Konstrukcija olovnih baterija, uz dužno poštovanje poneke inovacije, stara je i preko 100 godina. U ovom prikazu pokušat će se, bez ulaska u teoriju, spoznati bitne razlike olovnih i Li-ion baterija. Cilj je moći dokučiti zašto upotrijebiti ove “nove” baterije, a ne “klasične” olovne baterije. Upoznat će se zašto se mora i kako se može zaštiti Li-ion baterija u radu.
piše: Josip Zdenković | direktor Schrack Technik d.o.o. | [email protected]
Foto: Schrack Technik
Prva istraživanja s litijskim baterijama su započela 1912. No tek ne tako davne 1991. godine pojavljuju se prve serije japanskih mobilnih telefona s litijskim baterijama koje su na kraju bile povučene zbog opasnosti od plinjenja i u konačnici eksplozije u korisničko lice…Tada se s Litija prešlo u generaciju Li-ion baterija. Slično kao i kod olovnih baterija Li-ion baterija koristi katodu (pozitivni pol) i anodu (negativni pol) i vodljivi elektrolit. Katoda je litijev metalni oksid, a anoda porozni ugljik. Za vrijeme pražnjenja anoda u procesu oksidacije predaje elektrone u strujni krug, dok katoda u redukcijskom procesu prihvaća elektrone iz strujnog kruga. U elektrolitu struju prenose ioni Litija. Za vrijeme punjenja proces je obrnut.
Opće značajke Li-ion baterija
Baterija u fotonaponskom sustavu napajanja kuće ili baterija opće namjene za napajanje trošila na plovilu ili vozilu mora biti sposobna iscrpiti se skoro do kraja i potom se opet napuniti do kraja. I tako u tisućama ciklusa.
Foto: Schrack Technik
Na slici 1. je ukazano na činjenicu da se zbog održavanje dugog životnog vijeka olovna baterija smije prazniti samo do približno polovice svog kapaciteta, dok se Li-ion baterija smije prazniti skroz do kraja svog kapaciteta. To znači da se u usporedbi s olovnom baterijom iz Li-ion baterije može crpiti više energije u jednom ciklusu pražnjenja uz isti nazivni kapacitet baterije, odnosno početno jednako napunjene baterije.
Foto: Schrack Technik
Na slici 2. je prikazan slučaj u kojem se želi iz baterije napajati 2 kW trošilo kroz 10 h što znači da će se iz baterije iscrpiti 20 kWh energije. Za to treba pri 48 V naponu baterije cca 400 Ah Li-ion baterija (50 V x 400 Ah = 20 kWh) jer se Li-ion baterije smiju prazniti do kraja. Ako bi se za istu energiju pražnjenja od 20 kWh upotrijebila olovna baterija, onda se uz pretpostavku pražnjenja olovne baterije samo do 50% kapaciteta zbog u očuvanja životnog vijeka baterije, mora koristiti olovna baterija 48 V 800 Ah. Za istu raspoloživu energiju od 20 kWh Li-ion baterija ima četiri puta manju masu (Li-ion 336 kg, a olovna baterija 1360 kg).
Zavisnost kapaciteta o struji pražnjenja
Ovo vrijedi samo ako se olovna baterija prazni nazivnim pražnjenjem. Ali u otočnim fotonaponskim sustavima teško je točno predvidjeti struju pražnjenja! Što ako se baterija prazni “nenazivnom” strujom pražnjenja?
Foto: Schrack Technik
Slika 3. prikazuje smanjenje kapaciteta baterije zavisno o struji pražnjenja. Za primjer se uzima olovna baterija nazivnih podataka 100 Ah 12 V C20. Baterija osim kapaciteta izraženog u Ah i napona izraženog u V ima još i oznaku C20. Broj 20 je vrijeme izraženo u satima za koje će se predati sva energija iz baterije. Ako je time definirano vrijeme onda je uz nazivni kapacitet određena i struja pražnjenja. Ova konkretna baterija se može prazniti 20 h s 5 A (20 h x 5 A = 100 Ah). Struja pražnjenja je dale kapacitet baterije podijeljen s brojem iza slova C, konkretno 100 Ah / 20 = 5 A. Kaže se da se baterija prazni s 0.05C ( konkretno C / 20 = 0,05C ). I to su sve do sada nazivni podaci baterije. Ako se konkretna baterija iz primjera prazni strujom tako da se sav kapacitet iscrpi za 10h, tada kažemo da se baterija prazni s 0,1C. Za konkretnu bateriju 0,1C = 0,1 x 100 = 10A. No baterija iz primjera od nazivnih 12 V 100 Ah C20 pri struji pražnjenja 0,1C zbog fizikalnih procesa u sebi, može dati samo 73% kapaciteta tj. ona ima realno iskoristivi kapacitet od 73 Ah, dakle bez obzira na to što piše na njezinoj natpisnoj pločici 100 Ah! Ako tu istu bateriju praznimo s 1C, dakle u konkretnom slučaju sa 100 A, tada ona realno ima samo 26 Ah tj. 26% nazivnog kapaciteta. Ako tu istu bateriju praznimo s 5C dakle u konkretnom slučaju s 500 A, tada ona može dati samo 8 % nazivnog kapaciteta, tj. samo 8 Ah. Olovnoj bateriji koja je 100% napunjena stvarni kapacitet nelinearno zavisi o razini struje pražnjenja. Ova nelinearnost karakterizirana je tzv. Peukertovim koeficijentom – no u to se objašnjenje ovdje neće upuštati.
Kako se pri različitim strujama pražnjenja ponaša Li-ion baterija?
Foto: Schrack Technik
Na slici 4. se uočava minimalna zavisnost kapaciteta LI-ion baterije o struji pražnjenja. To je vrlo važna karakteristika. Pri pražnjenju strujom 100 A Li-ion baterija kapaciteta 100 Ah će imati stvarni kapacitet od 102 Ah pa će 100A tako moći davati stvarnih 1,02 h. Olovna baterija nazivnih podataka 100 Ah C20 pri pražnjenju sa 100 A će imati stvarni kapacitet od svega 26 Ah i 100 A će moći davati tek 26 Ah / 100 A = 15 min. Dakle početno napunjena Li-ion baterija daje 100 A kroz 1,02 h, a isto tako napunjena olovna baterija daje 100 A kroz svega 15 min.
U svjetlu ove spoznaje da se kapacitet olovne baterije smanjuje pri povećanju struje pražnjenja, a Li-ion baterije se skoro ne mijenja, uočimo da je vaga na slici 2. prikazana za nazivni intenzitet pražnjenja baterija. Ako se očekuje pražnjenje s većim strujama baterija, tada masa potrebne olovne baterije opasno dodatno raste i evo još jednog argumenta za korištenje Li-ion baterije!
Foto: Schrack Technik
Osim upravo opisane zavisnosti kapaciteta baterije o struji praženjenja baterije slika 5. pokazuje i zavisnost napona baterije o struji pražnjenja baterije. Li-ion baterija je tako „krući“ izvor napona u odnosu na olovnu bateriju jer ima manji unutarnji otpor i time slijedno manji pad napona na unutarnjem otporu pri toku struje! LFP baterije imaju izuzetno niski unutarnji otpor što rezultira malom promjenom napona baterije u širokom rasponu struje koja izlazi iz baterije.
Efikasnost punjenja
Do sada su uspoređene tipične razlike u ponašanju baterija s obzirom na pražnjenje. Slijedi usporedba s obzirom na punjenje, slika 6.
Foto: Schrack Technik
Olovna baterija u ispražnjenom stanju prima 98% privedene energije, dakle samo mali dio se pretvara u nekorisnu toplinu. Kako se baterija približava stanju napunjenosti 80% sve više energije se pretvara u nepotrebnu toplinu pa se tako svega 75% privedene energije može pospremiti u bateriju. Pri kraju samog procesa punjenja svega 5% privedene energije se može pohraniti u bateriju. Kako se proces punjenja olovnih baterija u otočnim sustavima uglavnom provodi od 50% kapaciteta do 100% (jer dublje pražnjenje od 50% skraćuje životni vijek) često se navodi kako je efikasnost punjenja samo 75%. Isto se može reći i na drugi način: ako se olovna baterija prazni „n“ sati s 0,15C strujom onda će se morati puniti „1,33 n“ sati tom istom strujom 0,15C.
