Za olovne baterije alternator je tehnički prilagođen. Logična je želja u sustavima na plovilu (ili vozilu) pri zamjeni olovne baterije opće namjene s LFP baterijom opće namjene zadržati postojeći alternator motora plovila. Što će se dogoditi ako postojeći alternator spojimo na LFP bateriju, smije li se to uopće i na što treba posebno obratiti pažnju…
LFP baterije imaju značajno manji unutarnji otpor u odnosu na olovne baterije. To povećava struju uobičajenih alternatora pri izravnom spoju LFP baterije na alternator, a u odnosu na struju pri izravnom spoju olovne baterije na alternator. Za inženjersku mjeru usklađivanja može se reći da struja alternatora mora biti barem dva puta vrijednost kapaciteta LFP baterija, slika 1. Ako to nije tako, spajanje LFP baterije i alternatora u konačnici može završiti pregaranjem alternatora, vjerojatno unutar nekoliko prvih sekundi punjenja.
Ako se ne može / ne želi provesti zamjena alternatora jačim, tada se može koristiti poseban regulator napona alternatora s osjetnikom temperature namota alternatora koji će smanjivati napon uzbude, a time i napon alternatora na iznos napona da izlazna struja iz alternatora prema LFP bateriji ne pregrijava namote alternatora. Drugo rješenje je primjena ograničavala struje alternatora, tj. primjene DC-DC pretvarača s ograničenjem struje alternatora. U oba slučaja u LFP bateriju će iz alternatora ići od strane korisnika struja koju alternator može trajno podnositi i stoga neće doći do njegovog izgaranja, slika 2.
Orion XS 12/12-50A (u nastavku teksta Orion XS) je DC/DC pretvarač razvijen za spoj alternatora i 12 voltnih LFP baterija s izlaznom strujom najviše 50 A, slika 3. Ovaj pretvarač je tehnološki sljednik Orion Smart pretvarača o kojem smo već pisali. Orion XS razdvaja alternator i bateriju, a može biti upotrijebljen kao izvor istosmjernog napajanja ili punjač baterija.
Spoj Orion XS pretvarača u funkciji izvora napajanja
Ako Orion Smart DC-DC pretvarač djeluje kao izvor istosmjernog napajanja, tada će izlazni napon ostati stabilan bez obzira na promjenjivo opterećenje izlaza ili promjenjivi napon na ulazu, sve dok su promjene opterećenja izlaza ili napona ulaza u granicama specificiranih područja. Izlazni napon je podesiv i ostaje neovisan o ulaznom naponu, zahvaljujući automatskoj silazno-uzlaznoj regulaciji (engl. buck-boost control). Ova regulacija jamči da struja iz alternatora, kao i izlazna struja, nikada neće premašiti parametarski podesive najveće vrijednosti.
Orion XS pretvarač montira se vertikalno na negorivu i nezapaljivu površinu s priključcima prema dolje. Ispod i iznad uređaja mora ostati 10 cm slobodnog i praznog prostora za pouzdano hlađenje vertikalnim prostrujavanjem zraka oko i ispod uređaja. Pretvarač smjestiti blizu baterije – nikada iznad baterije zbog opasnost plinjenja i općenito dodatnog zagrijavanja toplinom iz baterije. Između alternatora i trošila spojiti preporučene osigurače, 60 A. Spojni kabeli između alternatora, baterije i Orion XS pretvarača moraju biti do 5 m duljine i presjeka 16 mm2, finožični klase 5 po IEC-u (to znači da promjer žice finožičanog vodiča ne smije biti veći od 0,4 mm). Za spoj u priključne stezaljke nije nužno primijeniti tuljke, osim ako se koriste vodiči s tanjim promjerom žica od 0,4 mm). Za početak provjerite da je sklopka S1 isključena ili odspojite sve kabele s remote on/of upravljačkog ulaza. Time je rad uređaja onemogućen. Spojite ulazne kabele na startnu bateriju. Priključite se na uređaj s VictronConnect App aplikacijom preko pametnog telefona i podesite uređaj, posebno prije možebitnog spajanja nekoliko uređaja u paralelu. Spojite trošila i uređaj je spreman za rad. Spajanjem sklopke S1 na remote on/of upravljački ulaz i njenim zatvaranjem uređaj počinje napajati istosmjerna trošila.
