنی خودرو برقی را به شکل چند لایه ببینیم: ایمنی سلول و اجزای باتری، ایمنی REESS، ایمنی سیستم ولتاژ بالا، یکپارچهسازی این سیستمها در خودرو و در نهایت ایمنی خودرو بهعنوان یک محصول کامل. ضعف در هر لایه میتواند بر عملکرد کل مجموعه اثر بگذارد و موفقیت یک جزء در یک آزمون مشخص نیز نباید بدون بررسی دامنه نتیجه به کل خودرو تعمیم داده شود.
آیا خودروهای هیبریدی هم مشمول الزامات ایمنی الکتریکی میشوند؟
بسته به معماری خودرو و دامنه کاربرد مقرره، بله. «برقی بودن» در بحث الزامات فنی فقط به Battery Electric Vehicle یا BEV محدود نمیشود. خودروهای هیبریدی و Plug-in Hybrid نیز دارای اجزای الکتریکی و سیستم ذخیره انرژی هستند و بسته به مشخصات فنی آنها میتوانند مشمول الزامات مرتبط با قوای محرکه الکتریکی شوند.
به همین دلیل، هنگام بررسی یک پروژه نباید فقط از روی نام تجاری «هیبریدی» یا «برقی» درباره استانداردهای قابل اعمال تصمیم گرفت. معماری واقعی سیستم، ولتاژ کاری، نوع ذخیره انرژی، نحوه اتصال اجزا و دامنه استاندارد تعیینکنندهاند. این همان منطقی است که در سایر استانداردهای خودرو نیز وجود دارد: ابتدا محصول و Configuration دقیق آن مشخص میشود و سپس Applicability الزامات بررسی میشود.
ایمنی خودرو برقی از مرحله طراحی شروع میشود، نه از آزمون نهایی
بسیاری از الزامات ایمنی خودرو برقی را نمیتوان زمانی که نمونه نهایی ساخته شده با یک تغییر کوچک برطرف کرد. محل نصب باتری، حفاظت مکانیکی Pack، مسیر کابلهای ولتاژ بالا، معماری قطع و وصل سیستم، مدیریت حرارتی، BMS و نحوه تعامل سیستمهای الکتریکی با ساختار خودرو تصمیمهایی هستند که از مراحل اولیه طراحی شکل میگیرند.
به همین دلیل، شناخت الزامات قابل اعمال باید پیش از نهایی شدن معماری محصول انجام شود. اگر تیم توسعه تنها در زمان آمادهسازی نمونه برای آزمون متوجه یک Requirement اساسی شود، اصلاح آن ممکن است به تغییر در طراحی مکانیکی، الکتریکی یا نرمافزاری منجر شود. در پروژههای جدید نیز باید علاوه بر الزامات اجرایی فعلی، تغییرات مقرراتی مرتبط و زمانبندی ورود محصول به بازار در برنامهریزی توسعه مورد توجه قرار گیرند.
ایمنی خودرو برقی یک آزمون نیست؛ یک سیستم است
پرسش «خودرو برقی چگونه از نظر ایمنی آزمون میشود؟» یک پاسخ کوتاه ندارد، زیرا ایمنی EV حاصل یک آزمون یا حتی یک استاندارد واحد نیست. سیستم ولتاژ بالا باید از تماس خطرناک محافظت شود، REESS باید در برابر شرایط تعریفشده رفتار قابل قبول داشته باشد، مدیریت حرارتی و سیستم کنترل باید شرایط غیرعادی را مدیریت کنند و مجموعه باتری باید به شکلی در خودرو یکپارچه شود که در شرایط کاری و حوادث تعریفشده خطرهای الکتریکی و حرارتی کنترل شوند. در کنار تمام این موارد، خودرو همچنان باید الزامات عمومی ایمنی یک وسیله نقلیه را نیز برآورده کند.
بنابراین برای یک پروژه خودروی برقی، سؤال مناسب فقط این نیست که «باتری چه آزمونهایی دارد؟» سؤال دقیقتر این است که چه خطرهایی در سطح باتری، سیستم الکتریکی و خودرو وجود دارند، کدام استانداردها برای Configuration موردنظر قابل اعمال هستند و برای نشان دادن انطباق با هر الزام چه ارزیابیهایی باید انجام شود؟ پاسخ به این مجموعه سؤالهاست که برنامه واقعی ایمنی و آزمون یک خودروی برقی را شکل میدهد.