Napajanje brodice LFP baterijom? Evo kako izvesti shemu, korak po korak
U prethodnom nastavku započet je opis realizacije primjene LFP baterija za bateriju opće namjene na novogradnji dvije brodice Šibenik 800 zahvaljujući susretljivosti vlasnika brodogradilišta Dunkić d.o.o. i investitora. Opisan je dio sheme oko LFP baterija koji uključuje potrebnu sklopnu, mjernu i zaštitnu opremu. U ovom nastavku opisat će se dio sheme oko spoja punjača, startne baterije, alternatora, dvosmjernog pretvarača i priključka izmjenične mreže. Potom u nekom daljnjem nastavku bit će opisano informacijsko povezivanje komponenata i puštanje u pogon s podešavanjem sustava. Sve korak po korak, dovoljno jednostavno i razumljivo.
Foto: Schrack Technik
U prvom dijelu serijala o primjeni LFP baterija u praksi na primjeru brodice Šibenik 800, pisali smo o sklopnoj, mjernoj i zaštitnoj opremi. U ovom tekstu doznati sve o dijelu sheme oko spoja punjača, startne baterije, alternatora, dvosmjernog pretvarača i priključka izmjenične mreže.
Na slici 1. prikazana je oprema koja se mora uključiti u do sada razvijenu shemu. Za primijetiti je da se ne radi o specifičnoj brodskoj opremi, već o opremi razvoda energije koja može biti smještena i na brodu i u vozilu, ali i u zgradi. Potrebno je u spoj ubaciti MPPT regulator punjenja, DC/DC pretvarač punjenja LFP baterije, dvosmjerni pretvarač, galvanski izolator i sami izmjenični priključak. O svakom pojedinom uređaju u serijalu je bio poseban članak, tako da se ovdje neće ići u objašnjenje detalja kako uređaji djeluju, već samo u objašnjenje njihova spoja.
Foto: Schrack Technik
MPPT regulator punjenja
Na brodu su smještena dva fotonaponska modula po 180 Wp , ukupno snage 360 Wp. Oni proizvedenu električnu energiju predaju MPPT regulatoru punjenja. MPPT regulator punjenja je spojen preko Li-charge releja na sabirnicu ispred LFP baterije – Lynx power in modul. Li charge relej je pod nadzorom nadzornika VE.Bus BMS-a koji je također već detaljno opisan. VE.Bus BMS će dati signal isključenja Li charge releja ako bilo koja od ćelija dosegne napon iznad dozvoljene razine (i taj zaštitni mehanizam je već detaljno prethodno opisan).
Između FN modula i MPPT pretvarača može se staviti DC zaštitni prekidač – ne radi zaštite kabela jer fotonaponski moduli svojom strujom ne mogu preopteretiti kabel, već radi isključenja FN modula od MPPT regulatora zbog potreba servisa. Na izlazu MPPT regulatora spaja se zaštitni prekidač kojim se štiti spojni kabel, ali i omogućava servisno razdvajanje MPPT regulatora od LFP baterije. Svi važni podaci pri radu MPPTa- prosljeđuju se preko VE.direct sabirnice prema glavnom upravljačkom računalu sustava Cerbo GX. MPPT regulator je podešen za algoritam punjenja LFP baterije. Spoj je prikazan na slici 2.
Foto: Schrack Technik
Orion Smart DC/DC pretvarač
LFP baterije imaju značajno manji unutarnji otpor u odnosu na olovne baterije, što može prouzročiti neprihvatljivo povećanje struje alternatora ako bi se alternator priključio izravno na LFP bateriju. To može u konačnici završiti pregaranjem alternatora. Za priključak alternatora za punjenje LFP baterija koristiti se stoga DC-DC pretvarač koji kroz sebe kontrolirano propušta snagu pa jednostavno ne dozvoljava preopterećenje alternatora. Orion smart DC-DC pretvarač puni LFP baterije uz trostupnjeviti algoritam pri čemu je trajanje apsorpcijskog vremena uvijek jednako, ne razlikuje se kod plićih ili dubljih pražnjenja. Za vrijeme trajanja apsorpcijskog vremena LFP baterija može odraditi izjednačavanje ćelija. Upravljačkim ulazom moguće je ručno upravljati uključenjem i isključenjem rada pretvarača. Ako je DC/DC pretvarač Orion isključen preko upravljačkog ulaza ne prenosi energiju iz alternatora prema LFP bateriji. Osnovna shema spoja je prikazana na slici 3.