Za Li-ion bateriju je efikasnost u cijelom procesu punjenja 98%. Li-ion baterija ne zahtijeva fino i precizno nadopunjavanje na kraju procesa punjenja koje je izrazito neefikasno kod olovne baterije. Li-ion baterija se može cijelo vrijeme punjenja puniti istom strujom. To znači da ćemo potrebnu energiju u Li-ion bateriju realno „brže“ pospremiti nego u olovnu bateriju!
Foto: Schrack Technik
Na slici 7. prikazan je dio realnog sustava koji baterije puni iz generatora. Punjenje obje baterije se provodi s 210 A pri 25 V dakle snagom od cca 5,3 kW kroz 1,4 h pri čemu je generator optimalno opterećen jer je u nazivnom opterećenju. Obje baterije dobiju iz generatora u tom vremenu 7,2 kWh energije. Li-ion baterija je nakon tog vremena i napunjenja, a olovna se treba još skoro sljedeća 4 sata nadopunjavati uz sve manju snagu generatora, a da bi i u nju nakon skoro 5,4 h bilo zaista i pospremljeno 7,2 kWh električne energije. Tu se najbolje vidi razlika od skoro 12 l goriva i dodatna 4 h rada generatora za pospremanje u olovnu bateriju iste količine energije. Na godišnjoj razini, uz pretpostavku od jednog ciklusa punjenja i pražnjenja na dan, radi se o razlici od cca 4000 l goriva i 1500 h rada generatora! Li-ion baterija je robusna i vrlo efikasna u pospremanju energije jer prima energiju u istom intenzitetu kroz cijelo vrijeme punjenja, dok klasična olovna je to „nježnija“ i manje efikasna što je bliže napunjenom stanju.
Foto: Schrack Technik
Na slici 8. prikazana su dva otočna fotonaponska sustava u kojem oba imaju isti zahtjev sa strane trošila za 20 kWh energije dnevno. Zbog manje efikasnosti prihvata energije u olovne akumulatore uočava se kako je potrebno povećati proizvodnju fotonaponskog polja i to za cca 30%. Povećanje proizvodnje fotonaponskog polja može se realno realizirati jedino povećanjem broja fotonaponskih modula. U sustavu s olovnom baterijom se mora osigurati proizvodnja 39 kWh energije iz fotonaponskog polja da bi se moglo trošiti 20 kWh. U sustavu s Li-ion baterijom se mora osigurati 29 kWh iz fotonaponskog polja da bi se moglo trošiti istih 20 kWh. Razlika je 10 kWh dnevno, što se u grubo može prevesti uz ljetnu proizvodnju od 4 kWh / kWp na dodatnih 2,5 kWp fotonaponskih modula. Ti se moduli moraju i povezati i montirati, dakle potreban je i kabel i montažni materijal, ali i odgovarajući jači ulaz regulatora punjenja. Dakle i ovo je argument u korist Li-ion baterija. Primjenom Li-ion baterija komponente sustava se mogu optimirati i nije potrebno povećavati fotonaponsko polje za proizvodnju energije koja se mora proizvesti, a ne može se korisno pohraniti u olovnu bateriju!
Broj ciklusa
Važno je uočiti da Li-ion tehnologija omogućava 2 do 4 puta veći broj ciklusa pražnjenja i punjenja kako je prikazano na slici 9.
Foto: Schrack Technik
Pri usporedbi valja imati u vidu kako se olovna baterija smije prazniti samo do 50% kapaciteta zbog održanja što većeg broj ciklusa u životnom vijeku olovne baterije, dok se Li-ion baterija smije prazniti praktički skroz do kraja, dakle na raspolaganju je 100% kapaciteta Li-ion baterije. Do sada je zaključeno:
- U primjeni olovne baterije mora se uzeti dvostruki kapacitet u odnosu na Li-ion baterije, kako bi se olovne praznile samo do 50%. To će rezultirati četverostrukom masom olovnih baterija u odnosu na Li-ion baterije.
- Olovne baterije će trajati u najboljem slučaju pola vijeka trajanja Li-ion baterija, a vjerojatno tek četvrtinu vijeka Li-ion baterija.
Nastavno će se pokušati „financijski odvagnuti“ baterije kroz ova dva zaključka. Slika 10. gore, gdje se uspoređuje dvije baterije istoga napona i kapaciteta, može dovesti na brzi zaključak da se Li-ion baterije ne isplate. Li-ion baterija je 5 puta skuplja od olovne istoga napona i kapaciteta! To je istina!
Foto: Schrack Technik
Slika 10. dolje uspoređuje dvije baterije, ali tako da one daju isti broj ciklusa i da one daju istu energiju trošilima po ciklusu. Dakle dvije olovne AGM baterije sa slike 10. gore se moraju udvostručiti na 4 baterije zbog toga što se olovnu AGM bateriju smije prazniti samo do 50% kapaciteta. Dalje, kako bi se ostvario isti broj ciklusa (2000 ciklusa) mora se predvidjeti ukupno 4 seta AGM baterija. I zato u ovoj usporedbi po energiji koja je na raspolaganju trošilima tek 16 AGM baterija je ravnopravno jednoj Li-ion bateriji! Sada jezičac financijske vage jasno preteže u korist Li-ion baterije. Usporedi li se masa ovih po energiji ravnopravnih baterija, tada Li-ion baterija ima 55 kg, a olovna baterija čak 1040 kg. Može se reći da je ista količina energije koja se dostavlja trošilima 1040 / 55 = 19 puta bolje pakirana u Li-ion baterijama! Slikom 10. se argumentirano raščišćava ekonomska strana primjene Li-ion baterije i „posprema“ olovna baterija u povijest kamo zapravo i pripada. Uz Li-ion baterije i upravo opisano razmišljanje se zaista mora zapitati da li smo dovoljno bogati kupovati i dalje olovne baterije u sustavima s dubokim pražnjenjima?
Gustoća pohrane energije
Danas poznati i istraženi tipovi Li-ion baterije se nazivaju prema materijalu iz kojeg je izrađena katoda, dok je anoda u svim ovim tipovima od grafita. Oni se razlikuju po količini energije koja se može spremiti u kg baterije. Zašto se komercijalno ne koriste samo baterije s najvećom gustoćom tj s 250 Wh/kg? Li-ion baterije su osjetljive na prepunjivanje i pretjerano pražnjenje pa je u smislu sigurnosti danas najsigurniji tip LiFePO4 litij-željezo-fosfat baterija, skraćeno: LFP baterija. Sve ostale baterije su zapravo još u istraživačkim laboratorijima gdje se rješavaju još otvoreni tehnološki zadaci. U nastavku bavit će se stoga isključivo komercijalno dobavljivim i tehnički sigurnim LFP baterijama.
Foto: Schrack Technik
Nadzor LFP baterije u radu
Napon osnovne ćelije LFP baterije je 3,2 V. Napon osnovne ćelije olovne baterije je bio 2 V. Spajanjem 4 ćelije u seriju dobiva se nazivno 12,8 V baterija, a spajanjem 8 ćelija u seriju dobiva se nazivno 25,6 V baterija. Ako napon na ćeliji padne ispod 2,5 V u većini slučajeva ćelija će se nepovratno razoriti. Može se pokušati „oživljavanje“ takve ćelije punjenjem malom strujom od 0,1C. Isto će se dogoditi i ako napon na ćeliji preraste 4,2 V. Posebno opasan je previsok napon na ćeliji koji može u konačnici izazvati eksploziju. Važno je znati da se u procesu punjenja ne događa samoujednačavanje ćelija i da ćelije nisu nikada proizvodno potpuno jednake pa je moguće da neka ćelija bude prepunjena, odnosno uništena iako je napon punjenja za cijelu bateriju u zadanim granicama. Stoga LFP baterije moraju imati uređaj za nadzor stanja ćelija s ujednačavanjem stanja napunjenosti ćelija jer on će voditi računa o svakoj ćeliji posebno za vrijeme punjenja, tj da je svaka ćelija uvijek u granicama dozvoljenog napona, odnosno vodit će računa o ćelijama za vrijeme pražnjenja, tj dati će nalog za odspajanje trošila ako bi napon pao na nekoj ćeliji ispod dozvoljenog. LFP baterije su jednostavnije za punjenje od olovnih baterija. Napon punjenja može varirati od 14 do 15 V, odnosno od 28 do 30 V.
