مقدمه
در سالیان اخیر، در پاسخ به بحرانهای زیستمحیطی و سیاستهای کاهش کربن، ساختار حملونقل شهری و صنعتی را متحول شده است. جوامع جهانی را به سمت جایگزینی خودروهای احتراق داخلی با وسایل نقلیه الکتریکی (Electric Vehicles) سوق داده است. با این حال، ورود سامانههای ولتاژ بالا، باتریهای با چگالی انرژی زیاد و زیرساختهای شارژ سریع، چالشهای ایمنی الکتریکی جدیدی را در حوزه بهداشت، ایمنی و محیطزیست (HSE) ایجاد کرده است.
مطابق تحلیل ارائهشده در مقاله « Review of the Charging Safety and Charging Safety Protection of Electric Vehicles»، اصلیترین موانع در پذیرش عمومی این فناوری، پدیده “فرار حرارتی” و نقصهای عایقبندی در سیستمهای شارژ رسانا، از هستند؛ این مقاله به تحلیل ریسکهای الکتریکی، چالشهای یکپارچهسازی با شبکه قدرت و ارائه راهکارهای کنترل ریسک مبتنی بر مهندسی سیستم و ارایه راهکارها در حوزه خودروهای برقی میپردازد.
چالشها و ریسکهای ایمنی در صنعت خودروهای برقی
سیستمهای قدرت در خودروهای برقی معمولاً در بازه ۴۰۰ تا ۸۰۰ ولت DC فعالیت میکنند. این سطح ولتاژ، در صورت نقص عایق یا خطای انسانی، میتواند منجر به شوک الکتریکی شدید، آتشسوزی، آسیبهای زیستمحیطی و حتی جراحات جانی شود. ریسکها صرفاً محدود به خودرو نیستند، بلکه ایستگاههای شارژ، تعمیرگاهها و شبکه توزیع را نیز درگیر میکنند.
• ریسکهای الکتروشیمیایی و فرار حرارتی باتری
باتریهای لیتیوم-یون، اگرچه از نظر عملکرد و وزن بهینه هستند، اما نسبت به شرایط شارژ و دما حساسیت بالایی دارند. پدیدههایی نظیر:
- رشد دندریت لیتیوم
- بیششارژ (Overcharge) یا شارژ در دمای نامناسب
- عدم تعادل ولتاژ بین سلولها
میتوانند منجر به اتصال کوتاه داخلی و در نهایت “فرار حرارتی” (Thermal Runaway) شوند. این موضوع در مطالعات منتشرشده توسط Jiang و همکاران بهعنوان یکی از ریشههای اصلی حوادث آتشسوزی EV معرفی شده است.
مهمترین عوامل مؤثر بر ایمنی باتری:
- اتصال کوتاه داخلی و شکست دیافراگم
- افزایش بیشازحد ولتاژ سلول
- شرایط نامطلوب دمایی
- عدم توازن ولتاژ در پک باتری
پیامد این عوامل، شامل انفجار و فرار حرارتی، تولید گازهای سمی و حریق، تخریب ساختار سلول و نشت الکترولیت، کاهش عمر مفید و ریسک شکست عایقی است که مدیریت آنها نیازمند رویکرد مهندسی پیشگیرانه میباشد.
• چالشهای یکپارچهسازی با شبکه برق (Grid Integration)
در مقاله «فناوری شارژ وسایل نقلیه الکتریکی، تأثیر بر یکپارچگی شبکه، پیامدهای خطمشی، چالشها و روندهای آینده»، توسعه، نصب تصادفی و مدیریتنشده ایستگاههای شارژ سریع (EVCS) میتواند باعث:
- تزریق هارمونیک
- نوسانات شدید ولتاژ
- اضافهبار ترانسفورماتورها
شود. این اختلالات نهتنها عمر تجهیزات شبکه را کاهش میدهند، بلکه ریسکهای ایمنی ثانویه برای سایر تجهیزات صنعتی متصل به همان فیدر افزایش میدهند.
