Uvod
U prethodnim nastavcima obradili smo LFP NG baterije proizvođača Victron Energy i opisali njihovu primjenu u kopnenim otočnim sustavima. LFP NG baterije su litij željezo fosfatne (LiFePO4 ili LFP) baterije, a slova NG oznaka su nove generacije (engl. new generation, NG). Za LFP NG baterije već smo predstavili i komponente modularnog sabirničkog sustava Lynx NG. No s ovim baterijama odradili smo i opisali tek rekonstrukciju jednog postojećeg Šibenika 800. Sada je na redu opis novogradnje Šibenika 800 gdje smo mogli primijeniti LFP NG baterije „ u punoj slobodi“ znanja što smo naučili do sada. Startna baterija je i dalje olovna baterija. Vjerujemo da će prikaz razvoja projekta pomoći nekome u promišljanju svojeg novog plovila ili rekonstrukcije postojećeg!
LFP NG baterije, moduli Lynx Class T power in i Lynx smart BMS NG
LFP NG baterije dostupne su u kapacitetu 100 Ah i 200 Ah s nazivnim naponom 12,8 V, 25,6 V i 51,2 V. Mogu se spojiti serijski, paralelno ili serijski/paralelno. Dozvoljen je spoj do 50 baterija u jednoj baterijskoj banci! LFP je najsigurniji komercijalno dostupan tip litijevih baterija. U našem rješenju su dvije paralelno spojene baterije 12,8 V, 200 Ah, slika 1.
Struja kratkog spoja u baterijskoj instalaciji najveća je ako se kratko spoje priključci baterije ili ako dođe do kratkog spoja baterijskih kabela blizu baterije. Stoga prvi rastalni osigurač mora biti što bliže bateriji jer on može prekinuti samo struju kratkog spoja koji nastaje u instalaciji iza njih u smjeru trošila. LFP baterija ima značajno manji unutarnji otpor od olovne baterije pa struja kratkog spoja blizu baterije može dosegnuti i 10 do 15 kA. Za tako velike struje kratkog spoja primjenjuju se Class T osigurači sa sposobnošću prekidanja struje do 20 kA. Takav osigurač prilikom prekidanja struje kratkog spoja neće eksplodirati i opasno zaiskriti, a što bi se sigurno dogodilo ako se umjesto Class T ugrade rastalni osigurači za olovne baterije, primjerice tipa MEGA ili ANL s prekidnom sposobnosti svega 2 do 4 kA. MEGA i ANL rastalni osigurači ne mogu pouzdano i sigurno prekinuti struju kratkog spoja 10 do 15 kA i može se dogoditi stanje dugotrajnog električnog luka, a to opet može izazvati požar.
Class-T osigurači su mehanički veći od MEGA osigurača i ne mogu stati u Lynx sabirničke module namijenjene za MEGA osigurače! U praksi se ugrađuju osigurači smješteni u pojedinačne nosače osigurača, no takvim rješenjem gubi se kompaktnost sabirničkog sustava Lynx. Stoga je razvijen modul Lynx Class-T Power in za prihvat dva Class-T osigurača. Class-T rastalni osigurači za velike struje (250, 300, 350 i 400 A) moraju se hladiti strujanjem okolnog zraka. To omogućuje izvedba kućišta modula s prorezima za cirkulaciju zraka za hlađenje jer bi bez hlađenja osigurači prorađivali na manjim strujama od nazivnih zbog povišene temperature okoline koju stvaraju gubici snage pri protoku struje! To u ovoj primjeni nije slučaj, ali vrijedi znati čemu služe prorezi na kućištu.
Osim energetskih priključaka, LFP NG baterije imaju i komunikacijske kabele s komunikacijskim priključcima na krajevima kabela. Ovi komunikacijski priključci spajaju se na modul Lynx smart BMS. U 12,8 V bateriji serijski su spojene 4 baterijske ćelije. Ćelija LFP baterije u radu ne smije niti jedanput izaći iz raspona od najmanje do najveće dozvoljene napunjenosti što se može pratiti naponom ćelije. Ako samo jedna ćelija u bateriji bude samo jednom prekomjerno ispražnjena ili prekomjerno napunjena, najvjerojatnije će biti nepovratno uništena. Uništena jedna ćelija znači i uništena cijela skupa baterija.
