Ideja zamjene
U opisu rješenja primjene LFP baterija na brodici pri praktičnoj realizaciji dotaknulo se sklopova spojenih oko baterija koji služe za zaštitu baterija: nadzornika stanja baterije i sklopki za isključenje punjača i trošila. Nadzornik stanja LFP baterije (VE.Bus BMS uređaj) spojen je informacijskom sabirnicom sa sklopovima u bateriji. Zadaća mu je zaštititi bateriju od prekomjernog punjenja i pražnjenja prateći razinu napona ćelija, ali i od razarajućeg temperaturnog djelovanja na ćeliju 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 (Battery protect sklopka) ili sklopke za isključenje punjača (Li Charge relej). Isključenje trošila ili punjača sprječava uništenje baterije. I nadzornik i sklopke za isključenje trošila ili punjača kompliciraju instalaciju zauzimanjem fizičkog mjesta u instalaciji za same sklopove i potrebno ožičenje. Razvoj LFP baterija otišao je u logičnom smjeru da se i nadzornik i sklopke smjeste u zajedničko kućište baterije. Tako su nastale Lithium SuperPack baterije (kratica LSP baterije), slika 1. LSP baterije zadržavajući sve prednosti LFP baterija omogućuju jednostavnu zamjenu olovnih baterija s baterijom koja ima samo dva energetska priključka (plus i minus pol)!
Lithium SuperPack baterije
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. Upravo obratno, životni vijek LFP baterije će se čak i produljiti ako nije ustaljeno skroz puna. Olovna baterija ima nisku (80%) prosječnu efikasnost 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 50% privedene energije uistinu i spremiti u bateriju (pri kraju punjenja i znatno manje!). Za LFP bateriju vrijedi visoka prosječna efikasnost od 92% 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!).
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 isključenja 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 koje su 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 zapravo nepotrebni ispadi instalacije pri većim opterećenjima punjenja ili pražnjenja. Zbog potrošnje elektroničkih sklopova ugrađenih u sebi, LSP baterije smiju ostati svega nekoliko mjeseci bez dopunjavanja. Samopotrošnja unutar LSP baterije ne bi trebala stvarati probleme uz primjenu dopunjavanja LSP baterija iz fotonaponskih modula u sustavu.
Opseg rekonstrukcije brodice Bayliner
Na brodici Bayliner investitor je želio provesti zamjenu postojeće olovne baterije opće namjene s LFP baterijom. Osnovni razlog je što brodica služi za višednevni boravak na moru bez doticaja kopna s električnim priključkom pa je stoga izdašnost spremnika od presudne važnosti. Pri tome je istovremeno osmišljeno i provedeno povećanje fotonaponskog polja na brodici. Također, bilo je potrebno osmisliti i punjenje LFP baterije pri radu alternatora. Brodica ima dva motora, ali slabije alternatore (50 A) pa se razmišljalo i o zamjeni alternatora s jačom jedinicom jer ideja brodice nije da se svakodnevno plovi više sati. Željelo se omogućiti i dopunjavanje baterija s obale ako se brodica dokopa luke s električnim priključkom, ali i mogućnost primjene uobičajenih izmjeničnih trošila na brodici za vrijeme plovidbe. Želja je bila i mogućnost nadzora ugrađene opreme – ali minimalno potrebna, tj bez daljinskog nadzora od kuće. Sve ove izmjene i želje je bilo potrebno uključiti u postojeću instalaciju broda. Ohrabrujuća činjenica je bila postojanje cjelovite polazne električne sheme brodice, slika 2. Investitor je potvrdio da će on sam izvesti instalaciju i da će potpuno slušati naše naputke – dakle s minimalno vlastite kreativnosti. Dodatna sigurnost je bila da mu je pri ruci bio i vrstan električar upoznat s instalacijom i dosadašnjim zahvatima na brodici.
