U prethodnom nastavku naše serije predstavili smo jednostavan fotonaponski otočni sustav s Li-ionskim baterijama.
Upoznali smo LFP bateriju kao najčešći komercijalni tip porodice Li-ion baterija. Uz njena osnovna svojstva upoznali smo i uređaj za nadzor baterije BMS12/100 (BMS - engl. battery maintanance system) koji stalno pazi da LFP baterija pri punjenju ne bude izložena naponu višem od 16V - ali i da joj napon pri pražnjenju napon ne padne ispod 12V. Jer, oba ta ekstrema mogu trajno razoriti skupu bateriju.
U sklopu toga predstavili smo vam i vrlo koristan uređaj za zaštitu od prekomjernog praženjenja baterije (engl. battery protect device) primjenljiv u sustavima s LFP baterijama.
Međutim, današnje stanje tehnike i suvremena praksa nude mnogo više u kombiniranju optimalne zaštite skupih baterija i sigurnog funkcioniranja uređaja. Zato ćemo vas u ovom nastavku upoznati s još jednim uređajem za nadzor LFP baterije i pokazati vam kako ga možete povezati s cijelim nizom uređaja u otočnim fotonaponskim sustavima raznih namjena.
Riječ je o izmjenjivačima, bidirekcijskim pretvaračima, DC trošilima, punjačima, MPPT regulatorima punjenja i slično - koji skupoj LFP bateriji daju očekivanu dugovječnost a vama omogućuju visoki komfor u primjeni fotonapona.
Iz prošlog nastavka smo zapamtili da LFP baterija može odraditi više od 2500 ciklusa uz pražnjenje po jednom ciklusu od 100 % do 20 % nazivnog kapaciteta. Tako 100 Ah baterija može u više od 2500 ciklusa osigurati 80 Ah x 12,8 V = 1024 Wh energije u svakom ciklusu.
Ako se pri svakom ciklusu iz baterije prazni samo od 100 do 50 posto kapaciteta tada se iz baterije može dobiti i 5000 ciklusa uz energiju od 50 Ah x 12,8 V = 640 Wh po ciklusu.
Pritom preporučena jakost kontinuirane struje pražnjenja može biti do 1 C. Značenje slova C već smo ranije objasnili, no ponovimo: baterija od 100 Ah može se prazniti sa 100 A, dakle može se prazniti s onom strujom koja odgovara brojčanoj veličini kapaciteta baterije. Jakost maksimalne kontinuirane struje pražnjenja je 2,5 C (baterija od 100 Ah se tada prazni s 250 A). Maksimalna vrijednost pražnjenja kroz 10 sekundi je i do 10 C (baterija od 100 Ah se može prazniti s 1000 A). U procesu pražnjenja napon na bateriji ne smije pasti ispod 11 V.
Sve LFP baterije imaju u sebi elektroniku za ujednačavanje naponske razine pojedinih ćelija pri punjenju. LFP baterije koje nemaju dojavu podataka o stanju napona i temperature svih ćelija preko informacijskog priključka prema BMS uređaju, mogu se puniti s maksimalnom strujom od 1 C (baterija od 100 Ah - sa 100 A). Pritom je preporučena struja punjenja 0,2 C (baterija od 100 Ah baterija smije se puniti s 20 A!). Ako baterija ima informacijske priključke, koji se spajaju na BMS uređaj, moguće je pratiti stanje naponske razine i temperaturu baš svake pojedine ćelije. Tada se maksimalna struja punjenja može povisiti do 3 C (baterija od 100 Ah se može puniti s 300 A), a preporučena struja punjenja je do 0,5 C (baterija od 100 Ah može se puniti s 50 A). Idealan napon punjenja je 14 V do 15 V, optimalno je 14,5 V.