Nadzornik baterije LFP NG baterija modul Lynx smart BMS NG prati stanje svake ćelije u LFP NG bateriji preko komunikacijskih kabela baterije i može proizvesti signale za isključivanje punjača ili trošila. Signal za isključenje punjača ili trošila je ili bez naponski relejni kontakt ili naponska razina digitalnog izlaza ili digitalna poruka preko informacijske sabirnice VE.Can. Lynx smart BMS NG ima u sebi u pozitivnoj sabirnici ugrađen sklopnik u funkciji posljednje linije obrane baterije od prekomjernog pražnjenja ili punjenja. Sklopnik će zaštitno isključiti bateriju iz strujnog kruga ako upravljački signali Lynx smart BMS NG-a ne djeluju, tj ako BMS unatoč izdanim signalima za isključenje trošila i punjača uočava i dalje nastavak nepovoljnog trenda napona ćelija pri punjenju ili pražnjenju baterije. U negativnu sabirnicu u Lynx smart BMS NG-u ugrađen je i mjerni otpornik kojim se mjeri struja i napon baterije, a neizravno, računski i stanje napunjenosti baterije, tj. količina energije u bateriji. Tako se prati trenutačno stanje napunjenosti, ciklusi rada i sl.
Oprez: Za LFP NG baterije potrebno je ugraditi Lynx smart BMS NG. Naime informacijska komunikacija običnih LFP baterija je analogna, a LFP NG baterija je digitalna. Stoga nije dozvoljeno miješati obične LFP i LFP NG baterije, kao niti običan Lynx smart BMS i Lynx smart BMS NG!
Lynx smart BMS NG prikuplja podatke o svakoj ćeliji u bateriji i prosljeđuje ih sve u nadzorno računalo i na kraju na VRM portal (engl. Victron remote management, VRM) gdje se prati rad sustava, dok je običan Lynx smart BMS mogao proslijediti u nadzorno računalo samo alarm, bez uvida u detaljne podatke pojedinih ćelija! Uz NG opremu više nije potrebno pratiti svaku bateriju posebno u izravnoj komunikaciji preko aplikacije VictronConnect, već se praćenjem i povezivanjem s Lynx smart BMS NG-om prati sve detalje svih baterija i svih ćelija u bateriji odjednom!
Na Lynx smart BMS NG uređaju moguće je na Remote stezaljke priključiti upravljačku sklopku System on-off za upravljanje sklopnikom u BMS-u. Ako je ova sklopka uključena, kontakti sklopnika u BMS-u su zatvoreni i BMS spaja preko sklopnika bateriju s ostatkom instalacije. Ako je ova sklopka isključena kontakti sklopnika u BMS-u su otvoreni i baterija nije spojena na ostatak sustava. Ovom sklopkom moguće je izolirati bateriju iz sustava, primjerice pri servisnom zahvatu.
Spoj trošila na stalno prisutnih 12 V DC napajanja i spoj regulatora punjenja
Shemu sa slike 1. dograđujemo dodatkom jednog modula Lynx distributor koji se nastavlja na modul Lynx smart BMS NG, slika 3. Lynx distributor ima plus i minus sabirnicu do 1000 A s četiri kabelska priključka. Lynx distributor jedinica omogućuje postavljenje četiri rastalna osigurača tipa MEGA u kabelske priključke plus sabirnice uz opciju praćenja stanja ispravnosti svakog rastalnog osigurača. Ako je sabirnica pod naponom svijetli centralni zeleni LED Power, a pojedini LED pokazivači pokazuju status pripadnog osigurača. Ako je osigurač pregorio, LED pokazivač pojedinog osigurača prelazi iz zelenog u crveno svjetlo! Za pokazivanje stanja LED-om potrebno je spojiti Lynx distributor s Lynx smart BMS NG modulom kratkim R11 kabelom koji se dobiva uz Lynx distributor. Lynx smart BMS NG ima izvor napona koji od napona baterije stvara potrebnih 5 V DC za napajanje pokazno-mjerne elektronike u Lynx distributor jedinici. Preko R11 kabela Lynx distributor šalje informaciju o stanju osigurača prema Lynx smart BMS-u i dalje preko VE.Can sabirnice na nadzorno računalo Cerbo GX. Tako je informacija o stanju osigurača dostupna u sustavu, ali i za daljinski nadzor na VRM portalu.
