Prikaz nadzornika LFP baterija Lynx smart BMS
U prethodnom nastavku izvijestili smo o desetom međunarodnom natjecanju “Monaco Energy Boat Challenge“ u organizaciji „Yacht Club de Monaco“ u kneževini Monako od 5. do 8. srpnja 2023. Natjecanje se provodilo za tri skupine plovila: SOLAR CLASS, ENERGY CLASS i OPEN SEA CLASS. Između 25 država, 31 sveučilišta i 46 natjecateljskih timova. Za Hrvatsku je nastupila Udruga primijenjenih tehničkih znanosti iz Rijeke u dvije skupine i to s plovilom TEREDO NAVALIS u skupini SOLAR CLASS i s plovilom MALO VITRA u skupini SOLAR ENERGY CLASS. U najzahtjevnijoj utrci izdržljivosti uz valove i do 1,5 m s plovilom MALO VITRA u skupini SOLAR ENERGY CLASS osvojili su nevjerojatno 3. mjesto! Ovdje u članku predstavit će se jedan detalj električnog rješenja i to u dijelu u kojem smo pokušali pomoći ovim vrijednim mladim ljudima. Na ovom plovilu nadzornik LFP baterija Lynx smart BMS koristili smo i mi prvi put! U prethodnom nastavku opisali smo električnu shemu bez ulaska u detalje oko nadzornika LFP baterija Lynx smart BMS, stoga će se to ovdje detaljnije približiti.
Foto: Schrack Technik
Nadzor LFP baterije
LFP baterija sastoji se od nekoliko serijski spojenih ćelija (u 12 V bateriji su 4 ćelije). Posebnost LFP baterije je njezina iznimna dugotrajnost. Može se prazniti gotovo do nule dvije do četiri tisuće puta. No ne smije se prekoračiti niti minimalno niti maksimalno dozvoljeno stanje napunjenosti bilo koje od ćelija baterije, crvene strelice na slici 1. Sve dok su sve ćelije u „zelenoj“ zoni rada LFP baterija je nenadmašan izvor prema dosad primjenjivanim olovnim baterijama. No ako samo jedna ćelija izađe iz zelene zone, najvjerojatnije će biti uništena, a time i skupa baterija u kojoj je smještena.
Foto: Schrack Technik
Kako u bateriji postoji više ćelija to će njihova neujednačenost značiti zaustavljanje punjenja iako u pojedinim slabije napunjenim ćelijama ima mjesta za punjenje! Isto je prilikom pražnjenja! Pražnjenje se mora zaustaviti kad prva ćelija dotakne zaštitni prag, bez obzira na to što u drugim ćelijama ima još raspoložive energije za pražnjenje. Neujednačenost ćelija smanjuje realni kapacitet baterija! Tome je tehnološki doskočeno da se pri kraju punjenja događa ujednačavanje ćelija, slika 2. Čim pri punjenju sve ćelije prijeđu 3,3 V u bateriji započinje prelijevanje energije kao vode u spojenim posudama. Razmjena energije preko male struje između ćelija je „polagana“ pa se svejedno može dogoditi da neka ćelija dođe do 3,75 V. Tad baterija šalje signal nadzorniku baterije i nadzornik isključuje punjač tj. zaustavlja se punjenje. Ujednačavanje se međutim i dalje događa, pa tako napon najviše napunjene ćelije opada. Čim padne ispod 3,6 V baterija šalje signal nadzorniku za ponovno omogućavanje punjača i proces punjenja se nastavlja. Dodatno, punjač prilikom punjenja nikada ne prelazi napon 14,2 V (za 12 V bateriju). Ako punjač dosegne razinu 14,2 V (3,55 V po ćeliji ako su sve ćelije već jednake) napon ne raste više i u tom stanju punjač ostaje podešeno vrijeme, ali cijelo to vrijeme svaka pojedinačna ćelija je i dalje nadzirana. Ideja je da se s najvećim naponom na bateriji od 14,2 V i najvećim naponom od 3,75 V za najnapunjeniju ćeliju, kroz vrijeme dođe do ujednačavanja ćelija na 3,55 V. Zato je sasvim normalno da pri 14,2 V punjač „malo radi“, a „malo ne radi“. Prilikom pražnjenja pojava logika je slična, ali nema procesa ujednačavanja. Ako neka ćelija dosegne razinu 2, 8 V pri pražnjenju, događa se alarmno stanje i baterija šalje nadzorniku informaciju za isključenje trošila kako bi se zaustavilo daljnje pražnjenje i uništenje te ćelije koja je prva pala ispod 2,8 V. No punjenje je tad dozvoljeno i tek kad sve ćelije prijeđu prag od 3,2 V baterija javlja nadzorniku da se može ponovno dozvoliti pražnjenje. Postoji i stanje predalarma pri pražnjenju pri padu neke ćelije ispod 3,1 V. Ovo je pak informacija da će, ako se ne započne punjenjem, uskoro trošila biti isključena. Primijetite da je zelena zona LFP baterije svega 1 V, dok je za olovne baterije ona iznosa najmanje 2 V! Olovnoj bateriji se napon mijenja kroz punjenje i pražnjenje, dok se kod LFP baterije napon gotovo ne mijenja od 10 do 90 % napunjenosti. Stoga napon na LFP bateriji nikako nije mjera napunjenosti LFP baterije!
