SuperPack LFP baterija na brodici Šibenik 800 (1)
U serijalu smo već opisali nekoliko brodica (između kojih i brodicu Šibenik 800) u kojima smo olovnu bateriju opće namjene zamijenili s LiFePO4 baterijama (LFP baterijama). Gotovo sva predstavljena rješenja su izvedena uz vanjski sklop za nadzor baterija. Vanjski nadzornik stanja LFP baterije spojen je informacijskom sabirnicom s mjernim elektroničkim sklopovima u bateriji. Zadaća mu je zaštititi bateriju od prekomjernog punjenja i pražnjenja prateći razinu napona pojedinih ćelija baterije, ali i od razarajućeg temperaturnog djelovanja na ćelije primjerice pri punjenju pri temperaturama nižim od pet stupnjeva ili rada pri povišenim temperaturama. Nadzornik mjerenjem stanja ćelija stvara signale za sklopke za isključenje trošila (primjerice Battery protect) ili sklopke za isključenje punjača (primjerice Li Charge ). Isključenje trošila ili punjača sprječava uništenje baterije. I vanjski nadzornik i izdvojene sklopke za isključenje trošila ili punjača kompliciraju instalaciju zauzimanjem fizičkog mjesta u instalaciji i potrebnim ožičenjem.
Foto: Schrack Technik
U ovom nastavku opisuje se primjena u novogradnji brodice Šibenik 800 Lithium SuperPack baterije (kratica LSP baterije), gdje su i nadzornik baterije i sklopke za zaštitu baterije smještene u zajedničko kućište baterije. Primjenu LSP baterija opisali smo do sad samo u rekonstrukciji jednog Bayliner-a, pa će ovaj članak nastojati proširiti ta znanja!
Lithium SuperPack (LSP) baterije
LSP baterije imaju samo dva energetska priključka (plus i minus pol) i po kutiji se ne razlikuju od olovnih baterija, slika 1. LSP baterije su LFP baterije s dodatkom unutarnje sklopke koja će isključiti bateriju iz strujnog kruga u slučaju stanja prekomjernog punjenja, pražnjenja, preniske ili previsoke temperature u bateriji. Olovna baterija će se vrlo brzo prijevremeno uništiti uslijed sulfatizacije elektroda ako ostane dulje vrijeme nenapunjena dok LFP bateriji ne smeta stanje djelomične napunjenosti. Životni vijek LFP baterije će se čak i produljiti ako nije ustaljeno potpuno puna. Olovna baterija ima nisku (80%) prosječnu učinkovitost spremanja i preuzimanja energije u ciklusu rada od pune baterije do potpuno prazne baterije i ponovno do pune baterije. Tako je pri kraju punjenja olovne baterije od primjerice 80% napunjenosti do 100% napunjenosti moguće svega 30% privedene energije uistinu i spremiti u bateriju, a pri samom kraju punjenja još manje! Za LFP baterije vrijedi 95% učinkovitost u radnom ciklusu spremanja i preuzimanja energije. Znači da se skoro sva energija privedena bateriji može u nju spremiti i kasnije iz nje izvući. Gubici energije u radu s LFP baterijom su gotovo zanemarivo mali. (Ne zaboraviti: Električka energija se ne može „izgubiti“ već se ona pretvara u neki drugi oblik energije koji nije koristan u osnovnoj ideji spremanja i preuzimanja električne energije iz baterije!).
Foto: Schrack Technik
LSP baterije se smije spajati u paralelu, no i tu ne treba pretjerivati. Ako se jedna baterija sama isključi iz strujnog kruga, struja će se raspodijeliti između preostalih paralelno spojenih baterija i moguće preopteretiti preostale baterije i kabele, što može opet dovesti do samoisključenja i u drugim paralelnim granama. Preporučuje se stoga spajati najviše dvije do tri baterije u paralelu. LSP baterije se ne smije spajati u seriju. Zbog optimalnog hlađenja sklopova u bateriji smiju se koristiti samo u uspravnom stanju. Za primjenu je važno uočiti u tehničkim podacima dozvoljene ustaljene struje pražnjenja i punjenja baterije. Tako primjerice za 200 Ah bateriju vrijedi da je 70 A najveća dozvoljena ustaljena struja pražnjenja ili punjenja. Ovo ograničenje proizlazi prvenstveno iz podataka sklopke za samoisključenje baterije ugrađene u bateriju. Ako se ovo ne poštuje u instalaciji, događat će se nepoželjni i nepotrebni ispadi instalacije pri većim opterećenjima punjenja ili pražnjenja. Oprez, ova baterija upravo zbog ovog ograničenja struje zaštitnih sklopki nije pogodna za napajanje snažnih motora bočnog potisnika i sidrenog vitla koji redovito traže struje veće od 100 A. Zbog potrošnje elektroničkih sklopova ugrađenih u sebi, LSP baterije smiju ostati nekoliko mjeseci bez dopunjavanja. Samopotrošnja unutar LSP baterije ne bi trebala stvarati probleme uz primjenu dopunjavanja LSP baterija iz fotonaponskih modula u sustavu.
