Cómo instalar baterías de litio para barcos

Con demandas de energía cada vez mayores en los yates de crucero de hoy en día, Duncan Kent analiza las baterías de litio para embarcaciones y explica lo que se necesita para garantizar un sistema seguro y sin problemas.

Aquellos que navegan mucho, como los cruceros de aguas azules, se beneficiarán de la capacidad adicional de las baterías de litio para barcos, alimentadas por una serie de fuentes.

Cómo instalar baterías de litio para barcos

Para los yates de cruceros de aguas azules, la solución moderna al aumento de la demanda eléctrica es instalar un banco de baterías de iones de litio, especialmente si se planea eliminar el uso de GLP para cocinar.

Sin embargo, las instalaciones de iones de litio pueden ser complejas y problemáticas y, si no se realizan correctamente, pueden presentar un grave riesgo de incendio.

En primer lugar, el único tipo de química de celda de iones de litio actualmente recomendado como seguro para su uso a bordo de un barco es el fosfato de hierro y litio (LiFePO4), generalmente abreviado como LFP.

Estas celdas son prácticamente ignífugas en sí mismas, ya que han sido probadas exhaustivamente por las autoridades contra incendios en varios países, aunque aún pueden provocar un incendio (al igual que cualquier batería) si se instalan o usan incorrectamente.

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Se desaconseja encarecidamente el uso de mezclas de iones de litio para automóviles con elementos como el níquel, el cobalto y el manganeso en un barco, ya que son mucho más propensos a la "fuga térmica" si fallan.

Esto descarta efectivamente el uso de baterías viejas de automóviles eléctricos, ya que no hay una forma real de transferir el mismo sistema de protección complejo para el que fueron diseñados originalmente.

Los yates propulsados ​​eléctricamente suelen tener un sistema de mayor voltaje (generalmente 48 V, 72 V o 96 V), que necesita un sistema de control diseñado con mucho cuidado.

Para estos fines, es tentador incorporar celdas de iones de litio de mayor densidad de energía, como el cobalto de litio (LiCoO2), pero esto requeriría un diseño e instalación profesional y sería muy costoso.

Además, si no puede asegurar su embarcación con este tipo de batería instalada, ¿por qué lo haría?

Los principales beneficios de las baterías LFP son que aceptan una recarga muy rápida y de alta corriente, y pueden descargarse hasta quedar casi vacías sin necesidad de recargarlas regularmente al 100 % del estado de carga (SoC) como ocurre con el plomo. -Baterías de ácido (LA).

De hecho, están más felices de estar entre 20% y 80% de SoC la mayor parte del tiempo. Incluso puede descargar LFP por completo sin hacerles ningún daño, aunque la mayoría de los sistemas de administración de baterías (BMS) incorporados los apagarán a alrededor de 12 V, lo que equivale a alrededor del 10 % de SoC.

Fuga térmica e incendio es el riesgo de baterías de litio de barco mal instaladas. Crédito: Foto de stock de Alamy

Lo mismo cuando están completamente cargados: el BMS debe apagar la fuente de carga automáticamente a alrededor de 14,2 V para evitar que se sobrecarguen.

Las baterías LFP también proporcionarán un número mucho mayor de ciclos de carga que la batería LA de capacidad equivalente y, por último, también son considerablemente más ligeras que cualquier tipo de batería LA, lo que puede marcar una gran diferencia en el equilibrio y el rendimiento de un velero.

Con la capacidad de aceptar y descargar corrientes muy altas, cualquier cableado asociado y protección de circuito para las baterías LFP debe estar a la altura y adaptarse a la medida.

Todos los bancos LFP requieren un sistema integral de administración de baterías que ofrezca protección contra polaridad inversa, balanceo de celdas individuales, limitación de voltaje y corriente de carga, administración y desconexión de emergencia, detección de temperatura de batería y alternador, limitación y administración de corriente de descarga, además de alarmas visuales y audibles.

También vale la pena señalar que, con muchas marcas de las llamadas baterías LFP 'drop-in' (las que tienen un BMS integral), no siempre es posible unir más de dos en serie o en paralelo para formar un banco más grande.

