Časopis 112 ROČNÍK XXII ČÍSLO 7/2023

Na tísňovou linku HZS Kraje Vysočina byl 17. září 2022 nahlášen požár penzionu v obci Daňkovice na Žďársku. Požár způsobený vznícením hořlavých par alkoholu během vaření likvidovalo 15 jednotek hasičů. Škoda byla vyčíslena na 15 milionů korun. Požár zasáhl střechu a strop nad společenským sálem, střechu nad přístavbou penzionu a kompletně zničil elektronické zařízení včetně vzduchotechniky. V polovině prosince loňského roku proběhlo taktické cvičení jednotek PO, jehož námětem byl požár v královéhradeckém seniorcentru SeneCura v Exnárově ulici. Účastníci si vyzkoušeli záchranu a evakuaci osob se sníženou pohyblivostí i manipulaci s nemocničním lůžkem. Záchranáři si rozšířili vědomosti o specifické podmínky zásahů v objektech sociálních služeb. V únoru 2023 bylo přijato doporučení Komise o cílech Evropské unie v oblasti odolnosti vůči katastrofám. Strategický dokument jasně specifikuje pět klíčových oblastí (Předvídat, Připravit se, Upozornit, Reagovat, Zabezpečit). 

Zavádění a užívání elektrických vozidel je spojeno s novými riziky požárů a výbuchů. Z tohoto důvodu je nezbytné, aby se uživatelé a zájemci o tato vozidla a v neposlední řadě příslušníci Hasičského záchranného sboru České republiky (HZS ČR) seznámili zejména s typy elektromobilů, jejich hlavními částmi a funkcemi, možnými riziky a jejich vznikem a bezpečnostními opatřeními. Cílem tohoto článku, který je rozdělen na dvě části, je přiblížit čtenářům základní poznatky k této problematice.

Evropská unie (EU) má jeden ze stěžejních cílů. Stát se klimaticky neutrálním kontinentem do roku 2050. Odhaduje se, že stávající automobilová vozidla se spalovacími motory generují přibližně čtvrtinu evropských skleníkových plynů. Uvedený cíl předpokládá, že by ho pomohlo splnit přibližně 30 milionů elektrických vozidel jezdících po silnicích do konce tohoto roku. Za tím účelem byla přijata směrnice evropského parlamentu a rady č. 2014/94/EU [1], která mimo jiné definuje „elektrické vozidlo“, „dobíjecí stanici“ (běžnou a vysoce výkonnou) a „povinnosti členských států k dosažení těchto cílů“. Vláda ČR přijala za tím účelem usnesení č. 941/2015 [2] a usnesení č. 469/2020 [3]. 

Typy elektrických vozidel
Vozidla na elektrický pohon jsou členěna na následující typy: bateriová elektrická vozidla (BEV), hybridní elektrická vozidla (HEV), plug-in hybridní elektrická vozidla (PHEV) a elektrická vozidla s palivovými články (EVPČ) [4]–[9].

Bateriové elektrické vozidlo (BEV)
BEV je elektromobil s čistě elektrickým pohonem a těmito hlavními částmi tohoto vozidla, viz obr. 1 a jejich stručná charakteristika.
Stručná charakteristika hlavních částí:

• elektrický trakční motor: využívá elektrickou energii z trakční baterie k mechanickému pohonu kol přes převodovku. Některé motory mají motorgenerátory umožňující při brzdění převádět kinetickou energii na elektrickou k dobíjení trakční elektrické baterie,
• regulátor elektrického výkonu: reguluje elektrickou energii z trakční baterie do elektromotoru, řídí rychlost a točivý moment elektrického trakčního motoru. Je ovládán nožním pedálem řidiče (ovládání rychlosti vozu a kolísání napětí na vstupu do elektrického motoru),
• DC/DC konvertor (měnič): převádí stejnosměrný proud ze sady trakčních baterií na tento proud s nižším napětím k provozu příslušenství vozidla a dobíjení pomocné baterie,
• systém chlazení: reguluje provozní teploty hlavních součástí (elektrického motoru, regulátoru elektrického výkonu atd.),
• pomocná baterie: je zdrojem pro příslušenství v elektrickém vozidle. Při výpadku sady trakčních baterií napájí elektromotor a při startování motoru pokles napětí,
• palubní nabíječka: používá se k přeměně AC napětí z nabíjecí zásuvky na DC napájení trakční baterie. Komunikuje též s nabíjecím zařízením a během nabíjení baterie sleduje její charakteristiky – napětí, proud, teplotu a stav nabití a reguluje nabíjecí proud,
• převodovka (elektrická): převádí mechanickou energii z elektrického motoru na pohon kol, 
• nabíjecí zásuvka: umožňuje připojení elektrického kabelu z externí nabíječky k nabíjení sady trakčních baterií,
• trakční baterie: ukládá elektřinu k pohonu elektrického trakčního motoru.
  
  Obr. 1 Hlavní části BEV [4]
   

Protože má elektrický pohon, neobsahuje součásti, které jsou typické pro vozidla na kapalná paliva: palivové čerpadlo, palivové potrubí, palivovou nádrž, nevypouští výfukové plyny z výfuku.

Hybridní elektrické vozidlo (HEV)
HEV jsou poháněna jedním nebo několika elektromotory napojenými na sadu trakčních elektrických baterií a spalovacím motorem na automobilový benzín nebo dieselové motorové palivo. Trakční baterie se však nenabíjí z externího elektrického zdroje, ale pouze regeneračním brzděním motorgenerátoru.

HEV sestává ze:

• spalovacího (zážehového) motoru: palivo, obvykle automobilový benzín, z palivové nádrže je vstřikováno do sacího potrubí nebo do spalovací komory motoru, kde se mísí se vzduchem a směs je zapalována jiskrou ze zapalovací svíčky,
• palivové nádrže: tato nádrž, umístěná na palubě vozidla, je plněna např. automobilovým benzínem,
• plnicího uzávěru palivové nádrže: přes tento uzávěr se doplňuje spotřebované palivo plnicí pistolí výdejního stojanu čerpací stanice,
• elektrického generátoru: generuje elektřinu při brzdění z rotujících kol vozidla, a tou zpětně nabíjí trakční baterie. Některá HEV k tomu užívají motorgenerátor, který má obě funkce, pohon a regeneraci,
• palubní nabíječky: viz BEV,
• regulátoru elektrického výkonu: viz BEV,
• DC/DC měniče (konvertoru): viz BEV,
• převodovky: viz BEV,
• systému chlazení: udržuje správný rozsah provozních teplot elektromotoru, výkonové elektroniky atd.,
• výfuku: odvádí výfukové plyny ze spalovacího motoru přes katalyzátor ke snížení koncentrace škodlivých emisí ze spalování motorového paliva.

Obr. 2 Hlavní části EVPČ [7]
Plug–in hybridní elektrické vozidlo (PHEV)
PHEV jsou poháněná spalovacím motorem a elektromotorem, který má na rozdíl od HEV sadu trakčních elektrických baterií nabíjitelnou z vnějšího zdroje elektřiny. Vozidlo běží na elektrický pohon, dokud není baterie téměř vybitá, následně se přepne na spalovací motor.

PHEV sestává ze:

• spalovacího motoru: viz HEV,
• palivové nádrže: viz HEV,
• plnicího uzávěru palivové nádrže: viz HEV,
• elektrického trakčního motoru: viz HEV,
• nabíjecí zásuvky: na palubě vozidla, viz BEV,
• sady trakčních baterií: viz BEV,
• DC/DC měniče (konvertoru): viz BEV,
• palubní nabíječky: viz BEV,
• regulátoru elektrického výkonu: viz BEV a HEV,
• převodovky: viz BEV a HEV,
• systému chlazení: viz BEV,
• výfuku: viz HEV.

