LFP baterije – što treba znati prije nego što ih krenete koristiti (1.dio)

Vrijeme čitanja: 11 min

Uvod

Litijeve baterije, preciznije litij-željezo-fosfatne baterije (engl. lithium iron phosphate battery, LiFePO4,  LFP) su trenutno sigurnosno i komercijalno glavni izbor baterija s litijevom tehnologijom. U više navrata smo o njima već pisali, a kako pripremamo opis opremanja motornog broda upravo s njima kroz dva nastavka ćemo proći ono što bi svatko tko nabavi litijevu bateriju trebao znati. LFP baterije su najskuplji dio vašeg sustava pa je logično upravo njima posvetiti i najveću pažnju. Uobičajeno im je pakiranje po 4 ćelije u jednom kućištu. Nazivni napon ćelije je 3,2 V pa baterija s 4 ćelije ima nazivni napon od 12,8 V. Postoje izvedbe i s većim brojem ćelija u istom kućištu, primjerice 8 ćelija s nazivnim naponom baterije 25,6 V. To su baterije koje dozvoljavaju duboka pražnjenja kroz veliki broj ciklusa (do 20% kapaciteta više od 2500 ciklusa) uz velike struje pražnjenja (maksimalna ustaljena struja pražnjenja je 1 C , tj. 100 Ah baterija se smije dugotrajno prazniti sa 100 A) i punjenja (maksimalna ustaljena struja punjenja je 0,5 C, tj. 100 Ah baterija se smije trajno puniti s 50 A).Tome treba dodati i veliku gustoću pakiranja energije, u kg LFP baterije je moguće spremiti 3 do 4 puta više energije nego u kg olovne baterije. U ovom članku kao i u cijeloj dosadašnjoj seriji ograničavamo se na opis VICTRON  komponenata.

BTV sklop u bateriji za nadzor ćelije

Ćelije u bateriji moraju biti zaštićene od prepunjavanja, predubokog pražnjenja i punjenja pri previše niskim ili previše visokim temperaturama. U baterijama  se tako nalazi zaštitni sklop za ujednačavanje ćelija, nadzor temperature i napona (engl. balancing, temperature and Voltage control system, BTV). BTV sklop u bateriji razmjenjuje podatke se vanjskim uređajem za nadzor baterija (engl. battery management system, BMS). BTV sklop u bateriji prati svaku pojedinu ćeliju, ujednačava međusobno napone ćelija i u slučaju preniskog ili previsokog napona, niske ili previsoke temperature pojedine ćelije, šalje alarmnu dojavu iz baterije prema vanjskom BMS sustavu. Ovisno o alarmu BMS sustav potom isključuje uređaje koji prazne ili pune baterije. LFP baterije se ne smiju primijeniti bez pripadnog BMS-a. Projektant sustava mora osigurati da signali koje stvara BMS mogu isključiti trošila ili punjače. U slučaju serijskog i/ili paralelnog spoja nekoliko LFP baterija odgovarajući BTV sklopovi pojedinih baterija se serijski povezuju i spajaju na BMS.

BMS sklop za osiguranje nadzora nad punjenjem i pražnjenjem baterije

BMS sklop nije uključen u bateriju već se nabavlja posebno. Postoje četiri BMS uređaja, slika 1 i 2:

  • VE.Bus BMS
  • small BMS (prije se zvao mini BMS)
  • smart BMS CL 12/100
  • BMS 12/200.

Ove uređaje smo isto već detaljno opisali u serijalu. VE.Bus BMS i small BMS upravljaju punjačima i trošilima preko uključi/isključi signala. Imaju i signal pred-alarma kojim se korisnik upozorava da će uskoro doći do isključenja trošila zbog predubokog pražnjenja. Oba uređaja mogu se koristiti i u 12, 24 i 48 V sustavima. Small BMS ne može upravljati uređajima na VE.Bus-u. Smart BMS CL 12/100 i BMS 12/200 su uređaji samo za 12 V, dakle samo za jednu bateriju. Oba imaju poseban ulaz za alternator. Smart BMS CL 12/100 upravlja punjačima i trošilima preko uključi/isključi signala. BMS 12/200 ima poseban priključak za trošila i sklopku za isključenje trošila u sebi.