Foto: Schrack Technik
Na slici 4. uočavaju se ulazni i izlazni zaštitni prekidači izabrani po preporuci u uputstvima uređaja. I pretvarač Orion priključuje se preko Li charge releja na LFP bateriju. Bez obzira koji punjač prouzrokuje povišenje razine napona neke ćelije u LFP baterije preko dozvoljene svi punjači će biti isključeni. Kako se ulazna i izlazna razina napona tek neznatno razlikuje tako se i struje pri prolazu snage također ne razlikuju značajno pa je presjek spojnih kabela jednak, 16 mm2. Za primijetiti je da pri MPPT regulatoru koji je isto DC/DC pretvarač imamo značajnu razliku napona od ulaznog dijela gdje su priključeni FN moduli (cca 70 V DC) do izlaznog dijela koji ide prema LFP bateriji (cca 12 V), pa su stoga i spojni kabeli različitog presjeka.
Alternator je spojen na startnu bateriju i ona se u radu ne smije odspojiti jer bi moglo doći do uništenja alternatora. Servisna sklopka, kao što sama riječ kaže služi za servis, dakle u slučaju 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 otvarati u radu motora jer u trenutku kada Orion bude isključen, a nema spojene olovne baterije, opet se može uništiti alternator.
Foto: Schrack Technik
Konačna shema oko punjača
Na slici 5. prikazana je cjelovita shema spoja oba punjača, i MPPT regulatora punjenja za usmjeravanje energije iz sunca prema LFP bateriji i DC/DC pretvarača za usmjeravanje energije iz alternatora prema LFP bateriji. Kako je LFP baterija 400 Ah i poprilično je „gladna“, a alternator to dopušta, primijenjena su dva punjača Orion u paralelnom spoju, svaki po 30 A na strani LFP baterije. U praksi ostaje mogućnost ručno (ili automatski) preko beznaponskog kontakta na spoju ulaznih priključaka ulaza Oriona isključiti jedan Orion kako bi se alternator po potrebi rasteretio. MPPT regulator će pri 360 Wp osunčanih modula davati na 12 V cca 30 A. Uz idealno osunčane module kroz dan će se prikupiti ekvivalent 4 h pune osunčanosti, dakle cca 120 Ah če ući u bateriju iz FN modula. Preko Oriona LFP baterija će se dopunjavati samo pri radu motora, dakle cca 60 Ah pri radu motora 1 h. Ako brod miruje, a trebat će energiju iz bateriji i nema obalnog priključka u blizini, morat će se uključiti mali prijenosni generator na mjesto izmjeničnog priključka s obale. Primijetite da je u izvedbi izbačen zaštitni prekidač između FN modula i MPPT regulatora jer će se sve servisne radnje obaviti uz isključeni DC zaštitni prekidač između MPPT regulatora i LFP baterija. Napon startne baterije se šalje na nadzornik baterija BMV 712 gdje se prikazuje na njegovom pokazivaču odnosno prosljeđuje nadzorno-upravljačkom uređaju Cerbo GX na raspolaganje.
Foto: Schrack Technik
Veza izmjeničnog dijela do LFP baterija
Na slici 6 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 koje se napaja ulazni dio dvosmjernog pretvarača ali i dvije utičnice koje imaju napajanje samo ako je brod spojen na mrežu s kopna. Izlaz iz dvosmjernog pretvarača osigurava napajanje izmjeničnih trošila na brodu i ako je brod priključen na obali, ali i slučaju ako je brod odspojen od obale. Tada izmjenjivački dio u dvosmjernom pretvaraču sam stvara autonomnu izmjeničnu mrežu za napajanje izmjeničnih trošila crpeći energiju iz LFP baterija. Izmjenični izlaz dvosmjernog pretvarača spojen je preko zasebnog kombiniranog zaštitnog prekidača na izmjenične zaštitne prekidače pojedinih strujnih krugova izmjeničnih trošila. Dvosmjerni pretvarač spojen je se LFP baterijom preko DC priključaka. Plus toga priključka vodi se preko servisne sklopke do plus sabirnice u Lynx Power in modulu. 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
VE. Bus mains detector
Na slici 7. je pokazan detalj slike 6. oko spoja VE.Bus mains detector-a. Uz svaki VE.Bus BMS uređaj dolazi u pakiranju i jedan sklop VE.Bus mains detector. Ako je dvosmjerni pretvarač Multiplus u izmjenjivačkom režimu rada (dakle stvara autonomnu mrežu iz baterije za vrijeme dok obalni napon nije prisutan) VE.Bus BMS će isključiti Multiplus preko VE.Bus sučelja ako Multiplus, tj priključena izmjenična trošila iscrpe LFP bateriju ispod dozvoljene razine u nekoj ćeliji. Po dolasku mrežnog napona na ulazu Multiplusa, VE.Bus Mains detector primjećuje da je mreža kao izvor napajanja opet prisutna i da se može provesti punjenje baterije. No uređaj Multiplus je još uvijek isključen, blokiran! Informaciju iz VE.Bus Mains detector-a o prisutnosti mreže prima VE.Bus BMS nadzornik koji sada može deblokirati Multiplus i dopustiti mu rad tj provođenje punjenja baterija iz priključene mreže! Bez informacije iz VE.Bus mains detector- niti uz prisutan napon na mreži Multiplus ne bi mogao početi puniti baterije! Verzija dvosmjernog pretvarača Mulitplus II ima ovaj sklop ugrađen u sebi.
