Uvod
U prethodnom nastavku opisan je nadzornik baterije SmartShunt. Nadzornik baterije pruža uvid u stanje napunjenosti baterije i osigurava pravovremenu preventivnu akciju smanjenja bilo potrošnje bilo punjenja i tako pridonosi duljem životnom vijeku baterije. Opisali smo dostupne izvedbe mjernog člana po nazivnoj struji: 300, 500, 1000 i 2000 A i izvedbe zaštite elektronike uređaja u stupnju mehaničke zaštite od vode i prašine IP21 i IP65. Parametriranje uređaja provodi se najjednostavnije preko telefona i aplikacije VictronConnect. Moguće je i spajanje na nadzorno računalo sustava serije GX pa onda preko njega i daljinski nadzor na besplatnom on line mrežnom portalu Victron remote management (VRM).
U ovom nastavku opisat ćemo jednu rekonstrukciju brodice Green line 48 gdje smo ugradili Smartshunt, ali i iskoristili mjerenje SmartShunt-a tako da procesom punjenja baterije iz MPPT regulatora i dvosmjernog pretvarača Quattro optimalno upravlja nadzorno računalo Cerbo GX. Kako je brodica opremljena Raymarine zaslonom, poželjeli smo i tamo vidjeti sustav. Tako je sustav moguće nadgledati na lokalnom zaslonu zaslonu Raymarine, na zaslonu GX touch, ili daljinski preko telefona na VRM portalu.
Opis postojeće instalacije
Ova brodica i investitor poznati su već u našem serijalu! 2022. godine investitor se javio sa zahtjevom: Imam motorno plovilo Green line 48 namijenjeno za osobnu upotrebu. Plovilo je proizvedeno 2018. godine i želim klasične olovne baterije (6 komada 12 V, 120 Ah) u svojstvu baterijske banke opće namjene zamijeniti s litijskim baterijama. Čini mi se da me baterija opće namjene polako „napušta“ i da ću je za sezonu 2023. morati zamijeniti. Osim tih baterija na brodu imam još i 4 sloga po dvije olovne baterije. Naime, imam dva motora na plovilu i svaki motor ima svoj slog startnih baterija. Preostala dva baterijska sloga su za pogon prednjeg i stražnjeg bočnog potisnika. Na baterijskom slogu prednjeg potisnika spojen je i motor sidrenog vitla. Dodatno postoji i 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, 11 kW, dvosmjerni pretvarač Victron Energy Quattro 5 kW s daljinskim upravljačkim panelom Digital multi control, dva solarna panela ukupno 600 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.
Zadatak je bio i interesantan i izazovan, a nastavljao se na naša iskustava s brodovima Šibenik 800, Leidi 800 i Bayliner 325. Svodio se u prvom koraku na akciju uklanjanja postojećeg baterijskog sloga opće namjene izvedenog sa šest olovnih baterija 120 Ah. U drugom koraku se na to mjesto spaja nova baterija opće namjene izvedena kao 4 LFP baterije 12,8 V , 200 Ah. Rješenje smo objavili na platformi Schrack training center.
No ipak nakon razrade nije došlo do realizacije projekta. Trošak materijala je bio oko 11.000 €, a ovom iznosu moralo se pridodati i trošak električarskog rada i spojnog materijala… Presudno je možda bilo i to što je investitor razmišljao nabaviti novi brod pa mu ova investicija ne bi bila isplativa do nabave novog plovila.
Instalacija brodice je tvornički bila uzorno izvedena, slike 1., 2. i 3. Ali iz nekog razloga proizvođačka elektro-dokumentacija uz brodicu je bila neprecizna, zapravo neiskoristiva jer nije odražavala stvarno stanje! Investitor je zamolio za preciznije sheme kako bi se mogla razraditi zamjena baterija, ali proizvođač nije imao razumijevanja (ili dokumentaciju!). Ipak dobrobit ove nerealizirane razrade projekta zamjene baterija je na kraju bila velika. Naime postojeća instalacija brodice kroz projekt bila je snimljena, dokumentirana i shvaćena.
Opis zadatka i zahvata
I onda se događa vrijeme. Investitor je u međuvremenu zamijenio postojeću olovnu baterijsku banku novom olovnom baterijskom bankom, ali sada 1200 Ah 12 V. Ugradnjom nove olovne baterijske banke „uselio“ se i nadzornik baterije na kojem je prodavač baterija inzistirao radi davanja garancije za baterije. No taj nadzornik nije se mogao integrirati na glavni zaslon Raymarine na brodici, niti ga se moglo daljinski pratiti. Dodatno, odlučio se „pojačati“ brodicu s još 4 fotonaponska panela i dodatnih dva MPPT regulatora s ugradnjom od strane proizvođača brodice.