Kako nema informacijskog spoja instalacije sa sklopovima unutar LSP baterije, tako se LSP bateriju može nadzirati jedino na isti način kao i olovnu; samo preko napona i struje priključaka, tj. preko veličina koje se iz napona, struje i vremena mogu izračunati. Slika 2 prikazuje karakterističan spoj dvije LSP baterije uz nadzor struje i napona baterije u vanjskom nadzorniku. Mjerene veličine na mjernom otporniku, ali i računom dobivene veličine, mogu se pročitati na lokalnom zaslonu (slika 2 lijevo, BMV712 Smart nadzornik) ili ih se može proslijediti prema nadzornom računalu (slika 2 desno, Smart shunt nadzornik prosljeđuje VE.Direct sabirnicom Cerbo Gx računalu). Oba ova nadzornika računaju i pokazuju stanje napunjenosti baterije. Ako se stanje napunjenosti poveže s relejnim izlazom, bilo u samom nadzorniku ili u nadzornom računalu, moguće je dobiti signal da je baterija blizu ispražnjenog stanja i sukladnom tom signalu isključivati trošila prije samoisključenja baterije. Parametriranje i konfiguriranje mjernog člana u oba slučaja provodi se preko VictronConnect aplikacije.
Foto: Schrack Technik
Spoj oko LSP baterija
U novogradnji brodice Šibenik 800 koriste se za bateriju opće namjene dvije LSP baterije po 200 Ah spojene paralelno, slika 3. Najbliže moguće prema pozitivnom priključku baterije spojeni su osigurači class T. Glavna sklopka omogućuje isključenje svih trošila LSP baterije osim upravo onih koje ne želimo da budu isključeni zbog osiguravanja stalnog daljinskog nadzora nad baterijom (napajanje Smart Shunta, nadzornog računala za daljinski nadzor Cerbo GX i napajanje GX modema). U kompaktnom sabirničkom modulu Lynx power in postavljeni su rastalni osigurači prema granama istosmjerne instalacije. U smjeru istosmjernih trošila postavljene su dvije servisne sklopke (za dvosmjerni pretvarač i za DC trošila). Isključenjem ovih trošila na servisnim sklopkama uz uključenu glavnu sklopku na LSP bateriju ostaju spojeni samo punjači. Smart shunt ima i mjerni priključak za istovremeno mjerenje napona startne baterije (Aux input).
Foto: Schrack Technik
Spoj punjača i LSP baterije
Na brodici Šibenik 800 fotonaponski moduli snage 2 x 175 W spojeni su paralelno i zaduženi su za dopunjavanje LSP baterija. 350 W modula za sunčana dana može dati približno 350 W x 4 h = 1400 Wh električke energije. Električka energija se prema LSP bateriji šalje preko regulatora punjenja MPPT 100/50 Smart solar koji iz raspoložive snage modula u svakom trenutku postavlja potrebnu naponsku razinu punjenja baterije. Dva DC/DC pretvarača Orion pri vrtnji alternatora prepoznaju naponsku razinu koja znači da je motor u pogonu i da se smije iz točke spoja alternatora i startne baterije preuzimati 30 + 30 A istosmjerne struje i prosljeđivati je u LSP bateriju. Bez DC/DC pretvarača, izravnim spojem alternatora i LSP baterije došlo bi do porasta struje punjenja LSP baterije zbog izuzetno malog unutarnjeg otpora LSP baterije, a time i do samoisključenja baterije i/ili pregaranja alternatora (teško je reći što bi se prvo dogodilo, ali nikako ne savjetujemo probati!). DC/ DC pretvarači ograničenjem struje koju propuštaju kroz sebe štite i alternator i osiguravaju da ne dolazi do samoisključenja LSP baterije. Zamjenom kratkospojnika s upravljačkom sklopkom ili relejom nadzornog računala Cerbo GX, na priključku za omogućenje DC/DC pretvarača moguće je onemogućiti rad pojedinog pretvarača čak i ako alternator radi. To može biti potrebno ako je motor dugotrajno u niskim okretajima pa alternator ne može dati nazivnu struju. Tada svjesno ne želimo puniti LSP bateriju već ipak prioritetno startnu bateriju na kojoj su i bočni potisnik i sidreno vitlo, dakle ne baš mala trošila čiju potrošnju treba uvijek prioritetno nadomjestiti radom motora i alternatora.
Foto: Schrack Technik
Izmjenični dio instalacije
Izmjenični dio instalacije u brodici može biti preko izborne sklopke spojen ili na obalnu mrežu ili na autonomnu mrežu koju stvara izmjenjivač u dvosmjernom pretvaraču, slika 5. U oba slučaja trošila se priključuju preko RCD sklopke sa strujom kvara 30 mA. Prednost dvosmjernog pretvarača ogleda se u mogućnosti njegovog istovremenog rada kao punjača LSP baterija dok je brodica spojena na obalu. Dvosmjernim pretvaračem tako je objedinjena funkcija punjača i funkcija stvaranja izmjeničnog napajanja 230 V, 50 Hz iz baterije u plovidbi. Kako bi se izbjeglo stvaranje galvanskih struja pri priključenju plovila na obalu ugrađuje se galvanski izolator.
