Novogradnja plovila s LFP NG baterijom
U prethodnom nastavku obrađene su LFP NG baterije proizvođača Victron Energy. To su litij željezo fosfatne (LiFePO4 ili LFP) baterije, a slova NG oznaka su nove generacije (engl. new generation, NG). Dotaknuli smo se i novih komponenata modularnog sabirničkog sustava Lynx. Prikupljajući sva ta nova znanja ‘dogodio’ se upit od našeg čitatelja, investitora, za razradu opreme jedne novogradnje plovila. Plovilo je naručeno i u izradi je, ali investitor tek treba uvjeriti brodograditelja da izvede sustav napajanja s LFP NG baterijom. Ako se investitor i brodograditelj dogovore, naravno da ćemo rado objaviti o kojem je to malom brodograditelju riječ. U ovom nastavku razrađuje se oprema i osnovna shema s kojom će investitor poći dogovarati da baš ovo želi imati ugrađeno u svoje plovilo!
Foto: Schrack Technik
Naši vjerni čitatelji imaju do sada u pet nastavaka opisane dvije novogradnje Šibenik 800 s Victron energy LFP baterijama, i u dva nastavka opisanu jednu novogradnju Šibenik 800 s LSP baterijom (engl. Lithium super pack, LSP – to je LFP baterija koja ima u sebi u istom kućištu i sve nadzorno-zaštitne sklopove! LSP baterije imaju samo plus i minus priključke (nemaju informacijskih kabela što dolaze iz baterije), a ideja njihove primjene je ‘jedan na jedan’ zamjena olovnih baterija. Objavili smo i rekonstrukciju jedne Leidi 800 s LFP baterijama.
Korak po korak, kroz nastajanje sheme, opisat će se novogradnja osnovne električne instalacije jednog plovila duljine 8 m s izvanbrodskim motorom i LFP NG baterijama za bateriju opće namjene. Startna baterija će i dalje biti olovna baterija. Ako dođe do realizacije ovog projekta tada će se prikazati i detalji izvedbe ugradnje opreme kao i parametriranje iste. No čak i ako se ne dogodi realizacija, nadamo se da će ova razrada pomoći nekome u promišljanju svojeg novog plovila ili rekonstrukcije postojećeg.
Prihvat LFP NG baterija u instalaciju
LFP NG baterije dostupne su u kapacitetu 100 Ah i 200 Ah s nazivnim naponom 12,8 V, 25,6 V i 51,2 V. Mogu se spojiti serijski, paralelno ili serijski/paralelno. Dozvoljen je spoj do 50 baterija u jednoj baterijskoj banci! LFP je, podsjećamo, najsigurniji komercijalno dostupan tip litijevih baterija. U našem rješenju bit će dvije 12,8 V, 200 Ah baterije, slika 1.
Foto: Schrack Technik
LFP baterije spajaju se što kraćim kabelskim priključkom do modula Lynx Class T power in. Ovaj modul u sebi može prihvatiti dva Class T rastalna osigurača. Struja kratkog spoja u baterijskoj instalaciji najveća je ako se kratko spoje priključci baterije ili ako dođe do kratkog spoja baterijskih kabela pri bateriji. Stoga prvi rastalni osigurači moraju biti što bliže bateriji jer struju kratkog spoja baterijskih kabela rastalni osigurač može prekinuti samo iza svog položaja u instalaciji. LFP baterija ima značajno manji unutarnji otpor od olovne baterije pa struja kratkog spoja blizu baterije može dosegnuti 10 do 15 kA. Za tako velike struje kratkog spoja primjenjuju se Class T osigurači s prekidnom moći od 20 kA. Takav osigurač prilikom prekidanja struje kratkog spoja neće eksplodirati, a što bi se moglo dogoditi ako se umjesto Class T ugrade rastalni osigurači za olovne baterije, primjerice tipa MEGA s prekidnom moći 2 do 4 kA.
Class-T osigurači su mehanički veći od MEGA osigurača i ne mogu stati u Lynx sabirničke module namijenjene za MEGA osigurače. U praksi se ugrađuju osigurači smješteni u pojedinačne nosače osigurača, no takvim rješenjem gubi se kompaktnost sabirničkog sustava Lynx. Stoga je razvijen modul Lynx Class-T Power in za prihvat dva Class-T osigurača. Class-T rastalni osigurači za velike struje (250, 300, 350 i 400 A) moraju se hladiti strujanjem okolnog zraka. To omogućuje izvedba kućišta modula s prorezima zbog hlađenja jer bi bez hlađenja osigurači prorađivali na manjim strujama od nazivnih zbog povišene temperature okoline koju stvaraju gubici snage pri protoku struje!