El ácido de plomo sigue siendo la opción preferida para las baterías de arranque, ya que los sistemas de gestión de baterías LFP pueden evitar una salida lo suficientemente rápida. Crédito: Graham Snook/Yachting Monthly

Si necesita una mayor capacidad, a menudo es mejor construir un banco personalizado a partir de celdas individuales de 3,2 V y conectar un único BMS externo para controlar todo el banco simultáneamente.

Si planea construir su propio banco de baterías a partir de celdas individuales, entonces necesita comprar celdas nuevas de grado A.

Muchas de las compras económicas en línea de China son celdas usadas, a menudo reemplazadas por un sistema de alimentación ininterrumpida (UPS) de un banco de almacenamiento de datos o similar.

Aunque puede que tengas suerte, realmente no vale la pena apostar, ya que devolverlos será prácticamente imposible.

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Idealmente, las celdas habrán sido probadas en capacidad y llegarán a un nivel de voltaje muy similar, pero aún necesitará equilibrarlas inicialmente para estar seguro.

Aunque es posible, no es aconsejable utilizar LFP para el arranque del motor o el funcionamiento del molinete del ancla y la hélice de proa. La mayoría no funcionará de todos modos, ya que el consumo instantáneo de corriente intensa que estos dispositivos demandan a menudo puede exceder el umbral de salida de su BMS.

El elemento de una instalación LFP que más preocupa es cómo configurar el sistema de forma segura para la carga.

Como ocurre con la mayoría de las cosas en un barco, hay elecciones personales y decisiones prácticas a tener en cuenta, y muchas de ellas variarán según el tamaño y el tipo de embarcación.

Las baterías LFP tienen una resistencia muy baja en comparación con los tipos de plomo-ácido (LA), lo que les permite cargarse y descargarse a un ritmo mucho mayor, incluso hasta 1C (1 x capacidad o 100 A para una batería de 100 Ah).

Sin embargo, generalmente se cargan entre 0,5 C y 1,0 C hasta que la corriente de carga cae entre 0,015 C y 0,03 C, momento en el que la carga debe cesar para no sobrecargar las celdas.

Construir su propia batería a partir de celdas individuales de 3,2 V con un sistema de administración de batería externo le permitirá crear un banco más grande

Algunos fabricantes incluso recomiendan que deje de cargar a 0,1 C para reducir aún más el estrés de las celdas y prolongar su vida útil.

A diferencia de las baterías LA, el SoC no se puede determinar solo por el voltaje de la batería, ya que puede alcanzar su punto máximo cuando la batería LFP solo está medio cargada.

Además, una batería LFP de 12,8 V totalmente cargada tiene un voltaje en reposo de entre 13,4 V y 13,6 V, muy por encima de los 12,7 V de una batería de plomo-ácido normal. Al 20 %, SoCit seguirá leyendo 13 V, cuando una batería LA tendrá 11,8 V.

Una de las áreas más confusas de una actualización de LFP es cómo configurar la carga del alternador para adaptarse a su instalación y cualquier equipo existente que desee conservar.

Como una batería LFP tiene una resistencia interna muy baja, extraerá tanta corriente del alternador como sea posible y, si se permite que lo haga sin control, sobrecalentará los devanados del alternador, destruyéndolos en unos minutos.

Si deja una batería de arranque del motor LA conectada directamente a la salida del alternador e incorpora un relé de detección de voltaje (VSR) para cargar el banco de ocio LFP (como lo haría normalmente con un banco de baterías doméstico LA), es muy probable que sobrecargue el alternador. VSR o ambos.

Se necesitan sistemas de gestión de batería externa para bancos más grandes

De hecho, incluso si el VSR sobreviviera a este escenario, no funcionaría como debería debido a que el voltaje de reposo más alto de los LFP obliga al relé a permanecer activado permanentemente.

Una solución recomendada es instalar un regulador de alternador inteligente externo, que tendrá instalados sensores de temperatura del alternador y la batería y limitará la carga en consecuencia para garantizar que el alternador se mantenga dentro de su rango de temperatura de funcionamiento, al tiempo que permite que la mayor cantidad de carga posible llegue al LFP de manera segura. banco.

