Projekti: lataustehon parantaminen Tristan 820 -veneessä

Akkujen lataamisen ongelmat veneessä

Venemoottoreissa käytössä olevat laturit on suunniteltu pääosin autokäyttöön. Autossa akkua tarvitaan lähinnä käynnistykseen, jolloin akun kapasiteetista käytetään vain hyvin pieni osa kun taas venekäytössä ns. hupiakkujen kapasiteetista käytetään ajon ulkopuolisena aikana tyypillisesti 40-80%. Venemoottoreissa käytettäviä vakiolatureita ei ole suunniteltu lataamaan puolityhjiä akkuja. Vaikka moottoriajoa tulisi riittävästi, akku ei välttämättä täyty. 

Siis: autokäytössä akkua tarvitaan vain käynnistykseen ja laturi ja sen säädin ovat ensisjaisesti suunnitellut  tuottamaan ajon aikana tarvittava sähköenergia kun taas venekäytössä laturia tarvitaan ensisisijaisesti tyhjien hupiakkujen lataamiseen.

"Jos akun varauskapasiteetista käytetään yli puolet eikä akkua saada heti käytön jälkeen ladattua täyteen, tilanne voi olla sekä latauksen että myös akun elinkaaren kannalta katastrofaalinen. Sähköä ei riitä ja akku joudutaan vaihtamaan muutaman kauden jälkeen. Kuulostaako tutulta?"

Akkujen lataamisesta, lataamiseen liittyvistä ongelmista sekä lataamisen teoreettista taustaa on valotettu tässä Tuomaksen blogikirjoituksessa, josta olen myös tähän kirjoitukseeni ottanut muutamia lainauksia. Artikkeli kannattaa lukea kokonaisuudessaan tämän jutun taustatiedoksi!

Tyypillinen latausjärjestely veneessä

"Venemoottoreiden laturit ja latureiden jännitteensäätimet ovat siis tyypillisesti tavallisia autokäyttöön tarkoitettuja laitteita. Ne on suunniteltu tuottamaan akkuun se pari ampeerituntia, jonka auton käynnistys (tai start-stop -toiminto) vie sekä tämän jälkeen tuottamaan sähköteho auton sähkölaitteisiin ja ylläpitämään jännitettä, jolla akku ei purkaudu tai ala tuottaa kaasua.

Laturin yhteydessä oleva jännitesäädin on tehty toimivaksi kaikille akkutyypeille siten, että ylilatauksen tai kaasuuntumisen vaaraa ei ole olemassa. Perussäädin on monessa suhteessa kompromissi eikä toimi hyvin varsinkaan venekäytössä. Säätimen normaalijännite on yleensä varmuuden vuoksi niin matala, että akut eivät ala kaasuuntua missään olosuhteissa, tyypillisesti 13,8-14,2 volttia.

Normaalia alemman latausjännitteen lisäksi veneen latausvirtapiireissä on merkittäviä resistansseja, jotka pudottavat akulla näkyvää latausjännitettä edelleen. Suurin resistanssi liittyy kaksiakkujärjestelmissä usein käytettäviin jakodiodeihin, jotka estävät käynnistys- ja käyttöakun purkautumisen toisiinsa. Isoilla latausvirroilla jännitepudotus diodissa saattaa olla jopa 0,6-0,8 volttia. Hapettuneet liittimet ja kustannussyistä usein käytetyt liian ohuet johdot saattavat pudottaa jännitettä isoilla virroilla jopa 1 voltin. Myös löysä laturin hihna saattaa pudottaa latausjännitettä muutamia voltin kymmenyksiä.

Edellä mainituista syistä käyttöakkujen latausjännite ei moottorilatauksessa nouse välttämättä edes ylläpitoon riittävälle tasolle, saati tasolle jota tulisi latauksen absorptiovaiheessa käyttää. Lopputuloksena on, että käyttöakut eivät moottorilatauksella lataudu juurikaan lyhyiden lataussyklien aikana, eivätkä akut lataudu täyteen edes vaikka moottorilla ajettaisiin pitkään. Täyttä kapasiteettia ei saada käyttöön ja akut ovat vaarassa sulfatoitua. Jos mahdollisen aurinkopaneelinkaan säädin ei nosta jännitettä riittävästi ja maasähkölaturi ei ole älykästä sorttia, sulfatoitumiskatastrofi on valmis."