Radno područje LFP baterije je od -20°C do +50°C. Ako se punjenje odvija na temperaturama ispod ništice, tada je dozvoljena struja punjenja 0,05 C (baterija 100 Ah smije se puniti samo s 5 A!). Nadalje, ako temperatura padne na 0°C, onda baterija ima oko 67 % nazivnog kapaciteta, a ako padne do -20°C onda ima svega 50 % kapaciteta. Podaci o kapcitetu na 0°C i na -20°C vrijede pri struji pražnjenja do 1 C (baterija od 100 Ah se prazni sa 100 A).
Slika 1. VE.Bus BMS za nadzor LFP baterija
LFP baterije imaju u sebi integriran elektronički sklop za ujednačeno punjenje ćelija pri procesu punjenja. Raskošnije opremeljene LFP baterije imaju i dodatan sklop za dojavu izmjerene temperature i naponske razine svake ćelije. Takav elektronički sklop - BTV (engl. balancing temperature voltage control) u bateriji može proslijediti svoje podatke preko informacijskog priključka BMS uređaju kao što je prikazano na slici 2. LFP baterije koje imaju elektonički sklop BTV i informacijski priključak, smiju se spojiti do deset u paralelu i do četiri u seriju.
Tako se može oblikovati baterijska banka do 48 V i ukupno 2000 Ah. Informacijski priključci iz baterije se povezuju u lanac, od baterije do baterije. Pritom nije bitno kako je spojena sama baterija u formaciji baterijske banke. Važno je jedino da su posljednja dva slobodna priključka lanca spojena na VE.Bus BMS uređaj.
Osim informacijskog priključka preko kojega dolaze informacije iz baterije, na VE.Bus BMS uređaju se nalaze još dva priključka informacijske sabirnice VE.Bus (engl. Victron energy bus).
Informacijska sabirnica VE.Bus služi za razmjenu digitalnih podataka između VE.Bus BMS uređaja i uređaja kao što su izmjenjivači (Phoenix) ili bidirekcijski pretvarači (Multiplus, Quattro).
VE.Bus BMS uređaj može na osnovi podataka dobivenih iz elektroničkog sklopa BTV odlučiti o potrebnim akcijama zaštite baterije i poslati naloge isključenja, uključenja ili prilagođavanja struje punjenja preko informacijske sabirnice VE.Bus svim uređajima priključenim na sabirnicu. Za upravljanje uređajima koji nemaju informacijsku sabirnicu VE.Bus, tu je uređaj VE.Bus BMS opremljen upravljačkim digitalnim izlazima isključenje potrošnje i isključenje punjenja.
Slika 2: Spoj LFP baterije i VE.Bus BMS uređaja preko informacijskog priključka
Isključenje potrošnje (engl. load disconnect) - u slučaju preniskog napona na bateriji preko ovog izlaza može se upravljati digitalnim upravljačkim ulazima trošila preko kojih se ona 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 previsoke temperature neke ćelije, pomoću ovog izlaza se upravlja digitalnim upravljačkim ulazima na punjačima preko kojih se oni mogu isključiti, zatim 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 starter baterijom tipa Cyrix-Li-ct.
Za uvid u stanje VE.Bus BMS uređaja i LFP baterija na njemu su smještena tri LED pokazivača:
Kao trošila na jednoj LFP bateriji mogu biti priključeni bidirekcijski pretvarač, DC/DC pretvarač, direknta DC trošila ili izmjenjivač. Pogledajmo kako VE.Bus BMS uređaj upravlja isključenjem pojedinih trošila kako bi se zaštitila baterija.
Slika 3. Detalj spoja VE.Bus BMS uređaja s bidirekcijskim pretvaračem Multiplus i upravljačkim panelom Digital Multi control.
Na slici 3 je pokazano kako se bidirekcijski pretvarač tipa Mulitplus spaja informacijskom sabirnicom VE.Bus s VE.Bus BMS uređajem - recimo, u slučaju trenutnog prekoračenja gornje ili donje naponske razine.
Time je omogućen prijenos podataka iz BMS putem informacijske sabirnice.