Una alternativa, popular por su simplicidad, es enviar la carga del alternador directamente a la batería de arranque, pero luego instalar un cargador DC-DC (B2B) entre eso y el banco de la casa LFP.

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La principal ventaja de este método es que un cargador CC-CC limitará la corriente que se extrae de la batería de arranque y, por lo tanto, del alternador, al mismo tiempo que garantiza que los parámetros de carga de salida sean totalmente compatibles con el banco doméstico LFP.

También significa que los diodos del alternador están protegidos si el LFP BMS se apaga por cualquier motivo, ya que puede continuar cargando la batería de arranque con normalidad, y un cargador CC-CC también es considerablemente más económico que un regulador inteligente.

El único inconveniente real es que la carga que va al banco se limitará a la salida máxima del cargador de CC-CC, aunque esto se puede solucionar instalando más de un cargador de CC-CC en paralelo si se requiere una corriente de carga total mayor.

Hay un método 'muy ajustado' con el que me he encontrado recientemente, a menudo llamado 'regulación de cable largo'.

Implica conectar el alternador (con un regulador incorporado estándar) directamente al banco LFP y luego regular la cantidad de corriente consumida ajustando el tamaño y la longitud del cable, usando la ley de Ohm para calcular la resistencia requerida para reducir la corriente de carga. para que esté dentro de los límites de carga de trabajo seguros del alternador.

Si navega en climas fríos, tenga cuidado, las baterías de litio para barcos no aceptan carga cuando están por debajo de 0 °C.

Si bien esta teoría funciona, el uso de un cable como resistencia calentará el cable y las instituciones eléctricas marinas profesionales no lo recomiendan y, sin duda, las compañías de seguros lo desaprobarían en caso de un incidente.

Un problema con las baterías LFP tipo 'drop-in' es que una vez que el BMS decide que la batería está completamente cargada, simplemente desconectará la fuente de carga.

Si se trata de un cargador solar o CC-CC, estará bien. Pero si se trata de su alternador, el corte instantáneo de la carga indudablemente quemará sus diodos de salida.

Finalmente, vale la pena señalar que las baterías LFP no aceptarán ninguna carga a 0°C o menos.

Por lo tanto, si la caja de la batería cae regularmente a tales temperaturas, deberá colocarlas sobre almohadillas térmicas para mantenerlas a 5 °C o más.

Un cargador DC-DC puede conectar baterías de litio y plomo ácido

Esto dará como resultado un consumo de energía, pero al menos aceptarán un cargo.

También hay un aspecto físico importante a tener en cuenta al convertir a baterías LFP.

Debido a que las tasas de carga más altas colocarán una carga más pesada en su alternador, deberá asegurarse de que su correa de transmisión esté a la altura del trabajo.

Asegúrese de que sea del tipo correcto de correa, en buenas condiciones y correctamente tensada.

Una correa en V estándar solo es suficiente para alternadores de hasta 75 A.

Por encima de esto, deberá convertir a una correa y poleas de servicio pesado, como la transmisión por correa serpentina multicanal.

Debido a la capacidad del LFP para aceptar una carga a granel de alta corriente, algunos propietarios optan por cargarlos exclusivamente con energía solar.

Esto funciona bien, en climas razonablemente soleados de todos modos, ya que puede verter tanta energía en el banco como los paneles producirán durante su parte más productiva del día.

Los paneles solares funcionan bien con baterías de litio para embarcaciones, ya que pueden almacenar altas tasas de carga máxima y no desperdician energía solar como lo hacen las baterías de plomo ácido de carga más lenta. Crédito: Richard Langdon

También significa que el BMS puede simplemente desconectar los paneles fotovoltaicos sin dañarlos cuando las baterías hayan alcanzado su SoC previo.

La desventaja obvia si navegas todo el año es la escasez de sol en el invierno.

En este caso, le aconsejo que agregue la carga del alternador a través de un cargador de CC-CC o mantenga a bordo un pequeño generador portátil y un cargador de red compatible con LFP para esos días cortos y nublados de invierno.