Elektrické vozidlo s palivovými články (EVPČ)
EVPČ využívá technologii palivového článku ke generování elektřiny potřebné k pohonu elektromotoru. Baterie je dobíjena brzdovou energií a poskytuje podporu výkonu při krátkých akceleracích (obr. 2).

EVPČ sestává ze:

• elektrického trakčního motoru: pohání kola vozidla pomocí elektřiny generované z palivových článků a sady elektrických trakčních baterií. Je umístěn v přední části vozidla,
• sady palivových článků: sestava membránových elektrod užívajících vodík a kyslík k výrobě elektřiny (přibližně 370 článků). Je umístěna pod podlahou vozidla,
• baterie: VN baterie ukládá elektřinu generovanou regeneračním brzděním elektrického trakčního motoru. Je umístěna za zadními sedadly vozidla,
• DC/DC konvertoru (měniče): viz BEV,
• pomocné baterie: viz BEV,
• palivové tlakové nádrže (na vodík) s tlakem např. 70 MPa (700 bar) umístěné pod a za zadními sedadly vozidla. Tlaková nádoba má bezpečnostní ventil elektronicky řízený (obr. 3),
• plnicího hrdla (plnička): na ni se připojuje pistole z výdejního stojanu k plnění tlakových lahví vodíkem,
• regulátoru elektrického výkonu: řídí průtok elektřiny z palivových článků a trakčních baterií, a tím výkon elektrického trakčního motoru. Je v přední části vozidla pod kapotou,
• systému chlazení: reguluje provozní teploty palivových článků, elektromotoru, výkonové elektroniky atd.,
• převodovky: viz BEV.
  
  Obr. 3 Příklad provedení bezpečnostního ventilu tlakové nádoby (TATOV) a palivové tlakové nádrže na vodík [8]

Baterie elektrických vozidel
Elektrická vozidla mají v současné době Li-ion trakční (hnací) baterie nebo baterie s palivovými články. V následujícím textu je uvedeno vysvětlení základních poznatků týkajících se konstrukce těchto baterií a jejich funkce.

Lithium-iontový článek
Lithium-iontový článek sestává z:

• kladné katody: tu tvoří krystalky kovových 

oxidů, např. oxid lithium kobaltnatý (LiCoO₂), nebo fosforečnan lithium železnatý (LiFePO₄), oxid lithium manganičitý (LiMn₂O₄), oxid lithium nikl, kobalt, hlinitý (LiNiCoAlO₂), případně oxid lithium nikl mangan kobaltnatý (LiNi_xMn_yCO_zO₂). Proudovým kolektorem (sběračem) u této elektrody bývá Al-fólie,

• záporné anody: obvykle z grafitu, grafenu nebo oxidu lithium titaničného (Li₄Ti₅O₁₂). Proudovým kolektorem této elektrody bývá Cu-fólie,
• elektrolytu: roztoku složeného z organických karbonátů (ethylacetát, ethylmethylkarbonát, dimethylkarbonát, příp. diethylkarbonát, ethylenkarbonát, propylénkarbonát) a solí Li, obvykle fluoridu lithium fosforečného (LiPF₆), případně chloristanu lithného (LiClO₄) nebo fluoridu lithium boritého (LiBF₄). Elektrolyt naplňuje meziprostor mezi katodou a anodou,
• separátoru: obvykle je jím mikroporézní, polopropustný polyethylen (PE) nebo polypropylén (PP) s b.t. (125–130) °C či (155–160) °C, mající vyhovující chemickou stabilitu, mechanické vlastnosti a dostupnou cenu. Umožnuje transport Li+ iontů mezi elektrodami při nabíjení a vybíjení článku a slouží i jako pojistka při nadměrném zahřátí,
• přetlakového ventilu v kovové stěně krytu baterie a spínače, který chrání baterii před proudovými rázy a tím proti přehřátí. 