Uza svaki VE.Bus BMS uređaj dolazi u pakiranju i jedan sklop koji se naziva AC detektor, a mora se spojiti kako to prikazuje shema na slici 3. Pretpostavimo da je VE.Bus BMS isključio bidirekcijski pretvarač Multiplus koji je iscrpio bateriju tj. razina napona po nekoj ćeliji je pala ispod dozvoljene. Po dolasku mrežnog napona na ulazu Multiplusa, AC detektor “primjećuje” da je mreža kao izvor napajanja opet prisutna i da bi se moglo provesti punjenje baterije...
No, Multiplus je u tom trenutku još isključen - blokiran! Međutim, informaciju AC detektora o pojavi mrežnog napona prima BMS koji sad može deblokirati Multiplus i dopustiti mu rad, tj. punjenje baterija iz priključene mreže.
Na slici 3. je vidljivo kako se Multiplus povezuje mrežnim kabelom RJ45/UTP s AC detektorom, a AC detektor dalje s VE.Bus BMS uređajem. I dodatne jedinice na VE.Bus sabirnici, poput upravljačkog modula Digital Multicontrol mogu se spojiti na slobodno mjesto na VE.Bus BMS uređaju.
Jasno je da autonomni izmjenjivači tipa Phoenix, koji nemaju priključak za mrežu, ne trebaju ni zasebni priključak AC detektora. Njih je dovoljno samo spojiti s VE.Bus sabirnicom.
Slika 4: Spoj VE.Bus BMS uređaja s bidirekcijskim pretvaračem Multiplus i upravljačkom pločom Digital Multi control.
Na slici 4 je tipičan spoj bidirekcijskog pretvarača na LFP bateriju i vidljiv je obavezan osigurač u plus polu LFP baterije.
Također, vidi se da je napajanje VE.Bus BMS uređaja izvedeno preko osigurača i upravljačke sklopke. Tom se sklopkom može isključiti cijeli sustav. VE.Bus BMS uređaj dobiva minus pol napajanja preko VE.Bus kabela i stoga ga ne treba posebno spajati na minus pol baterije.
Izuzetno je važno - kad VE.bus BMS isključi bidirekcijski pretvarač - istodobno se moraju isključiti i sva ostala trošila baterije pa i ona najmanja.
Naime, zaštini mehanizam VE.Bus. BMS uređaja signalizira isključenje trošila kad u bateriji od recimo 100 Ah imado razaranja samo još 1 Ah. Ostane li neko malo trošilo i dalje priključeno, moglo bi gotovo neprimjetno dokraja uništiti skupu bateriju!
Zato je i napajanje nadzornika baterija izvedeno preko digitalnog izlaza isključenja potrošnje VE.Bus BMS uređaja (koji može dati do 2 A) koji će isključiti napajanje i nadzornika kako bi se zaštitila baterija. Pri isključenju napajanja nadzornika gube se vrijedni podaci prikupljeni u njemu, ali to je kompromis s uništenjem baterije što bi se dogodilo kad bi nadzornik nastavio prazniti bateriju. Nadzornik baterija BMV700 troši < 4 mA i mogao bi, u slučaju da je detektiran nizak napon na bateriji, svojom potrošnjom uništiti bateriju pretjeranim pražnjenjem za 250 sati (deset dana)! VE.Bus BMS uređaj troši 2 mA i u slučaju da je detektiran nizak napon baterije mogao bi uništiti bateriju nakon 500 h (dvadeset dana). Ipak, očekuje se da će se baterija napuniti za dvadeset dana. Stoga, ako se sustav ne koristi neko duže vrijeme, mudro je ipak potpuno isključti bateriju iz napajanja ostatka sustava pomoću servisne sklopke.
VE.Bus BMS uređaj može upravljati isključenjem izmjenjivača tipa Phoenix i bez informacijske sabirnice VE.bus.
U tu svrhu služi digitalni upravljački izlaz isključenje potrošnje smješten na stezaljkama uređaja VE.Bus BMS kako je prikazano na slici 5.