Akkujen varaustilaa on helppo seurata mittaamalla kuormittamattoman akun napajännite hyvälaatuisella yleismittarilla. Tarkka varaustila selviää vain mittaamalla akkunesteen ominaispaino, mutta seuraavat napajännitearvot antavat riittävän tarkan aproksimaation:

Lyijyakkua ei tulisi koskaan purkaa alle 50% sen kapasiteetista eli napajännitteen ei tulisi alittaa 12,2V. Mitä vähemmän akkua purkaa ja mitä täydemmäksi sen saa käytön jälkeen ladattua, sitä pitempi elinikä akulle on odotettavissa. Ns. syväpurkausakut kestävät paremmin purkaussyklejä, mutta niitäkin koskevat samat yleiset lyijyakkujen rajoitukset.

Mittauksia omassa veneessä

Veneessäni on Boschin 90 ampeerin vakiolaturi, hupiakkuina 2x95Ah Boschin suljettuja lyijyakkuja ja käynnistysakkuna 85Ah AGM-akku. Lisäksi kiinteästi asennettu alykäs maasähkölaturi ja 90W aurinkopaneeli älykkäällä MPP-säätimellä. Älykkyys näiden laureiden kohdalla tarkoittaa sitä, että lataus suoritetaan kolmivaiheisesti kuten Tuomaksen blogikirjoituksessa on latausresepteistä kerrottu.

Ongelmaksi on muodostunut, että normaalien päiväsiirtymien aikana (1-3 tuntia) hupiakut eivät kunnolla lataudu, tosin aurinkopaneelista ja ennen kaikkea määsähkölaturista on apua akkujen koko kapasiteetin saamiseksi käyttöön.

Vaikka luulisi, että puoliksi tyhjät hupiakut saisi veneeni 90 ampeerin laturilla täyteen parissa tunnissa, niin käytännössä näin ei suinkaan ole. Syynä on sekä laturin säätimen asettamat rajoitukset että akkujen kemiasta johtuva syyt.

Mittasin laturin käyttäytymistä tapauksessa, jossa puoliksi tyhjiä hupiakkuja (napajännite lähtötilanteessa 12,2-12,3V) ladataan tyypillistä ajon aikaista koneen kierroslukua käyttämällä:

Akuille tulevaa virtaa mittasin pihtivirtamittarilla akuille tulevasta miinusjohtimesta ja latausjännitettä yleismittarilla akun navoista. Kuvasta näkyy, että 90A laturi antaa parhaimmillaan n. 60A virtaa ja lisäksi se, että virta alkaa jo alle puolessa tunnissa laskemaan jyrkästi. Tämä johtuu siitä, että latauksen aikainen akun napajännite nousee varsin nopeasti jolloin jännitteen noustessa laturin säädin alkaa rajoittamaan virtaa. Kun napajännite nousee säätimen rajajännitteeseen (tässä tapauksessa 14,2V), latausvirta putoaa nopeasti hyvin pieneksi. Laturin säädin ei myöskään mittaa akkujännitettä vaan laturin lähtöjännitettä, joka on yleensä suurempi johtuen mm. akuille menevissä johtimissa tapahtuvissa jännitehäviöistä.

Akkujen lataamista voitaisiin turvallisesti ja pitäisi jatkaa n. 0,2-0,3C:n virralla (0,3 x 190A = 57A) ainakin 2-3 tuntia, jolloin varaustila (State Of Charge, SOC) olisi luokkaa 80%. Kuvasta näkyy, että pitkälläkään ajolla ei päästä edes 80% varaustilaan eikä laturilla todennäköisesti saada akkuja täyteen koskaan!

Älykkyyttä lataukseen

Latausmenetelmää voidaan parantaa periaatteessa kahdella tavalla:

• lisäämällä laturin jälkeen erillinen laite, joka ottaa laturista (tarvittaessa) maksimitehon ja säätää akuille menevää latausvirtaa ohjelmoidun algoritmin ja suoraan akuista tehtävän mittauksen mukaisesti (ulkoinen laturilta-akkuun laturi)
• vaihtamalla laturin jännitesäädin mikroprosessorilla ohjattuun, jolloin latausalgoritmi saadaan optimoitua 3- tai 4-vaiheisen latausmenelmän mukaiseksi (ulkoinen laturin jännitesäädin)

Ensimmäistä vaihtoehtoa on käsitelty aiemmin viittaamassani Tuomaksen blogikirjoituksessa ja jälkimmäistä vaihtoehtoa käsittelen tässä jutussa. Tuomaksen käyttämän laitteen käyttöönotossa on kaksi syytä, joiden takia päädyin valinnassani eri lopputulokseen:

• hinta (400-500 euroa)
• laturilta akulle menevän kaapeloinnin uudelleen järjestely (paksut kaapelit -> hankala ja hinnakas asennus)