Za olovnu bateriju vrijedi da će ona ubrzano stariti kroz neželjeni proces nepovratne sulfatizacije ako se ne puni redovito (najmanje jednom mjesečno) do punog kapaciteta, odnosno ako ostane polovično napunjena kroz neko dulje vrijeme (preko mjesec dana!). LFP baterije ne moraju biti napunjene do kraja i to je njihova prednost. Čak i u dugotrajnom stanju polunapunjenosti ne gube kapacitet kao što je slučaj s olovnim baterijama. LFP baterije mogu davati energiju u širokom rasponu temperatura od -20 °C do + 50 °C, no puniti ih se smije samo pri temperaturi višoj od 5 °C na više. Kako LFP baterije ne moraju za održavanje svoga zdravlja biti napunjene do kraja, tako pri spajanju u paralelu neće doći do ubrzanog starenja ako neka baterija u paralelnom slogu ili serijskom slogu trajno bude slabije napunjena od druge! Pri spajanju olovnih baterija u paralelu posebno se pazi da priključni kabeli do punjača budu jednakog otpora kako neka baterija ne bi trajno ostajala slabije napunjena čime bi s vremenom izgubila kapacitet, tj ubrzano starila. Isto pravilo vrijedi i ovdje, ali ipak nešto manje kritično jer LFP baterija koja nije redovno napunjena do kraja ne stari ubrzano!
LFP baterije moraju imati uređaj za nadzor stanja baterije (engl. battery management system, kratica: BMS uređaj). BMS uređaj vodi računa o svakoj ćeliji posebno za vrijeme punjenja kako bi u procesu punjenja i pražnjenja svaka ćelija bila uvijek u dozvoljenim granicama napona. Ako bi pri punjenju napon neke ćelije porastao preko dozvoljene granice, BMS uređaj će dati signal za isključenje punjenja baterija i tako spriječiti razaranje ćelije, odnosno uništenje baterije. BMS uređaj će voditi računa i prilikom pražnjenja baterije, tj dat će nalog za odspajanje trošila ako bi napon pao na nekoj ćeliji ispod razine dozvoljenog. U samoj bateriji se uz svaku ćeliju nalazi sklop za ujednačavanje napona ćelije koji osim funkcije ujednačavanja napona stalno mjeri napon i temperaturu pojedine ćelije. Sklop za ujednačavanje napona ćelija u samoj bateriji vodi računa da one ćelije koje se pune „brže“ pričekaju one koje se pune „sporije“. Sve kako bi se na kraju punjenja sve ćelije ujednačile naponom do razlike od 10 mV. Kako se to radi? One ćelije koje imaju previsoki napon pri kraju punjenja dopunjavaju one ćelije koje imaju preniski napon.
Foto: Schrack Technik
Na slici 12. se vidi da LFP baterija osim energetskih priključaka ima još i informacijske priključke. BMS uređaj preko ovih informacijskih priključaka komunicira s elektronskim sklopom za ujednačavanje napona ćelija u samoj bateriji i prati stanje svake ćelije. BMS može tako proizvesti signal za odspajanje tereta ako je neka ćelija ispod 2,5 V, odnosno proizvesti signal za zaustavljanje punjenja ako je neka ćelija preko 4,2V. Prati se i mjeri temperatura svake ćelije pa se tako dopušta rad samo dok je temperatura u nekoj ćeliji ispod 50 °C . Ako je pri punjenju baterije temperatura baterije manja od 5 °C tada BMS stvara signal za prekid punjenja. Tako opremljene baterije se mogu spajati u seriju do 4 komada i u paralelu do 10 komada. Razumijevajući upravo rečeno za uočiti je i kako se nove tvorničke baterije prije spajanja u serijsko paralelne kombinacije moraju napuniti samostalno do kraja, jer iz tvornice isporučuju napunjene s otprilike 50 % kapaciteta i s neujednačenim ćelijama. Samo tako omogućit će se odmah pri startu puni kapaciteta sloga baterija sastavljenog iz serijskih i paralelno spojenih baterija. Punjenje novih baterija se izvodi uz napon 14,2 V i uz struju ne veću od C/20 (1/20 kapaciteta baterije).
Preporučeni napon punjenja je 14 do 14,4 V (optimalno 14,2 V). Preporučeni napon mirovanja, dakle kada baterija nema niti ulaza niti izlaza struje je 13,5 V. Baterije bi bilo dobro jednom mjesečno puniti s 14 do 14,4 V kako bi se ćelije pouzdano ujednačile. Preporučena ustaljena struja pražnjenja je do 1C, a ustaljena struja punjenja do 0,5 C.
Važno je za uočiti da će BMS uređaj za nadzor baterije isključiti trošila prije razaranja baterije no gotovo u svakoj primjeni odlučit će se da neki uređaji ostaju trajno spojeni na bateriju – primjer za to je sam BMS. Nakon što je BMS detektirao razinu preniskog napona i odradio isključenje trošila, tada se iz baterije do njena uništenja smije izvući još svega 1% kapaciteta (1 Ah za 100 Ah bateriju). Trošilo koje troši 10 mA iz baterije 200 Ah može tako ostati priključeno još samo 8 dana prije nego što će 10 mA struja uništiti skupocjenu bateriju.
LFP baterije imaju ugrađeno Bluetooth sučelje pa je moguće preko pametnog telefona pratiti stvarno stanje svake ćelije, slika 13.
Foto: Schrack Technik
BMS 12/200
Na slici 14. je prikazan najjednostavniji sustav za nadzor stanja LFP baterije: BMS12/200.
Foto: Schrack Technik
BMS12/200 sustav ima dva energetska priključka: AB priključak (engl. alternator-battery) prikazan na slici 15. i LB priključak (engl. load-battery) prikazan na slici 16.
Foto: Schrack Technik
Osnovna zadaća AB priključka je da spriječi pražnjenje startne baterije od strane LFP baterije, DC ili AC trošila. Struja može iz alternatora teći samo prema LFP bateriji i to samo ako je napon na startnoj bateriji veći od 13 V. Struja ne može teći od strane LFP baterije prema startnoj bateriji osiguravajući tako LFP bateriju od pražnjenja u nastojanju da LFP baterija napuni startnu bateriju. Preveliki ulazni vrhovi napona u prijelaznim pojavama rada alternatora su spušteni na dozvoljenu razinu za LFP bateriju. Struja punjenja LFP baterije iz alternatora se ograničava elektronički pomoću osigurača na AB ulazu. Osigurač na AB ulazu služi i kao mjerni otpornik! Osigurač od 60 A će tako limitirati struju punjenja iz alternatora na 40 A. Maksimalno dozvoljeni osigurač je 100 A, što ograničava struju punjenja LFP baterije na 90 A. Izbor ispravnog osigurača na AB priključku će zaštiti LFP bateriju od prevelike struje punjenja što je izuzetno važno za LFP baterije malog kapaciteta. Osiguračem na AB ulazu će biti zaštićen i alternator od preopterećenja u slučaju LFP baterije velikog kapaciteta; većina alternatora će pregorjeti ako dulje od 15 minuta radi na svojoj maksimalnoj struji. Osiguračem na AB ulazu štiti se i instalacija od preopterećenja, dakle od topljenja izolacije kabela. Struja punjenja iz alternatora se dodatno ograničava na sigurnu razinu u slučaju neujednačenosti stanja ćelija ili prekotemperature ćelija. Tanki crni vodiči prikazuju spoj informacijskog kabela preko kojega BMS dobiva informacije o pojedinim ćelijama priključenih baterija. Do 10 baterija se može spojiti u paralelu. Umjesto alternatora na AB ulazu može biti spojen i poseban punjač baterija.
Foto: Schrack Technik
LB priključak BMS12/200 sustava za nadzor LFP baterija može provoditi do 200 A u oba smjera trajno. To znači da se preko LB priključka LFP baterija može i puniti i prazniti. Najviša razina struje pražnjenja LFP baterije preko LB priključka je ograničena elektronički na 400 A. Osigurač na LB priključku (do 200 A) treba biti određen prema trošilima, odnosno presjeku ožičenja trošila. Pražnjenje baterije preko trošila se obustavlja u trenutku kada napon najslabije ćelije padne ispod 3V. Struja punjenja preko LB priključka se smanjuje i održava na sigurnoj razini ako se prijeđe razina neujednačenosti ćelija ili se dogodi prekotemperatura u nekoj ćeliji.