Slika 5: Spoj VE.Bus BMS uređaja s autonomnim izmjenjivačima tipa Phoenix.
Primijetit ćete da je sad spojena i stezaljka battery -. To je zato jer ovi jednostavni uređaji nemaju VE.Bus sabirnicu pa VE.Bus BMS uređaj ne može preko nje dobiti negativno napajanje!
To je zato jer ovi jednostavni uređaji nemaju VE.Bus sabirnicu pa VE.BusBMS uređaj ne može preko nje dobiti negativno napajanje!
Zbog cjelovitosti, na slici 6 prikazano je kako uređaj VE.bus BMS upravlja uređajem za zaštitu baterija od pretjeranog pražnjenja istosmjernim trošilima (engl. battery protect). Ta slika je detaljno opisana u prošlom nastavku.
Slika 6: Spoj VE.Bus BMS uređaja s uređajem za zaštitu baterije od pretjeranog pražnjenja istosmjernim trošilima.
Za odspajanje DC trošila može poslužitini Cyrix Li-Load relej kako je prikazano na slici 7.
Rješenje sa slike 6 u uređaju za zaštitu baterija ima elektroničku poluvodičku sklopku dok je rješenje sa slike 7 izvedeno relejnom sklopkom (istina s mikroprocesorskim upravljanjem!) Cyrix Li-Load.
Cyrix Li-Load je opremljen klasičnim mehaničkim kontaktima, a oni imaju i svoj životni vijek...
Zato preporučujemo rješenje sa slike 6 i nećemo ulaziti u opis detalja karakteristika isključenja trošila preko Cyrix Li-Load releja.
No, dogodi li se da u nekoj opasnoj situaciji treba razdvajati i struje veće od 230 A - upravo taj relej može odigrati i ulogu pametnog međureleja! Tu je ugrađeno tipkalo (spoj u nuždi) kojim se može namjerno, kroz 30 sekundi, ignorirati isključenje trošila preko digitalnog izlaza VE.Bus BMS uređaja.
Kako je riječ o zaista hitnom slučaju tada nije bitno hoće li baterija nakon ponovnog dovođenja energije preživjeti ili ne. Najvažnije je da se i takav neugodni slučaj odigra pod punom kontrolom, bez posljedica za ostale dijelove instalacije...
Slika 7: Spoj VE.Bus BMS uređaja s CyrixLi-Load relejom za zaštitu baterije od pretjeranog pražnjenja istosmjernim trošilima.
Kao punjači na jednoj LFP bateriji mogu biti priključeni:
Pogledajmo kako VE.Bus BMS uređaj upravlja isključenjem pojedinih punjača kako bi se zaštitila baterija.
VE.Bus BMS uređaj nadzire i punjenje baterije.
Preko VE.Bus sabirnice može zaustaviti punjenje, odnosno smanjiti struju punjenja na onim uređajima koji su u sustavu spojeni na VE.Bus sabirnicu.
Takav je slučaj prikazan na slici 4 gdje je bidirekcijski pretvarač Multiplus zapravo i jedini izvor energije za dopunjavanje LFP baterije.
No, što učiniti s onim punjačima koji nemaju VE.Bus sabirnicu?
Kako njih isključiti i zaštititi bateriju?
Ako punjač ima digitalni upravljački ulaz kojim je moguće upravljati njegovim radom, onda se digitalni izlaz isključenje punjenja može upotrijebiti za isključenje punjača (slika 8).
Treba pripaziti na naponske razine upravljačkog ulaza, možda je potrebno invertiranje signala, odnosno zamjena naponskih razina za uključeno-isključeno stanje.
No uvijek je na raspolaganju i odgovarajući prilagodni kabel.
Ako punjač nema digitalni upravljački ulaz kojim se može upravljati njegovim radom, onda se digitalni izlaz isključenje punjenja može upotrijebiti za isključenje punjača, ali uz pomoć Cyrix Li-charge releja, kako prikazuje slika 9.