VictronConnect

Smart LFP baterije su opremljene bežičnim Bluetooth sučeljem za komunikaciju s besplatnom aplikacijom za pametni telefon VictronConnect. VictronConnect aplikacija omogućava iščitavanje napona baterije, napona svake ćelije, temperature baterije, prihvat alarma s mogućnošću razlikovanja uzroka alarma i osvježavanje osnovnog programa BTV sklopova u baterijama (engl. firmware). VictronConnect aplikacija sadrži i demo način rada gdje možete pogledati kako izgledaju zasloni pri radu s realnom baterijom.

Alarmi LFP ćelije

Ako projektirate sustav s LFP baterijama bitno je osnovno razumijevanje međudjelovanja baterije i trošila/punjača kroz djelovanje BMS-a. Baterija komunicira s BMS-om preko BMS kabela. BMS kabeli izlaze iz baterije. Jedan kabel ima muški, drugi ima ženski  konektor. Ako imamo samo jednu bateriju, ovi kabeli se spajaju izravno u BMS. Ako imamo više baterija BMS kabeli se spajaju u seriju (u lanac) i to bez obzira kako su baterije električki spojene. Jedino što je bitno jest da sve baterije budu spojene u lanac koji završava tj. počinje s BMS-om. Ako je potrebno može se naručiti i produžni kabel potrebne duljine. Pri spajanju BMS kabela praktički je nemoguće pogriješiti.

Svaka ćelija preko BTV sklopa može poslati alarm u slučaju:

  • napon ispod razine napona alarma
  • napon ispod razine napona pred-alarma
  • napon iznad razine napona alarma
  • temperatura ispod dozvoljene
  • previsoka temperatura

Pred-alarm

BMS će djelovati čim dobije alarm iz bilo koje ćelije, neovisno o stanjima drugih ćelija, slika 3. Dakle, prva ćelija koja ulazi u nedozvoljeno područje izaziva djelovanje BMS-a, najčešće isključivanje trošila ili punjača. Namjena pred alarma je upozoriti da će BMS uskoro isključiti trošila zbog preniskog napona neke ćelije, a da korisnik to primijeti te se tako izbjegne primjerice neočekivano gašenje svjetla u trenutku složenog manevra broda. Stoga je indikaciju pred-alarma potrebno izvesti vizualno i zvučno dobro uočljivo. Ako nakon pred-alarma trošila i dalje troše, tada će kroz 30 sekundi doći do signala za isključenje trošila i isključenja pred-alarma. U tih 30 sekundi korisnik može smanjiti potrošnju sustava kako bi izbjegao isključenje svih trošila. Ako napon ponovno počne rasti jer je korisnik uključio i punjač, pred-alarm se opet pali i ostaje upaljen sve dok napon najniže ćelije ne dosegne 3.2 V.

Djelovanje BMS-a

Dva su osnovna načina kako BMS upravlja trošilima ili punjačima, slika 5.:

a) slanjem uključi/isključi signala prema trošilima i punjačima
b) prekidanjem strujnog kruga trošila ili punjača sklopkom unutar sebe ili vanjskim sklopnikom.

