Możliwe topologie systemu LFP na jachcie (cz. 4/7)

Mozliwe topologie systemu LFP. Źródło: nordkyndesign.com/

Ten artykuł jest częścią serii siedmiu artykułów o zastosowaniu i montażu akumulatorów litowych na jachcie. Spis treści linków do poszczególnych części znajdziesz TUTAJ lub na dole tego wpisu.

W standardowych systemach elektrycznych na jachtach mamy po prostu szynę plusową i szynę minusową. To do nich są podłączone wszystkie ładowarki i odbiory. Eric Bretscher z Nordkyn Design bardzo mocno naciska, aby system LFP miał oddzielną szynę plusową na ładowanie i oddzielną szynę na odbiory. 

Uproszczony schemat takiego systemu poniżej:

Dual DC bus Nordkyn Design
Rozdzielenie ładowania i odbiorów. Źródło: nordkyndesign

Zaletą takiego podejścia jest to, że BMS może odłączyć ładowanie, podczas gdy cały czas możliwe jest rozładowywanie akumulatorów. Oczywiści takie rozwiązanie nie jest możliwe w przypadku gotowych akumulatorów drop-in.

Zasadniczym minusem jest dodanie komplikacji. Dodatkowo taka topologia niemożliwa do zastosowania w przypadku urządzeń, które są zarazem ładowarką i inwerterem (np. popularny Victron MultiPlus).

Odłącznie z powodu zbyt wysokiego napięcia – niebezpieczeństwo dla alternatora!

W przypadków mało skomplikowanych urządzeń elektrycznych napędzanych akumulatorami LiFePO4 sytuacje awaryjne nie są ani niebezpieczne, ani specjalnie skomplikowane. Wszystko dlatego, że np. taka hulajnoga elektryczna może znajdować się w dwóch stanach. Albo ją ładujemy, albo rozładowujemy. Co więcej, ładujemy ją przy pomocą jednej ładowarki.

Więc w przypadku sytuacji awaryjnej (ładowarka powinna skończyć ładować, a ładuje dalej), kiedy napięcie na jakiejś komórce osiągnie krytyczną wartość, bateria jest po prostu odłączana i nie powoduje to niebezpieczeństwa dla samej ładowarki. Dodatkowo nikt nie jeździ tą hulajnogą podczas ładowania.

Na jachcie sytuacja jest dużo bardziej skomplikowana. Po stronie ładowania mamy po jednej stronie ładowarkę brzegową, alternator, generator wiatrowy (hydrogenerator działa tak samo), solary itd. Po drugiej stronie długą listę odbiorników. Wyobraźmy sobie, że nagle nasz BMS postanowił akumulator odłączyć:

  1. Ładowarce brzegowej nic się nie stanie. Nie powinna też ona zrobić krzywdy naszej elektronice.
  2. W przypadku solarów odłączenie akumulatora (odbioru) może albo uszkodzić regulator napięcia (w przypadku regulatora MPPT) lub w naszym układzie elektrycznym może pojawić się napięcie 20V, co z kolei może uszkodzić elektronikę.
  3. Odłączenie odbioru od wiatraka (który pracuje) także nie jest zdrowy ani dla wiatraka, ani dla naszej elektroniki.
  4. Jednak największa dewastacja zachodzi w przypadku odłączenia odbioru od pracującego alternatora! Od razu lecą diody i po alternatorze…

Co robić?

Optymalnie jest jeśli przed dojściem do niebezpiecznego poziomu napięcia nasz BMS “poprosi” inne ładowarki, aby przestały ładować. Wtedy żadnego odłączenia nie będzie.

W przypadku wiatraka może być to niemożliwe. Wszystko dlatego, że wiatrakowe sterowniki są po prostu głupie. BMS może np. zewrzeć plus z minusem na wiatraku, co spowoduje zatrzymanie urządzenia.

W przypadku solarów BMS powinien albo skomunikować się ze sterownikiem albo odłączyć solary przed sterownikiem.

W przypadku alternatora BMS powinien albo skomunikować się z regulatorem i zakończyć ładowanie, albo po prostu odłączyć regulator. Druga metoda jest może brutalna, ale przynajmniej nie spalimy alternatora.