Tab. 1 Charakteristika palivových článků (PČ) podle elektrolytu [12]

TypPČ	Elektrolyt	PT (°C)	Účinnost (%)	Výhody	Nevýhody
PEM	kyselina perfluorsulfonová	<120		menší koroze	citlivost na nečistoty z paliva
alkalické	vodní roztok KOH v porézní matrici nebo polymerní membráně	150–200	70	nízká teplota, rychlé uvedení do provozu, levnější komponenty	citlivost na CO2 v palivu a vzduchu, vodivost elektrolytu
kyselina fosforečná	kyselina fosforečná v porézní matrici nebo polymerové membráně	150–200	40–80	tolerance k nečistotám z paliva, vysoká účinnost	citlivost na S, vysokoteplotní koroze, rozpad částí článků, dlouhá doba uvedení do provozu
tavené uhličitany	roztavené uhličitany Li, Na, K, Mg v porézní keramické matrici	600–700	60–80	vysoká účinnost, odpadní teplo lze recyklovat na elektřinu	vysokoteplotní koroze a rozpad částí článku, dlouhá doba uvedení do provozu
pevný oxid	keramické oxidy Ca nebo Zr	~1000	60	odpadní teplo lze recyklovat na elektřinu	dlouhá doba uvedení do provoz

Uvnitř článku jsou listům podobné elektrody, anody a katody, svinuty nebo skládány vzájemně se separátorem a elektrolytem buď do tvaru/formátu válcového pouzdra, nebo hranolu či vaku. Li-ion články jsou v trakční baterii elektromobilu propojeny sériově nebo paralelně, aby vytvořily modul s napětím do 60 V. Příslušný počet modulů se dále vzájemně propojuje do formy trakční baterie, aby bylo dosaženo potřebné kapacity: (10–100) kWh, (10–400) kWh nebo (500–4000) kWh.

Důležité je mít povědomí o oxidačně redukčních reakcích, které probíhají při nabíjení a vybíjení Li-iontových baterií. Uveďme příklad:

• redukce probíhající na katodě obsahující oxid kobaltu:  CoO₂ + Li⁺ + e^- → LiCoO₂
• oxidace probíhající na anodě obsahující interkalační sloučeninu grafitu s ionty Li:
• LiC₆ →  C₆ + Li+ + e^-
• oxidačně redukční reakce při vybíjení baterie:
• LiC₆ + CoO₂  → LiCoO₂ + C₆
• oxidačně redukční reakce při nabíjení baterie: zleva doprava při vybíjení a zprava doleva při nabíjení LiC₆ +CoO₂ ↔  C₆ + LiCoO₂ 

Při nabíjení baterie se ionty Li+ pohybují od kladné katody do záporné anody a při vybíjení od anody ke katodě, kde interkalují, tj. vstupují do elektrody a ukládají se v ní. Elektrony se současně pohybují z anody elektrickým obvodem zpět do katody. Při nabíjení vybité baterie je tento pohyb opačný.

Vodíkový palivový článek
Palivový článek je elektrochemický článek převádějící chemickou energii H₂ a O₂ na elektřinu oxidačně redukční reakcí. Palivové články generují elektřinu pouze při souvislém dodávání obou plynů. Palivový článek sestává z:

• záporné elektrody, anody, na které probíhá oxidace přiváděného vodíku, difundujícího na katalyzátor, na H+ a e^-, obvykle z částic Pt nebo Ti nanesených na nosných uhlíkových prášcích s orientací do elektrolytu,
• kladné elektrody, katody, na které probíhá redukce přiváděného kyslíku ze vzduchu a Li+ iontů, difundujících elektrodou na katalyzátor (obvykle Ni) orientovaném do elektrolytu,
• elektrolytu: látka mezi anodou a katodou, která vede ionty z jedné elektrody na druhou, např. koncentrované roztoky hydroxidu draselného (KOH) ve vodě, roztavený uhličitan sodný (Na₂CO₃) nebo draselný (K₂CO₃) (provozní teplota přibližně 650 °C), kyselina fosforečná (H₃PO₄) s provozní teplotou (150–200) °C, 
• tenké prodyšné polymerní membrány (PEM) nebo pevných oxidů (např.  vápníku, CaO nebo zirkonu, ZrO) s provozní teplotou zhruba 800–1000 °C (obr. 4 a tab. 1).