Spoj MPPT regulatora
Na slici 3 prikazan je spoj baterijske banke. Ugrađeno je dvije skupine baterija, svaka po tri baterije po 200 Ah, dakle 1200 Ah sve skupa. Skoro 10 puta više energije iz LSP baterije nego u dosadašnjoj olovnoj bateriji od 200 Ah jednostavno mora osigurati novu kvalitetu boravka na brodici. Baterije su priključene na Lynx Power in kompaktne sabirnice preko kratkih kabela jednake duljine. Svaki „plus“ kabel priključen je unutar Lynx power in jedinice preko rastalnog osigurača. Ugrađena su dva MPPT regulatora punjenja. Fotonaponski moduli su priključeni na MPPT regulatore preko zaštitnog prekidača koji u ovom slučaju suži kao servisna sklopka. Izlazi MPPT regulatora provode se preko zaštitnih prekidača na izbornu sklopku S2. Izbornom sklopkom S2 se energija iz fotonaponskih modula usmjerava u jednu ili drugu skupinu baterija. Pri ulazu u baterijsku skupinu postavljen je class T rastalni osigurač. Razlog postavljanja baš class T osigurača u blizinu instalacije s LSP baterija (a ne recimo NH rastalnih osigurača!) već je prethodno podrobno opisan u serijalu i neće se ovdje ponavljati.
Spoj DC/DC pretvarača Orion smart
Iz alternatora, kako je naučeno u prethodnim nastavcima serije, energija se vodi prema LFP bateriji preko DC/DC pretvarača Orion Smart, slika 4. Zadaća je ovog pretvarača ograničiti struju iz alternatora pri punjenju LFP baterije na željeni iznos da se ne uništi alternator. 600 Ah LSP baterijska skupina ima izuzetno mali unutarnji otpor i može u izravnom spoju s alternatorom povući struju koja bi sigurno uništila alternator. Postoje dvije izvedbe pretvarača prema struji koja se povlači iz alternatora; 18 A i 30 A. Kako je alternator svega 50 A, izabrano je dva pretvarača po 18 A. Pri nižim okretajima motora alternator ne može dati nazivnu struju i stoga smije biti uključen samo jedan pretvarač. Tek ako motor radi blizu nazivne brzine vrtnje, smije se uključiti i drugi pretvarač. Oba pretvarača imaju u instalaciji zaštitne prekidače na ulazu i izlazu. Pretvarači su spojeni na temeljni razvod energije baterije opće namjene u jednom Lynx Power in modulu koji se izbornom sklopkom S1 dalje spaja na jednu skupinu baterija. Tako pretvarači Orion Smart, samo jedan ili oba zavisno o brzini vrtnje motora, predaju energiju u S1 sklopkom izabranu skupinu baterija. Brodica ima stalno priključenih 600 Ah, s mogućnošću prebacivanja na rezervnu baterijsku skupinu od novih 600 Ah koja čeka u pripravnosti. Ovo je napravljeno tako da se izbjegne spajanje više od 3 baterije u paralelu! Preko ove sklopke dolazi sva energija iz DC/DC pretvarača Orion i odlazi sva energija za napajanje istosmjernih DC trošila. Na pristupu Lynx power in modulima svake skupine baterija primijenjen je class T osigurač.
Spoj dvosmjernog pretvarača
Za napajanje izmjeničnih trošila na brodici za vrijeme plovidbe, ali i za nadopunjavanje baterija priključenjem na izvor s kopna ugrađen je dvosmjerni pretvarač Multiplus, slika 5. Dvosmjerni pretvarač stvara autonomnu mrežu na brodici 230 V, 50 Hz za napajanje trošila do 1600 VA. Ova snaga pretvarača će osigurati primjenu i prilično zahtjevnih izmjeničnih trošila! Izabrani dvosmjerni pretvarač može puniti baterije sa 70 A. Između pretvarača i Lynx Power in modula spojena je servisna sklopka S3 koja služi za potpuno isključenje dvosmjernog pretvarača iz strujnog kruga tako da se bez potrebe ne uzima energija za održavanje pripremnog rada dvosmjernog pretvarača dok zaista nema potreba za izmjeničnim trošilima. Dvosmjerni pretvarač Multiplus spojen je preko temeljnog Lynx Power in modula istosmjernog razvoda i sklopke S1 na izabranu baterijsku skupinu.