La mayoría de los cargadores de baterías marinos modernos ahora vienen con un régimen de carga LiFePO4 incorporado para garantizar que los voltajes de carga se mantengan dentro de los parámetros correctos.

Como los LFP odian estar cargados continuamente, incluso en modo flotante, el uso de un cargador compatible con LFP les permite dejarlos desatendidos de manera segura.

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Sin embargo, es posible usar un cargador de batería LA estándar de una sola etapa en modo AGM, siempre que controle el estado de las baterías constantemente y desconecte el cargador inmediatamente cuando se alcance el SoC deseado o el voltaje máximo (definitivamente no superior a 14,6 V). 14,2 V es más seguro).

Una función vital para comprobar si se utiliza un cargador de toma de puerto que no sea LFP es si está configurado para realizar un ciclo automático de desulfatación (ecualización), en el que el voltaje de carga aumenta a 15,5 V o más durante varias horas.

Esto debe desactivarse ya que destruirá las células LFP si se activa.

Después de años de advertir a los navegantes que nunca mezclen diferentes componentes químicos de batería en un solo banco, los 'expertos' proclamaron que, en el caso de LA/LFP, lo contrario es cierto y que un banco híbrido LA/LFP es perfectamente seguro e incluso puede ofrecer lo mejor de ambos mundos.

No estamos hablando de una división 50/50 LA/LFP aquí, sino más bien un solo LFP para aumentar la capacidad de un banco local existente en Los Ángeles.

La teoría detrás de esto es que la batería LA modula los excesos de la LFP, mientras se mantiene en óptimas condiciones.

RELION es un buen ejemplo de batería LFP con BMS interno

La batería LFP, que simplemente se conecta en paralelo con el banco de la casa de LA, aceptará la mayor parte de cualquier carga hasta que alcance el umbral de voltaje superior preprogramado en el BMS (generalmente establecido en alrededor del 90 % de SoC).

En este punto, el BMS cerrará el cobro a la LFP y el banco LA seguirá cobrando solo.

Al descargar, el LFP se drenará naturalmente primero hasta que su voltaje alcance los 12,8 V, momento en el cual los LA también comenzarán a suministrar energía.

Una vez que el banco cae por debajo del umbral de bajo voltaje BMS del LFP, simplemente se apaga y permite que las baterías LA sigan funcionando con normalidad.

El punto de un sistema híbrido de este tipo es que las baterías LA tienen mucho menos trabajo que hacer y la batería LFP las mantiene cargadas permanentemente.

También significa que los diodos del alternador están seguros cuando el BMS se apaga cuando la carga se transfiere al banco LA.

A pesar de que varios electricistas marinos calificados probaron y demostraron que esta idea funciona de manera segura, tanto la Organización Internacional de Normalización (ISO) como el Consejo Estadounidense de Barcos y Yates (ABYC) han declarado que mezclar químicas de baterías como Li-ion y LA es no recomendado y no será aprobado para la certificación.

Considere si la energía de la costa es parte de su régimen de carga regular

Es esto último lo que los proveedores de seguros marítimos escucharán al formular sus pólizas.

Solo confiaríamos en las baterías LFP en un barco. Otras baterías de iones de litio existentes actualmente disponibles simplemente no son adecuadas para el entorno marino.

Sin embargo, le recomendamos que considere instalar un banco de baterías domésticas LFP la próxima vez que actualice, ya que los beneficios de una carga rápida, una mayor capacidad utilizable, una vida más larga y la posibilidad de dejarlas con la mitad de la carga durante períodos prolongados superan con creces el ligero aumento inicial. costo y la necesidad de cambiar algunos aspectos del sistema de cobro.

También recomendamos instalar instalaciones de carga solar, por pequeñas que sean, ya que funcionan de la mano con las células LFP, incluso en los climas menos soleados del Reino Unido.

Cada embarcación es diferente, según el equipamiento, las cargas eléctricas previstas y el tipo de uso.

Vale la pena buscar el consejo de un profesional antes de seguir adelante y agregar una batería de litio a su embarcación.

Hay mucho más que un simple intercambio.

Los tres métodos de instalación más comunes que utilizan arranque de motor LA y baterías domésticas LFP son:

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