Текст Олафа Шмидта

Переоснащение яхты с применением литиевых аккумуляторов является предметом многочисленных вопросов наших читателей. Фактически им всегда интересно сочетание новой техники и возможных условий ее эксплуатации. Чтобы дать вам ответы из первых рук, мы уже некоторое время на практике работаем (ходим на яхте) с источниками питания на основе литиевых аккумуляторов. После первого положительного опыта использования готовой системы с литиевым источником питания LPS Leab/Clayton мы теперь получили и новый опыт работы с системой, набранной из отдельных серийных компонентов.

LPS – это аббревиатура готовой системы с источником питания на основе лития, которая полностью обеспечивает электроснабжением небольшие яхты или прицеп-дачу. Производитель Clayton разместил в одном корпусе наряду с аккумулятором еще и зарядное устройство, инвертор и элементы питания для управления электротехникой, уже готовые к эксплуатации. Максимально просто разработан вывод тока на борту: 230 вольт поступают прямо из розетки LPS.

Для питания в 12 вольт предназначены целых четыре разъема: два для пусковой аккумуляторной батареи, два – для судовой электрической сети. Искусно придумано, и на самом деле вам больше ничего не нужно.

Две причины, однако, требуют для нас иного решения: во-первых, конструкция LPS доступна только в двух типоразмерах, с 70 или 100 ампер-часами. Во-вторых, вполне понятно, что по физическому размеру аккумуляторы системы LPS больше обычных бортовых батарей. На нашей испытательной яхте эти два пункта явились причинами для отказа от такой системы. Экипаж потребовал большей вместимости, а аккумуляторный отсек яхты был заточен под габаритную высоту автомобильных аккумуляторов еще на верфи, следовательно, его изменение было невозможно из-за расположенных выше спальных мест салона.

Очевидное решение проблемы: надо набирать литиевый источник питания из отдельных компонентов.

Надежность лития – очень важный аспект. Но не по причине того, что аккумуляторы небезопасны, ведь нами применена искробезопасная технология, не имеющая ничего общего с проблемами мобильников или ноутбуков. Точка преткновения здесь – это сама существующая бортовая система электропитания. Литиевые батареи способны выдавать много больше электроэнергии, чем свинцово-кислотные. Поперечные сечения кабелей и электрическая безопасность должны быть тщательно рассчитаны и продуманы, иначе в случае неисправности неминуема угроза повреждения кабеля или пожар.

Химия

Вопрос, какие литиевые технологии используются для бортовой электросети яхты, практически содержит в себе сам ответ: это литиевые железофосфатные аккумуляторы (LiFePo, сокращенно LiFe), напряжение каждого их элемента составляет 3,2 В, – таким образом, четыре элемента образуют аккумулятор с номинальным напряжением 12,8 В. Это идеально для работы обычной 12-вольтовой электрической системы, никакие бортовые потребители заменять не нужно – для малых и средних яхт это огромное преимущество.

LiFe – искробезопасная технология. Дым и пламя, присутствующие в роликах Youtube (или же в рассказах «пикейных жилетов»), здесь отсутствуют, и вы с ними не столкнетесь, за исключением намеренного неправильного обращения. Перегрев и замыкание (см. ниже) предотвращается конструктивно. Производители подобных устройств особо отмечают надежность своих аккумуляторных элементов, демонстрируя таковую посредством пробивания аккумуляторов гвоздями, что попросту приводит к остановке подачи электрического тока. Также и в электрическом смысле LiFe очень «сдержанны»: в результате зарядки неподходящими средствами элементы питания прекращают свою работу, но ничего страшного не происходит. В итоге аккумуляторы LiFe не так опасны, как закрытые свинцовые батареи.