Koska laturin ja akkujen välinen kaapelointi on omassa veneessäni kunnossa, päädyin siis valitsemaan edullisemman parinsadan euron hintaisen vaihtoehdon, jossa laturin sisäisen säätimen rinnalle asennetaan älykäs ulkoinen säädin. Säätimeksi valitsin Sterling Pro Reg D:n, jonka tilasin saksalaisesta verkkokaupasta svb.de:stä. Valitsin varmuuden vuoksi tämän jämäkämmän mallin, vaikka viitisenkymppiä edullisempikin malli Digital High Performance Regulator olisi minulle riittänyt. Tilasin laitteen tiistaina ja DHL:n lähetti toi sen seuraavana maanantaina kotiin saakka. Toimituskulut olivat vain 8,95 e!

Kytkentä

Odotusaikana hahmottelin kytkentää, jolla säädin saadaan käyttöön:

Fyysisesti laite tulee akkujen kanssa samaan tilaan, josta laturille on matkaa <50 cm. Kytkentä on sinänsä selkeä ja yksinkertainen: laitteen latausjännitteen mittausjohto menee suoraan akuille, tosin tapauksessa, jossa startti- ja hupiakut on erotettu päävirtakytkimellä, mittausjohto (punainen) pitää viedä päävirtakytkimen common-napaan. Tässä kohtaa hieman oikaisin johtuen siitä, että päävirtakytkin on veneessäni hankalassa paikassa, joten mittausjohto tulee pääkytkimeltä startille tulevan 50 mm2 johdon startin puoleiseen päähän. Jännitehäviötä ei pääkytkimen ja kytkentäkohdan välillä pitäisi merkittävästi syntyä.

Laturin lähtöjännitettä mitataan (ruskea) laturin D+ -navasta, samaan napaan voi kytkeä myös laitteen ON/OFF- eli IGN-tulon (keltainen). Lisäksi tuplamaajohto (2xmusta) laturin miinusnapaan ja referenssimaa (musta/valkea) suoraan akun miinusnapaan. Mukana tulee kaksi lämpötila-anturia, toinen akulle ja toinen laturille. Kytkin pelkästään akulle menevän anturin toisen hupiakun miinusnapaan.

Kytkeminen laturin jännitesäätimeen on ainoa hieman hankalampi kohta toteuttaa. Laturin oma sisäinen jännisäädin (Voltage Regulator) on toteutettu alla olevan mukaisesti:

Sisäisessä säätimessä on kaksi hiiliharjaa, joiden kautta magnetointivirta viedään roottorin liukurenkaille ja edelleen käämille. Magnetointivirralla säädetaan laturin staattorilta saatavaa jännitettä (ja virtaa). Säätimiä on kaksi perustyyppiä: negatiivinen ja positiivinen. Nimitys riippuu siitä, onko säädin sijoitettu roottorin käämin miinus- vai pluspuolelle. Käytännössä kaikki eurooppalaiset laturit ovat varustetut negatiivisella eli kuvan mukaisella säätimellä: roottorille menee suoraan plusjännite (D+) ja varsinainen säädin on roottorin käämin ja miinuksen (D-) välissä. Positiivisessa säätimessä roottorin käämin toinen pää on kytketty suoraan miinukseen ja säädin säätää käämille tulevaa jännitettä.

Tässä yhteydessä on hyvä mainita, että käynnistyäkseen laturin roottorin käämille pitää viedä pieni herätevirta, joka tulee yleensä latauksen merkkilampun kautta. Kun laturi alkaa tuottamaan virtaa, D+ jännite nousee >12V, jolloin lamppu sammuu, koska sen molemmilla puolilla on sama jännite. Laturin merkkilampun palaminen (siis kun lampun hehkulanka palaa poikki) aiheuttaa sen, että laturi ei lataa eikä rikkinäinen merkkivalo tätä tietenkään ilmaise. Tämä takia on syytä muistaa aina varmistaa, että virtojen päällekytkemisen jälkeen merkkilamppu palaa (siis että siinä on valo). Hätätapauksessa vikatilanteessa laturin saa lataamaan viemällä laturin D+ napaan akulta lyhyen aikaa 12V jännitteen.

Kytkennän toteuttaminen ja laitteen käyttöönotto

Ulkoinen säätimen ohjausjohdin (valkoinen) kytketään siis suoraan laturin sisäisen säätimen hiiliharjaan. Laturin omaan säätimeen ei tule muita muutoksia eli se saadaan tarvittaessa käyttöön irroittamalla valkoinen ohjausjohdin tai automaattisesti, jos ulkoinen säädin havaitsee virhetilanteen.