Relej Cyrix-Li-charge spojit će punjač nakon tri sekundne vremenske zatege, kad su ispunjena tri uvjeta:
Relej ostaje otvoren ako nije spojen na LFP bateriju! Relej Cyrix-Li-charge isključit će punjač odmah ako za to dobije nalog iz VE.Bus BMS sustava, a to će se dogoditi ako neka ćelija ima previsok napon ili temperaturu.
Kad VE.Bus BMS uređaj odspoji punjač od baterije (zbog previsokog napona) vrlo brzo će resetirati svoje alarmno stanje, jer će se situacija u bateriji smiriti bez dotoka nove energije.
Stoga će Cyrix relej opet pokušati spojiti punjač. Nakon dva pokušaja vremenski zateg se s tri sekunde povećava na 10 minuta.
Ako je pak punjač isključen s mrežnog napajanja, relej Cyrix-Li-charge će odspojiti punjač tek nakon sat vremena - kad napon na bateriji padne ispod 13,5 V (27 V).
Na slici 10 prikazan je sustav koji osim LFP baterije ima i dodatnu startnu bateriju.
Slika 8: Jednostavno isključenje punjača Skyla-i preko digitalnog izlaza VE.Bus BMS uređaja.
Razlog postojanja te baterije i principe njezina spajanja u sustav objasnili smo u ranijim nastavcima. Uključenje alternatora i startne baterije i u ovom se sustavu odvija preko posebnog releja Cyrix Li-Ct. Taj relej odlučuje kada se smije spojiti alternator i startna baterija s ostatkom sustava. I funkcionalnost tog releja smo detaljno opisali u prethodnim nastavcima. Cyrix Li-Ct relej će spojiti olovnu starter bateriju i LFP bateriju ako je napon na jednom od energetskih priključaka viši od 13,4 V (odnosno 26,8 V), a VE.Bus BMS uređaj nije dao nalog za isključenje punjača.
Cyrix Li-Ct relej će odspojiti olovnu starter bateriju od LFP baterije ako VE.Bus BMS uređaj izda takav nalog, tj. ako napon ili temperatura neke ćelije postanu previsoki i opasni za bateriju, odnosno ako napon baterije padne ispod 13,2 V.
Naime, startna baterija mora ostati sačuvana za start pa te dvije baterijske banke treba razdvojiti kada napon uslijed potrošnje energije pada.
Tu je vidljivo tipkalo startna pomoć koje će kroz 30 sekundi osigurati povezanost obje baterije. To je za slučaj nužde kada zaštita baterije ima niži prioritet pred stanjem hitnosti.
Slika 9. Isključenje punjača preko digitalnog izlaza VE.Bus BMS uređaja i Cyrix Li-charge releja.
Slika 10: Upravljanje isključenjem alternatora i startne baterije od LFP baterije pomoću Cyrix-Li-Ct releja i VE.Bus BMS uređaja.
Primijetit ćete da je na slici 10 VE.Bus BMS uređaj spojen s negativnim polom baterije preko VE.Bus kabela. Stoga se četvrta stezaljka na VE.Bus BMS uređaju, predviđena za negativni pol napajanja, namjerno ostavlja nespojena.
Jedan od mogućih punjača LFP baterija su i MPPT regulatori punjenja. MPPT regulatori punjenja služe kako bi električnu energiju prikupljenu u fotonaponskim modulima prenijeli u bateriju. I oni su već detaljno opisani u prethodnim nastavcima.
Na slici 11 prikazan je jedan otočni fotponaponski sustav koji ima regulator punjenja MPPT 100/50.
Za tu seriju regulatora punjenja je karateristično da imaju informacijsko sučelje VE.direct koje se može iskoristiti za upravljanje radom punjača odnosno njegovim isključenjem.
Nalog za isključenje punjača se generira u VE.Bus BMS uređaju, ako napon ili temperatura neke ćelije postanu previsoki kako bi se zaštitila skupa LFP baterija. Između digitalnog izlaza VE.Bus. BMS uređaja i VE.direct sučelja MPPT punjača treba postaviti odgovarajući vezni kabel.