Na slici 7. je vidljivo kako se Multiplus povezuje RJ45/UTP mrežnim kabelom s VE.Bus mains detector-om, a on 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. Ulaz izmjenične obalne mreže u Multiplus mora se spojiti s VE.Bus mains detector-om, slika 7.
Foto: Schrack Technik
Spoj galvanskog izolatora
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 pri čemu žrtvena anoda broda štiti ne samo brod već i pristanište! Štiteći pristanište žrtvena anoda će se puno brže potrošiti nego se očekuje dok štiti samo metale broda!
Foto: Schrack Technik
Galvanske struje se mogu prekinuti galvanskim izolatorom ili odvojnim izolacijskim transformatorom, slika 9. Ovdje je izabrano rješenje s galvanskim izolatorom. Zaštitni vodič priključka plovila se spaja na galvanski izolator na jednom kraju, a drugi kraj galvanskog izolatora se spaja na sabirnicu za izjednačenje potencijala broda. Galvanski izolator je antiparalelni spoj dvije grupe od po dvije u seriju spojene diode. Diode nisu zapreka za izmjenični napon 230 VAC jer da bi diode u galvanskom izolatoru provele u bilo kojem smjeru, na njima mora biti napon veći od 1,4 V. No 1,4 V je više od istosmjernih galvanskih napona koji se mogu pojaviti između metala na plovilu i metala na pristaništu ili pak susjednom ne štićenom brodu. Tako se prekida samo strujni krug istosmjernih galvanskih struja. Za izmjenični naponi i struju galvanski izolator ne predstavlja izolaciju i u tom smislu se ne narušava povezivanje metalnih masa broda i obalnog zaštitnog uzemljenja, tj. ne narušava se djelovanje zaštitnih uređaja u priključnom ormariću na obali i na plovilu!
Foto: Schrack Technik
Oprez: Primjena galvanskog izolatora zahtijeva povremenu kontrolu ispravnosti izolatora jer u slučaju pregaranja galvanskog izolatora tada je to zapravo slučaj prekida zaštitnog vodiča s kopnom. Pri kvaru izolacije vodiča na brodu prema masi broda, brod tako dolazi na po život opasan dodirni napon prema referentnoj zemlji. Ovo je jedan od razloga zašto je u marinama zabranjeno kupanje oko brodova!
Slika 10. Prikazuje nekoliko detalja pri izvedbi izmjenične instalacije
Foto: Schrack Technik
Zaključno, ovom nastavku opisan je dio sheme oko spoja punjača, startne baterije, alternatora, dvosmjernog pretvarača i priključka izmjenične mreže. U daljnjem nastavku opisat će se informacijsko spajanje komponenata, konačno podešavanje i puštanje u pogon.
Tekst je nastao u Schrack Technik d.o.o., a moguća pitanja naslovite na [email protected]
Pročitajte i serijal o LED osvjetljenju kojeg donosimo u suradnji s tvrtkom Schrack Technik d.o.o.:
Umjetnost rasvjete: Sve što trebate znati o LED rasvjetnim trakama
Kako ugraditi LED trake za osvjetljenje namještaja ili interijera?
[VODIČ] Sve o izvorima napajanja LED rasvjetnih traka
Kako upravljati razinom i bojom svjetla LED trake? Donosimo primjere shema
Vodič kroz LED svjetlosno polje, lance i pločice: Riješite problem neravnomjerne LED rasvjete
Kako spojiti dva jednaka fotonaponska modula, serijski ili paralelno? Donosimo odgovor