Lynx smart BMS NG
Osim energetskih priključaka, LFP NG baterije imaju i komunikacijske priključke na krajevima komunikacijskih kabela. Ovi komunikacijski priključci spajaju se na modul Lynx smart BMS NG, slika 2.
Foto: Schrack Technik
U 12,8 V bateriji serijski su spojene 4 baterijske ćelije. Ćelija LFP baterije u radu ne smije niti jedanput izaći iz raspona od najmanje do najveće dozvoljene napunjenosti. Ako samo jedna ćelija u bateriji bude samo jednom prekomjerno ispražnjena ili napunjena, najvjerojatnije će biti nepovratno uništena. Uništena ćelija znači i uništena skupa baterija.
Nadzornik baterije LFP NG baterija modul Lynx smart BMS NG prati stanje svake ćelije u LFP NG bateriji i može proizvesti signale za isključivanje punjača ili trošila. Signal za isključenje je ili bez naponski relejni kontakt ili naponska razina izlaza ili poruka preko informacijske sabirnice VE.Can. Lynx smart BMS NG ima u sebi u pozitivnoj sabirnici ugrađen sklopnik u funkciji posljednje linije obrane baterije od prekomjernog pražnjenja ili punjenja. Sklopnik će zaštitno isključiti bateriju iz strujnog kruga ako upravljački signali Lynx smart BMS NG-a ne djeluju, tj ako BMS unatoč izdanim signalima za isključenje trošila i punjača uočava i dalje nastavak nepovoljnog trenda napona ćelija pri punjenju ili pražnjenju baterije. U negativnu sabirnicu u Lynx smart BMS NG-u ugrađen je i mjerni otpornik za mjerenje struje baterije. Tako se može pratiti trenutačno stanje napunjenosti, cikluse rada i sl.
Oprez: Za LFP NG baterije potrebno je ugraditi Lynx smart BMS NG. Naime informacijska komunikacija običnih LFP baterija je analogna, a LFP NG baterija je digitalna. Stoga nije dozvoljeno miješati obične LFP i LFP NG baterije, kao niti običan Lynx smart BMS i Lynx smart BMS NG!
Lynx smart BMS NG prikuplja podatke o svakoj ćeliji u bateriji i prosljeđuje ih sve u nadzorno računalo i na kraju na VRM portal (engl. Victron remote management, VRM) gdje se prati rad sustava, dok je običan Lynx smart BMS mogao proslijediti u nadzorno računalo samo alarm, bez uvida u detaljne podatke pojedinih ćelija! Uz NG opremu više nije potrebno pratiti svaku bateriju posebno u izravnoj kominkaciji preko aplikacije VictronConnect, već se praćenjem i povezivanjem s Lynx smart BMS NG-om prati sve detalje svih baterija i svih ćelija u bateriji odjednom!
Na slici 2. primjećuje se i servisna sklopka između Lynx Class T power in modula i Lynx smart BMS NG modula. U slučaju potrebe za servisnim zahvatom na baterijama baterije se mogu s pomoću ove sklopke odvojiti od ostatka sustava.
Priključak stalnih trošila 12 V DC na plovilu
Na Lynx smart BMS NG uređaju moguće je na Remote stezaljke priključiti upravljačku sklopku System on-off za upravljanje cijelim sustavom, slika 3. Ako je ova sklopka uključena, kontakti sklopnika u BMS-u su zatvoreni, ako je ova sklopka isključena kontakti sklopnika u BMS-u su otvoreni. Ovom sklopkom moguće je isključiti sva trošila spojena ‘desno’ od BMS-a. To je primjerice potrebno pri redovnom kraćem odlasku s plovila.
Foto: Schrack Technik
No ipak pojedina trošila moraju biti uvijek opskrbljena energijom iako su ostala isključena (primjerice muljne pumpe)! Zato je potrebno spojiti napajanje tih trošila ispred BMS-a. Ali i njih ipak želimo isključiti ako je zaštita skupe baterije u pitanju! Ovo možemo ostvariti tako da sustav postavimo ne u Off način rada, već u Standby način rada što je moguće samo preko zaslona upravljačkog računala. Sustav naime može biti u On, Off i Standby načinu rada, a upravljačka sklopka na Remote stezaljkama BMS-a može dovesti sustav samo u On ili Off stanje!