Foto: Schrack Technik
Na slikama 15.16. i 17. se primjećuje kako minus pol LFP baterije nije povezan na masu. Ako istosmjerna trošila na 12 V koriste masu kao vodič, onda se LFP baterija spaja s DC/DC pretvaračem 12 V / 12 V za napajanje DC trošila koji mora imati galvansko odvajanje ulaza od izlaza. Izlaz DC/DC pretvarača osigurava trošilima stabilan DC napon i njegov minus se smije spojiti na masu. Primjećuje se i kako je BMS spojen s masom samo na AB priključku. BMS također omogućava isklop trošila sustava preko upravljačkog ulaza odnosno upravljačke sklopke. Iako se trošila isklapaju komandom preko upravljačkog ulaza, još uvijek je moguće i preko AB i preko LB priključka punjenje baterije. Otvaranjem upravljačkog ulaza onemogućeno je jedino pražnjenje LFP baterije preko trošila na LB priključku.
I konačno na taj sustav je moguće je priključiti već u ranijim nastavcima serije opisani MPPT 75/15 regulator punjenja s fotonaponskim modulima. Kako to izgleda vidljivo je na slici 18. Podsjetimo, MPPT 75/15 regulator punjenja ima već u sebi osigurač prema bateriji tako da se vrlo jednostavno priključuje u sustav. Po želji može se u sustav dodati i nadzornik baterija BMV 712. Kako se on spaja izravno na LFP bateriju tako predstavlja opterećenje za LFP bateriju i kada BMS odspoji trošila na LB priključku. Stoga je potrebno voditi računa kako mala potrošnja nadzornika BMV 712 ne bi uništila kroz nekoliko dana već i tako potpuno ispražnjenu LFP bateriju…
Foto: Schrack Technik
Što može ovaj sustav?
Sa strujom alternatora do maksimalno 80 A može se optimalno puniti baterija LFP baterija do 200 Ah. Preporučena struja punjenja LFP baterije pod nadzorom BMS-a je manja ili jednaka 0,5C. To znači da se bateriju od 200 Ah preporučuje puniti s najviše 100 A. Preporučena struja pražnjenja je do 1C, dakle za bateriju 200 Ah to je do 200 A. Na bateriju 200 Ah se može priključiti izmjenjivač snage do cca 2000 VA. Pri dimenzioniranju izmjenjivača to je granična vrijednost snage za ovaj BMS i ona mora biti odgovarajuće manja ako se istovremeno očekuje i snaga DC potrošnje. LFP baterija 200 Ah pod nadzorom BMS-a se može prazniti maksimalno s 500 A vršno, dakle gotovo se ne mora voditi računa o vršnoj struji pražnjenja kraćega trajanja. Mora se voditi računa samo o kapacitetu baterije i koliko dugo će trošila dobivati energiju pri projektiranoj trajnoj struji pražnjenja. FN modul od 250 Wp će u prosječnom ljetnom danu uspjeti pospremiti cca 1 kWh energije u bateriju. U bateriji 200 Ah je spremljeno cca 2,4 kWh energije. Dakle u ovom sustavu bismo mogli po potrebi priključiti još jedan do dva MPPT 75/15 regulatora, svaki sa svojim modulom i tako bi nam se LFP baterija mogla gotovo potpuno puniti iz FN modula, praktički bez potrebe punjenja iz alternatora.
Ovaj upravo opisani jednostavni sustav ipak ima svoja ograničenja. Osnovno mu je ograničenje primjena samo 12,8V baterija i s time povezana ipak u konačnici mala snaga sustava. Za veće sustave potrebno je LFP baterije spojiti u seriju kako bi se dobio viši napon i naravno po potrebi u paralelu kako bi se dobio viši kapacitet.
Mini BMS
U nastavku će se upoznati Mini BMS uređaj za nadzor LFP baterija, slika 19. Iako se njime ne može upravljati bidirekcijskim pretvaračima generacije Multiplus ili Quatro, ipak, jer uređaj košta svega 350 kn, vrijedan je pažnje i proučavanja kakve sustave oko LFP baterija se s njime može ostvariti!
Foto: Schrack Technik
Mini BMS ima dva M8 priključka za povezivanje s LFP baterijom/baterijama preko kojih komunicira s elektroničkim sklopovima povezanim uz svaku pojedinu ćeliju u bateriji, prateći tako njezino stanje napona i temperature. Ako je spojeno više baterija u slog, bilo serijski, bilo paralelno, bilo i serijski i paralelno, tada je potrebno bez posebno zadanog redoslijeda serijski povezati sve komunikacijske priključke LFP baterija u jedan krug koji počinje i završava na Mini BMS-u.
Mini BMS ima dva upravljačka izlaza:
– Load : izlaz za isključenje trošila. Ovaj izlaz je uobičajeno visoko, a postaje otvoren u slučaju pretjeranog pražnjenja, odnosno približavanja donjoj dopuštenoj naponskoj razini napona ćelija u bateriji. Maksimalna struja ovog izlaza je 1 A i izlaz nije osiguran od kratkog spoja. Ovaj izlaz može biti korišten za:
- upravljanje relejom koji će isključiti trošilo,
- upravljanje „remote on/off“ ulazom elektroničke sklopke za zaštitu baterija (engl. Battery protect (elektroničkoj sklopci),
- upravljanje „remote on/off“ ulazom izmjenjivača ili DC/DC pretvarača.
– Charger : izlaz za isključenje punjača. I ovaj izlaz je uobičajeno visoko, a postaje otvoren u slučaju pretjeranog punjenja, odnosno približavanja gornjoj dopuštenoj naponskoj razini napona ćelija u bateriji ili približavanja temperaturnoj granici ćelija. Maksimalna struja ovog izlaza je 10 mA. Charger izlaz nije pogodan za napajanje induktivnog tereta poput zavojnice releja! Ovaj izlaz može upravljati:
- „remote on/off“ ulazom punjača
- upravljačkim ulazom Cyrix-Li-charge releja
- upravljačkim ulazom Cyrix-Li-ct releja.
Mini BMS ima i dva upravljačka ulaza: Remote L i Remote H. Preko ova dva ulaza može se proizvesti interni nalog u Mini BMS-u za uključivanje ili isključivanje sustava, takozvani System on/off nalog. System on/off nalog pak djeluje na izlaze Charger i Load tako da ih može oba isključiti, tj odspojiti s visoke razine. To je zapravo nalog da se isključi i punjenje i pražnjenje baterije na uređajima koji pune i prazne bateriju! Remote L i Remote H se mogu iskoristiti tako da se između njih postavi sklopka ili se može samo Remote H spojiti sklopkom na + sustava, ili se pak Remote L može spojiti samo sklopkom na – sustava. U sva tri slučaja, a izabirete naravno samo jedan, rezultat je isti: postavlja se interni nalog Mini BMS-a System on/off kojim se može isključiti i punjenje i pražnjenje baterije.
Mini BMS ima dva LED pokazivača:
- Load ON (plavi): Load izlaz Mini BMS-a je visoko (napon ćelija >2.8 V), tereti se napajaju iz baterije
- Temp or OVP (crveni): Charger izlaz Mini BMS-a je otvoren (zbog temperature neke ćelije > 50 °C ili temperature neke ćelije < 5 °C ili pak previsoke razine napona neke ćelije).
I ovdje treba napomenuti da kada Mini BMS odspoji preko svojeg izlaza trošila u sustavu, tada u primjerice 100 Ah LFP bateriji ostaje još svega 1 Ah prije njezinog nepovratnog uništenja. Ako su na bateriju spojeni izravno i nekontrolirano neki, pa i najmanji potrošači, baterija se može uništiti iako je BMS odradio nalog za isključenje velikih trošila i velika trošila su po tom nalogu bila isključena. Struja od 10 mA može tako uništiti 200 Ah LFP bateriju ako tih 10 mA ostane neisključeno kroz 8 dana od prorade Load izlaza Mini BMS-a!
Mini BMS je predviđen za napajanje od 8 do 70 V DC. Kada je izlaz Load aktiviran, tj postaje otvoren i time je dan nalog trošilima da se isključe, tada Mini BMS uzima svega 2 mA iz baterije. Kada je sustav, a time i Mini BMS, isključen preko Remote L i / ili Remote H ulaza on još uvijek troši 1,5 mA iz baterije. Ovo treba imati u vidu kroz činjenicu da ako imamo 200 Ah LFP bateriju i mini BMS kao jedino izravno spojeno trošilo tada je baterija u opasnosti uništenja cca nakon cca 40 dana po proradi izlaza Load unatoč činjenici da su velika trošila u tom periodu od 40 dana isključena!
