Uvod
Litijeve baterije su skupe i mogu se uništiti već jednokratnim predubokim pražnjenjem ili prekomjernim punjenjem. Za zaštitu litijevih baterija sustav mora sadržavati nadzornik baterije (engl. battery management system, BMS). No i uz BMS u sustavu preduboko pražnjenje može nastati i od malih trošila, primjerice pripremnog rada izmjenjivača bez trošila, regulatora punjenja, releja, dojavnih i nadzornih sustava i to čak i ako je BMS uredno odradio posao i poslao naloge za isključenje trošila… Ako postoji i najmanja sumnja od prikrivenih malih trošila bolje je bateriju potpuno izolirati dok sustavi nisu u redovnom radu. Zaštita baterije putem prorade BMS-a je zadnja mjera u sustavu, sustav bi morao sam isključivati trošila i punjače po stanju napunjenosti baterije i prije pragova prorade BMS-a. Razne BMS uređaje već smo opisivali no pojavio se novi nadzornik VE.Bus BMS V2 koji ćete upoznati u ovom članku. VE.Bus BMS V2 uređaj je koji se može koristiti u najsloženijim sustavima s dvosmjernim pretvaračima, za jednostavnije sustave postoje jednostavniji BMS-ovi, koji su opisani u prethodnim nastavcima.
Nadzornik baterija VE.Bus BMS V2
Nadzornik baterija VE.Bus BMS V2 osmišljen je za nadzor LiFePO₄ (LFP) baterija Victron Energy Smart Lithium nazivnog napona 12,8 V ili 25,6 V, slika 1. One mogu biti spojene u seriju, paralelno ili serijski/paralelno. Tako se mogu ostvariti baterijske banke s naponima 12 V, 24 V ili 48 V. Četiri baterije od 12,8 V ili dvije baterije od 25,6 V mogu se spojiti u seriju. Ukupno se može nadzirati 20 baterija, što rezultira pohranom energije do 84 kWh u 12 V sustavu ili do 102 kWh u 24 V i 48 V sustavu. Pri paralelnom spajanju grana ne smiju se međusobno spajati unutrašnji spojevi u seriju spojenih baterija.
Svaka pojedina ćelija LiFePO₄ baterije štiti se od prekomjernog pražnjenja ili punjenja kao i od preniske ili previsoke temperature pomoću BTV modula (engl. Balancing, Temperature and Voltage control) ugrađenog u bateriji. BTV modul prosljeđuje signale iz baterije/a preko komunikacijskih kabela prema nadzorniku VE.Bus BMS V2. Komunikacijski kabeli svih baterija spajaju se u seriju bez obzira na serijski ili paralelni ili serijsko/paralelni spoj baterija u baterijskoj banci, slika 2.
Prateći stanje svake pojedine ćelije u baterijskoj banci BMS će:
- stvoriti signal predalarma koji upozorava da se približava stanje predubokog pražnjenja
- stvoriti signal za isključenje trošila u stanju predubokog pražnjenja
- stvoriti signal za isključenje punjača u stanju prekomjernog punjenja, prevelike ili preniske temperature
- isključiti dvosmjerne pretvarače u stanju predubokog pražnjenja
- dinamički optimalno smanjivati struju punjenja baterija iz dvosmjernih pretvarača u stanju prekomjerne napunjenosti.
U nastavku se opisuje namjena stezaljki i priključaka nadzornika VE.Bus BMS V2.
Predalarm stezaljka
Signal na predalarm stezaljci je plivajući i postaje visok u slučaju ako razina napona jedne ćelije padne ispod 3,1 V (tvorničko podešenje). U bateriji se može preko pametnog telefona i aplikacije VictronConnect podesiti razina postavljanja predalarma u rasponu od 2,85 V do 3,15 V. Minimalno trajanje stanja predalarma prije signala za isključenje trošila je 30 s.
Load disconnect stezaljka
Signal za isključenje trošila na Load disconnect stezaljki je uobičajeno visoko i postaje plivajući ako je bilo koja ćelija došla u stanje predubokog pražnjenja. Taj se signal koristi izravno na remote on/off stezaljkama trošila ili na remote on/off stezaljkama elektroničke sklopke kojom se isključuju istosmjerna trošila (primjerice elektronička sklopka Battery protect). Uvijek provjerite koja sve trošila ostaju uključena i nakon aktiviranja Load disconnect signala koji se aktivirao u slučaju predubokog pražnjenja neke ćelije. Tada prije uništenja u bateriji ima još svega 1 Ah raspoložive energije po 100 Ah kapaciteta baterije. Primjerice potrošnja od 10 mA može uništiti 200 Ah bateriju za 8 dana od aktiviranja signala Load disconnect ako baterija u tom periodu ostane bez nadopune.