Здесь наблюдается очень сильный контраст с литий-кобальтовыми элементами (LiCo), которые по причинам своих компактности и емкости используются во многих мобильных устройствах. Они скверно реагируют на механическое или электрическое «истязание», устраивая самые настоящие фейерверки. Причина этого: из-за сильного перегрева такие элементы могут получать внутренние повреждения, далее из-за взаимодействия их «потрохов» друг с другом возникает ответная реакция и продолжается сильный нагрев. Начинается процесс под названием «тепловой разгон». Его практически невозможно погасить с помощью бортовых противопожарных средств (см. отчет на стр. ХХ), и он заканчивается только тогда, когда иссякает материал, способный вступать в термическую реакцию. Поэтому надежными производителями технология LiCo не предлагается как бортовая аккумуляторная батарея для парусных яхт и других водных видов спорта. А вот что именно лично вы заказываете в Интернете – совершенно другой вопрос.

Контроль за работой аккумулятора

Вместе с литиевыми аккумуляторами всегда требуется система управления ими или сокращенно СУА (BMS или Battery Management System). Ее наличие обязательно в любом случае, будь то отдельный компонент или интегрированный. Почему? Литиевые элементы всех известных модификаций не могут сбросить лишний заряд (при перезарядке) без немедленного ущерба своему «здоровью». Но независимо от технологии в отдельных элементах аккумулятора всегда присутствуют мельчайшие различия. Как следствие с течением времени состояние зарядки каждого отдельного элемента начинает «плыть». В свинцовой батарее это легко выровнять с помощью целенаправленной легкой перезарядки всего аккумулятора – он при этом автоматически балансируется.

В литиевом аккумуляторе это не так просто сделать, поэтому в качестве альтернативы электроника должна позаботиться об уравновешивании процесса зарядки каждого из элементов. Это одна из задач СУА/BMS. Измеряется напряжение и состояние зарядки каждого отдельного элемента, при необходимости одни элементы отключаются от зарядного тока раньше других. Процесс называется балансировкой, это технически самая трудоемкая часть контроля заряда электроникой. Без него одни элементы будут перезаряжены (что повлечет уменьшение их ресурса), другие станут непригодны из-за глубокого разряда.

Перед полноценной СУА/BMS стоят и другие необходимые задачи: она отключает аккумулятор от сети при избыточном заряде, глубоком разряде, чрезмерном токе или превышении допустимой рабочей температуры, которая создает угрозу пожара. Некоторые современные BMS также могут передавать свои данные через сеть, например, на экраны плоттеров.

Известно, что в свинцово-кислотных аккумуляторах во время разряда напряжение медленно уменьшается. Однако в случае литиевой батареи напряжение остается постоянным на протяжении почти всего процесса разряда и лишь незадолго до полной разрядки очень быстро падает. Это хорошо для равномерного цикла работы бортовой сети – однако оценка оставшегося времени работы без помощи электроники практически невозможна.

У кого на борту уже есть монитор аккумуляторной батареи, тот при известных условиях может использовать его и для литиевой системы. Идеально, когда конкретный тип аккумулятора LiFe выбирается прямо в меню монитора. Если же нет, в таком случае можно попытаться подогнать параметры в программе для свинцовых аккумуляторов, установив 100 процентов для уровня зарядки при коэффициенте Пойкерта 1,0. Будет ли при этом работать автоматическая калибровка уровня заряда, к сожалению, остается вопросом удачи, критерий для свинцовых батарей здесь не совсем подходит.

Но вы, наверное, уже заметили следующее: такая игра в параметры влияет только на отображение оставшейся мощности на мониторе батареи. Сама работа зарядного устройства или предохранителей от нее не зависит, следовательно, любые опасные ситуации исключены.

Выбор аккумулятора

Для литиевых батарей бортовой электрической системы предлагается на данный момент выбор из двух концепций: приобретение готового решения и построение системы из отдельных деталей, то есть самих элементов, разъемов, системы управления батареями и предохранителей. Такая схема отлично масштабируется. Но вот ее расчет и планирование – трудоемкие процессы и предназначены только для специалистов.

