Uvod
Pred otprilike godinu dana javio se investitor s ovakvim zahtjevom:
Imam motorno plovilo od cca 50 stopa namijenjeno za osobnu upotrebu. Plovilo je proizvedeno 2018. te sam u razmišljanju da klasične olovne baterije zamijenim s litijskim baterijama. Prvenstveno mislim na bateriju opće namjene (servisnu bateriju) kojih trenutno imam 6 komada po 120 Ah.
Osim tih baterija na brodu imam još i 4 seta po dvije olovne baterije. Imam dva motora na plovilu i svaki motor ima svoj set startnih baterija. Preostala dva seta su za pogon prednjeg i stražnjeg bočnog potisnika. Na baterijskom slogu prednjeg potisnika spojen je i motor sidrenog vitla. Dodatno postoji još jedna zasebna baterija za start dizel generatora. Pogonski motori imaju alternatore po 160 ampera svaki.
Od elektro opreme na brodu još imam: generator 220 V, 50 Hz, 11kW, dvosmjerni pretvarač Victron Energy Quattro 5 kW s daljinskim upravljačkim panelom Digital multi control, dva solarna panela ukupno 500 W s regulatorom punjenja Victron Energy MPPT 150/70 i punjač Victron energy Centaur 30 A. Brod ima priključak izmjenične mreže s kopna 230 V, 50 Hz.
Ako može neko vaše mišljenje što bi mi imalo smisla napraviti? Moram sve baterije prebaciti na litij ili mogu samo servisne? Naime, dio ovih drugih baterija sam zamijenio prošlu godinu s novima (za motore i potisnike), a ovu godinu sam zamijenio i ovu jednu bateriju za generator. Čini mi se da me i baterija opće namjene polako „napušta“ i da ću je za sezonu 2023. morati zamijeniti. Zato sve ovo i pokrećem.
Prije razrade rješenja
Nakon investitorovog upita došlo je do sastanka na kojem je dogovoreno:
- investitor će dobiti korektne i potpuno sljedive cijene opreme prema javnom Victronovom cjeniku
- radove prema našoj razradi će obavljati električar s kojim se investitor mora izravno dogovoriti za cijenu rada uz naš uvjet da električar, ako već nema kompetenciju za rad s LFP baterijama, bespogovorno mora učiti i slušati naše savjete.
Zadatak je bio i interesantan i izazovan, a nastavljao se na našu seriju iskustava s brodovima Šibenik 800, Leidi 800, Bayliner 325 koju smo detaljno opisali na našim internet stranicama (Schrack Training Center). Zadatak se svodi u prvom koraku na akciju uklanjanja postojećeg baterijskog sloga opće namjene izvedenog sa šest olovnih baterija 120 Ah, slika 1. U drugom koraku se na to mjesto spaja nova baterija opće namjene izvedena kao 4 LFP baterije 12,8 V , 200 Ah, slika 2.
U novoj izvedbi baterije opće namjene raspoloživi kapacitet bi bio cca 700 Ah (od 800 Ah nazivnog kapaciteta 4 LFP baterije), što je zapravo dva puta više nego postojeći iskoristivi kapacitet. Naime od sadašnje olovne baterijske banke kapaciteta 720 Ah, zbog čuvanja zdravlja baterije, smjelo se koristiti samo približno pola, tj. 360 Ah.
Kako bi se uopće mogla provesti razrada uvijek se započinje posjetom plovila i uvidom u stvarno stanje i postojeću dokumentaciju broda. Inače renomirana tvornica uz ovo plovilo isporučila je knjižicu s uputstvima za električne sustave na brodu na kraju koje se nalazila shema koja nije odgovarala izvedenom stanju. Također niti uputstva nisu pratila uređaje koji se nalaze na plovilu. Nakon zamolbe prema tvornici za ispravnom dokumentacijom plovila proizvedenog nedavne 2018. nismo dobili zapravo ništa nova. Namjerno ne stavljamo naziv niti broda niti tvornice, ali vjerujem da naše iskustvo neodgovarajuće dokumentacije uz plovilo nije jedinstveno. Investitor nam je ispričao kako je zbog manjkavih uputa „sredio“ svoje baterije bočnih potisnika. Stoga ćemo prije razrade rješenja ponoviti načelno rješenje brodice s dvije baterije i jednim alternatorom, slika 3.
