Kako spojiti različite izvore energije za brodice? Donosimo detaljnu shemu na konkretnom primjeru

U prethodna 2 nastavka opisani su detalji primjene LFP baterija za bateriju opće namjene na novogradnji dvije brodice Šibenik 800, a zahvaljujući susretljivosti vlasnika brodogradilišta Dunkić d.o.o. i investitora. U ovom nastavku serijala o korištenju LFP baterija u napajanju brodica vidjet ćete sheme iz prva dva nastavka, a potom i sheme spajanja startne baterije i baterije opće namjene u slučaju hitnosti. Doznat ćete i sve o međusobnom informacijskom spajanju komponenti.

LFP baterije u praksi – opis rješenja brodice Šibenik 800 | Foto: Schrack Technik

U prvom nastavku opisan je dio sheme oko LFP baterija koji uključuje potrebnu sklopnu, mjernu i zaštitnu opremu. U drugom nastavku opisan je dio sheme oko spoja punjača, startne baterije, alternatora, dvosmjernog pretvarača i priključka izmjenične mreže. U ovom nastavku, nakon preglednog ponavljanja shema iz prva dva nastavka, opisat će se dio sheme oko spajanja startne baterije i baterije opće namjene u slučaju hitnosti i međusobno informacijsko spajanje komponenti. U sljedećem nastavku opisat će se puštanje u pogon i parametriranje pojedinih uređaja.

Shema spoja oko LFP baterija

Na slici 1. prikazana je shema spoja oko LFP baterija koja obuhvaća:

• LFP baterije 12,8 V, 200 Ah, 2 komada
• VE.Bus BMS – sustav za upravljanje isključenjem trošila i punjača
• Lynx-Power In – modul razvoda energije s rastalnim osiguračima
• BMV 712 smart – nadzornik baterije
• glavne sklopke
• Class T rastalni osigurači s odgovarajućim nosačima
• Li-Charge relej za sklapanja punjača i zaštitne prekidače izlaza punjača
• Battery protect BP 230 sklopka za sklapanje DC trošila na brodici.

Foto: Schrack Technik

LFP baterije u sebi imaju ugrađenu elektroniku za mjerenje napona i temperature ćelija kao i za ujednačavanje napunjenosti ćelija. Stanje svake ćelije prosljeđuje se u VE.Bus BMS uređaj koji upravlja isključenjem trošila i punjača ako bilo koja ćelija dođe u nedozvoljeno stanje napunjenosti ili zagrijanja. Stanje svake ćelije pojedine baterije može se pratiti i na pametnom telefonu preko aplikacije Victronconnect. Kabeli od baterija do glavnih osigurača baterijskih grana su kratki i jednakih duljina. U plus polu svake baterijske grane je spojen Class T rastalni osigurač koji štiti kabel od preopterećenja, ali i instalaciju od kratkog spoja iza rastalnog osigurača. Class T osigurač ima DC prekidnu moć od 20 kA kako bi prekinuo velike struje kratkog spoja koje mogu nastati zbog malog unutarnjeg otpora karakterističnog za LFP baterije.

Osigurači se spajaju dalje preko glavne sklopke na plus sabirnicu DC razvodnog modula Lynx-Power in. U Lynx-Power In modulu su MEGA rastalni osigurači za razvod instalacije. Kabeli s negativnih polova LFP baterija spajaju na mjerni otpornik nadzornika baterije BMV 712. Kroz mjerni otpornik prolazi sva struja koja ulazi i izlazi u LFP baterije. Mjerni otpornik se dalje spaja s negativnom sabirnicom DC razvodnog modula, a s te sabirnice se razvode svi potrebni „minus“ kabeli u instalaciji. Mjerni otpornik je spojen na pokazivač, a sve informacije s pokazivača su dostupne i na pametnom telefonu preko aplikacije Victronconnect. Preko DC razvodnog modula Lynx-Power In spojeno je četiri glavna strujna kruga za:

• bočni potisnik
• glavni razvod istosmjernih trošila
• punjače
• dvosmjerni pretvarač.

Strujni krug bočnog potisnika zaštićen je rastalnim osiguračem smještenim u Lynx – Power In razvodnom modulu. Bočni potisnik nije nadziran preko VE.Bus.BMS uređaja zbog prirode povremenog korištenja potisnika. Ako bi prilikom rada s bočnim potisnikom LFP baterija došla u stanje ispražnjenosti koje izaziva predalarm, tada će VE.Bus BMS to stanje predalarma i dojaviti, a voditelj brodice mora odlučiti o daljnjem korištenju bočnog potisnika koje može dovesti do uništenja LFP baterija.