Shema spoja energetskog dijela
Na slici 6. prikazana je objedinjena shema spoja svih komponenata oko dvije baterijske skupine LSP baterija. Shema je prikazana preglednosti radi samo u „plus“ polu. Na slici su debljinom crta prikazani i presjeci kabela za ožičenje. Za izvedbu spojnih mjesta ožičenja potrebno je imati aparatne stopice, termoskupljajući bužir i odgovarajuća kliješta za stiskanje svih presjeka u instalaciji. Slika 7 prikazuje ožičenje kabelima presjeka 50 i 95 mm2, a slika 8 prikazuje ožičenje kabelima ostalih presjeka. Slike 7 i 8 prikazuju spoj i pozitivnih i negativnih kabela. Zbog jednostavnosti izvedbe spajanje kreće od debljih prema tanjim presjecima. Na slici 7 naznačene su i vrijednosti rastalnih osigurača unutar Lynx Power in modula. Slika 9 prikazuje cjelovitu shemu spoja energetskog razvoda.
Shema spoja informacijskog dijela
Svaka skupina baterija u minus polu ima spojen mjerni otpornik BMV 712 Smart nadzornika baterija, slika 10. Tako se mjeri sva energija što uđe ili izađe iz pojedine baterijske skupine. Preko nadzornika baterije BMV 712 Smart i odgovarajućeg osjetnika može se mjeriti i temperatura. U ovom slučaju mjeri se temperatura istosmjerne sabirnice pojedine skupine baterija. Prekomjerno zagrijavanje sabirnice bi značio „problem“ u spoju u Lynx Power in modulu s trenutnom potrebom otvaranja poklopca i pregleda unutrašnjosti modula. Stanje dvosmjernog pretvarača Multiplus dohvaća se pametnim telefonom preko Bluetooth sučelja preko VE.Bus Smart dongle uređaja. VE.Bus Smart dongle prati i temperaturu baterijske skupine na kojoj je smješten, ali i temperaturu posebnog, dodatnog vanjskog osjetnika smještenog u Lynx Power in modulu temeljnog DC razvoda. Digital Multi control uređaj povezan je s bidirekcijskim pretvaračem i VE.Bus smart Dongle uređajem spojnim kabelima VE.Bus sabirnice. Digital Multi control je daljinski upravljački panel dvosmjernog pretvarača koji s dva BMV 712 Smart pokazivača omogućuje uvid u parametre i stanje sustava. Dodatno, preko Bluetooth sučelja i Victronconnect aplikacije moguće je dohvatiti svaki uređaj pojedinačno preko pametnog telefona, no o tome u sljedećem nastavku. Slika 11 prikazuje ožičenje i informacijskog i energetskog dijela sustava.
Zaključak
U ovom nastavku predstavljena je Lithium SuperPack baterija kao kompaktna izvedba LFP baterija, nadzornika rada baterije i sklopke za isključenje punjača i trošila, sve u zajedničkom kućištu. Razrađena je ideja zamjene olovne baterije opće namjene s predstavljenom LSP baterijom za jedan konkretan projekt. Pri tome je rekonstruirano fotonaponsko polje brodice i dodano punjenje LSP baterije iz alternatora. U spoj je uveden i dvosmjerni punjač koji omogućava dopunjavanje LSP baterije iz obalne mreže uz ostvarenje autonomne izmjenične mreže za vrijeme dok je brodica u plovidbi. Unatoč raskošnoj baterijskoj banci primijenjen je najjednostavniji mogući nadzor sustava. U sljedećim nastavcima pokazat će se fizički raspored ožičenja i komponenata, spoj nove instalacije s postojećom instalacijom, podešavanje i konačno puštanje u pogon komponenata i cijelog sustava.