Alternator pogonskog motora spaja se daljinski upravljanom sklopkom (engl. remote battery switch, RBS) na startnu bateriju. Čim se motor pokrene sklopka za automatsko spajanje (engl. automatic charge relay, ACR ) spaja i bateriju opće namjene na alternator. Sve dok radi motor alternator puni i startnu i bateriju opće namjene. Čim se motor zaustavi ACR razdvaja startnu bateriju od baterije opće namjene. Trošila koja su spojena na bateriju opće namjene ne mogu tako isprazniti startnu bateriju. Na strani startne baterije spaja se obično još jedan RBS kojim se uključuju dodatna DC trošila. Pri napuštanju broda, primjerice u luci, RBS-ovi i ACR su isključeni tako da energija može ići samo iz baterije opće namjene prema trošilima predviđenim za trajno napajanje iz baterije. Na bateriju opće namjene spaja se regulator punjenja iz fotonaponskih modula. Tako se i baterija opće namjene može trajno držati punom i bez punjenja iz obalne izmjenične mreže. Sve ove tri sklope moguće je upravljati daljinski preko upravljačkih sklopki smještenih primjerice na glavnoj komandnoj ploči. RBS-ovi imaju jednostavne upravljačke sklopke s dva položaja: uključen i isključen. ACR ima upravljačku daljinsku sklopku s tri položaja: uključen, isključen i Auto. Ako ACR slučajno ostane trajno u položaju „uključen“ onda su i startna baterija i baterija opće namjene trajno spojene. Trošila tad ne razlikuju baterije i ako motor ne radi mogu isprazniti i jedne i druge baterije. To će naravno biti problem pri startu motora! Ako je ACR trajno u položaju isključen onda se pak pri radu motora ne može dopunjavati baterija opće namjene iz alternatora. I to može biti kobno jer „temeljito“ pražnjenje olovne baterije namijenjene za duboko pražnjenje smije se dogoditi tek 50-ak puta. Ako je upravljačka sklopka ACR-a u položaju Auto onda će se ona zatvoriti ili dok motor radi i puni startnu bateriju ili dok radi solarni punjač i puni bateriju opće namjene. Baterije su tako spojene samo dok je aktivno punjenje u bilo koju. Čim ACR ne osjeća na svojim stezaljkama napon razine punjača, odmah isključuje svoj glavni kontakt. Posebno je korisno što i RBS i ACR sklopke se osim električnim putem mogu upravljati i ručnom, mehaničkom polugom na vrhu releja. To svojstvo nije beznačajno ako električni upravljački krugovi, bez obzira na razlog, ne djeluju…
Uvid u stanje na plovilu
Plovilo na kojem se želi provesti zamjena ima složeniju instalaciju od svih koje smo do sada opisivali, ali osnovne komponente su iste i riječ je zapravo tek o njihovom kombiniranju. Jednostavna shema sa slike 3. bila je dovoljna da se „polovi“ nedostajuća shema plovila. Instalacija je izvedena pregledno i uredno pa je nakon dva posjeta brodu, ponešto eksperimentiranja i mjerenja, zaključen spoj prema slici 4. „PORT“ motor preko RBS-a napaja svoju startnu bateriju, a na nju je preko ACR-a i još jednog RBS-a spojen prednji potisnik i motor sidrenog vitla. Također „PORT“ motor preko svog RBS-a spojen je na još jedan ACR kojim se spaja i startna baterija generatora na koju je preko posebnog RBS-a spojen elektropokretač generatora. Na „STBD“ motor preko RBS-a spojena je njegova startna baterija. Na startnu bateriju spojena su dva ACR-a. Jedan ACR spaja bateriju opće namjene, a drugi ACR spaja bateriju stražnjeg potisnika. Stražnji potisnik je sa svojom baterijom spojen preko RBS-a. Baterija opće namjene preko RBS-a napaja sva istosmjerna trošila na plovilu.
Gdje zarezati i što izvaditi iz spoja?
U postojećoj instalaciji olovna baterijska banka opće namjene vadi se u cijelosti. Promišljene su četiri bitna zahvata označena na slici 5.
- Potrebno je električki razdvojiti ACR startne baterije STBD motora i pripadni RBS. Tako je prekinut spoj između „kemije“ nove LFP baterije i svih ostali olovnih baterija. Punjenje LFP baterije iz alternatora riješit će se preko DC/DC pretvarača Orion smart.
- ACR spojen na stražnji bočni potisnik može se postaviti u položaj ručno – trajno uključeno, no to i nije tako presudno jer on će se isto uključiti sam ako se uključi STBD motor, tj čim STBD alternator povisi napon!
- Na točku 3 je potrebno spojiti „plus“ nove baterijske banke opće namjene.
- Potrebno je odvojiti punjač Centaur za obalno dopunjavanje olovne baterije opće namjene jer je neodgovarajući za punjenje LFP baterije. Punjenje LFP baterije odvijat će se iz obalne mreže preko dvosmjernog pretvarača Quattro.
Gdje i što dodati u spoj?
Iz alternatora oba motora mora se osigurati ulazno napajanje DC/DC pretvarača Orion smart (točke 1 i 2 na slici 6.). Tako preuzeta energija iz oba alternatora usmjerava se prema novoj LFP bateriji opće namjene (točka 3 na slici 6.). Plus i minus nove baterijske banke opće namjene spaja se u točki 4. Dakle samo su četiri spojne točke u instalaciji bitne za ostvarivanje zadatka!