Foto: Schrack Technik
Do sada smo u serijalu spominjali ukupno pet nadzornika LFP baterija: Small BMS, Smart BMS CL 12/100, BMS 12/200, VE.Bus BMS i VE.Bus BMS V2, slika 3. Svim ovim nadzornicima je zajedničko praćenje stanje ćelija u LFP bateriji i mogu proizvesti signale za isključivanje punjača i trošila. Signal za isključenje je ili beznaponski relejni kontakt, ili naponska razina izlaza ili poruka preko informacijske sabirnice. Neki od njih imaju poluvodičke ventile u funkciji sklopki već ugrađene u sebi.
Foto: Schrack Technik
Nadzornik LFP baterija Lynx smart BMS
Nadzornik LFP baterija Lynx smart BMS ima u sebi ugrađen sklopnik za uključenje i isključenje struje do 500 A, slika 4. Na 12 V razini primjenjiv za snage uređaja do 6 kW, na 24 V razini za snage uređaja do 12 kW, a na 48 V razini za snage uređaja do 24 kW. Prilikom prvog priključenja na napon BMS će sam prepoznati napon 12, 24 ili 48 V. Lynx smart BMS upravlja sustavom stvarajući signale za uključenje/isključenje trošila i punjača, a tek ako ti signali ne „odrade posao“ tada će isključenje za zaštitu baterije odraditi u BMS-u ugrađeni sklopnik. Bitna mu je značajka i da pri uključenju sustava ima otpornik za ograničenje struje nabijanja kondenzatora priključenih uređaja prije uključenja sklopnika što značajno smanjuje električna kratkotrajna opterećenja sklopnika i poluvodičkih ventila u priključenim uređajima. U minus sabirnicu u Lynx smart BMS-u ugrađen je i mjerni otpornik za mjerenje struje koja ulazi ili izlazi iz baterije. Tako se može računskim putem doći do trenutačnog stanja napunjenosti, brojati cikluse kroz povijest rada, brojati sinkronizacije za stanje napunjenosti 100% i slično. Prateći struju kroz 5 minutne intervale Lynx Smart BMS će zaključiti i o preopterećenju, tj struji većoj od 500 A i ovisno o smjeru struje će isključiti trošila ili punjače svojim upravljačkim signalima.
Foto: Schrack Technik
Lynx smart BMS spaja se na baterije komunikacijskim kabelom, slika 5. Pri tome nije bitan redoslijed komunikacijskog spoja baterija, važno je da su samo sve baterije u komunikacijskom krugu. Sva komunikacijska sučelja pojedinih ćelija u bateriji su tada serijski povezana kako bi ispad na jednoj ćeliji bio primijećen na nadzorniku. Može biti spojeno do 20 baterija u komunikacijsku seriju. Nadzornik ne zna od koje ćelije i iz koje baterije je došla opasna razina koja je izazvala alarm, no za akciju prema punjačima ili trošilima dovoljno mu je da je alarmantno stanje primijećeno, tj. da je stanje ponovno ispravno kad tako i bude kako bi se trošila ili punjači ponovno omogućili za rad.
Lynx smart BMS spaja se na module Lynx sustava koji to podržavaju (nije obavezan spoj!), primjerice modul Lynx distributor, komunikacijskim kabelom s RJ 10 konektorima. Njime se prenose informacije iz Lynx distributor modula prema nadzorniku Lynx smart BMS, a on opet te informacije prosljeđuje u glavno nadzorno računalo sustava, primjerice Cerbo GX ili Color Control. Preko ove komunikacije moguće je nadzornim računalom lokalno ili daljinski nadzirati primjerice rastalne osigurače u modulu Lynx distributor.
Foto: Schrack Technik
Lynx smart BMS spaja se preko 11 stezaljki upravljačkog sučelja s ostatkom sustava. Stezaljke 1 i 2 su stezaljke za napajanje, primjerice upravljačkog računala, ali mogu poslužiti i za prenošenje niske ili visoke razine napona preko beznaponskog kontakta na stezaljkama 3 i 4 (dozvoljeno punjenje – allow to charge, ATC) ili beznaponskog kontakta na stezaljkama 5 i 6 (dozvoljeno pražnjenje – allow to discharge, ATD). Tako se može upravljati punjačima ili trošilima koji zahtijevaju visoku ili nisku razinu signala za omogućavanje rada. Stezaljke 3 i 4, tj. 5 i 6 mogu se koristiti kao beznaponski kontakt za upravljanje uređajima koji za omogućavanje traže samo beznaponski kontakt. Stezaljke 7, 8 i 9 su stezaljke izmjeničnog kontakta releja u nadzornik Lynx smart BMS kojim se može proslijediti alarmno stanje uređaja prema nekom daljinskom sustavu. Stezaljke 10 i 11 služe za daljinsko uključenje i isključenje sklopnika u Lynx smart BMS-u.
