Primjer otočnog fotonaponskog sustava za napajanje plovila s LFP baterijama

Vrijeme čitanja: 7 min

Uvod

U brojnim objavama u nekoliko časopisa do sada smo upoznali sve bitne komponente sustava napajanja plovila (ali i bilo koje druge primjene otočnog fotonaponskog sustava s povremenim priključkom na izvor pomoćne energije), a  kako bismo s tim znanjima mogli promišljati  „svoj“ sustav. Na tom putu još uvijek je prije definiranja svog sustava mudro zaviriti i proučiti neko cjelovito gotovo rješenje iz jednostavnog razloga – da nešto ne promakne. Stoga će se u ovom nastavku korak po korak proučiti i opisati rješenje proizvođača s poveznice: https://www.victronenergy.com/battery_protect/smart-battery-protect#system-schematics. Neće se detaljno opisivati elemente kao u svim nastavcima do sada, već će se učiti kako i zašto je nešto spojeno u cjelinu! Proučavanje gotovog i provjerenog rješenja čini nas sposobnim za pronicanje u moguće varijacije za svoje rješenje! A ako se negdje  zapne uvijek se može prelistati koji stari nastavak gdje su uređaji i njihove funkcije detaljno opisani.

FN moduli i MPPT regulator

Besplatna sunčeva energija prikuplja se iz FN modula i  predaje MPPT regulatoru punjenja baterija. U ovom dijelu sustava, slika 1., za podsjetiti je da količina FN modula zavisi o prostoru bez sjene na plovilu. Izabrani moduli određuju i MPPT regulator. MPPT regulator i moduli se uparuju zajedno.  Za to kao pomoć postoji već više puta spominjana aplikacija „MPPT calculator“. Između modula i MPPT regulatora postavlja se DC zaštitni prekidač  koji će služiti za prekidanje strujnog kruga prije bilo kakvih radova na stezaljkama MPPT regulatora. Iako će razina napona u većini primjena biti dozvoljena za izravno diranje (do 120 V DC) ipak izrazito opasna može biti iskra pri rastavljanju strujnog kruga kojim teče istosmjerna struja. MPPT regulator razmjenjuje podatke preko digitalne VE.direct sabirnice s Color control  GX nadzornim uređajem cijelog sustava.

DC / DC pretvarač Orion – veza alternator i LFP baterija

U ovoj primjeni Orion Smart DC-DC pretvarač djeluje kao punjač LFP baterija u spoju kako pokazuje slika 2. Upravljanje i stalni nadzor nad strujom punjenja LFP baterije, a time i  strujom kojom se opterećuje alternator, sačuvat će alternator od preopterećenja i mogućeg izgaranja! Ne smije se zaboraviti da izravni priključak običnog alternatora na LFP bateriju, na način kao što se to radi u slučaju olovne baterije, može završiti kobno za alternator jer LFP baterija ima izrazito manji otpor od olovne. Činjenica je naime da su postojeći alternatori projektirani i izrađeni za punjenje olovnih baterija!

Čim se zada kontakt ključa, pretpostavlja se da je motor pokrenut i da je alternator u pogonu i dozvoljava se rad DC/DC pretvarača Orion preko njegovih ulaznih upravljačkih stezaljki, slika 3. I stezaljka L i stezaljka H trebaju obje biti kratko spojene i povezane na razinu > 7 V da bi DC / DC pretvarač Orion djelovao. Na slici 3. uočite servisnu sklopku kojom se startna baterija za potrebe servisnog zahvata električki potpuno izdvaja iz sustava, uočite i zaštitni prekidač na ulazu  u Orion , kao i rastalni osigurač na izlazu alternatora. Spoj oko elektropokretača se ne objašnjava posebno, no svakako vodite računa da se svitak elektropokretača ne smije ostaviti trajno uključen (stezaljka 50), a ako to i napravite – čut će se dobro pri prvom startu.

Izmjenični dio instalacije

Slika 4. Prikazuje izmjenični dio sustava oko bidirekcijskog pretvarača Mulitplus. Bidirekcijski pretvarač ima zadatak iz istosmjernog napona stvoriti izmjenični napon 230 V, 50 Hz na „AC out“ izlazu. No on ima i zadatak punjenja baterije po priključenju sustava na mrežu s obale. Mreža  prolazi kroz ulazni zaštitni prekidač i RCD sklopku i dalje do „AC in“ ulaza bidirekcijskog pretvaraču. Izlaz bidirekcijskog pretvarača „AC out“ prolazi kroz RCD sklopku i zaštitne prekidače izmjeničnih trošila. Na ovom izlazu su sva trošila trajno napajana izmjeničnim naponom bez obzira na priključenost na obalnu mrežu. Izmjenična mreža na „AC out“ izlazu bidirekcijskog pretvarača se sama sinkronizira i spaja na obalnu mrežu. Razne načine rada bidirekcijskog pretvarača se detaljno opisalo u prethodnim nastavcima. Bidirekcijski pretvarač je spojen VE.bus-om s nadzornim uređajem Color control Gx s kojim razmjenjuje podatke. Uočite da  uređaj Multiplus ima i dodatni izlaz za punjenje startne baterije kada je priključen na oblu. Glavni DC priključak Multiplus-a izveden je prema LFP bateriji. Kada je priključena mreža s obale i izmjenična trošila na „AC out „ izlazu ne troše svu raspoloživu i parametrom ograničenu struju s obale onda se taj dio struje  (snage, tj. energije) usmjerava prema LFP bateriji. Na slici 4. se vidi spoj negativnog priključka na centralnu negativnu istosmjernu sabirnicu. Uočite i mjerni otpornik nadzornika baterije BMV 712 koji mjeri ukupnu struju koja ide u ili iz LFP baterije. Nadzornik baterije napaja se iz LFP baterije a mjeri i napon startne baterije.

Na slici 5. je prikazan detalj izvedbe ulaznog dijela brodske instalacije. Kako bi se spriječila šteta od korozije metala plovila uslijed galvanskih struja poželjno je primijeniti izolacijski transformator  ili barem galvanski izolator. O oba ova uređaja već se također opširno pisalo u ovoj seriji.

LFP baterije i VE.Bus  BMS uređaj

BMS uređaj (engl. battery maintanance system) ima zadatak paziti da LFP baterija u stanju punjenja ne bude izložena naponu višem od 16 V i da napon na bateriji u stanju pražnjenja ne padne ispod 12 V.  Oba ova stanja mogu trajno razoriti skupu bateriju.

LFP baterije imaju u sebi integriran elektronički sklop za ujednačeno punjenje ćelija pri procesu punjenja i sklop za dojavu izmjerene temperature i naponske razine svake ćelije. Taj sklop u bateriji svoje podatke šalje preko informacijskog priključka  BMS uređaju. Osim informacijskog priključka preko kojeg dolaze informacije iz baterije, na BMS uređaju se nalaze i još dvije utičnice  VE.Bus informacijske sabirnice (engl.Victron energy bus). VE.Bus informacijska sabirnica služi za razmjenu digitalnih podataka između BMS uređaja i uređaja sustava koji podržavaju VE.Bus komunikaciju, a kao što su izmjenjivači (Phoenix), bidirekcijski pretvarači (Multiplus, Quattro), nadzorni uređaji (Color control Gx, Venus Gx) i slično. BMS uređaj može osnovom podataka dobivenih iz baterije svim uređajima priključenim na VE.Bus informacijsku sabirnicu poslati naloge za isključenje, uključenje ili prilagođavanje struje punjenja ili pražnjenja. Za upravljanje uređajima koji nemaju VE.Bus informacijsku sabirnicu VE.Bus BMS uređaj je opremljen upravljačkim digitalnim izlazima „Isključenje potrošnje“ i „Isključenje punjenja“.

Isključenje potrošnje (engl. load disconnect) – u slučaju preniskog napona na bateriji preko ovog izlaza se upravlja: digitalnim upravljačkim ulazima trošila preko kojih se trošila isključuju,

digitalnim upravljačkim ulazom uređaja za zaštitu baterija kojim se odvajaju istosmjerna trošila od baterije (engl. battery protect device) ili digitalnim upravljačkim ulazom na releju za razdvajanje trošila od baterija tipa Cyrix Li-Load.

Isključenje punjenja (engl. charge disconnect)  – u slučaju previsokog napona ili prekotemperature neke ćelije pomoću ovog izlaza se upravlja: digitalnim upravljačkim ulazima na punjačima preko kojih se punjači mogu isključiti, digitalnim upravljačkim ulazom na releju za razdvajanje punjača od baterija tipa Cyrix-Li-charge, digitalnim upravljačkim ulazom na releju za kombiniranje rada LFP baterije s olovnom startnom baterijom tipa Cyrix-Li-ct.

Sprečavanje prepunjivanja LFP baterija

LFP baterije se ne smiju prepuniti. U opisanom sustavu LFP baterija se puni iz:

  • MPPT regulatora punjenja iz fotonaponskih modula,
  • DC/DC pretvarča Orion priključenog na alternator,
  • bidirekcijskog pretvarača multiplus iz javne mreže .

Upravljanje i zaustavljanje punjenja pojedinih punjača provodi BMS uređaj, slika 6. BMS uređaj preko svog charge disconect izlaza pokreće Li-charge inteligentni relej koji odspaja punjače Orion i MPPT regulator. Prepunjivanje LFP baterija od strane bidirekcijskog pretvarača Multiplus, koji također može puniti LFP bateriju kada je na njega priključena obalna mreža, spriječeno je vezom BMS uređaja i Multiplusa preko VE.Bus sabirnice. BMS uređaj će digitalnom komunikacijom preko VE.Bus sabirnice blokirati punjenje LFP baterija iz Multiplus-a.

Sprečavanje predubokog pražnjenja LFP baterije

U ovom sustavu LFP baterije prazne istosmjerna trošila i izmjenična  trošila preko bidirekcijskog pretvarača Multiplus. BMS uređaj upravlja uređajem za zaštitu baterija (engl. battery protect) od pretjeranog pražnjenja istosmjernim trošilima. BMS će primijetiti i izmjeriti da je baterija u opasno niskom naponskom području i potom izdati digitalni signal load disconect za isključenje trošila. Uređaj za zaštitu baterija primit će taj signal i odspojiti bateriju od trošila. To je u osnovi jedna elektronička sklopka tj poluvodički ventil. Kako je riječ o elektroničkoj sklopci nema neugodnog iskrenja ili trošenja kontakata.  Prag prorade zaštite se programiranjem izabire posebno za rad s LFP baterijama, odnosno za prihvat upravljačkog signala iz BMSa. Kada je uređaj isključio trošila, njegova vlastita potrošnja je samo 0,6 mA. Tako niska razina struje samopotrošnje je izuzetno važna kako se LFP baterija ne bi unatoč isključenim trošilima i dalje značajno praznila što bi opet moglo dovesti do uništenja skupe baterije.

Trošila će se trenutno isključiti po nalogu BMSa za isključenje, a spojit će se 30 s nakon naloga BMSa za uključenje. Ako je uključivanje i isključenje učestalo onda će se ovaj interval uključivanja produljiti na 3 minute. Uređaj se prema bateriji priključuje preko odgovarajućeg osigurača. Spoj uređaja za zaštitu baterije prikazan je na slici 7.

Za možebitno preduboko pražnjenje LFP baterije izmjeničnim trošilima odgovoran je bidirekcijski pretvarač Multiplus. Isključenje Multiplusa  pri predubokom pražnjenju LFP baterije provodi se iz BMS uređaja preko VE.Bus digitalne komunikacije. Uz svaki VE.Bus BMS uređaj dolazi u pakiranju i  jedan sklop koji se naziva VE.Bus Mains detector. On se spaja kako je to prikazano na slici 8.  Pretpostavimo da je BMS uređaj isključio bidirekcijski pretvarač Multiplus koji je iscrpio bateriju tj razina napona na nekoj ćeliji je pala ispod dozvoljene. Po dolasku mrežnog napona na ulazu Multiplusa,  VE.Bus Mains detector primjećuje da je mreža kao izvor napajanja opet prisutna i da bi se moglo provesti punjenje baterije. No uređaj Multiplus je još uvijek blokiran zbog niskog napona baterije! Informaciju detektora o prisutnosti mreže prima BMS uređaj koji sada može deblokirati Multiplus i dopustiti mu rad tj provođenje punjenja baterija iz priključene mreže! Multiplus se povezuje  RJ45/UTP kabelom s detektorom mreže, a detektor mreže dalje istim takvim kabelom s BMS uređajem, slika 8.

Na slici 9. se objedinjeno nalaze dijelovi sheme pojedinačno objašnjeni na slikama 6.7. i 8.  Kabeli ožičenja paralelnih grana od baterije do sabirnica moraju biti iste duljine. LFP baterije se informacijskim kabelima (dolaze u isporuci baterija) spajaju s BMS uređajem. Svaka grana priključuje se preko posebnog rastalnog osigurača na plus sabirnicu LFP baterija. Na ovoj plus sabirnici spaja se: Multiplus preko servisne sklopke 1, punjači (MPPT regulator i Orion DC / DC pretvarač)  preko inteligentnog releja Cyrix Li-charge i battery protect uređaj preko servisne sklopke 2.

Na slici 10. prikazan je još i centralni dio sheme na kojem se uočavaju rastalni osigurači DC trošila, zaštitni prekidači za spoj DC / DC pretvarača Orion i MPPT regulator i rastalni osigurač za spoj Multiplus-a. Tu se vidi i spoj svih informacijskih veza prema Color control GX nadzornom uređaju. Color control GX uređaj povezan je s nadzornikom baterija, MPPT regulatorom, Miltiplusom i BMS uređajem. Preko njega moguć je izravan nadzor cijelog sustava bilo lokalno, bilo udaljeno preko ethernet sučelja. Za primijetiti je da su Color control GX, nadzornik baterije BMV 712, VE.Bus BMS i battery protect uređaj trajno spojeni na LFP bateriju i njihovo napajanje se ne ograničava. Ovo ne treba nipošto zaboraviti jer u slučaju da je LFP baterija prazna, tada su značajna istosmjerna i izmjenična trošila blokirana i isključena. Recimo da u toj situaciji iz nekog razloga dugotrajno nema punjenja. Tada spomenuti izravno i trajno priključeni nadzorni uređaji na LFP bateriji, unatoč gotovo zanemarivoj potrošnji, kroz neko vrijeme (cca 2 do 3 tjedna) mogu ipak uništiti LFP bateriju! Upravo zato su FN moduli i  MPPT regulator, ma kako male snage bili, savršeno i obavezno rješenje za očuvanje zdravlja baterije jer će pouzdano napuniti  potrebnu energiju za pokrivanje potreba spomenutih nadzornih uređaja.

I na kraju sve opisano prikazano je i na slici 11. To je originalna i cjelokupna shema koja se korak po korak razrađivala, a ista se može naći i na : https://www.victronenergy.com/battery_protect/smart-battery-protect#system-schematics

Zaključak

U ovom nastavku su objedinjena sva stečena znanja u ovom serijalu kroz analizu jedne sheme gotovog sustava koju preporučuje proizvođač. Nije se ulazilo u detalje uređaja već samo na to kako su električki međusobno povezani. Nadamo se da je ovo koristan „korak prije“ za sve one koji planiraju i žele i sami nešto preurediti na svojem plovilu! Čitajući ovaj članak shvatit ćete koliko vam je znanje; da li s lakoćom prolazite kroz opis, da li vam je potrebno zaviriti u neki prijašnji nastavak (a bilo ih je kroz ove godine!)  ili su vam ovo „španska sela“. U svakom slučaju zadržite odgovornost prema sigurnosti  plovila i osoba na njemu i zato nakon razrade ideje, razmislite i procijenite ipak dobro svoje snage! Iako je riječ o prilično novoj tehnologiji postoje tvrtke koje su za to registrirane imaju potrebno iskustvo i izvesti će sustav profesionalno. I vama i njima uvijek ćemo rado pomoći savjetom.

[email protected]

Je li vam ovaj tekst pomogao?
Dislike 0
Pogleda: 721