U to vrijeme investitor nas je komunicirao i u zajedničkom promišljanju, jer smo imali sada odličnu dokumentaciju postojećeg stanja, definirali smo novi zadatak:
- ugradnju nadzornika baterije SmartShunt 1000 A,
- ugradnju Cerbo GX računala koji će iz pokaznog sustava postati računalo koje upravlja punjenjem baterije iz više izvora energije, a oslanjajući se na informacije iz SmartShunt-a,
- prilikom tvorničke ugradnje dodanta 4 modula inzistirati od tvornice na ugradnji MPPT regulatora koji se mogu upravljati preko Cerbo GX-a,
- postojeći dvosmjerni pretvarač Quattro „podvrgnuti“ upravljanju iz računala Cerbo GX,
- Cerbo GX uključiti u pregled na Raymarine.
Energetski spoj
SmartShunt uz poseban temperaturni osjetnik može mjeriti i temperaturu spojnog mjesta, čime se barem malo približava mjerenju temperature unutrašnjosti baterije. Tako izmjerena temperature, napon i struja baterije postaju osnova za prilagođavanje parametara punjenja MPPT regulatora i dvosmjernog pretvarača Quattro, slika 4.
Između fotonaponskih modula i MPPT regulatora ugrađeni su zaštitni prekidači kojima je moguće isključiti fotonaponske module od ostatak instalacije, a bez nepotrebnog otvorenog iskrenja ili prekrivanja modula da se zaustavi njihova proizvodnja, slika 5. i slika 6. Svaki MPPT regulator se preko svojeg rastalnog osigurača uključuje u instalaciju. SmartShunt je uključen u instalaciju neposredno ispred baterijskog sloga. Na slici je vidljiva prethodna ugradnja mjernih shuntova (zeleno) na kojima je inzistirao prodavač baterijskog sloga poradi ostvarivanja prava na jamstva za bateriju. SmartShunt smješten je u zasebno kućište blizu baterijskom slogu u motorskom prostoru, a postavljeni parametri su prema slici 7.
Informacijski spoj
MPPT regulatori su svi u izvedbi s VE.Can informacijskom sabirnicom jer VE.Can sabirnica spaja sva tri uređaja s nadzornim računalom Cerbo GX, slike 8. VE.Can sabirnica mora biti zaključena na oba kraja posebnim zaključnim članovima koji se dobivaju pri isporuci, slika 9. Informacijsko spajanje bi se moglo provesti i s izvedbom MPPT regulatora s VE.direct sabirnicom, ali Cerbo GX ima samo 3 VE.direct priključka od koji je jedan zauzet s VE. Direct komunikacijskim kabelom od SmartShunt-a. Postojeći dvosmjerni pretvarač Quattro spojen je informacijskom sabirnicom VE.Bus s računalom Cerbo GX. Spoj između dvosmjernog pretvarača Quattro i upravljačkog modula Digital Multi Control nije diran. Cerbo GX ima četiri ulaza za mjerenje temperature od kojih je u instalaciji iskorišteno samo dva. Oni nisu spojeni na neki potencijal, već samo mjere temperaturu okoline. U Ethernet sučelje računala Cerbo GX spojen je poseban kabel za povezivanje s Raymarine zaslonom.
Na Cerbo Gx spojen je zaslon osjetljiv na dodir GX touch 70, slika 10. Preko tog zaslona moguće je postaviti sva potrebna podešenja u računalu Cerbo GX. Vidljiva je i nova izvedba prikaza na zaslonu, ali o tome će uskoro biti poseban članak. Posebno važna za instalaciju su podešenja u DVCC izborniku (engl. Distributed Voltage and Current Control) . Upravo preko ovog izbornika računalo Cerbo GX se postavlja u zadatak upravljanja procesom punjenja baterija iz više izvora punjenja (MPPT i Quattro), a uz podatke mjerenja iz SmartShunt-a. Podaci SmartShunt-a postaju dijeljeni podaci za sve uređaje u instalaciji i postaju jači od podatka koje pojedini uređaji mjere na svojim stezaljkama, primjerice dijeli se očitanje temperature (engl. Shared Temperature Sense, STS), očitanje struje (engl. Shared Current Sense, SCS) i očitanje napona (engl. Shared Voltage Sense). DVCC omogućuje podesivo ograničenje struje punjenja na razini cijelog sustava, pri čemu GX uređaj aktivno ograničava rad dvosmjernog pretvarača ako primjerice solarni punjači već pune punom snagom. Tako u baterije bez obzira na izvore punjenja neće ići više od podesive, najviše dozvoljene vrijednosti struje punjenja za konkretnu bateriju. Detalji DVCC izbornika računala Cerbo GX mogu se pročitati ovdje. Osnovni podaci instalacije mogu se pratiti izravno na zaslonu pametnog telefona, bez ulaska na VRM portal ili u VictronConnect uspostavljanjem zaslonskog dodatka – mini aplikacije (engl. widget), slika 10. lijevo-dolje.