Strujni krug DC trošila uobičajenih na brodici sklapa se i mehaničkom servisnom sklopkom i u nastavku poluvodičkom sklopkom Battery protect BP 230, a zaštićen je rastalnim osiguračem u DC razvodnom modulu Lynx-Power in. Poluvodičkom sklopkom upravlja VE.Bus.BMS nadzornik koji će izdati nalog za isključenje sklopke u slučaju prekomjernog pražnjenja baterije.
Strujni krug punjača LFP baterije sklapa se preko releja Cyrix Li-Charge. VE.Bus.BMS uređaj može prekinuti strujni krug punjača u slučaju kvara punjača tj. prepunjavanja LFP baterije. Svaki pojedini strujni krug punjača zaštićen je posebnim automatskim zaštitnim prekidačem koji može poslužiti umjesto servisne sklopke svakog pojedinog strujnog kruga.

Strujni krug dvosmjernog pretvarača sklapa se mehaničkom servisnom sklopkom i zaštićen je rastalnim osiguračem u Lynx-Power In modulu. VE.Bus.BMS nadzornik preko VE.Bus sabirnice na koju je spojen i dvosmjerni pretvarač upravlja isključenjem dvosmjernog pretvarača i u slučaju prekomjernog punjenja i u slučaju prekomjernog pražnjenja LFP baterije.
Sva istosmjerna trošila (osim bočnog potisnika) i svi punjači su pod nadzorom VE.Bus.BMS nadzornika i stoga mogu djelovati samo u dozvoljenom rasponu napona ćelija LFP baterija. Time je osigurana zaštita skupih LFP baterija.

Shema spoja alternatora, startne baterije i punjača

Spoj alternatora, startne baterije i punjača prema LFP baterijama prikazan je na slici 2.

Foto: Schrack Technik

Na brodu su smještena dva fotonaponska modula ukupne snage 360 Wp. Oni proizvedenu električnu energiju predaju MPPT regulatoru punjenja. MPPT regulator punjenja je spojen preko zaštitnog prekidača na Li-Charge relej i dalje na Lynx-Power In modul i tako na LFP baterije. Zaštitni prekidač iza MPPT regulatora se štiti spojni kabel i omogućava servisno isključenje MPPT regulatora. Između FN modula i MPPT pretvarača može se staviti DC zaštitni prekidač za ostvarenje funkcije servisne sklopke. Rad MPPT regulatora može se pratiti na pametnom telefonu preko Victronconnect aplikacije. Za priključak alternatora za punjenje LFP baterija koristi se DC-DC pretvarač Orion koji kroz sebe kontrolirano propušta struju (snagu!) iz alternatora pa tako ne dozvoljava preopterećenje alternatora.

Upravljačkim ulazom moguće je i ručno upravljati uključenjem i isključenjem rada pretvarača, no postavljenim parametrima DC/DC pretvarač sam prepoznaje uključenost alternatora i tek onda prenosi energiju prema LFP bateriji. Pretvarač Orion se spaja preko ulaznih i izlaznih zaštitnih prekidača. Izlaz pretvarača Orion spaja se preko Li Charge releja na Linx-Power In modul i nastavno na LFP bateriju. Bez obzira koji punjač prouzrokuje povišenje razine napona neke ćelije u LFP baterije preko dozvoljene svi punjači će biti isključeni Li-Charge relejem. Isključenjem Li-Charge releja upravlja VE.Bus.BMS nadzornik prema stanju ćelija u LFP baterijama. Alternator je spojen na startnu bateriju i ona se dok alternator radi i proizvodi struju ne smije isklopiti jer bi moglo doći do uništenja alternatora.

Servisna sklopka startne baterije, kao što sama riječ kaže, služi samo za servis i to tek ako alternator ne radi, a žele se od startne baterije isključiti sva trošila, recimo pri zamjeni baterije ili pri napuštanju broda kroz neko vrijeme. Ovu servisnu sklopku se ne smije isklapati u radu motora i alternatora jer u trenutku ako je Orion isključen, a nema spojene olovne baterije, alternator nema kuda poslati struju i inducira pri tome visoki napon koji uništava namote alternatora. Napon startne baterije se šalje na nadzornik baterija BMV 712 gdje se prikazuje na njegovom pokazivaču, odnosno na pametnom telefonu preko aplikacije Victronconnect. BMV 712 nadzornik prati rad LFP baterija nizom stalno mjerenih i izračunatih podataka, ali startnu bateriju prati samo preko mjerenja njezina napona.