Charge disconnect stezaljka
Signal za isključenje punjača na Charge disconnect stezaljki je uobičajeno visoko i postaje plivajući ako je bilo koja ćelija došla u stanje prekomjernog punjenja. Taj se signal koristi izravno na remote on/off stezaljkama punjača (AC/DC punjača ili DC/ DC punjača ili MPPT solarnog regulatora punjenja). Tim se signalom može upravljati i relejom Cyrix-Li-Charge i relejom Cyrix-Li-ct Battery Combiner .
Bat +, GX-Pow i Aux-in stezaljke
Ve.Bus BMS V2 pozitivno napajanje dobiva preko Bat + stezaljke. Negativno napajanje dobiva preko VE.Bus kabela spojenog s dvosmjernim pretvaračem. VE.Bus BMS V2 je stoga BMS uređaj koji se mora koristiti u sustavima s dvosmjernim pretvaračima jer oni imaju potreban VE.Bus priključak.
GX-Pow stezaljka predviđena je za napajanje nadzornog računala, primjerice Cerbo GX. Cerbo GX se može napajati ili iz baterije koja se nadzire ili iz pomoćnog izvora spojenog na Aux-In stezaljku. Cerbo GX će biti napajan iz onog izvora čiji je napon od ta dva trenutačno veći. Računalo Cerbo GX koje pamti i komunicira podatke sustava za daljinski nadzor sustava može tako ostati u radu iako je nadzirana baterija potpuno isključena i to sve dok ima energije u pomoćnom izvoru.
Remote H/L stezaljke
Preko ovih stezaljki cijeli sustav se uključuje i isključuje. Svi punjači i sva trošila. VE.Bus BMS V2 ostaje spojen na plus baterije preko Bat + stezaljke i tako može preko VE.Bus sabirnice isključiti dvosmjerni pretvarač. Dvosmjerni pretvarač prima informaciju preko VE.Bus-a i prestaje s radom izmjenjivača i punjača, zatvara transfer sklopku i pokazuje low battery error na svojim LED pokazivačima. Oni koji su radili s nadzornikom VE.Bus BMS V1 znaju da se s tim BMS-om morao isključiti priključak pozitivnog napajanja BMS-a da bi se sustav isključio.
VE.Bus priključci (Remote panel i MultiPlus/Quattro)
Na uređaju se nalaze dva RJ 45 priključka VE.Bus sabirnice namijenjene za spajanje s VE.Bus uređajima. Ako se na priključku Remote panel spaja nadzorno računalo Cerbo GX, a na drugom priključku dvosmjerni pretvarač MultiPlus ili Quattro, tada se može preko Cerbo GX-a upravljati i radom dvosmjernog pretvarača (on/off/charger-only). Preko Cerbo GX podešenja u DVCC (engl. Direct Current and Voltage Control) izborniku Cerbo GX-a moguće je pri dojavi iz BMS-a automatski upravljati zaustavljanjem solarnih punjača. Pri radu s VE.Bus BMS V1 se morao koristiti Charge disconnect signal ili ugraditi elektronička sklopka Battery Protect ili relej Cyrix-Li-Charge da se po dojavi BMS-a zaustavi punjenje u stanju prekomjerne napunjenosti neke ćelije u baterijskoj banci.
LED pokazivači
VE.Bus BMS V2 ima sljedeće LED pokazivače na svojoj prednjoj stranici:
- Status LED (plava): bljesne svakih 10 sekundi ako je dvosmjerni pretvarač (Multi ili Quattro) uključen (u on stanju). Time se pokazuje kako BMS šalje informacijske pakete prema dvosmjernom pretvaraču. Ako je dvosmjerni pretvarač isključen (u off stanju), bilo zbog predubokog pražnjenja neke ćelije ili je samo isključen preko upravljačke preklopke (on/off/charger only), BMS počinje raditi u modu smanjene potrošnje energije kako bi sačuvao bateriju pri čemu nastavlja slati informacijske pakete nešto rjeđe. LED pokazivač tada više ne bljeska, također zbog uštede energije.
