Підключення АКБ до інвертора: DC-шини, схеми та перерізи

Грамотне підключення акумуляторів до інвертора визначає як реальний час автономної роботи, так і пожежну безпеку всієї системи. На відміну від мережі 230 В (детальніше про інтеграцію у квартирний щит читайте у матеріалі про підключення інвертора до щита 230 В), низьковольтне коло постійного струму (DC) оперує струмами від 50 до 250 А. Будь-яка помилка у топології з’єднання батарей, замалий переріз перемичок або слабкий притиск наконечника миттєво призводять до критичного падіння напруги та перегріву клем.

Послідовне чи паралельне підключення акумуляторів: напруга, ємність і струми

Коли проєктується резервне живлення на базі декількох батарей, монтажники обирають між двома базовими топологіями або їх комбінацією. Вибір залежить від вхідної напруги перетворювача та необхідного запасу енергії.

Послідовне підключення акумуляторів виконується з’єднанням плюсової клеми першої батареї з мінусовою клемою другої. У такій схемі ємність в ампер-годинах (Ah) залишається незмінною (на рівні однієї батареї), проте сумується напруга. Дві батареї по 12 В і 100 Ah дають збірку 24 В 100 Ah, а чотири — 48 В 100 Ah.

Паралельне підключення акумуляторів передбачає об’єднання всіх плюсів в одну лінію, а мінусів — в іншу. Напруга системи залишається на рівні 12 В, натомість ємності та допустимі струми віддачі складаються: дві АКБ по 12 В 100 Ah утворюють масив 12 В 200 Ah. Саме тому питання, як підключити два акумулятори до інвертора, впирається у паспортний вольтаж самого приладу.

Для перетворювачів потужністю від 2–3 кВт галузевим стандартом є перехід на 24 В, а від 3–5 кВт — на 48 В. Причина криється у законі Ома: інвертор потужністю 2000 Вт при напрузі 12 В споживає постійний струм близько 185–196 А (з урахуванням типового ККД 90%), тоді як при напрузі 48 В струм зменшується вчетверо — приблизно до 46–49 А. Зниження сили струму у 2–4 рази дозволяє використовувати тонші гнучкі кабелі, дешевшу захисну автоматику та зменшує теплові втрати на кожному міліметрі провідника.

Чому не можна виконувати паралельне підключення АКБ «гірляндою»

Найпоширеніша помилка при нарощуванні ємності — шлейфове паралельне підключення АКБ («гірляндою»), коли плюсовий і мінусовий кабелі від інвертора прикручують до клем першого акумулятора, а від нього перемичками йдуть до другого, третього і четвертого. З точки зору фізики постійного струму така схема створює нерівні умови роботи для кожної комірки.

Кожна мідна перемичка та болтове з’єднання мають власний електричний опір. При підключенні з одного краю струм до крайньої батареї змушений долати подвійний шлях через усі проміжні перемички. Через це виникає жорсткий перекіс струмів:

• Під час розряду найближчий до інвертора акумулятор бере на себе непропорційно велику частку навантаження, перегрівається і швидше втрачає ємність, тоді як крайній у ланцюжку віддає значно менше енергії.
• Під час заряду перша батарея першою отримує підвищену напругу, закипає (у випадку свинцево-кислотних AGM/GEL) або відключається платою BMS через перезаряд (у LiFePO4), а остання батарея залишається хронічно недозарядженою.
• Високочастотні пульсації (DC ripple) від роботи силових ключів інвертора також гасяться переважно першою АКБ, що прискорює деградацію її пластин або літієвих комірок.

При інтенсивній циклічній експлуатації «гірлянда» з 3–4 батарей помітно скорочує ресурс першого акумулятора в ланцюжку. Для збірки з двох АКБ допустимим компромісом є перехресне (діагональне) підключення, де плюс на інвертор береться з першої батареї, а мінус — з другої. Проте при об’єднанні трьох і більше накопичувачів або підключенні додаткового MPPT-контролера єдиним інженерно правильним рішенням є збірна шина.

Підключення акумуляторів до інвертора через DC-шини: симетрична схема

Щоб вирівняти навантаження між паралельними гілками з точністю до ампера, застосовується топологія «зірка» через загальні плюсову та мінусову шини. У цій схемі кожна батарея підключається до розподільчого вузла власною парою дротів, а вже від центральної частини шини живлення подається на інвертор і зарядні пристрої.