U Standby načinu rada sklopnik BMS-a je isključen (kao i sva trošila na plovilu desno od BMS-a), ali napon na AUX stezaljci BMS-a (stezaljka 1) je aktivan. Upravo iz ovog izvora napaja se upravljački ulaz elektroničke sklopke Battery protect 100 A koja dovodi napajanje „stalnim“ trošilima. Sve dok je AUX (stezaljka 1) visoko, elektronička sklopka Battery protect 100 A je uključena, a stalna trošila opskrbljena energijom. Ako bi baterija došla u nedozvoljeno područje prekomjerne ispražnjenosti neke ćelije, tada se i u Standby načinu rada u cilju zaštite baterije od prekomjernog pražnjenja isključuje i napon na AUX izlazu (stezaljka 1) i time elektronička sklopka Battery protect 100 A isključuje sva trošila koja se napajaju preko nje.
Spoj bočnog potisnika i ostalih trošila na 12 V DC
Na modul Lynx smart BMS NG nastavlja se modul Lynx distributor, slika 4. Lynx distributor ima plus i minus sabirnicu do 1000 A s četiri kabelska priključka. Lynx distributor jedinica omogućuje postavljenje četiri rastalna osigurača u kabelske priključke plus sabirnice uz opciju praćenja stanja ispravnosti svakog rastalnog osigurača. Lynx distributor prihvaća MEGA osigurače. Ako je sabirnica pod naponom svijetli centralni zeleni LED Power, a pojedini LED pokazivači pokazuju status pripadnog osigurača. Ako je osigurač pregorio, LED pokazivač pojedinog osigurača prelazi iz zelenog u crveno svjetlo.
Foto: Schrack Technik
Za pokazivanje stanja LED-om Lynx distributor potrebno je spojiti s Lynx smart BMS NG modulom kratkim R11 kabelom koji se dobiva uz Lynx distributor. Lynx smart BMS NG ima izvor napona koji od širokog raspona ulaznog napona baterija (8 do 70 V DC) stvara potrebnih 5 V DC za napajanje pokazne elektronike u Lynx distributor jedinici. Preko R11 kabela Lynx distributor šalje informaciju o stanju osigurača prema Lynx smart BMS-u i dalje preko VE.Can sabirnice na nadzorno računalo Cerbo GX. Tako je informacija o stanju osigurača dostupna u sustavu, ali i za daljinski nadzor na VRM portalu.
Na slici 4. vidi se da je bočni potisnik spojen bez dodatnog nadzora, dakle njega će u cilju zaštite baterije od baterije odvojiti samo otvaranje sklopnika BMS-a. No za opća 12 V trošila ubačena je dodatna elektronička sklopka Smart battery protect 220 A. Njezinim upravljačkim ulazom upravlja BMS preko bez naponskog kontakta ATD (engl. allow to discharge, ATD). Ako je dozvoljeno pražnjenje, kontakt je zatvoren i visoka razina dolazi na upravljački ulaz elektroničke sklopke. Ako je neka ćelija prekomjerno prazna, kontakt ATD se otvara i time se isključuje elektronička sklopka Smart Battery protect 220 A, a tako i sva preko nje spojena istosmjerna trošila na plovilu.
Izmjenična instalacija
Izmjenična trošila se preko RCD sklopke i izborne sklopke 1-0-2 mogu napajati ili s obale ako je plovilo spojeno na obalu, ili iz izlaza dvosmjernog pretvarača za vrijeme vožnje plovila, tj. kad plovilo nije spojeno na obalni priključak. Zaštitni vodič obalnog napajanja zbog prekidanja galvanskih struja prolazi preko galvanskog izolatora i spaja se sa svim metalnim masama u brodici.
Foto: Schrack Technik
Obalni priključak spaja se preko RCD sklopke na ulaz dvosmjernog pretvarača. Preko obalnog priključka kroz dvosmjerni pretvarač LFP baterija se može i puniti. Cilj održivog sustava je da se uopće ne mora dopunjavati LFP baterija energijom s obale, tj. idealno je ako MPPT regulator i Orion XS osiguravaju dostatno energije za sve potrebe na plovilu. Tada nije potrebno tražiti (i plaćati) pristanište s priključkom struje! No ako se energija ipak troši intenzivnije, onda će biti potrebno u nekom trenutku dopuniti bateriju s obale preko dvosmjernog pretvarača. Kako dvosmjerni pretvarač ne bi uništio bateriju prekomjernim pražnjenjem ili punjenjem i on se nadzire. Upravljačko računalo Cerbo GX će zaprimiti informaciju o prekomjernom pražnjenju ili punjenju neke ćelije iz Lynx Smart BMS NG modula preko VE.Can sabirnice i zaustaviti po potrebi rad dvosmjernog pretvarača Multiplus (preko funkcije DVCC u Cerbo GX koja se automatski aktivira pri prepoznavanju Lynx Smart BMS NG). Slika 6. objedinjuje i izmjeničnu instalaciju s dvosmjernim pretvaračem spojenu na istosmjerni dio u Lynx distributor.