Pojedina trošila plovila (primjerice muljne pumpe i sl.) moraju uvijek biti opskrbljena energijom. Napajanje trošila sa „stalnih 12 V“ izvodi se iz Lynx distributora. MPPT regulator punjenja prosljeđuje energiju iz fotonaponskih modula (430 Wp) prema LFP bateriji, također preko modula Lynx distributor. MPPT regulator spojen je tako izravno na bateriju i može je puniti i kada je glavna sklopka plovila isključena. Zaštita od prekomjernog punjenja iz MPPT regulatora provodi se kroz funkciju DVCC u nadzornom računalu Cerbo GX-u, a koja se automatski aktivira pri prepoznavanju prisustva modula Lynx Smart BMS NG u sustavu. Za to je potrebno da je MPPT regulator spojen preko VE.Direct kabela s nadzornim računalom Cerbo GX. Između modula i MPPT regulatora postavljen je prekidač koji omogućuje isključenje modula pri servisnom zahvatu oko modula. Ne zaboravite: moduli imaju uvijek napon dok god ima svjetla! Ponekad ćemo željeti isključiti djelovanje MPPT-a, to se može na njegovom upravljačkom ulazu otvaranjem kratkospojnika stezaljki Remote. U našem slučaju mi smo kratkospojnik zamijenili daljinski upravljivim kontaktom releja u nadzornom računalu CERBO GX.
Glavna sklopka instalacije i dva modula Lynx power in
Na Lynx Distributor u plus priključak spaja se daljinski upravljiva glavna sklopka instalacije K4 (engl. Remote battery switch, RBS). Ovom sklopkom moguće je daljinski s komandnog mjesta isključiti iz instalacije dva susjedna Lynx power in razvodna modula s rastalnim osiguračima, slika 5. Na module Lynx power in spojena su sva ostala trošila i punjači. Ova dva modula nemaju nadziranje stanja osigurača. To znači da pregaranje osigurača neće biti uočljivo daljinski, ali to i nije bitno jer će sklopka K4 biti uključena samo dok su ljudi na plovilu, a onda nije teško uočiti „što to ne radi“. Sklopka K4 može se upravljati i ručno.
Spoj ostalih trošila na 12 V DC, spoj startne baterije
Shemu nastavljamo graditi ucrtavanjem trošila i punjača, slika 6. Bočni potisnik spojen bez posebnog nadzora preko daljinski upravljane servisne sklopke K2. Bočni potisnik će u cilju zaštite baterije od predubokog pražnjenja odvojiti od baterije samo otvaranje sklopnika BMS-a. Vitlo sidra spojeno je preko daljinski upravljene servisne sklopke K3. To su dva velika potrošača i za njih se mora uvijek ostaviti energije, pogotovo za slučaj hitnoće. Zato od njih bateriju štitimo samo zadnjom linijom obrane, dakle sklopnikom u BMS-u. Ako on isklopi nema više energije niti za bočni potisak niti za vitlo sidra, ali niti za ostala trošila napajana iz baterije opće namjene. No ova dva najveća trošila se rabe uz motor u radu. Tako je situacija ipak nešto povoljnija jer alternator i startna baterija mogu pripomoći sa svojom strujom i tako smanjiti brzinu pražnjenja LFP NG baterije.
LFP NG baterija se puni iz alternatora preko dva DC/DC pretvarača Orion XS i odgovarajućih osigurača/zaštitnih prekidača na ulazu i izlazu. Orion XS prepoznaje po ulaznom naponu rad motora, uključuje se i ograničava struju punjenja LFP NG baterije iz alternatora na postavljenu vrijednost (do 50 A). LFP NG baterija bi bez ovog pretvarača mogla povući preveliku struju i uništiti alternator jer LFP NG baterija ima vrlo mali unutrašnji otpor za razliku od olovne. Olovna svojim unutrašnjim otporom ograničava struju punjenja, a LFP NG baterija mora imati DC/DC pretvarač koji će regulirati i ograničavati struju opterećenja alternatora na zadanoj, tj. dozvoljenoj vrijednosti. Zaštita od prekomjernog punjenja iz Orion XS pretvarača provodi se i ovdje preko funkcije DVCC u Cerbo GX-u, a koja se automatski aktivira pri prepoznavanju Lynx Smart BMS NG u sustavu. Za to je potrebno da su oba Orion XS-a spojeni preko VE.Direct kabela izravno s nadzornim računalom Cerbo GX. Na plus polu startne baterije spojena je daljinski upravljana servisna sklopka K1. Potrebno je podsjetiti: startna baterija se ne smije isključiti iz strujnog kruga sve dok je alternator u pogonu, tj sve dok je motor uključen! Kako je to sve izvedeno uočite na slici 7.
Može se postaviti pitanje što je u slučaju ako se isprazni startna baterija, je li se mogu u hitnom slučaju „spojiti“ dvije kemije baterija? Rješenja su različita i nisu jedinstvena. Ne ulazeći u detalje spajanja ili ne spajanja olovne i litijeve baterije, prijedlog mogućeg rješenja je na plovilu imati starter pack, mali uređaj koji nam je dobro poznat iz automobilske industrije. To je mala litijeva baterija koja je namijenjena za startanje automobila ako baterija u automobilu zakaže! Naravno, starter pack treba održavati punim i spremnim za hitni slučaj.
Spoj sklopki Smart battery protect i dvosmjernog pretvarača Multiplus
Za opća 12 V trošila ubačena je i dodatna elektronička sklopka Smart battery protect 220 A, slika 8. Njezinim upravljačkim ulazom upravlja BMS preko bez naponskog kontakta ATD (engl. alow to discharge, ATD). Ako je dozvoljeno pražnjenje, kontakt je zatvoren i visoka razina dolazi na upravljački ulaz elektroničke sklopke. Tada su 12 V DC opća trošila spojena na bateriju. Ako je neka ćelija prekomjerno prazna, kontakt ATD se otvara i time se isključuje elektronička sklopka Smart Battery protect 220 A, a tako i sva preko nje spojena opća istosmjerna 12 V DC trošila na plovilu.
U instalacija je i elektronička sklopka Smart battery protect 220 A namijenjena za upravljanje napajanjem DC/DC pretvarača za električni brodski motora s integriranim GPS sustavom za automatsko održavanje položaja plovila(engl. spot lock-trolling motor). Obje sklopke ispred sebe u smjeru baterije imaju daljinski upravljive sklopke K5 i K6. Daljinski upravljiva sklopka K7 služi za spajanje dvosmjernog pretvarača Multiplus. Slika 9 prikazuje izvedbu tog dijela instalacije.
Cjelovita shema spoja istosmjernog dijela instalacije
Izmjenična instalacija
Izmjenična trošila se preko RCD sklopke i izborne sklopke 1-0-2 mogu napajati ili s obale ako je plovilo spojeno na obalu, ili iz izlaza dvosmjernog pretvarača za vrijeme vožnje plovila, tj. kada plovilo nije spojeno na obalni priključak, slika 11.
Obalni priključak spaja se preko RCD sklopke na ulaz dvosmjernog pretvarača. Preko obalnog priključka kroz dvosmjerni pretvarač LFP baterija se može i puniti. Cilj održivog sustava je da se uopće ne mora dopunjavati LFP baterija energijom s obale, tj. idealno je ako MPPT regulator i Orion XS osiguravaju dostatno energije za sve potrebe na plovilu. Tada nije potrebno tražiti (i plaćati) pristanište s priključkom struje! No ako se energija ipak troši intenzivnije, onda će biti potrebno u nekom trenutku dopuniti bateriju s obale preko dvosmjernog pretvarača. Kako dvosmjerni pretvarač ne bi uništio bateriju prekomjernim pražnjenjem ili punjenjem i on se nadzire iz nadzornog računala Cerbo GX. Upravljačko računalo Cerbo GX će zaprimiti informaciju o prekomjernom pražnjenju ili punjenju neke ćelije iz Lynx Smart BMS NG modula preko VE.Can sabirnice. Pretvarač Multiplus spojen je informacijskim kabelom VE.Bus s nadzornim računalom Cerbo GX. Funkcijom DVCC u Cerbo GX, koja se automatski aktivira pri prepoznavanju Lynx Smart BMS NG, moguće je isključiti Multiplus u slučaju dojave iz Lynx Smart BMS NG o prekomjernom pražnjenju ili punjenju.
Zaštitni vodič obalnog napajanja zbog prekidanja galvanskih struja prolazi preko galvanskog izolatora. Sve metalne mase uređaja spajaju se na sabirnicu za izjednačenje potencijala i potom na glavnu zaštitnu elektrodu na krmenom zrcalu.
Informacijski spoj
Nadzorno računalo Cerbo GX spojeno je na GX GSM modem tako da je sustav na plovilu moguće daljinski pratiti preko interneta na VRM portalu i to bilo preko računala, bilo preko pametnog telefona, slika 12. Napajanje nadzornog računala Cerbo GX dovodi se s AUX stezaljki Lynx smart BMS NG uređaja. Te stezaljke ostaju najdulje pod napajanjem što je bitno zbog komunikacije sa sustavom. Informacijska veza između ova dva uređaja je preko VE.Can sabirnice. Pri izvođenju VE.Can sabirnice ne zaboraviti zaključenje sabirnice na oba kraja zaključnim članovima koji su u opsegu isporuke.
