Подключение АКБ к инвертору: DC-шины, схемы и сечения

Грамотное подключение аккумуляторов к инвертору определяет как реальное время автономной работы, так и пожарную безопасность всей системы. В отличие от сети 230 В (подробнее об интеграции в квартирный щит читайте в материале о подключение инвертора к щиту 230 В), низковольтная цепь постоянного тока (DC) работает с токами от 50 до 250 А. Любая ошибка в топологии соединения батарей, слишком малое сечение перемычек или слабый прижим наконечника мгновенно приводят к критическому падению напряжения и перегреву клемм.

Последовательное или параллельное подключение аккумуляторов: напряжение, емкость и токи

Когда проектируется резервное питание на базе нескольких батарей монтажники выбирают между двумя базовыми топологиями или их комбинацией. Выбор зависит от входного напряжения преобразователя и необходимого запаса энергии.

Последовательное подключение аккумуляторов выполняется соединением плюсовой клеммы первой батареи с минусовой клеммой второй. В такой схеме ёмкость в ампер-часах (Ah) остается неизменной (на уровне одной батареи), однако суммируется напряжение. Две батареи по 12 В и 100 Ah дают сборку 24 В 100 Ah, а четыре — 48 В 100 Ah.

Параллельное подключение аккумуляторов предполагает объединение всех плюсов в одну линию, а минусов — в другую. Напряжение системы остается на уровне 12 В, зато ёмкости и допустимые токи отдачи складываются: две АКБ по 12 В 100 Ah образуют массив 12 В 200 Ah. Именно поэтому вопрос, как подключить два аккумулятора к инвертору, упирается в паспортное напряжение самого прибора.

Для преобразователей мощностью от 2–3 кВт отраслевым стандартом является переход на 24 В, а от 3–5 кВт — на 48 В. Причина кроется в законе Ома: инвертор мощностью 2000 Вт при напряжении 12 В потребляет постоянный ток около 185–196 А (с учетом типичного КПД 8) ток уменьшается в четыре раза — примерно до 46–49 А. Снижение силы тока в 2–4 раза позволяет использовать более тонкие гибкие кабели, более дешевую защитную автоматику и уменьшает тепловые потери на каждом миллиметре проводника.

Почему нельзя выполнять параллельное подключение АКБ «гирляндой»

Самая распространенная ошибка при наращивании емкости — шлейфовое параллельное подключение АКБ («гирляндой»), когда плюсовой и минусовой кабели от инвертора прикручивают к клеммам первого аккумулятора, а от него перемычками идут ко второму, третьему и четвертому. С точки зрения физики постоянного тока такая схема создает неравные условия работы для каждой ячейки.

Каждая медная перемычка и болтовое соединение имеют собственное электрическое сопротивление. При подключении с одного края ток до крайней батареи вынужден преодолевать двойной путь через все промежуточные перемычки. Из-за этого возникает жесткий перекос токов:

• Во время разряда ближайший к инвертору аккумулятор берет на себя непропорционально большую долю нагрузки, перегревается и быстрее теряет емкость, тогда как крайний в цепочке отдает значительно меньше энергии.
• Во время заряда первая батарея первой получает повышенное напряжение, закипает (в случае свинцово-кислотных AGM/GEL) или отключается платой BMS из-за перезаряда (у LiFePO4), а последняя батарея остается хронически недозаряженной.
• Высокочастотные пульсации (DC ripple) от работы силовых ключей инвертора также гасятся преимущественно первой АКБ, что ускоряет деградацию ее пластин или литиевых ячеек.

При интенсивной циклической эксплуатации «гирлянда» из 3–4 батарей заметно сокращает ресурс первого аккумулятора в цепочке. Для сборки из двух АКБ допустимым компромиссом является перекрестное (диагональное) подключение, где плюс на инвертор берется с первой батареи, а минус — со второй. Однако при объединении трех и более накопителей или подключении дополнительного MPPT-контроллера единственно инженерно правильным решением является сборная шина.

Подключение аккумуляторов к инвертору через DC-шины: симметричная схема

Чтобы выровнять нагрузку между параллельными ветвями с точностью до ампера, применяется топология «звезда» через общие плюсовую и минусовую шины. В этой схеме каждая батарея подключается к распределительному узлу собственной парой проводов, а от центральной части шины питание подается на инвертор и зарядные устройства.