• مخاطرات ایمنی تجهیزات شارژ (EVSE)
ایستگاههای شارژ، نقطه تماس مستقیم کاربر با شبکه قدرت هستند و بیشترین پتانسیل بروز حادثه را دارند. شکست عایقی کابلها، نفوذ رطوبت به بدنه شارژر و ناکارآمدی سیستمهای حفاظتی از جمله ریسکهای رایج در این بخش محسوب میشوند.
به دلیل وجود جریانهای مستقیم (DC)، استفاده از کلیدهای RCD نوع B یا تجهیزات مانیتورینگ عایق (IMD) بهعنوان الزامات ایمنی شناخته میشود.
راهکارهای کنترل و کاهش ریسک
برای مدیریت ریسکهای مذکور، سلسله مراتب کنترل باید از طراحی شروع شده و به کنترلهای مهندسی و مدیریتی ختم شود.
• کنترلهای مهندسی و هوشمندسازی شبکه
در پژوهش Electrical Vehicle Charging Infrastructure Design and Operations، استفاده از الگوریتم (R-MPC) بهعنوان راهکاری مؤثر برای جبران افت ولتاژ و حفظ پایداری شبکه پیشنهاد شده است. این رویکرد با پیشبینی بار و استفاده از اینورترهای فتوولتائیک (PV)، به طور فعال افت ولتاژ ناشی از شارژ EVs را جبران کرده و پایداری سیستم قدرت را تضمین میکند.
همچنین، سیستمهای پیشرفته (BMS) با قابلیت تشخیص خطا در زمان واقعی ، امکان پیشگیری از فرار حرارتی را پیش از وقوع هشدار لازم را صادر کرده و فرآیند شارژ را متوقف نماید.
• استانداردهای ایمنی و الزامات قانونی
رعایت استانداردهای بینالمللی زیر، ستون فقرات ایمنی الکتریکی EV محسوب میشود:
- IEC 61851 : الزامات سیستمهای شارژ رسانا
- ISO 6469 : ایمنی عمومی وسایل نقلیه برقی
- IEC 62196 : سوکتها و اتصالات شارژ
- NFPA 70E : ایمنی کار در محیطهای ولتاژ بالا
• نقش کفپوشهای عایق برق در ایمنی زیرساختهای شارژ
در محیطهای تعمیراتی و ایستگاههای شارژ، استفاده از فرش عایق برق مطابق استاندارد IEC 61111 بهعنوان یک لایه محافظ با قطع مسیر عبور جریان از بدن فرد به زمین ، احتمال برقگرفتگی را به حداقل میرسانند. انتخاب کلاس مناسب باید بر اساس ارزیابی ریسک ولتاژ انجام شود.
• کنترلهای مدیریتی و بازرسیهای ایمنی
در سطح مدیریتی، آموزش نیروی انسانی بر اساس استانداردها، تدوین دستورالعملهای ایمنکاری و انجام بازرسیهای دورهای کابلها، بررسی سلامت سیستم اتصال زمین و کلیدهای حفاظتی، نقش تعیینکنندهای در کاهش حوادث ایفا میکند.
ایمنی سایت | طراحی و دسترسپذیری
طراحی فیزیکی ایستگاه شارژ باید به گونهای باشد که ایمنی تمام کاربران، از جمله افراد دارای معلولیت، تضمین شود. بر اساس دستورالعملهای منتشر شده در (Universal design guidelines for electric vehicle charging infrastructure)، نصب بولاردها (Bollards) برای محافظت از تجهیزات شارژ در برابر برخورد خودروها و ایجاد فاصله مناسب بین محل پارک و شارژر برای جلوگیری از خطر زمینخوردن ناشی از کابلها، از الزامات مهندسی HSE است. همچنین تامین روشنایی استاندارد و سامانههای پایش تصویری ، امنیت کاربران را در ساعات شبانه تضمین میکند.
جمع بندی
ایمنی الکتریکی در صنعت خودروهای برقی، حاصل همافزایی دانش باتری، مهندسی قدرت، کنترل هوشمند و انتخاب صحیح مصالح ساختمانی است. با افزایش نفوذ EV، توجه به استانداردهای عایقبندی، مدیریت حرارتی و ایمنسازی محیط فیزیکی، نقشی اساسی در جلوگیری از حوادث ایفا خواهد کرد. مطالعات اخیر نشان میدهد ترکیب راهکارهای کنترلی هوشمند با زیرساختهای ایمن فیزیکی، مسیر توسعه پایدار حملونقل برقی را هموارتر میکند.