Isključenje DC trošila preko izlaza Load.
Oni vještiji elektronici će sada prepoznati zašto Load izlaz pri proradi ostaje otvoren, dakle po odspajanju s visoke razine nije pritegnut na nisku razinu. To je upravo zbog smanjenja struje iz baterije u slučaju da je napon neke ćelije već prenizak i da je izdan nalog za odspajanje trošila!
DC trošila koja imaju remote on/off ulaz koji aktivira trošila kada je ulaz visoko i koji isključuje trošilo kada je ulaz otvoren, mogu biti izravno upravljana s Mini BMS izlazom Load, slika 20.
Foto: Schrack Technik
DC trošila koja imaju „remote on/off“ ulaz koji uključuje trošila kada je ulaz nisko i koji isključuje trošilo kada je ulaz visoko isto mogu biti izravno upravljana s Mini BMS izlazom, ali uz korištenje invertirajućeg remote on/off kabela, slika 21. Na ovoj slici uočava se kako je spojen i nadzorni panel Color control GX preko izlaza Load koji ima dozvoljeno strujno opterećenje od 1A. Mana ovog spoja je što po isključivanju trošila gubimo i daljinski nadzor preko nadzornog panela Color control GX. Ali primijetimo da su i Mini BMS i nadzornik baterija BMV 700 spojeni trajno na LFP bateriju. No Color control je ipak malo značajniji potrošač energije, na 48 V troši 40 mA i zato ga upravo želimo isključiti ako je napon baterije prenizak i prijeti razaranje baterije.
Foto: Schrack Technik
Isključenje DC trošila preko izlaza Load i Battery protect uređaja
Kada se koristi uređaj Battery protect za zaštitu baterije od pretjeranog pražnjenja kao upravljana elektronička sklopka za isključenje trošila, tada će se trošila isključiti kada napon baterije padne ispod dopuštene razine ili kada remote on/off ulaz uređaja Battery protect postane otvoren. Mini BMS može stoga preko izlaza Load izravno upravljati ulazom remote on/of uređaja Battery protect, slika 22. Za razliku od releja ili sklopnika, pa čak i običnog Cyrix releja, Battery protect sklopka može uključiti i terete koji ima kondenzator na svom energetskom ulazu i koji će u startu potegnuti visoke struje (izmjenjivači ili DC/DC pretvarači).
Foto: Schrack Technik
Isključenje punjača LFP baterija preko izlaza Charger
Izlaz Charger na Mini BMS-u je uobičajeno visoko i postaje otvoren u slučaju pretjeranog punjenja, odnosno približavanja gornjoj dopuštenoj naponskoj razini napona ćelija u bateriji ili približavanja temperaturnoj granici ćelija. Punjači LFP baterija koji imaju remote on/off upravljački ulaz koji aktivira punjač kada je upravljački ulaz visoko (privučen na napon baterije) i isključuje punjač kada je upravljački ulaz otvoren (plivajući), mogu iz Mini BMSa biti izravno upravljani izlazom Charger, Slika 23.
Foto: Schrack Technik
MPPT regulatori i punjači baterija koji imaju remote on/off ulaz koji aktivira punjač kada je ulaz nisko (privučen na – pol baterije) i isključuje punjač kada je ulaz otvoren (plivajući), mogu iz Mini BMS-a biti izravno upravljani izlazom Charger, ali uz korištenje invertirajućeg remote on/off kabela.
MPPT regulatori punjenja baterija koji nemaju poseban remote on/off ulaz za upravljanje punjačem isto mogu iz Mini BMS-a biti izravno upravljani izlazom Charger, ali uz korištenje VE.direct neinvertirajućeg remote on/off kabela, slika 24. Primijetite da se tako u cijelosti zauzima komunikacijsko VE.Direct sučelje MPPT regulatora i nije ga moguće istovremeno koristiti u drugu svrhu.
Foto: Schrack Technik
Neki punjači moraju imati poseban kabel kojime se može njima upravljati iz mini BMS-a, kao na primjer Skyla – I , slika 25.
Foto: Schrack Technik
Alternativno se može upotrijebiti i inteligentna jednosmjerna elektronička sklopka Cyrix-Li-charge. Cyrix-Li-charge sklopka se umeće između punjača i LFP baterije. Ona će se sama uključiti kada je na strani punjača prisutan napon, no punjač će uvijek moći biti isključen izravno preko izlaza Charger Mini BMSa koji se priključuje na upravljački ulaz Cyrix-Li-charge sklopke, slika 26.
Foto: Schrack Technik
Punjenje LFP baterije iz alternatora
Ako se LFP baterija želi puniti iz alternatora, tada se preporučuje primjena Cyrix Li-ct elektroničke sklopke, slika 27. Mikroprocesorski upravljana Cyrix Li-ct sklopka mjeri i trajanje i trend napona uz pomoć čega je moguće izbjeći neugodno učestalo uklapanje i isklapanje koje bi se događalo da se uklapanje i isklapanje oslanja samo na mjerenje iznosa napona.
Foto: Schrack Technik
VE.Bus BMS
VE.Bus BMS uređaj za nadzor LFP baterija sa slike 28. može upravljati i bidirekcijskim pretvaračima.
Foto: Schrack Technik
LFP baterije imaju u sebi integriran elektronički sklop za ujednačeno punjenje ćelija pri procesu punjenja i dodatan sklop za dojavu izmjerene temperature i naponske razine svake ćelije. Takav elektronički sklop u bateriji može svoje podatke preko informacijskog priključka proslijediti BMS uređaju kao što je prikazano na slici 29.
Foto: Schrack Technik
LFP baterije smije se spojiti do 10 u paralelu i do 4 u seriju. Tako se mogu ostvariti baterijske banke do 48 V i ukupno 3000 Ah. Informacijski priključci iz baterije se povezuju u seriju po principu „od baterije do baterije“. Pri tome je nebitno kako je sama baterija spojena u formaciji baterijske banke. Važno je jedino da su posljednja dva slobodna priključka lanca spojena na VE.Bus BMS uređaj.
Osim informacijskog priključka preko kojeg dolaze informacije iz baterije, na VE.Bus BMS uređaju se nalaze i još dva priključka VE.Bus informacijske sabirnice (engl. Victron energy bus, VE.Bus). VE.Bus informacijska sabirnica služi za razmjenu digitalnih podataka između VE.Bus BMS uređaja i uređaja kao što su izmjenjivači (Phoenix) ili bidirekcijski pretvarači (Multiplus, Quattro). VE.Bus BMS uređaj može osnovom podataka dobivenih iz elektroničkog sklopa iz baterije dojaviti o potrebnim akcijama zaštite baterije i poslati preko VE.Bus informacijske sabirnice svim uređajima priključenim na sabirnicu naloge isključenja trošila ili punjača ili tek prilagođavanja struje.
Za upravljanje uređajima koji nemaju VE.Bus informacijsku sabirnicu VE.Bus BMS uređaj je opremljen upravljačkim digitalnim izlazima „Isključenje potrošnje“ i „Isključenje punjenja“.
Isključenje potrošnje (engl. load disconnect) U slučaju preniskog napona na bateriji preko ovog izlaza može se upravljati:
- digitalnim upravljačkim ulazima trošila preko kojih se trošila isključuju
- digitalnim upravljačkim ulazom uređaja za zaštitu baterija kojim se odvajaju istosmjerna trošila od baterije (engl. battery protect device)
- digitalnim upravljačkim ulazom na releju za razdvajanje trošila od baterija tipa Cyrix Li-Load.
Isključenje punjenja (engl. charge disconnect) U slučaju previsokog napona ili temperature neke ćelije pomoću ovog izlaza može se upravljati:
- digitalnim upravljačkim ulazima na punjačima preko kojih se punjači mogu isključiti,
- digitalnim upravljačkim ulazom na releju za razdvajanje punjača od baterija tipa Cyrix-Li-Charge,
- digitalnim upravljačkim ulazom na releju tipa Cyrix-Li-ct za kombiniranje rada LFP baterije s olovnom startnom baterijom.