Главное правило симметричного монтажа — абсолютно одинаковая длина и сечение кабелей от каждой отдельной АКБ до шины. Даже если одна батарея стоит на стеллаже вплотную к щиту (30 см), а другая — на нижней полке (1,2 м), оба комплекта перемычек нарезают по 1,2 м. Это гарантирует одинаковое сопротивление каждой линии с точностью до миллиома.

В зависимости от расчетного тока в роли сборного узла используют различные нулевые шины и клеммные блоки:

• Для 24- и 48-вольтовых систем с токами до 160–250 А удобно монтировать в щит многополюсные изолированные клеммные блоки. Например, клеммные блоки ONKA выпускаются с латунными шинами сечением 6,5×9 мм (80 А), 7×12 мм (160 А, например, двухполюсные артикулы 1080041 на 7 отверстий или 1080042 на 10 отверстий) и 10×15 мм (250 А, трехполюсный артикул 1080071). Если нужны отдельные открытые шины в изолированном боксе, подойдет распределительная шина N/PE ONKA (в частности, артикул 1080115 с сечением 7×12 мм на 160 А или 1080123 с сечением 10×15 мм на 250 А).
• Когда DC шина должна коммутировать толстые негибкие кабели с опрессованными наконечниками под болт, на усиленную DIN-рейку устанавливают проходные шпилечные клеммы. Например, силовая клемма 95 мм² под наконечник M8 ONKA 1030059 рассчитана на ток до 232 А, имеет две шпильки M8 на луженой медной шине и закрывается откидными защитными крышками (для меньших токов есть аналоги на 70 мм² / 192 А — арт. 1030045 и 50 мм² / 150 А — арт. 1030031).

Концы многожильных DC-кабелей обязательно опрессовывают гексагональными матрицами в кабельные наконечники медные луженые под болт ST SIMPA (например, для кабеля 35 мм² под шпильку М8 используют артикул ST03508, для 50 мм² — ST05008, для 70 мм² — ST07008). Оловянное покрытие защищает медь от окисления при высокой влажности и предотвращает рост переходного сопротивления.

Расчет DC-токов, выбор кабеля и предохранителей (1–5 кВт)

Выполняя подключение инвертора к АКБ, сечение проводника подбирают по двум критериям: допустимым продолжительным током нагрева и падением напряжения. В цепи постоянного тока падение напряжения между батареей и инвертором при полной нагрузке не должно превышать 2,5% (лучше — 1–2%), поскольку потеря вольтажа на тонких или длинных кабелях провоцирует преждевременное срабатывание защиты инвертора по низкому напряжению (Victron Energy — Wiring Unlimited) даже тогда, когда батарея заряжена еще на 40–50%.

Максимальный рабочий ток рассчитывают по формуле: I = P/(U×η), где P — номинальная активная мощность инвертора (Вт), U — напряжение АКБ (В), η — КПД преобразователя (обычно 0,90). Для выбора плавкой вставки или автомата постоянного тока полученное значение умножают на коэффициент запаса 1,25.

Защитный предохранитель (типа MEGA, ANL, NH00 или быстродействующий Class T для литиевых сборок с высокими токами КЗ) монтируется в разрыв плюсового провода максимально близко к плюсовому выводу батареи — рекомендовано в пределах 180 мм (7 дюймов по стандарту ABYC E-11), чтобы исключить загорание при коротком замыкании участка незащищенного кабеля на корпус или стеллаж. Если используется общая общая шина для аккумуляторов, индивидуальным предохранителем защищают каждую параллельную ветвь АКБ, а главный силовой предохранитель ставят на магистрали от шины до инвертора.

Почему категорически запрещено смешивать старые и новые АКБ

Частая ситуация при эксплуатации: к аккумулятору, установленному год назад, владелец докупает второй и включает их параллельно для удвоения автономности. Делать это категорически нельзя, даже если обе модели имеют идентичную наклейку, емкость и химический состав.

В процессе старения внутреннее сопротивление (IR) любого аккумулятора растет из-за сульфатации пластин или деградации электролита. По данным исследования Массачусетского технологического института (MIT), разница внутреннего сопротивления всего на 20% между параллельно соединенными литиевыми элементами сокращает общий циклический ресурс сборки примерно на 40% из-за асимметричной токовой перегрузки нового элемента с меньшим сопротивлением.