To samo z ładowarką brzegową. Trzeba albo jej powiedzieć, żeby przestała ładować, albo ją odłączyć po stronie brzegu.

Aby taka komunikacja między urządzeniami była możliwa zarówno BMS, jak i ładowarki/sterowniki muszą nadawać po magistrali CAN. Może gdybym budował system od zera, to tak bym to zbudował. Jednak u nas na jachcie Crystal nic (poza obecnie BMSem) nie porozumiewa się w CANie, więc wymiana wszystkich ładowarek nie wchodziła w grę.

W drugim scenariuszu BMS za pomocą przekaźników odcina solary, wiatraki i odłącza zasilanie alternatorowi. Rozwiązanie finansowo do zniesienia, jednak sporo kabelkologi i komplikacji. Nie chciałem też spędzić w San Francisco całej zimy grzebiąc się w kablach.

Poniżej kilka możliwości poradzenia sobie z problemem odłączenia akumulatora litowego przez BMS.

Rozwiązania dla odłączenia akumulatora litowego przez BMS

1. Hybryda LFP i akumulatora kwasowego

Jest to zdecydowanie najprostsze rozwiązanie, jeśli nie chcemy wywalać naszej istniejącej instalacji do góry nogami. Polega ono na tym, że do akumulatora litowego podpięty jest równolegle mały akumulator kwasowy. W przypadku awaryjnego odłączenia LiFePO4 w instalacji zostaje akumulator kwasowy i wszystkie ładowarki, regulatory i alternator są szczęśliwe.

Hybryda LiFePO4 i akumulatora kwasowego
Hybryda LiFePO4 i akumulatora kwasowego. zwerfcat

Dodatkową zaletą takiego systemu jest to, że mogę sobie odłączyć akumulatory litowe na serwis, podczas gdy wszystkie systemy jachtowe działają z małego akumulatora kwasowego. Oczywiście ten mały akumulator kwasowy szybko padnie bez solarów, ale dopóki słońce świeci, dopóty wszystko ładnie działa bez akumulatorów LFP. Ponieważ 99% czasu spędzamy na kotwicy bez zasilania z brzegu, taka redundancja jest potrzebna.

Na Crystal zdecydowałem się na zrobienie hybrydy. Do naszych 600Ah LFP mamy na stałe połączony równolegle mały (50Ah) akumulator AGM.

2. Urządzenie zabezpieczające alternator

Zastosowanie hybrydy wygrało w przypadku instalacji na Crystal. Jednak minusem takiego rozwiązania jest to, że dalej w systemie trzeba mieć akumulator kwasowy. Nie wszystkim się to może podobać. Firma Sterling sprzedaje urządzenie zabezpieczające alternator w przypadku nagłego odłączenia odbioruAlternator Protection Device.

Urządzenie chroniące alternator przed odłączniem
Urządzenie chroniące alternator przed odłączeniem. Źródło: sterling-power.com

Tak więc, jeśli ktoś chce się na dobre pozbyć akumulatorów kwasowych, to urządzenie Sterlinga jest ciekawą alternatywą. Ogólnie jest to fajny pomysł w kontekście wyłączników obwodu. Jeśli macie na jachcie taki wyłącznik, którym można odłączyć akumulatory od chodzącego alternatora, to takie małe urządzonko jest warte rozważenia. Podobno to działa jak należy i jest oficjalnie polecane przez producenta alternatorów jachtowych – firmę Balmar.

3. Separator diodowy

Jest jeszcze jedna możliwość ochrony naszego alternatora przed odłączeniem od akumulatora. Można zastosować separator diodowy, który będzie separował akumulator LFP od kwasowego akumulatora rozruchowego.

separator diodowy
Separator diodowy. Źródło: littelfuse

W takim rozwiązaniu alternator i inne źródła podłączone są po tej samej stronie diody. W przypadku odłączenia akumulatora LiFePO4 ładowarki nadal są podłączone przez diodę do akumulatora startowego.