Головне правило симетричного монтажу — абсолютно однакова довжина і переріз кабелів від кожної окремої АКБ до шини. Навіть якщо одна батарея стоїть на стелажі впритул до щита (30 см), а інша — на нижній полиці (1,2 м), обидва комплекти перемичок нарізають по 1,2 м. Це гарантує однаковий опір кожної лінії до міліома.

Залежно від розрахункового струму в ролі збірного вузла використовують різні нульові шини та клемні блоки:

• Для 24- і 48-вольтових систем зі струмами до 160–250 А зручно монтувати у щит багатополюсні ізольовані клемні блоки. Наприклад, клемні блоки ONKA випускаються з латунними шинами перерізом 6,5×9 мм (80 А), 7×12 мм (160 А, наприклад, двополюсні артикули 1080041 на 7 отворів або 1080042 на 10 отворів) та 10×15 мм (250 А, триполюсний артикул 1080071). Якщо потрібні окремі відкриті шини в ізольованому боксі, підійде розподільча шина N/PE ONKA (зокрема артикул 1080115 із перерізом 7×12 мм на 160 А або 1080123 із перерізом 10×15 мм на 250 А).
• Коли DC шина має комутувати товсті негнучкі кабелі з опресованими наконечниками під болт, на посилену DIN-рейку встановлюють прохідні шпилькові клеми. Наприклад, силова клема 95 мм² під наконечник M8 ONKA 1030059 розрахована на струм до 232 А, має дві шпильки M8 на лудженій мідній шині та закривається відкидними захисними кришками (для менших струмів є аналоги на 70 мм² / 192 А — арт. 1030045 та 50 мм² / 150 А — арт. 1030031).

Кінці багатожильних DC-кабелів обов’язково опресовують гексагональними матрицями у кабельні наконечники мідні луджені під болт ST SIMPA (наприклад, для кабелю 35 мм² під шпильку М8 використовують артикул ST03508, для 50 мм² — ST05008, для 70 мм² — ST07008). Олов’яне покриття захищає мідь від окиснення при високій вологості та запобігає росту перехідного опору.

Розрахунок DC-струмів, вибір кабелю та запобіжників (1–5 кВт)

Виконуючи підключення інвертора до АКБ, переріз провідника підбирають за двома критеріями: допустимим тривалим струмом нагріву та падінням напруги. У колі постійного струму падіння напруги між батареєю та інвертором при повному навантаженні не повинно перевищувати 2,5% (краще — 1–2%), оскільки втрата вольтажу на тонких чи довгих кабелях провокує передчасне спрацьовування захисту інвертора за низькою напругою (Victron Energy — Wiring Unlimited) навіть тоді, коли батарея заряджена ще на 40–50%.

Максимальний робочий струм розраховують за формулою: I = P / (U × η), де P — номінальна активна потужність інвертора (Вт), U — напруга АКБ (В), η — ККД перетворювача (зазвичай 0,90). Для вибору плавкої вставки або автомата постійного струму отримане значення множать на коефіцієнт запасу 1,25.

Захисний запобіжник (типу MEGA, ANL, NH00 або швидкодіючий Class T для літієвих збірок з високими струмами КЗ) монтується у розрив плюсового проводу максимально близько до плюсового виводу батареї — рекомендовано в межах 180 мм (7 дюймів за стандартом ABYC E-11), щоб унеможливити загоряння при короткому замиканні ділянки незахищеного кабелю на корпус чи стелаж. Якщо використовується загальна шина для акумуляторів, індивідуальним запобіжником захищають кожну паралельну гілку АКБ, а головний силовий запобіжник ставлять на магістралі від шини до інвертора.

Чому суворо заборонено змішувати старі та нові АКБ

Часта ситуація під час експлуатації: до встановленого рік тому акумулятора власник докуповує другий і вмикає їх паралельно для подвоєння автономності. Робити це категорично не можна, навіть якщо обидві моделі мають ідентичну наклейку, ємність і хімічний склад.

У процесі старіння внутрішній опір (IR) будь-якого акумулятора зростає через сульфатацію пластин або деградацію електроліту. За даними дослідження Массачусетського технологічного інституту (MIT), різниця внутрішнього опору лише на 20% між паралельно з’єднаними літієвими елементами скорочує загальний циклічний ресурс збірки приблизно на 40% через асиметричне струмове перевантаження нового елемента з меншим опором.