Izmjenični dio instalacije

Na slici 3 prikazuje se veza između izmjeničnog priključka broda i LFP baterije. Izmjenični priključak broda dovodi se preko galvanskog izolatora na ulazni kombinirani zaštitni prekidač (RCD sklopka i zaštitni prekidač u jednom kućištu) iz kojeg se napaja ulazni dio dvosmjernog pretvarača, električni grijač vode i utičnica koja ima napajanje samo ako je brod spojen na mrežu s kopna. Utičnica na izlazu iz dvosmjernog pretvarača osigurava napajanje izmjeničnih trošila na brodici i ako je brodica priključena na obali i u slučaju ako je brodica odspojena od obale. Ako je brodica odspojena od izmjeničnog napajanja s obale, tada izmjenjivački dio u dvosmjernom pretvaraču sam stvara autonomnu izmjeničnu mrežu za napajanje izmjeničnih trošila crpeći energiju iz LFP baterija.

Ako je brodica spojena na izmjenično napajanje s obale, tada se uključuje unutrašnja transfer sklopka u dvosmjernom pretvaraču i ne troši se energija iz LFP baterije već se izlaz dvosmjernog pretvarača napaja preko ulaza s obale. Izmjenični izlaz dvosmjernog pretvarača spojen je preko zasebnog kombiniranog zaštitnog prekidača na jednu utičnicu. Dvosmjerni pretvarač spojen je s LFP baterijom preko DC priključaka. Plus toga priključka vodi se preko servisne sklopke do plus sabirnice u Lynx-Power in modulu u kojem se nalazi i pripadni rastalni osigurač za zaštitu istosmjernog strujnog kruga dvosmjernog pretvarača. Dvosmjerni pretvarač iako nema priključenih izmjeničnih trošila, troši energiju iz LFP baterija za napajanje u pripravnom modu. Stoga, ako nije potrebna izmjenična mreža može ga se isključiti servisnom sklopkom. Servisna sklopka služi pri svakom servisnom zahvatu na dvosmjernom prekidaču kako bi se spriječila otvorena iskra pri priključku dvosmjernog pretvarača na LFP bateriju (nabijanje kondenzatora pretvarača!).

Foto: Schrack Technik

Na slici 3. je prikazan spoj uređaja VE.Bus Mains detector. Ako je dvosmjerni pretvarač Multiplus u izmjenjivačkom režimu rada (dakle stvara autonomnu mrežu iz baterije za vrijeme dok obalno napajanje nije prisutno) VE.Bus.BMS nadzornik će isključiti Multiplus preko VE.Bus sučelja ako se LFP baterija prekomjerno isprazni. Po priključenju brodice na napajanje s obale dolazi mrežni napon na ulaz Multiplus-a, VE.Bus Mains detector primjećuje da je mreža opet prisutna i da se može provesti punjenje baterije pa se ta informacija prenosi VE.Bus.BMS uređaju koji preko VE.Bus sabirnice omogućuje rad dvosmjernog pretvarača za punjenje baterija. Bez informacije iz VE.Bus mains detector-a niti uz prisutan napon na mreži Multiplus ne bi mogao početi puniti baterije!

Ako je brod spojen u pristaništu na obalnu mrežu, preko zaštitnog vodiča dolazi do električke veze metalnih masa pristaništa i metalnih dijelova broda. Kako se i pristanište i brod nalaze u morskoj vodi, a električki su povezani zaštitnim vodičem, dolazi do formiranja galvanskog članka i galvanske struje i slijedno galvanske korozije. Galvanske struje se mogu prekinuti galvanskim izolatorom. Zaštitni vodič priključka plovila se spaja na galvanski izolator u plovilu na jednom kraju, a drugi kraj galvanskog izolatora se spaja na sabirnicu za izjednačenje potencijala plovila. Za izmjenični napon i struju galvanski izolator ne predstavlja izolaciju i u tom smislu se ne narušava spoj metalnih masa broda i obalnog zaštitnog uzemljenja, tj. ne narušava se djelovanje zaštitnih uređaja u priključnom ormariću na obali i na plovilu!