Alternatori su nazivno 160 A pa je odlučeno primijeniti po dva DC/DC pretvarača Orion smart spojena paralelno, svaki po 30 A na svaki alternator. Ovi pretvarači na ulazu primaju napon alternatora, u radu osiguravaju da se iz alternatora ne preuzima više od 30 A po uređaju, a na izlazu se prilagođava napon potreban za punjenje LFP baterije. Ako bi se LFP baterija spojila izravno na alternator, zbog malog unutarnjeg otpora LFP baterije, potekla bi velika struja i najvjerojatnije bi se uništio alternator. Također, pri izravnom spoju LFP baterije na alternator spojile bi se dvije „kemije“, olovne i LFP baterije, što se ne smije. Ulazi i izlazi DC/DC pretvarača opremaju se automatskim zaštitnim prekidačima prema uputstvima uređaja.
Nova LFP baterijska banka opće namjene sadrži četiri LFP baterije 12,8 V, svaka po 200 Ah. Plus priključak svake baterije spaja se preko class T osigurača potrebne prekidne moći (20 kA!) i nazivne struje 250 A sa servisnom sklopkom. Sve četiri baterije povezuju se istom duljinom kabela na plus i minus sabirnicu kompaktnog sabirničkog modula Lynx power in. Ista duljina kabela je bitna kako bi se ujednačio otpor (i struja!) između paralelnih grana baterijskog sloga. U minus priključku spojen je Smart shunt koji služi za praćenje energije koja ulazi i izlazi iz baterije.
Informacijski spoj
Osim novih DC/DC pretvarača Orion i nove LFP baterijske banke potrebno je još ponešto spojiti za punu funkcionalnost rješenja. Zaštitu LFP baterija preuzima nadzornik VE. Bus BMS.V2. On je spojen sa sve četiri baterije informacijskom kabelom tako da se prati napone svake ćelije i temperatura svake baterije. On ima zadatak isključiti sve “punjače“ LFP baterije kako se baterija ne bi uništila prepunjivanjem. To su MPPT regulator punjenja iz FN modula i Orion Smart DC/DC pretvarače. Signal „charge disconnect“ nadzornika VE. Bus BMS.V2 pojačava se preko elektroničke sklopke Digital Solid switch 104. Tako pojačan signal sada može djelovati na 4 punjača i pri tome ne preopteretiti izlaz „charge disconnect“ nadzornika VE. Bus BMS.V2. MPPT regulator isključuje se preko VE.Bus sabirnice s CERBO GX uređajem. VE. Bus BMS.V2 nadzornik mora isključiti i sva trošila ako bi baterija išla prema predubokom pražnjenju koje također može dovesti do uništenja baterije. CERBO Gx zaustavlja pražnjenje baterije dvosmjernim pretvaračem Quattro preko VE.Bus sabirnice. Dodatno, preko signala „load disconnect“ nadzornik VE. Bus BMS.V2 može upravljati preko Battery protect sklopke isključenjem DC trošila na plovilu. Battery protect sklopka zbog jednostavnosti nije nacrtana u shemama 5, 6, 7 i 8 no svakako je treba predvidjeti! Njen spoj je zaista jednostavan i više puta objašnjen. Nadzorno računalo CERBO Gx omogućava vezu sa svim komponentama sustava uz dostavljanje podataka na internetski servis VRM portal, o kojem se već u više navrata pisalo. Na brodu je predviđen i zaslon osjetljiv na dodir GX touch spojen na CERBO Gx računalo. Na CERBO Gx mogu se priključiti dodatna četiri osjetnika temperature, digitalni ulazi i izlazi, ali to za sada nije razrađeno. Smart shunt u sustavu omogućava i mjerenje napona baterije startne baterije. Bilo je bitno provjeriti je li verzija dvosmjernog pretvarača takva da dozvoljava podršku LFP baterija.
Zaključak razrade
Sve dosad opisano objedinjeno je na slici 10. Za uočiti je da tu nema nešto posebno složeno i nesavladivo za prosječnog električara, tim više što sav „fini vez“ podešavanja i parametriranja opreme je savladan u dosadašnjim projektima. No ipak nakon ove razrade nije došlo do realizacije ovog projekta. Trošak materijala je bio oko 11.000 €. Činjenica je da investitor ovom iznosu mora pridodati trošak električarskog rada i nekog sitnog potrošnog, spojnog materijala, a koji isto neće biti baš potpuno zanemariv… Presudno je bilo i to što investitor misli uskoro nabaviti novi brod pa mu ova investicija nije ipak isplativa u tom kratkom vremenu. Kako smo utrošili vrijeme, odlučili smo našu razradu predstaviti drugima koji razmišljaju o nekom svom rješenju, ipak znanje je za dijeljenje…