Novogradnja s LFP NG baterijom – može li jednostavnije?
U prethodnom nastavku opisano je nastajanje sheme novogradnje osnovne električne instalacije oko baterije opće namjene jednog plovila (duljine 8 m s izvanbrodskim motorom) s LFP NG baterijama proizvođača Victron Energy. Jedan od naših čitatelja ima plovilo u izradi i pokušao je „u zadnji čas“ nagovoriti brodograditelja da ubaci u plovilo LFP NG baterije. U tom smislu zamolio nas je dodatno pojednostavnjenje sustava iz prethodnog nastavka kako bi brodograditelj možda prihvatio preinaku svojeg klasičnog rješenja s olovnim baterijama. Mi ćemo rado opisati kako smo to pojednostavnili sustav. Istovremeno će se usporediti i komentirati razlike kroz usporedbu shema oba sustava. Zbog brzine i želje za realizacijom u prethodnom nastavku potkrale su se i male pogreškice pa će se i na njih ukazati i naglasiti o čemu se radi. Nadamo se da ćemo imati prilike realizirati ovaj sustav u novogradnji tog brodograditelja u bliskoj budućnosti i onda ćemo ga naravno rado spomenuti.
Foto: Schrack Technik
Zbog svih neodlučnih budućih vlasnika tek informacija da u brodogradilištu Dunkić u Šibeniku kreće oprema jednog novog Šibenika 800 s LFP NG baterijama. Tu će se iskoristiti sve napisano u ova dva posljednja nastavka i spojiti s iskustvima na do sada maloj floti Šibenika 800 koja plovi već nekoliko godina s klasičnim LFP baterijama. Veselit ćemo se objaviti detalje i te gradnje kako se već bude odvijala.
Prihvat LFP NG baterije u instalaciju
LFP NG baterije dostupne su u kapacitetu 100, 200 i 300 Ah s nazivnim naponima 12,8 V i 25,6 V, a 100 Ah s nazivnim naponom 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 pojednostavnjenom rješenju umjesto dvije 12,8 V, 200 Ah baterije primijenit će se jedna baterija 12,8 V, 300 Ah, slika 1.
Foto: Schrack Technik
LFP NG baterija spaja se što kraćim kabelskim priključkom do Class T rastalnog 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 osigurač mora biti što bliže bateriji jer struju kratkog spoja baterijskih kabela rastalni osigurač može prekinuti samo ako kratki spoj nastane u instalaciji iza rastalnog osigurača (u smjeru od baterije prema trošilima). U ovom pojednostavnjenom rješenju koristi se nosač Class T rastalnog osigurača proizvođača Blu Sea Systems umjesto modula Lynx Class -T Power-in koji može prihvatiti dva class T osigurača. To je osiguralo uštedu u prostoru.
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 1.
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 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. Običan Lynx smart BMS mogao je 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 komunikaciji 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!
Lynx smart BMS NG, priključak stalnih 12 V trošila, bočnog potisnika i općih 12 V trošila
Na Lynx smart BMS NG uređaju moguće je na Remote stezaljke priključiti upravljačku sklopku System on-off , slika 2. 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 cijeli sustav spojen „desno“ od BMS-a, tj. odvojiti bateriju od instalacije. To je potrebno primjerice pri servisnom zahvatu.
Foto: Schrack Technik
Na modul Lynx smart BMS NG nastavlja se sabirnica s rastalnim osiguračima za prihvat trošila, slika 2. U sredini sabirnice u plus polu primjećuje se i zamjena servisne mehaničke glavne sklopke sa sklopnikom (relejom) čiji se kontakti zatvaraju i otvaraju pod djelovanjem elektromagnetske sile (engl. remote battery switch, RBS). RBS je opet proizvođača Blue Sea Systems i omogućuje uključenje i isključenje instalacije broda daljinski. RBS na slici 2. ima ulogu glavne sklopke. Lijevo od RBS-a (glavne sklopke) spajaju se trošila koja moraju stalno biti uključena na napon, tj. čak i ako je RBS– glavna sklopka isključena. Takva trošila su primjerice muljne pumpe. Umjesto sabirnice i pojedinačnih nosača rastalnih osigurača u prethodnom nastavku bio je primijenjen modul Lynx distributor. 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 daljinskog praćenja stanja ispravnosti svakog rastalnog osigurača na nadzornom računalu. Primjenom klasične sabirnice s rastalnim osiguračima u plus polu i posebne minus sabirnice umjesto modula Lynx distributor gubi se mogućnost daljinskog nadzora rastalnih osigurača, a ušteda u prostoru je gotovo beznačajna.