Foto: Schrack Technik
Informacijski spoj komponenata
Komponente se informacijski spajaju s nadzornim računalom Cerbo GX, slika 6. BMV 712 Smart nadzornik i regulator punjenja MPPT 100/50 povezuju se VE.Direct kabelima s nadzornim računalom. GX modem povezuje se preko USB kabela. Dvosmjerni pretvarač i nadzorni modul Digital Multi control povezuju se VE.Bus kabelom s nadzornim računalom. Nadzorni modul Digital Multi control služi za daljinsko upravljanje dvosmjernim pretvaračem s nadzornog mjesta brodice. Na njemu su svi upravljačko pokazni uređaji kao i na dvosmjernom pretvaraču, no dvosmjernom pretvaraču se za pogonsko rukovanje ne može pristupiti jer je smješten u bok brodice. Na nadzorno računalo se može priključiti zaslon osjetljiv na dodir (primjerice GX touch 50), no u ovom rješenju nije ugrađen. Tako se sva dvosmjerna komunikacija odvija preko mobitela koji „glumi“ zaslon nadzornog računala Cerbo Gx. Nadzorno računalo Cerbo Gx šalje preko modema podatke na poslužiteljsko računalo na internetu, a telefonom se preko GSM veze s internetom pristupa tom poslužiteljskom računalu. Ovo rješenje nije skroz „komforno“, ali je dostatno ako se ne inzistira na stalnom i trenutačnom uvidu u sustav. Za uvid u sustav preko mobitela mora postojati GSM signal i mobitel mora biti pun! Za daljinski nadzor sustava samo dok nije u plovidbi, nadzor preko mobitela je potpuno dovoljan. Za one koji žele pun komfor i stalan uvid u sustav, ugradnja lokalno zaslona je pravi izbor. Nadzorno računalo prati 4 temperaturna osjetnika smještena redom na: alternatoru, DC/DC pretvaračima Orion i sabirničkom modulu Lynx Power In.
Foto: Schrack Technik
Detalji montaže
Na slici 7 je prostor oko LSP baterija, osigurača class T i mjernog otpornika. Smještaj GX modema i nadzornog računala Cerbo GX je na slici 8 gdje je za primijetiti da su u blizini 90 mm2 vodiči koji razvode napon od LSP baterije. Tu bi se sigurno moglo bolje razmjestiti komponente, no ako i ovako izvedete, barem neka se vodiči križaju pod pravim kutom radi smanjenja međuindukcije vodiča. Nikao nije dobro voditi paralelno informacijske i energetske vodiče zbog moguće međuindukcije koja će gotovo sigurno dovesti do izobličenja informacijskog signala – a to se ne želi!
Foto: Schrack Technik
Foto: Schrack Technik
Na slici 9 prikazan je i detalj montaže temperaturnih osjetnika na DC/DC pretvarače, a na slici 10 i montaža temperaturnog osjetnika pod vijak kućišta alternatora. Dobro je i kabel koji je u prostoru vrućeg motora provesti kroz posebni termootporni bužir. Na slici 11 je detalj spoja zaštitne sklopke prema fotonaponskim modulima, kako bi se u slučaju servisnog zahvata mogao isključiti napon što dolazi s fotonaponskih modula. Vrlo često na ovome se „štedi“, a onda se moduli u slučaju servisnog zahvata prekrivaju recimo dostupnim ručnicima…
Foto: Schrack Technik
Foto: Schrack Technik
Foto: Schrack Technik
Zaključak
U ovom nastavku predstavljena je Lithium SuperPack (LSP) baterija kao kompaktna izvedba LFP baterija, nadzornika rada baterije i sklopke za isključenje punjača i trošila, sve u zajedničkom kućištu. Razrađena je konkretna instalacija brodice Šibenik 800 s LSP baterijom u ulozi baterije opće namjene. Unatoč velikog kapaciteta ipak iz ove baterije nije moguće napajati snažna trošila poput sidrenog vitla i bočnog potisnika jer ima u sebi sklopku koja će isključiti struju pri razini od 70 A po bateriji. Bočni potisnik i sidreno vitlo spojeni su u predstavljenom rješenju izravno na startnu bateriju. Stoga se opravdano može postaviti pitanje je li ipak bolje rješenje za bateriju opće namjene primijeniti klasičnu LFP bateriju s vanjskim nadzornikom umjesto LSP baterije. LFP baterija s vanjskim nadzornikom bez poteškoća podnosi pražnjenja iz baterije i do nekoliko stotina ampera prema bočnom potisniku i sidrenom vitlu. Ali i predstavljeno rješenje s LSP baterijom ima svojih prednosti – nećete nikada ostati bez energije za hladnjak…
U sljedećem nastavku opisat će podešavanje parametara i puštanje u pogon komponenata uz još nekoliko detalja instalacije!
Tekst je nastao u Schrack Technik d.o.o., a moguća pitanja naslovite na [email protected]