Za uvid u stanje VE.Bus BMS uređaja i LFP baterija postoje tri LED pokazivača:
- plavi LED: VE.Bus sabirnica aktivna i VE.Bus uređaji su omogućeni,
- crveni LED: trenutna razina napona neke ćelije je > 4V ili je temperatura neke ćelije previsoka, pri tome je digitalni izlaz „Isključenje punjenja“ aktivan,
- plavi LED: trenutna razina napona pojedine ćelije >2,8V , pri tome je digitalni izlaz „Isključenje potrošnje“ neaktivan.
Upravljanje pražnjenjem LFP baterije – upravljanje isključenjem trošila za zaštitu baterije od preniskog napona
Kao trošila na jednoj LFP bateriji mogu biti priključeni:
- bidirekcijski pretvarač
- izmjenjivač
- DC/DC pretvarač
- DC trošila.
Na slici 30. je pokazano kako se bidirekcijski pretvarač tipa Multiplus spaja informacijskom sabirnicom VE.Bus sa VE.Bus BMS uređajem kako bi primao zadatke iz BMS uređaja u slučajevima trenutnog prekoračenja dozvoljene gornje ili donje naponske razine. Uz svaki VE.Bus BMS uređaj dolazi u pakiranju i jedan sklop koji se naziva AC detektor. On se mora spojiti kako je to prikazano na slici 30. Slijedi objašnjenje uloge AC detektora. Pretpostavimo da je VE.Bus BMS isključio bidirekcijski pretvarač Multiplus jer je baterija iscrpljena, tj. razina napona po nekoj ćeliji je pala ispod dozvoljene. Po dolasku mrežnog napona na ulazu Multiplusa, AC detektor primjećuje da je mreža kao izvor napajanja opet prisutna i da bi se moglo provesti punjenje baterije. No uređaj Multiplus je još uvijek isključen jer VE.Bus BMS uređaj primjećuje nisku razinu napona na bateriji! Informaciju AC detektora o prisutnosti mreže prima VE. Bus BMS koji sada može deblokirati Multiplus i dopustiti mu provođenje punjenja baterija iz priključene mreže. Na slici 30. je vidljivo kako se Multiplus povezuje RJ45/UTP mrežnim kabelom s AC detektorom, a AC detektor dalje s VE.Bus BMS uređajem. I dodatne jedinice na VE.Bus sabirnici poput digital Multi control upravljačkog modula se mogu spojiti na slobodno mjesto na VE.Bus.BMS uređaju. Jasno je kako autonomni izmjenjivači tipa Phoenix, koji nemaju priključak za mrežu i ne mogu poslužiti kao punjači, ne traže niti priključak AC detektora. Njih je dovoljno samo spojiti s VE.Bus sabirnicom.
Foto: Schrack Technik
Na slici 31. je prikazan tipičan spoj bidirekcijskog pretvarača na LFP bateriju i vidljiv je obavezan osigurač u plus polu LFP baterije. Također za uočiti je kako je napajanje VE.Bus BMS uređaja izvedeno preko osigurača i upravljačke sklopke. Ovom sklopkom može se isključiti cijeli sustav. Minus pol napajanja VE.Bus BMS uređaj dobiva preko VE.Bus kabela i stoga VE.Bus BMS uređaj nije potrebno posebno spajati na minus pol baterije. Izuzetno je važno kada VE.bus BMS isključi bidirekcijski pretvarač, istovremeno budu isključena i sva ostala trošila baterije, pa i ona najmanja. Naime zaštitni mehanizam VE.Bus.BMS uređaja signalizira isključenje trošila kada u bateriji od recimo 100 Ah do razaranja baterije ima samo još 1 Ah. Ako se neko malo trošilo i dalje ostavi priključeno na bateriju, tada to trošilo može gotovo neprimjetno uništiti skupu bateriju! Zato je i napajanje nadzornika baterija izvedeno preko digitalnog izlaza „Isključenje potrošnje“ VE.Bus BMS uređaja (koji može dati do 1A), a koji će i nadzorniku baterija isključiti napajanje kako bi se zaštitila baterija. Pri isključenju napajanja nadzornika možda se gube vrijedni podaci prikupljeni u nadzorniku, ali to je kompromis s uništenjem baterije koje bi se dogodilo ako bi nadzornik nastavio prazniti bateriju u nedogled. Nadzornk baterija BMV 700 troši < 4 mA i mogao bi, u slučaju da je detektiran nizak napon na bateriji, svojom potrošnjom uništiti bateriju pretjeranim pražnjenjem za 250 sati (cca 10 dana)! VE.Bus BMS uređaj troši 2 mA u slučaju da je detektiran nizak napon baterije i mogao bi uništiti bateriju nakon 500 h (20 dana). Za 20 dana se ipak očekuje da će se dogoditi punjenje baterije. Mudro je stoga, ako se sustav ne koristi neko dulje vrijeme, ipak potpuno isključiti bateriju iz napajanja ostatka sustava pomoću servisne sklopke.
Foto: Schrack Technik
VE.Bus BMS uređaj može upravljati isključenjem izmjenjivača tipa Phoenix i bez VE.bus informacijske sabirnice. U tu svrhu koristi se digitalni upravljački izlaz „Isključenje potrošnje“ smješten na stezaljkama VE.Bus BMS uređaja kako je prikazano na slici 32. Primijetite da je sada spojena i stezaljka „battery – “. To je zato što ovi jednostavni uređaji ne koriste VE.Bus sabirnicu pa tako VE.Bus BMS uređaj ne može dobiti negativno napajanje preko VE.Bus sabirnice!
Foto: Schrack Technik
Na slici 33. je prikazano kako VE.bus BMS uređaj upravlja uređajem za zaštitu baterija od pretjeranog pražnjenja istosmjernim trošilima (engl. battery protect).
Foto: Schrack Technik
Za odspajanje DC trošila može se koristiti i Cyrix Li-Load relej kako je prikazano na slici 34. Rješenje sa slike 33. u uređaju za zaštitu baterija posjeduje elektroničku poluvodičku sklopku, dok je rješenje sa slike 34. izvedeno relejnom sklopkom (istina s mikroprocesorskim upravljanjem!) Cyrix Li-Load. Cyrix Li-Load je opremljen klasičnim mehaničkim kontaktima, a oni imaju svoj životni vijek. Zato preporučujemo rješenje sa slike 33. i nećemo ulaziti u opis detalja karakteristika isključenja trošila preko Cyrix Li-Load releja. Tek ćemo napomenuti da ovaj relej može biti pametni „međurelej“ ako je potrebno rastavljati i veće struje od 230 A! Primijetite i tipkalo „spoj u nuždi“ kojim se može namjerno, kroz 30 sekundi, ignorirati isključenje trošila preko digitalnog izlaza VE.Bus BMS uređaja. Ako se radi o hitnom slučaju tada nije bitno hoće li baterija nakon davanja energije „preživjeti“ ili ne.
Foto: Schrack Technik
Upravljanje punjenjem LFP baterije – upravljanje smanjenjem struje odnosno isključenjem za zaštitu baterije od previsokog napona
Kao punjači na jednoj LFP bateriji mogu biti priključeni:
- fotonaponski MPPT regulatori punjenja
- DC generator
- AC generator s ispravljačem (alternator)
- punjač koji se napaja iz javne mreže
- bidirekcijski pretvarač.
VE.Bus BMS uređaj nadzire i punjenje baterije. Preko VE.Bus sabirnice je moguće zaustaviti punjenje, odnosno smanjiti struju punjenja na onim uređajima koji su u sustavu spojeni na VE.Bus sabirnicu. To je slučaj prikazan na slici 31 gdje je bidirekcijski pretvarač Multiplus zapravo i jedini izvor energije za nadopunjavanje LFP baterije. No što učiniti s onim punjačima koji nemaju VE.Bus sabirnicu, kako njih isključiti i tako zaštiti bateriju?
Ako punjač ima digitalni upravljački ulaz kojim je moguće upravljati njegovim radom, onda se digitalni izlaz „Isključenje punjenja“ može upotrijebiti za isključenje punjača, slika 35. Treba pripaziti na naponske razine upravljačkog ulaza, možda je potrebno invertiranje signala, odnosno zamjena naponskih razina za uključeno / isključeno stanje. Na raspolaganju je i odgovarajući prilagodni kabel.
Foto: Schrack Technik
Ako punjač nema digitalni upravljački ulaz kojim je moguće upravljati njegovim radom, onda se digitalni izlaz „Isključenje punjenja“ može upotrijebiti za isključenje punjača, ali uz pomoć Cyrix Li-charge releja, kako prikazuje slika 36.