Obr. 4 Funkční schéma PČ s elektrolytem H3PO4 a PEM membránou [11]
 

Pro názornost lze opět uvést příklad oxidačně redukčních reakcí, např.:
v palivových článcích s elektrolytem kyseliny fosforečné:

• oxidační reakce na anodě: 2 H₂(g) → 4 H⁺ + 4 e^-
• redukce na katodě: O₂ (g)+ 4 H⁺ →  2  H₂O
• celková reakce v článku: 2H₂ + O₂ → 2 H₂O

ve vysokoteplotních palivových článcích s elektrolytem pevných oxidů: 

• oxidační reakce na anodě: H₂ + O^₂- →  H₂O + 2 e-
• redukce na katodě: O₂ + 4 e^- → 2 O^2-
• celková reakce v článku: 2H₂ + O₂ →  2 H₂O

v palivových článcích s roztaveným uhličitanem:

• oxidační reakce na anodě: 

          CO₃^2- + H₂ →  H₂O + CO₂ + 2e^-2 

• redukce na katodě: CO₂ + 1/2 O₂  + 2e^- →  CO₃^2-
• celková reakce v článku: H₂ + 1/2 O₂ →  H₂O

Jeden palivový článek v aplikované velikosti generuje napětí 0,6–0,7 V při plném jmenovitém zatížení. Proto jsou jednotlivé palivové články zapojeny do série k docílení velikosti napětí potřebné pro pohon elektromotoru. 

Pokračování článku naleznete v časopisu 112, 8/2023.

Ing. Otto DVOŘÁK, Ph.D., foto archiv autora
 

Literatura    
[1]    SMĚRNICE EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY č. 2014/94/EU ze dne 22. 10. 2014 o zavádění infrastruktury pro alternativní paliva.
[2]    USNESENÍ VLÁDY ČR ze dne 20. 11. 2015 č. 941 o Národním akčním plánu čisté mobility.
[3]    USNESENÍ VLÁDY ČR ze dne 27.4.2020 č. 469 o aktualizaci Národního akčního plánu čisté mobility.
[4]  Electric Vehicles Explained. Windsor Motor Group. 2023. Dostupné také z: https://www.windsor.ie/electric-hybrid/electric-vehicles-  explained/
[5]    What is EV (Electric Vehicle)? TWI Ltl.2023.  Dostupné také z: https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/what-is-an-ev
[6]    Types of Electric Cars and Working Principles. Omazaki Group. 2023. 
[7]    How Do All-Electric Cars Work? AFDC.2023 Dostupné také z: https://www.afdc.energy.gov/vehicle/how-do-all-electric-cars-work
[8]    RIVARD, E. at all Hydrogen Storage for Mobility. Materials 2019, 12 (12). Dostupné také z: https://doi.org/10.3390/ma12121973.
[9]    Yao Ahoton at all: Electrochemical Cells and Storage Technologies to Increase Renawable Energy  Store in Cold Climatic Conditions-      A critical Assessment. MDPI, 2022. Dostupné také z:  https://www.mdpi.com/1996-1073/15/4/1579
[10]    https://www.iso.org/search.html?q=Electrical%20road%20 vehicles
[11]    Fuel Cell Basic. Dostupné z: https://americanhistory.si.edu/fuelcel.ls/basics.html
[12]    Fire Safety of Lithium – Ion Batteries in Road Vehicles. RISE Report, 2019.
 

Print  E-mail  X Corp.   Facebook