Prilikom puštanja u pogon svi uređaju su dohvatni preko Bluetooth sučelja na VictronConnect aplikaciji. No moguće i daljinski, od kuće, preko interneta, dohvatiti parametre uređaja, slika 11. U VictronConnect aplikaciji se izabere VRM jahač (crveno 1) gdje se potom prikazuju sve vaše instalacije na VRM portalu (ako niste instalater, onda će tu biti naravno samo jedna vaša instalacija). Izaberete jahač Devices (crveno 2) i na zaslonu telefona uočavate sve uređaje koji su spojeni na Cerbo GX računalo vaše instalacije. Sada izaberete uređaj (primjerice crveno 3) i ulazite u izbornike uređaja kao da ste ispred njega i komunicirate Bluetooth sučeljem.
Spajanje s Raymarine zaslonom
Posljednji dio zadatka je informacijsko povezivanje Raymarine višenamjenskog zaslona (engl. Multi Functional Display, MFD) sa “srcem” energetskog sustava brodice, računala Cerbo GX. Nakon povezivanja, može se jednostavno nadzirati i upravljati energetskim sustavom plovila izravno putem zaslona na komandnoj ploči (engl. Glass Bridge). Može se nadzirati AC/DC trošila, priključak na kopneno napajanje, generator ili provjeriti stanje baterija. Ako nije u instalaciji prisutan Digital Multi Control panel može se preko MFD-a postaviti ograničenje ulazne struje s kopna ili uključiti, isključiti ili prebaciti dvosmjerni pretvarač u način rada “samo punjenje” kad ostavljate plovilo privezano u luci. Putem MFD-a može se imati uvid i u stanje ostalih baterija ako ih se mjeri dodatnim SmartShunt-ovima. Spajanje računala Cerbo GX izvodi se posebnim mrežni kabelom, slika 12. Potom se dodirne Victron ikona na Raymarine zaslonu i sustavi su spojeni. Plug and play – bez dodatnih konfiguracija ili pretplata!
Uvijek je dobro detaljno pročitati upute jer primjerice spajanje Axiom MFD uređaja i Cerbo GX-a putem Ethernet veze preko mrežnog usmjerivača na brodici može dovesti do sukoba IP adresa zbog integriranog DHCP poslužitelja unutar Axiom MFD-a.
Tehnička opaska
Na ovom projektu mogu se lijepo uočiti i specifičnosti vezano uz strujne krugove na 12 V. Sigurno ste uočili da smo u 12 V sustav ugradili SmartShunt, da je prethodno bio ugrađen mjerni otpornik od strane prodavača zamjenskih olovnih baterija, ali ono što vam je sigurno promaklo na slici 5. u Quattro conection box-u je još jedan mjerni otpornik za mjerenje struje baterije isporučen pri proizvodnji brodice! U minus vodiču prema bateriji su nakon zahvata ukupno čak tri mjerna otpornika!
Za jednostavnu računicu pretpostavimo 2,4 kW trošilo u 12 V instalaciji s čisto radnim karakterom. Uz bateriju 12 V to je 200 A istosmjerne struje u strujnom krugu. Tih 200 A određuje potreban presjek kabela da ne dolazi do značajnijeg pada napona i zagrijavanja kabela i njegove izolacije. U primjeru na slici 13. je pretpostavljen za 200 A nedostatan presjek kabela od 16 mm2. Na svega 3 m ukupne duljine kabela stvara se pad napona 0,7 V, a to je 5,6 % napona izvora (12 V). Uobičajeni prihvatljivi pad napona na kabelu instalacije je 2 do 3% napona izvora. Trošilo stoga neće dobiti punih 12 V već 11,32 V, a za 2400 W zahtijevat će 212 A. Pad napona na trošilu konstante snage povećat će struju! Pad napona i povećanje struje trošila je prvi neugodan učinak premalog presjeka kabela. Drugi neugodan učinak je zagrijavanje kabela i izolacije. Tanki kabel postaje grijač! Na ovom primjeru na 3 m kabela nepotrebno se gubi 154 W pri struji 212 A. Pri ovoj struji i izabranom presjeku u opasnost dolazi njegova izolacija. Grijanjem izolacije može doći do njezina taljenja i neočekivanih kratkih spojeva. Oni stariji znaju koliko je vruća klasična žarulja od 150 W. Tri metra kabela nije jednako žarulji od 150 W u smislu koncentracije topline, ali ipak daje intuitivno osjećaj koliko je to topline koja grije izolaciju. Grijanje je drugi neugodan učinak pretankog kabela!