Foto: Schrack Technik
Prikupljene informacije u Lynx smart BMS-u prosljeđuju se preko VE.Can sučelja nadređenom računalu, primjerice Color control GX ili Cerbo GX, slika 7. Pro tome je bitno provesti zaključenje VE.Can sabirnice sa zaključnim otpornikom i to na prvoj i zadnjoj jedinici koja se spaja. Zaključni otpornici se isporučuju već ugrađeni u RJ45 konektor kao redovni pribor s Lynx smart BMS-om. Od dva priključna mjesta svejedno je u koje će se mjesto utaknuti spojni kabel, a u koje zaključni otpornik. Napajanje nadzornog računala primjerice Color control GX ili Cerbo GX izvodi se izravno sa stezaljke 1 i 2 uz odgovarajući rastalni osigurač koji dolazi kao redovni pribor uz nadzorno računalo.
Foto: Schrack Technik
U radu prva indikacija je vidljiva preko dva LED pokazivača, status i Bluetooth, slika 8. Prilikom puštanja u pogon moguće je parametriranje uređaja preko VictronConnect aplikacije na pametnom telefonu i ugrađenog Bluetooth sučelja u Lynx smart BMS-u. Prilikom puštanja u pogon preko aplikacije VictronConnect obavezno je osvježiti tvornički program na najnoviju dostupnu inačicu. Lynx smart BMS se parametrira slično kao nadzornik baterije BMV 712 smart. Namjerno ne dajemo popis podešenih parametara jer ovo je „poglavlje gdje se ne prepisuje“ već treba pročitati upute i pogledati starije članke serijala o LFP baterijama.
Foto: Schrack Technik
Lynx smart BMS u plovilu MALO VITRA
Fotonaponski moduli su spojeni preko sigurnosnog releja na regulator punjenja baterije MPPT Smart Solar prema pravilima skupine gdje se zahtjeva da se pritiskom na gljivu mogu isključiti moduli iz instalacije, slika 9. Regulator punjenja spojen je na sabirnički modul Lynx power in. DC/DC pretvarač služi za prilagodbu naponske razine s 48 V na 12 V za napajanje kaljužne pumpe i svih ostalih 12 V trošila. Plovilo se daljinski nadzire na besplatnom Victron Remote Management mrežnom portalu, preko GSM modema i nadzornog računala Cerbo GX koje skuplja sve informacije sustava. Tu je i GPS antena za daljinsko praćenje putanje plovila.
Foto: Schrack Technik
Osnovu sustava čine 2 LFP baterije svaka po 200 Ah i 25,6 V. Baterije su spojene preko informacijskih kabela na uređaj za nadzor baterija Lynx Smart BMS. BMS uređaj štiti bateriju od predubokog pražnjenja ili prekomjernog punjenja na razini ćelija baterije. U prvoj razini zaštite Lynx Smart BMS beznaponskim kontaktom ATD može isključiti DC/DC pretvarač i sva pripadna trošila, a preko DVCC funkcije postavljene u nadzornom računalu Cerbo GX i regulator punjenja MPPT smart solar. U drugoj razini zaštite, zaštitno se isključuje punjenje ili pražnjenje baterije ugrađenim sklopnikom u plus vodu BMS-a. U minus vodu Lynx Smart BMS-a ugrađeni mjerni otpornik mjeri ukupnu struju koja ulazi ili izlazi iz baterije. Upravljanje sklopnikom Lynx smart BMS-a moguće je daljinski bez naponskim kontaktom. Ovo je poslužilo za ispunjenje pravila skupine da se baterija mora moći isključiti pritiskom na tipkalo. Između baterije i Lynx Smart BMS-a nalazi se rastalni osigurač 250 A tipa Class T koji ima dovoljnu prekidnu moć za struje kratkog spoja i do 22 kA. Slika 10 prikazuje detalj otvorenog kućišta Lynx Smart BMS-a i smještaj opreme u vodonepropusne kutije unutar kokpita.
Foto: Schrack Technik
Zaključak
Rad na projektu MALO VITRA zbog silnog entuzijazma mladih ljudi u projektu (Ljubomir Pozder, Damir Lukšić, Stefano Beaković i Martin Mozetič) potaknuo nas je na iskorak u primjeni Lynx smart BMS-a. Propozicije natjecanja tražile su isključenje baterije pritiskom na tipkalo i djelovanjem na elektromehanički sklopnik. A upravo to ima Lynx smart BMS u sebi! Ovaj BMS očekivano upravlja uključenjem i isključenjem trošila i punjača u prvoj razini zaštite, a onda ako prva razine zaštite nije očekivano uspješna, zaštita se provodi drugom razinom tj isključenjem sklopnika!
Tekst je nastao u Schrack Technik d.o.o., a moguća pitanja naslovite na [email protected]
Prethodni nastavak iz serijala pročitajte ovdje:
Prikaz dva solarna plovila s elektromotornim pogonom u sustavu propulzije