Podešenje Orion XS-a u funkciji izvora napajanja
U VictronConnect aplikaciji možete pratiti rad uređaja i podešavati njegove postavke, slika 5. U načinu rada kao izvor napajanja na plavom ekranu prikaza stanja uređaja vidljiv je način rada, izlazni napon, izlazna struja, izlazna snaga, ulazni napon, ulazna struja i ulazna snaga. Ako uređaj ne radi, onda se umjesto simbola načina rada prikazuje razlog zašto uređaj ne radi! Moguće je vidjeti i zapise iz povijesti punjenja na zaslonu history ili trenutno snimiti varijable uređaja u realnom vremenu na zaslonu Trends. Iz zaslona Status pritiskom na mjesto koje pokazuje strelica dolazi se u zaslon Settings. Odmah na vrhu izabire se funkcija uređaja Power supply. Nadalje, može se uključiti ili isključiti rad pretvarača, podesiti ulazna i izlazna struja, kao i izlazni napon (u rasponu od 10 do 17 V). Podešenjem Input voltage lock out definiraju se dvije razine napona ulaza: prva na kojoj uređaj automatski isključuje izlazni napon i druga na kojoj automatski ponovno daje izlazni napon. Razlika ove dvije razine (histereza) mora biti najmanje 0,5 V.
Spoj Orion XS pretvarača u funkciji punjača baterija
Prije spajanja kabela prema alternatoru i bateriji odspojite kabele s remote on/of upravljačkog ulaza, tj. isključite sklopku S1, slika 6. Time je uređaj onemogućen. Spojite ulazne kabele na startnu bateriju, tj alternator. Priključite se na uređaj s VictronConnect App aplikacijom preko pametnog telefona – uvijek podesite karakteristiku punjenja za tip konkretne baterije opće namjene. Spojite bateriju opće namjene koja će se puniti i uređaj je spreman za rad. I u ovom slučaju kabeli neka budu presjeka 16 mm2 i ne dulji od 5 m, uz obaveznu primjenu rastalnih ili automatskih osigurača 60 A. Ponovno spojite kabele na remote on/of upravljački ulaz. Zatvaranjem sklopke S1 uređaj počinje s radom ako alternator radi. Uređaj ima i VE.Direct sučelje za spoj s nadređenim računalom, primjerice Cerbo GX. Prethodna generacija Oriona nije imala VE.direct sučelje!
Kako prepoznati rad motora i alternatora
Proizvođači motora i u plovilima i vozilima uvode inteligentno vođenje rada alternatora kako bi se povećala iskoristivost goriva i smanjila nepotrebna emisija štetnih plinova. Osim što mogu dinamično varirati izlazni napon, pametni alternatori se i potpuno isključuju dok motor radi ako nisu potrebni. Orion XS može biti podešen tako da predaje energiju samo dok je alternator u vrtnji i na izlazu ima odgovarajući napon za predaju energije. Prepoznavanje stanja alternatora da je sposoban predati energiju je važno kako se ne bi uz isključeni alternator praznila (i vjerojatno ispraznila!) startna baterija na koju je alternator spojen!!!! To se izvodi inteligentnim prepoznavanjem rada motora alternatora pri čemu nije potrebna dodatna intervencija u električnu instalaciju motora i alternatora, kao niti instalacija nekog dodatnog osjetnika.
Prepoznavanje da motor i alternator nisu u vrtnji provodi se mjerenjem napona startne baterije na koju je alternator priključen. No pretvarač nije uvijek u mogućnosti ispravno zaključiti o naponu startne baterije jer napon startne baterije zavisi od pada napona na kabelu između startne baterije i ulaza pretvarača. Taj pad napona ovisi o struji, duljini i presjeku kabela. Ako pretvarač ne prenosi energiju kroz sebe iz alternatora prema bateriji opće namjene, tj ne teče njime struja punjenja baterije opće namjene, tada je napona na ulazu pretvarača jednak naponu alternatora tj. startne baterije.
Uobičajeni alternatori daju ustaljeni napon od cca 14 V, dok napon pametnih alternatora može biti promjenjiv od 12,5 V do 15 V! Prepoznavanje da motor i alternator nisu u radu provodi se samo ako Orion XS radi kao punjač, a ne provodi se ako Orion XS radi kao izvor napajanja.