Separator diodowy
“Leisure Battery” to nasz akumulator litowy. Po stronie alternatora mamy wszystkie ładowarki i regulatory. Źródło: 12voltplanet

Niestety. Ten system też nie jest doskonały i ma swoje ograniczenia. Ograniczeniem jest maksymalny prąd, jaki może płynąć przez taki izolator. W przypadku firmy Victron jest to 200 amperów.

Ale jest też drugi problem. Nie wszystkie ładowarki będą działać poprawnie będąc “za diodą”. Niektóre z nich żeby ruszyć muszą najpierw “widzieć” napięcie na akumulatorze. W tym wypadku one nie zadziałają.

Tak więc jeśli chcesz zastosować to rozwiązanie to sprawdź najpierw czy będzie to OK dla regulatorów do solarów, czy wiatraka.

4. Zastosowanie automatycznego stycznika

Zastosowanie automatycznego stycznika pomiędzy akumulatorem startowym (kwasowym) silnika, a naszym akumulatorem LiFePO4. Najpopularniejsze na styczniki firmy Blue Sea (Automatic Charging Relay) lub firmy Victron Ebergy (Cyrix-i inteligent battery combiner).

Cyrix intelligent battery combiner
Cyrix lub ACR siedzą między akumulatorem rozruchowym a akumulatorem LFP. Na tym diagramie “Domestic Battery” to nasz akumulator LFP. Źródło: emarineinc

W takim układzie nasze wszystkie źródła prądu są podłączone do akumulatora rozruchowego. Jeśli napięcie na akumulatorze rozruchowym wzrośnie powyżej zdefiniowanego poziomu (np 13.2 V), wówczas stycznik łączy akumulator rozruchowy z litowym, który się ładuje.

Kiedy ładowania nie ma (napięcie na aku silnikowym < 12.8) akumulatory są rozłączone. Wszystkie odbiory są podłączone oczywiście do akumulatora litowego (Domestic Battery na diagramie). Jest to trochę taka wariacja hybrydy, ale mamy jeden kwasowy akumulator mniej. Cyrix/ACR po prostu chroni akumulator silnikowy przed rozładowaniem.

Pamiętajmy, że “inteligencja” tych styczników polega, że łączą/rozłączają akumulatory przy odpowiednim napięciu. Jednak nie zapewniają one poprawnego profilu ładowania akumulatora litowego.

Dlatego nasz akumulator rozruchowy (kwasowy) musi być ładowany profilem odpowiednim dla akumulatora LiFePO4. Akumulator kwasowy będzie minimalnie niedoładowany, jednak większa krzywda mu się nie stanie. Lepsze to niż uszkodzenie drogiego akumulatora LFP. Ten odpowiedni profil ładowania dotyczy wszystkich wariacji łączenia równoległego LFP i akumulatora kwasowego. Więcej na ten temat piszę w części 6. o ładowaniu akumulatorów.

Na koniec jeszcze dodam, że zamiast Cyrix/ACR można zamontować ładowarkę DC-DC. Ma to taką zaletę, że można ją zaprogramować na odpowiedni profil ładowania. Wtedy będziemy ładować akumulator rozruchowy profilem odpowiednim dla akumulatora ołowiowego, a ładowarka DC-DC będzie ładowała akumulator litowy odpowiednim dla niego profilem.

Problem jest taki, że ładowarki te ładują relatywnie małym prądem i są dość drogie. W moim rozumieniu instaluje się akumulatory litowe między innymi po to, żeby potem móc je ładować dużym prądem. W pełni programowalna ładowarka firmy Victron jest w stanie ładować prądem tylko 50A i kosztuje aż 650$. Dlatego uważam, że takie rozwiązanie nie ma sensu.

Seria artykułów o akumulatorach litowych na jachcie

Trochę sporo mi tego wyszło. Dlatego podzieliłem cały artykuł na siedem mniejszych części. Linki do nich poniżej:

  1. Akumulatory litowe na jachcie – wprowadzenie
  2. Dlaczego akurat akumulatory litowe na jachcie?
  3. Gotowe akumulatory litowe na jachcie – przegląd
  4. Możliwe topologie systemu LFP na jachcie
  5. Samodzielny projekt akumulatorów litowych na jachcie
  6. Ładowanie akumulatorów LiFePO4
  7. LiFePO4 na jachcie Crystal – co mamy?