شرکت پایا پوشش رایان با درک عمیق این نیازهای فنی، مجموعهای از راهکارهای مهندسی مانند انواع کفپوش های صنعتی، کفپوشهای عایق برق منطبق بر تاییدیه بینالمللی (IEC 61111) را ارائه میدهد. این محصولات با هدف ارتقای ایمنی طراحی شدهاند تا بستری امن و پایدار برای توسعه حملونقل پاک فراهم آورند.
سوالات متداول ایمنی الکتریکی خودروهای برقی
خودروهای برقی با ولتاژهای بالا و جریان مستقیم کار میکنند که در صورت نقص عایق یا خطای حفاظتی میتواند منجر به شوک الکتریکی، آتشسوزی و فرار حرارتی باتری شود. این ریسکها ایجاب میکند الزامات HSE، طراحی ایمن و استانداردهای IEC بهصورت سختگیرانه رعایت شوند.
فرار حرارتی زمانی اتفاق میافتد که دمای باتری بهصورت کنترلنشده افزایش یابد. بیششارژ، اتصال کوتاه داخلی و شرایط دمایی نامناسب از عوامل اصلی آن هستند. پیامد این پدیده میتواند شامل آتشسوزی شدید، انفجار، تولید گازهای سمی و آسیبهای جدی انسانی و محیطزیستی باشد.
ایستگاههای شارژ به دلیل تماس مستقیم کاربر با شبکه قدرت، مستعد بروز شوک الکتریکی هستند. خرابی کابلها، نقص عایق بدنه شارژر، جریانهای DC و نبود تجهیزات حفاظتی مناسب از ریسکهای اصلی محسوب میشوند و استفاده از RCD نوع B و سیستم IMD را ضروری میسازند.
کف پوش عایق برق با قطع مسیر عبور جریان از بدن اپراتور به زمین، خطر برقگرفتگی را بهطور مؤثر کاهش میدهد. این کفپوشها مطابق استاندارد IEC 61111 طراحی شده و بسته به کلاس، برای محیطهای ولتاژ بالا در تعمیرگاههای EV و ایستگاههای شارژ استفاده میشوند.
استانداردهایی مانند IEC 61851 برای سیستمهای شارژ، ISO 6469 برای ایمنی خودروهای برقی، IEC 62196 برای سوکتها و NFPA 70E برای ایمنکاری ولتاژ بالا، چارچوب اصلی الزامات ایمنی را تشکیل میدهند و رعایت آنها ریسک حوادث الکتریکی را به حداقل میرساند.
منابع
- Ghanbari Motlagh, S., & Li, L. (2026). A review on electric vehicle charging station planning: Infrastructure placement, sizing, upgrades, and uncertainties. Journal of Energy Storage, 141, 119325.
- Jiang, L., Diao, X., Zhang, Y., Zhang, J., & Li, T. (2021). Review of the charging safety and charging safety protection of electric vehicles. World Electric Vehicle Journal, 12(4), 184.
- Sarda, J., Patel, N., Patel, H., Vaghela, R., Brahma, B., Bhoi, A. K., & Barsocchi, P. (2024). A review of the electric vehicle charging technology, impact on grid integration, policy consequences, challenges and future trends. Energy Reports, 12, 5671-5692.
- Yang, Y., & Yeh, H.-G. (2023). Electrical vehicle charging infrastructure design and operations (Report No. 23-14). Mineta Transportation Institute.
- Zero Emission Vehicles Ireland. (2024). Universal design guidelines for electric vehicle charging infrastructure. Department of Transport.
Standards:
- IEC 60364. Electrical installations of buildings. International Electrotechnical Commission.
- IEC 61111. Electrical safety in electric vehicle supply equipment. International Electrotechnical Commission.
- NFPA 70E. Standard for electrical safety in the workplace. National Fire Protection Association.