- Cell voltage above 4V LED (crvena): svijetli ako je aktivan Charge disconnect izlaz zbog prekomjernog punjenja neke ćelije ili je temperatura u nekoj ćeliji previsoka.
- Cell voltage above 2.8V LED (plava): svijetli ako je napon svih ćelija iznad 2,8 V i signal Load disconnect ne pokazuje stanje predubokog pražnjenja tj. nalazi se u visokoj razini, a trošila su omogućena.
Primjeri spoja nadzornika baterija VE.Bus BMS V2
Na slici 3. prikazan je osnovni spoj VE.Bus BMS V2 nadzornika i dvosmjernog pretvarača. U isporuci uz BMS dobiva se i VE.Bus mains detector. Namjena VE.Bus mains detector-a je omogućiti rad dvosmjernog pretvarača pri povratu izmjenične mreže (ili uključenja generatora) na AC-In ulaz dvosmjernog pretvarača. Naime, ako nema izmjenične mreže ili generatora na AC-in ulazu dvosmjernog pretvarača, a BMS je uočio preduboko pražnjenje neke ćelije baterije, BMS će onemogućiti rad dvosmjernog pretvarača. I sada netko mora primijetiti povrat mreže i omogućiti rad dvosmjernog pretvarača. Upravo to radi VE.Bus mains detector. U trofaznom sustavu s više dvosmjernih pretvarača ili u sustavu s paralelno spojenim dvosmjernim pretvaračima samo glavni (master) uređaj treba imati priključen VE.Bus mains detector. Ako je u sustavu dvosmjerni pretvarač tipa MultiPlus, koristi se samo jedan par priključnih vodiča, a u sustavu gdje se koristi dvosmjerni pretvarač tipa Quattro koristi se oba para priključnih vodiča za detekciju mrežnog napona. Novije generacije dvosmjernih pretvarača Multiplus II i Quattro II imaju već ugrađene sklopove VE.Bus mains detector-a u sebi, pa njega nije potrebno spajati u sustav (obavezno proučite uputstva!).
Radom MPPT solar punjača, RS izmjenjivača ili dvosmjernih pretvarača može upravljati nadzornik VE.Bus BMS V2 preko nadzornog računala Cerbo GX, slika 4. Nadzorno računalo Cerbo GX spaja se na priključak Remote panel nadzornika VE.Bus BMS V2 običnim prespojim kabelom (patch kabelom). U ranijoj izvedbi VE.Bus BMS V1 ova funkcionalnost nije bila dostupna već se morao koristiti signal Charge disconnect i Li charge relay ili sklopka Battery protect. Da bi nadzorno računalo Cerbo GX moglo upravljati radom MPPT solar punjača, RS izmjenjivača ili dvosmjernih pretvarača, moraju se u izborniku DVCC u nadzornom računalu postaviti zahtijevana podešenja (obavezno pročitati upute!).
Na slici 4. vidi se i izvedba pozitivnog napajanja nadzornika Ve.Bus BMS V2 preko Bat + stezaljke. Negativno napajanje dobiva preko VE.Bus kabela spojenog s dvosmjernim pretvaračem. Namjerno nije izvedena posebna stezaljka za negativno napajanje kako bi se izbjeglo stvaranje petlji vodiča negativnog napajanja. Nadzorno računalo Cerbo GX se napaja preko GX-Pow stezaljke. No Cerbo GX može biti napajan i iz izvora spojenog na Aux-In ulaz nadzornika VE.Bus BMS V2. Cerbo GX će biti napajan iz onog izvora čiji je napon trenutačno veći. Tako se može ostvariti da Cerbo GX bude i dalje u radu i dok je većina sustava isključena iz rada zbog zaštite skupe baterije pri predubokom pražnjenju. Ovo je važno kako bi daljinska komunikacija bila prisutna što dulje. Ako se za rezervni izvor napajanja nadzornog računala uzme uređaj besprekidnog napajanja određenog kapaciteta može ga se napajati i iz izlaza dvosmjernog pretvarača. Dvosmjerni pretvarač će održavati bateriju uređaja besprekidnog napajanja punom i tako omogućiti rad računala Cerbo GX i nakon isključenja dvosmjernog pretvarača.
