Тяговый литиевый аккумулятор на катере

Тяговый аккумулятор и генератор двигателя – это сердце системы энергоснабжения на катере или яхте.  От их исправности и надежности зависит работоспособность всего бортового оборудования вдали от пирса. Однако большинство владельцев небольших судов не уделяют этим устройствам должного внимания. В результате аккумуляторы заряжаются долго, возможности генератора используются не полностью, а контроль за энергопотреблением и безопасностью отсутствует

LiFePO4 аккумулятор на катере

Тяговый литиевый аккумулятор состоит из двух компонентов — аккумуляторных ячеек и электронной системы управления (BMS – battery management system). Ячейки служат источником электрической энергии, а BMS обеспечивает безопасность пользователя и заботится о состоянии аккумуляторной батареи. Система управления отслеживает ток, температуру и напряжение аккумулятора и не позволяет ячейкам работать за пределами разрешенных значений

В большинстве литиевых батарей BMS расположены внутри корпуса тягового аккумулятора. Связи с внешним миром устройство контроля как правило не имеет и никак не взаимодействует с другим оборудованием в электрической системе. Если BMS обнаруживает, что один из контролируемых ей параметров выходит за допустимые пределы, она без предупреждения разрывает связь с внешней цепью.

Литиевый аккумулятор и генератор

LiFePo4 аккумулятор считается заряженным на 90-95%, когда напряжение ячеек повышается до 3,6 – 3,65 Вольт. После этого источник зарядки должен отключится, перейти в режим постоянного напряжения (если велась зарядка постоянным током) или понизить его до 13,6 – 13,8 Вольт

Напряжение генератора лодочного двигателя 14,0 — 14,4 В.  Регулятор генератора не может снизить это напряжение даже после того как аккумулятор зарядится до 100%.  Поэтому в течении всего времени работы двигателя через литиевые ячейки будет течь ток, который постепенно нагреет их. Даже если температура элементов и не достигнет критического для BMS значения, регулярное перенапряжение постепенно уменьшит их емкость и сократит срок службы

BMS отключает аккумуляторную батарею от источника зарядки, когда напряжение ячеек достигает порогового значения. Но в данном случае напряжение отсечки платы окажется выше настройки регулятора генератора и этот вид защиты не сработает.

Помимо напряжения система управления отслеживает ток заряда и разряда аккумулятора. Суммируя этот ток, несложно вычислить количество получаемых и отдаваемых аккумулятором амперчасов, а затем и текущую заряженность аккумуляторной батареи. Как только заряженность достигнет предустановленного значения, BMS сможет отключить аккумулятор от внешней цепи и прервать зарядку. Этот способ контроля достаточно точный, но далеко не все BMS «умеют» им пользоваться.

Ток зарядки

Проблемы не исчерпываются только тем, что напряжение литиевого аккумулятора и генератора не соответствуют друг другу. Ток, потребляемый аккумулятором может оказаться слишком большим для генератора.

Напряжение литиевого аккумулятора в течении зарядки меняется очень слабо. Заметный рост происходит только при заряженности 80-90%.  Это означает, что большую часть времени аккумулятор потребляет постоянный ток, и нагрузка на генератор не уменьшается

КПД стандартного лодочного генератора 50-60%. Он превращает в тепло почти половину механической мощности, получаемой от двигателя. При напряжении 14 Вольт и токе 100 А генератор отдает потребителям 1400 Вт и столько же выделяет в окружающее пространство виде тепла. Тепло разгоняет крыльчатка, установленная на валу генератора.  Чем быстрее вращается ротор, тем лучше охлаждается генератор. Но несмотря на принудительное охлаждение генератор все равно быстро нагревается

Если генератор регулярно работает при температуре 100-120 С, рано или поздно он выйдет из строя. Чтобы этого не произошло, нагрузку на генератор необходимо ограничивать, особенно на холостых оборотах, когда охлаждения недостаточно

Ограничитель тока нужен и самим аккумуляторам. Для литий-фосфатных ячеек производители указывают максимальный и рекомендуемый токи зарядки. Максимальный ток составляет 1-3 С (где С – емкость аккумулятора). Рекомендуемый для большинства элементов существенно ниже — 0,3-0,5 С. Тяговые аккумуляторы служат дольше, если зарядный ток соответствует рекомендуемому.

Ограничение нагрузки на генератор

Ток в цепи тягового аккумулятора можно ограничить при помощи реле развязки. Некоторые модели реле имеют самовосстанавливающиеся предохранители, которые выдерживают короткий всплеск нагрузки, но нагреваются, если она, превышает номинал реле дольше. С ростом температуры сопротивление предохранителей увеличивается, микроконтроллер фиксирует падение напряжения, определяет, что нагрузка возросла и разрывает цепь. После того как предохранители остынут, реле замыкается вновь.
Реле не способно изменять выходное напряжение генератора, поэтому тяговый аккумулятор останется под напряжением 14,0-14,4 Вольт в течении всего времени работы двигателя. Но реле можно разомкнуть внешним сигналом. Например, с BMS или батарейного монитора.