Oprez: Primjena galvanskog izolatora zahtijeva povremenu kontrolu ispravnosti izolatora jer u slučaju pregaranja galvanskog izolatora nastaje slučaj prekida zaštitnog vodiča s kopnom. Ovo je stanja kao kada stroj za pranje rublja izgubi zaštitni vodič. To se stanje ne primjećuje i ne dojavljuje ničime, ali pri prvom kvaru izolacije aktivnog vodiča na brodu prema masi broda, brod tako dolazi na po život opasan dodirni napon prema referentnoj zemlji. Primjena kombiniranog zaštitnog prekidača u kojem je RCD sklopka (FID sklopka!) bi morala primijetiti curenje struje i zaštiti ljude od strujnog udara. Ovo je i jedan od razloga zašto je u marinama zabranjeno kupanje oko brodova jer nije sigurno da sve brodice imaju RCD sklopku i da je ona u ispravnom stanju. Naime i RCD sklopke se preporučuje testirati najmanje jednom mjesečno. Testira se jednostavnim pritiskom na tipku „test“ pri čemu sklopka mora isklopiti.

Spoj startne i servisne baterije u slučaju hitnosti

U slučaju da se motor ne može pokrenuti startnom baterijom jer se startna baterija ispraznila može se pokušati spojiti baterije opće namjene sa startnom baterijom. Tako spojene baterije će najvjerojatnije uspjeti pokrenuti motor. Spoj baterija se izvodi kao na slici 4.

Foto: Schrack Technik

Za spajanje se koristi specijalni relej koji može podnijeti velike struje u trenutku spajanja i potom velike struje pokretanja motora. Relej se uklapa udaljenom sklopkom, no omogućava i mehaničko spajanje. Relej je spojen samo na jednu LFP bateriju kako bi se izbjeglo protjecanje struje spajanja baterija i kasnije struje pokretanja kroz Class T osigurače. Pri spajanju baterija potrebno je prvo isključiti glavnu sklopku na slici 4. jer se njome razdvajaju LFP baterije jedna od druge. Tek kada se LFP baterije razdvoje od ostatka instalacije smiju se spojiti jedna LFP baterija sa startnom i potom se može pokušati pokrenuti motor. Nakon pokretanja motora potrebno je isključiti udaljenu sklopku i tako razdvojiti LFP i startnu bateriju. Potom se može opet uključiti glavna sklopka. Spajanje baterija je postupak koji nije ugodan niti jednoj bateriji, no ako se radi o posljednjem što je preostalo – vrijedi pokušati – jer se i tako provodi samo u slučaju nužnosti.

Cerbo GX nadzornik

Većinu uređaja opisanih na slikama 1 do 4 može se informacijski povezati na zajedničko procesno računalo-nadzornik Cerbo GX, slika 5. Ovaj nadzornik ima dva USB sučelja, tri VE. Direct sučelja, sučelje za zaslon osjetljiv na dodir, Ethernet sučelje, dva 2 VE.Bus sučelja, VE.Can i BMS.Can sučelje, četiri ulaza za otporni senzor razine tekućine, četiri ulaza za senzor temperature, četiri digitalna ulaza i dva relejna izlaza. Pri tome ima i Bluetooth sučelja za komunikaciju s pametnim telefonom kao i WiFi sučelje. Cerbo Gx je premosnik protokola i sučelja (Gateway) i o njemu smo detaljno pisali u serijalu. Na brodici Šibenik 800 služi za prikupljanje i prikazivanje podataka iz priključenih uređaja na brodici na zaslonu osjetljivom na dodir, ali i preko GSM modema prikazivanje i arhiviranje podataka na besplatnom internetskom VRM portalu (engl. Victron remote management). Na ovom portalu vide se vremenski dijagrami svih signala u podesivom vremenskom uzorkovanju od 1 minute na više. Na ovaj način doma iz „fotelje“ može se pratiti stanje na brodici – naravno ako je brodica pod napajanjem.

Foto: Schrack Technik

Na slici 6. prikazani su uređaji spojeni s nadzornikom Cerbo GX. Na Cerbo Gx se spaja:

• GX touch 50 zaslon osjetljiv na dodir (HDMI ulaz i jedan USB)
• BMV 712 smart i MPPT regulator preko VE.Direct sučelja
• GX modem preko USB sučelja
• 4 analogna osjetnika temperature (za nadzor temperature alternatora, temperature oba pretvarača Orion, temperaturu DC sabirnice).
• dvosmjerni pretvarač Multiplus 1600, VE.Bus BMS uređaj, VE.Bus Mains detector, Digital Multi control; svi preko VE.Bus sučelja
• istosmjerno napajanje.

