Розвиток наукових основ протипожежного захисту електричних колісних транспортних засобів (електромобілів)

Abstract

Дисертація присвячена розв’язанню актуальної науково-прикладної проблеми у сфері пожежної безпеки – розкриття закономірностей динаміки термодеструктивних процесів у силових акумуляторних батареях в залежності від густини зовнішнього теплового потоку, який спричиняє виникнення пожежі, температури поверхні батареї, яка обумовлюється технічними характеристиками, конструктивними та експлуатаційними параметрами, як наукове підґрунтя забезпечення протипожежного захисту електромобілів. Зростання кількості електричних колісних транспортних засобів (далі – електромобілів) у світі є однією з ключових тенденцій сучасної автомобільної індустрії. Це зумовлено з одного боку обмеженими запасами нафти та газу, а з іншого – колосальною кількістю викидів шкідливих речовин від колісних транспортних засобів, які обладнані двигунами внутрішнього згоряння, а також урядовими програмами провідних кран світу, які стимулюють придбання власне електромобілів. Згідно із даними міжнародного енергетичного агентства у 2023 році у світі кожен п’ятий проданий автомобіль був електричним. Загалом автопарк електромобілів станом на 2024 рік перейшов відмітку у 40 млн, що є у 8 разів більше у порівнянні із 2019 роком і за прогнозами до 2030 року їх налічуватиметься понад 150 млн. Така шалена динаміка створює нові виклики для інженерів та науковців з приводу безпечної експлуатації електромобілів. Національна асоціація протипожежного захисту США наводить дані, що у світі впродовж 2024 року виникло близько 5 тис. пожеж електромобілів і до 2030 року їх кількість може подвоїтись. Тому пожежна небезпека електромобілів, а також системи їх протипожежного захисту є актуальною проблематикою, яка масштабується та обґрунтована викликами сьогодення. Узагальнення результатів наукових досліджень вказав на відсутність комплексного підходу з розкриття особливостей пожеж електромобілів і впливу технічних характеристик та конструктивних параметрів LIB на процеси їх горіння внаслідок впливу зовнішнього джерела тепла. Окрім цього немає механізму визначення часу виникнення горіння у силових LIB електромобілів, які б враховували як технічні характеристики, конструктивні та експлуатаційні параметри самої батареї, так і характеристики джерела тепла. Окреслено основі чинники, які впливають на пожежну небезпеку зазначених об’єктів. Виявлено, що ємність силової акумуляторної батареї (далі - АКБ), стан її заряду, а також матеріал виготовлення катодних елементів впливатимуть на особливості виникнення займання та розвиток пожеж електричних колісних транспортних засобів загалом. Наведене обумовило здійснити аналіз та узагальнення основних методів оцінювання пожежної небезпеки силових АКБ та електричних колісних транспортних засобів в цілому. Встановлено, що існуючі методики є різнобічними та випробувальне обладнання, яке застосовується кардинально відрізняються, як за масштабом так і за конструктивним виконанням, що впливає на отриманні результати випробувань як силових АКБ так і електромобілів щодо пожежної небезпеки. Систематизовано вітчизняні та світові вимоги до систем забезпечення протипожежного захисту електричних колісних транспортних засобів. На основі аналізу та систематизації технічних характеристик компонентів літій-іонних батарей, які використовуються у сучасних електромобілях, прокласифіковано їх за рівнем пожежної небезпеки. Узагальнено та систематизовано відомі теоретичні методи вконтексті дослідження пожеонї безпеки LIB серед яких: метод кінцевих елементів, об’ємів та різниць, еквівалентні схемні моделі, метод Монте-Карло, обчислювальна гідродинаміка, метод дискретних ординат а також їх адаптація для досліджень процесів виникнення та розвитку пожеж у силових батареях та електромобілях в цілому. Наведено їх переваги та недоліки а також можливість та зручність у використанні при дослідженні зазначених процесів. З використанням базових рівнянь термодинаміки та теплопередачі наведено математичні описи початкових та граничних умов, кількість енергії яка виділяється при внутрішньому та зовнішньому короткому замиканні у літій-іонних батареях, тепловиділення від протікання електричного струму, кількість енергії, яка виділяється при згорянні горючих матеріалів АКБ, а також кількість енергії, яка передається АКБ від зовнішнього джерела тепла, з врахуванням конвекційного та радіаційного теплообміну також рівняння нестаціонарної теплопровідності у циліндричній системі координат. На підставі здійсненого комп’ютерного моделювання з використанням розробленої газо гідродинамічної моделі електромобіля на прикладі Tesla Model S, доведена гіпотеза про можливість розвитку пожежі електромобіля внаслідок виникнення термодеструктивних процесів у елементах силової АКБ. Встановлено, що при пожежі електромобіля, внаслідок дії теплового потоку потужністю 6-8 МВт, досягнення граничного значення температури 120°С на суміжній стіні, що знаходиться на відстані 3 м і досягається вже на 690-700 с від початку пожежі. Виходячи з цього рекомендована мінімальну протипожежна відстані до огороджуючих конструкцій стін будівель при пожежі електромобіля становить 3 м. Обґрунтовано та визначено температурні розподіли пожежі, внаслідок виникнення займань у силовій акумуляторні батареї та його поширення по електромобілі в найскладніших умовах – закритого паркінгу, а також визначено безпечні протипожежні відстані, які становлять по фронту електромобіля що горить 6 м, а по фланзі 10 м, за умови часу вільного розвитку пожежі 600 с. Розроблено методику натурних вогневих досліджень процесів горіння силових літій-іонних акумуляторів електромобілів з використання електронагрівальної панелі та модельного вогнища