Primjetit ćete kako taj sustav nema uređaja na VE.Bus sabirnici pa je četvrta stezljka VE.Bus.BMS uređaja spojena izravno s minus polom napajanja.
Osim toga vidi se i kako je nadzornik baterije napajan iz VE-Bus BMS uređaja.
Ako je napon na bateriji ispod dozvoljenoga, nadzornik će biti isključen, jer bi je malom potrošnjom i dugotrajnim radom na praznoj bateriji nepovratno uništio.
Ovdje se radom izmjenjivača upravlja preko digitalnog izlaza za isključenje trošila na VE.Bus BMS uređaju.
Tu je i sklopka start/stop sustava koja zapravo dovodi napajanje na VE.Bus BMS uređaj i omogućuje postavljanje njegovih izlaza u skladu sa stanjem baterije. Ako ta sklopka nije uključena onda su isključeni i izmjenjivač i punjač.
Slika 11. Upravljanje isključenjem MPPT 100/50 regulatora punjenja pomoću VE.bus BMS uređaja.
Na slici 12 prikazan je sustav s MPPT 150/85 s regulatorom punjenja.
Vidljiva je izravna veza digitalnog izlaza VE.Bus BMS uređaja isključenje punjenja s upravljačkim ulazom za uključenje na MPPT 150/85 regulatoru. Kako se ovdje koristi VE.Bus onda četvrta stezaljka VE.Bus BMS uređaja nije spojena, a VE.Bus BMS uređaj dobiva minus napajanje preko VE.Bus sabirnice. Sve ostalo je već objašnjeno na slici 11.
Slika 12: Upravljanje isključenjem MPPT 150/85 regulatora punjenja pomoću VE.bus BMS uređaja.
Na slikama 11 i 12 moguće je umjesto izmjenjivača postaviti bidirekcijske pretvarače Multiplus ili Quatro i tako priključiti mrežu ili generator za punjenje baterija.
Također, moguće je imati i DC potrošače kao i druge dodatne punjače, možda i alternator ako je riječ o brodu ili vozilu. Princip spajanja svih navedenih uređaja je objašnjen detaljno u ovom članku. Kombiniranjem raznih navedenih uređaja u fotonaponskom otočnom sustavu s VE.Bus BMS uređajem pouzdano ćemo štititi skupu LFP bateriju i osigurati joj očekivanu dugovječnost.
Granica konkretnih konfiguracija i aplikacija gotovo da i nema, no ipak je dobro sve provjeriti s djelatnicima tvrtke SCHRACK TECHNIK - jeste li napravili dobar izbor i uskladili komponente i konačno, uz nacrtanu shemu, jeste li vodili računa o svemu potrebnom za konkretno ožičenje pojedinih uređaja. Vjerujemo i nadamo se da smo vas uveli u svijet tehnički ispravne primjene LFP baterije i radujemo se svakoj konkretnoj primjeni i pitanju!
U sljedećem nastavku pokazat ćemo dva još neopisana pokazivača, nadzorni relej za spajanje s javnom mrežom i… kao i dosad sve će to biti opisano na način da se može lako shvatiti i koristiti. Jer, proljeće je blizu i vrijeme je za izlazak iz radionice na krov u lov na sunce! Kao i uvijek, tim SCHRACK TECHNIK vam je na raspolaganju za sva moguća pitanja.
Iako nije veća od kutije cigareta, informacijska sabirnica VE.Bus BMS nudi široki spektar zaštite baterija i brojne kombinacije u raznim sustavima.
Victron nudi nudi tri serije vrlo praktičnih releja koji omogućuju tri osnovne zaštitne kombinacije u primjeni s VE.Bus BMS. Kako postoje razlike između releja namijenjenih olovnim i litijevim baterijama, pri odabiru valja pripaziti na oznaku Cyrix-Li koja pripada litijevim baterijama.
