¿Es el aumento de los vehículos eléctricos motivo de preocupación por la seguridad eléctrica? Déjanos tus comentarios

A continuación veremos cuales son los peligros eléctricos asociados con los sistemas de almacenamiento de energía recargable y cómo garantizar una instalación, solución de problemas y mantenimiento seguros.

Los vehículos eléctricos (EV) se están convirtiendo en un actor habitual en los sistemas de transporte por carretera, ya sea que se trate de vehículos de propiedad privada, transporte público o vehículos utilizados en entornos corporativos. Las tecnologías en constante evolución están demostrando que hacen que los vehículos eléctricos sean más atractivos y rentables para los consumidores públicos y privados.

Como la historia nos ha demostrado antes, un cambio radical en la tecnología a menudo impulsa los estándares de seguridad asociados con la nueva tecnología. Sin embargo, se retrasarán a medida que aprendamos cómo abordar de manera segura el desarrollo y mantenimiento de la nueva tendencia tecnológica. ¿Es ese el caso del nuevo sistema de almacenamiento de energía recargable (RESS)? Una descripción general básica de los componentes típicos de RESS puede ayudar a los profesionales eléctricos a comprender cómo estos componentes pueden afectar los enfoques para mitigar los peligros y ayudar a responder la pregunta: ¿Son suficientes los estándares actuales de seguridad y diseño para abordar los peligros eléctricos asociados con los RESS?

En primer lugar, es importante señalar que existen otros peligros asociados con los RESS, pero para este artículo, destacamos los peligros eléctricos potenciales. Los paquetes de baterías utilizados para RESS en EV, vehículos eléctricos híbridos (HEV) y vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV) son grandes y complejos. Estos sistemas proporcionan energía eléctrica al tren de transmisión y otros componentes del vehículo a través de la liberación controlada de corriente a un voltaje de diseño. Sin embargo, debido a su alta capacidad de energía eléctrica almacenada, cualquier fuga incontrolada crea una situación peligrosa.

La posible liberación de humo, vapores tóxicos, fuego, explosión y/o fuerzas eléctricas peligrosas representa un riesgo de exposición para el personal. Los fabricantes han invertido tiempo y recursos en el diseño de barreras físicas, sistemas de seguridad mecánica y otras medidas de control para mitigar el potencial de abuso físico severo, como pinchazos, aplastamiento o calentamiento excesivo, que puede provocar una liberación de energía descontrolada. Los fabricantes de paquetes de baterías para vehículos eléctricos diseñan sus productos para ofrecer características de rendimiento específicas de forma segura en las condiciones de uso previstas. Dada la química en constante cambio de los diseños de celdas de batería, aún se está desarrollando la comprensión de los posibles modos de falla para garantizar que los RESS sean confiablemente seguros en los diversos entornos a los que potencialmente estarán expuestos.

Conceptos básicos del paquete de baterías EV

Si bien los paquetes de baterías EV pueden variar significativamente según el fabricante y la aplicación, algunas características son comunes a muchas aplicaciones. La función básica del paquete de baterías EV se centra en varios sistemas de componentes mecánicos y eléctricos. Todos los paquetes de baterías EV incluyen una colección de celdas de batería. Estos pueden tener diferentes tamaños, formas y composición química, según la aplicación y la preferencia del fabricante del paquete de baterías. Un rasgo común es que el paquete de baterías siempre incorporará muchas celdas de batería individuales conectadas en serie y en paralelo para lograr el voltaje deseado y la clasificación de salida de corriente necesaria para la aplicación específica. Dependiendo de los requisitos de la aplicación, esto puede variar desde unas pocas celdas hasta varios cientos de celdas individuales.

Otra característica común en los paquetes de baterías EV, HEV y PHEV es el fusible principal, que limita la corriente del paquete de baterías en condiciones de falla de cortocircuito. Una “desconexión de servicio” o un “enchufe de servicio”, que proporciona un medio para dividir la pila de baterías en varias secciones aisladas eléctricamente, es otra forma de limitar la liberación potencial de la capacidad total del paquete de baterías. Al realizar tareas de servicio o mantenimiento en o alrededor del paquete de baterías, la desconexión del servicio reduce el potencial de peligro eléctrico mientras los terminales principales del paquete de baterías están expuestos.

Además, los paquetes de baterías suelen incluir contactores que se utilizan para controlar la distribución de energía eléctrica a los terminales de salida. Por lo general, se incluyen dos o más contactores para controlar la conexión del suministro de alta corriente a los motores de accionamiento eléctrico. Se utiliza un sistema de gestión de batería (BMS) para regular el rendimiento y la seguridad del paquete de batería durante la carga y descarga operativa. El BMS controla toda la distribución de energía e incluye sensores para monitorear la temperatura, el voltaje, la corriente y muchas otras características que el fabricante considera importantes para el rendimiento y la seguridad del paquete de baterías y la operación del vehículo.