Foto: Schrack Technik
Cyrix-Li-charge relej će spojiti punjač nakon 3 sekundne vremenske zatege ako su ispunjena tri uvjeta:
- VE.Bus BMS uređaj tj njegov digitalni izlaz „Isključenje punjenja“ nije aktivan
- napon 13,7 V (27,4 V) ili više je prisutan na priključku releja na kojem je spojen punjač
- napon 2 V ili više je prisutan na priključku na kojem je spojena baterija.
Relej ostaje otvoren ako nije spojen na LFP bateriju! Cyrix-Li-charge relej će isključiti punjač odmah ako za to dobije nalog iz VE.Bus BMS sustava, a to će se dogoditi ako neka ćelija ima previsok napon ili temperaturu. Kada VE.Bus BMS uređaj odspoji punjač od baterije zbog previsokog napona, VE.Bus BMS uređaj će vrlo brzo resetirati svoje alarmno stanje jer će se situacija u bateriji „smiriti“ bez dotoka nove energije. Stoga će Cyrix relej opet pokušati spojiti punjač. Poslije dva pokušaja s 3 sekunde vremenskog zatega, zatega se povećava na 10 minuta. Ako je punjač pak isključen s mrežnog napajanja, Cyrix-Li-charge relej će tek kada napon na bateriji padne ispod 13,5 V (27 V) nakon 1 sat spojiti punjač.
Na slici 37. je prikazan sustav koji ima osim LFP baterije i dodatnu startnu bateriju. Razlog postojanja ove baterije i principe njezina spajanja u sustav smo objasnili u ranijim nastavcima serije. Uključenje alternatora i startne baterije se i u ovom sustavu odvija preko posebnog releja Cyrix Li-Ct. Ovaj relej odlučuje kada se smije spojiti alternator i startnu bateriju s ostatkom sustava. Cyrix Li-Ct relej će spojiti olovnu starter bateriju i LFP bateriju ako je napon na jednom od energetskih priključaka viši od 13,4 V (odnosno 26,8V) i VE.Bus BMS uređaj nije dao nalog za isključenje punjača. Cyrix Li-Ct relej će odspojiti olovnu starter bateriju od LFP baterije ako VE.Bus BMS uređaj izda takav nalog, tj ako napon ili temperatura neke ćelije postanu previsoki i opasni za bateriju, odnosno ako napon baterije padne ispod 13,2 V. Naime startna baterija mora ostati sačuvana za start i stoga te dvije baterijske banke se moraju razdvojiti kada napon uslijed potrošnje energije pada. Tu je vidljivo tipkalo „startna pomoć“ koje će kroz 30 sekundi osigurati povezanost obje baterije. To je za slučaj nužde kada zaštita baterije ima niži prioritet pred stanjem hitnosti. Primijetite da je VE.Bus BMS uređaj spojen s negativnim polom baterije preko VE.Bus kabela. Stoga se četvrta stezaljka na VE.Bus BMS uređaju, predviđena za negativni pol napajanja, namjerno ostavlja nespojena kako se ne bi stvorile nepotrebne petlje u ožičenju.
Foto: Schrack Technik
Jedan od mogućih punjača LFP baterija su i MPPT regulatori punjenja. MPPT regulatori punjenja služe kako bi električnu energiju prikupljenu u fotonaponskim modulima prenijeli u bateriju. Na slici 38. je prikazan jedan otočni fotonaponski sustav koji ima u sebi MPPT 100/50 regulator punjenja. Za ovu seriju regulatora punjenja je karakteristično da imaju VE.direct informacijsko sučelje koje se može iskoristiti za upravljanje radom punjača odnosno njegovim isključenjem. Nalog za isključenje punjača se generira u VE.Bus BMS uređaju ako napon ili temperatura neke ćelije postanu previsoki, a sve kako bi se zaštitila skupa LFP baterija. Između digitalnog izlaza VE.Bus.BMS uređaja i VE.direct sučelja MPPT punjača potrebno je koristiti odgovarajući vezni kabel. Primijetite kako ovaj sustav nema uređaja na VE.Bus sabirnici pa je četvrta stezaljka VE.Bus.BMS uređaja spojena izravno s minus polom napajanja. Primijetite i kako je nadzornik baterije napajan iz VE-Bus BMS uređaja. Ako je napon na bateriji ispod dozvoljenog, tada će nadzornik baterije biti isključen kako ne bi svojom malom potrošnjom u dugotrajnom radu na praznoj bateriji nepovratno uništio bateriju. Može se uočiti da se radom izmjenjivača upravlja preko digitalnog izlaza za isključenje trošila na VE.Bus BMS uređaju. Također tu je sklopka „start/stop sustava“ koja zapravo dovodi napajanje na VE.Bus BMS uređaj i omogućuje postavljanje njegovih izlaza u skladu sa stanjem baterije. Ako ova sklopka nije uključena onda su i izmjenjivač i punjač isključeni.
Foto: Schrack Technik
Na slici 39. je prikazan sustav s MPPT 150/85 regulatorom punjenja gdje je vidljiva izravna veza digitalnog izlaza VE.Bus BMS uređaja „Isključenje punjenja“ s upravljačkim ulazom za uključenje na MPPT 150/85 regulatoru. Kako se ovdje koristi VE.Bus, onda četvrta stezaljka VE.Bus BMS uređaja nije spojena, a VE.Bus BMS uređaj dobiva minus napajanje preko VE.Bus sabirnice. Sve ostalo je već objašnjeno na slici 38.
Foto: Schrack Technik
Na slikama 38. i 39. je moguće umjesto izmjenjivača postaviti bidirekcijske pretvarače Multiplus ili Quatro i tako priključiti mrežu ili generator za punjenje baterija, moguće je imati i DC potrošače kao i druge dodatne punjače, možda i alternator ako se radi o brodu ili vozilu. Princip spajanja svih navedenih uređaja je objašnjen detaljno u ovom članku. Kombiniranjem raznih navedenih uređaja u fotonaponskom otočnom sustava s VE.Bus BMS uređajem pouzdano će se štititi skupa LFP baterija i osigurat će joj se očekivana dugovječnost.
Smart BMS CL 12/100
Prvi BMS koji smo upoznali u poglavlju 3.1 je BMS 12/200 predviđen za manja 12 V rješenja. U nastavku u poglavlju 3.2 smo upoznali Mini BMS. Zašto je ovaj uređaj nazvan Mini BMS? Zato što nema u svojim priključcima integriran VE.Bus pa ipak ne može upravljati radom bidirekcijskih pretvarača Multiplus i Quattro kao niti velikim autonomnim izmjenjivačima Phoenix (kao što to može VE.Bus BMS opisan u poglavlju 3.3). Mini BMS može sa svojim upravljačkim izlazima vješto upravljati upravljačkim ulazima uređaja i tako zaustaviti punjenje ili pražnjenje na upravljačkoj razini. BMS 12/200 nema takve upravljačke izlaze pa isključivanje trošila ili punjača može provoditi samo koristeći vlastite elektroničke poluvodičke sklopke i prekidajući tijek energije u sebi. Mini BMS ne može upravljati strujom punjenja LFP baterije iz alternatora pa zbog toga nije optimalan za primjenu u vozilima i plovilima, odnosno svugdje gdje se u sustavu pojavljuje alternator. Uz primjenu Mini BMSa morala bi se veza između alternatora i LFP baterije izvesti preko DC/DC pretvarača Orion, a koji su isto opisani u prethodnim nastavcima!
Objedinjavanjem funkcionalnosti BMS 12/200 i Mini BMS uređaja nastao je Smart BMS CL 12/100 koji dodatno može upravljati i većim jedinicama bidirekcijskih pretvarača i izmjenjivača koji imaju VE.Bus. Jedino ograničenje uređaja BMS CL 12/100 je rad samo na razini 12 V i do 100 A struje alternatora. No to je potpuno prihvatljivo za manje do srednje veličine plovila i vozila! U opisu sustava uočite kako uz primjenu BMS CL 12/100 uređaja negativni polovi startne i LFP baterija smiju biti povezani međusobno i na masu, što nije bio slučaj za BMS 12/200.