Na slikama 6. i 7. prikazano je djelovanje sva četiri tipa BMS-a. VE.Bus BMS i SmallBMS, slika 6., djeluju signalima uključi/isključi prema punjačima i trošilima. Ve.Bus BMS dodatno može preko VE.Bus sučelja upravljati uređajima s VE.Bus sučeljem, primjerice autonomnim izmjenjivačima Phoenix i bidirekcijskim pretvaračima Multi i Quatro. Prilikom puštanja u pogon za bidirekcijske pretvarače Multi i Quatro je potrebno postaviti sklop AC mains detector kako je nacrtano na slici 6., a koji dolazi u pakiranju sa svakim VE.Bus BMS-om. To je zato da uz ispražnjenu bateriju i isključen izmjenjivač, a pri uspostavljanju ulazne AC mreže recimo s obale, Multi i Quatro to mogu prepoznati i da se mogu uključiti, ne kao izmjenjivači, već u modu punjača. Za autonomne izmjenjivače serije Phoenix sklop AC mains detector se ne ugrađuje jer on ne mora znati ima li ili nema AC mreže s obale jer s javnom mrežom nije u spoju!

Smart BMS CL 12/100, slika 7. upravlja punjačima i trošilima preko uključi/isključi signala i također ima pred-alarm signal. Dodatno ima poseban ulaz za 100 A alternator pri čemu je moguće ograničiti struju kojom se opterećuje alternator pri punjenju LFP baterije jednostavnim izborom osigurača. Svaki osigurač ima svoj otpor i mjereći napon na osiguraču može se regulirati i upravljati struja koju se povlači iz alternatora.

BMS 12/200, slika 7. ima dvije 200 A elektroničke sklopke u sebi. Jedna je za spoj s alternatorom pri čemu omogućava spoj s alternatorom uz ograničenje struje punjenja jednostavnim izborom osigurača kao i netom opisani Smart BMS CL 12/100. Druga sklopka u BMS 12/200 je sklopka namijenjena isključenju punjača i/ili trošila.

Punjenje LFP baterije iz alternatora

LFP baterije imaju vrlo mali unutarnji otpor i povući će iz alternatora (koji je tehnološki pripremljen za olovne baterije s većim otporom) i veće struje što može dovesti do uništenja alternatora. Kako bi priključenje alternatora i punjenje LFP baterije bilo bez posljedica po alternator, vrijede osnovne smjernice prema slici 8.:

  • osigurati da je alternator barem dva puta veći od kapaciteta baterije (200 A alternator može puniti 100 Ah bateriju, 60 A alternator će brzo stradati puneći 100 Ah bateriju)
  • primijeniti između alternatora i LFP baterije uređaj koji omogućava ograničenje struje, primjerice Smart BMS CL 12/100, BMS 12/200 ili DC/DC pretvarač Orion

Prije instalacije baterije

a) ažuriranje osnovnog programa baterije

Prije priključenja baterije u sustav potrebno je provjeriti da li baterija ima zadnju verziju osnovnog programa u svojoj elektronici. To učinite s Victronconnect aplikacijom i po potrebi ažurirajte verziju, slika 9.

b) prvo punjenje prije upotrebe

Ako konkretno rješenje predviđa spoj nekoliko baterija u seriju, potrebno je napuniti svaku bateriju zasebno do vrha prije spajanja. Naime, baterije dolaze iz tvornice napunjene oko 50% zbog transportne sigurnosti. Zbog mogućih različitih transportnih puteva i stajanja na skladištu može se dogoditi da baterije istog kapaciteta budu različito napunjene u trenutku uključenja u seriju u instalaciju. Ta razlika u napunjenosti baterija spojenih i seriju ostaje trajno prisutna, jer će punija baterija prekinuti punjenje sloga, a praznija baterija će prekinuti pražnjenje serijskog sloga. Ako se ne napune obje baterije, svaku zasebno do vrha, velika je vjerojatnost da zapravo imamo niži raspoloživi kapacitet serijskog sloga, ponekad i značajno manji od nazivnog. Ako su baterije spojene u paralelu, onda ih nije potrebno zasebno puniti do kraja, već se prvo punjenje može izvesti u paralelnom spoju.  Prvo punjenje je obavezno kako bi se sve ćelije u bateriji ujednačile i time osigurao odmah u početku nazivni kapacitet, bilo pojedinačne baterije, bilo sloga u kojem se nalazi.

Prvo punjenje obavljamo prema shemi na slici 10. gdje se za punjač koristi „Phoenix smart charger“ serija punjača. Naravno može biti i neki drugi punjač, ali mora biti podesiv prema Tablici 1. i upravljiv preko Victron BMS-a. Redoslijed operacija je kako slijedi:

  • priključite bateriju
  • priključite punjač na mrežu
  • podignite zaštitni prekidač u plus polu tako da napon baterije dođe do punjača
  • podesite punjač preko VictronConnect aplikacije na „Lithium profil“
  • uključite BMS start/stop sklopkom
  • punjenje počinje
  • provjerite djelovanje BMS kabela tako da odvrnete na nekom spoju konektore
  • punjenje mora prestati, potom opet uvrnite konektore i punjenje će se nastaviti.

Neka vas ne zbuni što će se punjač ako su ćelije jače razdešene više puta isključivati i uključivati pod djelovanjem BMS-a. Naime punjač je neko vrijeme u stanju punjenja, potom ga najnapunjenija ćelija isključi. I tada kreće ujednačavanje , tj. prelijevanje energije iz najnapunjenije ćelije u one manje pune. Potom nakon nekoliko minuta ujednačavanja napon ćelije s najvišim naponom je opet takav da će se punjač pod djelovanjem BMS-a uključiti. Što su ćelije više neujednačene to će ova pojava biti dugotrajnija. To je najnormalnija pojava i ne mora vas zabrinuti. Ako su ćelije potpuno ujednačene, tada se punjač neće isključiti do kraja punjenja. Kada napon tijekom punjenja dođe do 14,2 V, punjenje prelazi u apsorpcijsku fazu gdje se više ne podiže napon. Proces punjenja završava ako je struja iz punjača gotovo pala na nulu, punjač je u stanju apsorpcije, a preko VictronConnecta očitavate napon baterije u apsorpciji 14,2 V i svaka ćelija ima 3,55 V +/- 0,02 V. Ako je punjač već došao do kraja vremena apsorpcije, što prepoznajete da je napon punjača na naponu mirovanja 13,5 V, a ćelije još uvijek nisu ujednačene, tada možete ponoviti postupak punjenja. Ovaj restart će možda biti potrebno napraviti i nekoliko puta. Dobro je bateriju odmoriti i pustiti da se ćelije same izjednače, pa nastaviti kroz nekoliko sati novim punjenjem. Bateriju odspojite s punjenja i provjerite napon baterije i pojedinih ćelija kroz nekoliko sati, napon bi morao biti svakako iznad  12,8 V  i to  13,2 V ili veći. Napon ćelija se ne smije razlikovati za više od  0,1 V međusobno.

Dodatno o punjenu LFP baterija

Do sada smo prikazali osnove postupka prvog punjenja. No punjenje je dio redovitog korištenja baterije pa slijedi još nekoliko korisnih informacija o punjenju LFP baterija za one koji žele znati više.

LFP baterije je jednostavnije puniti od olovnih baterija! Napon punjenja mora biti od 14 do 15 V za 12,8 V bateriju (tj. 28 V do 30 V za 25,6 V bateriju), ali samo dok su sve ćelije ispod 4,2 V. Ako samo i jedna ćelija prijeđe preko 4,2 V pri punjenju, ta ćelija je nepovratno uništena, a time i cijeli slog baterije. Ako ćelija prijeđe 4,2 V  tada sva energija koja se dovodi u ćeliju biva pretvorena u toplinu i ta toplina razara ćeliju. Uz BMS to stanje prepunjenosti jednostavno nije moguće!

Optimalni napon kraja punjenja (engl. absorption voltage), dakle kada počinje apsorpcija i napon punjača se više ne povisuje već drži ustaljenim,  je 14,2 V.  Pri tom naponu kako ćelije bivaju sve punije dolazi do opadanja struje. Baterija je puna kada struja padne praktički na nulu.

Po završenoj apsorpciji napon punjača se automatski postavlja na 13,5 V (engl. float voltage, storage voltage), ali on nije potreban već se punjač može i isključiti. Ukupno 5 baterija se može spojiti u paralelu pri punjenju. Neće doći do oštećenja u takvom spoju zbog neznatnih razlika u naponu pojedine baterije zbog otpora kabela ili razlika u unutarnjim otporima samih baterija.

Pri punjenju je važna brzina punjenja. Brzina punjenja govori koliko će se kapaciteta napuniti u bateriju po satu (C / h). Preporučuje se punjenje brzinom punjenja 0,5 C / h (za 100 Ah to je 50 Ah / h =  50 A  što znači da će se baterija napuniti tom strujom za najviše 2h). Maksimalna brzina punjenja je 2C / h (za 100 Ah bateriju to je 200 A uz punjenje do 0,5 h). No jasno pri punjenju velikim strujama razvija se više topline koja nije optimalna za bateriju. Više topline može tražiti više prostora oko baterije za hlađenje ili pak prisilnu ventilaciju. Ako baterija prijeđe preko 75 °C, BTV sklop u bateriji će poslati BMS uređaju nalog za isključenje punjača. Isto će se dogoditi ako temperatura pri punjenju padne ispod 5 °C jer je građevni materijal LFP baterije podložan razaranju pri punjenju ispod 5 °C. BTV sklop u bateriji će preko BMS-a poslati nalog za isključenje punjača ako bilo koja ćelija prijeđe 3,75 V. Ovaj način djelovanja BTV sklopova unutar baterije i BMS uređaja izvan baterije ima za posljedicu da punjači moraju biti opremljeni upravljačkim ulazom za isključenje punjenja.

Slika 11. prikazuje tipično podešenje punjača i tri karakteristična područja procesa punjenja za LFP bateriju kapaciteta C. Prvo područje je područje udarnog punjenja ustaljenom strujom (engl. bulk charge). U tom području se podiže napon punjača tako da struja uvijek ima ustaljeni zadani iznos. Kad napon baterije dostigne 14,2 V, ulazi se u stanje apsorpcije (engl. absorption state). Napon više ne raste, a struja opada prema nuli. Trajanje apsorpcije postavljeno je na 2 h i fiksno je. Kada je struja pala skoro na nulu, tj. nakon isteka 2 h, slijedi stanje mirovanja (engl. float state).

Ujednačavanje ćelija na kraju punjenja

Iako su 4 ćelije koje sačinjavaju 12,8 V bateriju, tj. 8 ćelija koje sačinjavaju 25,6 V bateriju, uparene pri proizvodnji, ipak ćelije nisu 100% jednake. Zbog toga se u ciklusima punjenja i pražnjenja ne pune sve istom brzinom. Razlika će se s vremenom povećavati ako se ne provodi redovito ujednačavanje. Kroz LFP bateriju kada je prva ćelija puna, struja opada na nulu i ne dolazi do izjednačivanja stanja napunjenosti ostalih ćelija. (U olovnim baterijama se događa samoujednačavanje jer pri kraju punjenja uvijek teče neka mala struja kroz bateriju!) U LFP bateriji ćelije koje su zaostajale u punjenju ostaju nenapunjene. Ćelije neće biti time oštećene, ali objektivno bateriji se zbog neujednačenosti ćelija smanjuje kapacitet. Najslabije napunjena će prva ograničiti pražnjenje cijelog sloga. Kako bi se ćelije ujednačile u Smart LFP baterijama u BTV sklop ugrađen je i sklop za ujednačavanje ćelija (engl. cell balancing electronics). LFP baterija mjeri napon svake ćelije i ako je potrebno prebacuje energiju iz jedne ili više punijih ćelija u jednu ili više praznijih ćelija unutar jedne baterije. To prelijevanje energije, ujednačavanje, se događa sve dok ćelije međusobno imaju razliku napona veću od 0,01 V. Taj proces se naziva aktivno ujednačavanje ćelija (engl. cell active balancing).