К счастью, сегодня вам как клиенту больше нет необходимости возиться со схемами, в любом случае вы получаете конструкцию, куда уже включено все необходимое для безопасной эксплуатации. Иногда изготовители ориентируются даже на привычные габариты свинцовых аккумуляторов. BMS поставляются вместе с подлинными литиевыми аккумуляторами, также они являются основными интегрированными предохранителями в системе. Встроенный блок питания остается достаточно управляемым, поэтому мы выбрали для себя именно эту концепцию. Аккумуляторы, которые мы используем, поставляются компанией AMPS и распространяются через дистрибьютора Sterling Power. Есть похожие модели от разных производителей. Аккумуляторы имеют только два разъема: положительную и отрицательную клемы. Доступ к данным внутреннего управления батареями не предусмотрен. В этом случае это не имеет значения, потому что состояние заряда можно контролировать через внешний монитор батареи. Аккумуляторы типа AMPS 100 Aч можно подключать параллельно. Мы смогли создать такой аккумулятор с желаемой номинальной мощностью 200 ампер-часов.

Но эта простая процедура отнюдь не универсальна.

Для стартерного аккумулятора мы остановились на свинцово-кислотном аккумуляторе. В данном случае литий означал бы лишь небольшое преимущество в весе, но потребовались бы значительные модификации электрической системы двигателя: стартерные двигатели ожидают, что напряжение аккумуляторной батареи во время запуска упадет значительно ниже 10 вольт, и имеют соответствующие параметры. С литиевой батареей это было бы не так, поэтому стартер работал бы при слишком высоком напряжении. И если бы машина не запустилась сразу, стартер мог бы и сгореть. Кроме того, нам пришлось бы заменить регулятор генератора на версию для аккумуляторов LiFe, что в нашем случае было невозможно чисто механически.

Пополнение запасов

Зарядка может быть непростой. Технология зарядки для свинцовых аккумуляторов по умолчанию не подходит: литиевые батареи нуждаются в ином способе зарядки, нежели свинцовые. Например, не должно быть никакого процесса подзарядки, источник питания должен быть обязательно отключен при достижении полного заряда. Хотя сейчас есть литиевые батареи, встроенная электроника которых сама регулирует процесс зарядки. Это свойство аккумуляторов должно быть явно идентифицировано, например, надписью «взаимозаменяемы с AGM/GEL без изменения схемы зарядки». Если эта информация отсутствует, нельзя работать с зарядным устройством от свинцовых аккумуляторов. В нашем случае все было легко: существующее бортовое зарядное устройство от Sterling уже «знало» режим для LiFe-батарей, так что нужно было сделать лишь небольшие настройки через меню. Одновременная зарядка стартерной батареи от наземной сети, конечно, была больше невозможна, но на практике это и не обязательно.

Более трудоемкий, но все же управляемый – процесс зарядки от двигателя. Как сказано выше, у нас есть свинцовый стартерный аккумулятор, заряжаемый прямо от осветительного генератора. Самым простым решением самостоятельной сборки для зарядки литиевой встроенной батареи является зарядное устройство «от батареи к батарее» (зарядное устройство B2B) с характеристической кривой для батарей LiFe.

Мы применяем модель Sterling Power, но принцип одинаков для всех производителей. Электрооборудование двигателя остается точно таким же, как оно было предоставлено производителем: аккумулятор стартера напрямую подключен к стартеру и генератору, что устраняет необходимость в применении реле или диодных распределителей. Зарядное устройство B2B подключено параллельно стартовой батарее. Его электроника обнаруживает, достаточно ли аккумулятор заряжен и имеется ли зарядный ток. Только после этого встроенный преобразователь напряжения начинает работать и обеспечивает оптимальное зарядное напряжение для сетевой литиевой батареи. Чтобы получить большую мощность от генератора, несмотря на стандартный регулятор, зарядное устройство B2B заметно понижает свое напряжение, но при напряжении около 13,0 В оно все еще остается выше напряжения покоя стартерной батареи, поэтому она не будет заряжаться. Когда машина остановлена или аккумуляторная батарея стартера разряжена, система остается неактивной. Поскольку зарядчик B2B не беспокоится о том, кто именно генерирует зарядный ток, он может сделать зарядное устройство для свинцовых батарей или ветрогенератор совместимыми с литиевым аккумулятором. Эти источники питания в данном случае достаточно будет просто подключить к стартерной батарее.