Ako nam se ne da precizno računati prema formulama sa slike 13., dovoljno je za presjek kabela uzeti 2 do 3 A/mm2 za duljinu kabela oko 5 m (primjerice za 212 A treba uzeti kabel najmanje 75 mm2, a optimalno 90 mm2). Situacija se jako popravlja ako je baterija opće namjene primjerice 48 V! Struja za 2400 W trošilo pada na 50 A, pad napona na kabelu je uz isti kabel od 16 mm2 svega 0,16 V na 3 m duljine što je zapravo svega 0,3% napona izvora od 48 V! Snaga koja se troši na 3 m kabela pri 50 A je zanemarivih 8 W.
Vrijedi spomenuti i da svaka komponenta u strujnom krugu ima svoj radni otpor. Mjerni članovi imaju pri nazivnoj struji najčešće 50 mV, a kako u instalaciji postoji tri mjerna člana u seriji tako je taj otpor trostruk. Dakle dva nepotrebna mjerna člana (ukupno 0,1 mΩ) su zapravo grijači (pri 200 A to je 4 W ). U strujnom krugu je puno vijčanih spojeva, svaki spoj je pri 200 A cca 4 W, rastalni osigurači oko 10 W. Svaka sklopka, pogotovo istrošenih kontakata može grijati i do nekoliko desetaka W! Svi ti otpori se zbrajaju. Oni „kradu napon“ izvora i tako povećavaju struju trošila. A svi ti spojevi postaju grijači i griju okolinu, a ponajviše kabel. Ako su i nekvalitetno izvedeni ili s vremenom oksidirali grijat će se i više – primijetit ćete to na kraju po oštećenjima na izolaciji kabela. Izuzetno je važno mjerenje napona (koje se dijeli svim uređajima kroz DVCC opciju) imati što bliže bateriji jer tako će punjači moći prilagoditi napone na svojim izlazima da na bateriji bude ono što se želi, tj. što bateriji treba. Ni previše ni premalo! Ukratko, svaki strujni krug na 12 V važno je pomno analizirati što sve u njemu mora biti i učiniti ga takvim da je u njemu što manje spojeva, sklopki, kabela, shuntova…
Zaključak
Opisali smo jednu praktičnu ugradnju nadzornika baterije SmartShunt 1000 A kojeg smo povezali s Cerbo GX računalom. Cerbo GX smo podesili da mjerne signale struje, napona i temperature SmartShunt-a dostavlja MPPT regulatorima i dvosmjernom pretvaraču Quattro, ali i da ograniči tj upravlja ukupnom strujom punjenja baterije opće namjene. Tako se baterija neće šokirati istovremenim punjenjem prekomjernom strujom iz više izvora, a što će produljiti životni vijek baterije. Proveli smo i spajanje sustava na Raymarine zaslon. Tako se sada energetski razvod oko baterije opće namjene, MPPT regulatora punjenja i dvosmjernog pretvarača nadzire lokalno preko Raymarine zaslona, preko GX touch 70 zaslona i zaslonskog dodatka na pametnom telefonu, a daljinski preko VRM portala i interneta bilo preko računala, bilo preko telefona.
Provedba ovog zahvata proizašla je iz preciznog i upornog snimanja instalacije pred nekoliko godina zahvaljujući jednom tada neostvarenom projektu. I tadašnje snimanje i sadašnji zahvat napravljen je stručno i u suradnji s tvrtkom M-tech iz Vodica. No veliku zaslugu ima i investitor koji odlično poznaje svoj brod. Čitao je i promišljao članke u Burzi Nautike i sam točno odredio što želi i sve to vremenski koordinirao bez „strke“ dok je brod mirovao preko zime.