Foto: Schrack Technik
MPPT regulator i DC/ DC pretvarač Orion XS
Na plovilu su dva punjača, slika 7. MPPT regulator prosljeđuje energiju iz fotonaponskih modula (360 Wp) prema LFP bateriji, preko Lynx distributor modula. Zaštita od prekomjernog punjenja iz MPPT regulatora provodi se i ovdje preko funkcije DVCC u Cerbo GX-u, a koja se automatski aktivira pri prepoznavanju Lynx Smart BMS NG u sustavu. Za to je potrebno da je MPPT regulator spojen preko VE.Direct kabela izravno s nadzornim računalom Cerbo Gx.
Foto: Schrack Technik
LFP NG baterija se puni iz alternatora preko DC/DC pretvarača Orion XS. Orion XS prepoznaje po naponu na ulaznim priključcima rad motora, uključuje se i ograničava struju punjenja LFP NG baterije na postavljenu vrijednost (do 50 A). LFP NG baterija bi bez ovog pretvarača mogla povući preveliku struju i uništiti alternator jer LFP NG baterija ima vrlo mali unutrašnji otpor za razliku od olovne. Olovna svojim unutrašnjim otporom ograničava struju punjenja, a LFP NG baterija mora imati DC/DC pretvarač koji će regulirati i ograničavati struju opterećenja alternatora na zadanoj, tj. dozvoljenoj vrijednosti. Zaštita od prekomjernog punjenja iz Orion XS pretvarača provodi se i ovdje preko funkcije DVCC u Cerbo GX-u, a koja se automatski aktivira pri prepoznavanju Lynx Smart BMS NG u sustavu. Za to je potrebno da je Orion XS spojen preko VE.Direct kabela izravno s nadzornim računalom Cerbo GX. Na plus polu startne baterije spojena je servisna sklopka. Postoje razna rješenja za ovo isključenje, primjerice RBS relej (engl. remote battery switch) no potrebno je uvijek podsjetiti: startna baterija se ne smije isključiti iz strujnog kruga dok je alternator u pogonu, tj sve dok je motor uključen!
Slika 7. objedinjuje priključak MPPT regulatora i pretvarača Orion XS u Lynx distributor. Kako Lynx distributor ima samo četiri izlaza mora se pribjeći dodatnom priključku na strani Lynx distributora kao je pokazano na slici. Ili se može primijeniti još jedan cijeli Lynx distributor!
Foto: Schrack Technik
Informacijski spoj
Nadzorno računalo Cerbo GX spojeno je na GX GSM modem tako da je sustav na plovilu moguće daljinski pratiti preko interneta na VRM portalu i to bilo preko računala, bilo preko pametnog telefona, slika 9. Napajanje nadzornog računala Cerbo GX dovodi se s AUX stezaljki Lynx smart BMS NG uređaja. Te stezaljke ostaju najdulje pod napajanjem što je bitno zbog komunikacije sa sustavom. Informacijska veza između ova dva uređaja je preko VE.Can sabirnice. Pri izvođenju VE.Can sabirnice ne zaboraviti zaključenje sabirnice na oba kraja zaključnim članovima koji su u opsegu isporuke.
Foto: Schrack Technik
Dodatno, na GX-GSM modem spojena je i aktivna GPS antena, slika 10. Napajanje GX-GSM modema ide iz Lynx distributora. Ako BMS isključi trošila, isključuje se i modem. Međutim podaci se prikupljaju i dalje u Cerbo GX-u sve dok Cerbo GX ima napajanje, a on se napaja preko AUX izvora na BMS-u, dakle najdulje moguće, a da se još ne ugrožava baterija! Po stabiliziranju stanja i povratku djelovanja GX-GSM modema prikupljeni podaci se iz Cerbo GX-a šalju na VRM portal, dakle ne gube se! Na Cerbo GX računalo spojeni su MPPT regulator punjenja i Orion XS preko VE.Direct sabirnice.