Boschin laturin jännitesäädin sijaitsee laturin takaosassa ja sen voi irroittaa laturin ollessa paikallaan avaamalla säätimen kaksi ristipääruuvia ja vetämällä säädin varovaisesti ulos:

Irroitettuna säädin näyttää tältä:

Ulkoisen säätimen ohjausjohto (valkoinen) kytketään säätimen DF-napaan. Helpointa kytkentä on tehdä juottamalla hiiliharjan juotoskohtaan lyhyt johto ja varustaa se sopivalla liittimellä. Liitin helpottaa asennustyötä ja tarvittaessa ulkoisen säätimen voi poistaa käytöstä irroittamalla tämän johdon. Juottamisen jälkeen säädin näyttää tältä:

Ulkoisen säätimen asentamista varten mittasin ensin veneessä johtimien tarvittavat pituudet, katkaisin johdot määrämittoihin ja sen jälkeen asensin johtojen päihin laadukkaat eristämättömät messinkiset rengasliittimet käyttämällä näille liittimille tarkoitettua puristustyökalua. Johdot pujotin muovisukkaan, jolla ne saa siististi niputettua:

Ulkoisen säätimen oletusasetukset (käyttöjännite, akkutyyppi ja pos/neg-säädin) ovat yleensä sopivat, mutta ennen käyttöönottoa on laitteen ohjekirjasta syytä vielä varmistaa, että asetukset ovat juuri oman kokoonpanon mukaiset.

Tämän jälkeen liittimet kiinni laturiin ja muihin kytkentäpisteisiin, laite paikoilleen ja koekäyttö. Laturi on hyvä myös puhdistaa, ettei esim. W ja D+ -navat mene sekaisin. Ainakin Boschissa nämä navat ovat hyvin samannäköiset ja jos merkinnöistä ei saa selvää, kannattaa navat selvittää mittaamalla:  kone käyntiin ulkoinen säädin poiskytkettynä, jolloin D+ -navassa on >12VDC jännite kun taas W-navassa on 7-8VDC jännite.

Ennen ensimmäistä käyttöä on syytä vielä tupla- tai triplatarkastaa kytkentöjen oikeellisuus. Lisäksi ennen valkoisen ohjausjohtimen yhdistämistä pitää vielä varmistaa mittaamalla latausjännite, että laturin oma modifioitu säädin toimii normaalisti.  

Parhaimman tehon säätimestä saa ohjekirjan mukaan käytettäessä avoimia lyijyakkuja. Siis sellaisia, joissa akun kennojen nestetiloihin on korkit, joiden kautta vettä voidaan tarvittaessa lisätä. Koska akkuja ladataan suuremmalla virralla, myös vedenkulutus kasvaa eli akkujen vedenkulutusta pitää tarkkailla säännöllisesti ja vettä on lisättävä tarvittaessa. Suljettuja- ja geeliakkuja ladataan maltillisemmalla virralla, jotta akut eivät pääse "kiehumaan".

Tässä vielä yksi PDAR:n asennusohje englanniksi Lucasin laturille (parempi kuin laitteen ohjekirjan ohjeet): http://www.waterexplorer.co.uk/hosted/detailed-guide-to-installing-sterling-advanced-regulator-pdar.pdf

Jatkotoimet

Tässä vaiheessa olen vasta varmistanut, että laite lähti käyntiin eli merkkivalot ovat normaalit eikä mitään varoitusvaloja ei vilku. Latausjännite nousi 14,5 volttiin eli säädin alkoi hoitamaan tehtäväänsä. Seuraavaksi testaan laitetta käytännössä ja jossain vaiheessa teen samat mittaukset kuin jutun alussa mainutulla laturin vakiosäätimellä. Tuloksia julkistan, kunhan niitä on käytettävissä...

Päivitys 9.11.2020: Säädin toimi odotusten mukaisesti eli latausjännite pysyi korkeana pitemmän aikaa ja latausvirta kasvoi, tosin en tullut mitanneeksi virtaa pitemmällä otoksella eli lopulliset tulokset jäävät nyt julkaisematta (varsinkin, kun vene tuli myydyksi loppusyksystä). Näppituntumaksi kuitenkin jäi, että hankinta oli hintansa arvoinen. Napajännitemittauksen perusteella akut latautuivat säätimellä täyteen lyhyemmillä matkoilla kuin aiemmin.


täkyt: Sterling Pro Reg D, PDAR, smart regulator, install, Bosch, alternator