Эксплуатация в зимний период

Для большинства яхтсменов это непринципиально, но в начале или конце сезона все же вполне стоит знать про особенности поведения литиевых батарей при низких температурах. Литий-железофосфатные аккумуляторы могут работать при температурах от -5 до +50 градусов по Цельсию. Но способность генерировать высокие токи практически отсутствует при температуре чуть выше точки замерзания. Правда этот эффект лишь временный и ущерб батарее причинен не будет.

Опасность замерзания существует только при -20 градусах по Цельсию – тогда аккумулятор выходит из строя. На зимовку литиевые батареи не должны оставаться на яхте. Идеальными являются следующие условия хранения в сезон: состояние заряда должно находиться межу 40 и 70 процентами, и аккумулятор будет счастлив. Такой режим хранения поэтому подходит для тех, кто по прибытии в яхт-клуб в выходные хочет быстро выйти в море, а не разматывать береговой кабель.

Поведение

Литиевые батареи могут поставлять и принимать любое количество электроэнергии без значительного колебания напряжения, например, знакомое мерцание ламп при запуске компрессора холодильника отсутствует. Но это также подразумевает, что в случае ошибки монтажа питание ограничивается поперечным сечением кабеля. Поэтому сначала защита предохранителем должна быть установлена непосредственно на аккумуляторе. Кто сэкономит здесь, тот рискует получить короткое замыкание на своем судне. При зарядке могут быть только два состояния: или максимально доступный зарядный ток, или его полное отсутствие, если аккумулятор заряжен. На первый взгляд может показаться подозрительным тот факт, что батарея может легко отключить питание в случае неизбежной чрезмерной разрядки. На самом деле эта опасность угрожает только тогда, когда вы не обращаете внимания на состояние заряда – и тогда литий для вас ничем не лучше свинца. Кроме того, в принудительном отключении действительно ничего плохого нет; ведь теперь система не скрывает наполовину полный аккумулятор в качестве гипотетического резерва.

Расходы

Аккумуляторы LiFe стоят от 900 до 1300 евро за 100 ампер-часов номинальной мощности. При покупке в Интернете обратите внимание на стоимость доставки: литиевые батареи считаются опасным грузом. В качестве дополнительной техники на нашей яхте был установлен зарядник типа «батарея-к-батарее» за 250 евро. Еще 100 евро были вложены в монтажные материалы – кабели, кабельные зажимы и защитные устройства (предохранители).

На практике

Установленная номинальная мощность 200 ампер-часов способна реально выдавать 170 ампер часов, пригодных для использования, что на 80 больше, чем при прежних свинцовых аккумуляторах. Время до следующей зарядки от четырех до семи дней. Полностью разряженные батареи снова будут заряжены через шесть часов, для свинца же требуется 24 часа.

Из-за зарядной характеристики лития даже за короткое время работы двигателя в аккумуляторы подается большое количество тока. В результате – сложно поверить! – в 17-недельном походе по Балтийскому морю, несмотря на постоянно работающий компрессор холодильника, очень редко требовалась подзарядка от береговой электросети. Если вообще требовалась. Необходимо отметить два момента: мы установили (в соответствии с инструкцией по установке) зарядное устройство типа B2B без главного выключателя – только с предохранителем на стартерной батарее. Это решение не зарекомендовало себя в течение длительного времени простоя, так что вы должны действовать в соответствии со схемой, приведенной на стр. ХХ, и отключать батарею, когда вы покидаете яхту на длительное время. А еще на нашем мониторе батареи старой конструкции параметры не могли быть установлены на подходящие для лития значения, устройство пришлось заменить более новым.

Сокращенный вариант. Полностью статья опубликована в Yacht Russia №6/119, 2019 г.