Preko VE.Bus sabirnice spojen je dvosmjerni pretvarač Multiplus. Neke opcije upravljanja dvosmjernim pretvaračem lako su dostupne preko zaslona osjetljivog na dodir GX touch koji je spojen na Cerbo GX. Može se ograničiti struja koju dvosmjerni pretvarač povlači iz mreže kada je na nju spojen. To može biti potrebno ako se dođe u situaciju da je u pristaništu zaštitni prekidač od 10 A, a dvosmjerni pretvarač uobičajeno povlači 16 A. Ako ovo jednostavno prilagođavanje/ograničenje struje s obale ne bi postojalo, pretvarač bi nepotrebno izbacivao obalni zaštitni prekidač. Tu je i postavljanje dvosmjernog pretvarača u on, off i charge only način rada. U položaju off dvosmjerni pretvarač je u pričuvnom stanju i gotovo ne troši energiju. U položaju on iako nema priključena trošila ipak ima stanovitu potrošnju i to stanje treba izbjegavati. Pretvarač je potrebno staviti u on samo kad se želi napajati neko izmjenično trošilo preko njega.
Foto: Schrack Technik
Pretvarač može u položaju on istovremeno raditi i kao izmjenjivač i kao punjač, dakle sinkronizira se s napajanjem s obale ako je obala spojena. U položaju on ako nije spojena obala radi samo kao izmjenjivač. U položaju charger only, pretvarač neće raditi kao izmjenjivač, već samo kao punjač spojen na obalu. Na nadzorno računalo Cerbo GX spojena su i četiri osjetnika temperature koja mjere temperature pojedinih točaka na plovilu.
Cjelovita shema prikazana je na slici 11. Može se postaviti pitanje što je u slučaju da se isprazni startna baterija, je li se mogu u hitnom slučaju ‘spojiti’ dvije kemije baterija? Rješenja su različita i nisu jedinstvena. Ne ulazeći u detalje spajanja ili ne spajanja olovne i litijeve baterije, prijedlog mogućeg rješenja je na plovilu imati starter pack, mali uređaj koji nam je dobro poznat iz automobilske industrije. To je mala litijeva baterija koja je namijenjena za startanje automobila ako baterija u automobilu zakaže! Naravno, starter pack treba održavati punim i spremnim za hitni slučaj.
Foto: Schrack Technik
Zaključak
Ako do realizacije projekta dođe, potrebno je odrediti detaljno smještaj komponenata. Prije puštanja u pogon provjeriti još jednom ožičenje i onda pustiti pojedine uređaje na napon, osvježiti osnovne programe uređaja i podesiti njihove parametre. Dakako sve dobro dokumentirati pa na kraju objaviti sve to kao novi članak!
Ako do realizacije ipak ne dođe, veselimo se ako smo možda proširili vidike i potaknuli nekoga od Vas za zahvat na svojem plovilu.
Sustav izgleda možda jednostavno, no nestručnom primjenom ove komponente mogu ugroziti sigurnost korisnika instalacije i u nekom slučaju i izazvati požar! I ovaj puta ograničili samo se na prenošenje osnovne ideje rješenja. Ovaj članak nikako ne zamjenjuje originalne upute uz uređaje, kao ni činjenicu da je projektiranje i izvedbu električnih instalacija potrebno povjeriti ovlaštenim i osposobljenom projektantima i izvođačima! Oprez! To što nakon čitanja članka razumijete možda više nego prije, ne čini vas niti osposobljenim niti ovlaštenim, već samo možete kvalitetnije i sigurnije razgovarati s projektantom i/ili izvođačem vaše instalacije.
Ako vam projektant ili izvođač nije uvjerljiv oko detalja rješenja – jednostavno tražite drugoga! Riječ je ipak o novoj tehnologiji za koju je potrebno investirati vrijeme u učenje i savladavanje načela i detalja djelovanja. Mi ćemo rado pomoći koliko možemo i znamo ako bilo projektant, bilo izvođač zatraži savjet. U pripremi je 7. izdanje FN priručnika i 4. izdanje priručnika o primjeni LFP baterije na plovilima pa smo možda na neka pitanja već naišli i imamo odgovor.
Tekst je nastao u Schrack Technik d.o.o., a moguća pitanja naslovite na [email protected]
Pročitajte i prijašnje tekstove o LFP baterijama:
