Litij-željezo-fosfatne baterije (engl. lithium iron phosphate battery, LiFePO4, LFP) su trenutno sigurnosno i komercijalno glavni izbor baterija s litijevom tehnologijom. LFP baterije su najskuplji dio vašeg sustava pa je logično upravo njima posvetiti i najveću pažnju. Objasnit će se zašto je prvo punjenje nužno prije serijskog spajanja baterije u baterijski slog za dostizanje većeg napona. Predložit će se oprema kojom se osim procesa punjenja može provesti i proces pražnjenja, a kako bi se ispitalo i dokumentiralo realno stanje kapaciteta baterije. Jedino pregled podataka u realnom vremenu kontroliranog procesa punjenja i pražnjenja sigurno otklanja svaku nedoumicu oko realnog stanja kapaciteta baterije.
BTV sklop u bateriji za nadzor ćelije surađuje s vanjskim BMS-om
Ćelije u LFP bateriji moraju biti zaštićene od prepunjavanja, predubokog pražnjenja i punjenja pri preniskim ili previsokim temperaturama. Tome služi mjerno-zaštitni sklop za ujednačavanje ćelija, nadzor temperature i napona (engl. balancing, temperature and Voltage control system, BTV) koji se nalazi u bateriji. BTV sklop u bateriji prati svaku ćeliju i razmjenjuje podatke s vanjskim uređajem za nadzor rada baterija (engl. battery management system, BMS). Ovisno o dojavi iz BTV-a, BMS uređaj isključuje uređaje koji prazne ili pune baterije. LFP baterije se ne smiju primijeniti bez BMS-a! Postoje i LFP baterije koje imaju BMS ugrađen u sebi, kao i poluvodičke sklopke koje u bateriji isključuju priključke baterije od ćelija. U nastavku ćemo obrađivati ipak samo Smart LFP baterije (proizvođača Victron) koje imaju BMS izvan baterija. Projektant sustava mora osigurati da signali koje stvara BMS mogu isključiti trošila ili punjače, što znači da trošila i punjači moraju posjedovati upravljačke ulaze za samoisključenje. Svaka ćelija preko BTV sklopa može poslati alarm prema BMS-u ako je:
- napon ćelije manji od razine napona alarma nedozvoljeno malog napona ćelije
- napon ćelije manji od razine napona predalarma nedozvoljeno malog napona ćelije
- napon ćelije veći od razine napona alarma prevelikog napona ćelije
- temperatura ćelije manja od najmanje dozvoljene temperature za punjenje ćelije
- temperatura ćelije veća od najviše dozvoljene temperature ćelije u radu.
BTV sklopovi u bateriji komuniciraju s vanjskim BMS-om preko BMS kabela koji izlaze iz baterije. Jedan kabel ima muški, drugi ima ženski konektor. Ako se koristi samo jedna baterija, ovi kabeli se spajaju izravno s BMS-om. Ako imamo više baterija, BMS kabeli se spajaju u seriju (u lanac) i to bez obzira kako su baterije električki spojene. Do sada je u serijalu opisano nekoliko tipova BMS-ova i neće se ponavljati niti objašnjenje njihovog djelovanja, kao niti posebnosti primjene nekog BMS-a.
VictronConnect
Smart LFP baterije su opremljene bežičnim Bluetooth sučeljem za komunikaciju s besplatnom aplikacijom za pametni telefon VictronConnect. Ta aplikacija omogućava iščitavanje napona baterije, napona svake ćelije, temperature baterije, prihvat alarma s mogućnošću razlikovanja uzroka alarma i osvježavanje osnovnog programa BTV sklopova u baterijama (engl. BTV firmware). VictronConnect aplikacija sadrži i demo način rada gdje možete pogledati kako izgledaju pojedini zasloni pri radu s realnom baterijom. Prije prvog priključenja baterije u neki sustav potrebno je provjeriti da li baterija ima zadnju verziju osnovnog programa u svojoj elektronici. Dočim se spojite Bluetooth sučeljem s baterijom preko VictronConnect aplikacije, ona će sama primijetiti potrebu osvježavanje osnovnog programa baterija. Preduvjet za to je da imate svježu verziju VictronConnect aplikacije!
Prvo punjenje prije upotrebe
Ako konkretno rješenje predviđa spoj nekoliko baterija u seriju, potrebno je napuniti svaku bateriju zasebno do vrha prije spajanja u seriju. Naime, baterije dolaze iz tvornice napunjene oko 50% zbog transportne sigurnosti. Zbog mogućih različitih transportnih puteva i stajanja na skladištu može se dogoditi da baterije istog kapaciteta budu različito napunjene u trenutku uključenja u seriju u instalaciju. Ta razlika u napunjenosti baterija spojenih u seriju ostaje trajno prisutna, jer će najpunija ćelija prekinuti punjenje sloga, a najpraznija prekinuti pražnjenje serijskog sloga više baterija. Ako se ne napune sve baterije spojene u seriju, svaka zasebno do kraja, velika je vjerojatnost da zapravo imamo niži raspoloživi kapacitet serijskog sloga, ponekad i značajno manji od nazivnog. Ako su baterije spojene u paralelu, onda ih nije potrebno zasebno puniti do kraja, već se prvo punjenje može izvesti u ciljnom paralelnom spoju. Prvo punjenje je obavezno kako bi se sve ćelije u bateriji ujednačile i time osigurao odmah u početku nazivni kapacitet, bilo pojedinačne baterije, bilo sloga u kojem se nalazi.
Prvo punjenje može se napraviti u radionici najjednostavnijom opremom prema slici 1. Za punjač se koristi Phoenix smart charger serija punjača. Redoslijed operacija je kako slijedi:
- priključite bateriju
- priključite punjač na mrežu
- podignite zaštitni prekidač u plus polu tako da napon baterije dođe do punjača
- podesite punjač preko VictronConnect aplikacije na „Lithium profil“
- uključite BMS start/stop sklopkom
- punjenje počinje
- provjerite djelovanje BMS kabela tako da odvrnete na nekom spoju konektore
- punjenje mora prestati, potom opet uvrnite konektore i punjenje će se nastaviti.
Općenito o punjenu LFP baterija
LFP baterije je jednostavnije puniti od olovnih baterija! Napon punjenja mora biti do 14, 2 V za 12,8 V bateriju s četiri ćelije (tj. 28,4 V za 25,6 V bateriju s osam ćelija), ali samo dok su sve ćelije ispod 4,2 V. Ako samo i jedna ćelija prijeđe preko 4,2 V pri punjenju, primjerice pri punjenju bez djelovanja BMS-a, tada se sva u tu ćeliju dovedena energija pretvara u toplinu! Ta toplina nepovratno razara tu ćeliju, a time čini i cijelu bateriju neispravnom. No uz BMS to stanje prepunjenosti će biti primijećeno i punjenje zaustavljeno prije razaranja ćelije. Optimalni napon kraja punjenja (engl. absorption voltage), kada počinje apsorpcija i napon punjača se više ne povisuje već drži ustaljenim, je preporučeno 14,2 ili 28, 4 V. Pri tom naponu kako ćelije bivaju sve punije dolazi do opadanja struje. Baterija je puna kada struja padne gotovo na nulu. Po završenoj apsorpciji napon punjača se automatski postavlja na 13.5 V (engl. float voltage, storage voltage), ali punjenje je u pravilu završeno i punjač se može isključiti. Pri punjenju je važna brzina punjenja. Brzina punjenja govori koliko će se kapaciteta napuniti u bateriju po satu (C / h). Preporučuje se punjenje brzinom punjenja 0.5 C / h (za 100 Ah to je 50 Ah / h = 50 A, što znači da će se baterija napuniti strujom 50 A za 2 h). Maksimalna brzina punjenja je 2C / h (za 100 Ah bateriju to je 200 A uz punjenje 0,5 h). No pri punjenju velikim strujama razvija se više topline koja sigurno nije optimalna za bateriju. Više topline može tražiti više prostora oko baterije za hlađenje ili pak prisilnu ventilaciju. Ako baterija prijeđe preko 75 °C , BTV sklop u bateriji će poslati BMS uređaju nalog za isključenje punjača. Isto će se dogoditi ako temperatura pri punjenju padne ispod 5 °C, jer je građevni materijal LFP baterije podložan razaranju pri punjenju ispod 5 °C. BTV sklop u bateriji će preko BMS-a poslati nalog za isključenje punjača ako bilo koja ćelija prijeđe 3.75 V što je još dovoljno daleko od 4,2 V kad nastupa uništenje ćelije. Ovaj način djelovanja BTV sklopova unutar baterije i BMS uređaja izvan baterije ima za posljedicu da punjači moraju biti opremljeni upravljačkim ulazom za isključenje punjenja.
Slika 2. prikazuje tipično podešenje punjača i tri karakteristična područja procesa punjenja za LFP bateriju kapaciteta C. Još jednom: prvo područje je područje udarnog punjenja ustaljenom strujom (engl. bulk charge). U tom području se podiže napon punjača tako da struja uvijek ima ustaljeni zadani iznos. Kad napon baterije dostigne 14,2 V ulazi se u stanje apsorpcije (engl. absorption state). Napon potom više ne raste, a struja opada prema nuli. Trajanje apsorpcije postavljeno je na 2 h i fiksno je. Za vrijeme apsorpcije događa se ujednačavanje ćelija. Kada je struja pala gotovo na nulu, tj. nakon isteka 2 h, punjač daje na svom izlazu napon stanja mirovanja (engl. float state).
Ujednačavanje ćelija na kraju punjenja
Iako su 4 ćelije koje sačinjavaju 12,8 V bateriju, tj 8 ćelija koje sačinjavaju 25,6 V bateriju, uparene pri proizvodnji ipak ćelije nisu 100% jednake. Zbog toga se u ciklusima punjenja i pražnjenja ne pune sve istom brzinom. Razlika će se s vremenom povećavati ako se ne provodi periodično ujednačavanje. Kroz LFP bateriju pri punjenju ne dolazi prirodno (bez elektronike u bateriji) do izjednačivanja stanja napunjenosti ostalih ćelija. U olovnim baterijama se događa samoujednačavanje jer pri kraju punjenja uvijek teče neka mala struja kroz bateriju! U LFP bateriji ćelije koje su zaostajale u punjenju ostale bi tako nenapunjene ako se zbog zaštite prekine punjenje. Ćelije neće biti time oštećene, ali bateriji se zbog neujednačenosti ćelija smanjuje kapacitet. Najslabije napunjena ćelija će tako prva ograničiti pražnjenje cijelog sloga. Kako bi se ćelije ujednačile u Smart LFP baterijama u BTV sklop ugrađen je i sklop za ujednačavanje ćelija (engl. cell balancing electronics). Smart LFP baterija mjeri napon svake ćelije i ako je potrebno prebacuje energiju iz jedne ili više punijih ćelija u jednu ili više praznijih ćelija unutar jedne baterije. To prelijevanje energije, ujednačavanje, se događa pri kraju punjenja sve dok ćelije međusobno imaju razliku napona veću od 0,01 V. Taj proces se naziva aktivno ujednačavanje ćelija (engl. cell active balancing).
Ako je neujednačenost značajnija, ujednačavanje započinje već pri dostizanju prve ćelije napona od 3,3 V i nastavlja se kroz nastavak punjenja. Potpuno ujednačene ćelije u procesu apsorpcije će na kraju imati 3,55 V (ukupno 14,2 V za 4 ćelije). Zato trajanje apsorpcije mora biti 2 h. Bateriji se napon drži ustaljenim i kroz 2 h se fino ujednačavaju ćelije na 3,55 V predajući jedna drugoj višak energije, smanjujući napon punijima, a povećavajući napon praznijima. Neka vas ne zbuni što će se punjač ako su ćelije jače neujednačene više puta isključivati i uključivati pod djelovanjem BMS-a. Naime punjač je neko vrijeme u stanju punjenja, potom ga najpunija ćelija isključi kada ona dođe na 3,75 V. I tada se bez punjenja ujednačavaju ćelije, tj. prelijeva se energije iz najpunije ćelije u one manje pune. Potom nakon nekoliko minuta ujednačavanja napon ćelija je opet takav da će se punjač pod djelovanjem BMS-a uključiti. Što su ćelije više neujednačene to će ova pojava biti dugotrajnija i s više prekida. To je najnormalnija pojava i ne mora vas zabrinuti jer je struja izjednačavanja ćelija mala i prelijevanje energije stoga mora trajati. Ako su ćelije potpuno ujednačene, tada se punjač neće isključiti do kraja punjenja, tj do kraja procesa aposrpcije.
Zato je važno jednom mjesečno napuniti bateriju do kraja kako bi se ćelije ujednačile! Ako se sustav koristi intenzivno, dakle više ciklusa punjenja i pražnjenja svakog dana, ili se sustav duboko prazni, potrebno je više apsorpcijskog vremena mjesečno za ponovljeno ujednačavanje baterija (4 do 6 h mjesečno!). Primijetite još jednom da veći napon baterije, odnosno pojedinih ćelija neće ubrzati ujednačavanje. Brzina ujednačavanja je definirana u sklopovima u bateriji malom strujom izjednačavanja i na nju se ne može utjecati iz punjača većom strujom ili naponom!!!! Ćelije jednostavno moraju imati dovoljno vremena da se same ujednače na 3,55 V +/- 0,01 V pri ustaljenom naponu na bateriji u fazi apsorpcije od 14,2 V. Ako su baterije spojene u seriju, ako se prazne visokom strujom pražnjenja, ako se pune kratkotrajno ili nedovoljnim naponom tada će ćelije brže postati neujednačene. Tada se moraju i tjedno puniti do kraja kako bi se ćelije ujednačile.
Ako napon tijekom punjenja dođe do 14,2 V, punjenje prelazi u apsorpcijsku fazu gdje se više ne podiže napon. Proces punjenja završava ako je struja iz punjača gotovo pala na nulu. Ako je punjač već došao do kraja vremena apsorpcije, što prepoznajete da je napon punjača na naponu mirovanja 13,5 V, a ćelije još uvijek nisu ujednačene, tada možete ponoviti postupak punjenja. Ovaj ponovljeni start punjenja će možda biti potrebno napraviti i nekoliko puta, ovisno o tome koliko su ćelije bile neujednačene i koliko dugo zapravo nije bilo procesa ujednačavanja. Proces ujednačavanja se događa samo na kraju punjenja, netom prije apsorpcije, pa ako nema periodičnog punjenja do kraja, s vremenom će se ćelije početi razilaziti po naponu. No nije potrebno, a niti dobro za životni vijek baterije, svaki dan bateriju puniti do kraja. Neujednačene ćelije nisu kvar baterije! Jednostavno takva baterija će imati manji kapacitet jer će najpraznija ćelija zaustaviti pražnjenje (energije još ima u ostalim ćelijama, ali je BMS već zaustavio pražnjenje zbog zaštite najpraznije ćelije), a najpunija ćelija će zaustaviti punjenje (napunjena je samo jedna ćelija, ali BMS je zaustavio punjenje zbog zaštite najpunije ćelije, a u druge ćelije bi još moglo stati energije). I nakon duljeg vremena neujednačenosti ćelija, baterija se potpunim punjenjem dovodi u ispravno stanje i vraća joj se puni nazivni kapacitet. Nakon punjenja dobro je bateriju odmoriti i pustiti da se ćelije same izjednače, pa ako je potrebno nastaviti kroz nekoliko sati ponavljanjem punjenja. Bateriju isključite s punjenja i provjerite napon baterije i pojedinih ćelija tek kroz nekoliko sati, napon bi morao biti svakako iznad 12.8 V i to oko 13.2 V ili veći. Napon ćelija se ne smije razlikovati za više od +/- 0,01 V (10 mV!) međusobno. Ako se napon značajnije razlikuje to bi ukazivalo na nepovratno uništenu ćeliju!
Oprema za ispitivanje LFP baterija
Ako se želite zaista brinuti o zdravlju baterija ili tek želite prije isporuke baterija za neki sustav provesti punjenje profesionalno i dokumentirano, tada preporučujemo postav opreme kao na shemi sa slike 3 (za primjerice 25, 6 V bateriju). Punjač je i dalje tipa Phoenix smart IP43 kao i na slici 1. Za pražnjenje baterija predviđen je dvosmjerni pretvarač Multiplus 24/1600/40. Primarno se koristi u izmjenjivačkom radu i napaja radno trošilo (primjerice grijalicu) koja će preuzimati ustaljenu i poznatu struju. U opremi je neophodan BMS uređaj. BMS upravlja omogućenjem punjenja preko upravljačkog ulaza punjača, a omogućenjem pražnjenja preko dvosmjernog pretvarača i VE.Bus komunikacijske sabirnice. Mjerenje veličina baterije, struje i napona bilježi se u elektronici mjernog otpornika Smart Shunt spojenog netom ispred negativnog priključka baterije. Sve informacije iz procesa punjenja i pražnjenja u realnom vremenu prosljeđuju se preko nadzornog računala Cerbo GX daljinski na internetski portal s besplatnim pristupom VRM (engl. Victron remote management). Veza s internetom ostvarena je preko Wi-Fi pristupne točke, no ako nema raspoložive mreže, primjerice prilikom rada na terenu, moguće je upotrijebiti i GSM modem kao opciju za pristup internetu. Tako se može precizno dokumentirati proces punjenja i pražnjenja. To može biti važno i pri utvrđivanju mogućih neispravnosti baterija. Slika 3. prikazuje opremu za 24 V baterije, dok je za 12 V baterije potrebno izabrati i punjač i dvosmjerni pretvarač za 12 V.
Slike 4. do 10. prikazuju detalje izvedbe sa smještajem opreme za punjenje i ispitivanje u prikladnu kutiju. Kutija ima kotače kako bi se mogla transportirati što bliže bateriji, tj. da se baterija tek električki izdvoji iz sustava, a ne i mehanički. Obavezno spojiti zaštitni vodič ulaznog kabela izmjeničnog napajanja sa svim metalnim dijelovima opreme i provesti spoj do utičnice trošila! Na prednjoj ploči su svi zaštitni prekidači sa sheme, zaslon osjetljiv na dodir kao i Wi-Fi antena. Tu je i sklopka za uključenje napona na BMS, što je ujedno i glavno omogućenje punjenja i pražnjenja. Ako je ova sklopka isključena, tj. BMS je bez napajanja, BMS šalje u ostatak sustava takve razine upravljačkih signala da se ne dozvoljava niti punjenje iz punjača niti pražnjenje baterije preko trošila i dvosmjernog pretvarača. Na prednjoj ploči su i BMS kabeli koji se spajaju s baterijskim kabelima ostvarujući spoj baterije i BMS-a.
Na slici 10. prikazani su detalji spoja s baterijom, spoj mora biti izveden robusno, pregledno i s propisanim pritezanjem i osiguranjem od odvrtanja kako se niti u kojem slučaju ne bi neočekivano spojili priključci baterije! Energija u bateriji je značajna i svaka mjera opreza je bitna! Alat koji se koristi pri pritezanju na priključcima baterije mora biti izoliran da ne spoji priključke prilikom slučajnog ispuštanja iz ruke. Pri spajanju koristiti zaštitne naočale i zaštitne rukavice. Obilježite i ogradite mjesto punjenja prikladnim oznakama upozorenja. Izmjenična instalacija na koju se priključujete mora biti ispravna i ispitana, provjerite po spajanju da kombinirani zaštitni prekidači (kombinirani zaštitni prekidač je kombinacija automatskog instalacijskog zaštitnog prekidača i RCD sklopke) isključuju pritiskom na tipku test! Provjerite i djelovanje tipke za isključenje napajanja u nuždi koja će isključiti ulaz izmjeničnog napajanja od ostatka opreme u kutiji.
Na slici 11. prikazana je i nešto jednostavnija shema koja obuhvaća samo opremu za punjenje, ne i za pražnjenje. U shemi tako nema više dvosmjernog pretvarača, te nije moguće provesti pokus pražnjenja baterije. Zbog jednostavnosti nema niti sabirničkog modula Lynx power in, već se koristi obična sabirnica s 4 spojna mjesta. Primijenjen je i drugi tip BMS-a koji ne zahtijeva postojanje VE.Bus sabirnice u sustavu. Np zadržan je dio opreme potreban za daljinski nadzor kako bi se proces punjenja mogao kvalitetno dokumentirati. Ova shema je nešto „jača“ od sheme sa slike 1., ali je cjenovno prihvatljivija od opreme sa slike 3.
Zaključak
Ponovljene su posebnosti punjenja Smart LFP baterija koje nemaju u sebi ugrađen BMS već se BMS nalazi izvana kao poseban uređaj spojen s baterijom informacijskim BMS kabelima. Ukazano je na važnost provođenja prvog punjenja s ujednačavanjem ćelija baterija. Prikazana je izvedba uređaja za punjenje i pražnjenje Smart LFP baterija. Uređajem se može daljinski dokumentirati proces punjenja i pražnjenja baterije. Ovakav uređaj bi trebao imati svatko tko se ozbiljno bavi sa Smart LFP baterijama. Uređaj je mobilan i može „prići“ baterijama, tj. najčešće neće biti potrebno mehanički izgrađivati bateriju. Nije se ulazilo u detalje parametriranja uređaja, pretpostavljajući da se kroz ovaj serijal to već usvojilo.
Shema opisanog uređaja izgleda jednostavno, no ipak spoj i izvedba je opasna jer nestručnom primjenom mogu ugroziti sigurnost korisnika instalacije i izazvati požar. I ovaj puta ograničili samo se na prenošenje osnovne ideje i funkcije komponenata. Znatiželjni će se kao i obično javiti ili sami proučiti originalne upute proizvođača. 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 kroz članak možda razumijete više nego prije, ne čini vas niti osposobljenim niti ovlaštenim, već sada tek možete sigurnije razgovarati s projektantom i izvođačem vaše instalacije.