Помимо ударной нагрузки при работе инвертора, деградация продолжается и тогда, когда система не нагружена. Как поясняют инженеры Banner Batterien, при параллельном соединении старой и новой батарей даже в состоянии покоя текут постоянные уравнительные токи, когда элемент с меньшим внутренним сопротивлением непрерывно разряжается, пытаясь подзарядить деградировавший АКБ. При последовательном соединении (на 24 или 48 В) картина не лучше: старая батарея быстрее садится под нагрузкой и первой достигает порога отсечки, а при заряде не принимает ток и вызывает хронический перезаряд новой.

Формировать как последовательные, так и параллельные массивы разрешается исключительно из новых аккумуляторов одной модели, одной заводской партии и с одинаковым уровнем начального заряда (перед коммутацией на шину каждую батарею заряжают отдельно до 100%).

Контроль нагрева контактов и регламент обслуживания

Силовые цепи постоянного тока подвергаются значительным термическим деформациям: при работе инвертора на мощности 3–5 кВт медные жилы, наконечники и латунные шины расширяются, а после перехода на сеть — остывают. Из-за этих температурных циклов болтовые и винтовые зажимы со временем ослабевают.

Наиболее уязвимыми точками в DC-части являются:

• болтовые клеммы на выводах самих аккумуляторов (особенно свинцовые выводы под болт М6/М8, где металл склонен к текучести под давлением);
• места посадки предохранителей ANL/MEGA в держателях, где из-за слабой затяжки гайки возникает локальный перегрев и оплавление пластика;
• зоны опрессовки кабеля в трубке наконечника (если неправильно подобрана матрица или обжато не тем профилем);
• винтовые прижимы на распределительных шинах и клеммных блоках.

Регламент обслуживания требует проверять момент затяжки всех DC-контактов динамометрическим ключом или отверткой в первые 2–4 недели после запуска системы, далее — каждые 6 месяцев. Поиск проблемных точек проводят под нагрузкой (70–100% от номинала инвертора в течение 20–30 минут) с помощью тепловизора или инфракрасного пирометра. Если температура конкретного наконечника или полюса клеммного блока превышает температуру соседних аналогичных узлов более чем на 10–15 °C, соединение необходимо разобрать, зачистить контактные поверхности от оксидной пленки и заново затянуть.

Наконечники на силовые кабели АКБ обжимают гидравлическим прессом и изолируют термоусадкой.

Частые вопросы

Как подключить два аккумулятора на 12 вольт к инвертору 12 В и 24 В?

К 12-вольтовому инвертору две АКБ по 12 В подключают параллельно (плюс к плюсу, минус к минусу), а силовые провода на инвертор снимают диагонально — плюс с первой батареи, минус со второй, или через общие DC-шины. К 24-вольтовому инвертору эти же две батареи соединяют последовательно: одной перемычкой соединяют плюс первой АКБ с минусом второй, а свободные полюсы подают на инвертор.

Подходит ли обычная латунная шина N/PE или клеммный блок для постоянного тока?

Да, распределительные шины и клеммные блоки (например, серии ONKA на 80, 160 или 250 А) изготовлены из электротехнической латуни и отлично работают в цепях постоянного тока 12–48 В, если расчетный ток инвертора не превышает паспортный номинал шины. Главное — обеспечить надежный контакт многожильного провода через гильзу или использовать силовые шпилечные клеммы под кольцевой наконечник.

Какое сечение кабеля нужно для инвертора 3 кВт (24 В)?

При напряжении 24 В и КПД 90% инвертор мощностью 3000 Вт потребляет от батареи около 139 А. Для трассы длиной до 1,5 метра оптимальным является медный гибкий кабель сечением 35–50 мм², опрессованный медными луженymi наконечниками (например, SIMPA ST03508 или ST05008), в паре с предохранителем на 175–200 А.

Можно ли параллельно соединить два аккумулятора разной емкости, например 100 Ah и 200 Ah?

Соединять параллельно батареи разной емкости допустимо только в том случае, если они абсолютно новые, имеют одинаковую химию (например, обе LiFePO4 или обе AGM одного бренда) и одинаковое рабочее напряжение. В такой паре внутреннее сопротивление 200-амперной батареи примерно вдвое ниже, поэтому токи заряда и разряда распределятся пропорционально их емкости (2:1) при условии симметричного подключения через DC-шину. Последовательно (на 24 В) батареи разной емкости соединять категорически запрещено.

Источники

• 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)