Načelo prepoznavanja rada motora i alternatora prikazano je na slici 7. Struja punjenja LFP baterije opće namjene označena je s Icharge i teče dok se kroz pretvarač prenosi energija iz alternatora. Ako se ispravno prepozna da motor i/ili alternator nisu u pogonu, zaustavlja se punjenje i alternator sa startnom baterijom biva razdvojen od baterije opće namjene. Tako se ne može dogoditi da punjač isprazni startnu bateriju dok motor i alternator stoje, ili dok je alternator isključen pri vrtnji motora !
Opis područja slike 7.:
0 do 1: Čim se motor i alternator zavrte napon alternatora i startne baterije Vstarter porastu (crvena krivulja). Čim napon startne baterije i alternatora Vstarter preraste Vstart razinu, punjenje baterije opće namjene započinje.
1 do 2: Zbog struje punjenja dolazi do pada napona na ulaznom kabelu Vcable, ovaj pad napon smanjuje ulazni napon pretvarača VIN (zelena krivulja). Sve dok VIN ostaje iznad razine Vshutdown punjenje je omogućeno maksimalnom strujom Imax.
2 do 3: Ako postane VIN < Vshutdown kreće smanjenje struje kako bi se smanjenjem pada napona na kabelu napon VIN održao iznad razine Vshutdown. Pametni alternatori u radu sami smanjuju napon i stoga je nužno smanjiti struju kako se punjenje ne bi bez potrebe isključilo.
3 do 4: Ako struja prestane teći i stanje VIN < Vshutdown traje dulje od 1 minute (tshutdown) zaključuje se da motor i alternator stoje i punjač se isključuje.
4 do 5: Dočim ponovno vrijedi Vstartdelayed < VIN < Vstarter, punjenje ponovno počinje nakon podesivog vremenskog zatega tstartdelay. Pametni alternatori u radu se isključuju sami, a kad se ponovno uključe rade s nižim naponom, stoga se za ponovno uključenje alternatora, a onda i punjenja baterije opće namjene, uz motor koji se nije prestao vrtjeti, primjenjuje smanjena razina Vstartdelayed.
Spoj Remote on/off upravljačkog ulaza
Remote on/off upravljački ulaz služi za omogućenje rada pretvarača. Može biti spojen na 3 načina kako prikazuje slika 8.:
- a) sklopka između L i H stezaljki (uređaj je omogućen ako je otpor između Li H stezaljki < 500 kΩ),
- b) sklopka između plus pola startne baterije i H stezaljke (uređaj je omogućen razinom > 3 V),
- c) sklopka između minus pola startne baterije i L stezaljke (uređaj je omogućen razinom < 5 V).
Ako se radi o potrebi punjenja LFP baterija, koja se nipošto ne smije prepuniti jer će se uništiti, u sustavu mora postojati odgovarajući BMS (sustav za nadzor LFP baterija). BMS će preko remote on/off ulaza punjača, osnovom signala mjerenja u ćelijama baterije, zabraniti daljnje punjenje, a prije uništenja baterije, slika 8d. BMS bez obzira na možebitno krivo podešenje punjača je zadnja linija obrane LFP baterije i mora moći zaustaviti rad punjača, tj. punjenje!
Isključenje prepoznavanja rada motora i alternatora
Funkcija automatskog prepoznavanja rada motora i alternatora djeluje samo u slučaju ako Orion XS djeluje kao punjač za punjenje baterije opće namjene. Ta funkcija prepoznaje uvjete u instalaciji pri kojima se može preuzimati energija iz alternatora. No tu se funkciju može i isključiti ako korisnik želi sam odlučiti kada preuzimati energiju iz alternatora i startne baterije preusmjeravati je prema bateriji opće namjene.