Foto: Schrack Technik

Digital Multi control modul služi za udaljeno upravljanje dvosmjernim pretvaračem Multiplus. Na njemu se nalaze LED pokazivači stanja pretvarača i tropoložajna izborna sklopka kojom se dvosmjerni pretvarač isključuje (off), postavlja u način rada izmjenjivač/punjač (on) ili u način rada samo punjač (charger). Također na njemu se nalazi potenciometar i brojčani pokazivač. Potenciometrom se postavlja ograničenje struje kojom će Multiplus opterećivati obalni priključak. To je posebno važno ako se brodica priključuje na obalni priključak koji ima zaštitni prekidač manji od 16A, a koliko povlači neograničeni ulaz Multiplus-a. Ako je obalni zaštitni prekidač primjerice 10 A, tada se preko potenciometra može ograničiti struja koju će dvosmjerni pretvarač povlačiti iz mreže na 9 A. Tako obalni zaštitni prekidač neće nepotrebno izbacivati! Na brojčanom pokazivaču Digital Multi Controla se vidi potenciometrom podešena struja.

Podsjetimo se, slika 7: Ako dvosmjerni pretvarač Multiplus radi u izmjenjivačkom načinu rada, bez spojene mreže, tada stvara jednofaznu samostalnu izmjeničnu mrežu na brodici. U načinu rada Power control struja (time i snaga!) koja se povlači iz mreže (ili generatora!) u Multiplus se može ograničiti potenciometrom na Digital Multi Control modulu do 16 A. To je važno da pri priključenju brodice u marini ne prorade zaštitni prekidači na obalnom ormariću, ali i da se umjesto mreže može priključiti na brodicu mali pomoćni izmjenični generator koji recimo daje svega 6A! Podešenjem potenciometra na Digital Multi control modulu osigurat će se da se iz mreže (ili generatora) povlači nesmetano podešeni ograničeni iznos struje prema Multiplus-u. Način rada Power assist se sam uspostavlja u trenutku kada snaga priključenih trošila preraste postavljeno ograničenje ulazne snage na ulazu Multiplus-a. Tada se na snagu koja se povlači iz mreže ili generatora može trajno i potpuno automatski dodati potrebna snaga sve do pune snage izmjenjivača Multiplusa.

Pri tome i mreža (ili generator) i Multiplus zajedno napajaju trošila. Od tuda i naziv „Power Assist“. Snagu na trošilima napajanim iz izmjeničnog izlaza Multiplusa ograničit će zapravo kombinirani zaštitni prekidač na izlazu Multiplus-a (konkretno 10 A). Važno je i ne zaboraviti da se pri priključenju na obalu zbraja snaga izravno spojenih trošila i snaga trošila spojenih na dvosmjerni pretvarač Multiplus. Jasno da neće biti moguće koristiti istovremeno 10 A na utičnici spojenoj izravno na napajanje s obale i 10 A na utičnici spojenoj na dvosmjerni pretvarač za nadopunjavanje baterija u slučaju 16 A zaštitnog prekidača u priključnom ormariću na obali. Taj 16 A zaštitni prekidač će proraditi jer kroz njega prolazi 20 A! Uvijek se mora informirati koliki je zaštitni prekidač na priključnom mjestu i onda se sam sa sobom dogovoriti koliko će se struje preuzimati izravno, a koliko još ostaje za dvosmjerni pretvarač za recimo punjenje baterija ili napajanje trošila. U protivnom ćete provesti određeno vrijeme uz frustraciju i vrućinu pri resetiranju zaštitnog prekidača na priključnom mjestu na obali koji će nepotrebno prorađivati i koji u pravilu ne mora biti izravno dohvatan bez operatera marine/luke.

Foto: Schrack Technik

Na slikama 8. i 9 prikazani su detalji izvedbe.

Foto: Schrack Technik

Foto: Schrack Technik

Zaključak

Zaokruženo je opisana cjelovita shema primjene LFP baterije na plovilu. Dio oko LFP baterija koji uključuje potrebnu sklopnu, mjernu i zaštitnu opremu, dio oko spoja punjača, startne baterije, alternatora, dvosmjernog pretvarača i priključka izmjenične mreže i dio oko spajanja startne baterije i baterije opće namjene u slučaju hitnosti. Prikazano je i međusobno informacijsko spajanje komponenti. U sljedećem nastavku opisat će se podešenje pojedinih uređaja.

Tekst je nastao u Schrack Technik d.o.o., a moguća pitanja naslovite na [email protected]

Pročitajte sve tekstove primjeni LFP baterija u praksi na primjeru rješenja brodice Šibenik 800o koje donosimo u suradnji s tvrtkom Schrack Technik d.o.o.:

Kako za brodicu osigurati više energije? Rješenje leži u LFP baterijama

Napajanje brodice LFP baterijom? Evo kako izvesti shemu, korak po korak