Sustav za nadzor LFP baterija Smart BMS CL 12/100 (slika 40.) ima za zadaću osim zaštite skupe LFP (LiFePo4) baterije zaštiti i alternator od preopterećenja zbog prevelike struje punjenja LFP baterije. U nazivu uređaja slova CL označavaju funkcionalnost ograničavanja struje alternatora za punjenje LFP baterije (engl. current limiting, CL), ali i upravljanje punjenjem i pražnjenjem LFP baterije preko upravljačkih izlaza (engl. Charge disconnect, Load disconnect, CL) Uređaj štiti i startnu bateriju jer se ne dozvoljava prijenos energije prema LFP bateriji ako startna baterija ima nizak napon, tj ako alternator nije uključen.
Smart BMS CL je namijenjen za LFP baterije koje imaju komunikacijski priključak sa sklopovima za nadzor temperature i napona svake ćelije unutar baterije. Uređaj podržava spajanje do 5 baterija u paralelu i ne dozvoljava spajanje baterija u seriju jer je baziran na nazivnom naponu 12 V, a što se također čita i iz imena uređaja. Komunikacijski priključci paralelno spojenih baterija se spajaju u serijski komunikacijski lanac i to jednostavno tako da lanac počinje na BMS CL uređaju i povezuje serijski sve baterije i njihove komunikacijske priključke u lancu i završava na BMS CL uređaju. Sustav muških i ženskih konektora na BMS CL uređaju i na baterijama ne dozvoljava pogrešku izvedbe lančanog spoja. Redoslijed spajanja baterija u lanac nije bitan.
Foto: Schrack Technik
Zaštita startne baterije
Struja iz alternatora može teći prema LFP bateriji samo ako napon startne baterije prelazi 13 V. Istovremeno struja ne može teći iz LFP baterije prema startnoj pri čemu se štiti LFP baterija od mogućeg pretjeranog pražnjenja. U tom smislu uređaj ima funkciju sličnu Cyrix Battery Combiner releju ili Argo FET Battery izolatoru. Oba uređaja smo već opisali u prethodnim nastavcima serije.
Zaštita alternatora i LFP baterije
Ulazna struja u uređaj je limitirana na cca 80% primijenjenog rastalnog osigurača. Primjerice 100 A osigurač će ograničiti struju alternatora na 80 A. Osigurač je ujedno i mjerni otpornik potreban za mjerenje i upravljanje ograničenjem struje koja se povlači iz alternatora. Izbor osigurača provodi se prema raspoloživoj struji alternatora prema tablici 1. Ako se radi o alternatorima sa slabijom strujom onda se umjesto MEGA rastalnog osigurača koriste automobilski osigurači u odgovarajućem podnožju. Izbor osigurača će:
- zaštiti LFP bateriju pretjerane struje punjenja (bitno za LFP baterije manjeg kapaciteta)
- zaštiti alternator od preopterećenja u slučaju LFP baterije velikog kapaciteta i malog unutarnjeg otpora (većina 12 V alternatora će se jednostavno pregrijati ako radi s maksimalnom strujom dulje od 5 minuta.)
Prekomjerni naponi punjena, pogotovo prolazni kratkotrajni prenaponi se ne propuštaju prema LFP bateriji do razine sigurne za bateriju. BMS CL će zaustaviti punjenje u slučaju previsokog napona ili temperature pojedine ćelije. BMS CL uređaj ima tri upravljačko-nadzorna izlaza, vrlo slično kao Mini BMS uređaj:
- Load disconnect izlaz je uobičajeno visok i postaje „plivajući“ u slučaju napona bilo koje ćelije ispod 2,8 V. Maksimalna struja ovog izlaza je 10 mA i zbog toga nije pogodan za pobudu induktivnog tereta kao što je recimo svitak releja! Ovaj izlaz može preko „on /off“ upravljačkog ulaza smještenog na ciljnom uređaju upravljati izmjenjivačima, DC-DC pretvaračima, Battery protect sklopkom itd. DC trošila upravljiva sa svojim „on/off“ upravljačkim ulazom tako da su uključena kada je ovaj ulaz na visokoj razini, a isključena kada je ovaj ulaz slobodno plivajući mogu biti upravljana izravnom vezom „on/off“ ulaza i Load Disconnect Za trošila koja se uključuju niskom razinom na „on/off“ ulazu, a isključuju kada je upravljački ulaz „plivajući“ primjenjuje se kabel s invertiranjem razina (egl. Inverting remote on-off cable).
- Charge disconnect izlaz je uobičajeno visok i postaje „plivajući“ u slučaju nedozvoljeno visokog napona ili nedozvoljeno visoke temperature neke ćelije. Maksimalna struja ovog izlaza je 10 mA i zbog toga nije pogodan za pobudu induktivnog tereta kao što je recimo svitak releja! Ovaj izlaz može upravljati: preko „on /off“ upravljačkog ulaza punjačima, Cyrix-Li-Charge relejem i Cyrix-Li-ct Battery CombinerZa neke uređaje potrebno je primijeniti specijalni kabel zbog prilagodbe logičke i električke razine upravljačkih ulaza ciljnih uređaja kojima se upravlja.
- Pre-Alarm izlaz može ukazati da je napon baterije nizak i da će ubrzo biti isključena trošila koja crpe energiju iz LFP baterije. Ovaj izlaz može pobuditi relej, LED pokazivač ili zujalicu. Može biti konfiguriran kao trajni ili isprekidani signal. Ovaj izlaz je uobičajeno „plivajući“ i postaje visok u slučaju niske razine napona neke od ćelija (podesivo od 2,85 V do 3,15 V). Maksimalna struja izlaza je 1 A. Izlaz nije štićen od kratkog spoja. Najkraći razmak između ovog signala i Load disconnect signala je 30 s.
Uređaj na sebi ima Remote on/off ulaz kojim se dopušta ili blokira punjenje LFP baterije iz alternatora. BMS funkcionalnost zaštite LFP baterije je trajno prisutna bez obzira na stanje ovog signala. No ovaj ulaz može biti i podešen za djelovanje kao start i stop cijelog sustava. Parametriranje ovog ulaza izvodi se VictronConnect aplikacijom s pametnog telefona. Ovaj ulaz se sastoji od dvije stezaljke Remote L i Remote H. Sklopka ili beznaponski kontakt releja za udaljeno upravljanje može biti spojena između L i H stezaljke ili alternativno između H stezaljke i plusa baterije ili između L stezaljke i minusa baterije.
Uređaj na sebi ima LED pokazivače koji gledajući od lijeva na desno imaju svoje značenje:
- zeleni: Smart BMS CL 12/100 je aktivan
- plavi: trepčuće svijetli ako je Bluetooth prijenos podataka u toku; trajno svijetli ako je uspostavljena Bluetooth veza
- crveni: aktivna zaštita od previsoke temperature BMS CL uređaja
- žuti: Charge disconnect izlaz je aktivan
- narančasti: Load disconnect izlaz je aktivan
- zeleni: alternator puni LFP bateriju.
Važno je ponoviti da će BMS uređaj za nadzor baterije isključiti trošila prije razaranja baterije no gotovo u svakoj primjeni odlučit ćemo se da neki uređaji ostaju trajno spojeni na bateriju – primjer za to je sam BMS. Nakon što je BMS detektirao razinu preniskog napona i odradio isključenje trošila, tada se iz baterije do njena uništenja smije izvući još svega 1% kapaciteta (1 Ah za 100 Ah bateriju). Trošilo koje troši svega 10 mA iz baterije 200 Ah može nakon isključenja trošila preko samog BMSa tako ostati priključeno još otprilike 8 dana prije nego što će struja od 10 mA uništiti skupocjenu bateriju! Na slikama što slijede su tipični primjeri primjene BMS CL 12/100 uređaja u sustavu s LFP baterijom opće namjene, olovnom startnom baterijom i alternatorom. Ova konfiguracija je tipična za plovila i vozila.
Galerija 6 Fotografija
Otvori
Zaključak
Opisane su osnovne značajke LFP baterija i 4 uređaja za nadzor baterija u radu. Pokazan je niz karakterističnih primjena uređaja što može biti polaz za vlastita promišljanja i rješenja. Granica konkretnih konfiguracija i aplikacija gotovo da i nema, no ipak je dobro provjeriti da li se napravio dobar izbor i da li su elementi dobro usklađeni i konačno uz nacrtanu shemu da li se vodilo računa o svemu potrebnom za konkretno ožičenje pojedinih uređaja. Vjerujemo i nadamo se da smo Vas uveli u svijet tehnički ispravne primjene LFP baterije i veselimo se svakoj konkretnoj primjeni i pitanju!
Tekst originalno objavljen na schracktrainingcenter.com