Primjenom naponske razine > 8 V na L stezaljki remote on/off ulaza isključuje se funkcija prepoznavanja rada motora i alternatora i omogućuje se punjenje baterije opće namjene. Pretvarač će puniti bateriju opće namjene bez obzira na rad motora i stanje startne baterije sve dok je na stezaljci L razina napona > 8 V. Tako se može upravljati punjenjem nekom udaljenom sklopkom, primjerice kontaktima u bravi ključa električne instalacije. No i uz stezaljku L > 8 V potrebno je i dalje zadržati spoj remote on/off ulaza za opće omogućenje djelovanja punjača gdje mora biti nužno spojen kratkospojnik na stezaljkama L i H, slika 9a. Ako se radi o LFP bateriji onda se zbog njene zaštite mora koristiti i BMS, a način kako se tada upravlja isključenjem funkcije automatskog prepoznavanja rada motora prikazuje se na slici 9b. U oba slučaja sa slike 9. čim se kontakti sklopke ključa otvore, punjač ponovno prelazi u način rada automatskog prepoznavanja rada motora i alternatora i punjač će se stoga isključiti punjenje prepoznavajući nakon zakretanja ključa da je motor i alternator u mirovanju! Stoga je važno dobro podesiti parametre prepoznavanja rada motora i alternatora i zaista provjeriti podešenja da se Orion XS uistinu sam isključi ako se motor zaustavi.
Podešenja Orion XS-a u funkciji punjača baterija
Potpuno i bezuvjetno isključenje automatskog prepoznavanja rada motora moguće je isključiti podešenjem pretvarača u VictronConnect aplikaciji. Ako je engine detection override postavka aktivirana u Orion XS pretvaraču preko VictronConnect aplikacije, tada je funkcija prepoznavanja rada motora bezuvjetno isključena. Čim je pretvarač omogućen prema slici 8, događa se bezuvjetno preuzimanje energije prema bateriji opće namjene, tj. struja će teći iz startne baterije bez obzira da li motor radi ili ne radi. Takvo bezuvjetno punjenje zaustavlja se tek postavkama input voltage lockout u VictronConnect aplikaciji. Tamo postavljena razina ne smije biti preniska kako bi se ipak donekle zaštitila startna baterija od potpunog pražnjenja. U većini slučajeva dostatno je postaviti je na ne manje od 12.5 V, slika 10.
Još jednom: Aktiviranjem engine detection override postavke u VictronConnectu funkcija automatskog prepoznavanja rada motora i alternatora je bezuvjetno isključena i korisnik mora sam osigurati da se pri stajanju motora i alternatora ne prazni (i isprazni) startna baterija! Minimalna zaštita startne baterije koja se može ipak osigurati je kroz postavku naponske razine input voltage lockout.
Ako djeluje kao punjač baterija, potrebno je izabrati tip baterije opće namjene koja će se puniti Orion XS pretvaračem iz alternatora. Za olovne baterije osiguran je trostupanjski algoritam punjenja koji produljuje životni vijek baterije opće namjene koja se puni. Algoritam punjenja proračunava trajanje apsorpcijskog vremena; kod plićih pražnjenja olovnih baterija apsorpcija traje kraće, a kod dubljih pražnjenja apsorpcija traje dulje. Za LFP bateriju apsorpcijsko vrijeme ne zavisi od dubine pražnjenja već je postavljeno na fiksni iznos. Upravljanje procesom punjenja baterije u slučaju punjenja LFP baterija pouzdano će sačuvati alternator od preopterećenja (i izgaranja!).
Zaključak
Rješenje spajanja startne baterije i baterije opće namjene sklopkom ili sklopnikom u posljednjih dvadesetak godina poboljšano je upravljačkom elektronikom koja prati uvjete spajanja i razdvajanja te dvije grupe baterija i upravlja sklopnim procesima sklopnika (npr. Cyrix relej). Širom primjenom LFP baterija ponovno je otvorena tema spajanja startne olovne i LFP baterije opće namjene. LFP baterija ima izuzetno mali otpor i u pravilu se ne smije izravno spojiti na alternator i startnu bateriju. Zbog velike struje pri punjenju LFP baterije može biti ugrožen alternator. U ovom nastavku opisano je kako iz alternatora ograničiti preuzimanje energije za punjenje baterije opće namjene bilo olovne, bilo LFP baterije primjenom pretvarača Orion XS. Pretvarač Orion XS je već druga, dorađena i dograđena generacija elektroničkih ograničavala struje pri spoju LFP baterija na alternator i startnu bateriju.
Orion XS nije ipak jednostavan uređaj pa smo se i ovaj puta ograničili samo na prenošenje osnovne ideje i uvod u funkcije uređaja i značenje parametara. Znatiželjni će se već kao i obično javiti ili sami proučiti originalne upute proizvođača. Ovaj članak nikako ne zamjenjuje originalne upute uz uređaj!
josip.zdenković@schrack.hr