Крім ударного навантаження під час роботи інвертора, деградація триває і тоді, коли система не навантажена. Як пояснюють інженери Banner Batterien, при паралельному з’єднанні старої та нової батарей навіть у стані спокою протікають постійні зрівнювальні струми, коли елемент із нижчим внутрішнім опором безперервно розряджається, намагаючись підзарядити деградовану АКБ. При послідовному з’єднанні (на 24 чи 48 В) картина не краща: стара батарея швидше сідає під навантаженням і першою досягає порогу відсічки, а під час заряду — не приймає струм і спричиняє хронічний перезаряд нової.

Формувати як послідовні, так і паралельні масиви дозволяється виключно з нових акумуляторів однієї моделі, однієї заводської партії та з однаковим рівнем початкового заряду (перед комутацією на шину кожну батарею заряджають окремо до 100%).

Контроль нагріву контактів та регламент обслуговування

Силові кола постійного струму зазнають значних термічних деформацій: під час роботи інвертора на потужності 3–5 кВт мідні жили, наконечники та латунні шини розширюються, а після переходу на мережу — остигають. Через ці температурні цикли болтові та гвинтові затискачі з часом послаблюються.

Найбільш уразливими точками в DC-частині є:

• болтові клеми на борнах самих акумуляторів (особливо свинцеві виводи під болт М6/М8, де метал схильний до текучості під тиском);
• місця посадки запобіжників ANL/MEGA у тримачах, де через слабке затискання гайки виникає локальний перегрів та оплавлення пластику;
• зони опресування кабелю у трубці наконечника (якщо було неправильно обрано матрицю або затиснуто не тим профілем);
• гвинтові притиски на розподільчих шинах та клемних блоках.

Регламент обслуговування вимагає перевіряти момент затягування всіх DC-контактів динамометричним ключем або викруткою через перші 2–4 тижні після запуску системи, а далі — кожні 6 місяців. Пошук проблемних точок проводять під навантаженням (70–100% від номіналу інвертора протягом 20–30 хвилин) за допомогою тепловізора або інфрачервоного пірометра. Якщо температура конкретного наконечника або полюса клемного блока перевищує температуру сусідніх аналогічних вузлів більше ніж на 10–15 °C, з’єднання необхідно розібрати, зачистити контактні площини від оксидної плівки та заново протягнути.

Наконечники на силові кабелі АКБ обтискають гідравлічним пресом і ізолюють термоусадкою.

Часті запитання

Як підключити два акумулятори на 12 вольт до інвертора 12 В та 24 В?

До 12-вольтового інвертора дві АКБ по 12 В підключають паралельно (плюс до плюса, мінус до мінуса), а силові проводи на інвертор знімають діагонально — плюс з першої батареї, мінус з другої, або через загальні DC-шини. До 24-вольтового інвертора ці ж дві батареї з’єднують послідовно: однією перемичкою з’єднують плюс першої АКБ з мінусом другої, а вільні полюси подають на інвертор.

Чи підходить звичайна латунна шина N/PE або клемний блок для постійного струму?

Так, розподільчі шини та клемні блоки (наприклад, серії ONKA на 80, 160 або 250 А) виготовлені з електротехнічної латуні та чудово працюють у колах постійного струму 12–48 В, якщо розрахунковий струм інвертора не перевищує паспортний номінал шини. Головне — забезпечити надійний контакт багатожильного проводу через гільзу або використати силові шпилькові клеми під кільцевий наконечник.

Який переріз кабелю потрібен для інвертора 3 кВт (24 В)?

При напрузі 24 В та ККД 90% інвертор потужністю 3000 Вт споживає з батареї близько 139 А. Для траси довжиною до 1,5 метра оптимальним є мідний гнучкий кабель перерізом 35–50 мм², опресований мідними лудженими наконечниками (наприклад, SIMPA ST03508 або ST05008), у парі із запобіжником на 175–200 А.

Чи можна паралельно з’єднати два акумулятори різної ємності, наприклад 100 Ah і 200 Ah?

З’єднувати паралельно батареї різної ємності допустимо лише в тому разі, якщо вони абсолютно нові, мають однакову хімію (наприклад, обидві LiFePO4 або обидві AGM одного бренду) та однакову робочу напругу. У такій парі внутрішній опір 200-амперної батареї приблизно вдвічі нижчий, тому струми заряду і розряду розподіляться пропорційно їхній ємності (2:1) за умови симетричного підключення через DC-шину. Послідовно (на 24 В) батареї різної ємності з’єднувати категорично заборонено.

Джерела

• Victron Energy — Wiring Unlimited (PDF)
• Gogoana, Pinson, Bazant, Sarma (MIT) — Internal resistance matching for parallel-connected lithium-ion cells, Journal of Power Sources, 2014 (PDF)