Na GX-GSM modem spojena je i aktivna GPS antena. Napajanje GX-GSM modema izvodi se iz Lynx distributora. Ako BMS isključi trošila, isključuje se i modem. Međutim podaci se prikupljaju i dalje u Cerbo GX-u sve dok Cerbo GX ima napajanje, a on se napaja preko AUX stezaljki iz izvora u BMS-u, dakle najdulje moguće, a da se još ne ugrožava baterija! Po stabiliziranju stanja i povratku djelovanja GX-GSM modema, prikupljeni podaci se iz Cerbo GX-a šalju na VRM portal, dakle ne gube se! Na Cerbo GX računalo spojeni su MPPT regulator punjenja i oba Orion XS pretvarača preko VE.Direct sabirnice.
Preko VE.Bus sabirnice spojen je dvosmjerni pretvarač Multiplus. Neke opcije upravljanja dvosmjernim pretvaračem lako su dostupne preko zaslona osjetljivog na dodir GX touch koji je spojen na Cerbo GX. Može se ograničiti struja koju dvosmjerni pretvarač povlači iz mreže kada je na nju spojen. To može biti potrebno ako se dođe u situaciju da je u pristaništu zaštitni prekidač od 10 A, a dvosmjerni pretvarač uobičajeno povlači 16 A. Ako ovo jednostavno prilagođavanje/ograničenje struje s obale ne bi postojalo, pretvarač bi nepotrebno izbacivao obalni zaštitni prekidač. Tu je i postavljanje dvosmjernog pretvarača u on, off i charge only način rada. U položaju off dvosmjerni pretvarač je u pričuvnom stanju i gotovo ne troši energiju. U položaju on iako nema priključena trošila ipak ima stanovitu potrošnju i to stanje treba izbjegavati ako nema potrebne za radom izmjeničnih trošila. Pretvarač je potrebno staviti u on samo ako se želi napajati neko izmjenično trošilo. Iako se stanje pretvarača i upravljanje njime može provesti i na zaslonu, dodan je i poseban modul Digital multi control gdje se izravno: vidi stanje dvosmjernog pretvarača preko LED pokazivača, može podesiti on, off i charge only način rada i preko gumba potenciometra promijeniti i podesiti ograničenje ulazne struje iz mreže.
Pretvarač može u položaju on istovremeno raditi i kao izmjenjivač i kao punjač, dakle sinkronizira se s napajanjem s obale ako je obala spojena. U položaju on ako nije spojena obala radi samo kao izmjenjivač. U položaju charger only, pretvarač neće raditi kao izmjenjivač, već samo kao punjač spojen na obalu. Na nadzorno računalo Cerbo GX spojena su i četiri osjetnika temperature koja mjere temperature pojedinih proizvoljno izabranih točaka na plovilu.
Zaključak
Investitor je započeo instalaciju raditi sam, no iako s bogatim iskustvom u elektroinstalacijama u zgradarstvu i industriji na kraju je bila dobrodošla pomoć i iskustvo stručnjaka tvrtke M-Tech iz Vodica upravo u rješavanju detalja izvedbe. Investitor je prateći njihov rad u cijelosti upoznao instalaciju na svojoj brodici što bi se trebalo odraziti u održavanju i bilo kakvom kasnijem zahvatu na instalaciji!
Osnovna elektro instalacija Šibenika 800 s LFP NG baterijama koju smo opisali izgleda možda jednostavno, no nestručnom instalacijom i primjenom ove komponente mogu ugroziti sigurnost korisnika instalacije i u nekom slučaju i izazvati požar! I ovaj puta ograničili samo se na prenošenje osnovne ideje rješenja. Ovaj članak nikako ne zamjenjuje originalne upute uz uređaje, kao ni činjenicu da je projektiranje i izvedbu električnih instalacija potrebno povjeriti ovlaštenim i osposobljenom projektantima i izvođačima! Oprez! To što nakon čitanja članka razumijete možda više nego prije, ne čini vas niti osposobljenim niti ovlaštenim, već samo možete kvalitetnije i sigurnije razgovarati s projektantom i/ili izvođačem vaše instalacije.
Ako vam projektant ili izvođač nije uvjerljiv oko detalja rješenja – jednostavno tražite drugoga. Tvrtku M-Tech možemo rado preporučiti jer su sudjelovali u nizu naših projekata! Riječ je ipak o novoj tehnologiji za koju je bilo potrebno i njihovo investiranje vremena u učenje i savladavanje načela i detalja djelovanja. Mi ćemo uvijek rado pomoći koliko možemo i znamo ako bilo projektant, bilo izvođač zatraži savjet. U pripremi je 8. izdanje FN priručnika i 5. izdanje priručnika o primjeni LFP baterije na plovilima, besplatno su dostupna oba ranija izdanja, pa smo možda na neka vaša pitanja već naišli i imamo odgovor koji upravo tražite po bespućima interneta…