класу В. Обґрунтовано критерії, які характеризують початок виникнення термодеструктивного процесу, перелік необхідних засобів вимірювальної техніки, їх розміщення, а також особливість використання електронагрівальної панелі. Науково обґрунтовано кількість та місця встановлення термопар у дослідному зразку для отримання максимально точних даних нагріву силових літій-іонних акумуляторних батарей під дією джерела тепла, а також розміщення дослідних взірців відносно джерела тепла, яка ініціює виникнення термодеструктивного процесу За результатами експериментальних досліджень виявлено залежності зміни часу виникнення займання у літій-іонних елементах силової АКБ електромобілів з катодним матеріалом NCА (літій-нікель-кобальт-алюміній оксид LiNiₓCoyAlzO₂) при впливі зовнішнього теплового потоку густиною 30 кВт/м2 що лінійно зменшується з 1225 с до 1115 с для 100 % заряджених літій-іонних елементів при змінні просторового розміщення відносно джерела тепла з вертикального на горизонтальне; лінійно зростає з 1115 с до 1340 с для горизонтального просторового розміщення відносно джерела тепла розміщення при зміні ступеня заряду з 100 % до 0 %, що дає інструмент прогнозування поширення температурних факторів пожежі. Розрахунковим методом доведено та експериментально підтверджено, що температура горіння літій-іонних елементів силової АКБ електромобілів з катодним матеріалом NCА (літій-нікель-кобальт-алюміній оксид LiNiₓCoyAlzO₂) при впливі дії зовнішнього теплового потоку густиною 30 кВт/м2 може змінюватись: зростати з 690 °С до 810 °С для 100 % заряджених літій-іонних елементів при змінні просторового розміщення відносно джерела тепла з вертикального на горизонтальне; зменшуватись з 810 °С до 450 °С при горизонтальному просторовому розміщенні джерела тепла та зміні ступеня заряду з 100 % до 0 %. Зазначені рузультати дозволяють формувати вимоги пожежної безпеки електромобілів на стадії проектування. З використанням сучасних статистичних методів забезпечено відтворюваність результатів та підтверджено загальну збіжність кожного окремого експерименту, при яких абсолютні відхилення між усередненими результатами експериментальних досліджень та кожною із серій натурних експериментальних досліджень не перевищують 16,4 % у випадку використання модельного вогнища пожежі та 10,0 % при використанні електронагрівальної панелі. Обґрунтовано та розроблено науково-методичний апарат, що дозволяє визначати час займання силових акумуляторних батарей електромобілів, які мають енергетичну ємність від 30 кВт∙год до 100 кВт∙год і в разі дії густини теплового потоку в діапазоні від 10 кВт/м2 до 200 кВт/м2, що дає підрунття формувати методологію прогнозування пожежної безпеки електромобілів. З врахуванням отриманих комплексних результатів досліджень обґрунтовано та розроблено блок-схему алгоритму роботи максимально-динамічного давача температури із змінними параметрами спрацювання, а саме значеннями мінімальної статичної температури спрацювання і значення швидкості підвищення температури за якої він спрацьовує. З використанням пакету Simulink програмного середовища MATLAB досліджено та верифіковано його роботу, з можливістю розпізнавання зміни температури в силовій АКБ внаслідок впливу кліматичних умов, пожежі, експлуатації, або від внутрішнього короткого замикання чи несправності системи охолодження. Результати теоретичних та експериментальних досліджень з розкриття закономірностей динаміки термодеструктивних процесів у силових акумуляторних батареях в залежності від густини зовнішнього теплового потоку, який є джерелом займання, температури поверхні батареї, яка обумовлюється технічними характеристиками, конструктивними та експлуатаційними параметрами, як наукове підґрунтя забезпечення протипожежного захисту електромобілів реалізовано у розробленому ДСТУ 9222:2023 «Пожежна безпека. Протипожежний захист систем зарядки електромобілів. Основні положення», а також проєкті змін до Постанови Кабінету Міністрів України №1128 «Про забезпечення колісних транспортних засобів первинними засобами пожежогасіння». Результати проведених досліджень впроваджені у діяльність Департаменту запобігання надзвичайним ситуаціям Державної служби України з надзвичайних ситуацій під час розроблення рекомендації щодо заходів безпеки з використання акумуляторних літій-іонних батарей у житлових приміщеннях в умовах блекаутів (акт впровадження від 24.09.2024 року), а також у навчальний процес Львівського державного університету безпеки життєдіяльності з підготовки здобувачів за першим (бакалаврським) рівнем освіти, які навчаються за освітньо-професійною програмою «Цивільний захист» при викладанні дисципліни «Організація ліквідації надзвичайних ситуацій та пожеж», а також при викладанні дисципліни «Транспортні засоби з електричним та гібридним приводом» за освітньо-професійною програмою «Транспортні технології (на автомобільному транспорті)» (акт впровадження від 16.12.2024 року); описані особливості виникнення та розвитку пожеж електричних колісних транспортних засобів використовуються у роботі акредитованого судового експерта Міністерства юстиції під час аналізу та встановлення ймовірної причини виникнення пожеж такого роду (акт впровадження від 26.07.2024 року). У дисертації, яка є завершеним науковим дослідженням, наведено розв’язання актуальної науково-прикладної проблеми у сфері пожежної безпеки, що полягає у розкритті закономірностей динаміки термодеструктивних процесів у силових акумуляторних батареях в залежності від густини зовнішнього теплового потоку, який спричиняє виникнення пожежі, температури поверхні батареї, яка обумовлюється технічними характеристиками, конструктивними та експлуатаційними параметрами, як наукове підґрунтя забезпечення протипожежного захисту електромобілів.