Ako je neujednačenost značajnija, ujednačavanje započinje već pri dostizanju prve ćelije napona od 3,3 V i nastavlja se kroz nastavak punjenja. Da bi se ujednačile najmanje razlike napon ćelije mora doseći 3,5 V.

Potpuno ujednačene ćelije u procesu apsorpcije će na kraju imati 3,55 V (ukupno 14,2 V). Zato trajanje apsorpcije mora biti 2 h. Bateriji se napon drži ustaljenim i kroz 2 h se fino ujednačavaju ćelije na 3,55 V predavajući jedna drugoj višak energije, smanjujući napon punijima, a povisujući napon praznijima.

Zato je važno jednom mjesečno napuniti bateriju do kraja kako bi se ćelije ujednačile! Ako se sustav koristi intenzivno, dakle više ciklusa punjenja i pražnjenja svakog dana ili tjedna, ili se sustav duboko prazni, potrebno je više apsorpcijskog vremena mjesečno za ponovljeno ujednačavanje baterija (4 do 6 h!). Primijetite da viši napon baterije, odnosno ćelija neće ubrzati ujednačavanje. Brzina ujednačavanja je definirana u sklopovima u bateriji malom strujom izjednačavanja i na nju se ne može utjecati iz punjača većom strujom ili naponom!!!! Ćelije jednostavno moraju imati dovoljno vremena da se same ujednače na 3,55 V +/- 0,02 V pri ustaljenom naponu na bateriji u fazi apsorpcije od 14,2 V.

Ako su baterije spojene u seriju, ako se prazne visokom strujom pražnjenja, ako se pune kratkotrajno ili nedovoljnim naponom tada će ćelije brže postati neujednačene. Tada se moraju tjedno puniti do kraja kako bi se ćelije ujednačile.

Ako se želite zaista brinuti o zdravlju baterija permanentno ili želite prije isporuke baterija za neki sustav provesti punjenje profesionalno i dokumentirano, tada vam preporučujemo malo dopunjenu shemu punjenja. U njoj je i Color control GX jedinica i nadzornik baterije BMV 712. BMV 712 i Phoenix charger daju precizne informacije o tijeku samog punjenja prema Color control GX jedinici, a ona ih prosljeđuje na svoj zaslon i na internetski portal VRM (engl. Victron remote management).

Zaključak

U članku smo podsjetili kako u LFP bateriji postoji elektronički sklop (BTV) koji mjeri napon i temperaturu svake ćelije. BTV sklop komunicira sa sklopom izvan baterije za upravljanje  punjačima i trošilima (BMS). Napomenuli smo postojanje 4 tipa BMS uređaja i ponovili njihove glavne specifičnosti. Prije instalacije baterije je potrebno ažuriranje osnovnih programa u bateriji kao i provođenje prvog punjenja. Ujednačavanje ćelija na kraju prvog punjenja, ali i kasnije redovito mjesečno ili tjedno potpuno punjenje u  eksploataciji baterije, osnova je za zadržavanje cjelokupnog raspoloživog kapaciteta baterije kroz predviđeni životni vijek. Objašnjeni su detalji procesa punjenja i ujednačavanja ćelija pri punjenju.

U sljedećem nastavku opisat ćemo što je potrebno znati pri spoju sada već prvi puta napunjene baterije u konkretni sustav, primjerice montažu, ožičenje, pražnjenje, alarme i što ako vam se dogodi da ste ispraznili bateriju neznanjem do recimo 0 V što bi u prvi čas moglo značiti da ste izgubili tisuću i više EUR-a…

[email protected]

 

Je li vam ovaj tekst pomogao?
Dislike 0
Pogleda: 79
Izbornik