Ako se želi spojiti VE.Bus Smart dongle ili Digital Multi Control (DMC) oni se spajaju na Remote panel priključak BMS-a, slika 5. Oba uređaja omogućavaju osnovno upravljanje dvosmjernim pretvaračem (on/off/charger-only) koje je važno ako se želi isključiti dvosmjerni pretvarač dok nije u izmjenjivačkom radu ili u punjenju baterije, a sve zbog smanjenja potrošnje u praznom hodu. Dok je pretvarač uključen (položaj on) trošit će primjerice i nekoliko desetaka vata, a ako se isključi (položaj off) svega nekoliko vata. Dvosmjerni pretvarač na sebi ima ovu tropoložajnu preklopku, ali najčešće zbog mjesta montaže ona nije lako dohvatna pa se zato koristi Digital Multi Control ili Ve.Bus Smart dongle koji preko bluetooth komunikacije omogućava upravljanje dvosmjernim pretvaračem preko telefona.
U nekoj instalaciji mogu biti spojeni i Cerbo GX i VE.Bus Smart dongle i Digital Multi Control na Remote panel priključak. U tom slučaju će samo Digital Multi Control moći upravljati stanjem pretvarača a upravljanje preko Cerbo GX-a i VE.Bus Smart dongle-a će se automatski isključiti. Tada samo Digital Multi Control mora biti na Remote panel priključku, a Cerbo GX ili VE.Bus Smart dongle se mogu spojiti i na slobodni priključak dvosmjernog pretvarača radi lakšeg ožičavanja.
Prema spoju na slici 5. uočava se kako VE.Bus Smart dongle neće biti isključen s napajanja za slučaj predubokog pražnjenja neke od ćelija baterije i da će i dalje nastaviti prazniti bateriju s približno 10 mA!
Na slici 6. je za uočiti spoj on/off upravljačke sklopke na Remote H/L stezaljke nadzornika VE.Bus BMS V2. Preko ove upravljačke sklopke cijeli sustav se uključuje i isključuje. Svi punjači i sva trošila. VE.Bus BMS V2 ostaje spojen na plus baterije preko Bat + stezaljke i tako može preko VE.Bus sabirnice isključiti dvosmjerni pretvarač. Dvosmjerni pretvarač prima informaciju preko VE.Bus-a i prestaje s radom izmjenjivača i punjača, zatvara transfer sklopku i pokazuje low battery error na svojim LED pokazivačima.
Remote H i Remote L stezaljke uključuju sustav ako:
- postoji spoj između njih (uređaj se isporučuje s kratkospojnikom između ovih stezaljki)
- postoji spoj između H stezaljke i pozitivnog pola baterije
- postoji spoj između L stezaljke i negativnog pola baterije.
Tipična primjena može biti isključenje sustava pri prolasku donje dozvoljene granice stanja napunjenosti baterije (engl. state of charge, SoC) koje je moguće uočiti primjerice nadzornikom baterije BMV 712 serije. Ako se relejni kontakt nadzornika baterije BMV 712 spoji između H i L stezaljki, tada nadzornik BMV 712 može upravljati automatskim isključenjem sustava prateći stanje napunjenosti baterije.
Na slici 6. je za uočiti i spoj stezaljke predalarma na neki uređaj upozorenja. To je bitno zato što se stanje predalarma hvata samo u BMS-u. To stanje se ne prenosi preko VE.Bus-a dalje u sustav! Također, uočava se i spoj rezervnog izvora napajanja nadzornog računala Cerbo GX.
Punjač koji se ne može upravljati preko nadzornika VE.Bus BMS V2 i DVCC izbornika u nadzornom računalu Cerbo GX ili u sustavu gdje nema nadzornog računala Cerbo GX, upravljanje punjačem provodi se preko signala Charge disconnect dostupnog na istoimenoj stezaljki nadzornika VE.Bus BMS V2, a koja se stoga spaja sa stezaljkom H upravljačkog remote on/off ulaza punjača. Signal je uobičajeno visoko i postaje plivajući ako je bilo koja ćelija došla u stanje prekomjernog punjenja što zaustavlja rad punjača. No postoje i punjači koji omogućavaju rad niskom razinom pa je u tom slučaju potrebno invertirati razinu signala što se može napraviti primjenom odgovarajućeg invertirajućeg spojnog kabela. Poneki punjači nemaju poseban upravljački ulaz pa se za njihovo upravljanje koristi VE.Direct priključak s odgovarajućim spojnim kabelom (s invertiranjem ili ne), no tada se gubi mogućnost prihvata digitalnih informacija punjača u nadzorno računalo jer je komunikacijska VE.Direct sabirnica zauzeta s upravljačkim kabelom za uključenje i isključenje punjača, slika 7. To se pak može nadoknaditi primjenom Smart shunt-a koji će precizno mjeriti struju koja ulazi ili izlazi iz baterije i time uz izmjereni napon baterije izračunavati stanje napunjenosti baterije.