Однако если тяговый литиевый аккумулятор подключен к генератору напрямую, просто так разрывать цепь между ним и генератором нельзя. Буфера в виде стартового аккумулятора в этом случае нет и последствия будут такими же, как и после поворота главного переключателя в положение ВЫКЛ во время работы двигателя. Сброс нагрузки вызовет скачек напряжения, который пробьет диоды выпрямителя и выведет из стоя регулятор генератора. Избежать неприятностей можно с помощью Sterling Power APD12. Это небольшое устройство гарантирует, что в случае скачка напряжения, вызванного ослаблением контакта или обрывом цепи от аккумуляторной батареи, генератор будет полностью защищен

Дополнительная защита аккумулятора

BMS предохраняет литиевый аккумулятор от перезарядки, чрезмерного разряда и короткого замыкания. Но полагаться на одну только BMS нельзя. Тяговый аккумулятор должен иметь два уровня защиты литиевых ячеек. Первый обеспечивают устройство зарядки и оборудование подключенное к аккумулятору. Второй —  плата управления аккумуляторной батареей. Для LiFePO4 аккумулятора номинальным напряжением 12,8 Вольт защита осуществляется следующим образом:

Первый уровень: Зарядное устройство повышает напряжении аккумулятора до 14,4 Вольт. Затем переключается в режим постоянного напряжения для 100% заряда аккумулятора. Продолжительность второго этапа не более 30 минут. После полной зарядки устройство снижает напряжение до 13,8 Вольт.

Устройство зарядки контролирует температуру литиевого аккумулятора с помощью датчика и уменьшает выходное напряжение, если его температура растет. Зарядка прекращается, если температура аккумуляторной батареи поднимается до 55 С.  Устройство зарядки отключается и снимает с аккумулятора приложенное напряжение, как только получает сигнал неисправности от BMS. Потребители отсоединяются при напряжении аккумуляторной батареи 10,5 Вольт.

Второй уровень: BMS обнаруживает перезарядку и отключает внешнюю цепь, если напряжение одной из ячеек достигло 3,8 Вольт. Защита от переразряда срабатывает при напряжении 2,0 Вольт/элемент. Защита от перегрева при температуре 65 С

Примером востребованности многоуровневой защиты служит следующая ситуация. Статическое электричество разрушило защитную цепь аккумулятора и выходной транзистор постоянно находится в замкнутом состоянии. В нормальных условиях эксплуатации аккумулятор работает без замечаний и пользователю о неисправности неизвестно. В аварийной ситуации защита не сработает. Напряжение литиевых элементов поднимется выше безопасного уровня и тяговый аккумулятор перезарядится. Ранние признаки такой неисправности — повышение температуры и вздутие ячеек

Зарядные конвертеры

Подведем итоги. При эксплуатации литиевого аккумулятора на катере возникают следующие сложности:

Проблемы устраняет промежуточное устройство, DC-DC конвертер, предназначенный для зарядки свинцово-кислотных и литиевых тяговых аккумуляторов от источника постоянного напряжения.

В системах со стартовой и сервисной аккумуляторными батареями конвертер устанавливают между двумя группами аккумуляторов. Если генератор заряжает только тяговые аккумуляторы, то его напряжение перед подачей на конвертер предварительно стабилизируют с помощью дополнительного устройства

Преимущества зарядных конвертеров:

• Sterling Power BB1260

  Входное напряжение 11-20 Вольт
• 12->12 Вольт    

  Номинальное входное и выходное напряжение 12 Вольт. Диапазон входного напряжения 11-20 Вольт
• Максимальный ток 60 А    

  Есть режим 50% мощности
• Быстрая зарядка постоянным током
• Режимы для GEL(2), AGM(2), LiFePO4, кальциевых и жидко-кислотных аккумуляторов    

  9 режимов зарядки. Возможность создать собственный зарядный профиль
• -    

  Класс защиты IP21

ЗАКАЗАТЬ

• Sterling Power BB1230
• 12->12 Вольт
• Максимальный ток 30 А
• Быстрая зарядка постоянным током    

  Четырехступенчатый зарядный профиль. Постоянный ток, постоянное напряжение, кондиционирование и поддерживающая зарядка
• Режимы для GEL, AGM, LiFePO4 и жидко-кислотных аккумуляторов
• -

ЗАКАЗАТЬ

• Sterling Power BBW1212
• 12->12 Вольт    

  Номинальное входное и выходное напряжение 12 Вольт. Диапазон входного напряжения 11-16 Вольт. Выходного 13-15,1
• Максимальный ток 28 А    

  Максимальный ток, потребляемый устройством. Работает с генератором любой мощности
• Безопасно для LiFePO4 АКБ
• Режимы для GEL, AGM, LiFePO4 и жидко-кислотных аккумуляторов
• Водонепроницаемое    

  Класс защиты IP68

ЗАКАЗАТЬ

• Преобразует фиксированное выходное напряжение генератора в профиль, состоящий из 4-5 участков разного уровня. Приложенное к тяговому аккумулятору напряжение больше не зависит от генератора, а определяется текущим состоянием самой аккумуляторной батареи
• Заряжает аккумулятор быстрее, чем генератор напрямую. Понижает выходное напряжение после того как зарядит аккумулятор до 100%. Защищает литиевый аккумулятор от перезарядки
• Ограничивает ток в цепи, так что он никогда не превышает номинал устройства. Благодаря этому нагрузка на генератор и зарядный ток аккумуляторной батареи всегда остаются в допустимых пределах
• Прекращает зарядку по сигналу от BMS и уменьшает напряжение с ростом температуры аккумуляторной батареи. Обеспечивает дополнительный уровень защиты литиевого аккумулятора