Otvaranjem kontakata sklopnika u BMS-u štiti se baterija od predubokog pražnjenja bočnim potisnikom. Za opća trošila za 12 V 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
U izmjeničnoj instalaciji nije bilo promjena u ovom pojednostavnjenom rješenju. 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. dok plovilo nije spojeno na obalni priključak. Zaštitni vodič obalnog napajanja zbog prekidanja galvanskih struja uz zadržavanje zaštitne funkcije spoja s obalnim uzemljenjem, 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 po potrebi zaustaviti rad dvosmjernog pretvarača Multiplus (preko funkcije DVCC u Cerbo GX koja se automatski aktivira pri prepoznavanju Lynx Smart BMS NG-a).
MPPT regulator i DC/ DC pretvarač Orion XS
Na plovilu su dva punjača LFP NG baterije, slika 4. MPPT regulator prosljeđuje energiju iz fotonaponskih modula prema LFP NG bateriji i spaja se između BMSa i RBS-a glavne sklopke. Tako spojen MPPT može puniti bateriju i ako je RBS-glavna sklopka plovila isključena. U prethodnom rješenju MPPT je bio spojen na modul Lynx distributor koji nije omogućavao dopunjavanje baterije uz isključenu sklopku u BMS-u. U ovom rješenju imamo dva sklopna aparata: BMS koji čuva bateriju i RBS koji ima ulogu glavne sklopke. BMS može ostati stalno uključen, pa MPPT može trajno dopunjavati energiju u bateriji. RBS-om se pak isključuju sva trošila osim onih „stalnih“, a i ta stalna trošila će se isključiti sklopnikom u BMSu ako bude u pitanju potreba zaštite skupe baterije.
Zaštita od prekomjernog punjenja iz MPPT regulatora provodi se i ovdje u prvoj liniji preko funkcije krivulje punjenja MPPT-a, a u drugoj liniji tek 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 umjesto mehaničke servisne sklopke spojen je još jedan RBS (engl. remote battery switch, RBS). Potrebno je uvijek podsjetiti: startna baterija se ne smije isključiti iz strujnog kruga dok je alternator u pogonu, tj. sve dok je motor uključen! RBS spojen na startnu bateriju se ne smije isključiti dok je motor u radu jer bi alternator u motoru ostao bez spoja s baterijom i sigurno bi se uništio!
Slika 5. objedinjuje spoj svega do sada opisanog, dok slika 6. pokazuje kako je izgledalo rješenje u prošlom nastavku. Na toj slici 6. ispravljena je greškica u crtanju izmjeničnog dijela instalacije, promakla u prethodnom nastavku serijala. Pažljivi čitatelj uvidjet će da je shema na slici 5. ipak „prozračnija“ i da je u kombinaciji BMS-a i RBS-a (glavne sklopke) optimalno riješeno uključenje MPPT-a u sustav i napajanje stalnih trošila na 12 V.
Foto: Schrack Technik
Foto: Schrack Technik
Informacijski spoj
Informacijski spoj nije se mijenjao. 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 7. 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 8. Napajanje GX-GSM modema ide iza RBS-a glavne sklopke. Ako RBS 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 ponovnom uključenju napajanja 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 određenu potrošnju i to stanje treba izbjegavati. Pretvarač je potrebno staviti u on samo ako 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 9. 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. Na slici 10. je prikazana cjelovita shema rješenja iz prošlog nastavka.
Foto: Schrack Technik
Foto: Schrack Technik
Zaključak
U ovome članku prikazuje se pojednostavnjenje rješenja osnovne instalacije plovila s LFP NG baterijom za bateriju opće namjene prikazanog u prethodnom nastavku serijala. Ostvarene su određene uštede prostora za ugradnju, ali uz smanjeni kapacitet baterije. Primjenom RBS-a glavne sklopke kvalitetno je riješeno uključenje MPPT-a u sustava tako da i uz isključenu glavnu sklopku MPPT može puniti bateriju. Slično vrijedi i za stalna trošila, naime BMS brine samo o zaštiti baterije, a RBS-om se mogu isključiti sva trošila osim onih koja moraju ostati u trajnom napajanju. Iako nismo uspjeli za sada realizirati ovo rješenje, prikazujemo vam ga jer vjerujemo da će vam pomoći u osmišljavanju vaših ideja i rješenja.
Istovremeno sve što smo naučili i prenijeli (i prenosimo kroz sve ove godine!) vjerujemo da će na kraju pomoći i nekom domaćem brodograditelju da našim lijepim morem plove brodovi opremljeni u našim brodogradilištima! Kažem opremljeni jer za razvoj i proizvodnju tih i takvih uređaja smo odavno izgubili dah…No treba i te uređaje znati spojiti u suvislu cjelinu – bar to možemo naučiti!
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:
Punjenje i ispitivanje kapaciteta LFP baterija