Charge disconnect signal nadzornika VE.Bus BMS V2 u slučaju prekomjernog punjenja neke od ćelija može poslužiti za upravljanje relejom Cyrix-Li-Charge čiji glavni kontakti spajaju punjač i LFP bateriju. Relej se automatski uključuje kad osjeti napon na punjaču, a isključuje se čim ga nema, tj. čim dobije upravljački signal Charge disconnect.
Load disconnect signal nadzornika VE.Bus BMS V2 u slučaju predubokog pražnjenja neke od ćelija isključit će istosmjerna trošila preko elektroničke sklopke Battery protect, slika 7.
Neka istosmjerna trošila imaju remote on/off ulaz i u tom slučaju se signal Load disconnect spaja sa stezaljkom H. Signal je uobičajeno visoko i postaje plivajući ako je bilo koja ćelija došla u stanje predubokog pražnjenja što mora zaustaviti rad trošila. No postoje i trošila koja se omogućavaju za rad niskom razinom pa je u tom slučaju potrebno invertirati razinu signala što se može napraviti primjenom odgovarajućeg invertirajućeg spojnog kabela.
Zbog malog unutarnjeg otpora LFP baterija se smije puniti iz alternatora preko DC/DC pretvarača Orion Smart koji ograničava struju koju daje alternator za punjenje baterije, slika 8. Bez primjene ograničenja struje punjenja uobičajeni alternatori bi pregorjeli zbog velike struje koju povlači LFP baterija. Punjač Orion smart je upravljan preko Charge disconnect signala s istoimene stezaljke nadzornika VE.Bus BMS V2 spojene s H upravljačkom stezaljkom Orion smart-a. Ovaj signal isključit će punjač u slučaju da je neka ćelija u bateriji prekomjerno puna.
Alternator se smije izravno spojiti na LFP baterije samo ako je dovoljno snažan. Inženjerska brza procjena ide u smjeru da struja alternatora mora biti barem dvostruko veća od broja kojim se izražava kapacitet LFP baterije, slika 9. Tada se spoj alternatora i olovne startne baterije s LFP baterijom izvodi preko releja Cyrix-Li-ct. On prepoznaje uvjete za automatsko spajanje pri radu alternatora, a upravljačkim priključkom kojim se može upravljati signalom Charge Disconnect iz nadzornika VE.Bus BMS V2 mogu se obje baterije razdvojiti. Ovaj signal će isključiti relej ako bi došlo do prekomjernog punjenja neke od ćelija LFP baterije. Relej ima i mogućnost spajanja obje baterije u slučaju nužnosti preko sklopke start assist, što može biti posebno značajno pri pokretanju motora ako se olovna baterija neočekivano ispraznila.
Slika 10. prikazuje spoj nadzornika VE.Bus BMS V2 i tri dvosmjerna pretvarača spojena ili za trofazni spoj izmjeničnog dijela ili za paralelni spoj izmjeničnog dijela. Za primijetiti je upravljački modul Digital Multi Control kojimm se na jednostavni način upravlja sa sva tri dvosmjerna pretvarača odjednom. Slika 11. još jednom pokazuje poglede na uređaj i njegove priključke izvana.
Zaključak
Opisan je novi nadzornik LFP baterija VE.Bus BMS V2 predviđen za sustave koji uključuju dvosmjerne pretvarače s VE.Bus sabirnicom. Prikazane su električne spojne sheme njegovih priključaka s nužnim objašnjenjima djelovanja. Novi nadzornik zamjenjuje nadzornik VE.Bus BMS V1 obogaćujući mogućnosti spoja i jednostavnost primjene. Ako vam se ovo s vanjskim BMS nadzornikom čini prekomplicirano, u sljedećem nastavku pokušat ćemo upoznati LFP baterije koje u sebi imaju BMS i pokušati shvatiti kada primijeniti koji tip. Jednostavnost baterija koje u sebi imaju i BMS i sigurnosnu sklopku je jako privlačna, no mora se paziti da nas to ne zavara…