Cuando se trata del diseño de RESS utilizados en EV, HEV y PHEV, el desarrollo y las pruebas se han centrado en métodos para garantizar que los sistemas sean seguros para el uso del público en general y, al mismo tiempo, brinden características de rendimiento específicas en las condiciones de uso previstas. Al igual que los sistemas eléctricos generales de instalación permanente, el RESS está diseñado de acuerdo con los estándares de la industria para evitar que el público en general esté expuesto a peligros eléctricos en circunstancias normales. Un ejemplo de uno de estos estándares es ANSI/CAN/UL/ULC 2580:2021, Estándar de seguridad, Baterías para uso en vehículos eléctricos. Sin embargo, existen escenarios en los que la interacción con las baterías puede quedar fuera de estas circunstancias normales, como mantenimiento, reparación, reemplazo o daño accidental. Por lo tanto, debemos considerar cómo proteger al personal de la energía eléctrica almacenada dentro de estos sistemas.

Evaluación del peligro

Cuando me piden que brinde una opinión sobre cómo proteger al personal de escenarios únicos o inusuales, lo primero que hago es desglosar los peligros en sus formas más básicas. La energía eléctrica es muy diversa y puede presentarse de formas inusuales y novedosas, como nuevos dispositivos de almacenamiento de energía de gran tamaño. Sin embargo, al final del día, sigue siendo solo “electrones y agujeros”, como solía decirme uno de mis mentores.

Los RESS tienen baterías que almacenan energía eléctrica en conjuntos de celdas de batería. La energía eléctrica disponible en una celda está limitada por su química. Específicamente para las celdas de litio, las propiedades electromecánicas de sus materiales limitan el potencial eléctrico disponible de 3 V a 4 V por celda. Los EV, HEV y PHEV generalmente tienen requisitos que van desde unos pocos cientos de voltios hasta más de 1,000 V en los conjuntos de baterías a medida que la tecnología continúa evolucionando. Estas celdas individuales deben organizarse en serie para alcanzar el voltaje requerido y luego conectarse en paralelo para lograr los requisitos de corriente eléctrica y potencia. El RESS entrega alto voltaje al sistema de transmisión y un rango de voltajes más bajos a otros sistemas del vehículo.

Por el bien de esta discusión, supongamos que estamos expuestos a un voltaje máximo de corriente continua (CC) de 1000 V. El voltaje es la variable más directa del peligro eléctrico. Independientemente de los escenarios que evaluemos, el voltaje permanecerá constante para el circuito conectado. La cantidad de corriente a la que una persona podría estar expuesta puede variar según el escenario en el que esté interactuando con las baterías, varios subsistemas y sistemas de carga asociados. Hay varias características de seguridad integradas en el paquete de baterías que limitarán efectivamente la cantidad de corriente que se libera. Sin embargo, si el mantenimiento o la reparación requieren el desmantelamiento del paquete de baterías o de algunos de sus subsistemas, se debe evaluar cada tarea para determinar cómo estas actividades expondrán al personal a peligros eléctricos como parte de una evaluación de riesgos general.

Otra variable que entra en juego es el uso de sistemas de carga. Los sistemas de uso general están diseñados para que el operador pueda enchufarlos, cargarlos y desenchufarlos con seguridad. Un escenario más complejo entra en juego cuando un fabricante realiza tareas de investigación y desarrollo que pueden representar un riesgo elevado para los empleados que trabajan en estos entornos de prueba. Cada escenario debe evaluarse caso por caso.

Abordar el riesgo eléctrico

A menudo, cuando un escenario se sale de lo que estamos acostumbrados, parecerá extraño, complicado o intimidante. Cuando se trata de seguridad eléctrica, eso no es necesariamente algo malo. Esa reacción es una gran excusa para hacer una pausa y pensar en la tarea en cuestión. Ya sea que el peligro sea en forma de un sistema de almacenamiento o un sistema de distribución, desde el contexto de la seguridad contra riesgos eléctricos, sigue siendo solo una fuente de voltaje de CC.

Nos protegemos de las fuentes de tensión CC de RESS como lo haríamos con cualquier otra fuente de tensión CC. Nuestra primera consideración, utilizando el método de jerarquía de control de riesgos, es crear una condición de trabajo eléctricamente segura (NFPA 70E-2021, Sec. 110.3). El desafío de trabajar directamente con el sistema de almacenamiento es que, en muchos escenarios, es simplemente inviable (NFPA 70E-2021, Sec. 110.4) crear una condición de trabajo eléctricamente segura. La siguiente opción sería realizar una evaluación de riesgo de descarga eléctrica y una evaluación de riesgo de arco eléctrico (NFPA 70E-2021, Sec. 130.4 y Sec. 130.5) para determinar el alcance de los peligros eléctricos y las formas de protegerse de tales peligros. Es probable que esto resulte en el establecimiento de límites de choque, el uso de guantes aislantes y/u otros materiales, y la consideración de otras técnicas de mitigación. La cuestión es,

Escenarios de investigación y desarrollo

Una pregunta común está relacionada con las instalaciones de investigación y desarrollo (I+D). Debido a los aspectos únicos de las tareas de una instalación de I+D, parece haber una percepción común de que existen peligros demasiado complejos para ser mitigados. Desafortunadamente, no se pueden ofrecer soluciones de “talla única”. Cada escenario debe evaluarse caso por caso utilizando métodos para determinar los peligros básicos, pasando por la jerarquía de métodos de control de riesgos para determinar los medios de protección apropiados e implementando medidas de protección.

Cuando se piensa detenidamente, aún no se ha presentado un escenario que impida desarrollar métodos para garantizar que el personal pueda ejecutar las tareas necesarias de manera segura. No deje que los aspectos únicos de un escenario dado lo intimiden de desglosarlo en los peligros que son muy comunes y, a veces, pueden mitigarse fácilmente. Una palabra de precaución: solo porque es un sistema de CC, no pase por alto el potencial de un peligro de arco eléctrico. Solicite a un profesional experto que analice el escenario para determinar si existe un potencial de energía suficiente para sostener un arco. Si es así, realice una evaluación de arco eléctrico para determinar el nivel de protección necesario para proteger al personal dentro del límite del arco eléctrico.

Escapes térmicos

Si bien se implementan muchas características de seguridad para limitar la probabilidad y la gravedad de un incendio en la batería o un evento de fuga térmica, los peligros aún están presentes. Abordemos los conceptos básicos de los riesgos de incendio y fuga térmica en los paquetes de baterías EV. La fuga térmica (en términos sencillos) es un evento anormal que hace que una celda de la batería ya no disipe el calor tan rápido como se genera.

La batería más común para los vehículos de consumo es la batería de iones de litio, que contiene un electrolito inflamable que sirve como membrana líquida a través de la cual pasan los iones químicos entre los electrodos. Si una celda sufre un cortocircuito, el electrolito inflamable puede incendiarse y atravesar las paredes de la celda. Como esto se sabe desde hace bastante tiempo, los fabricantes diseñan barreras para aislar la batería, así como partes del paquete de baterías para evitar el escape térmico y minimizar la propagación si ocurre.

Aplicando los mismos principios discutidos anteriormente, el objetivo del fabricante es desarrollar técnicas de mitigación que permitan que el paquete de baterías en su conjunto y las celdas individuales disipen el calor más rápido de lo que se genera. Si bien los eventos de fuga térmica tienden a aparecer en los titulares con bastante frecuencia, varios estudios indican que, en comparación con la inflamabilidad de la gasolina, las baterías de iones de litio presentan un riesgo mucho menor de incendio o explosión durante o después de un accidente automovilístico que involucre a un EV.

Atarlo todo junto

Los avances tecnológicos continuos en el rendimiento, la eficiencia y la asequibilidad de los EV han ayudado a que cientos de miles de EV, HEV y PHEV lleguen a manos de consumidores públicos y privados durante la última década. Varios estilos de EV ahora están disponibles de varios fabricantes, ofreciendo a los conductores una amplia variedad de estilos de carrocería, especificaciones de rendimiento y puntos de precio. Si bien las capacidades de los RESS han evolucionado rápidamente, las pruebas de seguridad necesarias para garantizar que los EV, HEV y PHEV sean seguros para el público son, en su mayor parte, muy similares a las técnicas de prueba utilizadas para las pruebas de seguridad de los motores de combustión tradicionales.

Están surgiendo nuevos estándares, que se revisan y revisan regularmente, a medida que la industria continúa aprendiendo y comprendiendo la tecnología en evolución. No hay motivo para una preocupación elevada relacionada con la operación de estos vehículos. El personal de mantenimiento e I+D debe evaluar escenarios específicos pensando en los peligros básicos a los que está expuesto, considerar el riesgo de cada peligro y tomar las precauciones adecuadas para mitigar los peligros según lo exige la norma NFPA 70E. Los vehículos eléctricos y sus paquetes de baterías eléctricamente densas son una tendencia tecnológica emocionante que continúa avanzando y proporciona medios de transporte diferentes y eficientes, pero aún no representa un riesgo de peligro eléctrico que exceda nuestra capacidad de protección.

Fuente: EC&M, Tommy Northcott.